汶川地震災(zāi)區(qū)生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)分析

徐 佩，王玉寬，楊金鳳，彭 怡

(中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041)

生物多樣性是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)［1］。但目前生物多樣性正面臨嚴(yán)重威脅。世界自然保護(hù)聯(lián)盟(IUCN)發(fā)布的“2004年瀕危物種紅色名錄”表明，1/3的兩棲類動物、1/2以上的龜類、1/8的鳥類和1/4的哺乳動物正面臨生存威脅。目前，全球15000多個(gè)物種正在消失［2］。《千年生態(tài)系統(tǒng)評估——生物多樣性綜合報(bào)告:生態(tài)系統(tǒng)與人類福祉》中指出，自工業(yè)化初期至今全球漁業(yè)資源減少了90%，1/3的兩棲動物、1/5的哺乳動物和1/4的針葉林瀕臨滅絕;大自然調(diào)節(jié)氣候、空氣和水源的能力下降;自然災(zāi)害對人類的沖擊越來越多［3］。因此保護(hù)生物多樣性實(shí)際就是保護(hù)人類自身，是實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要保證［4］。

用于生物多樣性保護(hù)的人力和財(cái)力都是有限的，對所有區(qū)域采取同一水平的保護(hù)策略和投資，既不現(xiàn)實(shí)也無必要［5-6］。為使有限的資源得到最佳配置和利用，必須找出一些具有顯著生物多樣性，同時(shí)正受到嚴(yán)重威脅的區(qū)域，即所謂的生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)(hotspot)。生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)被認(rèn)為是本地物種多樣性最豐富的地區(qū)或是特有物種集中分布地區(qū)［7-9］，該概念最早是由英國著名生態(tài)學(xué)家Norman Myers于1988年在分析熱帶雨林受威脅程度的基礎(chǔ)上提出的［10］，并于2000年根據(jù)物種特有程度和受威脅程度提出了全球生物多樣性保護(hù)的25個(gè)優(yōu)先的熱點(diǎn)地區(qū)［11］。近年來，生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。許多學(xué)者從全球、區(qū)域及地區(qū)等不同尺度，開展了相關(guān)研究［12-19］。提出了系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃［20］，生態(tài)位模型等新的方法［21］，并引入了地質(zhì)學(xué)等其他學(xué)科的理論［22］。總體來看，熱點(diǎn)區(qū)的識別需要考慮生物多樣性的現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢，結(jié)合物種分布與生境質(zhì)量兩方面，并盡量采用空間分析、數(shù)理分析等定量化研究方法。目前基于地理信息系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法的運(yùn)用是熱點(diǎn)分析的重要趨勢，但在對熱點(diǎn)的空間識別過程中，還主要依靠專家知識，僅對不同空間要素進(jìn)行簡單疊加，缺乏對熱點(diǎn)區(qū)特征的準(zhǔn)確描述。

汶川地震災(zāi)區(qū)位于長江上游地區(qū)，被保護(hù)國際認(rèn)定的25個(gè)全球生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)之一，同時(shí)提供了棲息地保護(hù)、水源涵養(yǎng)、水土保持等多重功能。但受汶川地震的影響，區(qū)域內(nèi)植被破壞嚴(yán)重，生物多樣性受到極大威脅。交通、定居點(diǎn)、工礦設(shè)施的重建使生物多樣性保護(hù)的壓力進(jìn)一步增大。識別生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)，將生物多樣性保護(hù)納入災(zāi)后重建是恢復(fù)和保護(hù)該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要內(nèi)容。本文采用空間相關(guān)方法識別汶川地震災(zāi)區(qū)的生物多樣性保護(hù)的熱點(diǎn)區(qū)，為災(zāi)區(qū)生物多樣性保護(hù)、減少災(zāi)后恢復(fù)重建對生物多樣性的影響提供決策依據(jù)，同時(shí)也是對生物多樣性保護(hù)規(guī)劃的有益探索。

