李曉明，呂林玲，胡喜生，曹榮青，吳承禎，侯純揚(yáng)

（1.國(guó)家海洋局，北京 100860；2.自然資源部海島研究中心，福建平潭 350400；3.福建農(nóng)林大學(xué)，福州 350002；4.武夷學(xué)院生態(tài)與資源工程系，福建武夷山 354300）

生物多樣性是人類賴以生存的條件，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[1-2]。近年來(lái)，全球生境破碎化的加劇，導(dǎo)致物種滅絕速率的明顯提升，引起了國(guó)際社會(huì)對(duì)生物多樣性問(wèn)題的極大關(guān)注[3-4]。我國(guó)管轄的300 多萬(wàn)km2海域內(nèi)分布著1 萬(wàn)多個(gè)海島[5]，多數(shù)海島生物多樣性豐富，是國(guó)家海洋經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)和利用的重要依托，是維護(hù)生態(tài)平衡的重要平臺(tái)[6]。近年來(lái)，隨著我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海島開(kāi)發(fā)活動(dòng)日益加強(qiáng)， 造成海島開(kāi)發(fā)過(guò)度等不合理的現(xiàn)象，造成海島生物多樣性的破壞[7]。植被是海島生態(tài)系統(tǒng)的主體，摸清海島植被豐富度是海島保護(hù)、開(kāi)發(fā)、利用和恢復(fù)的前提。近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家們對(duì)我國(guó)陸地植被展開(kāi)了較全面的調(diào)查，然而對(duì)海島植被的了解仍然較小，絕大多數(shù)海島的植被豐富度還未被揭示[5]。鑒于此，本文試圖在對(duì)浙江部分海島樣地調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過(guò)空間插值技術(shù)對(duì)其他海島的木本植物物種豐富度進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期為海島生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況

浙江地處中國(guó)東南沿海長(zhǎng)江三角洲南翼，東臨東海，南接福建，西與安徽、江西相連，北與上海、江蘇接壤。地形自西南向東北呈階梯狀傾斜，西南以山地為主，中部以丘陵為主，東南部是沿海平原和濱海島嶼。海岸線總長(zhǎng)6 486.24 km，占中國(guó)的20.3%，居中國(guó)首位。有沿海島嶼3 000 余個(gè)，90%以上無(wú)人居住，是中國(guó)海島最多的省份，其中面積495.4 km2的舟山島為中國(guó)第四大島。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，季風(fēng)顯著，四季分明，年平均氣溫15～18 ℃，極端最高氣溫44.1 ℃，極端最低氣溫-17.4 ℃；省年平均雨量在 980～2 000 mm，年平均日照時(shí)數(shù) 1 710～2 100 h。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取舟山島、金塘島、朱家尖島、桃花島、普陀島等 71 個(gè)主要海島，設(shè)置樣地（10 m×10 m）294 個(gè)對(duì)植被進(jìn)行普查，喬木層記錄種名和數(shù)量，灌木層和草本層記錄種名和蓋度。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，浙江省海島具有木本植物共計(jì)87 科204 屬377 種， 其中喬木層植物 29 科 61 屬 135 種， 灌木層植物 82 科 190 屬344 種。各樣地的木本植物物種數(shù)變化幅度較大（1～94 種），每個(gè)樣地平均具有19 種木本植物。

2.2 空間插值

克里金插值法是通過(guò)區(qū)域內(nèi)樣本點(diǎn)原始數(shù)值和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)性特征，對(duì)待估樣點(diǎn)的數(shù)值進(jìn)行線性最優(yōu)估算的一種算法。該插值方法綜合考慮了已知樣本點(diǎn)的數(shù)值和空間分布結(jié)構(gòu)、已知本點(diǎn)與待估未知樣點(diǎn)之間的空間關(guān)系， 最大化利用了大小、形狀、空間關(guān)系所提供的各種信息，以及在變異函數(shù)結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，對(duì)待估樣點(diǎn)進(jìn)行的最優(yōu)無(wú)偏估計(jì)，從而使這種插值方法比其他方法更精確[8]。采用ArcGIS 空間統(tǒng)計(jì)模塊中的克里金插值球面函數(shù)對(duì)海島各樣地所有木本植物、喬木層和灌木層木本植物的物種數(shù)進(jìn)行空間插值，生成木本植物物種數(shù)的柵格表面圖。進(jìn)一步采用交叉驗(yàn)證判斷擬合的優(yōu)度。交叉驗(yàn)證是假設(shè)去除其中一個(gè)樣點(diǎn)，通過(guò)周圍n-1 個(gè)樣點(diǎn)的值來(lái)預(yù)測(cè)， 然后比較預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值之間的誤差（包括誤差平均值和誤差均方根）進(jìn)行驗(yàn)證預(yù)測(cè)效果。當(dāng)誤差平均值接近于0 且誤差均方根接近于1 時(shí)，表明模型最優(yōu)。

