基于系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃的黃土高原木本種子植物保護(hù)優(yōu)先區(qū)識(shí)別

劉麗君,張明罡

(山西大學(xué) 黃土高原研究所,山西 太原 030006)

0 引言

生物多樣性是經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ),可以為人類生存提供豐富的物種資源,同時(shí)也是生態(tài)文明水平的重要標(biāo)志[1]。生物多樣性作為國家的可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源,在我國已經(jīng)受到高度重視,并取得了積極進(jìn)展,但其下降趨勢(shì)仍未得到有效控制,面臨一些問題與挑戰(zhàn),所以需要探索有效的方法和提高管理水平來實(shí)現(xiàn)更好的保護(hù)[2]。黃土高原地處我國幅員中心位置,位于黃河中上游,是黃河下游華北平原與京津地區(qū)的生態(tài)屏障,也是中華農(nóng)耕文化的發(fā)祥地[3]。隨著人口增長、農(nóng)業(yè)發(fā)展和城市建設(shè)對(duì)土地、糧食等需求的不斷增加,人們對(duì)黃土高原自然資源展開掠奪式開發(fā),導(dǎo)致許多原生植物大多被農(nóng)作物等取代,草原退化,天然森林分布稀少且分散[4]，加之土質(zhì)疏松,降水集中,水土流失嚴(yán)重[5]，使得該地區(qū)生境破碎化嚴(yán)重同時(shí)生物多樣性保護(hù)也面臨嚴(yán)峻形勢(shì)[6]。

我國于2013年提出“建立國家公園體制”[7],標(biāo)志著國家公園建設(shè)已被作為國家戰(zhàn)略加以推進(jìn)。2017年印發(fā)了《建立國家公園體制總體方案》,該體制的實(shí)施使得生物多樣性的保護(hù)從瀕危物種的保護(hù)上升到整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)[8-10]。目前,我國已經(jīng)選定了錢江源等10處自然保護(hù)區(qū)作為“國家公園”體制試點(diǎn)。黃土高原地區(qū)資源短缺,尤其是水資源的短缺已經(jīng)成為制約該區(qū)域植被恢復(fù)的主要瓶頸。如何實(shí)現(xiàn)資源的集約化利用,同時(shí)實(shí)現(xiàn)生物多樣性保護(hù)利益的最大化,成為保護(hù)生物學(xué)家們關(guān)注的熱點(diǎn)。黃土高原地區(qū)保護(hù)優(yōu)先區(qū)的識(shí)別,對(duì)將來生態(tài)系統(tǒng)完整性的維持、自然保護(hù)區(qū)整合以及國家公園理論體系的完善都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃是廣泛應(yīng)用于生物多樣性保護(hù)的規(guī)劃方法[11-16],其在區(qū)域尺度保護(hù)優(yōu)先區(qū)識(shí)別中發(fā)揮著重要作用,有著廣闊的應(yīng)用前景[17]。其本質(zhì)是一種線性規(guī)劃方法,即利用模擬退火算法進(jìn)行多次迭代,尋找最優(yōu)解的組合。系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃在實(shí)際應(yīng)用中也具有很大的靈活性,例如:當(dāng)識(shí)別的優(yōu)先區(qū)內(nèi)的規(guī)劃單元無法建立保護(hù)區(qū)時(shí),可以在不增加預(yù)算以及保證聯(lián)通性的情況下選擇其他規(guī)劃單元來替代[18]。本研究利用物種分布模型獲取了黃土高原地區(qū)木本種子植物的分布范圍;基于系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃理論,在物種水平計(jì)算規(guī)劃單元的不可替代性,對(duì)保護(hù)優(yōu)先區(qū)進(jìn)行識(shí)別,并以現(xiàn)有的自然保護(hù)區(qū)與保護(hù)優(yōu)先區(qū)為基礎(chǔ),擬在黃土高原地區(qū)構(gòu)建生物多樣性保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)不僅可以使生物多樣性得到長期的維護(hù)和發(fā)展,還可以有效緩解經(jīng)濟(jì)建設(shè)與生物多樣性保護(hù)之間的沖突。我國的國家公園建設(shè)將對(duì)現(xiàn)有的自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行整合補(bǔ)充,并且充分考慮生態(tài)系統(tǒng)的完整性與代表性,本研究的相關(guān)結(jié)果希望能為黃土高原地區(qū)現(xiàn)有自然保護(hù)區(qū)的整合與補(bǔ)充以及國家公園理論的完善提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原(100°54′—114°33′E,33°43′—41°16′N)位于我國中部偏北,包括內(nèi)蒙古河套平原和鄂爾多斯高原、甘肅隴中和隴東地區(qū)、青海東北部、陜西中北部以及寧夏與山西全境[19]。氣候?yàn)楦珊瞪儆甑拇箨懶约撅L(fēng)氣候,且有明顯的氣候季節(jié)差異[20]。植被類型復(fù)雜多樣,自東南向西北,依次為森林植被、森林草原植被、溫性草原植被、荒漠半荒漠植被,是森林向草原過渡區(qū)[20-21]。