1 研究區(qū)概況

汶川地震重災(zāi)區(qū)位于四川省西北部，川西高原向盆地過渡地帶(圖1)。由于地勢變化明顯，立體氣候顯著，生物多樣性極為豐富。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，該區(qū)域僅高等植物多達(dá)5000種以上，擁有國家一級保護(hù)植物10種，國家二級保護(hù)植物29種，各類資源植物2000多種，擁有國家一級保護(hù)動物14種，國家二級保護(hù)動物69種，也是我國大熊貓(Ailuropoda melanoleuca)的主要分布區(qū)。

2 研究方法

2.1 生物多樣性指數(shù)

選取物種生境質(zhì)量、植被景觀多樣性指數(shù)和物種多樣性指數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)。其中生境質(zhì)量采用InVEST生物多樣性模型計(jì)算［23-24］，關(guān)系式如下:

模型使用Quality_1-Quality_2差值作為生境質(zhì)量相對得分(Quality_3)

式中，name分別代表道路、居民點(diǎn)、鐵路、農(nóng)田和地質(zhì)災(zāi)害威脅因子;sen_name表示威脅因子的敏感性值;name_prox表示威脅因子的威脅值;legal_access表示合法可達(dá)性;(W_threat name/W)威脅因子相對權(quán)重。

根據(jù)災(zāi)區(qū)物種的生存狀況和受威脅的程度，本文利用李文迪對指示物種的選擇和賦值標(biāo)準(zhǔn)［12］，選擇災(zāi)區(qū)的指示物種并計(jì)算指示物種的豐富度指數(shù)。

圖1 汶川地震災(zāi)區(qū)地理位置示意Fig.1 The geographical location of Wenchuan earthquake area

景觀多樣性指數(shù)采用Shannon-Weiner多樣性指數(shù)，其表達(dá)式為:

式中，H'x表示評估單元x的植被群系多樣性指數(shù)，其值越大表明評估單元內(nèi)的植被群系統(tǒng)越豐富;Pi表示評估單元x內(nèi)的植被群系i的面積比例;n為植被群系的數(shù)目。

在此基礎(chǔ)上，以柵格為統(tǒng)計(jì)單元，計(jì)算生物多樣性綜合指數(shù)，公式如下:

式中，BIx表示柵格單元x的生物多樣性指數(shù)。

將綜合得分指數(shù)進(jìn)行最大值標(biāo)準(zhǔn)化，使得綜合得分值指數(shù)取值在0—1之間。最后利用ArcGIS軟件以圖形的形式將生物多樣性指數(shù)表現(xiàn)出來，分析災(zāi)區(qū)生物多樣性空間分布特點(diǎn)。

2.2 熱點(diǎn)地區(qū)識別

在疾病和人口的熱點(diǎn)區(qū)的分析中，空間相關(guān)分析的方法已被應(yīng)用于分析疾病的高發(fā)區(qū)或人口密集區(qū)［25-31］，這與生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)分析具有很大的相似性。因此本文利用空間相關(guān)分析進(jìn)行熱點(diǎn)地區(qū)分析，使用空間統(tǒng)計(jì)中最常用的系數(shù)，它是一種基于距離權(quán)矩陣的局部空間自相關(guān)指標(biāo)，能探測出高值聚集和低值聚集(熱點(diǎn)分析)。由 Ord 和 Getis［32］提出:

式中，xj表示局部范圍內(nèi)的空間單元的屬性值;Wij是i，j單元之間的距離權(quán)重，Wi表示所有距離權(quán)之和;表示給研究區(qū)域內(nèi)所有斑塊屬性的平均值。其中，

3 結(jié)果與討論

3.1 生物多樣性指數(shù)