2.3 回歸預(yù)測(cè)模型

海島的水熱條件、土壤理化性質(zhì)、地形地貌等是影響物種分布的重要生態(tài)因子[9]。由于本文所研究的海島均位于浙江省海域，各島土壤和水熱條件無(wú)明顯差異，因此，同一海島不同樣點(diǎn)之間以及不同海島的木本植物物種存在一點(diǎn)的相似性， 因此，直接匯總克里金空間插值的結(jié)果，存在物種數(shù)重復(fù)計(jì)算的問(wèn)題。鑒于此，利用克里金空間插值的結(jié)果，匯總各樣點(diǎn)木本植物累計(jì)物種數(shù)（具有重復(fù)的物種）為自變量，以實(shí)際物種數(shù)（刪除重復(fù)后各樣點(diǎn)物種數(shù)之和）為因變量，建立累計(jì)木本植物物種數(shù)與實(shí)際木本植物物種數(shù)的回歸模型（包括線性、對(duì)數(shù)、指數(shù)、冪函數(shù)、邏輯斯蒂克和二項(xiàng)式等模型），從而選擇最優(yōu)擬合模型各海島的實(shí)際木本植物物種數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于ArcGIS進(jìn)行海島木本植物物種的空間插值分析

分別以各樣點(diǎn)所有木本植物、喬木層植物和灌木層植物物種數(shù)作為變量，在插值之前采用K-S 正態(tài)檢驗(yàn)各樣方物種數(shù)分布情況進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，如果不服從正態(tài)分布，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，直到通過(guò)K-S 正態(tài)檢驗(yàn)為止。由表1 可知，對(duì)各樣點(diǎn)所有木本植物物種數(shù)原數(shù)據(jù)進(jìn)行平方根變換后才能通過(guò)K-S 正態(tài)檢驗(yàn)（Sig.=0.279）、各樣點(diǎn)灌木層植物物種數(shù)原數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換后才能通過(guò)K-S 正態(tài)檢驗(yàn)（Sig.=0.133），而各樣點(diǎn)喬木層植物物種數(shù)原數(shù)據(jù)可以直接通過(guò) K-S 正態(tài)檢驗(yàn)（Sig.=0.252）。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用ArcGIS 進(jìn)行空間插值分析。經(jīng)交叉驗(yàn)證表明空間插值的誤差平均值和誤差均方根均較小，這說(shuō)明擬合效果較佳，可以用于預(yù)測(cè)海島各樣點(diǎn)所有木本植物、喬木層和灌木層植物物種數(shù)的空間分布（圖1）。

表1 海島木本植物物種數(shù)空間插值檢驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of spatial interpolation for island woody plant species

圖1 浙江海島所有木本植物、喬木層和灌木層物種豐富度空間插值Figure 1 Spatial interpolation of species richness of all woody，tree and shrub layers in Zhejiang island

浙江海島各樣點(diǎn)木本植物物種豐富度空間插值結(jié)果如圖1 所示， 海島各樣點(diǎn)的所有木本植物、喬木層植物和灌木層植物物種數(shù)量均隨著離陸地距離的增加而減少。就所有木本植物物種數(shù)而言，距離陸地較近的樣點(diǎn)木本植物物種數(shù)高達(dá)80～90種/100 m2，而距離陸地較遠(yuǎn)的樣點(diǎn)木本植物物種數(shù)只有1～10 種/100 m2；就喬木層植物物種數(shù)而言，距離陸地較近的樣點(diǎn)物種數(shù)高達(dá)30 種/100 m2， 而距離陸地較遠(yuǎn)的樣點(diǎn)物種數(shù)只有1～2 種/100 m2；就灌木層植物物種數(shù)而言，距離陸地較近的樣點(diǎn)物種數(shù)高達(dá)40 種/100 m2以上， 而距離陸地較遠(yuǎn)的樣點(diǎn)物種數(shù)大多低于25 種/100 m2。

3.2 海島木本植物物種數(shù)預(yù)測(cè)模型的建立

根據(jù)樣點(diǎn)的“典型性”和空間分布的“均衡性”等原則，本文對(duì)所有木本植物、喬木層植物和灌木層植物分別抽取了30 個(gè)不同樣點(diǎn)（表2）用于建立回歸模型（包括線性、對(duì)數(shù)、指數(shù)、冪函數(shù)、邏輯斯蒂克和二項(xiàng)式等模型）， 結(jié)果均表明冪函數(shù)回歸模型的擬合效果最佳， 相關(guān)系數(shù)R2分別高達(dá)0.988、0.996 和 0.991（圖 2～4）。因此，采用冪函數(shù)回歸模型對(duì)各島嶼實(shí)際木本物種數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.3 海島木本植物物種數(shù)的預(yù)測(cè)

