秦嶺生物多樣性優(yōu)先區(qū)植物保護重要區(qū)識別與空缺分析

馬 琪，張 園，袁家根

(1.西安外國語大學 旅游學院/人文地理研究所，陜西 西安 710128；2.陜西省環(huán)境科學研究院，陜西 西安 710061)

生物多樣性是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，珍稀瀕危植物是生物多樣性的重要組分，對揭示物種起源、遺傳育種、生態(tài)系統(tǒng)演化以及氣候環(huán)境變遷等具有重要價值[1]。面對人類活動干擾不斷加劇和全球氣候變化的影響，生境破碎和喪失導致的植物物種滅絕加劇已經(jīng)引起國際社會和學術界的廣泛關注[2-3]。20世紀70年代起，國際上開始關注珍稀瀕危植物的保護[4]，識別具有生物多樣性突出貢獻的重要區(qū)進行優(yōu)先保護成為各地現(xiàn)實可行的保護路徑[3]。最初N.Myers[5]、E.M.Canadas等[6]提出的生物多樣性“熱點地區(qū)”概念受到廣泛認可。此后諸多學者針對不同種類的重要區(qū)識別進行了大量探索和實踐，如：鳥類重要區(qū)(IBAs)[7]、蝴蝶重要區(qū)(PBAs)[8]和植物重要區(qū)(IPAs)[9]的識別等。世界自然保護聯(lián)盟(IUCN)于2016年正式提出生物多樣性重要區(qū)域(KBAs)的全球標準[3,10]，系統(tǒng)考慮了遺傳、物種和生態(tài)系統(tǒng)不同層面KBAs的劃分指標和閾值[3,11-12]。中國生物多樣性保護工作起步雖晚，但發(fā)展較快，在區(qū)域生物多樣性保護實踐方面，較早提出了確定優(yōu)先保護物種和區(qū)域的方法，如：翟惟東等[13]提出了生物多樣性自然保護區(qū)功能區(qū)劃方法，李義明等[14]系統(tǒng)梳理了自然保護區(qū)設計的主要原理和方法。此外眾多學者圍繞生物多樣性熱點地區(qū)分析和優(yōu)先區(qū)識別開展了大量的探索和實踐，如：研究者在太行山區(qū)[15]、秦嶺山區(qū)[16]、三江源地區(qū)[17]、長江流域[18]、東北和西南地區(qū)[19-20]等地開展的生物多樣性優(yōu)先區(qū)識別工作。國家層面也已確認并公布重點保護物種名錄和生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)，并通過立法、行政和司法等方式加強保護。在識別技術和方法層面，學者們多采用空間保護優(yōu)先化的定量工具(Zonation、C-PLAN、MARXAN)[18-21]、NPP定量指標法[16]，同時結合地理信息系統(tǒng)(GIS)等現(xiàn)代信息技術手段進行物種適宜分布區(qū)的預測和識別[17]，以服務于區(qū)域生物多樣性的保護和管理實踐。綜合來看識別生物多樣性重要區(qū)和空缺分析的思路和方法具有普遍適用性，但適合中國國情的重要區(qū)域識別指標體系和標準需要進一步研究[3]，現(xiàn)有區(qū)域性研究存在識別方法選擇多樣、數(shù)據(jù)指標不統(tǒng)一、研究尺度不一致等問題致使識別的重要區(qū)結果亦有所差異；即使針對同一生物多樣性優(yōu)先區(qū)，諸多研究結果之間可比性較低。

秦嶺生物多樣性優(yōu)先區(qū)作為全國35個生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)之一，擁有極其豐富的野生植物資源，如何進一步準確可靠地識別優(yōu)先區(qū)內(nèi)的植物重要區(qū)，優(yōu)化保護網(wǎng)絡成為亟待解決的現(xiàn)實問題。為此，本研究篩選確定秦嶺優(yōu)先區(qū)71種珍稀瀕危植物作為目標物種，建立重要植物生境數(shù)據(jù)庫，運用物種生境適宜性評估方法識別秦嶺植物保護的重要區(qū)和空缺區(qū)，進而分析土地利用人為活動對不同重要區(qū)域的影響，以期為秦嶺優(yōu)先區(qū)有限保護資源的精準分配和自然保護地體系的規(guī)劃建設提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