1.2 物種數(shù)據(jù)

物種分布數(shù)據(jù)來源于國家標(biāo)本資源共享平臺(tái)(NSII)(http:∥www.nsii.org.cn/2017/home.php)。首先,篩選出采集于黃土高原地區(qū)的植物標(biāo)本記錄;其次,為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,通過中國植物志(http:∥frps.iplant.cn)將植物拉丁名進(jìn)行校正,避免植物拉丁名的拼寫錯(cuò)誤;最后,將小樣本數(shù)據(jù)(記錄≤5)剔除,因其在物種分布建模中無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。131 132條記錄被保留進(jìn)行地標(biāo)化,分辨率為10×10 km,相當(dāng)于我國行政區(qū)劃的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)別。整個(gè)黃土高原共劃分了9 112個(gè)柵格。每個(gè)柵格中同一個(gè)種的存在信息是唯一的,經(jīng)過篩選整理最后保留的木本植物標(biāo)本記錄有7 200條,分為89科293種。

1.3 環(huán)境圖層

環(huán)境是決定植物物種分布的主導(dǎo)因素,因此本研究主要采用氣候因子模擬每個(gè)物種的潛在分布區(qū)。氣候因子主要來源于全球氣候數(shù)據(jù)庫WorldClim (http:∥www.worldclim.org)[22],分辨率同樣為10×10 km。為避免環(huán)境因子間的多重共線性,將黃土高原地區(qū)19個(gè)生物氣候因子進(jìn)行Spearman秩相關(guān)分析,相關(guān)性大于0.75[23]且貢獻(xiàn)率較小的因子被剔除(表1),最終年平均溫度、等溫性、最暖月最高溫、最冷月最低溫、年溫度變化范圍、氣溫年較差、年降水量、最干月降水量等7個(gè)環(huán)境因子被保留用以物種潛在分布區(qū)模擬。

表1 保留的環(huán)境因子間的相關(guān)分析

1.4 物種分布模型構(gòu)建與檢驗(yàn)

采用最大熵(MaxEnt)模型為物種分布建模工具。為避免模型的過度擬合,運(yùn)行時(shí)遵循以下規(guī)則:1)物種采集記錄數(shù)量為5～9的采用線性規(guī)則(linear features);2)采集數(shù)量為10～14的采用二次方規(guī)則(quadratic features);3)采集數(shù)量≥15的采用鉸鏈?zhǔn)揭?guī)則(hinge features)[23]。閾值選取規(guī)則如下:敏感性以及特異性相等(物種記錄5～9)以及10%訓(xùn)練存在(物種記錄≥10)。模型精度的檢驗(yàn)采用曲線下面積(AUC)來評(píng)估,AUC因不受判斷閾值影響,可用于不同模型比較研究。模型的AUC值越大,表示環(huán)境變量與預(yù)測的物種地理分布模型之間相關(guān)性越大,越能將該物種有分布和無分布判別開,其預(yù)測效果也就越好[24]。

