區(qū)域尺度生物多樣性維護(hù)功能綜合評(píng)估方法與實(shí)證研究

劉銘華，陳艷梅①，鄒長(zhǎng)新，丁疆輝，呂田田，張 揚(yáng)

(1.河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/ 河北省環(huán)境變化遙感識(shí)別技術(shù)創(chuàng)新中心/ 河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050024；2.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042)

生物多樣性維護(hù)功能是生態(tài)系統(tǒng)在維持基因、物種、生態(tài)系統(tǒng)和景觀多樣性時(shí)發(fā)揮的作用，是生態(tài)系統(tǒng)最主要的生態(tài)功能之一[1]。對(duì)區(qū)域尺度生物多樣性維護(hù)功能進(jìn)行評(píng)估，既可以了解生物多樣性現(xiàn)狀及空間分布特征，又可以識(shí)別生物多樣性保護(hù)重點(diǎn)和熱點(diǎn)區(qū)，便于查漏補(bǔ)缺，提高生物多樣性保護(hù)的針對(duì)性和有效性，為區(qū)域自然保護(hù)區(qū)建設(shè)和生態(tài)安全格局構(gòu)建提供科學(xué)依據(jù)[2]。

國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)生物多樣性維護(hù)功能評(píng)估方法多是基于地面調(diào)查的指標(biāo)測(cè)度法[3]。在國(guó)內(nèi)，張崢等[4]選取多樣性、代表性、稀有性、自然性、穩(wěn)定性和人類威脅等指標(biāo)，制定了一套濕地生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。于莉莉[5]在定性分析基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)域特點(diǎn)，構(gòu)建壓力-狀態(tài)-響應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并采用層次分析法確定各層級(jí)指標(biāo)權(quán)重，評(píng)價(jià)大豐自然保護(hù)區(qū)生物多樣性。高昌源[6]結(jié)合遼寧省(市)行政界限和自然保護(hù)區(qū)邊界數(shù)據(jù)，通過對(duì)人類影響、生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和生物多樣性保護(hù)區(qū)劃3個(gè)準(zhǔn)則層7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，確定了遼寧西部和東部生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)的建議地域范圍，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。傳統(tǒng)生物多樣性測(cè)度方法多以行政區(qū)邊界作為評(píng)估單元，將地面實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)用到某級(jí)別行政區(qū)，很少關(guān)注柵格水平生物多樣性時(shí)空分布格局，無法滿足當(dāng)前生物多樣性綜合評(píng)估和區(qū)域生態(tài)安全格局建設(shè)的需求。

當(dāng)前，生物多樣性評(píng)估關(guān)注多因素的綜合影響，有關(guān)柵格水平生物多樣性空間分布研究不斷完善。徐文婷[7]利用不同分辨率的遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)，開展三峽庫(kù)區(qū)森林生物多樣性狀況、特點(diǎn)和影響因素評(píng)估。楊海軍等[8]從物種、生態(tài)系統(tǒng)和景觀3個(gè)尺度構(gòu)建縣域尺度生物多樣性遙感評(píng)估體系，主要的包含凈初級(jí)生產(chǎn)力歸一化指數(shù)、生境質(zhì)量指數(shù)和生境面積百分比等因子，該方法能獲取空間上的生物多樣性信息，但未考慮海拔高度的影響。王艷霞等[9]利用地形和水熱指標(biāo)構(gòu)建生物多樣性富集度評(píng)估模型，并對(duì)云南省生物多樣性富集度進(jìn)行連續(xù)化評(píng)估，但未考慮人類活動(dòng)和生物量對(duì)生物多樣性分布的影響。莫建飛等[10]選擇植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)、氣候和地形等因子構(gòu)建基于NPP的生物多樣性維護(hù)功能定量評(píng)價(jià)模型，分析了廣西喀斯特區(qū)生物多樣性維護(hù)功能空間分布特征，但未考慮植被蓋度和人類活動(dòng)干擾的影響。受數(shù)據(jù)可獲取性、可靠性、成本效率和時(shí)空尺度等諸多因素限制，已有相關(guān)研究選擇的評(píng)估因子并不相同，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，缺乏能夠反映宏觀尺度生物多樣性特征的綜合評(píng)估模型，尤其缺少對(duì)模型的驗(yàn)證，區(qū)域尺度生物多樣性空間格局定量研究仍有深入開展的必要和空間。有鑒于此，采用GIS、RS技術(shù)，選擇生物量、地面高程、氣候和土地覆被等因子，構(gòu)建生物多樣性維護(hù)功能綜合評(píng)估模型，在京津冀區(qū)域尺度上開展生物多樣性維護(hù)功能定量評(píng)估，并將其與地面調(diào)查的生物多樣性諸指數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證評(píng)估方法的科學(xué)性和可行性，以期為區(qū)域自然保護(hù)區(qū)建設(shè)和生態(tài)修復(fù)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

