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    基于遙感的SDG 15.1.2生物多樣性指標(biāo)計(jì)算與分析:以長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)為例

    2022-04-25 05:26:00林文鵬徐潤(rùn)澆李魯冰
    環(huán)境科學(xué)研究 2022年4期
    關(guān)鍵詞:生境土地利用面積

    伽 光,林文鵬,徐潤(rùn)澆,李魯冰

    1. 上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,上海 200234

    2. 上海師范大學(xué)環(huán)境與地理科學(xué)學(xué)院,上海 200234

    2015年,聯(lián)合國(guó)發(fā)展可持續(xù)峰會(huì)通過(guò)了《改變我們的世界:2030年可持續(xù)發(fā)展議程》草案,議程所提出的17項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(sustainability development goals,SDGs)一共包含169個(gè)具體的子目標(biāo),綜合考慮了經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)包容和環(huán)境美好的全面協(xié)調(diào)發(fā)展[1-3]. 聯(lián)合國(guó)特成立SDGs指標(biāo)跨機(jī)構(gòu)專(zhuān)家組,對(duì)所有指標(biāo)的定義、計(jì)算方法、選取數(shù)據(jù)等做了統(tǒng)一要求,但該指標(biāo)體系框架仍存在諸多局限,需要在實(shí)踐中不斷完善和改進(jìn)[4-6],針對(duì)不同研究區(qū)域情況進(jìn)行本地化處理,改進(jìn)完善原有的指標(biāo)體系[7-9]. 其中SDG 15.1.2指標(biāo)為“保護(hù)區(qū)內(nèi)陸地和淡水區(qū)域生物多樣性的重要場(chǎng)地所占比例,按生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型分列”,分別把陸地和淡水區(qū)域生物多樣性計(jì)算做了不同的說(shuō)明,指標(biāo)的重點(diǎn)內(nèi)容為識(shí)別并提取保護(hù)區(qū)內(nèi)生物多樣性的重要區(qū)域.

    生物多樣性是人類(lèi)生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和必要條件,為人類(lèi)提供必不可少的生物資源同時(shí),還組成了人類(lèi)生存所需的自然環(huán)境[10]. 隨著城市化進(jìn)程不斷加快,全球生物多樣性銳減問(wèn)題日益突出,如何保護(hù)生物多樣性引起廣泛關(guān)注[11-12]. 生物多樣性的內(nèi)涵通常包含3個(gè)層次:遺傳(基因)多樣性、物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性,近年來(lái),有些學(xué)者又提出了景觀多樣性,作為生物多樣性的第4個(gè)層次. 傳統(tǒng)意義上,物種多樣性主要指一定區(qū)域內(nèi)物種的豐富度和生態(tài)學(xué)方面物種分布的均勻程度,一般通過(guò)物種總數(shù)、物種密度和特有種比例來(lái)測(cè)量;生態(tài)系統(tǒng)的多樣性主要指生態(tài)系統(tǒng)組成和功能的多樣性;景觀多樣性指不同類(lèi)型的景觀要素或生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成的景觀在結(jié)構(gòu)和功能方面的多樣性[13]. 傳統(tǒng)生物多樣性研究以地面調(diào)查方法為主,包括對(duì)特定物種的分布、數(shù)量和密度的調(diào)查,也有學(xué)者通過(guò)氣候和環(huán)境數(shù)據(jù)的分析來(lái)間接反映生物多樣性狀況[14-15]. 在評(píng)價(jià)尺度方面,有針對(duì)全球和國(guó)家層面的大尺度的生物多樣性研究,有針對(duì)自然保護(hù)區(qū)和縣域尺度的生物多樣性研究[16],也有通過(guò)研究生物基因?qū)哟蝸?lái)反映生物遺傳多樣性的研究[17].合適的空間尺度是建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系必須考慮的問(wèn)題,在基因?qū)用嫔系脑u(píng)估需要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ),難以在較大尺度上實(shí)現(xiàn);針對(duì)中等尺度的評(píng)估,通常構(gòu)建包含物種、生態(tài)系統(tǒng)和景觀層次的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系來(lái)綜合反映生物多樣性狀況[18-19],并有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,更有利于落實(shí)針對(duì)性的生物多樣性保護(hù)工作.

    隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展,更多高時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)源得以使用[20-21],為生物多樣性的研究提供更高效的數(shù)據(jù)支撐. 遙感技術(shù)突破了空間限制,能從更大的區(qū)域尺度對(duì)生物多樣性進(jìn)行評(píng)估和監(jiān)測(cè)[22-24]. 使用遙感技術(shù)評(píng)估生物多樣性,主要通過(guò)衛(wèi)星傳感器直接監(jiān)測(cè)個(gè)體生物或者生態(tài)群落的分布及豐富度特征;或通過(guò)分析生物所依賴(lài)的環(huán)境參數(shù),建立綜合指標(biāo)體系間接評(píng)估生物多樣性[25]. 該研究采用建立指標(biāo)體系間接評(píng)估的方法,并不針對(duì)特定的生物或生態(tài)群落,通過(guò)分析研究區(qū)的各環(huán)境參數(shù)來(lái)間接評(píng)估生物多樣性.

    生物多樣性涉及多個(gè)層次,構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)該圍繞評(píng)估目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì),涵蓋生物多樣性各個(gè)層次及屬性特征. 在實(shí)際操作中,應(yīng)充分考慮所選指標(biāo)的代表性、科學(xué)客觀性、可操作性和適用性[26]. 已有基于遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系間接評(píng)估區(qū)域生物多樣性,如李冠穩(wěn)等[12]基于遙感技術(shù)分別從生境質(zhì)量、生態(tài)系統(tǒng)狀況和景觀結(jié)構(gòu)3方面,選取6個(gè)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)青海省瑪多縣不同時(shí)期生物多樣性進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè). 與之相比,筆者研究?jī)?yōu)化了植被指數(shù)的計(jì)算,采用增強(qiáng)型植被指數(shù)同時(shí)降低土壤背景和大氣對(duì)植被的干擾,能更真實(shí)準(zhǔn)確地反映植被生長(zhǎng)分布狀況,并且評(píng)價(jià)精度更高,更有利于分析小尺度生物多樣性狀況. 楊海軍等[23]對(duì)湖北省南漳縣生物多樣性進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),選取了5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),與之相比,該研究增加了水網(wǎng)密度的影響因素,水源地對(duì)區(qū)域生物多樣性狀況有一定影響,如楊陽(yáng)[27]通過(guò)對(duì)三江源國(guó)家公園水生態(tài)功能進(jìn)行分區(qū),得出一級(jí)水生態(tài)功能分區(qū)的生物多樣性更豐富. 現(xiàn)有生物多樣性研究中生境質(zhì)量指標(biāo)、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力指標(biāo)和歸一化植被指數(shù)指標(biāo)應(yīng)用廣泛,如趙培強(qiáng)等[28]開(kāi)展祁連山區(qū)域生物多樣性評(píng)價(jià),彭隆等[18]在甘孜藏族自治州開(kāi)展生物多樣性保護(hù)優(yōu)先性評(píng)價(jià),黃犁等[29]開(kāi)展葉爾羌河流域景觀生物多樣性時(shí)空變化分析等,均用到上述指標(biāo). 因此,利用環(huán)境指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)價(jià)區(qū)域生物多樣性水平是可行的.

    自2018年習(xí)近平總書(shū)記宣布支持建設(shè)長(zhǎng)江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展之后,各項(xiàng)圍繞長(zhǎng)三角一體化示范區(qū)合理建設(shè)發(fā)展的政策陸續(xù)出臺(tái),要堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先,綠色發(fā)展,建設(shè)一個(gè)人類(lèi)與自然和諧共生的示范先行區(qū),因此,系統(tǒng)性地研究長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)(簡(jiǎn)稱(chēng)“示范區(qū)”)生物多樣性水平十分必要.該研究以高分辨率遙感影像為基礎(chǔ),通過(guò)目視解譯獲得土地利用數(shù)據(jù),綜合SDG 15.1.2指標(biāo)內(nèi)涵和生物多樣性定義,構(gòu)建一套適合中小尺度區(qū)域的生物多樣性評(píng)價(jià)體系,能夠更精細(xì)化評(píng)價(jià)研究區(qū)生物多樣性水平;通過(guò)指標(biāo)計(jì)算快速提取出研究區(qū)生物多樣性重要區(qū)域,實(shí)現(xiàn)對(duì)SDG 15.1.2指標(biāo)的計(jì)算,以期為SDGs在本地化計(jì)算方法上提供思路和參考.

    1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

    1.1 研究區(qū)概況

    為提升長(zhǎng)三角地區(qū)整體實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力,長(zhǎng)三角區(qū)域一體化發(fā)展在2018年被提升為國(guó)家戰(zhàn)略,2019年10月《長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)總體方案》獲國(guó)務(wù)院批復(fù)同意,成為國(guó)內(nèi)第一個(gè)跨省市建立的以經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面高質(zhì)量發(fā)展為目標(biāo)的一體化發(fā)展示范區(qū). 示范區(qū)位于江浙滬兩省一市交界處,主要包括上海市青浦區(qū)、江蘇省蘇州市吳江區(qū)、浙江省嘉興市嘉善縣3個(gè)行政區(qū),面積約為2 300 km2,地理范圍為120°20′E~121°19′E、30°45′N(xiāo)~31°32′N(xiāo)(見(jiàn)圖1).

