基于貴州省蘭科植物豐富度與分布特征的保護優(yōu)先區(qū)研究

侯歡歡，安明態(tài)*，金 勇，崔興勇，黃 郎，施金竹

(1.貴州大學(xué)林學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州大學(xué) 生物多樣性與自然保護研究中心，貴州 貴陽 550025)

蘭科(Orchidaceae)植物廣泛分布于除兩極和沙漠以外的其它地區(qū)，均被列入《野生動植物瀕危物種國際貿(mào)易公約》(CITES)的保護范圍，是保護植物中的“旗艦”類群。據(jù)統(tǒng)計，中國共有野生蘭科植物190屬1600種[1]。羅毅波等[2]對中國蘭科植物保育的現(xiàn)狀研究表明：我國對野生蘭科植物的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、分類學(xué)等的研究較薄弱，對蘭科植物物種多樣性的研究主要集中在較小區(qū)域尺度范圍，且大部分內(nèi)容局限于物種種類、區(qū)系及保護對策的研究?！顿F州植物志》第10卷于2004年正式出版，記載有蘭科植物74屬246種1亞種8變種和4變型[3]。隨著蘭科植物相關(guān)專著的出版和近年來保護區(qū)綜合考察的開展，貴州蘭科植物新種及新記錄等不斷被發(fā)現(xiàn)，逐步豐富了貴州蘭科植物資源的本底資料。

生物多樣性資源對人類的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用，由于生物多樣性正在迅速喪失而保護行動可用的資源有限，保護所有的物種顯然是不可能的[4]，但至少應(yīng)該在區(qū)域尺度上使所有具有代表性的生態(tài)系統(tǒng)類型和棲息地均能保存下來[5]。生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)的價值在于投入最小保護成本保護至多的生物多樣性，因此在人力、物力有限的條件下，通過篩選保護優(yōu)先區(qū)并集中力量對其加以優(yōu)先保護已迫在眉睫。

國內(nèi)外廣泛使用瀕危物種作為識別和分析保護優(yōu)先區(qū)的指示物種[6]。蘭科植物對環(huán)境條件要求極為苛刻，對生態(tài)系統(tǒng)的依賴性較強[7]，作為生物多樣性保護中的“旗艦”類群之一，能在很大程度上反映一個地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況和生物多樣性保護現(xiàn)狀[2]。由于蘭科植物對環(huán)境變化具有高度敏感性，蘭科植物豐富的地區(qū)，往往也是生物多樣性狀況較好的地區(qū)，并且保護行動更多的是在一定行政范圍內(nèi)實施的，保護的區(qū)域范圍也更具體[4]。2019年2月，國家林業(yè)和草原局啟動了全國野生蘭科植物專項調(diào)查，貴州省是第一批啟動全面調(diào)查的省區(qū)之一。2019年6月，我國出臺了《關(guān)于建立以國家公園為主體的自然保護地體系的指導(dǎo)意見》，并提出了“應(yīng)保盡?！钡幕疽?，如何科學(xué)確定保護優(yōu)先區(qū)是目前全省自然保護地體系建設(shè)面臨的主要問題之一?；诖耍狙芯恳钥h級行政區(qū)為切入點，嘗試選取蘭科植物作為貴州省縣域行政區(qū)生物多樣性的指示物種，通過統(tǒng)計貴州各縣(區(qū)、市)(簡稱縣，下同)的蘭科植物已有信息，對基于縣域單元的蘭科植物豐富度及分布特征進行分析，篩選識別縣域保護優(yōu)先區(qū)，并結(jié)合自然保護區(qū)數(shù)據(jù)分析所篩選保護優(yōu)先區(qū)的保護狀況，研究全省野生蘭科植物及生物多樣性的縣域保護空缺，為下一步基于全省“應(yīng)保盡保、應(yīng)劃盡劃”的自然保護區(qū)優(yōu)化調(diào)整提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州位于我國西南部，地處103°36′～109°35′ E，24°37′～29°13′ N。全省地勢西高東低，自中部向東、南、北三面傾斜，平均海拔約1100 m，屬中國西南部高原山地。氣候常年溫暖濕潤，處于由亞熱帶東部濕潤季風(fēng)氣候向亞熱帶西部半濕潤氣候的過渡地帶，屬于中亞熱帶濕潤氣候區(qū)。大部分地區(qū)年降雨量大于1100 mm，年降雨量豐沛且自北向南逐漸降低。年平均氣溫14～17℃[8]。地帶性植被為中熱帶常綠闊葉林，南部河谷地區(qū)發(fā)育了溝谷季雨林和具有熱帶成分的常綠闊葉林[9]。全省以高原山地、丘陵和盆地3種基本地貌為主，是我國喀斯特地貌較為集中的省份，喀斯特面積占全省面積的61.92%[10]，小生境異質(zhì)性高，生物多樣性豐富，高等植物約占中國高等植物總數(shù)的30%[11]?？λ固氐孛诧@著且人為干擾大，因此，建立自然保護區(qū)對保護生物多樣性和維護生態(tài)系統(tǒng)平衡發(fā)揮著十分重要的作用[12]。截止2018年，貴州已建立自然保護區(qū)124個，面積占全省國土面積的5.1%[13]，低于全國平均水平12.99%[14]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于相關(guān)的植物專著[15-24]、期刊文獻[25-28]、課題組近年來承擔(dān)的全省重點保護野生植物調(diào)查、林木種質(zhì)資源調(diào)查、全省珍稀瀕危植物的保護策略研究等工作中調(diào)查收集的蘭科植物資料，以及貴州省近年來的自然保護區(qū)科學(xué)考察報告集[29-30](表1)、2019～2020年全省蘭科植物調(diào)查資料等，通過統(tǒng)計后初步形成了貴州省蘭科植物名錄。利用GIS軟件建立本省蘭科植物物種豐富度及分布數(shù)據(jù)庫，貴州省縣域行政單元的空間數(shù)據(jù)來源于《全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)》。

