劉麗君,張明罡

(山西大學 黃土高原研究所,山西 太原 030006)

0 引言

生物多樣性是經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ),可以為人類生存提供豐富的物種資源,同時也是生態(tài)文明水平的重要標志[1]。生物多樣性作為國家的可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源,在我國已經(jīng)受到高度重視,并取得了積極進展,但其下降趨勢仍未得到有效控制,面臨一些問題與挑戰(zhàn),所以需要探索有效的方法和提高管理水平來實現(xiàn)更好的保護[2]。黃土高原地處我國幅員中心位置,位于黃河中上游,是黃河下游華北平原與京津地區(qū)的生態(tài)屏障,也是中華農(nóng)耕文化的發(fā)祥地[3]。隨著人口增長、農(nóng)業(yè)發(fā)展和城市建設(shè)對土地、糧食等需求的不斷增加,人們對黃土高原自然資源展開掠奪式開發(fā),導(dǎo)致許多原生植物大多被農(nóng)作物等取代,草原退化,天然森林分布稀少且分散[4]，加之土質(zhì)疏松,降水集中,水土流失嚴重[5]，使得該地區(qū)生境破碎化嚴重同時生物多樣性保護也面臨嚴峻形勢[6]。

我國于2013年提出“建立國家公園體制”[7],標志著國家公園建設(shè)已被作為國家戰(zhàn)略加以推進。2017年印發(fā)了《建立國家公園體制總體方案》,該體制的實施使得生物多樣性的保護從瀕危物種的保護上升到整個生態(tài)系統(tǒng)的保護[8-10]。目前,我國已經(jīng)選定了錢江源等10處自然保護區(qū)作為“國家公園”體制試點。黃土高原地區(qū)資源短缺,尤其是水資源的短缺已經(jīng)成為制約該區(qū)域植被恢復(fù)的主要瓶頸。如何實現(xiàn)資源的集約化利用,同時實現(xiàn)生物多樣性保護利益的最大化,成為保護生物學家們關(guān)注的熱點。黃土高原地區(qū)保護優(yōu)先區(qū)的識別,對將來生態(tài)系統(tǒng)完整性的維持、自然保護區(qū)整合以及國家公園理論體系的完善都有著重要的現(xiàn)實意義。

系統(tǒng)保護規(guī)劃是廣泛應(yīng)用于生物多樣性保護的規(guī)劃方法[11-16],其在區(qū)域尺度保護優(yōu)先區(qū)識別中發(fā)揮著重要作用,有著廣闊的應(yīng)用前景[17]。其本質(zhì)是一種線性規(guī)劃方法,即利用模擬退火算法進行多次迭代,尋找最優(yōu)解的組合。系統(tǒng)保護規(guī)劃在實際應(yīng)用中也具有很大的靈活性,例如:當識別的優(yōu)先區(qū)內(nèi)的規(guī)劃單元無法建立保護區(qū)時,可以在不增加預(yù)算以及保證聯(lián)通性的情況下選擇其他規(guī)劃單元來替代[18]。本研究利用物種分布模型獲取了黃土高原地區(qū)木本種子植物的分布范圍;基于系統(tǒng)保護規(guī)劃理論,在物種水平計算規(guī)劃單元的不可替代性,對保護優(yōu)先區(qū)進行識別,并以現(xiàn)有的自然保護區(qū)與保護優(yōu)先區(qū)為基礎(chǔ),擬在黃土高原地區(qū)構(gòu)建生物多樣性保護網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)不僅可以使生物多樣性得到長期的維護和發(fā)展,還可以有效緩解經(jīng)濟建設(shè)與生物多樣性保護之間的沖突。我國的國家公園建設(shè)將對現(xiàn)有的自然保護區(qū)進行整合補充,并且充分考慮生態(tài)系統(tǒng)的完整性與代表性,本研究的相關(guān)結(jié)果希望能為黃土高原地區(qū)現(xiàn)有自然保護區(qū)的整合與補充以及國家公園理論的完善提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原(100°54′—114°33′E,33°43′—41°16′N)位于我國中部偏北,包括內(nèi)蒙古河套平原和鄂爾多斯高原、甘肅隴中和隴東地區(qū)、青海東北部、陜西中北部以及寧夏與山西全境[19]。氣候為干旱少雨的大陸性季風氣候,且有明顯的氣候季節(jié)差異[20]。植被類型復(fù)雜多樣,自東南向西北,依次為森林植被、森林草原植被、溫性草原植被、荒漠半荒漠植被,是森林向草原過渡區(qū)[20-21]。