京津冀地區(qū)位于華北地區(qū)東部，地處北緯36°05′～42°40′、東經(jīng)113°27′～119°50′之間。由北京市、天津市和河北省3地組成，總面積21.8萬km2。該區(qū)域生境類型多樣，地勢(shì)西北高、東南低，高原、山地、丘陵、盆地和平原地貌類型齊全。研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，降水集中于夏季，降水量空間分布不均，燕山和太行山夏季風(fēng)迎風(fēng)坡降水量較大，冀西北山間盆地和壩上高原西部降水量較少。多樣化的地理單元和生境類型，加上物種區(qū)系起源古老等原因，使得研究區(qū)生物多樣性比較豐富。

2017年研究區(qū)總?cè)丝谶_(dá)到11 247.09萬人，比2016年末增加42.02萬人。國(guó)民經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)快速增長(zhǎng)，生產(chǎn)總值達(dá)80 580.41億元，比2016年末增加5 967.81 億元。人口數(shù)量的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展給區(qū)域生態(tài)環(huán)境帶來較大壓力，直接或間接地干擾研究區(qū)生物多樣性維護(hù)功能。

使用數(shù)據(jù)主要包括遙感、DEM、氣候和土地覆被以及實(shí)測(cè)生物多樣性數(shù)據(jù)等。其中，遙感數(shù)據(jù)采用2000—2010年平均MODIS歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)，用于獲取植被覆蓋度和生物量；DEM數(shù)據(jù)來源于原河北省地理信息局，空間分辨率為90 m，用于反映生境多樣性；氣象數(shù)據(jù)采用中國(guó)地面氣候標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)集，來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，包括年平均降水量、年平均氣溫和月日照百分率等環(huán)境要素中較活躍因子；土地覆被數(shù)據(jù)為Arc Info coverage格式，比例尺為1∶10萬，來源于中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊-流域數(shù)據(jù)集成與模擬中心(http:∥lwdc.niglas.cas.cn/)，用于表達(dá)人類干擾強(qiáng)度；河北省縣域生物多樣性實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)來源于河北省生物多樣性調(diào)查與評(píng)價(jià)報(bào)告，自然保護(hù)區(qū)物種多樣性數(shù)據(jù)來源于河北省生態(tài)環(huán)境廳自然處，用于驗(yàn)證評(píng)估結(jié)果。

2 生物多樣性維護(hù)功能模型構(gòu)建

在廣泛借鑒生物多樣性維護(hù)功能相關(guān)評(píng)估方法基礎(chǔ)上，構(gòu)建了區(qū)域尺度生物多樣性維護(hù)功能綜合評(píng)估模型，模型構(gòu)建思路、涉及的主要因子見圖1。

模型計(jì)算公式為

Sij=Bij×Gij×Mij×LUT，ij。

(1)

式(1)中，S為某區(qū)域生物多樣性維護(hù)功能強(qiáng)弱程度；i為某柵格像元；j為某評(píng)價(jià)因子；B為生物量因子；G為地形地貌因子；M為氣候因子；LUT為土地覆被因子。

2.1 生物量因子

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP，PNP)是生態(tài)系統(tǒng)中各類生物成員生存和繁衍的物質(zhì)基礎(chǔ)，是生物多樣性維護(hù)功能的保障，可以表征植被生長(zhǎng)現(xiàn)狀和其他生物的生存環(huán)境[11]。同時(shí)，采用遙感手段獲取參數(shù)，有助于在宏觀區(qū)域尺度上開展生物多樣性維護(hù)功能動(dòng)態(tài)評(píng)估工作[12]。在一定范圍內(nèi)，植被覆蓋度高、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力高的區(qū)域，其生物多樣性維護(hù)功能相對(duì)較高，因此以這2個(gè)指標(biāo)作為生物量因子(B)，其計(jì)算公式為

(2)

PNP，i=(fAPAR，i×RPA，i)×(εi*×Tiδ1×

Tiδ2×Wiδ)，

(3)

Bij=Ci×PNP，i。

(4)