圖2繪出了地震災(zāi)區(qū)生物多樣性綜合指數(shù)。綜合指數(shù)高值區(qū)集中在龍門山區(qū)各縣，其中汶川、寶興、北川、平武以及青川的生物多樣性指數(shù)較高;西部高原邊緣區(qū)的松潘與小金的多樣性指數(shù)較高;山前平原與盆地低山丘陵區(qū)的多樣性指數(shù)普遍較低。其中崇州、都江堰、彭州、什邡、綿竹和安縣等各縣(市)的平原區(qū)生物多樣性水平很低，而山區(qū)的生物多樣性指數(shù)較高，界線非常清晰，說明了山區(qū)與平原在生物多樣性保護(hù)功能方面有著較大的差異。

3.2 生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)

利用ArcGIS熱點(diǎn)分析功能對綜合指數(shù)進(jìn)行熱點(diǎn)分析，結(jié)果如圖3。熱點(diǎn)區(qū)主要分布在龍門山一帶，基本上可以分為北部的岷山高值區(qū)和南部邛崍山高值區(qū)兩部分。而Z(G*i)＜-2.0的低值區(qū)主要分布在山前平原和平原丘陵區(qū)。造成這種差異的原因在于:一是山區(qū)地形起伏較大，在地形的控制下形成的各種小生境為生物多樣性提供了物理基礎(chǔ)，二是平原區(qū)人類活動劇烈，生物生境受到人為的干擾強(qiáng)烈。

圖2 地震災(zāi)區(qū)生物多樣性指數(shù)Fig.2 Spatial distribution of biodiversity index in Wenchuan earthquake area

圖3 地震災(zāi)區(qū)指數(shù)Fig.3 Spatial distribution of in Wenchuan earthquake area

3.3 熱點(diǎn)地區(qū)與自然保護(hù)區(qū)的一致性

根據(jù)圖4計(jì)算得到的生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)的面積28874.68 km2，占汶川地震災(zāi)區(qū)總面積的37.9%，熱點(diǎn)區(qū)面積比例較高的原因是山區(qū)與平原丘陵區(qū)在物種豐度、景觀多樣性和生境質(zhì)量方面的差異都很大。導(dǎo)致山區(qū)的生物多樣性豐富的優(yōu)勢就會在熱點(diǎn)分析時(shí)明顯地體現(xiàn)出來。其中位于各類保護(hù)區(qū)內(nèi)的熱點(diǎn)區(qū)面積8377.49 km2，占整個(gè)熱點(diǎn)區(qū)面積的29.01%，占災(zāi)區(qū)所有保護(hù)區(qū)面積的55%。在全部34個(gè)保護(hù)區(qū)中，熱點(diǎn)區(qū)涉及到26個(gè)保護(hù)區(qū)。沒有劃到熱點(diǎn)區(qū)的保護(hù)區(qū)，如睢水海綿礁、聞溪西河濕地、翠云廊古柏和九龍山自然保護(hù)區(qū)由于其保護(hù)級別相對較低，且位于人為干擾較強(qiáng)烈的平原和丘陵地區(qū)，其周圍地區(qū)的生境質(zhì)量以及生物多樣性指數(shù)較低，這些因素共同作用影響了它們進(jìn)入熱點(diǎn)區(qū)。海拔較高的保護(hù)區(qū)由于植被覆蓋度低，影響了其進(jìn)入熱點(diǎn)區(qū)范圍內(nèi)。

3.4 熱點(diǎn)地區(qū)與物種分布的關(guān)系

雖然熱點(diǎn)區(qū)面積僅占整個(gè)災(zāi)區(qū)面積37.9%，但對指示物種生境的覆蓋比例卻比較高，在選取的69個(gè)指示物種中有60個(gè)物種，其位于熱點(diǎn)區(qū)的生境面積占其位于災(zāi)區(qū)的總生境面積的50%以上，包括了全部的13種國家一級保護(hù)動植物物種，有32個(gè)物種熱點(diǎn)區(qū)生境面積比例在80%左右，熱點(diǎn)區(qū)內(nèi)的所有指示物種生境總面積占整個(gè)災(zāi)區(qū)指示物種生境總面積的70%以上。

