基于系统保护规划的黄土高原木本种子植物保护优先区识别

刘丽君,张明罡

(山西大学 黄土高原研究所,山西 太原 030006)

0 引言

生物多样性是经济持续发展的基础,可以为人类生存提供丰富的物种资源,同时也是生态文明水平的重要标志[1]。生物多样性作为国家的可持续发展的重要战略资源,在我国已经受到高度重视,并取得了积极进展,但其下降趋势仍未得到有效控制,面临一些问题与挑战,所以需要探索有效的方法和提高管理水平来实现更好的保护[2]。黄土高原地处我国幅员中心位置,位于黄河中上游,是黄河下游华北平原与京津地区的生态屏障,也是中华农耕文化的发祥地[3]。随着人口增长、农业发展和城市建设对土地、粮食等需求的不断增加,人们对黄土高原自然资源展开掠夺式开发,导致许多原生植物大多被农作物等取代,草原退化,天然森林分布稀少且分散[4]，加之土质疏松,降水集中,水土流失严重[5]，使得该地区生境破碎化严重同时生物多样性保护也面临严峻形势[6]。

我国于2013年提出“建立国家公园体制”[7],标志着国家公园建设已被作为国家战略加以推进。2017年印发了《建立国家公园体制总体方案》,该体制的实施使得生物多样性的保护从濒危物种的保护上升到整个生态系统的保护[8-10]。目前,我国已经选定了钱江源等10处自然保护区作为“国家公园”体制试点。黄土高原地区资源短缺,尤其是水资源的短缺已经成为制约该区域植被恢复的主要瓶颈。如何实现资源的集约化利用,同时实现生物多样性保护利益的最大化,成为保护生物学家们关注的热点。黄土高原地区保护优先区的识别,对将来生态系统完整性的维持、自然保护区整合以及国家公园理论体系的完善都有着重要的现实意义。

系统保护规划是广泛应用于生物多样性保护的规划方法[11-16],其在区域尺度保护优先区识别中发挥着重要作用,有着广阔的应用前景[17]。其本质是一种线性规划方法,即利用模拟退火算法进行多次迭代,寻找最优解的组合。系统保护规划在实际应用中也具有很大的灵活性,例如:当识别的优先区内的规划单元无法建立保护区时,可以在不增加预算以及保证联通性的情况下选择其他规划单元来替代[18]。本研究利用物种分布模型获取了黄土高原地区木本种子植物的分布范围;基于系统保护规划理论,在物种水平计算规划单元的不可替代性,对保护优先区进行识别,并以现有的自然保护区与保护优先区为基础,拟在黄土高原地区构建生物多样性保护网络。该网络不仅可以使生物多样性得到长期的维护和发展,还可以有效缓解经济建设与生物多样性保护之间的冲突。我国的国家公园建设将对现有的自然保护区进行整合补充,并且充分考虑生态系统的完整性与代表性,本研究的相关结果希望能为黄土高原地区现有自然保护区的整合与补充以及国家公园理论的完善提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄土高原(100°54′—114°33′E,33°43′—41°16′N)位于我国中部偏北,包括内蒙古河套平原和鄂尔多斯高原、甘肃陇中和陇东地区、青海东北部、陕西中北部以及宁夏与山西全境[19]。气候为干旱少雨的大陆性季风气候,且有明显的气候季节差异[20]。植被类型复杂多样,自东南向西北,依次为森林植被、森林草原植被、温性草原植被、荒漠半荒漠植被,是森林向草原过渡区[20-21]。

1.2 物种数据

物种分布数据来源于国家标本资源共享平台(NSII)(http:∥www.nsii.org.cn/2017/home.php)。首先,筛选出采集于黄土高原地区的植物标本记录;其次,为确保数据的准确性,通过中国植物志(http:∥frps.iplant.cn)将植物拉丁名进行校正,避免植物拉丁名的拼写错误;最后,将小样本数据(记录≤5)剔除,因其在物种分布建模中无统计学意义。131 132条记录被保留进行地标化,分辨率为10×10 km,相当于我国行政区划的乡镇级别。整个黄土高原共划分了9 112个栅格。每个栅格中同一个种的存在信息是唯一的,经过筛选整理最后保留的木本植物标本记录有7 200条,分为89科293种。

1.3 环境图层

环境是决定植物物种分布的主导因素,因此本研究主要采用气候因子模拟每个物种的潜在分布区。气候因子主要来源于全球气候数据库WorldClim (http:∥www.worldclim.org)[22],分辨率同样为10×10 km。为避免环境因子间的多重共线性,将黄土高原地区19个生物气候因子进行Spearman秩相关分析,相关性大于0.75[23]且贡献率较小的因子被剔除(表1),最终年平均温度、等温性、最暖月最高温、最冷月最低温、年温度变化范围、气温年较差、年降水量、最干月降水量等7个环境因子被保留用以物种潜在分布区模拟。

