謝宗強(qiáng) ,張玉鈞 ,王義強(qiáng) ,葛結(jié)林 ,徐文婷 ,熊高明 ,徐 凱,毛江濤,陳思淇,馮 致

(1.中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100093;2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 101408;3.北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 北京 100083;4.中南林業(yè)科技大學(xué)林業(yè)生物技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長沙 410004)

鄉(xiāng)村生態(tài)景觀是自然景觀在人類經(jīng)營活動作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榇彐?zhèn)建筑物、道路、綠化及殘存斑塊等構(gòu)成的空間鑲嵌體[1-2]。它受自然環(huán)境條件的制約,又是人類通過較完善的生物和技術(shù)活動,對鄉(xiāng)村土地長期或周期性經(jīng)營利用的結(jié)果,可以視為自然景觀、農(nóng)業(yè)景觀、聚落景觀和人文景觀相互作用形成的景觀環(huán)境綜合體(圖1)。生物多樣性是指生物及其環(huán)境形成的生態(tài)復(fù)合體以及與此相關(guān)的各種生態(tài)過程的綜合,是鄉(xiāng)村生態(tài)景觀的重要組分,無論在鄉(xiāng)村自然景觀、生產(chǎn)景觀還是鄉(xiāng)村聚落景觀,它都是不可缺少的,同時也為鄉(xiāng)村生態(tài)、生產(chǎn)、生活居住等方面提供了必不可少的服務(wù)功能,如農(nóng)業(yè)生物蟲害控制、農(nóng)作物傳粉、抵抗外來入侵物種、鄉(xiāng)村生態(tài)環(huán)境美化等[3-9]。生物多樣性與鄉(xiāng)村景觀其他諸要素的協(xié)同作用維持了鄉(xiāng)村生態(tài)景觀的穩(wěn)定性。

圖1 鄉(xiāng)村景觀的生態(tài)要素與人類經(jīng)營活動的協(xié)同關(guān)系[2]Fig.1 Collaborative relationship between ecological elements of rural landscape and human management activities[2]

近幾十年來,鄉(xiāng)村生物多樣性由于人為干擾強(qiáng)度增加和重視不足而呈現(xiàn)快速衰退,并導(dǎo)致農(nóng)業(yè)病蟲害增加、鄉(xiāng)村人居環(huán)境質(zhì)量下降等生態(tài)惡果[7,10]。生態(tài)大保護(hù)和城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn),使自然保護(hù)地、荒野地和城市生物多樣性的科學(xué)研究迅猛發(fā)展[11-13],現(xiàn)有生物多樣性保護(hù)和維持技術(shù)多來自于自然保護(hù)地和城市的生物多樣性研究。鄉(xiāng)村地區(qū)的生物多樣性特征明顯區(qū)別于城市和自然區(qū)域[14-15],但目前對鄉(xiāng)村景觀要素和干擾因子對生物多樣性的影響缺乏深入了解[4,16-20],以生物多樣性穩(wěn)定維持為原則指導(dǎo)鄉(xiāng)村生態(tài)景觀營造的研究相對欠缺[21-23]。這些不足阻礙了生物多樣性維護(hù)的優(yōu)良技術(shù)在鄉(xiāng)村振興和美麗中國建設(shè)過程中的傳承和推廣。

本研究在國家重點(diǎn)研發(fā)計劃課題“鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性維護(hù)技術(shù)研究”的引領(lǐng)下,分析了鄉(xiāng)村生物多樣性變化規(guī)律和驅(qū)動機(jī)制,研發(fā)了面向鄉(xiāng)村“三生(生態(tài)、生產(chǎn)、生活)空間”的生物多樣性多尺度全鏈條“識別-維護(hù)-預(yù)警”技術(shù)體系。

