汶川地震災區生物多樣性熱點地區分析

徐 佩，王玉寬，楊金鳳，彭 怡

(中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所，成都 610041)

生物多樣性是人類賴以生存的物質基礎［1］。但目前生物多樣性正面臨嚴重威脅。世界自然保護聯盟(IUCN)發布的“2004年瀕危物種紅色名錄”表明，1/3的兩棲類動物、1/2以上的龜類、1/8的鳥類和1/4的哺乳動物正面臨生存威脅。目前，全球15000多個物種正在消失［2］。《千年生態系統評估——生物多樣性綜合報告:生態系統與人類福祉》中指出，自工業化初期至今全球漁業資源減少了90%，1/3的兩棲動物、1/5的哺乳動物和1/4的針葉林瀕臨滅絕;大自然調節氣候、空氣和水源的能力下降;自然災害對人類的沖擊越來越多［3］。因此保護生物多樣性實際就是保護人類自身，是實現區域可持續發展戰略的重要保證［4］。

用于生物多樣性保護的人力和財力都是有限的，對所有區域采取同一水平的保護策略和投資，既不現實也無必要［5-6］。為使有限的資源得到最佳配置和利用，必須找出一些具有顯著生物多樣性，同時正受到嚴重威脅的區域，即所謂的生物多樣性熱點地區(hotspot)。生物多樣性熱點地區被認為是本地物種多樣性最豐富的地區或是特有物種集中分布地區［7-9］，該概念最早是由英國著名生態學家Norman Myers于1988年在分析熱帶雨林受威脅程度的基礎上提出的［10］，并于2000年根據物種特有程度和受威脅程度提出了全球生物多樣性保護的25個優先的熱點地區［11］。近年來，生物多樣性熱點區成為國內外研究的熱點。許多學者從全球、區域及地區等不同尺度，開展了相關研究［12-19］。提出了系統保護規劃［20］，生態位模型等新的方法［21］，并引入了地質學等其他學科的理論［22］。總體來看，熱點區的識別需要考慮生物多樣性的現狀以及未來的發展趨勢，結合物種分布與生境質量兩方面，并盡量采用空間分析、數理分析等定量化研究方法。目前基于地理信息系統的統計方法的運用是熱點分析的重要趨勢，但在對熱點的空間識別過程中，還主要依靠專家知識，僅對不同空間要素進行簡單疊加，缺乏對熱點區特征的準確描述。

汶川地震災區位于長江上游地區，被保護國際認定的25個全球生物多樣性熱點地區之一，同時提供了棲息地保護、水源涵養、水土保持等多重功能。但受汶川地震的影響，區域內植被破壞嚴重，生物多樣性受到極大威脅。交通、定居點、工礦設施的重建使生物多樣性保護的壓力進一步增大。識別生物多樣性熱點地區，將生物多樣性保護納入災后重建是恢復和保護該地區生態環境的重要內容。本文采用空間相關方法識別汶川地震災區的生物多樣性保護的熱點區，為災區生物多樣性保護、減少災后恢復重建對生物多樣性的影響提供決策依據，同時也是對生物多樣性保護規劃的有益探索。

1 研究區概況

汶川地震重災區位于四川省西北部，川西高原向盆地過渡地帶(圖1)。由于地勢變化明顯，立體氣候顯著，生物多樣性極為豐富。據不完全統計，該區域僅高等植物多達5000種以上，擁有國家一級保護植物10種，國家二級保護植物29種，各類資源植物2000多種，擁有國家一級保護動物14種，國家二級保護動物69種，也是我國大熊貓(Ailuropoda melanoleuca)的主要分布區。

2 研究方法

2.1 生物多樣性指數

選取物種生境質量、植被景觀多樣性指數和物種多樣性指數作為評價指標。其中生境質量采用InVEST生物多樣性模型計算［23-24］，關系式如下:

模型使用Quality_1-Quality_2差值作為生境質量相對得分(Quality_3)

式中，name分別代表道路、居民點、鐵路、農田和地質災害威脅因子;sen_name表示威脅因子的敏感性值;name_prox表示威脅因子的威脅值;legal_access表示合法可達性;(W_threat name/W)威脅因子相對權重。

根據災區物種的生存狀況和受威脅的程度，本文利用李文迪對指示物種的選擇和賦值標準［12］，選擇災區的指示物種并計算指示物種的豐富度指數。

圖1 汶川地震災區地理位置示意Fig.1 The geographical location of Wenchuan earthquake area

景觀多樣性指數采用Shannon-Weiner多樣性指數，其表達式為:

式中，H'x表示評估單元x的植被群系多樣性指數，其值越大表明評估單元內的植被群系統越豐富;Pi表示評估單元x內的植被群系i的面積比例;n為植被群系的數目。

在此基礎上，以柵格為統計單元，計算生物多樣性綜合指數，公式如下:

式中，BIx表示柵格單元x的生物多樣性指數。

將綜合得分指數進行最大值標準化，使得綜合得分值指數取值在0—1之間。最后利用ArcGIS軟件以圖形的形式將生物多樣性指數表現出來，分析災區生物多樣性空間分布特點。

2.2 熱點地區識別

在疾病和人口的熱點區的分析中，空間相關分析的方法已被應用于分析疾病的高發區或人口密集區［25-31］，這與生物多樣性熱點地區分析具有很大的相似性。因此本文利用空間相關分析進行熱點地區分析，使用空間統計中最常用的系數，它是一種基于距離權矩陣的局部空間自相關指標，能探測出高值聚集和低值聚集(熱點分析)。由 Ord 和 Getis［32］提出:

式中，xj表示局部范圍內的空間單元的屬性值;Wij是i，j單元之間的距離權重，Wi表示所有距離權之和;表示給研究區域內所有斑塊屬性的平均值。其中，

3 結果與討論

3.1 生物多樣性指數

圖2繪出了地震災區生物多樣性綜合指數。綜合指數高值區集中在龍門山區各縣，其中汶川、寶興、北川、平武以及青川的生物多樣性指數較高;西部高原邊緣區的松潘與小金的多樣性指數較高;山前平原與盆地低山丘陵區的多樣性指數普遍較低。其中崇州、都江堰、彭州、什邡、綿竹和安縣等各縣(市)的平原區生物多樣性水平很低，而山區的生物多樣性指數較高，界線非常清晰，說明了山區與平原在生物多樣性保護功能方面有著較大的差異。

3.2 生物多樣性熱點區

利用ArcGIS熱點分析功能對綜合指數進行熱點分析，結果如圖3。熱點區主要分布在龍門山一帶，基本上可以分為北部的岷山高值區和南部邛崍山高值區兩部分。而Z(G*i)＜-2.0的低值區主要分布在山前平原和平原丘陵區。造成這種差異的原因在于:一是山區地形起伏較大，在地形的控制下形成的各種小生境為生物多樣性提供了物理基礎，二是平原區人類活動劇烈，生物生境受到人為的干擾強烈。

圖2 地震災區生物多樣性指數Fig.2 Spatial distribution of biodiversity index in Wenchuan earthquake area

圖3 地震災區指數Fig.3 Spatial distribution of in Wenchuan earthquake area

3.3 熱點地區與自然保護區的一致性

根據圖4計算得到的生物多樣性熱點區的面積28874.68 km2，占汶川地震災區總面積的37.9%，熱點區面積比例較高的原因是山區與平原丘陵區在物種豐度、景觀多樣性和生境質量方面的差異都很大。導致山區的生物多樣性豐富的優勢就會在熱點分析時明顯地體現出來。其中位于各類保護區內的熱點區面積8377.49 km2，占整個熱點區面積的29.01%，占災區所有保護區面積的55%。在全部34個保護區中，熱點區涉及到26個保護區。沒有劃到熱點區的保護區，如睢水海綿礁、聞溪西河濕地、翠云廊古柏和九龍山自然保護區由于其保護級別相對較低，且位于人為干擾較強烈的平原和丘陵地區，其周圍地區的生境質量以及生物多樣性指數較低，這些因素共同作用影響了它們進入熱點區。海拔較高的保護區由于植被覆蓋度低，影響了其進入熱點區范圍內。

3.4 熱點地區與物種分布的關系

雖然熱點區面積僅占整個災區面積37.9%，但對指示物種生境的覆蓋比例卻比較高，在選取的69個指示物種中有60個物種，其位于熱點區的生境面積占其位于災區的總生境面積的50%以上，包括了全部的13種國家一級保護動植物物種，有32個物種熱點區生境面積比例在80%左右，熱點區內的所有指示物種生境總面積占整個災區指示物種生境總面積的70%以上。

本文選取了10個指示植物種，熱點區覆蓋了全部指示物種的生境范圍，有7個物種的熱點區生境比例在55%以上。熱點區內生境面積比例最高的物種是圓葉玉蘭(Magnolia sinensis)、珙桐(Davidia involucrata var.involucrata)和香果樹(Emmenopterys henryi)，分別為94.6%、89.1%和86.0%。峨眉含笑(Michelia wilsonii)、西康玉蘭(Magnolia wilsonii)和紅豆樹(Ormosia hosiei)在熱點區內生境面積比例較低(圖5)。西康玉蘭(Magnolia wilsonii)主要分布在災區的邊緣地區，范圍狹小，而空間分析對邊緣區的探測不是很敏感，峨眉含笑(Michelia wilsonii)與紅豆樹(Ormosia hosiei)分布離散，且峨眉含笑(Michelia wilsonii)的生境面積較小，因此本文熱點區沒有很好反映它們的分布信息。

