基于目標對照樣本的自然保護地保護成效評估：以梵凈山冷杉群落為例

王志學，劉方正，李海波，杜金鴻，李維東，王 偉*

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.中國環境科學研究院生物多樣性研究中心，北京 100012

3.貴州梵凈山國家級自然保護區管理局，貴州 江口 554400

自然保護地是由各級政府依法劃定或確認，對重要的自然生態系統、自然遺跡、自然景觀及其所承載的自然資源、生態功能和文化價值實施長期保護的陸域或海域[1].建立自然保護地是保護生物多樣性最直接、有效的方法[2-3].然而，盡管對于實現“愛知生物多樣性目標”(Aichi Biodiversity Targets)第11 條，即到2020 年保護至少17%的陸地和內陸水域以及至少10%的沿海和海洋區域這一全球目標方面已取得相當大的進展，但是全球生物多樣性仍在繼續下降[4-5].相較于快速增長的自然保護地數量，保護地內管理不力、制度不健全等問題的累積制約著其保護效果[6-7].因此，在保護地開展成效評估可以判斷其在多大程度上實現了當初設定的保護目標，及時發現問題并進行調整，以保證其保護的有效性[8-9].

自然保護地保護成效是用來表征自然保護地在保護主要保護對象、維持生物多樣性以及保障生態系統服務等方面的綜合效果[10].目前，關于自然保護地保護成效的研究已逐漸成為全球熱點問題之一，且已有研究表明自然保護地在保護一些重要的生態系統及重點物種等方面已取得一定成效[3,10-11].然而，過去在進行保護成效評估時，由于缺乏科學的評估標準，研究者往往只關注其相對變化情況[12-14]，忽視了保護目標的確定及現狀值與目標值之間的差異；此外，單純通過指標狀態及變化量大小來衡量保護成效可能會存在一定偏差，通過設定目標值，則能更準確地判斷保護的真實情況.近年來，為保證自然保護地成效評估的有效性，一些學者圍繞“基線”[15-17]、“閾值”、“理想參照系”[18]等問題展開研究，強調了在保護地內做評估時確定一套目標值的必要性；世界自然保護聯盟(International Union for Conservation of Nature,IUCN)、世界自然保護地委員會(World Commission of Protected Areas,WCPA)以及自然保護地相關領域的各國專家針對提升自然保護地的狀況和管理有效性制定出《IUCN 自然保護地綠色名錄全球標準》，提出要對各項評估指標設定一個閾值水平并進行評估，如果該閾值水平得以實現，則可以客觀地證實相關主要價值已得到成功保護；此外，關于自然保護地保護成效評估指標體系方面的研究也是國內外關注的熱點[18-20]，并在此基礎上提出反映自然保護地物種及生態系統趨勢的實地監測需求[21].但綜合來看，目前關于“閾值”或“理想參照系”的研究仍缺少具體實踐，在如何確定保護目標、選取合適的評估指標以及衡量當前狀態與目標值之間差異等方面相對不足.

為此，該研究在當前自然保護地保護成效評估現狀的基礎上，通過設定目標值對評估方法進行優化，提出一種基于目標對照樣本的自然保護地保護成效評估方法.為驗證該評估方法的可行性，以梵凈山國家級自然保護區核心區內的梵凈山冷杉群落樣地為示范進行案例研究，以梵凈山冷杉近熟群落樣地為評估試驗樣本，以相似生境因子背景下的梵凈山冷杉成熟群落樣地為目標對照樣本，通過比較兩個樣本下梵凈山冷杉的胸徑與重要值、生態位寬度及群落的物種多樣性指數等指標的年際變化及其差異，評估梵凈山保護區對梵凈山冷杉近熟群落樣地的保護成效.與通常將評估試驗樣本與空白對照樣本(即評估對象未受到保護的狀態)進行比較的評估方法相比，該研究方法可以進一步確定現狀值與理想狀態下的差距，以期為自然保護地保護成效評估在方法框架與指標選取等方面提供參考借鑒.