表1 蘭科植物名錄主要數(shù)據(jù)來源Table 1 Main data sources of Orchidaceae list

1.3 研究方法

使用國際上廣泛接受和應(yīng)用在生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)的Dobson篩選法[31]，其核心是基于“互補子集原則”，從而篩選出為盡可能多的保護物種提供保護需要的最小面積空間單元[32]。Dobson篩選首先要確定保護目標(biāo)，即設(shè)定識別出的保護優(yōu)先區(qū)能保護相應(yīng)指示物種數(shù)量的百分比[33]。按照保護優(yōu)先原則，理應(yīng)對全省100%的蘭科植物進行保護，但部分縣受人力或物力條件限制，故而本研究也列舉了75%保護水平供參考。同時，基于貴州省蘭科植物在縣域單元的分布數(shù)據(jù)，采用Arcgis10.2對蘭科植物豐富度及分布特征進行分析。在繪制植物空間分布圖時，考慮每個縣面積大小不一致，可用物種密度代替物種豐富度，采用基于面積自然對數(shù)的物種密度修正公式D=S/lnA來消除面積因素影響[34]，S：蘭科植物物種數(shù)(個)；A：縣域面積(km2)。

自然保護區(qū)是植物及其生境就地保護最有效的模式[35]，本研究利用貴州省已建自然保護區(qū)來分析所選保護優(yōu)先區(qū)的保護狀況。在全省已建的124個自然保護區(qū)中，對于跨行政區(qū)域的自然保護區(qū)，本研究將其面積均分于所跨的各縣級行政區(qū)，通過計算所選保護優(yōu)先區(qū)涉及的自然保護區(qū)總面積，從而進行保護現(xiàn)狀分析及保護空缺評價?；趯嶋H情況出發(fā)，本研究將貴陽下轄的各區(qū)合并為貴陽一市進行，因為同樣應(yīng)用基于面積自然對數(shù)的密度修正公式，可以將之與其它縣級行政單位置于同一水平進行比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘭科植物豐富度及分布特征

2.1.1 水平豐富度及分布特征

據(jù)統(tǒng)計，貴州省有蘭科植物83屬340種(含亞種、變種和變型，下同)，占中國野生蘭科植物總數(shù)的21.25%。分布50種及以上的有興義等17個縣域，關(guān)嶺等35個縣分布有20～50種(包含20種)，余慶等31個縣的物種數(shù)低于20種。興義最多(151種)，荔波(146種)次之，鐘山區(qū)最少(3種)。

