廈門市重點保護植物空間優先保護格局研究

錢靈穎,黃智洵,楊盛昌,曹文志

廈門大學濱海濕地生態系統教育部重點實驗室,廈門大學環境與生態學院, 廈門 361102

為應對生物多樣性的迅速喪失,我國通過劃定一定數量的自然保護地對重點珍稀保護動植物、生物多樣性及其所能夠提供的生態系統服務進行有效地保護。截至2019年底,我國共建立超過1.18萬個自然保護地,保護面積占全國國土面積的22.1%[1]。雖然我國自然保護地面積不斷增加,生物多樣性下降趨勢得到有效遏制,但徐衛華[2]、楊朝輝[3]、孫思琦[4]等分別對長江經濟帶的國家級自然保護區、貴州省現有保護地體系、中國東南部自然保護區的生物多樣性保護效率的研究結果表明,大多數自然保護地在發展的早期階段缺乏科學評估,導致已有自然保護地體系存在對少數生物保護利用價值不高的物種或生境提供過多的保護,或與生物多樣性受到嚴重威脅的區域之間存在空間失配問題,促進了空間保護優先化的發展。

空間保護優先化是一種基于明確的保護目標確定優先保護區網絡的定量技術,能夠為保護或環境規劃問題生成空間優先級,為空間保護規劃提供決策依據[5]。目前已經開發了多種軟件可用于設計生物多樣性空間優先保護格局[6]。使用較為廣泛的空間保護優先化軟件,包括能夠生成使生物多樣性保護價值最大化的規劃單元組合的Zonation,使用最小集方法來確定以幾乎最小成本實現保護目標的規劃單元組合的MARXAN[7]以及通過計算各規劃單元在實現保護目標上的不可替代性來確定空間保護優先性的C-Plan[8]。

相較于其它空間保護優先化定量技術,Zonation輸出的空間優先保護格局旨在識別出多個物種的核心分布區,實現生物多樣性保護價值最大化,維持景觀的連通性,而不是獲得“以最小成本達到保護目標”的解決方案[9-10]。Zonation模型成功運行首先需要獲得物種的生態位信息[11]。生態位模型能夠根據物種實際分布及環境變量計算物種生態位,目前應用較為廣泛的生態位模型,包括最大熵模型(MaxENT)、Bioclim模型和Domain模型[12-13],每種生態位模型都可以獨立預測物種的潛在分布區,但具有各自的偏好性。Bioclim是最簡單的生態位模型,但模型預測精度與物種分布數據呈正相關,并且無法處理環境因素之間的相互作用[14],Domain模型能夠處理不連續的物種分布點位信息,但對于每個潛在地點只利用一個點位信息來確定物種分布適宜性,準確性不高[15],而MaxENT模型能夠在樣本量較小、環境變量之間相關性不明的情況下,通過探尋在物種實際分布點位和環境變量約束下最大熵的可能分布,直接生成適宜物種生存的連續的物種潛在分布圖,具有所需樣本量小、預測結果準確、兼容性好等優勢[16-19]。目前MaxENT和Zonation的結合使用已經被廣泛應用于劃定以保護鳥類[20]、植物[21]、淡水魚類[22]、海洋生物[23]以及地方特色物種[24]生物多樣性為目標的多物種保護規劃,在多物種的空間優先保護區識別中發揮著重要的作用。

城市生物多樣性是保證城市生態系統功能持續性的基礎,城市森林多樣性可以提高生態系統健康的供給彈性[25]。廈門市快速的城市化導致城市人工環境不斷增加,森林植被遭到嚴重破壞,原生森林生態系統逐漸退化[26],近年來營造的人工森林植被結構單一,不利于生物多樣性形成。此外,作為海灣型城市,廈門市曾經擁有廣闊的灘涂面積,非常適合紅樹林的生長,然而大規模的圍海造田、填海造陸使濱海紅樹植物遭受破壞,紅樹林面積日益減少,城市生態系統健康受到威脅。本研究以保護廈門市重點保護植物的生物多樣性為目標,使用MaxENT模型作為物種分布模型模擬廈門市重點保護植物的潛在分布,Zonation模型作為空間保護優先化的定量工具,獲得該地重點保護植物的理論空間優先保護格局,分析廈門市目前生物多樣性保護地建設的空缺,為廈門市生物多樣性保護提供決策依據,促進城市發展的穩定性和可持續性(圖1)。