1 材料與方法

1.1 研究方法

該研究提出在評估前首先識別目標對照樣本并以此作為參照，通過比較評估試驗樣本現狀值與目標對照樣本目標值之間的差異，為掌握主要保護對象的狀態和變化趨勢提供參考依據.

該研究提出的自然保護地保護成效評估方法流程如圖1 所示.

樣本選取.在對自然保護地主要保護對象的評估試驗樣本進行保護成效評估前，首先通過匹配方法(matching)，在研究區域內找到與評估試驗樣本的各生境條件均相近的目標對照樣本，即該保護對象被保護到最好的一種理想狀態.

評估指標選取與分析.根據被評估樣本的特征選取合適的評估指標.基于選取的評估指標對兩個樣本分別進行評判，根據樣本自身特征選擇不同的趨勢分析方法和差異檢驗方法.

形成評估結果.通過對兩個樣本的分析，以目標對照樣本的各項指標為參照，對比評估試驗樣本與目標對照樣本之間的差異，從而判斷評估試驗樣本的保護成效.

1.2 案例研究

為驗證上述評估方法的可行性，以梵凈山國家級自然保護區核心區內的梵凈山冷杉群落樣地為示范進行案例研究.以梵凈山冷杉近熟群落樣地為評估試驗樣本，以相似生境因子背景下的梵凈山冷杉成熟群落樣地為目標對照樣本，選取梵凈山冷杉的平均胸徑與重要值、生態位寬度及群落的物種多樣性指數等指標作為表征保護成效的指標，通過2006?2011 年樣地的連續監測數據，比較評估試驗樣本與目標對照樣本的狀況、年際變化及其差異.

1.2.1 研究區域概況

梵凈山國家級自然保護區位于貴州省東北部的江口、松桃、印江3 縣交界處，地處云貴高原向湘西丘陵過渡的斜坡地帶上，地理位置為27°49′50″N～28°01′30″N、108°45′55″E～108°48′30″E.保護區總面積419 km2，東西寬21 km，南北長27 km，海拔高程在500～2 572 m 之間，高差大于2 000 m.以鳳凰山、金頂的峽谷地形為中心，四周分布著低中山、低山和丘陵[22].該地區屬于中亞熱帶季風濕潤氣候，溫潤多雨，年均氣溫變化范圍為6～17 ℃，年均降水量介于1 100～2 600 mm 之間[23]，且降雨一般集中在4?9 月，年均相對濕度在80%以上[24].保護區內植被分為自然植被和人工植被，全區森林覆蓋率達95%，主要的植被類型有常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、針葉林及針闊混交林[25].土壤類型多樣，且在垂直分布上具有明顯的規律性，即從下至上依次為山地黃紅壤、山地黃壤、山地黃棕壤、山地暗褐色矮林土、山地灌叢草甸土.其中，分布面積最大的為山地黃壤和山地黃棕壤，其次為山地黃紅壤，最少的為山地暗褐色矮林土和山地灌叢草甸土[26].梵凈山保護區內沖溝密布，水系呈典型的放射狀向四周分流.此外，區內物種資源十分豐富，擁有6 000 多種不同類型的動植物和100 多種特有物種[27]，是梵凈山冷杉在地球上的唯一棲息地，具有不可復制性和替代性.