利用海島所有木本植物、喬木層植物和灌木層植物物種豐富度插值圖（圖1），匯總各海島所有木本植物、 喬木層植物和灌木層植物的累計(jì)物種數(shù)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)以上累計(jì)物種數(shù)和實(shí)際物種數(shù)的回歸模型，對(duì)各海島的所有木本植物、喬木層植物和灌木層植物物種數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)， 結(jié)果如表3 所示。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，普陀島、龍門島、南關(guān)島等12 個(gè)海島的所有木本植物物種數(shù)大于200 種， 佛渡島、岱山島、 洛伽山島等27 個(gè)海島的所有木本植物物種數(shù)介于100～200 種之間，而九洞門島、南策島、殼塘山島等11 個(gè)海島的所有木本植物物種數(shù)介于40～100 種之間。選擇調(diào)查樣點(diǎn)數(shù)大于20 個(gè)的3 個(gè)海島的實(shí)際調(diào)查物種數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明舟山島的所有木本植物、喬木層植物和灌木層植物物種數(shù)預(yù)測(cè)誤差分別為3.5%、4.1%和7.4%，朱家尖的預(yù)測(cè)誤差分別為14.7%、14.7%和15.4%， 桃花島的預(yù)測(cè)誤差為10.3%、16.5%和9.5%，表明預(yù)測(cè)精度均在83.5%以上。

表2 海島木本植物預(yù)測(cè)模型所用樣點(diǎn)物種數(shù)基本情況Table 2 The species number of each sample used in prediction models

圖2 海島所有木本植物累計(jì)物種數(shù)和實(shí)際物種數(shù)回歸曲線Figure 2 Regression curve of cumulative species and actual species of all woody plants in the island

圖3 海島喬木層植物累計(jì)物種數(shù)和實(shí)際物種數(shù)回歸曲線Figure 3 Regression curve of cumulative species and actual specis of tree layer plants in the island

圖4 海島灌木層植物累計(jì)物種數(shù)和實(shí)際物種數(shù)回歸曲線Figure 4 Regression curve of cumulative species and actual species of shrub later plants in the island

4 討論與結(jié)論

通過(guò)對(duì)各樣點(diǎn)木本植物物種數(shù)的空間插值進(jìn)行交叉驗(yàn)證，結(jié)果表明殘差較小，可以用于分析各海島植物物種豐富度的空間分布格局。浙江海島各樣點(diǎn)木本植物物種豐富度空間插值結(jié)果表明，所有木本植物物種數(shù)介于1～90 種/100 m2之間， 喬木層植物物種數(shù)介于1～30 種/100 m2之間，灌木層植物物種數(shù)介于1～70 種/100 m2之間。海島各樣點(diǎn)的所有木本植物、喬木層植物和灌木層植物物種豐富度均隨著離陸地距離的增加而減少。研究結(jié)果驗(yàn)證了MacArthur R.H.等[10]提出的“物種數(shù)隨島嶼距大陸距離增加而減少”的理論。

同時(shí)，島嶼生物地理學(xué)理論認(rèn)為島嶼物種豐富度還與島嶼的面積及隔離程度顯著相關(guān)[11]。生境面積越大，物種數(shù)量規(guī)模越大；在面積較小的海島上，物種數(shù)量隨著面積的增加而增加[10-11]。這一理論長(zhǎng)期以來(lái)被當(dāng)作自然保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)的科學(xué)依據(jù)[12]。然而，該理論認(rèn)為海島環(huán)境是均一性的，對(duì)環(huán)境異質(zhì)性關(guān)注不足。實(shí)際上，環(huán)境異質(zhì)性是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，將其同物種發(fā)生和分布聯(lián)系在一起定量分析難度較大[11]。而空間插值技術(shù)是利用局域已知點(diǎn)的數(shù)據(jù)推算該局域未知點(diǎn)的數(shù)據(jù)，且通過(guò)已知點(diǎn)和預(yù)測(cè)點(diǎn)的距離大小進(jìn)行權(quán)重分配，充分考慮了空間異質(zhì)性，結(jié)果可信度高[13]，可以作為各類自然保護(hù)地規(guī)劃和設(shè)計(jì)的輔助技術(shù)手段。

本文通過(guò)建立的以植物累計(jì)木本植物物種數(shù)為自變量、以實(shí)際木本植物物種數(shù)為因變量的冪函數(shù)回歸模型，結(jié)合空間插值技術(shù)，對(duì)浙江省51 個(gè)海島木本植物物種數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)， 并以調(diào)查充分的3個(gè)海島木本植物數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明預(yù)測(cè)精度大于83%，表明該方法可以用于海島木本植物物種豐富度預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果較可信。當(dāng)然，海島植物物種豐富度還應(yīng)包含草本植物，且受海拔、生境、人為干擾等因素的共同影響[14]，本文未能全部考慮，有待今后進(jìn)一步探討。

表3 各海島木本植物物種數(shù)的預(yù)測(cè)Table 3 Prediction of the number of woody plant species in each island

（致謝：感謝國(guó)家海洋局資助此項(xiàng)目并提供相關(guān)數(shù)據(jù)與資料。）