表1 保留的环境因子间的相关分析

1.4 物种分布模型构建与检验

采用最大熵(MaxEnt)模型为物种分布建模工具。为避免模型的过度拟合,运行时遵循以下规则:1)物种采集记录数量为5～9的采用线性规则(linear features);2)采集数量为10～14的采用二次方规则(quadratic features);3)采集数量≥15的采用铰链式规则(hinge features)[23]。阈值选取规则如下:敏感性以及特异性相等(物种记录5～9)以及10%训练存在(物种记录≥10)。模型精度的检验采用曲线下面积(AUC)来评估,AUC因不受判断阈值影响,可用于不同模型比较研究。模型的AUC值越大,表示环境变量与预测的物种地理分布模型之间相关性越大,越能将该物种有分布和无分布判别开,其预测效果也就越好[24]。

1.5 系统保护规划

为识别生物多样性保护优先区,首先,将每个物种潜在分布区总面积的25%定为保护目标,9 112个栅格作为规划单元,同时将空间异质性和破碎化值的乘积作为每个保护规划单元的保护成本;其次,利用线性规划工具Marxan计算每个保护规划单元的不可替代性值。再次,调整边界长度修正值(BLM),BLM值越大代表空间单元越离散,破碎化程度越高。将BLM值分为(0,0.000 1,0.001,0.01,0.1,1,10,100,1 000,10 000)10个等级进行100次运算,当BLM=1时,边界值开始下降,而总面积快速增加,所以将BLM确定为1。最后,设置模型运行100次,木本植物选取不可替代性值大于35空间单元的作为保护优先区。

2 结果

物种潜在分布区模拟结果有293种木本植物AUC值高于0.75,将293种木本植物的潜在分布区图层进行叠加,得到黄土高原木本种子植物的物种丰富度地图(图1),物种丰富度划分为10个等级。其中当前气候下预测的黄土高原木本植物最高丰富度为216,主要集中于南部边界的陕西和河南省(秦岭北部),中条山、吕梁山、太行山、日月山次之。物种丰富度最低的单元有23个物种,集中于内蒙古和宁夏,整体趋势是南高北低。

图1 黄土高原地区木本植物物种丰富度格局

将不可替代性值大于35的被选作保护优先区,共10个保护优先区(图2),占黄土高原总面积的14.9%。识别的保护优先区主要集中于山地地区,黄土高原的边界地区不可替代性值也比较高。不可替代性值在31～35的区域在未来规划保护区网络构建中将发挥通道作用,增强区域间的连通性。保护优先区1内主要有北川河源区保护区(大通回族土族自治县),主要保护高原森林生态系统及白唇鹿、冬虫夏草等珍稀野生动植物。保护优先区2内有兴隆山国家级自然保护区(榆中县),主要保护森林生态系统及马麝等野生动物。保护优先区3内主要有六盘山国家级自然保护区,侧重于保护水源涵养林及野生动物等。保护优先区4覆盖的自然保护区较多,主要有太白山国家级自然保护区及黑河湿地省级自然保护区(周至县)。野河自然保护区(扶风县)主要保护森林生态系统及金钱豹等珍稀野生动植物。安舒庄自然保护区(麟游县)主要保护渭北黄土丘陵沟壑区典型森林系统及野生动植物。翠屏山市级自然保护区主要保护人工林和天然灌木林草。保护优先区5主要位于山西省与河南省的交界处,主要覆盖有阳城蟒河猕猴、历山、河南黄河湿地、小秦岭、太行山猕猴等五个国家级自然保护区。崦山自然保护区主要保护天然侧柏林生态系统和爬行类动物,涑水河源头省级自然保护区主要保护森林生态系统。保护优先区6一部分位于山西省，另一部分位于陕西省；山西省内现存的保护区较多,主要有灵空山国家级自然保护区,主要是对油松林和辽东栎林等暖温带落叶阔叶林生态系统及褐马鸡豹等珍稀野生动物进行保护,而陕西省内目前只有韩城黄龙山国家级褐马鸡保护区,主要是对褐马鸡及其生境进行保护。优先保护区7内覆盖的保护区有桑干河自然保护区和应县南山省级自然保护区,主要保护对象是华北落叶松林。优先保护区8位于陕西、山西与内蒙古的交界处,覆盖的保护区有陕西神木县红碱淖、神木臭柏保护区和府谷县府谷杜松保护区。优先保护区9主要位于河套平原地区,该保护优先区内覆盖有都斯图河、鄂托克甘草、鄂托克恐龙遗迹化石、西鄂尔多斯、白音恩格尔荒漠、大漠沙湖、杭锦淖尔和库布其沙漠自然保护区。保护优先区10主要有红寺堡自然保护区、宁夏罗山国家级自然保护区和的石峡沟泥盆系剖面省级自然保护区。