式(2)～(4)中，C為植被覆蓋度；j為某評(píng)價(jià)因子；INDV，min和INDV，max分別為植被最小和最大像元NDVI值，即所有像元NDVI值分布概率分別為95%和5%時(shí)所對(duì)應(yīng)的NDVI值；PNP為植被凈初級(jí)生產(chǎn)力；RPA為到達(dá)地表的光合有效輻射；fAPAR為植被層對(duì)入射PAR的吸收比例，隨植被類型及其演替階段和季節(jié)不同而變化；ε*為最大光能利用率；Tδ1、Tδ2為溫度脅迫系數(shù)；Wδ為水分脅迫系數(shù)；i為某柵格像元。fAPAR、ε*、Tδ1、Tδ2和Wδ取值參照文獻(xiàn)[13]。對(duì)NPP進(jìn)行歸一化處理。

2.2 地形地貌因子

地形是解釋陸地生物多樣性富集的常用因素之一[14]。根據(jù)山地微氣候?qū)W理論，海拔和經(jīng)緯度是反映水熱條件的宏觀因子，坡度、坡向和地形起伏度是對(duì)水熱重新分配的重要因子，這些因子反映了地形復(fù)雜程度，與物種分布和物種豐富度直接相關(guān)。海拔在某種程度上決定了區(qū)域水熱組合變化，影響著生物生存適宜性[15]；地形起伏度能反映景觀變化特征和生態(tài)系統(tǒng)類型豐富度，是表達(dá)生物多樣性維護(hù)功能的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[16]。將地形地貌因子(G)細(xì)化，重點(diǎn)考慮海拔參數(shù)和地形起伏度對(duì)生物多樣性維護(hù)功能的綜合影響，其計(jì)算公式為

Gij=Hi×Ri。

(5)

式(5)中，H為海拔參數(shù)；R為地形起伏度；i為某柵格像元；j為某評(píng)價(jià)因子。

京津冀地區(qū)地形單元復(fù)雜，地勢(shì)高度差較大，海拔范圍為<0～2 800 m，有多種適宜生物生長(zhǎng)的環(huán)境，但不同海拔地區(qū)的生境差別很大。根據(jù)“中間高度膨脹”現(xiàn)象[17-21]，即生物多樣性維護(hù)功能在中等海拔高度最大這一現(xiàn)象，通過參考文獻(xiàn)[22-24]，結(jié)合河北省現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)河北省生物多樣性在海拔1 000～1 500 m間最大。海拔參數(shù)(H)計(jì)算公式為

(6)

式(6)中，Hmax和Hmin分別為最大和最小高程，m。

地形起伏度(R)計(jì)算公式為

Ri=Hi，max-Hi，min。

(7)

式(7)中，Ri為以第i個(gè)柵格為中心的窗口內(nèi)地形起伏度；Hi，max和Hi，min分別為窗口內(nèi)最大和最小高程，m。窗口大小是地形起伏度計(jì)算的關(guān)鍵，參照文獻(xiàn)[25]將京津冀區(qū)域海拔≤400 m地區(qū)窗口設(shè)為4.64 km2，海拔>400 m地區(qū)設(shè)為5.35 km2，窗口為圓形。R計(jì)算采用ArcGIS 10.2軟件焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)模塊，并對(duì)R進(jìn)行歸一化處理。

2.3 氣候因子

氣候作為影響生物生長(zhǎng)發(fā)育及分布的關(guān)鍵因素，對(duì)生物多樣性起著重要作用。氣候因子直接反映植物生長(zhǎng)所需的水熱條件，氣候因子變化也會(huì)影響植被和生境空間格局的變化，進(jìn)一步影響區(qū)域生物多樣性維護(hù)功能。氣溫和降水能影響生物有機(jī)體性狀、種間關(guān)系和分布格局以及生物多樣性，進(jìn)而影響以生物有機(jī)體為主體的生態(tài)系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性[26]。因此，氣候因子(M)選擇多年平均年降水量和多年平均氣溫2個(gè)因子，其計(jì)算公式為

Mij=Pi×Ti。

(8)

式(8)中，P為多年平均年降水量，mm；T為多年平均氣溫，℃；i為某柵格像元；j為某評(píng)價(jià)因子。

根據(jù)京津冀地區(qū)24個(gè)氣象站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)出各站點(diǎn)經(jīng)緯度以及對(duì)應(yīng)的多年平均年降水量和多年平均氣溫，再將統(tǒng)計(jì)好的數(shù)據(jù)加載到Arcmap 10.2軟件中進(jìn)行反距離權(quán)重法插值計(jì)算，并對(duì)插值后的P和T因子進(jìn)行歸一化計(jì)算。

