基于綜合指數法的白龍江流域生物多樣性空間分異特征研究

謝余初,鞏 杰,齊姍姍,胡寶清,王克林

1 廣西師范學院北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室,南寧 530001 2 蘭州大學資源環境學院西部環境教育部重點實驗室,蘭州 730000

基于綜合指數法的白龍江流域生物多樣性空間分異特征研究

謝余初1,2,3,鞏 杰2,*,齊姍姍2,胡寶清1,王克林3

1 廣西師范學院北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室,南寧 530001 2 蘭州大學資源環境學院西部環境教育部重點實驗室,蘭州 730000

大中區域尺度上生物多樣性空間分布格局識別是制定和實施區域生物多樣性保護計劃的前提條件,也是生物多樣性保護確定優先區域研究工作迫切需要解決的關鍵問題之一。擬以甘肅白龍江流域為例,結合InVEST模型和遙感、GIS技術,以區域生境質量、植物凈初級生產力和景觀狀態指數為評價指標,應用歸一化處理方法,構建區域生物多樣性空間格局綜合評估方法,在柵格像元尺度上開展白龍江流域生物多樣性評價及其空間分異特征分析。結果表明：白龍江流域生物多樣性較為豐富,空間分異特征明顯。生物多樣性較高的區域(Ⅰ和Ⅱ級以上)面積約占39.80%,且主要集中在自然保護區和林業管護區。生物多樣性較低的地區主要分布在舟曲-武都-文縣的白龍江兩岸及其以北區域、宕昌縣岷江沿岸、高寒稀疏植被區和高山積雪-裸巖區。

生物多樣性；評價指標；空間分異；InVEST模型；甘肅白龍江流域

生物多樣性不僅是人類賴以生存發展的不可缺少的物質條件和基礎,而且在調節氣候、保持水土、維持自然平衡等方面起著不可替代的作用[1- 2]。然而,隨著全球環境變化、外來物種入侵以及人類活動干擾,全球生物多樣性喪失問題正日趨嚴重[3- 4]。2010 年《全球生物多樣性展望》報告指出,15000多個物種正在消失,且生物多樣性喪失的趨勢仍沒有得到有效遏制[5]。2014年聯合國環境署(UNEP)也強調,生物多樣性持續減退是繼氣候變化之后又一個嚴重威脅人類的全球環境問題[6]。因此,加強對生物多樣性的認知、評價、保護、規劃、管理和政策制定,不僅是實現區域可持續發展戰略的重要保證,而且已迫在眉睫。

開展大中尺度上生物多樣性及其空間分異特征研究,是生物多樣性保護重要區和生態補償區識別、界定和規劃的基礎,也是小尺度生物多樣性評價、保育與管理的前提條件。為此,國內外學者們就大中區域尺度下生物多樣性研究開展了大量工作。朱萬澤等[7]通過構建區域生物多樣性綜合評價指標體系與方法,分析了長江上游生物多樣性保護的重要性。李詠紅等[8]以縣域為評價單元探討了成渝經濟區生物多樣性空間分布特征。Hou等驅動力-壓力-狀態-影響-響應(DPSIR)框架思路細化各評估指標,開展了社會經濟活動對生物多樣性影響的評估工作[9]。Luo等從物種豐富度、特有種屬和威脅因子狀態與格局的角度分析了中國兩棲動物保護及優先保護區的識別[10]。這些研究多以行政區劃為評價單元或傾向于通過生物多樣性監測網絡來獲得野外觀測數據,而在柵格單元上開展生物多樣性空間尺度和時間尺度的研究報道較為鮮見[11]；同時,在缺乏全面的生物監測數據的大尺度區域范圍內,基于行政單元的生物多樣性評估,其結果在一定程度上與實際分布狀況可能存在一定差距或不一致的現象。近年來,隨著3S技術和生態模型的發展,區域生物多樣性評估逐漸趨向于空間化、定量化、精細化、模型化。InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Service and Tradeoff)模型是由斯坦福大學、大自然保護協會、世界自然基金會等機構共同開發,可用于量化多種生態系統服務功能(如: 生境多樣性、碳儲量、產水量、土壤保持和水體凈化等),并能將評估結果以專題地圖的形式展現出來的生態系統服務綜合評估模型[12- 13]。楊芝歌等[14]基于森林資源二類調查數據和InVEST模型分析和評估了北京山區生物多樣性與碳儲量功能。徐佩等[15]利用InVEST模型和GIS空間分析技術探討了汶川地震災區生物多樣性熱點地區。Polasky等[16]通過InVEST模型模擬分析了明尼蘇達州土地利用變化對生物多樣性保護的影響。由此可見,利用GIS和生態模型空間量化生物多樣性空間格局是可行的。