1.5 系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃

為識(shí)別生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū),首先,將每個(gè)物種潛在分布區(qū)總面積的25%定為保護(hù)目標(biāo),9 112個(gè)柵格作為規(guī)劃單元,同時(shí)將空間異質(zhì)性和破碎化值的乘積作為每個(gè)保護(hù)規(guī)劃單元的保護(hù)成本;其次,利用線性規(guī)劃工具M(jìn)arxan計(jì)算每個(gè)保護(hù)規(guī)劃單元的不可替代性值。再次,調(diào)整邊界長度修正值(BLM),BLM值越大代表空間單元越離散,破碎化程度越高。將BLM值分為(0,0.000 1,0.001,0.01,0.1,1,10,100,1 000,10 000)10個(gè)等級(jí)進(jìn)行100次運(yùn)算,當(dāng)BLM=1時(shí),邊界值開始下降,而總面積快速增加,所以將BLM確定為1。最后,設(shè)置模型運(yùn)行100次,木本植物選取不可替代性值大于35空間單元的作為保護(hù)優(yōu)先區(qū)。

2 結(jié)果

物種潛在分布區(qū)模擬結(jié)果有293種木本植物AUC值高于0.75,將293種木本植物的潛在分布區(qū)圖層進(jìn)行疊加,得到黃土高原木本種子植物的物種豐富度地圖(圖1),物種豐富度劃分為10個(gè)等級(jí)。其中當(dāng)前氣候下預(yù)測的黃土高原木本植物最高豐富度為216,主要集中于南部邊界的陜西和河南省(秦嶺北部),中條山、呂梁山、太行山、日月山次之。物種豐富度最低的單元有23個(gè)物種,集中于內(nèi)蒙古和寧夏,整體趨勢(shì)是南高北低。

圖1 黃土高原地區(qū)木本植物物種豐富度格局

將不可替代性值大于35的被選作保護(hù)優(yōu)先區(qū),共10個(gè)保護(hù)優(yōu)先區(qū)(圖2),占黃土高原總面積的14.9%。識(shí)別的保護(hù)優(yōu)先區(qū)主要集中于山地地區(qū),黃土高原的邊界地區(qū)不可替代性值也比較高。不可替代性值在31～35的區(qū)域在未來規(guī)劃保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中將發(fā)揮通道作用,增強(qiáng)區(qū)域間的連通性。保護(hù)優(yōu)先區(qū)1內(nèi)主要有北川河源區(qū)保護(hù)區(qū)(大通回族土族自治縣),主要保護(hù)高原森林生態(tài)系統(tǒng)及白唇鹿、冬蟲夏草等珍稀野生動(dòng)植物。保護(hù)優(yōu)先區(qū)2內(nèi)有興隆山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(榆中縣),主要保護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)及馬麝等野生動(dòng)物。保護(hù)優(yōu)先區(qū)3內(nèi)主要有六盤山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū),側(cè)重于保護(hù)水源涵養(yǎng)林及野生動(dòng)物等。保護(hù)優(yōu)先區(qū)4覆蓋的自然保護(hù)區(qū)較多,主要有太白山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)及黑河濕地省級(jí)自然保護(hù)區(qū)(周至縣)。野河自然保護(hù)區(qū)(扶風(fēng)縣)主要保護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)及金錢豹等珍稀野生動(dòng)植物。安舒莊自然保護(hù)區(qū)(麟游縣)主要保護(hù)渭北黃土丘陵溝壑區(qū)典型森林系統(tǒng)及野生動(dòng)植物。翠屏山市級(jí)自然保護(hù)區(qū)主要保護(hù)人工林和天然灌木林草。保護(hù)優(yōu)先區(qū)5主要位于山西省與河南省的交界處,主要覆蓋有陽城蟒河獼猴、歷山、河南黃河濕地、小秦嶺、太行山獼猴等五個(gè)國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)。崦山自然保護(hù)區(qū)主要保護(hù)天然側(cè)柏林生態(tài)系統(tǒng)和爬行類動(dòng)物,涑水河源頭省級(jí)自然保護(hù)區(qū)主要保護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)。保護(hù)優(yōu)先區(qū)6一部分位于山西省，另一部分位于陜西?。簧轿魇?nèi)現(xiàn)存的保護(hù)區(qū)較多,主要有靈空山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū),主要是對(duì)油松林和遼東櫟林等暖溫帶落葉闊葉林生態(tài)系統(tǒng)及褐馬雞豹等珍稀野生動(dòng)物進(jìn)行保護(hù),而陜西省內(nèi)目前只有韓城黃龍山國家級(jí)褐馬雞保護(hù)區(qū),主要是對(duì)褐馬雞及其生境進(jìn)行保護(hù)。優(yōu)先保護(hù)區(qū)7內(nèi)覆蓋的保護(hù)區(qū)有桑干河自然保護(hù)區(qū)和應(yīng)縣南山省級(jí)自然保護(hù)區(qū),主要保護(hù)對(duì)象是華北落葉松林。優(yōu)先保護(hù)區(qū)8位于陜西、山西與內(nèi)蒙古的交界處,覆蓋的保護(hù)區(qū)有陜西神木縣紅堿淖、神木臭柏保護(hù)區(qū)和府谷縣府谷杜松保護(hù)區(qū)。優(yōu)先保護(hù)區(qū)9主要位于河套平原地區(qū),該保護(hù)優(yōu)先區(qū)內(nèi)覆蓋有都斯圖河、鄂托克甘草、鄂托克恐龍遺跡化石、西鄂爾多斯、白音恩格爾荒漠、大漠沙湖、杭錦淖爾和庫布其沙漠自然保護(hù)區(qū)。保護(hù)優(yōu)先區(qū)10主要有紅寺堡自然保護(hù)區(qū)、寧夏羅山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和的石峽溝泥盆系剖面省級(jí)自然保護(hù)區(qū)。