3 讨论

黄土高原地区是我国半湿润地区向干旱半干旱地区的过渡区域,也是温带森林与草原带的交错带,属于多个植物区系的交汇区,也是生态脆弱区，植被类型较为多样,但是总体物种数量不占优势[20-21]。本研究结果显示物种数量最高的地区为黄土高原南部,该地区水热条件最为丰富,与之近邻的秦岭山脉,生物多样性资源丰富,是我国生物多样性保护的热点地区之一[25]。木本植物物种数量最少的区域出现在草原带,该区域内水热条件对木本植物的分布有着显著影响,这是由于在草原地带森林群落不占优势且仅出现在特定区域,如水热条件相对较好的沟谷之中[26]。

截至2016年底,黄土高原地区共有保护区141个(中华人民共和国生态环境部http:∥www.mee.gov.cn/stbh/zrbhdjg/),包括国家级和省市级自然保护区,其中国家级自然保护区的数量为41个。从地图上看(图2),自然保护区约占总面积的6%左右,远低于全国水平,而且每个保护区的面积普遍较小,且分布较为离散,对生物多样性资源的保护力度有限,对现有自然保护区进行覆盖面积上的扩充有较高的必要性。从保护区类型看,森林生态系统的保护占主导地位,并有多个保护区以保护珍禽和大型哺乳动物为主,兼顾水源涵养林以及湿地生态系统等重要的生态功能区,各种保护区类型能够较好的互为补充。

图2 黄土高原空间单元不可替代性值与自然保护区分布

线性规划工具Marxan作为一种系统保护规划工具,旨在以最小的成本实现生物多样性保护利益的最大化。本研究识别出10个保护优先区,约占黄土高原总面积的14.9%,与当前我国已建立的自然保护区占国土面积总体比值基本相符[27]。本研究所识别的保护优先区与已建立的保护优先区有着较好的重合度,表明已建立的保护区在地理位置上能够较好的代表生物多样性格局。对现存的自然保护区进行整合和扩充,是实现黄土高原生物多样性保护的重要途径。另外,识别的保护优先区多分布在黄土高原的边界地区,这是由于黄土高原处于多个植物区系的交汇带,与周边植物区系的联系较为密切,如黄土高原的最南端物种丰富度最高(图1),该区域属于秦岭植物区系的北部边缘,在生物多样性保护实践中应尤其注意位于边界地区的保护优先区的生态系统完整性。

我国的国家公园建设有着其特殊性,已经建成的自然保护区是国家公园的重要基础,并且应与现有自然保护地的补充和完善相结合[7]。系统保护规划是自然保护地选址与扩充的重要决策支持工具,在我国也得到了较好的应用,如在区域尺度,Zhang等(2012)利用系统保护规划的方法对云南自然保护区网络进行了识别[23],结果表明增强保护优先区之间的连通性,能更灵活的应对土地利用变化与气候变化。张路等(2015)对海南岛以及长江流域两栖爬行类生物多样性保护优先区进行了评价,以建议的保护优先区为基础,建立了各区域内的保护网络[28]。本研究中所识别的10个保护优先区是未来自然保护区补充的重点区域,不可替代性值较低的区域(31～35)具备建设缓冲带或者生态廊道的潜力(图2)。当原始生境发生变化时,缓冲区或者生态廊道能够起到“踏脚石”作用,对物种的长距离迁移起到辅助作用。以国家公园建设为契机,重构自然保护地体系,能极大地增强自然生态系统的完整性与代表性[29],将是黄土高原地区面临的历史机遇。

长期以来,黄土高原地区的生物多样性保护未得到足够的重视,已建立的保护区总面积远低于全国水平,但是作为重要的植物区系交汇带和生态脆弱区,该地区生物多样性保护的形势紧迫而严峻。基于系统保护规划识别保护优先区及保护空缺,可以缓解飞速发展的经济、人口与生物多样性保护之间的冲突,缓解水资源短缺与植被恢复的矛盾。对于黄土高原植被恢复、应对气候变化以及自然保护区大规模整合,都有着深远而重要的意义。