云南縣域生物多樣性指數空間連續化研究*

鄧忠堅，李曉娜，甘淑

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.西南林業大學 生物多樣性保護學院，云南 昆明 650224；3.西南林業大學 地理與生態旅游學院，云南 昆明 650224)

生物多樣性評價是通過構建評價指標體系，對區域內生物多樣性的水平和空間分布狀況進行客觀評估，是開展生物多樣性保護與管理工作的基礎[1]。1992年聯合國環境與發展大會簽署《生物多樣性公約》以來，中國對生物多樣性評價的研究逐步開展，對生物多樣性評價的方法、理論和實踐都取得了較大進展[2-6]。然而，由于經費和時間上的限制，中國生物多樣性調查與評估多以縣級行政區為基本單元，無法體現縣域內部由于不同地表覆蓋類型，不同地形地貌，不同人為干擾程度等自然或人為因素導致的生物多樣性在空間上的連續變化，極易導致一些局部生物多樣性較為豐富的區域淹沒于生物多樣性總體水平一般的縣域評價結果之中。所以，縣域級別的生物多樣性評估成果只能給人們提供區域生物多樣性分布格局粗略的總體認識，對生態紅線劃定、自然保護區規劃等對空間分辨率要求較高的生物多樣性保護工作的指導意義有限。

為獲得精細的連續化的生物多樣性分布格局數據，學者們對其形成機理、模擬方法進行了大量研究[7-11]。然而，多數研究針對較為有限的物種種類和空間范圍，根據抽樣觀測數據與環境背景數據之間的關聯關系，構建模型預測物種分布，進而探討研究區生物多樣性格局。但是，物種空間分布現狀的形成過程是物種與環境以及物種之間相互影響的極其復雜而微妙的過程，僅僅基于生物地理學或專家知識構建模型，往往由于忽略一些難以量化的生物過程而導致結果存在不確定性?？h域物種分布數據屬于統計型數據，可以彌補關于物種的非系統調查數據的不足，在此基礎上結合生態位理論、專家知識進一步將這一統計型數據空間連續化，是研究區域生物多樣性分布格局的創新方法。

云南省位于中國西南部，地處長江、珠江、瀾滄江、怒江、紅河等中國和東亞陸地國家主要河流的上游，是中國生物多樣性的天然寶庫和資源基地，是世界十大生物多樣性熱點地區之一的東喜馬拉雅地區的核心區域[12]。2009年，云南省組織完成了縣級行政區的生物多樣性狀況評估，首次從宏觀角度向人們展示了全省生物多樣性的空間分布格局；然而，縣域尺度的生物多樣性格局的成果，對支持進一步的科學研究或管理決策仍顯不足。隨著經濟高速發展，城鎮化和工業化進程加快，云南省生物多樣性受到的威脅也不斷增加，物種瀕危程度加劇，遺傳資源流失，生態系統功能退化，生物多樣性總體下降的趨勢尚未得到根本扭轉[13]。因此，本研究基于生態系統生物多樣性當量和人類足跡指數，提出一種將統計型的縣域生物多樣性指數量化為空間連續化的分布格局的方法，并將生物多樣性指數模擬到1 km柵格單元的水平，以線性模型簡化指數空間連續化模擬過程等方法研究云南省生物多樣性空間連續化分布格局，對于加深和細化區域生物多樣性分布格局的認識，指導生物多樣性保護和管理工作具有十分重要的意義。

1 研究方法

1.1 數據來源

生物多樣性數據來源于《云南省生物多樣性調查與評估報告(2009)》[14]，主要使用報告中的縣域生物多樣性指數(BI)值統計表數據。該數據基于6大類評價指標，參照原國家環保部發布的中華人民共和國國家環境保護行業標準——《區域生物多樣性評價標準》(HJ 623—2011)[15]計算得到。6大類評價指標分別是物種豐富度統計值(含縣域動物、植物物種數量)、生態系統多樣性統計值(含縣域生態系統植被群系數量)、植被垂直層譜完整性統計值(含縣域植被垂直層譜數)、物種特有性統計值(含縣域動物、植物中國或云南特有種數量)和外來入侵物種種數。

生態系統類型數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)，該數據基于遙感解譯獲取的1︰10×104比例尺土地利用/土地覆蓋數據，劃分為7大生態系統類型：農田生態系統、森林生態系統、草地生態系統、水體與濕地生態系統、荒漠生態系統、聚落生態系統和其它生態系統，數據空間分辨率1 km，現勢性為2010年。