3 討論

黃土高原地區(qū)是我國半濕潤地區(qū)向干旱半干旱地區(qū)的過渡區(qū)域,也是溫帶森林與草原帶的交錯(cuò)帶,屬于多個(gè)植物區(qū)系的交匯區(qū),也是生態(tài)脆弱區(qū)，植被類型較為多樣,但是總體物種數(shù)量不占優(yōu)勢(shì)[20-21]。本研究結(jié)果顯示物種數(shù)量最高的地區(qū)為黃土高原南部,該地區(qū)水熱條件最為豐富,與之近鄰的秦嶺山脈,生物多樣性資源豐富,是我國生物多樣性保護(hù)的熱點(diǎn)地區(qū)之一[25]。木本植物物種數(shù)量最少的區(qū)域出現(xiàn)在草原帶,該區(qū)域內(nèi)水熱條件對(duì)木本植物的分布有著顯著影響,這是由于在草原地帶森林群落不占優(yōu)勢(shì)且僅出現(xiàn)在特定區(qū)域,如水熱條件相對(duì)較好的溝谷之中[26]。

截至2016年底,黃土高原地區(qū)共有保護(hù)區(qū)141個(gè)(中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部http:∥www.mee.gov.cn/stbh/zrbhdjg/),包括國家級(jí)和省市級(jí)自然保護(hù)區(qū),其中國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的數(shù)量為41個(gè)。從地圖上看(圖2),自然保護(hù)區(qū)約占總面積的6%左右,遠(yuǎn)低于全國水平,而且每個(gè)保護(hù)區(qū)的面積普遍較小,且分布較為離散,對(duì)生物多樣性資源的保護(hù)力度有限,對(duì)現(xiàn)有自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行覆蓋面積上的擴(kuò)充有較高的必要性。從保護(hù)區(qū)類型看,森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)占主導(dǎo)地位,并有多個(gè)保護(hù)區(qū)以保護(hù)珍禽和大型哺乳動(dòng)物為主,兼顧水源涵養(yǎng)林以及濕地生態(tài)系統(tǒng)等重要的生態(tài)功能區(qū),各種保護(hù)區(qū)類型能夠較好的互為補(bǔ)充。

