萬華偉,夏 霖,侯 鵬,*,劉玉平,蔡 蕾,彭慧芳,趙書慧,4,楊奇森,孫晨曦,徐新良
1 環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 100094 2 中國科學(xué)院動(dòng)物研究所,北京 100101 3 環(huán)境保護(hù)部自然生態(tài)保護(hù)司,北京 100035 4 山東師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,濟(jì)南 250358 5 中國科學(xué)院地理與資源科學(xué)研究所,北京 100101
生物多樣性豐富程度決定著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力。它不僅自身具有重要的功能和價(jià)值,而且是許多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的基礎(chǔ)[1]。生態(tài)系統(tǒng),如森林、草地、濕地等,為野生動(dòng)植物提供棲息地,保障了野生動(dòng)植物繁衍生息[2]。但是,人類活動(dòng)所導(dǎo)致的土地覆蓋變化是對(duì)地球陸表自然生態(tài)系統(tǒng)影響最直接的表征信號(hào)[1],改變了動(dòng)物的棲息地狀況,進(jìn)而影響了生物多樣性。人類活動(dòng)已經(jīng)成為生物多樣性變化的首要驅(qū)動(dòng)因子,導(dǎo)致了物種有效棲息地破碎和散失,造成地球上的物種以前所未有的速度滅絕[3- 7]。近年來,遙感對(duì)物種棲息地監(jiān)測(cè)評(píng)估的優(yōu)勢(shì)和作用日趨明顯,加快了區(qū)域各種生態(tài)因子的獲取與更新速度,可以對(duì)大尺度范圍的氣候、水文、植被、土地覆被等陸表生態(tài)因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[8],實(shí)現(xiàn)了全球、國家和區(qū)域等森林、草地、濕地、荒漠等自然生態(tài)系統(tǒng)以及居民地、農(nóng)田等人工生態(tài)系統(tǒng)的精細(xì)制圖和變化監(jiān)測(cè)[9- 16],為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)國家及區(qū)域生物多樣性的狀況、變化以及驅(qū)動(dòng)力提供了新的信息源。同時(shí),不少研究對(duì)大熊貓(Ailuropodamelanoleuca)、金絲猴(Rhinopithecus)、藏羚羊(Pantholopshodgsonii)等一些重要的動(dòng)物種群,開展了適宜生境動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)[17- 20],研究結(jié)果對(duì)重要物種的保護(hù)提供了更為精細(xì)的科學(xué)依據(jù)。
面對(duì)我國生物多樣性保護(hù)與管理面臨的部分生態(tài)系統(tǒng)功能不斷退化、物種瀕危程度加劇等形勢(shì)[21],以及生物多樣性監(jiān)測(cè)評(píng)估的多源觀測(cè)手段融合發(fā)展的趨勢(shì),迫切需要研究和綜合利用多源觀測(cè)手段和技術(shù)途徑,特別是地面調(diào)查和遙感觀測(cè)相結(jié)合,一方面結(jié)合傳統(tǒng)的物種地面調(diào)查獲取物種種群狀況,另一方面,充分利用遙感技術(shù)優(yōu)勢(shì),及時(shí)了解物種生境及其變化,進(jìn)而開展區(qū)域生物多樣性綜合評(píng)估與分析,提高對(duì)物種種群變化規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)力的認(rèn)識(shí)。本文以東北地區(qū)為例,以地面物種調(diào)查衛(wèi)星觀測(cè)為主要數(shù)據(jù)源,對(duì)東北地區(qū)近40年來的脊椎動(dòng)物種群數(shù)量及生境變化進(jìn)行了分析,對(duì)于了解該地區(qū)生境變化及其對(duì)動(dòng)物種群變化的潛在影響具有重要意義,也是綜合利用多源觀測(cè)技術(shù)手段服務(wù)于生物多樣性保護(hù)與管理的有益探索。
