生物多樣性保護優先區抽樣調查策略研究
——以武陵山地區為例

吉晟男,崔紹朋,鄧懷慶,李春旺,肖能文

1 中國環境科學研究院 國家環境保護區域生態過程與功能評估重點實驗室,北京 100012 2 山西農業大學 林學院,晉中 030801 3 貴州師范大學 生命科學學院,貴陽 550001 4 中國科學院動物研究所 動物生態與保護生物學院重點實驗室,北京 100101 5 中國科學院大學,北京 100049

我國是世界上生物多樣性最豐富的國家之一,目前已記錄物種110231種,其中高等植物37700余種,居世界第三位；脊椎動物4300多種(海洋魚類除外),近37%的物種為中國特有種[1- 2]。我國也是生物多樣性受威脅最嚴重的國家之一,受威脅物種比例達21.4%[1]。

面對生物多樣性保護嚴峻形勢,我國各級政府和相關部門采取了積極的應對措施[3- 4]。2010年,國家常務會議第126次會議審議并原則通過了《中國生物多樣性保護戰略與行動計劃(2011—2030年)》,將生物多樣性本底調查與觀測作為主要任務和優先行動[5- 6]。2015年,為貫徹落實該行動計劃,加強生物多樣性重點區域保護與監管,環境保護部(現生態環境部)核定生物多樣性保護優先區域邊界,確定了35個中國生物多樣性保護優先區(以下簡稱保護優先區),以推動實現國家生態保護工程戰略。2016年,保護優先區生物多樣性本底調查與評估示范項目啟動,在云南、四川、湖北、陜西、北京等地區選擇了部分縣域作為試點調查,為期二年。2019年,武陵山、太行山、橫斷山南段等保護優先區的調查工作全面展開,以10 km × 10 km面積的網格(以下簡稱網格)為調查單元,旨在摸清本底、掌握變化、明確威脅和評估保護成效,從而提出針對性保護對策建議,有效推動生物多樣性保護和管理工作。

保護優先區面積大且涉及縣域數量多,如武陵山生物多樣性保護優先區(以下簡稱武陵山區)總面積68549 km2,涉及5個省(直轄市)的44個縣域(圖1),重點網格686個。由于項目經費、調查強度、工作時間等有限,對每個縣域和網格進行全面調查并不現實也無必要。因而,為使調查和評估更有針對性,項目前期對抽樣技術的頂層設計至關重要[7- 8]。一般來說,抽樣方法主要包括簡單隨機抽樣、分層抽樣、系統抽樣和聚類抽樣四種,實踐中往往不同抽樣方法分階段結合使用[7, 9]。文獻回顧發現,目前并無針對保護優先區抽樣策略的相關研究報道,這勢必會影響我國生物多樣性保護工作的實施。

本研究以武陵山區為研究對象,在項目正式開始調查前,對武陵山區生物多樣性現狀進行預評,旨在提出一套科學可行的抽樣策略,進一步完善保護優先區生物多樣性基礎調查系統,強化項目管理能力。本研究首先甄選代表性指標,采用層次聚類方法對武陵山區縣域進行分類,結合當地可供比較的本底資料的系統性和完整性,挑選出重點調查縣域。針對每個調查縣域,將網格與保護區數據圖層疊加,挑選出保護區內的網格作為生物多樣性富集網格,依據系統抽樣原則等間隔抽取保護區外的網格作為人類干擾網格,兩類網格共同組成重點調查網格,便于后續數據對比和分析。