1.2 物種數(shù)據(jù)

物種分布數(shù)據(jù)來源于國家標本資源共享平臺(NSII)(http:∥www.nsii.org.cn/2017/home.php)。首先,篩選出采集于黃土高原地區(qū)的植物標本記錄;其次,為確保數(shù)據(jù)的準確性,通過中國植物志(http:∥frps.iplant.cn)將植物拉丁名進行校正,避免植物拉丁名的拼寫錯誤;最后,將小樣本數(shù)據(jù)(記錄≤5)剔除,因其在物種分布建模中無統(tǒng)計學意義。131 132條記錄被保留進行地標化,分辨率為10×10 km,相當于我國行政區(qū)劃的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級別。整個黃土高原共劃分了9 112個柵格。每個柵格中同一個種的存在信息是唯一的,經(jīng)過篩選整理最后保留的木本植物標本記錄有7 200條,分為89科293種。

1.3 環(huán)境圖層

環(huán)境是決定植物物種分布的主導(dǎo)因素,因此本研究主要采用氣候因子模擬每個物種的潛在分布區(qū)。氣候因子主要來源于全球氣候數(shù)據(jù)庫WorldClim (http:∥www.worldclim.org)[22],分辨率同樣為10×10 km。為避免環(huán)境因子間的多重共線性,將黃土高原地區(qū)19個生物氣候因子進行Spearman秩相關(guān)分析,相關(guān)性大于0.75[23]且貢獻率較小的因子被剔除(表1),最終年平均溫度、等溫性、最暖月最高溫、最冷月最低溫、年溫度變化范圍、氣溫年較差、年降水量、最干月降水量等7個環(huán)境因子被保留用以物種潛在分布區(qū)模擬。

表1 保留的環(huán)境因子間的相關(guān)分析

1.4 物種分布模型構(gòu)建與檢驗

采用最大熵(MaxEnt)模型為物種分布建模工具。為避免模型的過度擬合,運行時遵循以下規(guī)則:1)物種采集記錄數(shù)量為5～9的采用線性規(guī)則(linear features);2)采集數(shù)量為10～14的采用二次方規(guī)則(quadratic features);3)采集數(shù)量≥15的采用鉸鏈式規(guī)則(hinge features)[23]。閾值選取規(guī)則如下:敏感性以及特異性相等(物種記錄5～9)以及10%訓(xùn)練存在(物種記錄≥10)。模型精度的檢驗采用曲線下面積(AUC)來評估,AUC因不受判斷閾值影響,可用于不同模型比較研究。模型的AUC值越大,表示環(huán)境變量與預(yù)測的物種地理分布模型之間相關(guān)性越大,越能將該物種有分布和無分布判別開,其預(yù)測效果也就越好[24]。

1.5 系統(tǒng)保護規(guī)劃

為識別生物多樣性保護優(yōu)先區(qū),首先,將每個物種潛在分布區(qū)總面積的25%定為保護目標,9 112個柵格作為規(guī)劃單元,同時將空間異質(zhì)性和破碎化值的乘積作為每個保護規(guī)劃單元的保護成本;其次,利用線性規(guī)劃工具Marxan計算每個保護規(guī)劃單元的不可替代性值。再次,調(diào)整邊界長度修正值(BLM),BLM值越大代表空間單元越離散,破碎化程度越高。將BLM值分為(0,0.000 1,0.001,0.01,0.1,1,10,100,1 000,10 000)10個等級進行100次運算,當BLM=1時,邊界值開始下降,而總面積快速增加,所以將BLM確定為1。最后,設(shè)置模型運行100次,木本植物選取不可替代性值大于35空間單元的作為保護優(yōu)先區(qū)。

2 結(jié)果

物種潛在分布區(qū)模擬結(jié)果有293種木本植物AUC值高于0.75,將293種木本植物的潛在分布區(qū)圖層進行疊加,得到黃土高原木本種子植物的物種豐富度地圖(圖1),物種豐富度劃分為10個等級。其中當前氣候下預(yù)測的黃土高原木本植物最高豐富度為216,主要集中于南部邊界的陜西和河南省(秦嶺北部),中條山、呂梁山、太行山、日月山次之。物種豐富度最低的單元有23個物種,集中于內(nèi)蒙古和寧夏,整體趨勢是南高北低。