圖1 東北地區(qū)位置示意圖
東北地區(qū)是我國緯度最高的地區(qū),是一個(gè)完整的自然地理區(qū)域[22],包括黑龍江、吉林、遼寧三省和內(nèi)蒙古東部(呼倫貝爾市、興安盟、通遼市、赤峰市和錫林郭勒盟)地區(qū),涉及4省41個(gè)地級(jí)市,總面積約為144萬km2。該地區(qū)面積廣,在我國生物資源上占據(jù)重要位置[23- 24],為東北虎(Pantheratigrisamureusis)、丹頂鶴(Grusjaponensis)、原麝(Moschusmoschiferus)等珍稀瀕危野生動(dòng)物提供了棲息條件,成為中國最重要的生物多樣性保護(hù)區(qū)域之一。研究區(qū)域概況如圖1所示。
(1)物種數(shù)據(jù)。來源于中國科學(xué)院動(dòng)物研究所基于公開文獻(xiàn)調(diào)研以及研究組長期觀測(cè)所建立的《中國陸棲脊椎動(dòng)物種群時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫》,東北地區(qū)總計(jì)有93個(gè)物種地面種群調(diào)查和觀測(cè)點(diǎn)位,具體包括40種獸類、51種鳥類和2種兩棲爬行動(dòng)物的調(diào)查點(diǎn)位,如圖1所示。
(2)生境狀況數(shù)據(jù)?;贚andsat、環(huán)境一號(hào)等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),對(duì)東北地區(qū)進(jìn)行森林、草地、荒漠、水體與濕地、聚落6類生態(tài)系統(tǒng)類型進(jìn)行分類和專題提取,獲取了1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年,共計(jì)7個(gè)時(shí)期的生態(tài)系統(tǒng)類型構(gòu)成及其分布的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1.3.1 物種數(shù)據(jù)來源
數(shù)據(jù)庫中脊椎動(dòng)物種群時(shí)間序列信息收集自已發(fā)表的國內(nèi)外學(xué)術(shù)論文、專著、政府報(bào)告、各保護(hù)區(qū)調(diào)查報(bào)告;權(quán)威機(jī)構(gòu)和組織正式發(fā)表或公布的數(shù)據(jù)庫或物種分布及數(shù)量記錄。每條種群時(shí)間序列具有至少兩個(gè)年份以上數(shù)據(jù),且調(diào)查區(qū)域和調(diào)查方法一致。
1.3.2 物種變化分析方法
采用全球生物多樣性公約所使用的生物多樣性重要指標(biāo)之一—地球生命力指數(shù)(LPI,Living Planet Index)。該指數(shù)主要通過計(jì)算動(dòng)物種群數(shù)量隨時(shí)間的年變化趨勢(shì)(年變化率)[25- 28],并通過對(duì)數(shù)據(jù)庫按動(dòng)物類群、生態(tài)系統(tǒng)、保護(hù)區(qū)域等分層解離,評(píng)估分析東北地區(qū)生物多樣性水平及其總體變化趨勢(shì)。具體計(jì)算步驟為:
(1)某物種種群年變化趨勢(shì)計(jì)算公式為:
dt=log10(Nt-Nt-1)
(1)
式中,t: 年份;N:種群數(shù)量值(密度、捕獲率、種群實(shí)際數(shù)量等);對(duì)于所有種群數(shù)量為0的年份,Nt=0+1%(某物種整個(gè)時(shí)間序列的算術(shù)平均值),對(duì)于缺失數(shù)據(jù)的年份的種群數(shù)據(jù)使用線性內(nèi)插法獲得,公式為:
Ni=NP(NS/NP)[(i-P)/(S-P)]
(2)