    圖 1 研究區(qū)概況Fig.1 Description of the study area

    1.2 數(shù)據(jù)與處理

    基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括示范區(qū)2020年土地利用、增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)和景觀格局指數(shù). 其中,土地利用數(shù)據(jù)通過(guò)谷歌影像(空間分辨率為2.15 m)目視解譯得到;使用哨兵2號(hào)遙感影像(空間分辨率為10 m)計(jì)算EVI;景觀格局指數(shù)通過(guò)Fragstats 4.2軟件計(jì)算獲得. 對(duì)主要指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(見(jiàn)圖2). 對(duì)各指標(biāo)柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一分辨率為100 m,處理結(jié)果的空間分辨率為100 m.

    圖 2 主要指標(biāo)數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果Fig.2 Preprocessing results of main indicative data

    2 研究方法

    2.1 SDG 15.1.2指標(biāo)計(jì)算

    SDG 15.1.2指標(biāo)內(nèi)容為“保護(hù)區(qū)內(nèi)陸地生物多樣性的重要場(chǎng)地所占比例,按生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型分列”,保護(hù)區(qū)即為政策劃定對(duì)生物多樣性實(shí)施規(guī)劃保護(hù)的區(qū)域,其中在《長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)國(guó)土空間總體規(guī)劃草案公示稿》中明確指出,要生態(tài)優(yōu)先,綠色發(fā)展,建設(shè)一個(gè)人類(lèi)與自然和諧共生的地區(qū),實(shí)行嚴(yán)格的生態(tài)要素系統(tǒng)性保護(hù),構(gòu)建全方位可持續(xù)的生態(tài)協(xié)同治理體系,這里將研究區(qū)認(rèn)為是政策保護(hù)區(qū),SDG 15.1.2指標(biāo)(X)計(jì)算如下:

    式中:S1為 生物多樣性高等級(jí)區(qū)域面積,km2;SA為示范區(qū)陸地區(qū)域面積,km2.

    根據(jù)指標(biāo)定義,對(duì)示范區(qū)生物多樣性重要區(qū)域進(jìn)行識(shí)別及提取,通過(guò)公式計(jì)算獲得SDG 15.1.2指標(biāo)結(jié)果. 為了方便各國(guó)家對(duì)SDGs指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行比較,可持續(xù)發(fā)展解決方案網(wǎng)絡(luò)(sustainable development solutions network, SDSN)對(duì)各指標(biāo)值劃定了分級(jí)閾值,按綠色(最優(yōu))、黃色、橙色和紅色(存在挑戰(zhàn))劃分等級(jí). 其中,SDG 15.1.2指標(biāo)值的綠色等級(jí)閾值為≥50%,黃色等級(jí)為30%~50%,橙色等級(jí)為10%~30%,紅色等級(jí)為≤10%.

    2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

    選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)是構(gòu)建指標(biāo)體系的核心工作,綜合考慮遙感技術(shù)的特征和優(yōu)勢(shì),從生物多樣性的內(nèi)涵出發(fā)來(lái)選取指標(biāo),在物種多樣性層次選取了生境質(zhì)量指數(shù)(habitat quality index, HQI)、增 強(qiáng) 型 植 被 指 數(shù)(enhanced vegetation index, EVI)和 水 網(wǎng) 密 度 指 數(shù)(water network denseness index, WNDI);在生態(tài)系統(tǒng)多樣性層次選取生境面積百分比指標(biāo)(Sp);在景觀多樣性層次選取辛普森多樣性指數(shù)(simpson′s diversity index, SIDI)、景觀分離度指數(shù)(splitting index, SPLIT)和蔓延度指數(shù)(contagion, CONTAG). SDG 15.1.2指標(biāo)定義對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)和淡水生態(tài)系統(tǒng)分開(kāi)進(jìn)行計(jì)算評(píng)估,該文只對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性進(jìn)行評(píng)價(jià).