秦嶺生物多樣性優(yōu)先區(qū)位于我國中部的秦嶺山地，涉及甘肅省、陜西省和河南省3個省46個區(qū)縣，是中國南北方的分界線，屬于亞熱帶與暖溫帶的交匯處。本研究涉及的秦嶺生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)陜西段屬于秦嶺山地的主體，覆蓋陜西省寶雞市、漢中市、西安市、安康市、渭南市、商洛市在內(nèi)的31個區(qū)縣，總面積為49 330.5 km2。境內(nèi)山體高大雄偉，地形復雜，由東向西山勢逐漸升高；山峰多在2 000～3 000 m，主峰太白山海拔3 771 m[22]。復雜多樣的地貌和氣候環(huán)境，孕育了秦嶺山地豐富的動植物資源，是全國乃至全球珍稀瀕危動植物保護的關鍵區(qū)域，其中擁有種子植物3 436種，約1/2植物是中國特有植物[16]。目前境內(nèi)已有35個自然保護區(qū)，其中國家級21個，省級14個。

1.2 研究方法

1.2.1 物種生境適宜性模型 根據(jù)物種的生境需求建立物種生境數(shù)據(jù)庫，主要包括物種分布區(qū)縣信息、海拔分布范圍以及生態(tài)系統(tǒng)類型[15-16]。首先，將重要植物的區(qū)縣分布、海拔分布和適宜生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)進行疊加，其公共區(qū)域為重要植物的適宜生境范圍。其次，根據(jù)目標保護物種的重要性(表1)采用賦值求和法進行物種生境適宜性評價，最終得到秦嶺優(yōu)先區(qū)植物重要性的空間分布[16]。

表1 物種重要性等級分級標準

基于秦嶺植物保護重要性分布數(shù)據(jù)，與秦嶺35個自然保護區(qū)的數(shù)據(jù)通過ArcGIS空間分析工具，分析自然保護區(qū)與植物保護重要性空間關系，并將自然保護區(qū)外圍的極重要區(qū)作為保護空缺區(qū)。

1.2.2 人為干擾率 為探究人為因素對秦嶺生物多樣性優(yōu)先區(qū)的影響，本研究通過人為干擾率指標來測算不同植物重要區(qū)人為活動強度的變化，以城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和耕地等類型作為人為直接干擾因素[23]。公式如下

(1)

式中:I為人為干擾率；M為人為直接干擾面積；A為保護區(qū)總面積。

1.3 數(shù)據(jù)來源

1.3.1 珍稀瀕危植物的篩選 本研究通過《國家重點保護野生植物第一批和第二批》《中國生物多樣性紅色名錄(高等植物卷)》《中國植物紅皮書》《陜西省地方重點保護植物名錄(第一批修訂)》(2009)、《秦嶺植物志》《秦嶺植物志增補》等文獻資料梳理和植物科學數(shù)據(jù)中心(https://www.plantplus.cn/)信息檢索[16,24]，結合專家意見確定71種重點保護植物及其生境信息。

1.3.2 重要植物分布數(shù)據(jù)、海拔分布上下限范圍及適宜生境類型的數(shù)據(jù)庫建立 依據(jù)重要物種生境特征，結合行政區(qū)劃數(shù)據(jù)分別提取目標物種的縣域分布范圍，每種珍稀瀕危植物的海拔分布范圍通過30 m空間分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)提取，適宜生境類型由生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)提取，該數(shù)據(jù)來源于全國生態(tài)狀況變化(2010-2015年)遙感調(diào)查評估。

1.3.3 土地利用數(shù)據(jù) 來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心平臺(http://www.resdc.cn)，該數(shù)據(jù)以各期Landsat TM/ETM(1980-2010年)以及Landsat 8(2015年)遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，基于地學知識的人機交互解譯方法生成2000、2005、2010、2015年4期土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)。包括耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地和未利用地在內(nèi)的6個一級土地利用類型，為1∶10萬比例尺數(shù)據(jù)，一級類型綜合評價精度達到93%以上[25]。

1.4 重要性分級標準

按物種重要性得分對生境斑塊從高到低排序，對物種重要性得分和其生境斑塊面積求積后，將累加得分值占識別區(qū)總得分值的50%和80%所對應的重要性分值作為植物保護極重要區(qū)、重要區(qū)和一般重要區(qū)的分界點[26]。

2 結果與分析

2.1 珍稀瀕危植物

經(jīng)過數(shù)字植物標本信息檢索和植物分類鑒定，篩選出重點保護植物71種隸屬于37科65屬。主要分為國家重點保護植物和省級珍稀瀕危植物兩類[27]。國家重點保護野生植物共有16種，分屬13科15屬；其中國家Ⅰ級4種，分屬3科3屬：獨葉草(Kingdoniauniflora)、紅豆杉(Taxuswallichianavar.chinensis)、南方紅豆杉(T.var.mairei)、華山新麥草(Psathyrostachyshuashanica)；國家Ⅱ級12種，分屬10科12屬：翅果油樹(Elaeagnusmollis)、大果青扦(Piceaneoveitchii)、紅豆樹(Ormosiahosiei)、厚樸(Magnoliaofficinalis)、金蕎麥(Fagopyrumdibotrys)、連香樹(Cercidiphyllumjaponicum)、秦嶺紅杉(Larixpotaniniivar.chinensis)、秦嶺冷杉(Abieschensiensis)、秦嶺石蝴蝶(Petrocosmeaqinlingensis)、水青樹(Tetracentronsinense)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、香果樹(Emmenopteryshenryi)；省級珍稀瀕危植物有55種(略)，分屬于27科50屬。