人類足跡指數數據來源于美國國家宇航局(NASA)的社會經濟數據和應用中心(https://sedac.ciesin.columbia.edu/data/set/wildareas-v3-2009-human-footprint)。該數據綜合了建筑環境、人口密度、電力基礎設施、農田、牧場、道路、鐵路和通航水道等8個變量來度量人類活動對環境的壓力，數據值被標準化為1至50，數值越高人類活動強度越大。數據空間分辨率1 km，現勢性為2009年。

1.2 生物多樣性功能當量的確定

影響生物多樣性水平的因素眾多而復雜，難以用一個簡單函數表達不同區域、不同生態系統生物多樣性絕對值的高低，但研究表明，景觀特征與生物多樣性水平緊密相關[16]，生物多樣性水平與生態系統服務的水平和質量具有正相關關系[17]。謝高地等[18]認為不同的生態系統單位面積的生態系統服務價值與生物多樣性緊密相關，并基于生物量結合專家經驗，構建不同類型生態系統生物多樣性基礎價值當量。該研究確定的生物多樣性基礎價值當量，表征的是不同生態系統之間生物多樣性的相對價值量，因而在不同地區均具有適用性。本研究借鑒該研究成果，農田、森林、草地、水體與濕地、荒漠、聚落和其他生態系統的生物多樣性功能當量分別為0.2、2.55、1.37、1.57、0.9、0.05和0.18。

1.3 各生態系統生物多樣性指數值的計算

將縣域生物多樣性指數總值視為縣域面積與縣域生物多樣性指數值的乘積。根據不同生態系統的生物多樣性功能當量和面積，在維持縣域生物多樣性指數總值不變前提下，將縣域的統計型生物多樣指數值展布到不同的地表覆蓋類型中，計算公式為：

BIi=ai×N/∑(Si×S×ai)

①

式中：BIi為生態系統i的生物多樣性指數值，N為該生態系統所在縣域生物多樣性指數值，Si為縣域內第i個生態系統的面積，S為縣域總面積，ai為第i個生態系統的生物多樣性功能當量。計算過程基于Arcgis Engine 10.5，利用其空間代數運算功能，通過編程實現。各縣、各生態系統生物多樣性值一起構成全省基于生態系統類型的生物多樣性指數(BI)圖層。

1.4 人類活動干擾下的生物多樣性指數計算

人為干擾是生物多樣性退化的重要原因之一[19-22]。人類修建道路、改變土地利用類型等行為，對生物多樣性的影響存在一個“最遠影響距離”，即在某一個距離上兩者存在著均衡，在該距離以內，負面干擾強度越大，生物多樣性降低越明顯[24-25]，而在該距離以外，人類活動強度越小，生物多樣性提高越明顯。

借鑒趙國松等[26]，包玉斌等[27]、韓會慶等[28]和劉智方等[29]關于交通、工礦、居住地等對生物多樣性影響的最遠距離及距離遞減率的研究，結合專家咨詢，確定以居住地10 km、工礦用地6 km、道路5 km，農田3 km為人類影響的最遠距離。在人類足跡指數圖層中，求取該距離上的人類足跡指數值，平均值為14。本研究認為，人類足跡指數高于14的區域，生物多樣性受人類活動負面影響，呈現線性下降趨勢，最強人為活動影響處的生物多樣性指數降低50%；人類足跡指數低于14的區域，生物多樣性指數則呈線性上升趨勢，最低人為活動影響處的生物多樣性指數提高50%。對人類足跡指數與生物多樣性降低或升高值進行線性擬合，得到生物多樣性指數降低和升高的公式分別如②和③所示。

Pd=0.013 9×M-0.194 4

②

Pa=-0.0357×M+0.5

③

式中：Pd為生物多樣性指數降低的比例，Pa為生物多樣性指數升高的比例，M為人類足跡指數值。

據此，全省基于生態系統類型的生物多樣性指數(BI)圖層與人類足跡指數圖層代數運算,即可得到受人為活動干擾下的連續化的生物多樣性指數(BIC)圖層，運算公式分別如④和⑤。

BIC=BI×(1-Pd)

④

BIC=BI×(1+Pa)

⑤

式中：BIC為生物多樣性指數降低或增長后的生物多樣性指數值。

2 結果與分析

2.1 空間連續化的生物多樣性分布格局

基于生物多樣性當量和人類足跡指數的生物多樣性展布計算方法，對云南省縣域生物多樣性指數進行計算，得到空間連續化的云南省生物多樣性分布格局。用自然斷點分類，將指數劃分為4級，數值越大代表生物多樣性水平越高，各級取值和生物多樣性等級為：2～25表示低；26～59表示一般；60～96表示中；97～166表示高(圖1)。