1.2.2 樣本選取

為評估梵凈山保護區對天保樣地中處于近熟狀態的梵凈山冷杉群落樣地(評估試驗樣本)的保護成效，該研究首先選取成熟年齡結構的梵凈山冷杉群落樣地作為目標對照樣本.兩個樣地均位于保護區的核心區，且海拔高度、坡度、坡向及土壤類型等生境因子相近(見表1).樣地面積為20 m × 20 m，其水平邊沿等高線設置，周圍設防護帶，四角埋水泥樁，便于長期定位.兩個樣地均被劃分成16 個5 m × 5 m 的樣方，并在每個交叉點埋入30 cm 左右高的木棍，木棍上涂紅油漆作標記，便于今后調查.在樣地界線外，對胸徑大于5 cm 的樹木在面向樣地一側作明顯記號，標明樣地周圍的明顯地物，拍樣地照片；在樣地界線內，對胸徑大于5 cm 的樹木進行每木調查，在其測量胸徑處作環狀標記，并逐一標志、編號，測定其胸徑、樹高、枝下高、冠幅、坐標，并鑒定物種.該研究采用2006?2011 年樣地的連續監測數據，對選取樣本的狀況、年際變化及其差異進行比較.

表1 評估試驗樣本和目標對照樣本的生境因子Table 1 The habitat factors of the assessment experimental sample and the target control sample

1.2.3 評估指標選取與分析

1.2.3.1 評估指標選取

植物群落是生活在一定區域內所有植物個體之間通過相互依存、相互結合或相互排斥而形成的一個有規律的生態結合體，而群落動態會影響生物多樣性[28].目前，已有研究[29-30]對處于兩個不同發育階段的群落進行過特征比較，在眾多的生態學指標中，物種平均胸徑與重要值、物種生態位、物種多樣性指數等單指標或其組合多被提及，常用于物種組成及群落結構評價[31-34]或生態系統評價[35]等研究中.胸徑作為林分結構變量之一，其變化與群落動態密切相關[36].重要值作為研究某物種在群落中的地位和作用的綜合數量指標，是群落結構的重要指標之一，可用來表示物種在群落中的相對重要性和對所處群落的適應程度[37].生態位是指每個個體或種群在種群或群落中的時空位置及功能關系，其在種群生態和群落生態的相關研究中很重要.生態位寬度可在一定程度上表現物種對資源多樣性的利用能力及對環境的適應能力[38].一般而言，物種的生態位越寬，其利用資源的能力越強，對環境的適應能力越大[39].物種多樣性是群落功能的主要體現，既可以體現生物與生物、生物與環境之間的關系，也是衡量生物資源豐富程度的一個客觀指標[40].基于此，該研究從平均胸徑與重要值、生態位寬度、物種多樣性等方面構建評估指標體系.

1.2.3.2 評估指標計算

采用森林資源調查標準地調查法計算樹種平均胸徑(average DBH)，計算公式：

以群落中物種的密度、優勢度和頻度為單項指標確定相對密度(RA )、相對優勢度(RP)和相對頻度(RF )，并綜合計算物種的重要值(IV)，計算公式[41]：

式中：相對密度為某一物種在樣方中的多度與所有物種多度總和之比，%；相對優勢度為某一物種在樣方中的胸高斷面積之和與所有物種胸高斷面積總和之比，%；相對頻度為某一物種在樣方中出現的頻度與所有物種頻度總和之比，%.

采用Shannon-Wiener 指數公式計算群落物種生態位寬度[42]：

式中：B(SW)i為 物種i的生態位寬度，其值域為[0，lnr]；Qij為 物種i對資源位j的利用占該物種對所有資源位的利用的比例；nij為物種i對資源位j的利用，該文以物種i在 第j樣方的重要值表示；Ni為物種i在所有樣方的重要值總和；r為資源總位數即樣方總數.

采用Shannon-Wiener 多樣性指數(H′)、Pielou 均勻度指數(E)、Simpson 優勢度指數(C)、Margalef 豐富度指數(DMG)、Patrick 豐富度指數(R)計算群落物種多樣性[43].

H′可綜合度量群落中物種的數目及其個體分配的均勻度，其值越大，表示群落結構的復雜程度越高，計算公式：

式中，Pi為物種i的重要值，S為樣方中總的物種數.