按世界自然保護聯(lián)盟(IUCN)瀕危物種紅色名錄中的物種保護級別劃分，極危物種(CR)共2種，分屬于2科2屬；瀕危物種(EN)共17種，分屬于7科15屬；易危物種(VU)共21種，分屬于15科20屬；近危物種(NT)共14種，分屬9科13屬；無危物種(LC)共15種，分屬于15科15屬；未予評估(NE)或數(shù)據(jù)缺乏(DD)有2種，分屬于2科2屬。

2.2 物種重要性空間分布格局

由秦嶺植物保護重要性空間分布可知(圖1)，秦嶺植物保護重要性得分在2～184。極重要區(qū)面積約5 655.8 km2，占秦嶺植物保護重要識別區(qū)的比例最小，約為17.9%，集中分布于西秦嶺的中高海拔地區(qū)，主要涉及寶雞市鳳縣和太白縣，漢中市留壩縣、洋縣和佛坪縣，西安市周至縣和長安區(qū)，安康市寧陜縣，商洛市山陽縣和丹鳳縣北部地區(qū)。重要區(qū)面積約為6 642.31 km2，占比約為21.1%，主要分布于寶雞市的鳳縣、太白縣和眉縣，漢中市城固縣、洋縣、佛坪縣和留壩縣，西安市周至縣、鄠邑區(qū)和長安區(qū)，安康市寧陜縣，商洛市柞水縣、山陽縣和丹鳳縣等地；一般重要區(qū)面積占比最大，約為19 273.7 km2，約占61.0%；廣布于秦嶺優(yōu)先區(qū)境內(nèi)，主要集中在秦嶺中低山區(qū)域。

2.3 保護空缺分析

植物保護極重要區(qū)是秦嶺優(yōu)先區(qū)生物多樣性保護的關鍵。根據(jù)保護空缺分析圖(圖2)，目前秦嶺已建立的自然保護區(qū)僅覆蓋了786.01 km2的極重要區(qū)，其中626.73 km2的區(qū)域位于國家級自然保護區(qū)內(nèi)，受到國家級自然保護區(qū)的保護；主要涉及摩天嶺自然保護區(qū)、丹江武關河國家級自然保護區(qū)、佛坪國家級自然保護區(qū)等18個國家級自然保護區(qū)。省級自然保護區(qū)約覆蓋了159.28 km2極重要區(qū)，主要包括陜西皇冠山省級自然保護區(qū)、陜西牛尾河省級自然保護區(qū)等6個省級自然保護區(qū)，覆蓋范圍不足。受到自然保護區(qū)保護的極重要區(qū)主要集中在海拔較高的西秦嶺地區(qū)，位于寶雞市、西安市、漢中市和安康市的交匯區(qū)域，是自然保護區(qū)連片集中區(qū)域。然而，仍有4 869.79 km2約86.10%的極重要區(qū)處于自然保護區(qū)之外，尚未建立相應的自然保護區(qū)，受到良好保護，保護空缺區(qū)面積分布較廣，主要涉及寶雞市的鳳縣、太白縣，漢中市的留壩縣、洋縣、佛坪縣，安康市的寧陜縣，商洛市的山陽縣和丹鳳縣。

2.4 優(yōu)先區(qū)土地利用變化分析

通過對2000-2015年秦嶺優(yōu)先區(qū)土地利用覆被變化分析可以看出(表2)，2000-2005年秦嶺優(yōu)先區(qū)內(nèi)林地、草地和城鄉(xiāng)工礦居民用地的土地轉化面積增加，耕地面積減少。2005-2010年是秦嶺優(yōu)先區(qū)土地覆被變化最顯著的時期，耕地、林地和城鄉(xiāng)工礦居民用地的面積增加伴隨著草地的面積減少，具體表現(xiàn)為草地被耕地和林地占用，林地被城鄉(xiāng)工礦居民用地占用。2010-2015年是秦嶺優(yōu)先區(qū)土地覆被變化最小的時期，人工表面和耕地的增加伴隨著林地和草地面積的減少。整體上，2000-2015年秦嶺優(yōu)先區(qū)林地和城鄉(xiāng)工礦居民用地面積增加，耕地和草地面積減少，且在一般重要區(qū)這一變化最明顯，其次為重要區(qū)和極重要區(qū)，特別是2000-2010年時段。這一時期研究區(qū)土地利用變化狀況與秦嶺地區(qū)退耕還林政策初期的生態(tài)恢復轉變?yōu)楹笃诘淖匀簧鷳B(tài)養(yǎng)護、保護有關，并與秦嶺2000-2010年國土空間開發(fā)的時間和空間相匹配。