圖1 研究流程Fig.1 Research processAUC：受試者操作特性曲線ROC(Receiver Operating Characteristic)曲線下方的面積大小 Area Under Curve;SSI物種：特殊利益物種 Species of Special Interest

1 研究區域概況和數據來源

1.1 研究區概況

廈門市地處福建省東南部,是東南沿海重要的中心城市,陸地面積1699.39 km2,海域面積約390 km2。地形以濱海平原、臺地和丘陵為主,屬于亞熱帶海洋性季風氣候,年平均氣溫約20.9℃;雨量適中,年降水量1143.5 mm,降水集中于4—9月,平均相對濕度較高,全年適宜植物生長[27]。其位于閩粵沿海植被區,共有常綠針葉林、常綠闊葉林、針闊葉混交林、紅樹林等11種植被類型,馬尾松林、杉木林、木荷林、白骨壤群落、秋茄群落、桐花樹+白骨壤群落等62個群系,南亞熱帶季風常綠闊葉林為廈門市的地帶性植被[28]。長期以來,廈門市的自然生態系統受到很大程度地擾動,紅樹林面積日益減少,森林植被次生性明顯,城市綠地景觀多樣性指數低,各綠地類型分布不均勻,生態功能較弱,生物多樣性保護空間缺乏。

1.2 重點保護植物的選擇

本研究參考《國家重點保護野生植物名錄(第一批)》、《國家重點保護野生植物名錄(第二批)》、《福建省國家和省重點保護野生植物目錄》(http://lyj.fujian.gov.cn)、《廈門市地方志》(www.fzb.xm.gov.cn)所列保護植物種類,剔除重復選項,并根據中國植物主題數據庫(http://www.plant.csdb.cn)中所記錄的保護植物分布地,中國數字植物標本館(https://www.cvh.ac.cn)及教學標本資源共享平臺(http://mnh.scu.edu.cn/)的標本信息,篩選出在廈門市存在并具地理分布信息的39種植物作為本研究中的重點保護植物(表1)。包括蘇鐵(Cycasrevoluta)、臺灣蘇鐵(Cycastaiwaniana)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)、伯樂樹(Bretschneiderasinensis)4種國家一級保護野生植物,樟樹(Cinnamomumcamphora)、格木(Erythrophleumfordii)、穗花杉(Amentotaxusargotaenia)、福建柏(Fokieniahodginsii)、刺桫欏(Alsophilaspinulosa)、金毛狗(Cibotiumbarometz)6種國家二級保護野生植物,黃樟(Cinnamomumporrectum)、江南油杉(Keteleeriafortunei)、木欖(Bruguieragymnorhiza)等8種省重點保護野生植物,鳳凰木(Delonixregia)、細枝葉下珠(Phyllanthusleptoclados)、秋茄(Kandeliacandel)等21種地方重點保護野生植物。其中,秋茄、木欖、白骨壤及桐花樹作為紅樹植物,所構成的紅樹林生態系統在保障本地海岸帶生物多樣性及生態安全等方面起到重要作用[29]。

表1 廈門市重點保護植物模型模擬有關信息

1.3 數據來源

1.3.1物種分布點

物種實際地理分布點位信息來自近10年的野外調研工作以及中國數字植物標本館(https://www.cvh.ac.cn)、教學標本資源共享平臺(http://mnh.scu.edu.cn/)、世界生物多樣性信息機構(Global Biodiversity Information Facility,GBIF)、相關文獻所記錄的近60年植物標本信息。涉及到僅提供采集地點信息的標本通過百度地圖的坐標拾取系統(http://api.map.baidu.com/lbsapi/getpoint/index.html/)將地名轉化為點位信息。利用ArcGIS 10.5對重點保護植物坐標進行篩選,1 km× 1 km范圍內僅保留相同物種的一個點位。研究共獲得39種植物的有效坐標。