物種密度排名前10的縣累計分布321種蘭科植物，占總數(shù)的94.41%(表2)。物種密度等級由高到低，累計保護數(shù)量大幅度降低。從全省蘭科植物水平分布來看，總體上以省邊緣地帶水熱資源充足的縣域較豐富，且以南部和北部為多，總體上南部高于北部，西部高于東部(圖1)，與金勇等[36]分析貴州省國家重點保護野生植物的水平分布結(jié)論相似，側(cè)面證實了選擇蘭科植物作為指示物種篩選生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)的合理性。

表2 蘭科植物物種豐富度前10縣數(shù)量統(tǒng)計表Table 2 Statistics of species richness of Orchidaceae in the top 10 counties

2.1.2 垂直豐富度及分布特征

由圖2可知，貴州省蘭科植物隨海拔變化呈現(xiàn)“中間膨脹型”分布，主要分布在800～1200 m海拔范圍內(nèi)，種類占比達92.65%，其中分布于1000～1200 m海拔段的蘭科植物種類占全省總數(shù)的49.41%。低海拔地區(qū)分布的蘭科植物較少，一方面是因為貴州省低海拔地區(qū)國土面積占比少，全省主要河流流經(jīng)區(qū)域大多在此海拔范圍，人口密度大，開發(fā)利用程度高，而且低海拔地區(qū)多為常態(tài)地貌，生境異質(zhì)化程度遠低于喀斯特地貌區(qū)；另一方面，貴州省絕大多數(shù)地區(qū)海拔在800～1200 m范圍內(nèi)，而且該海拔段也是全省喀斯特典型分布的區(qū)域，高度異質(zhì)性的喀斯特環(huán)境和占比更大的分布范圍蘊藏了種類更多的蘭科植物。

圖1 貴州省縣域單元蘭科植物物種密度分布圖Fig.1 Species density distribution of Orchidaceae in county units of Guizhou

圖2 貴州省蘭科植物垂直分布統(tǒng)計圖Fig.2 Vertical distribution of Orchidaceae in Guizhou

2.2 保護優(yōu)先區(qū)

本研究將篩選保護優(yōu)先區(qū)的蘭科植物物種數(shù)量比例設(shè)定為貴州省總數(shù)的75%和100%。在75%保護水平上篩選出興義、荔波、道真、雷山4個保護優(yōu)先區(qū)，共能保護260種蘭科植物，占全省總數(shù)的76.47%，累積面積僅占該省總面積的4.85%，它們是貴州省蘭科植物種類以及生物多樣性保護最為關(guān)鍵的區(qū)域；在100%保護水平上篩選出興義、荔波、道真、雷山、江口等27個保護優(yōu)先區(qū)，累積面積占全省總面積的37.28%(圖3)，能保護該省所有的蘭科植物。從羅甸開始，保護優(yōu)先區(qū)之間物種互補性顯著降低，僅為1-3種(表3)。

在75%保護水平的荔波、道真與雷山分布有國家級自然保護區(qū)；在100%保護水平上的27個保護優(yōu)先區(qū)中，包含6個國家級自然保護區(qū)所在縣，這說明全省現(xiàn)有的自然保護區(qū)與本研究所篩選的保護優(yōu)先區(qū)具有較高的空間對應(yīng)關(guān)系，也證實了選擇蘭科植物作為指示物種的合理性。相關(guān)調(diào)查也表明，全省蘭科植物分布的富集區(qū)、關(guān)鍵區(qū)往往也是全省生物多樣性的豐富區(qū)和關(guān)鍵區(qū)，雖然多數(shù)縣域的蘭科植物通過自然保護區(qū)等形式得到了良好保護，但依然存在保護力度空缺和薄弱的縣域。