    2.2.1生境質(zhì)量指數(shù)(HQI)

    生境是指為生物個(gè)體、種群或群落提供生活、繁衍的具體環(huán)境,生境質(zhì)量則是指為個(gè)體或種群的持續(xù)生存和繁衍提供適宜性條件的能力[30]. 生境質(zhì)量的好壞直接影響著生境內(nèi)物種的數(shù)量和豐富度,生境質(zhì)量指數(shù)的高低與生物多樣性緊密相關(guān). 該文以生境質(zhì)量高低來(lái)表征不同生境為生物提供生存、繁衍能力的高低,不針對(duì)特定物種. 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法在不斷完善,主要包括模型法和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系法,其中InVEST模型中的生境質(zhì)量模塊在方法上比較成熟,目前應(yīng)用最為廣泛[31]. 該模型可以將評(píng)價(jià)結(jié)果以地圖形式展示,更加直觀.

    InVEST模型中的生境質(zhì)量模塊是將特定的土地利用類(lèi)型作為破壞生境質(zhì)量的威脅因子,再將各生境類(lèi)型與威脅因子建立聯(lián)系,根據(jù)不同生境類(lèi)型對(duì)威脅因子的響應(yīng),評(píng)價(jià)得出研究區(qū)生境質(zhì)量的分布和退化程度. 生境質(zhì)量得分范圍在0~1之間,分值越高代表生境質(zhì)量越好,即生物多樣性豐富度越高. 具體計(jì)算如下:

    式中:irxy為威脅因子對(duì)生境的威脅水平,表示在生境柵格x中威脅因子r對(duì)y柵格(土地利用類(lèi)型)的影響;dxy為 柵格x與y的距離數(shù);drmax為威脅因子r的最大威脅距離.

    式中,Dxj為地類(lèi)景觀j中柵格x的生境退化度,z為模型默認(rèn)參數(shù)值(2.5),k為半飽和系數(shù),R為生態(tài)威脅因子個(gè)數(shù),wr為生態(tài)威脅因子r的權(quán)重,yr為威脅因子r柵格單元的總數(shù),ry為 威脅因子的強(qiáng)度,βx為生境抗干擾水平,Sjr為j類(lèi)景觀格局對(duì)威脅因子的敏感性大小,Qxy為第y類(lèi)土地利用類(lèi)型在第x個(gè)柵格的生境質(zhì)量,Hy為土地利用類(lèi)型y的生境適宜程度.

    模塊運(yùn)行需要輸入威脅因子和威脅因子的敏感性等參數(shù),綜合參考InVEST模型使用指南中的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),以及國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果[32-36],并結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況,得到研究區(qū)威脅因子(見(jiàn)表1)和威脅因子敏感性(見(jiàn)表2)數(shù)據(jù),衰退類(lèi)型是以威脅因子在空間中的衰退速度不同進(jìn)行劃分.

    表 1 研究區(qū)威脅因子權(quán)重Table 1 Weights for threat factors of the study area

    2.2.2增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)

    研究表明植被指數(shù)與生物量、生產(chǎn)力顯著相關(guān),其中EVI能同時(shí)降低土壤背景和大氣的干擾,有效彌補(bǔ)歸一化植被指數(shù)的不足,能更真實(shí)準(zhǔn)確地反映植被生長(zhǎng)分布狀況[24,37],計(jì)算公式:

    式中,ρNIR為 近紅外波段地表反射率,ρRed為紅光波段地表反射率,ρBlue為藍(lán)光波段地表反射率,G為增益因子(取2.5),C1和C2為氣溶膠阻抗系數(shù)(分別為6和7.5),L為冠層背景調(diào)整因子(取值為1).

    表 2 生境適宜性及其對(duì)不同威脅因子的相對(duì)敏感程度Table 2 Habitat suitability and its relative sensitivity to different threat factors

    2.2.3水網(wǎng)密度指數(shù)(WNDI)

    水在生態(tài)系統(tǒng)中有重要作用,水源豐富的區(qū)域生物多樣性更豐富,更適合生物的生存. 根據(jù)我國(guó)原環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的HJ 192-2015《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》,對(duì)水網(wǎng)密度指數(shù)進(jìn)行優(yōu)化. 計(jì)算公式:

    式中:Ariv為河流長(zhǎng)度的歸一化系數(shù),參考值為84.37;P1為 河流長(zhǎng)度與區(qū)域面積的比值;Alak為湖庫(kù)面積的歸一化系數(shù),參考值為591.79;P2為湖泊面積與區(qū)域面積的比值;Ares為水資源量的歸一化系數(shù),參考值為86.39;P3為均衡水資源量與區(qū)域面積的比值.2.2.4生境面積百分比(Sp)

    生境面積直接影響生物種群的密度,生境斑塊面積越大,能為生物提供更好的生存載體[38-39]. 用Sp來(lái)表征生態(tài)系統(tǒng)的多樣性狀況. 計(jì)算公式:

    式中:Sp為 生境面積占比,%;Ae為生境面積,包括林地和草地的面積,km2;At為生態(tài)系統(tǒng)陸地面積,km2.