式中,i為缺失數(shù)據(jù)的年份;P為缺失數(shù)據(jù)的年份之前相鄰的具有種群數(shù)據(jù)的年份;S為缺失數(shù)據(jù)的年份之后相鄰的具有種群數(shù)據(jù)的年份;對(duì)于在同一年份具有多個(gè)種群數(shù)據(jù)的物種,某一個(gè)物種的種群變化趨勢(shì)計(jì)算公式為:
(3)
(2)運(yùn)用單個(gè)物種各年變化趨勢(shì)計(jì)算所有物種各年份變化趨-勢(shì)的平均值:
(4)
(3)生成LPI:
設(shè)置初始年份,I0=1.00(本文設(shè)置1970年為I0=1.00,但實(shí)際應(yīng)用中可以選擇任意時(shí)間為1)。
(5)采用BOOTSTRAP 對(duì)指數(shù)值進(jìn)行重復(fù)自抽樣檢驗(yàn),產(chǎn)生95%置信區(qū)間。
1.3.3 生境狀況分析方法
生境破碎化是造成當(dāng)前物種滅絕危機(jī)的最主要原因之一[29],生境的破碎化使原本連續(xù)分布的種群以集合的方式生存[30]。因此,采用該生態(tài)系統(tǒng)類型面積、自然生態(tài)系統(tǒng)面積和景觀破碎度指數(shù)[31- 32],評(píng)估分析了自然生境面積變化和景觀破碎化程度的變化情況。其中破碎度是根據(jù)公式(5)計(jì)算,式中Ci為生境i的破碎度,Ni為生境i的斑塊數(shù),Ai為生境i的總面積。對(duì)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類后,在景觀分析軟件fragstats中統(tǒng)計(jì)不同生境類型的斑塊數(shù),再根據(jù)在arcgis中統(tǒng)計(jì)的面積計(jì)算破碎度。
Ci=Ni/Ai
(5)
基于全國鳥類、獸類和兩棲爬行類405個(gè)物種、1385個(gè)動(dòng)物種群時(shí)間序列數(shù)據(jù),1970—2010年間中國陸棲脊椎動(dòng)物種群數(shù)量下降了49.7%。東北地區(qū)的陸棲脊椎動(dòng)物種群數(shù)量與全國趨勢(shì)基本一致,總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),比全國降幅速度高出20.4%,明顯大于全國的總體降幅,如圖2所示。
對(duì)于不同生態(tài)系統(tǒng)而言,東北森林和濕地生態(tài)系統(tǒng)中動(dòng)物種群數(shù)量下降幅度均高于全區(qū)整體水平,而草原荒漠生態(tài)系統(tǒng)則呈明顯上升趨勢(shì),如圖3所示。1970—2010年期間,東北地區(qū)42個(gè)森林動(dòng)物種群數(shù)量總體呈現(xiàn)減少趨勢(shì),減少幅度約為80.9%;草原荒漠獸類物種種群呈明顯波動(dòng)且具有上升趨勢(shì),增加幅度達(dá)到180.9%。1980—2010年期間,濕地鳥類種群數(shù)量總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),下降幅度約為75.7%。
圖2 1970—2010年陸棲脊椎動(dòng)物種群數(shù)量變化趨勢(shì)
2.2.1 生境總體變化
2015年,以森林、草地、濕地和荒漠等4種自然生態(tài)系統(tǒng)為主的東北地區(qū)自然生境面積占比約為69.9%。以農(nóng)田和城鎮(zhèn)建設(shè)用地為主的人工生境面積占比為29.8%。其中,自然生境以森林生態(tài)系統(tǒng)為主,占自然生境總面積的34.8%;其次為草地生態(tài)系統(tǒng),占自然生境總面積的23.8%;濕地和荒漠生態(tài)系統(tǒng)分別為8.3%和3.0%(圖4)。1980—2015年,農(nóng)業(yè)用地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地增幅分別達(dá)到25.2%和32.3%,由于農(nóng)業(yè)開墾和城鎮(zhèn)化擴(kuò)張等對(duì)自然生態(tài)空間的不斷擠占,約有6.1%的自然生境轉(zhuǎn)為人工生境,致使動(dòng)物種群的自然生境面積不斷減少,減少幅度約為8.0%。