甘肅白龍江流域位于嘉陵江流域上游,是長江上游生物多樣性重要保護區的重要組成部分,也是中國滑坡和泥石流災害四大高發區之一[17]。近年來,隨著該地區的植被破壞、水土流失、滑坡、泥石流等生態和自然災害問題突出(如2010年流域內舟曲特大泥石流災害),正嚴重威脅著社會經濟的可持續發展和生物多樣性的維護,亟需開展該區域生物多樣性空間分異評估工作。為此,本文擬在了解和認識該流域生物、氣候、地質地貌等多種地理環境因素的基礎上,采用遙感、GIS技術和InVEST模型,構建大尺度區域水平上生物多樣性空間分異評估方法,在柵格單元上定量分析流域內生物多樣性空間分異特征,旨在為區域生物多樣性保護與規劃管理提供科學依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

甘肅白龍江流域(32°36′— 34°24′N,103°00′— 105°30′E)地處青藏高原東緣、西秦嶺與岷山山脈交匯地帶,是長江上游重要的水源地和生態屏障。流域內地形復雜,山巒疊嶂、溝壑縱橫、坡陡流急,素以“山大溝深”著稱。氣候類型復雜多樣,氣候垂直地帶分異明顯,夏季高溫多雨,冬季溫涼少雨,年均氣溫6—15℃,年均降水量400—850 mm。植被覆蓋較好,森林廣布,流域源頭屬青藏高原高寒植被區域,中上游以暖溫帶落葉闊葉林區域為主,下游多為亞熱帶常綠闊葉林區域[17],有珙桐(DavidiainvolucrataBaill)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)、銀杉(Cathaya)、香果樹(EmmenopteryshenryiOliv.)、連香樹(Cercidiphyllaceae)、鵝掌樹(AcerpaxiiFranch)、紅椿(ToonaciliataRoem.)、南方紅豆杉(Taxuschinensis(Pilger) Rehd.var.)、水青樹(TetracentronsinenseOliv.)等多種珍稀瀕危植物以及國家一級保護植物7種,二級保護植物19種[18]；當歸(Angelicasinensis)、黨參(Codonopsispilosula(Franch.) Nannf.)、大黃(RheumpalmatumL.)、紅芪(HedysarumpolybotrysHand. Mazz)、柴胡(Radixbupleuri)等藥用植物近700種；擁有大熊貓(Ailuropodamelanoleuca)、金絲猴(Rhinopithecusroxellana)、羚羊(Antidorcasmarsupialis)、短尾猴(Macacaarctoides)、麝(MoschusmoschiferusLinnaeus)、毛冠鹿(Elaphoduscephalophus)、鯢(Megalobatrachusjaponicusdaoidianuas(Blanchard))等20多種保護動物。

1.2 研究方法

生物多樣性評價研究是一個十分復雜的過程,可分為遺傳、物種、生態系統、景觀 4個層次,但在大尺度區域水平上多指景觀的度量,包括景觀的豐富度、均勻度和彈性等。從景觀地理學的角度去理解和分析生物多樣性的概念、層次和喪失原因等,同時考慮到各評估指標空間表達的可操作性和可視性,本文擬遴選生境質量、植被凈初生產力(NPP)和景觀結構指數3個指標來分別反映區域生物棲息地質量、區域環境狀況和生態系統景觀多樣性。

(1) 生境質量

可通過InVEST模型計算獲得。InVEST模型是從土地利用與覆被變化角度出發,通過結合景觀類型敏感度和外界威脅強度,認為生境質量是一個連續的變量,由研究區內可供生物生存、繁殖和發展所需資源的多少來決定,其值的大小將代表區域的生物多樣性豐富程度[12,19- 20]。即,生境質量高的地區生物多樣性水平高,生境質量低和生境范圍小的則意味著生物多樣性低。具體計算過程如下：