E用于表征一個群落或生境中全部物種的個體數目的分配情況，反映了種屬組成的均勻程度，計算公式：

C可綜合反映群落中種的優勢狀況和均勻程度，其值越大，表示群落內優勢種的地位越突出，物種數量分布越不均勻，計算公式如下：

DMG可反映一個群落或生境中物種數目的多寡，是以種的數目和全部種的個體總數表示的多樣性，計算公式如下：

式中，W為樣方中所有物種的個體總數.

R可反映一個群落或生境中種的數目的多寡，是以種的數目表示的多樣性，計算公式如下：

1.2.3.3 統計分析

利用2006?2011 年樣地的連續監測數據，基于梵凈山冷杉平均胸徑與重要值、梵凈山冷杉生態位寬度及梵凈山冷杉所在群落各物種多樣性指數共8個指標的計算結果，分別對評估試驗樣本和目標對照樣本的梵凈山冷杉群落在各指標上的狀態與變化趨勢進行評判，并采用Wilcoxon 符號秩檢驗對兩種年齡結構在各指標上的差異進行顯著性分析.所有繪圖均在Origin Pro 2018 和Rstudio 軟件中完成.

2 結果與分析

2.1 群落物種平均胸徑與重要值

與目標對照樣本(成熟群落樣地)相比，評估試驗樣本(近熟群落樣地)中梵凈山冷杉的平均胸徑與重要值均顯著較低(P<0.05)〔見圖2(b)(d)〕；同時，兩個樣本中梵凈山冷杉平均胸徑與重要值的年際變化均呈增加趨勢〔見圖2(a)(c)〕.從平均胸徑與重要值這2 個指標來看，評估試驗樣本中群落物種發展相對穩定，一定程度上體現了梵凈山保護區核心區對該樣地較好的保護成效.

其中，評估試驗樣本中梵凈山冷杉重要值隨年際變化表現為極顯著增加(P<0.01)，與2006 年(0.266 3)相比，2011 年梵凈山冷杉的重要值(0.344 0)增加了29.18%；而目標對照樣本中梵凈山冷杉重要值表現為顯著增加(P<0.05)，重要值隨年際變化有小幅波動，2011 年梵凈山冷杉的重要值(0.739 6)相比于2006 年(0.670 7)增加了10.27%.可以看出，相比于目標對照樣本，雖然評估試驗樣本中梵凈山冷杉的重要值較小，但其在年際間增加的比例更大.

目標對照樣本中的梵凈山冷杉因為其胸徑大，所以其重要值顯著大于評估試驗樣本.這與Kittelson等[44]的研究結論相近，植物物種胸徑與年齡結構呈現出顯著的正相關關系，且最大的重要值出現在年齡結構較大的樹種群體中.所以設定目標對照樣本有利于評判評估試驗樣本中物種現狀值與目標值之間的差距.此外，隨著演替階段的推進，植物群落結構往往會變得更加復雜并逐漸形成較為穩定的狀態[45-46]，因此成熟群落樣地其重要值的變化往往不如近熟群落樣地的變化差異顯著.

2.2 群落物種生態位寬度

與目標對照樣本(成熟群落樣地)中梵凈山冷杉生態位寬度值相比，評估試驗樣本(近熟群落樣地)中梵凈山冷杉的生態位寬度值顯著要高(P<0.05)(見圖3).從變化來看，評估試驗樣本中梵凈山冷杉的生態位寬度值較為穩定；而目標對照樣本中梵凈山冷杉的生態位寬度值呈先相對穩定后有所下降的趨勢(見表2).