圖1 黃土高原地區(qū)木本植物物種豐富度格局

將不可替代性值大于35的被選作保護優(yōu)先區(qū),共10個保護優(yōu)先區(qū)(圖2),占黃土高原總面積的14.9%。識別的保護優(yōu)先區(qū)主要集中于山地地區(qū),黃土高原的邊界地區(qū)不可替代性值也比較高。不可替代性值在31～35的區(qū)域在未來規(guī)劃保護區(qū)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中將發(fā)揮通道作用,增強區(qū)域間的連通性。保護優(yōu)先區(qū)1內(nèi)主要有北川河源區(qū)保護區(qū)(大通回族土族自治縣),主要保護高原森林生態(tài)系統(tǒng)及白唇鹿、冬蟲夏草等珍稀野生動植物。保護優(yōu)先區(qū)2內(nèi)有興隆山國家級自然保護區(qū)(榆中縣),主要保護森林生態(tài)系統(tǒng)及馬麝等野生動物。保護優(yōu)先區(qū)3內(nèi)主要有六盤山國家級自然保護區(qū),側(cè)重于保護水源涵養(yǎng)林及野生動物等。保護優(yōu)先區(qū)4覆蓋的自然保護區(qū)較多,主要有太白山國家級自然保護區(qū)及黑河濕地省級自然保護區(qū)(周至縣)。野河自然保護區(qū)(扶風縣)主要保護森林生態(tài)系統(tǒng)及金錢豹等珍稀野生動植物。安舒莊自然保護區(qū)(麟游縣)主要保護渭北黃土丘陵溝壑區(qū)典型森林系統(tǒng)及野生動植物。翠屏山市級自然保護區(qū)主要保護人工林和天然灌木林草。保護優(yōu)先區(qū)5主要位于山西省與河南省的交界處,主要覆蓋有陽城蟒河獼猴、歷山、河南黃河濕地、小秦嶺、太行山獼猴等五個國家級自然保護區(qū)。崦山自然保護區(qū)主要保護天然側(cè)柏林生態(tài)系統(tǒng)和爬行類動物,涑水河源頭省級自然保護區(qū)主要保護森林生態(tài)系統(tǒng)。保護優(yōu)先區(qū)6一部分位于山西省，另一部分位于陜西省；山西省內(nèi)現(xiàn)存的保護區(qū)較多,主要有靈空山國家級自然保護區(qū),主要是對油松林和遼東櫟林等暖溫帶落葉闊葉林生態(tài)系統(tǒng)及褐馬雞豹等珍稀野生動物進行保護,而陜西省內(nèi)目前只有韓城黃龍山國家級褐馬雞保護區(qū),主要是對褐馬雞及其生境進行保護。優(yōu)先保護區(qū)7內(nèi)覆蓋的保護區(qū)有桑干河自然保護區(qū)和應(yīng)縣南山省級自然保護區(qū),主要保護對象是華北落葉松林。優(yōu)先保護區(qū)8位于陜西、山西與內(nèi)蒙古的交界處,覆蓋的保護區(qū)有陜西神木縣紅堿淖、神木臭柏保護區(qū)和府谷縣府谷杜松保護區(qū)。優(yōu)先保護區(qū)9主要位于河套平原地區(qū),該保護優(yōu)先區(qū)內(nèi)覆蓋有都斯圖河、鄂托克甘草、鄂托克恐龍遺跡化石、西鄂爾多斯、白音恩格爾荒漠、大漠沙湖、杭錦淖爾和庫布其沙漠自然保護區(qū)。保護優(yōu)先區(qū)10主要有紅寺堡自然保護區(qū)、寧夏羅山國家級自然保護區(qū)和的石峽溝泥盆系剖面省級自然保護區(qū)。

3 討論

黃土高原地區(qū)是我國半濕潤地區(qū)向干旱半干旱地區(qū)的過渡區(qū)域,也是溫帶森林與草原帶的交錯帶,屬于多個植物區(qū)系的交匯區(qū),也是生態(tài)脆弱區(qū)，植被類型較為多樣,但是總體物種數(shù)量不占優(yōu)勢[20-21]。本研究結(jié)果顯示物種數(shù)量最高的地區(qū)為黃土高原南部,該地區(qū)水熱條件最為豐富,與之近鄰的秦嶺山脈,生物多樣性資源豐富,是我國生物多樣性保護的熱點地區(qū)之一[25]。木本植物物種數(shù)量最少的區(qū)域出現(xiàn)在草原帶,該區(qū)域內(nèi)水熱條件對木本植物的分布有著顯著影響,這是由于在草原地帶森林群落不占優(yōu)勢且僅出現(xiàn)在特定區(qū)域,如水熱條件相對較好的溝谷之中[26]。