本文選取了10個(gè)指示植物種，熱點(diǎn)區(qū)覆蓋了全部指示物種的生境范圍，有7個(gè)物種的熱點(diǎn)區(qū)生境比例在55%以上。熱點(diǎn)區(qū)內(nèi)生境面積比例最高的物種是圓葉玉蘭(Magnolia sinensis)、珙桐(Davidia involucrata var.involucrata)和香果樹(Emmenopterys henryi)，分別為94.6%、89.1%和86.0%。峨眉含笑(Michelia wilsonii)、西康玉蘭(Magnolia wilsonii)和紅豆樹(Ormosia hosiei)在熱點(diǎn)區(qū)內(nèi)生境面積比例較低(圖5)。西康玉蘭(Magnolia wilsonii)主要分布在災(zāi)區(qū)的邊緣地區(qū)，范圍狹小，而空間分析對邊緣區(qū)的探測不是很敏感，峨眉含笑(Michelia wilsonii)與紅豆樹(Ormosia hosiei)分布離散，且峨眉含笑(Michelia wilsonii)的生境面積較小，因此本文熱點(diǎn)區(qū)沒有很好反映它們的分布信息。

圖4 災(zāi)區(qū)生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)與保護(hù)區(qū)分布Fig.4 Distribution of biodiversity hotspots and Nature Reserve in Wenchuan earthquake area

鳥類指示物種共有24種，熱點(diǎn)區(qū)涉及到了所有鳥類指示物種的生境(圖6)。其中有23個(gè)物種在熱點(diǎn)區(qū)生境面積比例50%以上，有16個(gè)物種在熱點(diǎn)區(qū)生境面積比例80%以上。僅有綠尾虹雉(Lophophorus lhuysii)位于熱點(diǎn)區(qū)生境面積比例為24.4%(圖6)，但是綠尾虹雉(Lophophorus lhuysii)在災(zāi)區(qū)的生境分布范圍較廣，雖然其熱點(diǎn)區(qū)面積比例較低，但其在熱點(diǎn)區(qū)內(nèi)的面積仍然有1881.432km2。

圖5 指示植物種在熱點(diǎn)區(qū)與保護(hù)區(qū)內(nèi)的生境面積比例Fig.5 The proportion of indicator species habitat area in hotspots and nature reserve

圖6 鳥類指物種熱點(diǎn)區(qū)與保護(hù)區(qū)內(nèi)的生境面積比例Fig.6 The proportion of birds indicator species habitat area in hotspots and Nature Reserve

哺乳類指示物種有35種，其中有30種在熱點(diǎn)區(qū)內(nèi)的生境面積占其災(zāi)區(qū)總生境面積的比例在50%以上，有14種在熱點(diǎn)區(qū)生境面積比例在80%左右(圖7)。熱點(diǎn)區(qū)內(nèi)面積比例較低的幾個(gè)物種，其位于熱點(diǎn)區(qū)內(nèi)的生境面積也都在50km2以上。僅猞猁(Lynx lynx)的熱點(diǎn)區(qū)內(nèi)生境面積為35.7km2，原因與西康玉蘭(Magnolia wilsonii)相似，鼬獾(Melogale moschata)、貉(Nyctereutes procyonoides)的分布范圍較廣，它在人為干擾強(qiáng)烈的平原丘陵區(qū)有2/3左右的生境面積，因此只有1/3的生境面積進(jìn)入熱點(diǎn)區(qū)，這是合理的。林麝(Moschus berezovskii)則是由于指示物種選取的數(shù)量還不夠，物種豐度信息不是很準(zhǔn)確造成的。