圖3 評估試驗樣本和目標對照樣本中梵凈山冷杉的生態位寬度值差異比較Fig.3 Difference of niche breadth values of Abies fanjingshanensis in the assessment experimental sample and the target control sample

表2 評估試驗樣本和目標對照樣本中梵凈山冷杉的生態位寬度值的年際變化Table 2 Interannual variation of niche breadth values of Abies fanjingshanensis in the assessment experimental sample and the target control sample

以上結果表明，評估試驗樣本中指標的狀態和變化要優于目標對照樣本.這可能與近熟群落樣地中梵凈山冷杉的分布范圍更廣有很大關系[47]；而且不同物種對環境資源的需求不同，利用程度也不同[48].梵凈山冷杉其種內競爭大于種間競爭，且所處群落內的競爭強度較大[49].近熟群落樣地中梵凈山冷杉的種內競爭強度及與其他物種對生境資源的競爭強度可能小于成熟群落樣地，使得近熟群落樣地中梵凈山冷杉的生態位寬度值較大.同時，由于梵凈山冷杉自身的生物學和生態學特性，其對群落生境的要求較為嚴格，因此成熟群落樣地中其適宜分布的生境出現逐漸變窄的趨勢[50]，使得成熟群落樣地中梵凈山冷杉的生態位寬度值呈先相對穩定后有所下降的趨勢.因此，以該指標作為自然保護地保護成效的評估指標要慎重，該指標數值變小并不一定說明群落狀態變差，單純通過該項指標的變化有可能會得出相反的結論.

2.3 群落物種多樣性

與目標對照樣本(成熟群落樣地)中梵凈山冷杉群落的多樣性指數值相比，評估試驗樣本(近熟群落樣地)中梵凈山冷杉所在群落的多樣性指數值較高，包括Shannon-Wiener 多樣性指數值、Margalef 豐富度指數值及Patrick 豐富度指數值(P<0.05)〔見圖4(b)(h)(j)〕；而Simpson 優勢度指數值則顯著低于目標對照樣本(P<0.05)〔見圖4(f)〕.

從變化來看，兩個樣本中梵凈山冷杉群落的Shannon-Wiener 多樣性指數、Margalef 豐富度指數及Patrick 豐富度指數的年際變化趨勢一致.其中Shannon-Wiener 多樣性指數、Margalef 豐富度指數均在2006?2009 年表現為相對穩定，僅在年際間存在小幅波動，而在2010 年和2011 年有所下降，且目標對照樣本下降的趨勢較評估試驗樣本更明顯〔見圖4(a)(g)〕.而兩個樣本中梵凈山冷杉群落的Patrick豐富度指數均呈顯著降低趨勢〔見圖4(i)〕.相反，Pielou 均勻度指數和Simpson 優勢度指數的年際變化呈現上升的趨勢〔見圖4(c)(e)〕.

考慮到成熟群落中梵凈山冷杉個體的胸徑和樹高較大，群落中一些其他物種會因遮蔭而逐漸退出，導致成熟群落的多樣性指數值較低[51]，因此，群落物種豐富度往往會隨年齡的增大而減小，這是由于隨年齡增大喬木冠層郁閉度增大[52]，會對林下植株矮小的植物生長所需的光照產生影響.此外，兩個樣本在Pielou 均勻度指數上差異不顯著(P>0.05)〔見圖4(d)〕，這與常云妮等[53]的研究結果一致.綜合來看，基于群落物種多樣性的相關指標進行保護成效評估時，一定要注意與目標對照樣本進行比較，而不是單純指標值越大越好；同時，群落物種多樣性的相關指標數值變小并不一定說明群落狀態變差，單純通過指標的變化有可能會得出相反的結論.

圖4 評估試驗樣本和目標對照樣本中群落物種多樣性指數Fig.4 Community species diversity index in the assessment experimental sample and the target control sample

3 討論

自然保護地在保護生物多樣性和自然生態系統中發揮著主導作用[54].近年來，“3S”技術發展迅速，可及時、準確收集各種信息，再加上長期監測數據的積累，自然保護地保護成效評估成為當前的研究熱點之一[55].評估自然保護地的保護成效對維持生物多樣性的長期保護至關重要[19]，也在保護其生態環境及區域可持續發展中必不可少[56]，而構建科學的評估方法和指標是其中關鍵的一環[57].為此，該研究提出基于目標對照樣本的自然保護地保護成效評估方法，與之前研究通常僅關注研究對象的現狀和相對變化情況相比，該研究通過設定目標對照樣本，并將評估試驗樣本與其進行比較，從而可反映出研究對象的現狀與目標狀態之間的差距，這樣能更加準確地評判自然保護地對保護對象的保護成效，并可為其他保護地的成效評估提供一定的借鑒意義[58-59].