圖4 災區生物多樣性熱點區與保護區分布Fig.4 Distribution of biodiversity hotspots and Nature Reserve in Wenchuan earthquake area

鳥類指示物種共有24種，熱點區涉及到了所有鳥類指示物種的生境(圖6)。其中有23個物種在熱點區生境面積比例50%以上，有16個物種在熱點區生境面積比例80%以上。僅有綠尾虹雉(Lophophorus lhuysii)位于熱點區生境面積比例為24.4%(圖6)，但是綠尾虹雉(Lophophorus lhuysii)在災區的生境分布范圍較廣，雖然其熱點區面積比例較低，但其在熱點區內的面積仍然有1881.432km2。

圖5 指示植物種在熱點區與保護區內的生境面積比例Fig.5 The proportion of indicator species habitat area in hotspots and nature reserve

圖6 鳥類指物種熱點區與保護區內的生境面積比例Fig.6 The proportion of birds indicator species habitat area in hotspots and Nature Reserve

哺乳類指示物種有35種，其中有30種在熱點區內的生境面積占其災區總生境面積的比例在50%以上，有14種在熱點區生境面積比例在80%左右(圖7)。熱點區內面積比例較低的幾個物種，其位于熱點區內的生境面積也都在50km2以上。僅猞猁(Lynx lynx)的熱點區內生境面積為35.7km2，原因與西康玉蘭(Magnolia wilsonii)相似，鼬獾(Melogale moschata)、貉(Nyctereutes procyonoides)的分布范圍較廣，它在人為干擾強烈的平原丘陵區有2/3左右的生境面積，因此只有1/3的生境面積進入熱點區，這是合理的。林麝(Moschus berezovskii)則是由于指示物種選取的數量還不夠，物種豐度信息不是很準確造成的。

3.5 熱點地區與Marxan模型優先區的比較

2008年6月大自然保護協會(TNC)利用Marxan模型確定了四川省省生物多樣性保護的優先地區。本文基于空間分析的生物多樣性熱點區主要分布在龍門山區，與Marxan模型得到的生物多樣性優先區分布基本一致，但在西部高原邊緣區的黑水縣和理縣存在較大差異(圖8)。原因可能是:一方面可能由于本文指示物種的數目較少，代表性不夠強引起的;另一方面可能是在計算綜合指數時考慮了植被覆蓋度的影響，而高海拔區由于植被覆蓋度低所以沒有納入熱點區。同時發現基于空間分析方法獲得的熱點區幾乎沒有離散的點狀區域的分布，克服了Marxan優先區分布過于離散，孤島效應明顯的缺點，因為在保護區劃時一般不會設立一個孤立的與原保護區沒有聯系的保護區，優先區雖然從理論上講具有很重要的意義，考慮到保護區之間的連接度和保護區內物種的長遠發展，優先區可能并不是最佳的選擇。同時，由空間分析方法劃分的熱點區的不僅要求本身物種豐富、景觀多樣、生境質量高，還要滿足其周圍的地區也具有此特點才能夠被劃分為熱點區。因此，從長遠來看這種方法劃分的熱點區更具保護意義。此外，Marxan模型計算的優先區包含的范圍較小，只能用于指導保護區的規劃，不能指出需要對生態破壞嚴重的產業進行限制的區域。在實際工作中可以將空間分析獲取的熱點區與Marxan模型輸出的最優區相結合，提出生物多樣性的最佳保護方案。

圖7 哺乳類指示物種熱點區與保護區內的生境面積比例Fig.7 The proportion of mammals indicator species habitat area in hotspots and Nature Reserve

圖8 空間相關方法劃分的熱點地方與TNC優先保護區比較Fig.8 Comparison of hotspots based on spatial correlation method and the TNC priority conservation areas

4 結論

汶川地震對區域的生物多樣性造成極大影響。識別生物多樣性熱點地區是將生物多樣性保護納入災區重建的基礎。本文利用InVEST模型對災區生境質量進行定量評價，然后采用空間分析方法識別了生物多樣性熱點地區。并與現有保護區分布、物種生境分布以及Marxan模型得到的優先區進行了對比。識別出的熱點地區基本上與Marxan模型結果一致。識別出的岷山區域生物多樣性熱點區和南部邛崍山區生物多樣性熱點區之間可以考慮建立生態廊道保護區。基于空間分析得到的熱點地區也存在不足，包括對評估區域邊緣的探測不是很敏感，考慮因素較多，有些特有種分布區等可能會因其他因素的影響而不能進入熱點區，這些都是進一步需要解決的問題。

致謝:本文使用了美國斯坦福大學與世界自然基金會(WWF)以及大自然保護協會(TNC)聯合開發的綜合生態系統服務評估模型(InVEST)，在模型調試與驗證過程中得到了Gretchen Daily教授，Erik博士，Driss博士的幫助，特此致謝。

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