3.5 熱點(diǎn)地區(qū)與Marxan模型優(yōu)先區(qū)的比較

2008年6月大自然保護(hù)協(xié)會(TNC)利用Marxan模型確定了四川省省生物多樣性保護(hù)的優(yōu)先地區(qū)。本文基于空間分析的生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)主要分布在龍門山區(qū)，與Marxan模型得到的生物多樣性優(yōu)先區(qū)分布基本一致，但在西部高原邊緣區(qū)的黑水縣和理縣存在較大差異(圖8)。原因可能是:一方面可能由于本文指示物種的數(shù)目較少，代表性不夠強(qiáng)引起的;另一方面可能是在計(jì)算綜合指數(shù)時(shí)考慮了植被覆蓋度的影響，而高海拔區(qū)由于植被覆蓋度低所以沒有納入熱點(diǎn)區(qū)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)基于空間分析方法獲得的熱點(diǎn)區(qū)幾乎沒有離散的點(diǎn)狀區(qū)域的分布，克服了Marxan優(yōu)先區(qū)分布過于離散，孤島效應(yīng)明顯的缺點(diǎn)，因?yàn)樵诒Ｗo(hù)區(qū)劃時(shí)一般不會設(shè)立一個(gè)孤立的與原保護(hù)區(qū)沒有聯(lián)系的保護(hù)區(qū)，優(yōu)先區(qū)雖然從理論上講具有很重要的意義，考慮到保護(hù)區(qū)之間的連接度和保護(hù)區(qū)內(nèi)物種的長遠(yuǎn)發(fā)展，優(yōu)先區(qū)可能并不是最佳的選擇。同時(shí)，由空間分析方法劃分的熱點(diǎn)區(qū)的不僅要求本身物種豐富、景觀多樣、生境質(zhì)量高，還要滿足其周圍的地區(qū)也具有此特點(diǎn)才能夠被劃分為熱點(diǎn)區(qū)。因此，從長遠(yuǎn)來看這種方法劃分的熱點(diǎn)區(qū)更具保護(hù)意義。此外，Marxan模型計(jì)算的優(yōu)先區(qū)包含的范圍較小，只能用于指導(dǎo)保護(hù)區(qū)的規(guī)劃，不能指出需要對生態(tài)破壞嚴(yán)重的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行限制的區(qū)域。在實(shí)際工作中可以將空間分析獲取的熱點(diǎn)區(qū)與Marxan模型輸出的最優(yōu)區(qū)相結(jié)合，提出生物多樣性的最佳保護(hù)方案。

圖7 哺乳類指示物種熱點(diǎn)區(qū)與保護(hù)區(qū)內(nèi)的生境面積比例Fig.7 The proportion of mammals indicator species habitat area in hotspots and Nature Reserve

圖8 空間相關(guān)方法劃分的熱點(diǎn)地方與TNC優(yōu)先保護(hù)區(qū)比較Fig.8 Comparison of hotspots based on spatial correlation method and the TNC priority conservation areas

4 結(jié)論

汶川地震對區(qū)域的生物多樣性造成極大影響。識別生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)是將生物多樣性保護(hù)納入災(zāi)區(qū)重建的基礎(chǔ)。本文利用InVEST模型對災(zāi)區(qū)生境質(zhì)量進(jìn)行定量評價(jià)，然后采用空間分析方法識別了生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)。并與現(xiàn)有保護(hù)區(qū)分布、物種生境分布以及Marxan模型得到的優(yōu)先區(qū)進(jìn)行了對比。識別出的熱點(diǎn)地區(qū)基本上與Marxan模型結(jié)果一致。識別出的岷山區(qū)域生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)和南部邛崍山區(qū)生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)之間可以考慮建立生態(tài)廊道保護(hù)區(qū)。基于空間分析得到的熱點(diǎn)地區(qū)也存在不足，包括對評估區(qū)域邊緣的探測不是很敏感，考慮因素較多，有些特有種分布區(qū)等可能會因其他因素的影響而不能進(jìn)入熱點(diǎn)區(qū)，這些都是進(jìn)一步需要解決的問題。

致謝:本文使用了美國斯坦福大學(xué)與世界自然基金會(WWF)以及大自然保護(hù)協(xié)會(TNC)聯(lián)合開發(fā)的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型(InVEST)，在模型調(diào)試與驗(yàn)證過程中得到了Gretchen Daily教授，Erik博士，Driss博士的幫助，特此致謝。

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