圖1 云南生物多樣性空間連續化分布格局

生物多樣性等級低、中、一般和高的區域面積分別占云南省國土面積的20.20%、29.32%、33.80%、16.68%。根據高生物多樣性等級區的面積占所在縣域的國土面積的比例降序排序，比例較高的縣區主要位于滇西北(貢山縣、香格里拉市、德欽縣、玉龍縣)、滇西(騰沖市、盈江縣)和滇南(景洪市、勐臘縣、勐?？h)以及中部的景東縣。前10縣區內的高生物多樣性等級區域面積之和占了全省高等生物多樣性等級區域總面積的62.74%，可見生物多樣性豐富的地區相對集中分布于滇西北、滇西和滇南的沿邊地帶以及中部的景東縣，見表1。

表1 高/低生物多樣性等級區占縣區國土面積比例

根據低生物多樣性等級區的面積占所在縣域的國土面積的比例降序排序，比例較高的縣區主要位于滇東北(昭陽區、鎮雄縣)、滇東(羅平縣)、滇西(隴川縣、云縣)、滇中(呈貢區、官渡區、沾益區)和滇南(文山市、硯山縣)。前10縣區內的低生物多樣性等級區域面積之和僅僅占全省低等生物多樣性等級區域總面積的2.21%，可見云南省的低生物多樣性區域廣泛分布于除滇西北以外的非沿邊區域。

2.2 對縣域分布格局的改進

將本研究結果的高生物多樣性等級區域(圖2)與基于縣域生物多樣性評價的高生物多樣性等級區域(圖3)進行對比，兩者總體格局類似，但空間連續化格局中的高生物多樣性等級區更為精細地識別出了永善縣、盈江縣、隆陽區、龍陵縣、芒市、永德縣、耿馬縣、瀾滄縣、河口縣、屏邊縣內的大片高生物多樣性等級區域(圖2)，而這些縣市在縣域生物多樣性評估中僅僅被評為“中”等級，因此空間連續化的生物多樣性指數格局能更精細表達云南省生物多樣性富集區的空間分布，使一些原本淹沒于較低等級的縣域生物多樣性評估結果中的富集區得以展露。

圖2 空間連續化格局中的高生物多樣性等級區

將本研究結果的低生物多樣性等級區域(圖4)與基于縣域生物多樣性評價的低生物多樣性等級區域(圖5)進行對比，兩者總體格局差異極大。縣域生物多樣性評價中，僅有滇東及滇中的沾益區、麒麟區、馬龍區、富源縣、陸良縣和華寧縣(圖5)。而在空間連續化的生物多樣性指數格局中，低生物多樣性區域，除了滇東、滇中的工業較為集中區有分布外，滇西、滇南、滇東南由于農業、交通、工礦以及城鎮等人類活動干擾點多面廣，整個生物多樣性格局呈支離破碎的態勢。

圖4 空間連續化格局中的低生物多樣性等級區

圖5 縣域生物多樣性評估中的低生物多樣性等級區

2.3 與原劃定保護優先區對比研究

將《云南省生物多樣性保護戰略與行動計劃(2012—2030年)》劃定的云南生物多樣性保護優先區與本研究結果的高生物多樣性等級區域疊加分析(圖6)，結果顯示：本研究所識別的高生物多樣性區域，有68.9%位于劃定的保護優先區范圍內，而僅有38.9%的保護優先區(其內存在大量的農地、集鎮等區域)位于本研究結果劃定的高生物多樣性區域內。說明本研究結果將生物多樣性指數落到山頭地塊，精度較高。

圖6 高生物多樣性等級區與保護優先區

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 前人相關研究對比

楊宇明等[30]較早對云南生物多樣性的景觀多樣性格局進行了系統研究，李昊民等[6]在楊宇明等研究的基礎上，進一步把云南省物種多樣性整體分布格局總結為“C .”格局，其中“C帶”指云南省邊境線分布的半環狀生物多樣性富集帶，從“C帶”向內生物多樣性呈遞減趨勢，而“一點”指無量山和哀牢山地區這個孤立多樣性富集區。本研究結果與李昊民等發現的格局大體一致，且將該格局首次量化到每個柵格單元。