圖3 東北地區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)1970—2010年物種變化趨勢(shì)
圖4 東北地區(qū)1980年和2015年生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布
從生境破碎化來看,森林生態(tài)系統(tǒng)的破碎度最低,說明森林的完整性最好;荒漠生態(tài)系統(tǒng)的破碎度最高,說明荒漠分布比較離散。1980—2010年期間,自然生境的景觀破碎度指數(shù)總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì),但是2005年之后的增加幅度很小,這與東北地區(qū)2005年之后脊椎動(dòng)物種群數(shù)量減少幅度減緩保持一致(表1),從而說明生境破碎化成為影響著動(dòng)物種群數(shù)量變化的重要影響因素。2010年之后,生境破碎化程度略有降低,改善著區(qū)域自然生境質(zhì)量,有利于生物生物多樣性保護(hù)(圖5)。
表1 東北地區(qū)生境破碎度和物種生命力指數(shù)LPI的變化率
圖5 1980—2015年各生態(tài)系統(tǒng)類型的破碎度
2.2.2 森林生境變化
東北地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)主要分布在小興安嶺、長白山和大興安嶺北部地區(qū)。2015年,森林生境面積為50.28萬km2,占東北地區(qū)總面積的34.8%。從面積變化來看,1980—2015年森林生境面積共減少7.91萬km2,減幅約為7.5%。其中,1980—1995年森林面積減少迅速,主要分布在呼倫貝爾市東部和佳木斯市北部、呼倫貝爾西南部、通遼市西北部和赤峰市西部。2010年之后森林生境面積有所增加。從破碎化程度來看,1980—2015年森林生境破碎化指數(shù)增加約42.7%,其中,1980—2010年持續(xù)增加,表明森林生境的完整性遭到持續(xù)破壞;2010年之后森林生境破碎度有所減小。如圖6所示。
圖6 1980—2015年森林生態(tài)系統(tǒng)變化
2.2.3 草地和荒漠生境變化
東北地區(qū)的草原和荒漠生態(tài)系統(tǒng)主要分布在西部和中部,2015年面積分別為34.42萬km2和4.33萬km2,占東北地區(qū)總面積的23.8%和3.0%。從面積變化來看,1980—2015年草地生境共減少3.88萬km2,減幅約為10.1%,荒漠面積共增加0.17萬km2,增幅約為4.3%。其中,1980—1990年間草地迅速增加,在2010年之后又迅速減少;草地減少區(qū)域主要分布在呼倫貝爾市中西部、松嫩平原、三江平原和赤峰市東部。1980—2015年間荒漠呈緩慢增加趨勢(shì),其中1995年的荒漠面積有所減少;荒漠主要減少區(qū)域分布在錫林郭勒盟東南部,錫林郭勒盟東南部和白城東部及南部的部分荒漠在1990—1995年轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀?995—2000年期間又變成荒漠。從破碎化程度來看,1980—2015年草地和荒漠的整體生境破碎化指數(shù)基本不變,呈先降低后又增加的趨勢(shì),如圖7所示。
圖7 1980—2015年草地和荒漠生態(tài)系統(tǒng)變化
2.2.4 濕地生境變化
東北地區(qū)的水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)主要分布在呼倫湖流域、松嫩平原、三江平原和興凱湖流域等,2015年面積分別為11.96萬km2,占東北地區(qū)總面積的8.3%。從面積變化來看,1980—2015年濕地生境共減少1.03萬km2,減幅約為7.9%。其中,1980—1990年間水體和濕地面積減少迅速,在2010年之后明顯增加;1980—1990年間佳木斯市、雙鴨山市、雞西市和呼倫貝爾市北部的水體與濕地面積大幅度減少;2010—2015年間呼倫貝爾市北部和佳木斯市東北部的水體與濕地面積增加。從破碎化程度來看,1980—2015年水體與濕地生境破碎化指數(shù)整體變化較小,與1980年相比增加了7.2%,其中,2000—2010年不斷增加,之后有所降低,如圖8所示。