表2 秦嶺優(yōu)先區(qū)2000-2015年土地利用面積變化

從秦嶺生物多樣性優(yōu)先區(qū)不同重要區(qū)的人為活動干擾變化來看(表3)，15 a來人為干擾率在2000-2005年略有減小，在2005-2015年逐漸增加，但整體變化幅度較小，生態(tài)系統(tǒng)格局基本穩(wěn)定。不同重要區(qū)之間的人為干擾率相差較大，極重要區(qū)人類活動最小，一般重要區(qū)最大，這也從側面印證此分級標準的合理性。

表3 秦嶺優(yōu)先區(qū)人為干擾率

3 結論與討論

3.1 結論

秦嶺優(yōu)先區(qū)植物保護極重要和重要區(qū)主要分布于海拔較高的西秦嶺地區(qū)，東部的山陽縣、丹鳳縣和柞水縣有少量分布，其余區(qū)域為一般重要區(qū)，分布范圍較廣，主要處于秦嶺的中低山范圍。

秦嶺優(yōu)先區(qū)已建立的自然保護區(qū)存在一定的保護空缺。僅有786.01 km2的極重要區(qū)處于自然保護區(qū)內(nèi)，仍有4 869.79 km2的極重要區(qū)尚未得到自然保護區(qū)覆蓋保護，重要植物的保護空缺較大，集中分布于西秦嶺地區(qū)。

2000-2015年，秦嶺優(yōu)先區(qū)內(nèi)林地面積增加、耕地和草地面積減小，土地流轉方式與秦嶺生態(tài)保護政策的轉變有關。生物多樣性優(yōu)先區(qū)一般重要區(qū)、重要區(qū)和極重要區(qū)內(nèi)人類活動強度依次降低。

3.2 討論

秦嶺優(yōu)先區(qū)植物保護的高值區(qū)主要集中在海拔較高的中西部地區(qū)，這與房志等[28]的研究結果較為一致，但存在局部差異。如空間分布上，本研究識別出在秦嶺東部山陽縣和丹鳳縣等亦屬于重要性高值區(qū)；在面積占比方面，本研究中極重要區(qū)面積比略低于前人研究結果，這主要是由于物種篩選標準和數(shù)量不同，引起重要區(qū)識別的差異[24]。從研究方法上看，Zhang等[24]基于重點保護植物數(shù)量多寡識別秦嶺植物豐富度及熱點地區(qū)，數(shù)量指標作為識別標準，但對重點保護植物的保護等級和重要性程度考慮不足，可能導致熱點區(qū)域與實際情況有所出入。馬琪等[16]提出的修正NPP定量指標法具有參數(shù)少，識別效率高的優(yōu)點，但識別范圍較大。在生態(tài)保育資金和資源有限的情況下，本研究充分考慮物種保護的重要性等級，并結合物種生境特征，識別的西秦嶺植物保護極重要區(qū)分布格局與已有研究不謀而合[24,28]，在野外實地勘驗的基礎上可進一步調(diào)整閾值提高識別精度。

從秦嶺國家級和省級自然保護區(qū)的分布來看，主要集中在寶雞市、西安市、漢中市和安康市的交匯處，自然保護區(qū)群與珍稀瀕危植物極重要區(qū)的空間分布格局基本吻合，但仍有較大面積的保護空缺區(qū)域亟待保護。一是在現(xiàn)有自然保護區(qū)基礎上補充擴建和新建自然保護地，如陜西省牛尾河自然保護區(qū)與長青國家級自然保護區(qū)之間的植物保護極重要區(qū)，可以考慮擴大自然保護區(qū)范圍，將“島嶼化”的自然保護區(qū)連接起來，實現(xiàn)生境斑塊的互聯(lián)互通，并建立和完善“保護區(qū)—社區(qū)”共管機制[29]。二是建立以國家公園為主體的自然保護地體系。由于植物保護極重要區(qū)在空間上并非均勻分布，因此需要在已建各類保護地的基礎上，尋求目標保護物種空缺區(qū)與其的精準匹配。聯(lián)合森林公園、風景名勝區(qū)、地質(zhì)公園、濕地公園以及保護小區(qū)、生態(tài)保護紅線等多功能保護地建立秦嶺國家公園，形成多種類型保護地支撐的自然保護地體系，進而實施剛性和彈性的差異化保育措施維護生態(tài)系統(tǒng)、物種及其遺傳多樣性，提升自然保護地的保護效率。

致謝：感謝西安科技大學李婷博士、西安外國語大學高智艷女士在此次研究中給予的幫助和支持。