1.3.2環境變量

研究初步選取19種有關溫度和降水的生物氣候因子和地形因子數據(海拔、坡度、坡向)作為影響重點保護植物分布的環境變量(表2)。其中19種生物氣候因子與植物生長密切相關,被認為是進行物種潛在分布模擬的典型環境變量[30],從WorldClim全球氣候數據庫(http://www.worldclim.org/)下載當前氣候條件下最高分辨率的生物氣候因子數據(30″(約1 km)),通過克里金插值法將分辨率提高至30 m;從地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)上下載DEM數據(30 m),獲得地形因子數據。使用SPSS軟件進行Pearson相關性分析(表3),最終選擇相關系數小于0.8的14種生物氣候因子和3種地形因子構建模型(表2)[31]。

表2 環境變量數據描述

表3 生物氣候因子相關性分析

2 模型優化與參數選擇

2.1 物種分布模型

Maxent模型根據最大熵原理,基于該物種已知出現地的環境條件預測物種在研究區域內的所有可能潛在分布地[32]。

2.1.1模型運行

研究使用MaxENT模型3.4.1版本預測廈門市重點保護植物的潛在分布區。將所獲得的廈門市重點保護MaxENT模型每次預測隨機選擇75%的物種分布點數據作為訓練集用于建立模型,25%的物種分布點數據作為隨機測試數據集用于模型驗證[39],設置正則化乘數為1[40],采集分析底圖的10000個數據點進行模擬,重復運行次數為4,重復次數運行類型選擇Crossvalidate,建立模型。共進行兩輪物種潛在分布區預測,通過jackknife刀切法分析各個環境變量對物種分布的重要性[41-42],在第一次模型運行結束后,剔除對物種貢獻率低于1.0%的環境因子[43],進行二次模擬,最終獲得植物在廈門市的潛在分布柵格圖作為空間保護優先化所需的物種分布狀態信息。

植物有效坐標超過5個的12種物種,直接輸入MaxENT模型中獲得廈門市重點保護植物潛在分布[33- 35]。對于所獲得的廈門市植物樣本量小于5的20種物種,檢索物種在整個福建省范圍內的分布信息,計算獲得福建省潛在物種分布圖后截取廈門市范圍的物種潛在分布[36]。福建省檢索到的點位數據依然小于5時,將物種視為特殊利益物種(Species of Special Interest,SSI species),不再進行物種潛在分布預測。最初便視為SSI物種的共有7種,這些物種的點位信息將以.txt文本形式直接輸入Zonation模型[37-38]。

2.1.2模型準確性評估

使用受試者操作特性曲線ROC(Receiver Operating Characteristic)評估模型模擬結果準確性[44]。ROC曲線下與坐標軸圍成的面積AUC(Area Under Curve)越接近1.0,檢測方法真實性越高。根據AUC值將模型預測結果準確性分為5類,AUC<0.6,預測失敗;AUC=0.6—0.7,較差;AUC=0.7—0.8,一般;AUC=0.8—0.9,良好;AUC=0.9—1.0,優秀[45]。本研究中認為只有當AUC值大于0.7時,MaxENT模型輸出的植物潛在分布柵格圖才可輸入Zonation模型中。而AUC值小于0.7的物種,被視為SSI物種。

2.2 Zonation模型

Zonation以迭代的方式產生由互補性驅動的景觀保護等級,模型首先假設整體景觀都得到保護,接著逐步識別并移除邊際損失最小的單元,將保護價值最高的區域保留到最后,獲得多物種理論空間優先保護格局[46]。Zonation能夠綜合考慮多物種的潛在分布核心區,并識別對于維持景觀連通性非常重要的區域,為劃定優先保護區以維持較高的生物多樣性水平提供一種定量方法。

2.2.1單元去除規則選擇

Zonation算法是否有意義完全取決于對邊際損失的定義,而邊際損失是由不同的單元去除規則(Removal Rule)決定[47]。研究選擇核心單元分區(Core-area Zonation,CAZ)作為單元去除規則,得到的空間優先保護格局不在物種之間進行取舍,而是保護所有物種的核心分布區域[11]。

2.2.2物種權重設置

物種特征權重會影響單元從景觀中移除的順序以及單元移除過程中任意位置上所保留的物種分布比例。因此在對多物種進行空間保護優先化前需確定其所屬的保護類別,并在此基礎上判斷物種的全球稀有性、地方性以及經濟社會價值等,從而賦予相應的權重[48](表4)。