截至2016年底,黃土高原地區(qū)共有保護區(qū)141個(中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部http:∥www.mee.gov.cn/stbh/zrbhdjg/),包括國家級和省市級自然保護區(qū),其中國家級自然保護區(qū)的數(shù)量為41個。從地圖上看(圖2),自然保護區(qū)約占總面積的6%左右,遠低于全國水平,而且每個保護區(qū)的面積普遍較小,且分布較為離散,對生物多樣性資源的保護力度有限,對現(xiàn)有自然保護區(qū)進行覆蓋面積上的擴充有較高的必要性。從保護區(qū)類型看,森林生態(tài)系統(tǒng)的保護占主導(dǎo)地位,并有多個保護區(qū)以保護珍禽和大型哺乳動物為主,兼顧水源涵養(yǎng)林以及濕地生態(tài)系統(tǒng)等重要的生態(tài)功能區(qū),各種保護區(qū)類型能夠較好的互為補充。

圖2 黃土高原空間單元不可替代性值與自然保護區(qū)分布

線性規(guī)劃工具Marxan作為一種系統(tǒng)保護規(guī)劃工具,旨在以最小的成本實現(xiàn)生物多樣性保護利益的最大化。本研究識別出10個保護優(yōu)先區(qū),約占黃土高原總面積的14.9%,與當前我國已建立的自然保護區(qū)占國土面積總體比值基本相符[27]。本研究所識別的保護優(yōu)先區(qū)與已建立的保護優(yōu)先區(qū)有著較好的重合度,表明已建立的保護區(qū)在地理位置上能夠較好的代表生物多樣性格局。對現(xiàn)存的自然保護區(qū)進行整合和擴充,是實現(xiàn)黃土高原生物多樣性保護的重要途徑。另外,識別的保護優(yōu)先區(qū)多分布在黃土高原的邊界地區(qū),這是由于黃土高原處于多個植物區(qū)系的交匯帶,與周邊植物區(qū)系的聯(lián)系較為密切,如黃土高原的最南端物種豐富度最高(圖1),該區(qū)域?qū)儆谇貛X植物區(qū)系的北部邊緣,在生物多樣性保護實踐中應(yīng)尤其注意位于邊界地區(qū)的保護優(yōu)先區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)完整性。

我國的國家公園建設(shè)有著其特殊性,已經(jīng)建成的自然保護區(qū)是國家公園的重要基礎(chǔ),并且應(yīng)與現(xiàn)有自然保護地的補充和完善相結(jié)合[7]。系統(tǒng)保護規(guī)劃是自然保護地選址與擴充的重要決策支持工具,在我國也得到了較好的應(yīng)用,如在區(qū)域尺度,Zhang等(2012)利用系統(tǒng)保護規(guī)劃的方法對云南自然保護區(qū)網(wǎng)絡(luò)進行了識別[23],結(jié)果表明增強保護優(yōu)先區(qū)之間的連通性,能更靈活的應(yīng)對土地利用變化與氣候變化。張路等(2015)對海南島以及長江流域兩棲爬行類生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)進行了評價,以建議的保護優(yōu)先區(qū)為基礎(chǔ),建立了各區(qū)域內(nèi)的保護網(wǎng)絡(luò)[28]。本研究中所識別的10個保護優(yōu)先區(qū)是未來自然保護區(qū)補充的重點區(qū)域,不可替代性值較低的區(qū)域(31～35)具備建設(shè)緩沖帶或者生態(tài)廊道的潛力(圖2)。當原始生境發(fā)生變化時,緩沖區(qū)或者生態(tài)廊道能夠起到“踏腳石”作用,對物種的長距離遷移起到輔助作用。以國家公園建設(shè)為契機,重構(gòu)自然保護地體系,能極大地增強自然生態(tài)系統(tǒng)的完整性與代表性[29],將是黃土高原地區(qū)面臨的歷史機遇。

長期以來,黃土高原地區(qū)的生物多樣性保護未得到足夠的重視,已建立的保護區(qū)總面積遠低于全國水平,但是作為重要的植物區(qū)系交匯帶和生態(tài)脆弱區(qū),該地區(qū)生物多樣性保護的形勢緊迫而嚴峻。基于系統(tǒng)保護規(guī)劃識別保護優(yōu)先區(qū)及保護空缺,可以緩解飛速發(fā)展的經(jīng)濟、人口與生物多樣性保護之間的沖突,緩解水資源短缺與植被恢復(fù)的矛盾。對于黃土高原植被恢復(fù)、應(yīng)對氣候變化以及自然保護區(qū)大規(guī)模整合,都有著深遠而重要的意義。