1 鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性維護(hù)技術(shù)研發(fā)思路

選擇典型地域代表性鄉(xiāng)村-福建三明?？诖搴湍暇┙瓕幣品簧鐓^(qū),采用實(shí)地調(diào)查、分子遺傳標(biāo)記、無人機(jī)航拍、高光譜影像等技術(shù),分基因、物種和生態(tài)系統(tǒng)3 個層次調(diào)查生物多樣性。針對特定鄉(xiāng)村重要種質(zhì)資源、關(guān)鍵物種組成以及關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)要素建立生物多樣性數(shù)據(jù)庫,從遺傳、物種和生態(tài)系統(tǒng)等方面分析鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性特征及其維持機(jī)制。通過整合現(xiàn)代科學(xué)和傳統(tǒng)鄉(xiāng)土知識,研發(fā)鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性維護(hù)途徑與技術(shù),形成鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性維護(hù)基礎(chǔ)方法體系和技術(shù)規(guī)范?；谌丝?、社會和經(jīng)濟(jì)等多源數(shù)據(jù),利用大數(shù)據(jù)、遙感、信息化建模等技術(shù)手段,構(gòu)建鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性維護(hù)監(jiān)控平臺并建立分層決策機(jī)制,實(shí)現(xiàn)對鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性維護(hù)監(jiān)控和預(yù)警(圖2)。

圖2 鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性維護(hù)研究技術(shù)研發(fā)思路Fig.2 Research and development framework for rural ecological landscape biodiversity maintenance technology

2 鄉(xiāng)村生態(tài)景觀多尺度生物多樣性識別與鄉(xiāng)村植被制圖技術(shù)

鄉(xiāng)村生物多樣性通常與地方習(xí)俗、傳統(tǒng)文化緊密相關(guān),體現(xiàn)著獨(dú)特的鄉(xiāng)村生態(tài)觀,蘊(yùn)含著一方水土一方人的人地依戀關(guān)系。現(xiàn)有民族植物和鄉(xiāng)村植物的研究多聚焦于某一領(lǐng)域的單一類別物種,未能將鄉(xiāng)村景觀涉及的鄉(xiāng)土植物及其土著知識進(jìn)行合理分類,導(dǎo)致鄉(xiāng)土物種篩選困難。同時,由于鄉(xiāng)村景觀破碎化嚴(yán)重,生態(tài)系統(tǒng)分布零散且分類困難,導(dǎo)致現(xiàn)有鄉(xiāng)村生態(tài)系統(tǒng)空間分布圖精度不高,難以滿足鄉(xiāng)村生態(tài)景觀保護(hù)的現(xiàn)實(shí)需求。為此,本課題以基因、物種和生態(tài)系統(tǒng)為對象,構(gòu)建了多尺度鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性檢測、篩選、分類和植被空間制圖的方法。

2.1 基因多樣性檢測與評價方法

綜合利用形態(tài)和ISSR (inter-simple sequence repeat)分子標(biāo)記技術(shù),構(gòu)建了一套適用于鄉(xiāng)村生態(tài)景觀基因多樣性檢測與評價方法(圖3)。具體流程為:1)測定分析鄉(xiāng)村生態(tài)景觀關(guān)鍵種表型特征數(shù)據(jù);2)依據(jù)國際公用核酸序列數(shù)據(jù)庫篩選通用ISSR 分子標(biāo)記引物;3) ISSR-PCR 反應(yīng)體系優(yōu)化與多態(tài)性位點(diǎn)擴(kuò)增;4)基于形態(tài)標(biāo)記和ISSR 分子標(biāo)記多態(tài)性位點(diǎn)數(shù)據(jù),計算表型多樣性指數(shù)和基因多樣性指數(shù);5)依據(jù)基因多樣性水平評價標(biāo)準(zhǔn),對鄉(xiāng)村生態(tài)景觀關(guān)鍵種基因多樣性水平進(jìn)行評價。該方法適用于鄉(xiāng)村生態(tài)景觀基因多樣性檢測與評價,具有準(zhǔn)確、快速和實(shí)用的特點(diǎn)。

圖3 基于形態(tài)標(biāo)記和ISSR 分子標(biāo)記技術(shù)的鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物基因多樣性檢測方法Fig.3 Genetic diversity detection method of rural ecological landscape biodiversity based on morphological markers and ISSR molecular marker technology