2.4 土地覆被因子

生物多樣性受土地覆被變化影響很大。土地覆被類型變化后，生態(tài)系統(tǒng)物種組成和景觀多樣性均會(huì)發(fā)生變化，尤其是人類活動(dòng)強(qiáng)度較大的土地利用類型，生物多樣性維護(hù)功能會(huì)降低。多數(shù)研究根據(jù)人類干擾程度對(duì)各土地利用類型進(jìn)行賦值，林地生物多樣性維護(hù)功能最強(qiáng)[27-33]。考慮京津冀地區(qū)實(shí)際情況，并參考相關(guān)文獻(xiàn)賦值水平，最后確定研究區(qū)不同土地利用類型生物多樣性維護(hù)功能系數(shù)(表1[30-33])。

表1 土地覆被因子賦值

在京津冀區(qū)域燕山和太行山山脈形成的北部和西部生態(tài)屏障，國(guó)家實(shí)施了如環(huán)京津生態(tài)林帶、京津風(fēng)沙源治理區(qū)、三北防護(hù)林區(qū)和重點(diǎn)水源保護(hù)區(qū)等一系列生態(tài)工程，打造了具有一定寬度和厚度、集中連片、相互貫通的森林帶[34]。在大面積單一人工林的基礎(chǔ)上，通過小面積撫育砍伐，采用“引闊入針”“林下植樹”等措施，逐步形成了以人工純林為頂層，灌木、草、花、次生林的復(fù)層異齡混交結(jié)構(gòu)，生物多樣性維護(hù)功能較強(qiáng)。同時(shí)，燕山和太行山區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)中人工林面積為566.86 km2，天然林面積為15 051.07 km2，人工林面積僅占3.63%。因此，筆者未區(qū)分人工林與天然林。

3 結(jié)果與分析

3.1 京津冀地區(qū)生物多樣性維護(hù)功能空間格局

采用構(gòu)建的生物多樣性維護(hù)功能綜合評(píng)估模型，對(duì)京津冀地區(qū)進(jìn)行評(píng)估，并采用自然間斷點(diǎn)法進(jìn)行重要性分級(jí)，共分為極重要、高度重要、重要、一般和不重要5級(jí)(圖2)。

如圖2所示，研究區(qū)生物多樣性極重要和高度重要區(qū)面積分別為22 939.08和25 968.67 km2，分別占研究區(qū)總面積的10.53%和11.91%，主要分布于燕山山區(qū)和太行山山區(qū)，該區(qū)域以大面積林地、草地和未利用地為主。研究區(qū)生物多樣性重要和一般區(qū)域面積分別為29 305.81和45 992.31 km2，分別占研究區(qū)總面積的13.44%和21.10%，主要為燕山山區(qū)、冀西北山間盆地邊緣區(qū)和太行山山區(qū)小面積林地斑塊。研究區(qū)生物多樣性不重要區(qū)域面積達(dá)93 794.13 km2，占研究區(qū)總面積的43.02%，主要分布于壩上高原和平原地區(qū)，該區(qū)域以耕地、草地、農(nóng)村居民點(diǎn)和城鎮(zhèn)為主?？傮w來看，京津冀地區(qū)生物多樣性維護(hù)功能高值區(qū)主要分布在燕山山區(qū)和太行山山區(qū)，低值區(qū)則廣泛分布在壩上高原和平原地區(qū)，這與生物多樣性地面實(shí)地調(diào)研結(jié)果[35]得出的分布格局具有較好的一致性。

3.2 結(jié)果驗(yàn)證

3.2.1基于縣域單元生物多樣性調(diào)查結(jié)果的驗(yàn)證

采用SPSS 22.0和EXCEL 2007軟件對(duì)河北省燕山地區(qū)、太行山地區(qū)、壩上高原地區(qū)和平原地區(qū)共64個(gè)縣、市生物多樣性實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)和評(píng)估結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析(圖3)。為方便進(jìn)行比較，對(duì)野生維管植物豐富度、野生高等動(dòng)物豐富度、生態(tài)系統(tǒng)類型多樣性、物種特有性、外來物種入侵度和稀有瀕危物種豐富度等實(shí)地調(diào)研因子進(jìn)行歸一化處理?？紤]到實(shí)地調(diào)查時(shí)主要選擇生物多樣性豐富區(qū)域，研究區(qū)生物多樣性維護(hù)功能模型評(píng)估結(jié)果取所在縣域范圍內(nèi)所有像元評(píng)估值分布概率的90%。