圖8 1980—2015年濕地生態(tài)系統(tǒng)變化
本文選擇東北地區(qū)為研究區(qū)域,綜合利用物種調(diào)查數(shù)據(jù)和生境遙感觀測(cè)數(shù)據(jù),以地球生命力指數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)面積、破碎度等指標(biāo)作為指示性參數(shù),開展了近40年東北地區(qū)陸棲脊椎動(dòng)物種群數(shù)量及其生境的變化監(jiān)測(cè)與評(píng)估,了解該地區(qū)動(dòng)物種群數(shù)量及其生境變化,對(duì)于區(qū)域生物多樣性保護(hù)研究和管理具有重要意義。
監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,1970年以來,中國東北野生動(dòng)物種群趨勢(shì)呈現(xiàn)出比全國更為顯著的下降趨勢(shì),東北地區(qū)陸棲脊椎動(dòng)物整體下降趨勢(shì)明顯,森林和濕地生態(tài)系統(tǒng)種群數(shù)量減少幅度較大,草原、荒漠生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)物種群數(shù)量增加明顯。東北地區(qū)陸棲脊椎動(dòng)物種群數(shù)量在1970至2012年間下降了近70.1%,較全國陸棲脊椎動(dòng)物種群數(shù)量下降趨勢(shì)更為顯著,1980至2015年間整個(gè)東北地區(qū)約6.1%的面積由自然生境轉(zhuǎn)為人工生境。其中森林面積減幅7.5%,草地減幅10.1%,濕地減幅7.9%,荒漠增幅4.3%。森林砍伐、人口擴(kuò)張、城鎮(zhèn)化、交通發(fā)展等造成的棲息地破碎化和棲息地質(zhì)量下降對(duì)野生動(dòng)物多樣性造成了顯著影響。降水等氣候變化因素及濕地破碎化導(dǎo)致東北水鳥數(shù)量的降低。而由于森林退縮、荒漠?dāng)U張,為東北地區(qū)草原和荒漠生態(tài)系統(tǒng)中嚙齒動(dòng)物種群帶來正面影響。
按照野生動(dòng)物所依存的生態(tài)系統(tǒng)劃分,森林中動(dòng)物種群數(shù)量在1970—2010年期間減少最為明顯,特別是在2000年左右之前。而東北地區(qū)森林面積也是在1980—1995年期間迅速減少,2010年后,森林面積有所增加。由于森林生境的物種種群的整個(gè)生活史都要在森林中完成,具有明顯依林性特點(diǎn),特別是東北虎、林麝(Moschusberezovskii)、梅花鹿(Cervusnippon)等大型野生動(dòng)物,更是需要相對(duì)完整和穩(wěn)定的棲息環(huán)境才能維持種群穩(wěn)定。森林生境面積減少,國土開發(fā)建設(shè)活動(dòng)致使森林生境面積減少和破碎化程度增加,進(jìn)而導(dǎo)致動(dòng)物物種生境被隔離或碎片化,使得東北地區(qū)森林動(dòng)物種群數(shù)量減少,而2000年以來,隨著森林保護(hù)力度加大和生境破壞速度趨緩,物種種群數(shù)量減少的幅度才逐步趨于緩和。
草原和荒漠生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)物種群數(shù)量增加趨勢(shì)明顯,而草原面積呈減少趨勢(shì),荒漠呈增加趨勢(shì)。草原荒漠獸類中嚙齒目和兔形目物種占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),大型哺乳動(dòng)物稀少。此類物種個(gè)體小但種群數(shù)量巨大,生命周期短但繁殖力強(qiáng)大,對(duì)環(huán)境干擾反映敏感,具有高死亡率、高繁殖率的生存對(duì)策,也因此種群數(shù)量往往會(huì)隨環(huán)境和氣候條件變化而呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的波動(dòng)趨勢(shì)。此外,東北地區(qū)荒漠和草原生境連續(xù)性弱、面積小,邊緣與人類農(nóng)田、牧場(chǎng)、村落等接壤,生境交錯(cuò)明顯,已非自然的動(dòng)物棲息地,動(dòng)物種群受人類活動(dòng)影響明顯,如農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)藥使用等,種群變化缺乏與氣候因子和自然演替之間的相關(guān)性。