2.2 關(guān)鍵物種歸類及定量評價方法

根據(jù)鄉(xiāng)村物種資源特點(diǎn),構(gòu)建了一套適用于鄉(xiāng)村生態(tài)景觀的目標(biāo)物種篩選方法體系,具體流程為:1)關(guān)鍵物種文獻(xiàn)研究;2)開展鄉(xiāng)村社區(qū)調(diào)查,包括參與式研究、半結(jié)構(gòu)訪談;3)地方知識整理、語言轉(zhuǎn)換和科學(xué)詢證;4)關(guān)鍵物種篩選(圖4)。根據(jù)目標(biāo)物種與鄉(xiāng)村景觀生態(tài)利用關(guān)系,將鄉(xiāng)村物種劃分為3 大類24 小類。3 大類分別為生計功能型植物、文化賦予型植物和生態(tài)保護(hù)型植物,其中生計功能型劃分為地方生活型和地方生產(chǎn)型。進(jìn)一步細(xì)分小類,得到24 種鄉(xiāng)村關(guān)鍵植物物種類型。

圖4 鄉(xiāng)村生態(tài)景觀關(guān)鍵物種的篩選方法體系Fig.4 Screening method system for key species in rural ecological landscapes

2.3 鄉(xiāng)村植被分類體系

充分考慮鄉(xiāng)村“三生空間”的不同特點(diǎn),構(gòu)建了1 套包含9 個分類等級單位的鄉(xiāng)村植被分類系統(tǒng)(圖5)。該系統(tǒng)將鄉(xiāng)村植被劃分為自然與半自然植被、農(nóng)業(yè)植被、綠地植被3 個植被類型,每類植被進(jìn)一步劃分為植被型組、植被型、植被亞型、群系組、群系、亞群系、群叢組、群叢8 個分類等級單位;確定了農(nóng)業(yè)植被中級和低級分類單位劃分方案,界定了綠地植被的概念,提出了一套對農(nóng)業(yè)植被和綠地植被各分類單位的命名方法。

2.4 鄉(xiāng)村植被空間制圖技術(shù)

提出了一種基于特征組合實(shí)現(xiàn)高分辨率遙感影像植被信息提取的技術(shù),開發(fā)了面向?qū)ο蟮亩喙庾V影像鄉(xiāng)村植被制圖技術(shù)并在示范點(diǎn)成功應(yīng)用(圖6)。該植被制圖技術(shù)提取的鄉(xiāng)村植被精度優(yōu)于支持向量機(jī)分類、K 最近鄰分類和單純用波段特征分類等方法,很好地詮釋了鄉(xiāng)村生態(tài)景觀植被型組、植被型和群系之間的空間聯(lián)系。

圖6 鄉(xiāng)村生態(tài)景觀植被空間制圖技術(shù)Fig.6 Spatial mapping technology of vegetation in rural ecological landscapes

3 鄉(xiāng)村生態(tài)景觀多尺度生物多樣性維護(hù)技術(shù)體系

通過對典型鄉(xiāng)村生物多樣性的調(diào)查研究,揭示了人為和自然因素在鄉(xiāng)村生物多樣性維持中的重要作用。在此基礎(chǔ)上,針對鄉(xiāng)村“三生空間”生物多樣性,系統(tǒng)總結(jié)提煉了鄉(xiāng)村生態(tài)景觀基因、物種和生態(tài)系統(tǒng)3 個層次生物多樣性維護(hù)技術(shù)要求和具體方法,形成3 套生物多樣性維護(hù)技術(shù)規(guī)范。

3.1 基因多樣性維護(hù)技術(shù)