    2.2.5辛普森多樣性指數(shù)(SIDI)

    多樣性指數(shù)是一種量化指標(biāo),可以反映區(qū)域內(nèi)物種的多樣性程度. SIDI通過(guò)計(jì)算隨機(jī)取樣的兩個(gè)個(gè)體屬于不同種的概率,來(lái)反映群落里物種的豐富度[40-41]. 研究[42]表明,香濃多樣性指數(shù)更適合用于稀有覆蓋的區(qū)域,土地覆蓋類(lèi)型也相對(duì)較少時(shí)計(jì)算結(jié)果更加精確,辛普森多樣性指數(shù)則正好相反,更適用于研究區(qū)的地理環(huán)境.

    2.2.6景觀分離度指數(shù)(SPLIT)

    景觀分離度指數(shù)表示景觀類(lèi)型中斑塊之間的分離程度,值越小表明斑塊分布越集中,值越大表明區(qū)域內(nèi)斑塊的分布越分散. 在一定程度上反映了人類(lèi)對(duì)景觀的干擾程度,對(duì)生物多樣性水平來(lái)說(shuō)屬于逆向指標(biāo).

    2.2.7蔓延度指數(shù)(CONTAG)

    蔓延度指數(shù)是指景觀里不同斑塊類(lèi)型的團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì),蔓延度值高說(shuō)明景觀中某種優(yōu)勢(shì)斑塊類(lèi)型有良好的連接性,反之表明景觀更破碎. 高連接性的斑塊更有利于景觀內(nèi)物種的生存和繁衍.

    2.3 生物多樣性指數(shù)(biodiversity index, BI)

    通過(guò)選取上述7個(gè)指標(biāo),構(gòu)建生物多樣性指標(biāo)評(píng)價(jià)體系,對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理,取值范圍為0~1,其中正向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算方法:

    式中,Xq為 歸一化后的評(píng)價(jià)指標(biāo)q的數(shù)值,Aq為歸一化前的評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值,AqMin為歸一化前的評(píng)價(jià)指標(biāo)中最小值,AqMax為歸一化前的評(píng)價(jià)指標(biāo)中最大值. 景觀分離度指數(shù)指標(biāo)為逆向指標(biāo),需要將上述公式的計(jì)算進(jìn)行相反數(shù)處理,得到此逆向指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值.

    對(duì)指標(biāo)賦權(quán)的方法包括主觀賦權(quán)法[43](層次分析法、專(zhuān)家賦權(quán)法等)和客觀賦權(quán)法[44](熵權(quán)法、主成分分析法等). 該文采用定量分析與定性分析相結(jié)合的層次分析法來(lái)確定權(quán)重,充分考慮到生物多樣性的影響因素,確定最終的權(quán)重大小,結(jié)果如表3所示. 生物多樣性指數(shù)計(jì)算公式:

    式中,HQI為生境質(zhì)量指數(shù),EVI為增強(qiáng)型植被指數(shù),WNDI為水網(wǎng)密度指數(shù),SIDI為辛普森多樣性指數(shù),SPLIT為景觀分離度指數(shù),CONTAG為蔓延度指數(shù),β為各指標(biāo)對(duì)應(yīng)權(quán)重. BI的取值范圍為0~1,其值越接近1,表明生物多樣性程度越高. 具體等級(jí)劃分需要根據(jù)研究區(qū)實(shí)際狀況,參考《區(qū)域生物多樣性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》以及前人的研究基礎(chǔ)[18,22-23].

    表 3 生物多樣性指標(biāo)體系及權(quán)重Table 3 Biodiversity indicator system and weight

    3 結(jié)果與分析

    3.1 生物多樣性結(jié)果分析

    生物多樣性指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要參考《區(qū)域生物多樣性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》,研究區(qū)生物多樣性指數(shù)實(shí)際分布范圍在0.02~0.92之間,生物多樣性平均值為0.42,根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)差的特性,將生物多樣性等級(jí)分為4個(gè)等級(jí),結(jié)果如表4所示.

    研究區(qū)生物多樣性現(xiàn)狀分布如圖3所示,總體來(lái)看,生物多樣性高等級(jí)區(qū)域分布較為均勻;生物多樣性低等級(jí)的面積占研究區(qū)陸地區(qū)域面積的19.15%,聚集的區(qū)域?yàn)閰墙鲁?、吳江高新區(qū)、青浦新城、嘉善高鐵新城、汾湖高新區(qū)等;生物多樣性一般等級(jí)的面積為331.92 km2,占陸地區(qū)域面積的17.25%,此區(qū)域土地利用類(lèi)型多為農(nóng)田和村莊;生物多樣性中等級(jí)別的區(qū)域面積為696.71 km2,占區(qū)域總面積的36.22%,這類(lèi)區(qū)域土地利用類(lèi)型多為林地和草地;生物多樣性高等級(jí)區(qū)域面積為526.65 km2,占研究區(qū)總面積的27.38%.