草原和荒漠生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)物與森林獸類不同,東北森林中生活的東北虎、林麝、熊(Ursus)、梅花鹿等大型食肉類和有蹄類物種,此類物種體型大、壽命長但繁殖率低,對(duì)原生植被的依賴程度高,一旦經(jīng)歷了狩獵、森林火災(zāi)等毀滅性事件,種群恢復(fù)能力差,需要較長的時(shí)間周期,即使通過人為保護(hù)措施經(jīng)歷數(shù)個(gè)乃至數(shù)十個(gè)世代(十幾至幾十乃至更長)才能改變其下降的趨勢(shì)。因此,在同樣的氣候條件下,森林物種種群下降趨勢(shì)遠(yuǎn)比草原和荒漠物種更加明顯,且經(jīng)過了近30年野生動(dòng)物保護(hù)法、槍支管制、保護(hù)區(qū)建設(shè)等保護(hù)措施,恢復(fù)過程仍顯得十分緩慢。此外,由于森林物種具有更高的開發(fā)和利用價(jià)值,如獲取麝香、各種毛皮,森林獸類獵殺遠(yuǎn)比草原和荒漠更為嚴(yán)重, 而同樣森林中的植物利用率也更高,如各種藥材、木材等,因此棲息地破壞程度也更加明顯,更加劇了對(duì)森林物種的不利影響。
濕地中動(dòng)物種群數(shù)量減少了近75.7%,減少幅度較大,濕地面積減幅7.9%,兩者變化趨勢(shì)相同,種群數(shù)量減少一定程度上與人類活動(dòng)所造成的棲息地面積縮減和破碎度增加相關(guān)。濕地生態(tài)系統(tǒng)中,鳥類物種豐富,其生存狀況可以在一定程度上反映濕地健康狀況。由于鳥類為卵生動(dòng)物,其產(chǎn)卵量和成活率均與氣候、濕地條件等密切相關(guān),且鳥類數(shù)量較大,繁殖周期亦較短,因此可以比較敏感的反應(yīng)環(huán)境波動(dòng)。此外鳥類數(shù)量的變化與濕地面積變化也比較密切,一些遷徙鳥類遷徙路線的改變也會(huì)因濕地條件改變而變化和波動(dòng)。東北濕地鳥類數(shù)量呈現(xiàn)出較明顯的下降趨勢(shì)與東北主要濕地面積改變和周邊由于開發(fā)建設(shè)造成的干擾具有相關(guān)性。
近年來,針對(duì)生態(tài)恢復(fù)和修復(fù),國家出臺(tái)了一系列保護(hù)政策,包括天然林保護(hù)工程和退耕還林等政策。其中,天然林保護(hù)工程是國家在1998年我國發(fā)生重大洪澇災(zāi)害后提出的,旨在實(shí)現(xiàn)我國森林覆被的恢復(fù)發(fā)展并發(fā)揮其抑制水土流失與保育生態(tài)環(huán)境的目的。退耕還林政策是于 1999年由國家決策部署和組織實(shí)施的一項(xiàng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)重大工程[33],在很大程度上保護(hù)了東北地區(qū)的森林生態(tài)環(huán)境。隨著林地保護(hù)政策的實(shí)施,2000年之后森林面積減少趨勢(shì)減緩、破碎度增大趨勢(shì)平緩,森林動(dòng)物種群減少趨勢(shì)也變緩。現(xiàn)有的保護(hù)措施已初見成效,但還需加強(qiáng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù),改善棲息地破碎化,有效保護(hù)和提高區(qū)域生物多樣性水平。此外,在物種收集的過程中,該區(qū)域兩棲爬行類等物種基礎(chǔ)信息嚴(yán)重不足,且不同來源的種群調(diào)查方法和時(shí)間上缺乏連續(xù)性和一致性,需要加強(qiáng)對(duì)野生動(dòng)物種群的基礎(chǔ)調(diào)查和動(dòng)物種群的持續(xù)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。