1 研究區域概況

武陵山區位于湖北、湖南、重慶、四川和貴州五省交界處(106°56′—111°49′E, 27°10′—31°28′N,圖1),屬于云貴高原的東部延伸地帶,是我國西南高山高原向東南低山丘陵及長江中下游平原的過渡地區,由一系列北東向平行褶皺山地組成。平均海拔約1000 m,主峰為貴州東北部的梵凈山最高峰鳳凰山,海拔2572 m。武陵山區具有明顯的中亞熱帶季風山地濕潤氣候特征,屬于亞熱帶向暖溫帶過渡類型,熱量充足,降水充沛,是烏江、沅江、澧水的分水嶺,水系發育成熟[10]。立體型的地貌結構和氣候布局,為動植物的生存提供了豐富多樣的生活環境,作為西南生態安全屏障,武陵山區是我國生物多樣性最豐富的地區之一[10- 13]。同時,武陵山區位于我國西南山地邊緣,也是全球重要的生物多樣性熱點地區[14]。在古地質地理背景下,本區受第四紀冰川寒流的影響較小,是眾多生物類群的南北遷移通道及古老孑遺物種的庇護所[15]。

圖1 武陵山生物多樣性保護優先區行政區劃Fig.1 The administrative division in Wuling Mountains conservation priority area

武陵山區生物多樣性研究報道較多,并且大部分為基礎調查研究。其中大范圍系統性的生物多樣性調查工作主要有兩次。第一次在1988—1990年間,中國科學院組織來自13個研究所的500余位科學工作者對武陵山區進行了生物資源的全面調查和評價,并且作為“七五”重大項目研究成果,出版了《西南武陵山地區動物資源和評價》《西南武陵山地區無脊椎動物》《西南武陵山地區昆蟲》《武陵山地區維管植物檢索表》等多本專著[10- 13]。2014年7月,國家科技基礎性工作專項“武陵山生物多樣性綜合考察”項目啟動,主要對武陵山區域的動植物多樣性開展連續5年的全面野外考察,并對區域內的資源現狀進行評估,但目前尚未有結果發布。

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

為保證數據質量和可比性,同時由于前期工作時間有限,本研究并沒有收集現有的生物多樣性和社會經濟零散資料,而是嚴謹地選取一些被廣泛認可的代表性數據庫,以建立統一的分析框架。這些數據庫都執行了嚴格的數據收集工作,并對信息源進行了質量控制,適合對項目區域現狀進行初步判斷。

動物方面,選擇Jenkins等在2013年建立的哺乳類、鳥類和兩棲類物種多樣性分布數據庫[16],分辨率10 km,同時又下載了Roll等在2017年建立的爬行動物矢量分布數據集[17],最終形成陸生脊椎動物數據庫。植物方面,選擇Xu等在2016年建立的中國維管束植物豐富度縣級分布數據集[18],該成果能很好地滿足項目需求。生態系統方面,下載中國1∶100萬植被類型空間分布數據,此圖集是研究國家自然資源和地理特征必不可少的科學資料和重要依據[19- 20]。人類活動強度方面,本研究選擇Venter等在2016年建立的人類足跡數據庫[21],分辨率1 km,該數據庫整合了人口居住地、土地利用類型、道路網絡、基礎設施建設等8個基本圖層,可以代表人類活動的總體強度。本文所用行政邊界矢量數據來自國家基礎地理信息中心1∶100萬全國基礎地理數據庫。

依據所獲數據,最終確定五個抽樣指標：動物豐富度、植物豐富度、物種受威脅程度、生態系統多樣性、人類活動強度(表1)。

表1 武陵山生物多樣性保護優先區聚類抽樣指標

2.2 層次聚類與縣域抽樣

層次聚類又稱樹聚類,是實際應用最為廣泛的聚類算法之一[22]。基于數據聯接規則,該方法反復將數據進行分裂和聚合,以形成一個層次序列的聚類問題解,算法快速直觀,能有效進行數據劃分或分組處理[22- 25]。

對于所獲數據,利用ArcGIS 9.3進行投影變換、裁剪、空間疊加和提取,分別得到武陵山區不同指標圖層,計算平均值并賦值給44個不同縣域。使用SAS 9.1執行層次聚類統計分析,依據半偏決定系數(semi-partialR-squared,SPRSQ)統計量,并結合人類活動強度和生物多樣性豐富程度,確定合適分類數量。