(1)

(2)

式中，Qxj是地類景觀j中柵格x的生境質量；Hj表示地類景觀j的生境適宜程度；Dxj為地類景觀j中柵格單元x的生境退化程度；k為半飽和系數；Z為常數。R為生態威脅因子個數；Wr為生態威脅因子r的權重；y為生態威脅因子r的所有柵格單元；Yr是生態威脅因子r柵格單元的總數；根據白龍江流域具體實際情況,本文選取城鎮、農村居民點、人口密度、農田、道路(國道、省道、縣鄉道路)、綜合生態風險源(滑坡、泥石流、土壤侵蝕、地震、干旱)等對地表景觀影響較大的人為或自然因素作為生態威脅因子(圖1)。土地覆蓋數據主要是采用監督分類方法遙感影像進行目視解譯獲得,根據中國土地利用分類的標準和白龍江流域土地資源利用的實際情況,劃分為6個大類12個小類,即耕地、林地(有林地、灌木林地、疏林地、其他林地)、草地(高覆蓋高低、中覆蓋草地、低覆蓋草地)、水域(河流、湖泊水庫)、建設用地、未利用地(沙地裸地、高山積雪-裸巖),比例尺為1∶10萬。iry表示生態威脅因子r的最大影響距離；ry為地類景觀y柵格單元中生態威脅因子的個數；βx為柵格單元x的合法可達性(或法律準入程度或到達度),是指在當前的各項政策、法律、法規、條例及其實施辦法下,土地資源或生態系統保護程度[12,15]。本文暫不考慮白龍江流域特定的土地保護區因素,將區域內各土地覆被類型在國家法律法規上受到保護的程度是平等均一的,系統將自動給賦值為1,即完全到達；Sjr為地類景觀y對于威脅因子r的敏感度大小,取值范圍為[0,1]。

圖1 白龍江流域生態威脅因子分布圖Fig.1 Ecological threat factors of Bailong river watershed

(2) 植被凈初生產力(NPP)

植被凈初生產力是指當前自然環境條件下植物群落的凈初生產能力,是植物自身生物學特性與外界環境因子相互作用的結果,反映著區域陸地生態系統狀況及彈性[17,21- 22]。在一定范圍內,植被凈初生產力高的區域,生物多樣性相對較高[21]。目前針對大中尺度NPP的計算主要是基于光能利用率模型(CASA模型)[17]。CASA模型簡單而實用,它主要考慮了光能利用率和光合有效輻射兩個因子,且大部分參數可以利用遙感直接獲得[17,22],適用于大范圍的NPP計算。計算公式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(3)

ε(x,t)=εmax×Tε(x,t)×Wε(x,t)

(4)

APAR(x,t)=SOL(x,t)×0.5×FPAP(x,t)

(5)

(6)

式中,NPP(x,t)為t月份象元x的植被凈第一性生產力,APAR(x,t)為t月份象元x吸收的光合有效輻射,ε(x,t)代表t月份象元x的實際光能利用率。t表示時間,x表示空間。Tε(x,t)表示溫度脅迫系數,Wε(x,t)表示水分脅迫系數,εmax表示沒有受任何限制的情況下植被的最大光能利用率。APAR(x,t)為t月份象元x吸收的光合有效輻射,SOL(x,t)是t月份象元x處的太陽總輻射量(MJ/m2),FPAR(x,t) 指的是t月份象元x處的光合有效輻射吸收率,常數0.5表示植被所吸收的太陽有效輻射(波長范圍0.38—0.71μm)與植被冠層接收到的太陽總輻射之比。NDVI是歸一化植被指數, NDVImax和nNDVMmin分別表示第i種植被類型的NDVI最大值和最小值。本研究以2000—2013年白龍江流域NPP年平均值來代表區域總體植被凈初生產力狀況,其計算過程中所需的NDVI原始數據為250m分辨率的MOD13Q1遙感數據,氣象數據1990—2013年研究區及周邊17個氣象站點的觀測數據,根據CASA模型利用ENVI5.1和ArcGIS10.2等軟件計算獲得。