提出了鄉(xiāng)村生態(tài)景觀關(guān)鍵種種質(zhì)資源保存的3 類保護(hù)方法(即原地保存、遷地保存和設(shè)施保存),制定了鄉(xiāng)村生態(tài)景觀關(guān)鍵種基因多樣性5 類維護(hù)技術(shù)措施(即種群規(guī)模的維護(hù)、種群遺傳結(jié)構(gòu)的維護(hù)、種群間基因流的維護(hù)、避免種群內(nèi)近交衰退和避免種群遺傳漂變)以及對稀有關(guān)鍵種和古樹名木的保護(hù)方法,形成鄉(xiāng)村生態(tài)景觀關(guān)鍵種基因多樣性維護(hù)技術(shù)規(guī)范(圖7)。該技術(shù)規(guī)定了鄉(xiāng)村生態(tài)景觀關(guān)鍵種基因多樣性維護(hù)內(nèi)容和指標(biāo)、種質(zhì)資源保存方法和技術(shù)措施等內(nèi)容,適用于鄉(xiāng)村生態(tài)景觀關(guān)鍵種種質(zhì)資源保存和基因多樣性維護(hù)和提升。

圖7 鄉(xiāng)村生態(tài)景觀基因多樣性維護(hù)技術(shù)框架Fig.7 Technical framework for maintaining genetic diversity of rural ecological landscapes

3.2 物種多樣性維護(hù)技術(shù)

系統(tǒng)性提出鄉(xiāng)村生態(tài)景觀營造中的物種多樣性維護(hù)技術(shù)(圖8)。1)在村域尺度上,從城鄉(xiāng)空間規(guī)劃、村域物種多樣性保護(hù)空間格局、鄉(xiāng)村生態(tài)空間、鄉(xiāng)村生產(chǎn)空間、鄉(xiāng)村生活空間5 個層面總結(jié)了鄉(xiāng)村物種多樣性維護(hù)總體技術(shù)要求。2)在村域內(nèi),針對鄉(xiāng)村生態(tài)景觀不同要素分別提出物種多樣性維護(hù)技術(shù),具體包括鄉(xiāng)村農(nóng)田的景觀空間格局優(yōu)化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)優(yōu)化、生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展等,鄉(xiāng)村居民點(diǎn)的合理布局、四旁綠化提升等,鄉(xiāng)村園地的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建、園地林木管理等,鄉(xiāng)村水域的空間管控、河道護(hù)岸的生態(tài)環(huán)境優(yōu)化、濱水動植物多樣性維護(hù)、污水排放控制等,鄉(xiāng)村林地的林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化、林地連通性提升、高價值林地維護(hù)、天然林保育、人工林的科學(xué)種植、荒地利用強(qiáng)化等。3)從相關(guān)傳統(tǒng)生態(tài)知識調(diào)查與保護(hù)、鄉(xiāng)村文化景觀整體保護(hù)、鄉(xiāng)村文化林物種多樣性維護(hù)、鄉(xiāng)村關(guān)鍵物種的可持續(xù)利用等4 個層面提煉了鄉(xiāng)村物種相關(guān)傳統(tǒng)文化知識的維護(hù)技術(shù)。本技術(shù)適用于亞熱帶氣候區(qū)以村為單位的鄉(xiāng)村物種多樣性維護(hù)。

圖8 鄉(xiāng)村生態(tài)景觀物種多樣性維護(hù)技術(shù)框架Fig.8 Technical framework for species diversity maintenance of rural ecological landscape

3.3 生態(tài)系統(tǒng)多樣性維護(hù)技術(shù)

通過對生態(tài)保護(hù)型和休閑旅游型兩類鄉(xiāng)村的生態(tài)系統(tǒng)多樣性調(diào)查分析,總結(jié)出鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生態(tài)系統(tǒng)多樣性維護(hù)具體技術(shù)要求、實(shí)現(xiàn)途徑和方法,形成生態(tài)系統(tǒng)多樣性維護(hù)技術(shù)(圖9)。具體包括: 景觀設(shè)計中鄉(xiāng)村的三生空間優(yōu)化布局和景觀格局網(wǎng)絡(luò)化配置;在鄉(xiāng)村生態(tài)區(qū)對自然生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、半自然生態(tài)系統(tǒng)培育、人工林多重經(jīng)營和受損生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的技術(shù)要求;生產(chǎn)區(qū)的農(nóng)田集中經(jīng)營、蔬菜種植園及池塘水體的綜合利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)道路系統(tǒng)的設(shè)計與持續(xù)利用;生活區(qū)宅旁庭院、村旁、聚落的綠地和散生木的管護(hù)以及水旁生態(tài)系統(tǒng)的配置;鄉(xiāng)土政策適應(yīng)性管理和村規(guī)民約傳承要求。該技術(shù)詳細(xì)規(guī)定了鄉(xiāng)村生態(tài)景觀各種類型生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)要求、注意事項(xiàng),主要適用于亞熱帶氣候區(qū)鄉(xiāng)村的生態(tài)系統(tǒng)多樣性維護(hù)。