如圖3所示，研究區(qū)縣域生物多樣性實(shí)測(cè)因子與模型評(píng)估結(jié)果間呈顯著相關(guān)。除外來物種入侵度與評(píng)估結(jié)果呈顯著負(fù)相關(guān)外，其他因子與評(píng)估結(jié)果均呈顯著正相關(guān)，物種特有性與評(píng)估結(jié)果顯著程度最高，其次分別為生態(tài)系統(tǒng)類型、稀有瀕危物種豐富度、野生維管植物豐富度和野生高等動(dòng)物豐富度。如表2所示，燕山和太行山地區(qū)生物多樣性維護(hù)功能評(píng)估值較高，實(shí)地調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)分布于該區(qū)域各縣、市的植物物種達(dá)1 000種以上，生態(tài)系統(tǒng)類型超過50種，野生高等動(dòng)物豐富度、野生維管植物豐富度和物種特有性也均最高；實(shí)測(cè)結(jié)果中低值區(qū)與生物多樣性維護(hù)功能評(píng)估值較低區(qū)域分布也具有一致性?？傮w來看，生物多樣性維護(hù)功能模型評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況具有較高吻合度。

表2 研究區(qū)生物多樣性實(shí)測(cè)結(jié)果與生物多樣性維護(hù)功能評(píng)估結(jié)果相關(guān)關(guān)系及具體分布情況

3.2.2以自然保護(hù)區(qū)為典型區(qū)的檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證評(píng)估模型的科學(xué)性與實(shí)用性，統(tǒng)計(jì)分析了研究區(qū)省級(jí)及以上自然生態(tài)類自然保護(hù)區(qū)物種多樣性與評(píng)估結(jié)果的相關(guān)性，以便對(duì)模型評(píng)估結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。如表3所示，研究區(qū)各自然保護(hù)區(qū)物種多樣性與評(píng)估結(jié)果間呈顯著對(duì)數(shù)相關(guān)(r=0.54，P<0.001)。

表3 研究區(qū)自然保護(hù)區(qū)物種多樣性與生物多樣性維護(hù)功能評(píng)估結(jié)果相關(guān)關(guān)系

根據(jù)地貌類型分析自然保護(hù)區(qū)分布，燕山地區(qū)共15個(gè)自然保護(hù)區(qū)，其中86.67%的自然保護(hù)區(qū)分布在生物多樣性維護(hù)功能極重要和高度重要區(qū)；太行山地區(qū)共13個(gè)自然保護(hù)區(qū)，均分布在生物多樣性維護(hù)功能極重要和高度重要區(qū)；壩上高原地區(qū)共4個(gè)自然保護(hù)區(qū)，50%的自然保護(hù)區(qū)分布在生物多樣性維護(hù)功能極重要和高度重要區(qū)；平原地區(qū)共10個(gè)自然保護(hù)區(qū)，均不在生物多樣性維護(hù)功能極重要和高度重要區(qū)。這表明評(píng)估模型適用于山區(qū)，對(duì)海拔較低、生境簡(jiǎn)單的平原和高原區(qū)域適用性較差。

4 討論與結(jié)論

筆者構(gòu)建的綜合評(píng)估模型增加了土地覆被因子，再結(jié)合河北省地形地貌及生物多樣性現(xiàn)狀，細(xì)化了海拔高度、地形起伏度和生物量等因子的影響，使模型更適合區(qū)域尺度山地丘陵地區(qū)生物多樣性維護(hù)功能評(píng)估。但模型仍存在以下不足：模型評(píng)估結(jié)果僅能直觀反映生物多樣性空間分布格局，無法獲取物種數(shù)量或豐富度等準(zhǔn)確信息；在海拔起伏較小、生境相對(duì)簡(jiǎn)單的平原和高原地區(qū)評(píng)估結(jié)果偏差較大；未考慮研究區(qū)人工林生物多樣性維護(hù)功能與天然林的差別，將人工林與天然林區(qū)分處理。筆者研究結(jié)合地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)算了縣域水平生物多樣性、自然保護(hù)區(qū)物種多樣性與評(píng)估結(jié)果間相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)縣域物種特有性與評(píng)估結(jié)果之間相關(guān)性最高(r=0.699，P<0.001)，研究區(qū)各自然保護(hù)區(qū)物種多樣性與評(píng)估結(jié)果呈顯著對(duì)數(shù)相關(guān)(r=0.54，P<0.001)。

未來研究中，將生物多樣性實(shí)地調(diào)查與宏觀尺度遙感觀測(cè)緊密結(jié)合，利用兩者間統(tǒng)計(jì)關(guān)系，量化識(shí)別區(qū)域柵格尺度生物多樣性因子準(zhǔn)確分布特征，為區(qū)域自然保護(hù)區(qū)建設(shè)和生態(tài)修復(fù)等工作提供科學(xué)依據(jù)。