(3) 景觀結構指數

一定區域范圍內,生態系統越復雜、景觀結構狀態越好、類別越均衡,則景觀多樣性程度越大[23]。因此,景觀結構狀態能間接反映區域景觀多樣性的強弱,且可以通過相關的景觀指數構建其結構損失度函數來間接反映變化狀態。景觀損失度是景觀結構受到干擾后造成的可能損失程度,具體可通過景觀破碎度、景觀分離度和景觀分維數加權函數式表征[24- 26]；其值越大,景觀安全性越低、結構越不穩定,景觀多樣性越低:

LSi=1-Si=1-(aCi+bNi+cFi)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中,LSi為景觀狀態指數,Si、Ci、Ni和Fi分別為景觀損失指數、破碎度指數、分離度指數和分維數；ni和Ai同上,Pi為某一景觀類型i的周長。a、b和c分別為各個景觀格局指標的權重,其權重采用層次分析法(AHP)計算。

(4)生物多樣性綜合指數(BIx)計算方法

生物多樣性綜合指數(BIx)是由區域生境質量、植被凈初生產力和景觀結構指數的加權函數式組成的,其概念框架為：

生物多樣性指數

BIx=Qxj×β1+NPPx×β2+Sx×β3

(11)

式中,BIx表示柵格單元x的生物多樣性指數,Qxj為第j類土地利用/覆被類型(地類景觀)在第x個柵格的生境質量,NPPx為第x個柵格的植被凈初生產力年值,Sx為景觀尺度上第x個柵格的景觀結構指數,βx為權重系數,通過結合研究區實地特點,利用層次分析法對生境質量、植被凈初生產力和景觀結構指數權重值分別賦值為0.5、0.3和0.2。各指標均進行標準化處理。

3 結果與分析

3.1 生物多樣性單指標分析

由圖2可知,白龍江流域整體景觀生境質量空間格局分布明顯,其低生境質量區(數值<0.25)所占比重較大,主要分布在土石山區交錯帶上人類活動相對頻繁的河谷地帶,如舟曲-武都段白龍江兩岸區域及武都北峪河區域、文縣和武都交界區、宕昌縣西北部地區；高生境質量區域主要集聚在人類活動較弱的中高山林區和自然保護區。在行政上,迭部縣生境質量最高,其次是文縣,武都區的最小。

2000—2013年甘肅白龍江流域NPP數值范圍集中在300—700 gC m-2a-1,其最高值為1147.68 gC m-2a-1,平均值500.59 gC m-2a-1。在空間上,植被凈初生產力低值區(平均值低于300gC m-2a-1)主要分布在工農業較發達的河谷地帶和丘陵區和高寒山區(海拔3500m以上山區,如迭部縣與卓尼縣交界的北部迭山山脈)。植被凈初生產力高值區(平均值大于500gC m-2a-1)則主要分布在文縣東南部及南部、高樓山林區、迭山林區以及阿夏、多兒、插崗梁、博裕河上游自然保護區等(圖2)。在不同植被類型上,常綠闊葉林、常綠/落葉闊葉林年均NPP最高(677.8 gC m-2a-1),草甸最低(319.2 gC m-2a-1)。

景觀結構指數空間分布格局與生境質量、NPP的相似,景觀結構相對穩定(景觀多樣性較高)區域主要集中在自然保護區和林業管護區,以中山闊葉林和亞高山針闊混交林的林灌復合生態系統較為明顯。景觀結構相對脆弱(景觀多樣性較低)的地區主要分布在武都區的馬街鄉、安化鎮、漢王鎮、三河鎮、魚龍鄉及兩水鎮,宕昌縣城至車拉鄉和八力鄉至哈達鋪鎮等區域(圖2)。

圖2 白龍江流域生物多樣性評價指標空間分布狀況Fig.2 Spatial distribution of biodiversity assessment indicators in Bailong river watershed

3.2 生物多樣性綜合評價分析

圖3 白龍江流域生物多樣性空間分布格局 Fig.3 Integrative assessment of biodiversity spatial pattern in Bailong river watershed