表4 物種權重設置依據

2.2.3優先保護區識別

將重點保護植物的潛在分布柵格圖及SSI植物的點數據輸入Zonation模型中,設置相應的權重,識別理論上既適宜重點保護植物生存又能夠保證景觀連通性的區域,獲得本地重點保護植物的景觀保護等級以及一組特征曲線。

根據2020年全球生物多樣性目標,設置景觀優先等級前17%的區域作為廈門市重點保護植物空間優先保護區[49]。此外,由于本研究設定的目標之一是保護本地重點保護植物不至滅絕,因此依據Zonation模型生成的隨景觀喪失物種加權滅絕風險曲線將移除后可能會導致物種的滅絕風險迅速增大的景觀單元進一步視為一級保護區。

3 結果

3.1 模型準確性評估

使用MaxENT模型模擬除薊罌粟、草海桐等7種SSI物種外的其它重點保護植物的潛在分布,得到每一物種4次重復運行下的平均AUC值(表1)。兩次MaxENT模擬潛在分布結束后,福建柏、金毛狗、檵木的AUC值依然小于0.7,因此也被視為SSI物種。最后篩選得的SSI物種共10種,獲得的GIS柵格圖層共29個。

3.2 空間優先保護格局

將29個重點保護植物的潛在分布柵格圖及10個SSI植物的點數據輸入Zonation模型中,獲得本地重點保護植物的空間優先保護格局以及隨景觀喪失物種加權滅絕風險曲線。

隨著景觀喪失比例的增加,物種加權滅絕風險隨之增加。景觀喪失比例低于92%時,物種加權滅絕風險增長率相對穩定,當景觀喪失比例達到92%時,物種的平均滅絕風險達到39%。此后,物種加權滅絕風險銳增至100%,物種迅速滅絕(圖2)。結合2020年全球生物多樣性目標,共選取研究區域總面積的17%作為重點保護植物的優先保護區,將保護等級最高的8%區域劃為一級保護區,保護等級在8%—17%范圍內的區域劃為二級保護區(圖3)。

圖2 隨景觀喪失物種加權滅絕風險曲線Fig.2 Weighted extinction risk curve with landscape loss

圖3 廈門市重點保護植物重點保護區劃分Fig.3 Division of key protected plant areas in Xiamen

廈門市重點保護植物的一級保護區主要集中分布在廈門島內的東部和南部、島外東南部以及西南部的海岸帶區域、西北部的山地。二級保護區主要分布在一級保護區的外圍。疊加廈門市現有自然保護地,結果表明大部分的自然保護地集中分布在廈門市的中部地區,少部分位于西部山區和海岸帶地區,本研究所劃定的廈門市重點保護植物理論空間優先保護區基本尚未得到良好的保護。

4 討論

4.1 重點保護植物優先保護區分布特點

(1)地形因子為影響植物生長分布的主導環境因子。MaxENT模型通過jackknife刀切法可判斷影響各物種分布的主導環境因子,結果表明地形因子對植物生長分布的影響均大于生物氣候因子,其中海拔為對物種潛在分布概率影響最大的環境因子。主要是由于廈門市受海洋的影響較為顯著,氣溫年較差較小,氣候溫和穩定,全年均適宜植物生長,但地勢由西北向東南傾斜,海拔較高的西北部可能會導致植物存在逆境保護機制來保護其免受光損傷[50],因而重點保護植物優先保護區主要集中于廈門市的東南部,西北部的優先保護區分布面積較小。

(2)優先保護區多集中于海岸帶區域。廈門市是我國典型的海灣型城市,其海岸線長達234公里,海滄灣、馬鑾灣、杏林灣、同安灣、翔安灣等構成了廈門海岸帶,研究表明重點保護植物優先保護區主要分布在海滄灣以及翔安灣,其間分布著紅樹林、河口、沙灘等重要生態系統,蘊含著豐富的自然資源,既是植被生長的適宜棲息地,也是鳥類越冬的良好場所,具有較高的生態系統服務價值,為豐富生物多樣性提供可能。