依據武陵山區歷史綜合科學考察資料[10- 13]確定歷史調查地點,即生物多樣性本底資料系統且完整地區。為了在項目后期深入對比分析生物多樣性的歷史與現狀,重點考慮這些地區,同時衡量縣域抽樣空間分布的均勻性和經費成本,對所有縣域進行層次聚類后,每類挑選2個作為重點調查縣域。

2.3 系統抽樣與網格抽樣

系統抽樣又稱等距抽樣,一般采用簡單隨機抽樣抽取第一個樣本單元,然后依據一定的抽樣距離抽取其他樣本單元。該方法簡單機械,能很大程度避免主觀選擇偏好的影響,是常見的生物多樣性調查項目抽樣方法[7, 9, 26]。

針對挑選出的重點調查縣域,為了便于在項目調查完成后對比分析保護現狀與成效,依據自然保護區分布情況,將縣域內的網格分為兩類,即生物多樣性富集網格和人類干擾網格。利用Arc GIS軟件將網格圖層與自然保護區圖層進行空間疊加,挑選出有保護區分布的網格作為生物多樣性富集類型網格。武陵山區自然保護區數據源自生態環境部2017年發布的《全國自然保護區名錄》。依據系統抽樣原則,間隔1—2個網格進一步抽取位于保護區外的網格作為人類干擾網格。確保兩類網格數量近似相等,最終挑選出的所有網格作為項目重點調查網格。根據武陵山區項目總體預算,計算分析植物、獸類、鳥類、兩爬、昆蟲、真菌等類群的單元網格經費分配情況。

3 結果與分析

3.1 縣域聚類

對44個縣域進行層次聚類分析結果表明,武陵山區應分為5類區域(圖2),每類可簡要概括為：第Ⅰ類,人類活動強度劇烈,植物豐富度較低,但動物豐富度高；第Ⅱ類,人類活動強度較高,動植物豐富度也較高；第Ⅲ類,人類活動強度中等,動植物豐富度較高,但受威脅物種種類少；第Ⅳ類,人類活動強度中等,植物豐富度高,但動物豐富度低；第Ⅴ類,人類活動強度低,受威脅物種種類多。

圖2 武陵山生物多樣性保護優先區縣域層次聚類Fig.2 Hierarchical clustering of counties in Wuling Mountains conservation priority areaWC: 務川縣，LF: 來鳳縣，SN: 思南縣，YH: 沿河縣，DJ: 德江縣，XS: 秀山縣，QY: 酉陽縣，XU: 習水縣，WL: 武隆縣，DZ: 道真縣，YJ: 印江縣，TZ: 桐梓縣，SY: 綏陽縣，QJ: 黔江區，LS: 龍山縣，ZA: 正安縣，BJ: 保靖縣，RL: 沅陵縣，JJ: 江津區，HF: 鶴峰縣，CY: 長陽縣，WF: 五峰縣，TY: 桃源縣，HJ: 合江縣，GL: 古藺縣，XY: 敘永縣，CS: 赤水市，XE: 宣恩縣，YS: 永順縣，SM: 石門縣，SZ: 桑植縣，JK: 江口縣，GZ: 古丈縣，ES: 恩施市，CL: 慈利縣，ST: 松桃縣，ZJ: 張家界，PS: 彭水縣，XF: 咸豐縣，JS: 建始縣，SU: 石柱縣，LC: 利川市，NC: 南川區，BD: 巴東縣

3.2 重點縣域挑選

文獻回顧發現,歷史上武陵山區綜合科學考察地點主要分為兩部分：南部主要位于江口縣梵凈山地區,北部主要位于桑植縣八大公山周圍及張家界地區(圖3)。綜合考慮層次聚類結果(圖2)和時間維度上的可對比性,在上述范圍內本文挑選了6個縣域,同時在系統性本底資料相對缺乏區域選擇了4個縣域,最終挑選出10個重點調查縣域,分屬5類區域：務川縣&來鳳縣(第Ⅰ類)、習水縣&印江縣(第Ⅱ類)、南川區&張家界市轄區(第Ⅲ類)、桑植縣&江口縣(第Ⅳ類)、鶴峰縣&赤水縣(第Ⅴ類)。