由圖3和表1可知,白龍江流域生物多樣性評價結果為高(Ⅰ級)的區域,面積約占13.3%,主要分布在海拔約為1500—3000m的中高山林區域；這些地區物種高度豐富、植被覆蓋好、生境質量高、人類活動干擾極少、生態系統類型多樣,且多為自然保護區、林業管護區或天然林生態系統集中區域,是大熊貓、金絲猴、珙桐、銀杉、連香樹、水青樹等珍稀動植物或國家重點保護動植物分布關鍵區域。生物多樣性Ⅱ級區域,面積約占26.53%,該區域以森林為主,灌叢草地相間分布；物種相對豐富、植被覆蓋好、生境質量較好、人類活動干擾少、生態系統類型較多,局部地區生物多樣性高度豐富,生物多樣性指數為中。生物多樣性Ⅲ級區域,面積約占37.89%,多為農牧或農林生態系統、灌草生態系統；物種相對較少,生境質量一般,在局部山嶺丘陵地區生物多樣性較豐富,生物多樣性指數為一般。生物多樣性Ⅳ級區域,面積比重約為23.31%,是農業主產區和城鄉集中分布區；該區域內生態環境相對脆弱,人類活動干擾強烈,滑坡、泥石流、水土流失等災害頻繁,物種相對貧乏、景觀破碎化高、生境質量較差、生態系統類型較為單一,生物多樣性較低(圖1和圖3)。

4 討論

甘肅白龍江流域生物多樣性的時空分布特征呈現出一定的規律性,生物多樣性綜合指數較低的區域(Ⅳ級)主要分布在人類活動相對頻繁、工農業相對比較發達的河谷地帶和緩丘區,以城鄉聚落區、裸地、坡耕地和低覆蓋草地等景觀類型最為突出,而生物多樣性較高的區域(Ⅰ和Ⅱ級區),即生物多樣性優先保護的關鍵區域,則主要分布在地表擾動較少的自然保護區和林業管護區,這與其他學者[7- 8,15,20]研究的成果相似。生物多樣性Ⅰ和Ⅱ級區域總面積約占39.80%,且有近百種動植物被列入《瀕危野生動植物種國際貿易公約》附錄物種,間接反映出研究區生物多樣性保護的重要性。這與我國環境保護部2015年發布的《中國生物多樣性保護優先區域范圍》中指出,甘肅白龍江流域大部分區域屬于我國岷山-橫斷山北段生物多樣性保護優先區域的客觀事實相吻合。

表1 白龍江流域生物多樣性狀況分級

InVEST-biodiversity模塊是從生物多樣性的環境背景與質量(或者生物棲息地質量)的角度,通過分析生境質量來探討生物多樣性高低。在大中尺度的景觀水平上,生物多樣性還包含著景觀的豐富度和生態系統多樣性。因此,本文嘗試在景觀地理學視角下,利用NPP和景觀結構指數來分別表征景觀豐富度(或者區域環境狀況)和生態系統景觀多樣性,結合InVEST-biodiversity模型的評估結果改進區域生物多樣性空間分布的評估方法,同時通過野外樣方生物多樣性本底調查、部分自然保護區科學考察報告和全國野生高等動植物名錄等相關資料進行驗證與分析,結果表明從區域尺度上改進后的評估結果能夠較清晰和客觀地體現白龍江流域生物多樣性實際空間分布格局。與以往基于行政單元的區域生物多樣性空間格局研究成果相比較,本研究將生物多樣性分布格局落實到像元尺度上,彌補了基于行政單元生物多樣性空間格局可能與生物多樣性實際分布存在局部差異的現象,有利于生物多樣性的保護與規劃管理。但由于研究區面積較大、地形復雜,目前生物多樣性評價缺乏規范的基礎監測數據,研究過程中野外調查樣方數據較少,且地形與植物多樣性關系復雜[27- 28],因此未來在繼續加大生物多樣本底調查和長期野外觀測工作的基礎上,結合宏觀尺度的遙感觀測,量化生物多樣性評估體系與指標,以期更準確地開展區域生物多樣性評估工作和彌補生物多樣性在時間和空間尺度上的不足[11,21]。