圖9 基于三生空間的鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生態(tài)系統(tǒng)多樣性維護(hù)技術(shù)框架Fig.9 Technical framework for diversity maintenance of rural ecological landscape ecosystem based on ecological-production-living space

4 鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性監(jiān)控預(yù)警機(jī)制

在融合鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性影響機(jī)制和維護(hù)技術(shù)成果基礎(chǔ)上,通過多源數(shù)據(jù)處理技術(shù)對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)開展歸一化處理,建成鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性預(yù)警數(shù)據(jù)庫;采用國產(chǎn)自主研發(fā)的云GIS 服務(wù)GMServer,使用跨平臺開發(fā)語言JAVA 和vue node.js、element-ui 技術(shù),搭建了鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性監(jiān)控預(yù)警平臺;構(gòu)建了基于“驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)”概念框架生物多樣性預(yù)警機(jī)制模型,制定了多層次生物多樣性維護(hù)預(yù)警指標(biāo)體系及其評價方法,采用閾值法對鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性維護(hù)開展分級預(yù)警,根據(jù)預(yù)警等級建立了分層決策機(jī)制,從而形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生物多樣性監(jiān)控預(yù)警機(jī)制(圖10)。

圖10 鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性預(yù)警機(jī)制框架Fig.10 A framework for early-warning of biodiversity in rural ecological landscapes

5 鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性“識別-維護(hù)-預(yù)警”技術(shù)體系集成及其應(yīng)用展望

面向“山水林田湖草+人居”的生命綜合體,針對鄉(xiāng)村“三生空間”中生物多樣性維持缺乏可復(fù)制和推廣的技術(shù)規(guī)范和方法體系問題,在多尺度生物多樣性的識別與分類、保存與維護(hù)、監(jiān)控與預(yù)警等技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行集成,形成鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性多尺度全鏈條“識別-維護(hù)-預(yù)警”技術(shù)體系(圖11),系統(tǒng)性解決了鄉(xiāng)村生態(tài)景觀營造中生物多樣性的鑒別、配置和維護(hù)技術(shù)缺失問題,實(shí)現(xiàn)了鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性的可監(jiān)控、可預(yù)警。

圖11 鄉(xiāng)村生態(tài)景觀生物多樣性多尺度全鏈條“識別-維護(hù)-預(yù)警”技術(shù)體系及其在綠色宜居鄉(xiāng)村建設(shè)中的應(yīng)用Fig.11 Multi-scale and whole chain “identification-maintenance-warning” technology system for rural ecological landscape biodiversity and its application in the construction of green and livable rural areas

該技術(shù)為綠色宜居鄉(xiāng)村建設(shè)中鄉(xiāng)土植物的遴選與配置、生態(tài)景觀的營造模式創(chuàng)建與應(yīng)用提供“師法自然”的成套方案,為鄉(xiāng)村生物多樣性維護(hù)的分級響應(yīng)、精準(zhǔn)施策和高效管理提供了信息化平臺和決策支持,在避免鄉(xiāng)村建設(shè)“千村一面”趨勢、助推生物多樣性維護(hù)與鄉(xiāng)村振興協(xié)同發(fā)展方面將發(fā)揮應(yīng)有的作用。

致謝感謝國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“鄉(xiāng)村生態(tài)景觀營造關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目組各位同仁在課題執(zhí)行期間提供的支持,感謝福建三明市將樂縣林業(yè)局和?？诖宕迕裎瘑T會、江蘇南京牌坊社區(qū)在野外調(diào)查過程中提供的幫助。