    表 4 生物多樣性指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Biodiversity index classification standard

    縣域尺度的生物多樣性現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)如表5所示,嘉善縣生物多樣性等級(jí)為中等的面積占比最大,占縣域陸地面積的45.46%,高等級(jí)區(qū)域占比為14.04%,略低于示范區(qū)生物多樣性高等級(jí)面積占比,上海市青浦區(qū)生物多樣性高等級(jí)區(qū)域面積占比最大,占該區(qū)域陸地總面積的39.01%,蘇州市吳江區(qū)的生物多樣性中等區(qū)域占比最大,占該區(qū)域陸地面積的35.52%.

    圖 3 生物多樣性等級(jí)分布Fig.3 Distribution of the biodiversity level

    嘉善縣城區(qū)位置生物多樣性明顯低于周邊區(qū)域;生物多樣性高等區(qū)域大多位于嘉善縣南部;北部有西塘古鎮(zhèn)等旅游景點(diǎn),會(huì)產(chǎn)生更多人類(lèi)活動(dòng)的干擾,因此北部區(qū)域大多為生物多樣性中等級(jí)別. 青浦區(qū)水系豐富,東部河流眾多,西部有淀山湖和眾多的湖蕩,生物多樣性低等級(jí)區(qū)域位于青浦主城區(qū)以及其他城市建成區(qū),這些區(qū)域植被覆蓋相對(duì)較少,人類(lèi)活動(dòng)干擾較嚴(yán)重,導(dǎo)致生物多樣性等級(jí)偏低;淀山湖周?chē)鷧^(qū)域由于旅游開(kāi)發(fā),也導(dǎo)致生物多樣性等級(jí)偏低. 吳江區(qū)西部緊鄰太湖,區(qū)域湖泊眾多,水資源豐富,生物多樣性低等級(jí)區(qū)域大多位于吳江主城區(qū)位置,城市建成區(qū)和道路面積較多,植被稀少,生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型結(jié)構(gòu)單一;南部區(qū)域大多為生物多樣性高等區(qū)域,這些區(qū)域植被覆蓋度高,植被生產(chǎn)力水平高,為生物多樣性提供良好的基礎(chǔ).

    表 5 各縣區(qū)生物多樣性現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics on the status of biodiversity in each county

    3.2 SDG 15.1.2指標(biāo)結(jié)果分析

    對(duì)研究區(qū)生物多樣性高等級(jí)區(qū)域進(jìn)行識(shí)別提取,面積為526.65 km2,占研究區(qū)陸地總面積的27.38.SDG 15.1.2指標(biāo)得分為27.38,距離最優(yōu)等級(jí)(≥50%)還有一定距離,處于橙色等級(jí)(10%~30%),表示研究區(qū)陸地生物多樣性保護(hù)工作還面臨一定量的挑戰(zhàn).

    各鄉(xiāng)鎮(zhèn)生物多樣性現(xiàn)狀如圖4所示. 研究區(qū)一共28個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),整體來(lái)看大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生物多樣性處于橙色等級(jí),距離優(yōu)等還存在一定的挑戰(zhàn);嘉善縣的羅星街道處于紅色等級(jí),該區(qū)域面積為39.27 km2,位于嘉善縣南部,是嘉善新城和縣政府所在地,區(qū)域內(nèi)部有滬杭高速和滬杭鐵路等交通樞紐,城市化水平較高,受人類(lèi)活動(dòng)干擾嚴(yán)重,造成區(qū)域內(nèi)高等級(jí)生物多樣性的面積占比過(guò)??;青浦區(qū)的華新鎮(zhèn)和香花橋街道處于綠色等級(jí),區(qū)域內(nèi)的高等級(jí)生物多樣性面積比例超過(guò)50%,華新鎮(zhèn)位于青浦區(qū)的東北部,面積48.13 km2,該區(qū)域水資源豐富,大部分區(qū)域?yàn)樗锖秃档?,生態(tài)系統(tǒng)豐富多樣,生境質(zhì)量高. 香花橋街道面積69.45 km2,區(qū)域內(nèi)河流水域面積廣,水網(wǎng)稠密,支流眾多,物種豐富度高.