5 結論

在空間分布上,甘肅白龍江流域生物多樣性豐富的區域主要集中在白水江國家級自然保護區、裕河大熊貓自然保護區、插崗梁自然保護區、博裕河自然保護區、迭部縣的白龍江阿夏與多兒大熊貓自然保護區和達拉溝流域、迭山林區地帶等。生物多樣性較低的地區主要分布在舟曲-武都-文縣的白龍江兩岸及其以北區域、宕昌縣岷江沿岸和迭部縣海拔3300米以上的高寒山區。

本文嘗試在遙感和GIS技術的支持下,結合InVEST模型、NPP和景觀結構指數構建區域生物多樣性空間格局的評估方法,并在柵格像元尺度上量化分析生物多樣性空間分布狀況。與單純只考慮InVEST模型或者與以往基于行政單元的區域生物多樣性空間格局相比,對于山大溝深、災害頻發、缺乏長期野外監測數據的甘肅白龍江流域而言,構建后的區域生物多樣性空間格局評估方法的研究結果更為客觀和真實,更符合流域生物多樣性實際分布狀況。

致謝：王茜茜、陳國清、吳婧幫助修改。

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AssessmentandspatialvariationofbiodiversityintheBailongRiverWatershedoftheGansuProvince

XIE Yuchu1,2,3, GONG Jie2,*, Qi Shanshan2, HU Baoqing1, WANG Kelin3

1KeyLaboratoryofEnvironmentChangeandResourcesUseinBeibuGulf(MinistryofEducation),GuangxiTeachersEducationUniversity,Nanning530001,China2KeyLaboratoryofWesternChina′sEnvironmentalSystems(MinistryofEducation),CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China3KeyLaboratoryofAgro-ecologicalProcessesinSubtropicalRegion,InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyofSciences,Changsha410125,China

The loss of biodiversity has become one of the major global environmental problems, with strengthening of biodiversity conservation and protection urgently required. The first step in solving this problem is the identification and understanding of the spatial variation of biodiversity on a regional scale, with the formulation and implementation of biodiversity protection schemes imperative. This has become the focus of biodiversity assessments over both large and medium scales. The Bailong River Watershed of the Gansu Province (BRWGP), one of the most abundant biodiversity regions in China, is located in the transitional ecotone along the Tibet Plateau, Loess Plateau, and Qinba Mountains. The BRWGP was selected in the present study to analyze the spatial heterogeneity of biodiversity. Inclusion of three assessment indicators (habitat quality, vegetation net primary productivity, and landscape state index) enabled the construction of a comprehensive index system of biodiversity spatial patterns and application of spatial differentiation analysis under the landscape geography perspective. Our goal was to revise the biodiversity evaluation module of the InVEST model and demonstrate biodiversity spatial patterns on a grid cell. The results indicated that biodiversity was high and had obvious spatial pattern variations in the BRWGP. The land area containing higher biodiversity accounted for 39.8% of the total watershed area, which was mainly distributed in the national nature reserve and forest. The relatively poor biodiversity areas were mainly distributed in the valleys of the BRWGP between Zhouqu-Wudu-Wenxian, the valley of Minjiang in Tanchang County, alpine mountain snow regions, and bare rock zones.

biodiversity; assessment indicators; spatial variation; InVEST model; Bailong River Watershed of the Gansu Province

國家自然科學基金項目(41271199, 41661021)；國家重點研發計劃項目(2016YFC0502401)；廣西師范學院科研啟動經費資助項目(0819- 2016L12);廣西師范學院省部級重點實驗室創新基地2017年大學生創新實踐訓練計劃項目

2016- 07- 21; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 05- 27

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jgong@lzu.edu.cn.

10.5846/stxb201607211486

謝余初,鞏杰,齊姍姍,胡寶清,王克林.基于綜合指數法的白龍江流域生物多樣性空間分異特征研究.生態學報,2017,37(19):6448- 6456.

Xie Y C, Gong J, Qi S S, Hu B Q, Wang K L.Assessment and spatial variation of biodiversity in the Bailong River Watershed of the Gansu Province.Acta Ecologica Sinica,2017,37(19):6448- 6456.