由于各自然保護地的實際情況不同，所以在構建保護成效評估指標體系時，需要圍繞該自然保護地在實際工作中的需求，結合各項指標長期監測數據的動態變化進行分析[10]，進而選擇最適合表征自然保護地保護成效的指標.已有的研究[8,18]提出物種多樣性、生境質量、土地覆蓋類型等指標通常可以作為反映自然保護地保護成效的關鍵指標.在筆者研究中，評估試驗樣本和目標對照樣本所處的環境和氣候條件等基本一致，這樣可以規避研究對象周圍環境因素對評估結果的影響.林分結構屬性的變化對于維持物種多樣性至關重要[60]，因此在案例研究指標選取中考慮了物種平均胸徑.重要值有助于比較物種的生態重要性[61-62]，因此基于物種重要值的指標能夠較好地反映保護地對重點保護植物的保護效果.考慮到生態位寬度主要用于反映物種對環境資源的利用和適應程度[34]，因此該案例研究也選擇了生態位寬度作為保護成效的評估指標.此外，分析植物群落的組成和結構可以了解群落與其環境之間的相互關系[63]，而群落各多樣性指數的變化可以表征群落組成和結構的變化[64].物種所在群落的各多樣性指數情況與物種的生長發育階段密切相關[65]，因此該案例研究還重點關注了表征植物群落物種多樣性的5 個指數.由于目標對照樣本是群落演替到相對穩定的一種狀態，所以在評估自然保護地的保護成效時，應該先考慮群落的成熟程度，并選取處于相對穩定狀態的群落作為目標對照樣本，綜合研究對象所處的狀態、變化以及現狀值與目標值之間的差距，再得出自然保護地保護成效的最終結論.該研究通過對近熟群落樣地與成熟群落樣地中各項指標狀態和變化的綜合評判，表明保護區對梵凈山冷杉近熟群落樣地的保護效果較好.

自然保護地的長期動態監測是保護成效評估的前提和基礎，該文基于2006?2011 年梵凈山國家級自然保護區天保樣地監測數據，選擇了一系列指標進行綜合評判.在評估指標和數據的選擇方面，建議自然保護地可依據自身實際特點和需求，完善長期監測體系，為保護成效的系統評估提供更全面的基礎數據.此外，可加強自然保護地保護成效評估與具體管理工作的有效銜接，從而將評估結果直接應用于管理實踐，為進一步提升自然保護地的管理質量提供科學依據，以保證自然保護地及其主要保護對象的有效保護.

4 結論

a) 該研究提出了一種基于目標對照樣本的自然保護地保護成效評估方法，與過去僅關注研究對象的相對變化量的評估方法相比，該研究方法可反映出研究對象的現狀與目標狀態之間的差距，從而更加準確地評判自然保護地的保護成效.

b) 通過對梵凈山國家級自然保護區核心區內的梵凈山冷杉群落樣地進行案例研究，表明保護區對梵凈山冷杉近熟群落樣地的保護效果較好，不過近熟群落樣地(評估試驗樣本)中大多數指標的狀態與變化值明顯高于成熟群落樣地(目標對照樣本).說明單純通過指標狀態及變化的大小來衡量保護成效可能會存在一定偏差.

c) 建議今后在其他自然保護地保護成效的評估工作中，考慮先選取保護地內保護效果較為理想的目標狀態作為評估試驗樣本的參照樣本，然后通過評估試驗樣本與之做比較，進而提出更有針對性的管護措施，提升整個保護地的管護能力.