    圖 4 生物多樣性高等級(jí)區(qū)域分布Fig.4 Distribution of areas with high-level biodiversity

    3.3 生物多樣性的影響因素分析

    3.3.1土地利用方式對(duì)生物多樣性分布的影響

    土地利用方式(見(jiàn)圖5)與區(qū)域生物多樣性關(guān)系十分密切,通過(guò)疊加分析,進(jìn)一步探究生物多樣性各等級(jí)區(qū)域中土地利用類(lèi)型占比情況,從而為生物多樣性的保護(hù)工作提供一定的理論基礎(chǔ).

    著重選取了具有典型代表性的11種土地利用類(lèi)型做分析研究,結(jié)果如表6所示,在低等級(jí)生物多樣性區(qū)域,城市所占比重最多,占統(tǒng)計(jì)面積的71.35%,城市的建設(shè)和人類(lèi)活動(dòng)的干擾導(dǎo)致這類(lèi)區(qū)域生物多樣性較低,其中林地占比最少,為0.99%,極少的植被覆蓋無(wú)法為生物提供充足的物質(zhì)能量,因此林地的面積占比與生物多樣性高低有明顯的正相關(guān)性;在生物多樣性高等級(jí)區(qū)域,占比較多的土地利用類(lèi)型為水田和林地,占比分別為47.82%和14.76%,占比較少的土地利用類(lèi)型為裸地和未利用地,占比分別為0.10%和0.22%,這類(lèi)區(qū)域的植被覆蓋度高,受人類(lèi)活動(dòng)干擾的區(qū)域面積極少,為物種提供充足的植被生產(chǎn)力水平和生存條件,生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型豐富多樣.

    圖 5 2020年研究區(qū)土地利用類(lèi)型分類(lèi)Fig.5 Land use of the study area in 2020

    表 6 各生物多樣性等級(jí)的土地利用類(lèi)型統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistics of land use types for each biodiversity level

    3.3.2不透水面占比與生物多樣性分布的聯(lián)系

    生物多樣性低等級(jí)的紅色區(qū)域大多聚集于吳江城區(qū)、吳江高新區(qū)、嘉善城區(qū)和青浦城區(qū)(見(jiàn)圖4),這些區(qū)域城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也相對(duì)更加完善,受人類(lèi)活動(dòng)干擾較為嚴(yán)重. 城市的不透水面變化可以間接地表征城市的發(fā)展建設(shè)過(guò)程,通過(guò)對(duì)土地利用數(shù)據(jù)中不透水面的提取,綜合分析各鄉(xiāng)鎮(zhèn)高等級(jí)生物多樣性的占比情況(見(jiàn)圖6),發(fā)現(xiàn)多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的不透水面占比與高等級(jí)生物多樣性面積占比呈負(fù)相關(guān),位于吳江高新區(qū)的盛澤鎮(zhèn)、青浦城區(qū)的徐涇鎮(zhèn)、青浦工業(yè)園區(qū)的夏陽(yáng)街道、嘉善城區(qū)的羅星街道明顯存在不透水面面積占比高而高等生物多樣性區(qū)域占比低的情況.

    圖 6 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)不透水面積與高等生物多樣性面積占比Fig.6 Proportion of impervious surface area and higher biodiversity area of each town

    4 討論

    我國(guó)高度重視2030年可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的落實(shí)情況,并在“十三五”規(guī)劃中,將可持續(xù)發(fā)展提升到國(guó)家戰(zhàn)略高度,生物多樣性的評(píng)價(jià)方法有利于落實(shí)SDG 15.1.2指標(biāo)的本地化定量分析,有助于國(guó)家層面的整體可持續(xù)性評(píng)估與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌. 其中陳軍等[7-8]研究顧及地理空間視角,使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法,對(duì)德清縣102項(xiàng)SDGs指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和評(píng)級(jí),是我國(guó)首個(gè)落實(shí)SDGs指標(biāo)計(jì)算的案例,并撰寫(xiě)了中國(guó)(德清)踐行2030可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的進(jìn)展報(bào)告,成為SDGs指標(biāo)本土化的樣本. 劉少陽(yáng)等[22]對(duì)SDG 15.1.2指標(biāo)進(jìn)行了本土化計(jì)算,通過(guò)構(gòu)建包含5項(xiàng)指標(biāo)的生物多樣性指標(biāo)體系,對(duì)德清縣生物多樣性進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),結(jié)果表明德清縣6年來(lái)SDG 15.1.2指標(biāo)值均在80%以上,生物多樣性保護(hù)狀況十分良好,在研究方法方面,該研究?jī)?yōu)化了部分指標(biāo),對(duì)景觀多樣性層面的指標(biāo)進(jìn)行了豐富,增加了景觀分離度指數(shù)和蔓延度指數(shù),并且計(jì)算采用移動(dòng)窗口算法,更能反映研究區(qū)局部景觀狀況,增加水網(wǎng)密度指標(biāo)來(lái)分析水源地對(duì)生物多樣性的影響,使指標(biāo)體系更加完善;基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中土地利用數(shù)據(jù)采用目視解譯方法獲取,相比機(jī)器學(xué)習(xí)分類(lèi)方法獲得的數(shù)據(jù)精度和分辨率都更高,而土地利用數(shù)據(jù)又是各指標(biāo)計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對(duì)最終計(jì)算結(jié)果有重要影響. 該文的試驗(yàn)結(jié)果可以從生物多樣性分布狀況與實(shí)際土地利用類(lèi)型的對(duì)應(yīng)關(guān)系中得以驗(yàn)證,與劉少陽(yáng)等[22]研究的德清縣生物多樣性相比,德清縣生物多樣性重要區(qū)域面積占比較高,德清縣西部山區(qū)受人類(lèi)活動(dòng)干擾較少,對(duì)應(yīng)的生物多樣性狀況較好.