王艷霞等[31]利用地形和水熱指標研究了云南省生物富集區分布格局，其評估的格局亦與李昊民等[6]發現的格局一致，但更細致地量化了高黎貢山、怒山、云嶺等高大山體以及怒江、瀾滄江、金沙江等大的江河流域中干熱河谷區生物多樣性變化；但因為沒有考慮人為干擾因素，這種由于地形及水熱條件導致的生物多樣性變化被簡化了，僅僅表現干熱河谷地帶生物多樣性降低。實際上除了河谷地帶，河流兩岸附近地勢稍微平坦、水熱條件較好的區域(如高黎貢山東坡的怒江州保山市內的河谷地帶、元江上游元江縣城所在河谷地帶)，大多已經被開發為農業種植區，強烈的人為干擾已經使得這些區域的生物多樣性急劇降低。相比之下本研究結果所量化的生物多樣性連續變化格局則更為細致地體現了這些變化。

3.1.2 低生物多樣性等級區分布格局的新認識

在縣域生物多樣性評估中，低生物多樣性等級區(圖5)集中分布于曲靖市麒麟區及其周邊幾個縣區，占全省國土面積比例不高，全省生物多樣性中等及高的區域面積廣闊且連片分布，這容易給人造成生物多樣性虛假安全的錯覺。從本研究的低生物多樣性等級區分布格局(圖4)可見，隨著經濟社會發展，云南的生物多樣性面臨巨大的人類活動干擾壓力，低生物多樣性等級區在傳統工業、農業較為發達的東部地區較為集中外，在西部、南部也存在大面積連片區域。這與《云南生物多樣性保護戰略與行動計劃(2012—2030年)》[13]這一政府戰略性文件中，對云南省生物多樣性的“豐富性、特有性、脆弱性”三大特點并存的概括相一致，而本研究所展示的高、低生物多樣性等級區交錯分布的格局，更從空間上直觀展現了這一豐富性與脆弱性的并存的特點。

3.1.3 云南生物多樣性保護優先區尚需優化

2013年，云南省生物多樣性保護聯席會議組織編制《云南省生物多樣性保護戰略與行動計劃(2012—2030年)》，結合云南生態系統類型的典型性、特有程度、特殊生態功能以及物種的豐富程度、珍稀瀕危程度、受威脅因子、經濟用途、科學研究價值等因素，劃定了生物多樣性保護的6個優先區域，總面積約95 000 km2。將劃定的云南生物多樣性保護優先區與本研究結果的高生物多樣性等級區域疊加分析(圖6)顯示：本研究所識別的高生物多樣性區域，有68.9%位于劃定的保護優先區范圍內，而僅有38.9%的保護優先區位于本研究結果劃定的高生物多樣性區域內。以目視判讀高分辨率衛星影像并比對土地利用類型數據，發現生物多樣性保護優先區的劃定以盡量集中連片為原則，其內尚存在大量的人類活動強度大的農地、集鎮等區域，而本研究結果將生物多樣性指數落到山頭地塊，精度較高。因此，類似的地塊不會被識別為高生物多樣性區域?？梢姡壳皠澏ǖ纳锒鄻有员Ｗo優先區內部尚需細化，外部部分高生物多樣性區域則尚待納入，而本研究成果提供了優化的數據參考。

3.2 結論

基于生態系統生物多樣性當量和人類足跡指數，提出了一種將統計型的縣域生物多樣性指數量化為空間連續化的分布格局的方法。以云南為研究區，實現了縣域生物多樣性指數的連續化模擬，獲取了宏觀區域尺度的生物多樣性分布場。與其他學者研究成果相對比，本研究結果所展現的生物多樣性分布格局總體上與楊宇明等[30]、李昊民等[6]、王艷霞等[31]學者研究結果一致，但在局部區域更細致表達了生物多樣性指數的變化。

本文研究結果將生物多樣性指數模擬到了1 km柵格單元的水平，為更精細認識云南省的生物多樣性分布格局提供了可能，為缺乏系統野外調查、缺乏可靠生物學信息，僅有統計數據的區域，快速實現空間連續化的生物多樣性分布模擬提供了可供借鑒的方法，研究結果可以與利用遙感等手段獲取的連續化環境場數據相結合，為進一步研究生物多樣性的形成及維持機制等問題提供必要的技術支持。

在人為干擾影響場的作用下，生物多樣性指數的變化機制是個十分復雜的問題，目前尚無得到廣泛驗證的可量化的模型描述這一過程。在進行生物多樣性指數空間連續化模擬時，本研究以線性模型簡化了該過程?？紤]到人為干擾對生物多樣性的影響的重要性，下一步將研究更精確的生物多樣性人為干擾模型，并將其應用于空間連續化的生物多樣性分布模擬，將能極大提高模擬的精度，進而為實現通過監測人為活動的變化、動態監測生物多樣性指數變化提供可能。