3.3 重點調查網格

依據空間疊加識別和系統抽樣,本研究共獲得76個重點調查網格,其中生物多樣性富集網格36個,保護區外的人類干擾網格40個,兩類網格數量比例接近1∶1,抽樣面積占武陵山區總面積的11.09%。以湖南地區鶴峰縣為例(圖4),該地區共包括9個重點調查網格,其中位于有木林子國家級自然保護區分布的有5個,其余4個位于保護區外,間隔1—2個網格,均勻分布在鶴峰縣南部。

圖3 武陵山生物多樣性保護優先區重點調查縣域分布Fig.3 Key research counties in Wuling Mountains conservation priority area

圖4 武陵山生物多樣性保護優先區鶴峰縣重點調查網格Fig.4 Key research grids in Hefeng County of Wuling Mountains conservation priority area

經費分配上,植物、獸類、鳥類、兩爬、昆蟲、真菌六大類群的總經費為1151萬元(表2),對于依據本研究抽取的76個網格,每個網格所有類群總經費15.15萬元,每個類群平均經費為2.52萬元。不同類群的網格平均經費并不相同,其中植物最高,為4.68萬元,其次獸類為2.91萬元,鳥類、兩爬和昆蟲相等,均為1.95萬元,真菌平均經費最低,為1.71萬元。

4 討論與結論

4.1 討論

為了使樣本能夠更好地代表總體,抽樣設計應盡可能避免盲目和主觀隨意[9, 27- 30]。不同于常規普查項目,在保護優先區開展的生物多樣性項目應調查與評估并重,物種或類群受威脅狀態評估亦是重要目標。如果僅在數據獲得性強的生物多樣性豐富地區進行調查,無疑會大大削弱調查數據的有效評估能力。因此,保護優先區抽樣策略需兼顧科學性和代表性原則,區分調查層次并突出重點區域,同時應特別注意數據的可對比性,比如時間維度上與歷史數據的對比,空間維度上保護區內外生物多樣性本底的對比,這將直接關系到項目結果的客觀與可靠程度。本研究提出聚類抽樣和系統抽樣相結合的抽樣策略,同時考慮了歷史調查資料的系統完整程度和空間保護屬性,將是否進行過系統的科學考察以及是否在保護區內作為分類和挑選標準,有利于在調查完成后對比分析生物多樣性時空變化和保護成效,更有助于制定“一類一策”的管理措施[29],提高項目針對性和有效性。

表2 武陵山生物多樣性保護優先區主要類群項目經費分配/萬元

本研究最終挑選出76個調查網格,抽樣面積比例為11.09%,需要注意的是,本研究的抽樣結果是作為武陵山區項目必須完成的最低工作量,屬于項目質控的必然要求,調查團隊可根據調查對象、工作基礎、區域特點等進行靈活補充,可依據實際情況提高抽樣比例。此外,本研究抽樣比例也受限于項目經費和調查強度。以獸類為例,每個調查網格的平均經費為2.91萬元,調查要求每個網格中樣線數量不少于2條且樣線總長度不少于6 km,布設紅外相機不少于5臺,布設調查嚙齒類等小型獸類的樣方(100 m × 100 m)不少于2個,同時一般應在春夏或秋冬季各進行1次調查。對于一個10 km × 10 km網格來說,調查經費顯然并不寬松。