    然而在SDG 15.1.2指標(biāo)本土化中仍然存在一些不足,SDGs指標(biāo)原本對(duì)應(yīng)的是國(guó)家尺度,使用“紅綠燈”法表示指標(biāo)結(jié)果好壞也對(duì)應(yīng)的是大尺度層面的標(biāo)準(zhǔn),一味對(duì)接國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)并不適合小區(qū)域的實(shí)際狀況,因此應(yīng)更深入探究生物多樣性指標(biāo)量化之后分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題,根據(jù)研究區(qū)的自然狀況、氣候特征、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況等綜合考慮之后劃定統(tǒng)一的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn),為決策者提供更加科學(xué)有效的生物多樣性保護(hù)理論基礎(chǔ).在生物多樣性指標(biāo)構(gòu)建方面,應(yīng)該加入城市化進(jìn)程的影響因素,城市生態(tài)系統(tǒng)是復(fù)雜的綜合體,在城市的發(fā)展過(guò)程中,人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)以及政策制定等多方面因素都可極大影響生物多樣性,因此在后續(xù)研究中可以把城市化進(jìn)程的定量研究和生物多樣性結(jié)合,作為其中的影響指標(biāo)參與生物多樣性的評(píng)估. 該文僅對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)多樣性進(jìn)行評(píng)估,水域和濕地生態(tài)系統(tǒng)也是生物多樣性保護(hù)的重要區(qū)域[45],如條件允許將淡水的生物多樣性研究和陸地多樣性研究相結(jié)合,綜合來(lái)評(píng)價(jià)研究區(qū)生物多樣性則更加全面.

    5 結(jié)論

    a) 從物種多樣性、生態(tài)系統(tǒng)多樣性和景觀多樣性3個(gè)層次建立了指標(biāo)體系,結(jié)合模型和遙感技術(shù)手段對(duì)研究區(qū)生物多樣性現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)估,對(duì)SDG 15.1.2指標(biāo)進(jìn)行量化和分析,結(jié)果表明研究區(qū)在生物多樣性保護(hù)方面處于橙色等級(jí),得分為27.38,距離聯(lián)合國(guó)SDSN組織劃分的最優(yōu)綠色等級(jí)還存在一定量的挑戰(zhàn). 在研究方法方面,通過(guò)SDG 15.1.2指標(biāo)的量化監(jiān)測(cè),為SDGs本地化計(jì)算研究提供理論基礎(chǔ).

    b) 研究區(qū)生物多樣性低等級(jí)區(qū)域面積為368.36 km2,占總陸地面積的19.15%,對(duì)應(yīng)的土地利用類(lèi)型多為城市和工業(yè)用地,主要位于吳江城區(qū)、吳江高新區(qū)、嘉善城區(qū)和青浦城區(qū)位置,不透水面占比與生物多樣性高等區(qū)域占比呈明顯負(fù)相關(guān),在城市建設(shè)過(guò)程中也應(yīng)當(dāng)注意對(duì)區(qū)域生物多樣性的保護(hù).

    c) 結(jié)合生物多樣性內(nèi)涵原理建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,選取的7個(gè)指標(biāo)都使用遙感技術(shù)和數(shù)據(jù),計(jì)算方法簡(jiǎn)潔,可操作性強(qiáng),能夠快速評(píng)估和監(jiān)測(cè)區(qū)域生物多樣性狀況.

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