圖2 黃土高原空間單元不可替代性值與自然保護(hù)區(qū)分布

線性規(guī)劃工具M(jìn)arxan作為一種系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃工具,旨在以最小的成本實(shí)現(xiàn)生物多樣性保護(hù)利益的最大化。本研究識(shí)別出10個(gè)保護(hù)優(yōu)先區(qū),約占黃土高原總面積的14.9%,與當(dāng)前我國已建立的自然保護(hù)區(qū)占國土面積總體比值基本相符[27]。本研究所識(shí)別的保護(hù)優(yōu)先區(qū)與已建立的保護(hù)優(yōu)先區(qū)有著較好的重合度,表明已建立的保護(hù)區(qū)在地理位置上能夠較好的代表生物多樣性格局。對(duì)現(xiàn)存的自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行整合和擴(kuò)充,是實(shí)現(xiàn)黃土高原生物多樣性保護(hù)的重要途徑。另外,識(shí)別的保護(hù)優(yōu)先區(qū)多分布在黃土高原的邊界地區(qū),這是由于黃土高原處于多個(gè)植物區(qū)系的交匯帶,與周邊植物區(qū)系的聯(lián)系較為密切,如黃土高原的最南端物種豐富度最高(圖1),該區(qū)域?qū)儆谇貛X植物區(qū)系的北部邊緣,在生物多樣性保護(hù)實(shí)踐中應(yīng)尤其注意位于邊界地區(qū)的保護(hù)優(yōu)先區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)完整性。

我國的國家公園建設(shè)有著其特殊性,已經(jīng)建成的自然保護(hù)區(qū)是國家公園的重要基礎(chǔ),并且應(yīng)與現(xiàn)有自然保護(hù)地的補(bǔ)充和完善相結(jié)合[7]。系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃是自然保護(hù)地選址與擴(kuò)充的重要決策支持工具,在我國也得到了較好的應(yīng)用,如在區(qū)域尺度,Zhang等(2012)利用系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃的方法對(duì)云南自然保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了識(shí)別[23],結(jié)果表明增強(qiáng)保護(hù)優(yōu)先區(qū)之間的連通性,能更靈活的應(yīng)對(duì)土地利用變化與氣候變化。張路等(2015)對(duì)海南島以及長江流域兩棲爬行類生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)進(jìn)行了評(píng)價(jià),以建議的保護(hù)優(yōu)先區(qū)為基礎(chǔ),建立了各區(qū)域內(nèi)的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)[28]。本研究中所識(shí)別的10個(gè)保護(hù)優(yōu)先區(qū)是未來自然保護(hù)區(qū)補(bǔ)充的重點(diǎn)區(qū)域,不可替代性值較低的區(qū)域(31～35)具備建設(shè)緩沖帶或者生態(tài)廊道的潛力(圖2)。當(dāng)原始生境發(fā)生變化時(shí),緩沖區(qū)或者生態(tài)廊道能夠起到“踏腳石”作用,對(duì)物種的長距離遷移起到輔助作用。以國家公園建設(shè)為契機(jī),重構(gòu)自然保護(hù)地體系,能極大地增強(qiáng)自然生態(tài)系統(tǒng)的完整性與代表性[29],將是黃土高原地區(qū)面臨的歷史機(jī)遇。

長期以來,黃土高原地區(qū)的生物多樣性保護(hù)未得到足夠的重視,已建立的保護(hù)區(qū)總面積遠(yuǎn)低于全國水平,但是作為重要的植物區(qū)系交匯帶和生態(tài)脆弱區(qū),該地區(qū)生物多樣性保護(hù)的形勢(shì)緊迫而嚴(yán)峻?；谙到y(tǒng)保護(hù)規(guī)劃識(shí)別保護(hù)優(yōu)先區(qū)及保護(hù)空缺,可以緩解飛速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)、人口與生物多樣性保護(hù)之間的沖突,緩解水資源短缺與植被恢復(fù)的矛盾。對(duì)于黃土高原植被恢復(fù)、應(yīng)對(duì)氣候變化以及自然保護(hù)區(qū)大規(guī)模整合,都有著深遠(yuǎn)而重要的意義。