2.3 基于保護空缺分析的保護區(qū)優(yōu)化

75%保護水平的4個縣域保護優(yōu)先區(qū)包含了10個已建自然保護區(qū)，100%保護水平的27個縣域保護優(yōu)先區(qū)包含49個自然保護區(qū)，其中，國家級6個、省級3個，市級和縣級共40個，市級和縣級自然保護區(qū)比重較大。其中荔波的保護區(qū)累積面積占其縣域面積的比例最高(27.72%)，其次為江口(23.25%)，再者為惠水(17.94%)。在75%保護水平的興義，保護區(qū)累積面積占其縣域面積的比例僅為1.1%，這與興義保護的物種數(shù)量(151種)極不相符，存在明顯的保護空缺。100%保護水平的冊亨、望謨、貞豐、晴隆、黔西、安龍、興仁、羅甸、三都、桐梓、貴陽的保護區(qū)累積面積占其縣域面積的比例均低于5%，涉及的保護區(qū)級別多為縣級，盤州、赫章、六枝、鎮(zhèn)寧保護優(yōu)先區(qū)沒有自然保護區(qū)(表4)。因此，上述16個縣域保護優(yōu)先區(qū)存在明顯的保護空缺。

圖3 75%保護水平與100%保護水平的保護優(yōu)先區(qū)Fig.3 Protection priority areas with 75% protection level and 100%注:圖中的標(biāo)示數(shù)字和表3“序號”一致

表3 基于貴州省蘭科植物篩選的保護優(yōu)先區(qū)

續(xù)表3 基于貴州省蘭科植物篩選的保護優(yōu)先區(qū)Table 3 Protection priority areas based on Orchidaceae in Guizhou

表4 存在保護空缺的保護優(yōu)先區(qū)的自然保護區(qū)現(xiàn)狀Table 4 Current situation of nature reserves in protection priority areas with gaps

3 討論與結(jié)論

從蘭科植物作為被子植物中最進化、最高級的類群，就其在植物系統(tǒng)發(fā)育中的優(yōu)先性以及蘭科植物的高度脆弱性、對環(huán)境變化的敏感性和瀕危性而言，選取蘭科植物作為指示物種，是快速篩選以及完善前人將貴州省國家重點保護野生植物作為指示植物篩選貴州省保護優(yōu)先區(qū)的又一有效途徑。以縣域為單位進行生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)研究，對資源數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性、全面性等皆有較高要求，本研究所篩選的保護優(yōu)先區(qū)以及保護空缺分析，隨著今后貴州省蘭科植物新種或者新記錄等的逐步發(fā)現(xiàn)有待進一步補充。同時，由于縣級行政單位的劃分帶有人為主觀因素，各縣域面積各不相同，即使應(yīng)用基于面積自然對數(shù)的密度修正公式，也不可避免的會給研究帶來一定的客觀誤差。本研究對于跨縣級行政區(qū)域的自然保護區(qū)，將其面積均分于所跨的各縣級行政區(qū)，進而進行保護現(xiàn)狀分析及保護空缺評價，是在數(shù)據(jù)不完整的情況下使用的保守方法，有待進一步完善。

本研究在75%和100%保護水平上，篩選識別出的荔波等4個和27個保護優(yōu)先區(qū)，是基于貴州蘭科植物為指示物種得出的應(yīng)該優(yōu)先保護的縣域。在75%保護水平的4個保護優(yōu)先區(qū)中，3個分布有國家級自然保護區(qū)；在100%保護水平上的27個保護優(yōu)先區(qū)中，包含6個國家級自然保護區(qū)所在縣，表明所篩選的保護優(yōu)先區(qū)與全省現(xiàn)有分布的自然保護區(qū)重合度較高，在很大程度上也證實了將蘭科植物作為指示物種的合理性。但也有自然保護區(qū)累積面積與保護物種數(shù)量極不平衡，存在明顯保護空缺的縣，如75%保護水平的興義，100%保護水平的冊亨、望謨、貞豐等縣。在所有保護優(yōu)先區(qū)所含的49個自然保護區(qū)中，市級和縣級自然保護區(qū)比重過大(共40個)，而市縣級的自然保護區(qū)，多數(shù)是典型的“紙上保護”，無法達到規(guī)劃時的理想保護狀態(tài)[37]，這些保護等級低、面積小的自然保護區(qū)保護力度都亟待進一步加強，對于沒有自然保護區(qū)分布的保護優(yōu)先區(qū)，更加急需制定和開展相應(yīng)的保護政策和措施。