(3)二級保護區分布于一級保護區外圍。Zonation模型生成的廈門市重點保護植物空間優先區間具有較好的連通性,將重點保護植物優先保護區進一步劃分為一級保護區和二級保護區,大部分的二級保護區分布于一級保護區的外圍,類似于目前自然保護區中的核心區、緩沖區,因此一級保護區內的保護要求應嚴于二級保護區,以禁止進一步開發利用為主。

4.2 重點保護植物優先保護區用地現狀

將研究所得的重點保護植物優先保護區與廈門市現有自然保護地建設情況、廈門市生態功能區規劃(1998—2030年)、廈門市土地利用規劃(2006—2020年)和廈門市城市總體規劃(2011—2020年)對比,探究優先保護區的生態空間保護利用情況。

(1)廈門島外西部、北部的優先保護區得到較好保護。廈門市的森林生態系統主要集中分布于島外的西部、北部、東部地區,共同特點為開發利用強度較低。其中,西部、北部的優先保護區屬西北部低山丘陵水土保持與生態林生態功能區與西部低山丘陵水土保持與生態林生態功能小區范疇,包括了小坪森林公園-蓮花國家森林公園,該區域生物多樣性得到較好保護,以生態保育為主要發展方向。

(2)海岸帶區域的優先保護區被大量占用。快速城市化進程導致有限的土地資源難以承受人口快速增長帶來的壓力,促使人類不斷地將生態空間轉為城鎮空間。廈門島外的西南部及東南部、島內的東部及南部海岸帶的優先保護區均被開發為居住用地、商業服務用地、物流倉儲用地和區域交通建設用地等,適宜植物生長的棲息地被建設用地所占用,導致廈門東西海域水質下降,陸地和海洋的生物多樣性下降明顯,但在目前的自然保護地建設中將海岸帶優先保護區劃入其中的僅有五緣灣栗喉蜂虎自然保護區和五緣灣濕地公園,總體看來海岸帶區域的優先保護區保護空缺較大。

(3)廈門島外東南部部分優先保護區雖然未被占用,但規劃中屬發展備用地,生態保護不足。相對島內而言,島外東南部的優先保護區生態空間占用程度較低,留有部分空間作為發展備用地,為城市未來的發展建設預留彈性。該區域主要為濕地及農田生態系統,具有較高的生態系統服務價值,但由于屬發展備用地,未來優先保護區面積可能進一步減少,區域生物多樣性受到威脅。

4.3 沿海灣區城市生態空間保護規劃對比

中國海岸帶由北向南跨越了40個緯度,自東向西跨越了20個經度,包括了粵港澳大灣區、北部灣區、環渤海灣區、環杭州灣四大灣區。國內外學者已經在不同區域尺度上開展了生態空間規劃及生物多樣性保護優先區域識別工作,其中深圳市土地利用總體規劃(2006—2020)將大部分海岸帶區域劃為限制建設區和禁止建設區,上海市生態空間專項規劃(2018—2035)將長江口大部分沿海區域視為一類、二類生態空間,在各灣區城市中海岸帶區域都具有優先保護性。對比廈門市目前的土地利用規劃(2006—2020),海岸帶區域保護力度較弱,適宜植物生長的理論優先保護區均未受到保護,在未來的生物多樣性保護規劃中應予以重視。

5 結論

生物多樣性保護優先區識別是目前國內外研究的熱點問題,但目前針對海灣型城市植物生物多樣性保護優先區識別的研究較少。本文識別廈門市重點保護植物的理論空間優先保護格局,探究優先保護區的生態空間保護利用現狀。研究結果表明本地重點保護植物分布受海拔影響最大,大部分物種的適宜分布生境集中于海岸帶地區。海岸帶地區的理論優先保護區被建設用地大量占用,少部分優先保護區雖未占用,但生態保護不足,存在較大的生態空間保護空缺,而西部山地地區的優先保護區得到較好的保護。為避免優先保護區面積進一步減少,在未來的土地利用及生物多樣性保護規劃中,需重點關注海岸帶區域優先保護區的生態保護,提升海岸帶棲息地生境質量,將目前優先保護區內的發展備用地改劃為生態留白空間。對一級和二級優先保護區分別實施剛性和彈性的生態保育措施,在保護生物多樣性的同時,嚴控對海岸帶區域優先保護區的進一步開發利用,協調優先保護區內保護與開發利用間的關系,提升城市的生態安全。