本研究并未按照生境類型分層抽樣[7, 27],主要有兩個原因：一方面,抽樣必須要考慮空間尺度問題,武陵山區生境復雜,盡管對于抽樣單元大小和形狀目前尚有爭論[7,31],但項目要求以10 km × 10 km網格為調查單元,所有調查數據也需按照網格編號使用手機APP即時上傳至云端,但每個100 km2面積的網格包含了多種不同生境類型,基本很難找出僅包含一種生境的網格,所以無法按照生境類型區分網格。另一方面,不同類群對生境類型劃分要求是不同的,植物調查要盡可能細化,獸類、鳥類等類群比較粗放,很難統一。在網格中布設樣線、樣方、樣點等進行實地調查時,即在微生境尺度,必須要考慮生境問題,應兼顧不同植被類型和海拔段[7, 9, 29]。每個網格生境類型多樣,可以滿足不同類群的調查需求。如果按照生境類型抽樣,則可能需要縮小調查單元面積,比如縮小至2 km× 2 km,數據匯總提交格式也要相應調整。

目前,武陵山、京津冀太行山、橫斷山南段等保護優先區調查對象均分為高等植物、獸類、鳥類、兩爬、昆蟲、真菌等,不同類群具有不同的特性和空間變異性,本文提出的抽樣策略對于類群特異性抽樣設計具有一定的參考價值。與簡單隨機抽樣相比,分層抽樣可以更好的反映目標區域特征,進而減少空間誤差[32]。此外,應結合類群特性和實際情況,在分層抽樣的基礎上,進一步搭配系統抽樣等其他相關抽樣方法[7]。總體上,抽樣方案應該滿足以下標準：首先,整體設計邏輯清晰,方法科學實用,易被不同人群所理解接受,具有可操作性,劃定明確且有代表性的抽樣區,能真實反映保護優先區生物多樣性現狀；其次,突出數據的可對比性,調查結果要滿足后續評估需要,可揭示有意義的保護和管理成效；最后,強調抽樣效率,應充分利用和整合現有科考成果,考慮人力、經費等實際限制條件,抽樣強度合理現實,保證抽樣結果是能完成的。項目執行過程中應對本區域的抽樣方案進行評估,向項目管理組報告在實際工作中發現的問題,進一步完善抽樣設計,最終形成一套保護優先區標準化抽樣方案。

項目頂層設計和管理是保護優先區生物多樣性調查評估的重要環節[30- 33],需結合項目目標和預期成果,明確調查區域,提出具有指示意義的、科學可行的分析框架,同時應重視累積的基礎數據的深入討論,為揭示管理措施與保護成效之間的關系提供有力支撐。目前,隨著生物多樣性保護重大工程的全面開展,保護優先區區域尺度的抽樣方案是一個亟需解決的科學問題。本研究提出的抽樣策略進一步完善了保護優先區生物多樣性基礎調查系統,強化了項目管理能力,能為未來其他保護優先區調查評估項目的開展提供一定的科學參考與借鑒。

4.2 結論

生物多樣性是人類賴以生存和發展的基礎,關乎全球生命共同體,關系人類福祉,也是衡量一個國家和民族文明程度的重要標志,而生物多樣性保護優先區是我國為加強生物多樣性保護和監管劃定的關鍵區域。抽樣方案設計是獲取生物多樣性有效調查數據的關鍵環節,本文以武陵山生物多樣性保護優先區為例,基于層次聚類和系統抽樣方法,綜合考慮歷史調查資料的系統完整程度和空間保護屬性,提出了一個科學可行的區域尺度的抽樣方案。武陵山區范圍內的縣域可以分為5類,每類挑選出2個重點縣域,包括6個歷史上進行過系統科學考察的縣域和4個本底資料相對缺乏的縣域,最終進一步獲得76個代表性重點調查網格,其中生物多樣性富集網格36個,保護區外的人類干擾網格40個,抽樣比例為11.09%,每個網格平均調查經費為2.52萬元。該抽樣策略解決了保護優先區區域尺度的抽樣問題,進一步完善了生物多樣性基礎調查系統,能為未來其他保護優先區項目開展提供一定的科學參考與借鑒。