基于目标对照样本的自然保护地保护成效评估：以梵净山冷杉群落为例

2022-02-27王志学刘方正李海波杜金鸿李维东

环境科学研究 2022年2期

王志学，刘方正，李海波，杜金鸿，李维东，王伟*

1.中国环境科学研究院，国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，北京 100012

2.中国环境科学研究院生物多样性研究中心，北京 100012

3.贵州梵净山国家级自然保护区管理局，贵州江口 554400

自然保护地是由各级政府依法划定或确认，对重要的自然生态系统、自然遗迹、自然景观及其所承载的自然资源、生态功能和文化价值实施长期保护的陆域或海域[1].建立自然保护地是保护生物多样性最直接、有效的方法[2-3].然而，尽管对于实现“爱知生物多样性目标”(Aichi Biodiversity Targets)第11 条，即到2020 年保护至少17%的陆地和内陆水域以及至少10%的沿海和海洋区域这一全球目标方面已取得相当大的进展，但是全球生物多样性仍在继续下降[4-5].相较于快速增长的自然保护地数量，保护地内管理不力、制度不健全等问题的累积制约着其保护效果[6-7].因此，在保护地开展成效评估可以判断其在多大程度上实现了当初设定的保护目标，及时发现问题并进行调整，以保证其保护的有效性[8-9].

自然保护地保护成效是用来表征自然保护地在保护主要保护对象、维持生物多样性以及保障生态系统服务等方面的综合效果[10].目前，关于自然保护地保护成效的研究已逐渐成为全球热点问题之一，且已有研究表明自然保护地在保护一些重要的生态系统及重点物种等方面已取得一定成效[3,10-11].然而，过去在进行保护成效评估时，由于缺乏科学的评估标准，研究者往往只关注其相对变化情况[12-14]，忽视了保护目标的确定及现状值与目标值之间的差异；此外，单纯通过指标状态及变化量大小来衡量保护成效可能会存在一定偏差，通过设定目标值，则能更准确地判断保护的真实情况.近年来，为保证自然保护地成效评估的有效性，一些学者围绕“基线”[15-17]、“阈值”、“理想参照系”[18]等问题展开研究，强调了在保护地内做评估时确定一套目标值的必要性；世界自然保护联盟(International Union for Conservation of Nature,IUCN)、世界自然保护地委员会(World Commission of Protected Areas,WCPA)以及自然保护地相关领域的各国专家针对提升自然保护地的状况和管理有效性制定出《IUCN 自然保护地绿色名录全球标准》，提出要对各项评估指标设定一个阈值水平并进行评估，如果该阈值水平得以实现，则可以客观地证实相关主要价值已得到成功保护；此外，关于自然保护地保护成效评估指标体系方面的研究也是国内外关注的热点[18-20]，并在此基础上提出反映自然保护地物种及生态系统趋势的实地监测需求[21].但综合来看，目前关于“阈值”或“理想参照系”的研究仍缺少具体实践，在如何确定保护目标、选取合适的评估指标以及衡量当前状态与目标值之间差异等方面相对不足.

为此，该研究在当前自然保护地保护成效评估现状的基础上，通过设定目标值对评估方法进行优化，提出一种基于目标对照样本的自然保护地保护成效评估方法.为验证该评估方法的可行性，以梵净山国家级自然保护区核心区内的梵净山冷杉群落样地为示范进行案例研究，以梵净山冷杉近熟群落样地为评估试验样本，以相似生境因子背景下的梵净山冷杉成熟群落样地为目标对照样本，通过比较两个样本下梵净山冷杉的胸径与重要值、生态位宽度及群落的物种多样性指数等指标的年际变化及其差异，评估梵净山保护区对梵净山冷杉近熟群落样地的保护成效.与通常将评估试验样本与空白对照样本(即评估对象未受到保护的状态)进行比较的评估方法相比，该研究方法可以进一步确定现状值与理想状态下的差距，以期为自然保护地保护成效评估在方法框架与指标选取等方面提供参考借鉴.

1 材料与方法

1.1 研究方法

该研究提出在评估前首先识别目标对照样本并以此作为参照，通过比较评估试验样本现状值与目标对照样本目标值之间的差异，为掌握主要保护对象的状态和变化趋势提供参考依据.

该研究提出的自然保护地保护成效评估方法流程如图1 所示.

样本选取.在对自然保护地主要保护对象的评估试验样本进行保护成效评估前，首先通过匹配方法(matching)，在研究区域内找到与评估试验样本的各生境条件均相近的目标对照样本，即该保护对象被保护到最好的一种理想状态.

评估指标选取与分析.根据被评估样本的特征选取合适的评估指标.基于选取的评估指标对两个样本分别进行评判，根据样本自身特征选择不同的趋势分析方法和差异检验方法.

形成评估结果.通过对两个样本的分析，以目标对照样本的各项指标为参照，对比评估试验样本与目标对照样本之间的差异，从而判断评估试验样本的保护成效.

1.2 案例研究

为验证上述评估方法的可行性，以梵净山国家级自然保护区核心区内的梵净山冷杉群落样地为示范进行案例研究.以梵净山冷杉近熟群落样地为评估试验样本，以相似生境因子背景下的梵净山冷杉成熟群落样地为目标对照样本，选取梵净山冷杉的平均胸径与重要值、生态位宽度及群落的物种多样性指数等指标作为表征保护成效的指标，通过2006−2011 年样地的连续监测数据，比较评估试验样本与目标对照样本的状况、年际变化及其差异.

1.2.1 研究区域概况

梵净山国家级自然保护区位于贵州省东北部的江口、松桃、印江3 县交界处，地处云贵高原向湘西丘陵过渡的斜坡地带上，地理位置为27°49′50″N～28°01′30″N、108°45′55″E～108°48′30″E.保护区总面积419 km2，东西宽21 km，南北长27 km，海拔高程在500～2 572 m 之间，高差大于2 000 m.以凤凰山、金顶的峡谷地形为中心，四周分布着低中山、低山和丘陵[22].该地区属于中亚热带季风湿润气候，温润多雨，年均气温变化范围为6～17 ℃，年均降水量介于1 100～2 600 mm 之间[23]，且降雨一般集中在4−9 月，年均相对湿度在80%以上[24].保护区内植被分为自然植被和人工植被，全区森林覆盖率达95%，主要的植被类型有常绿阔叶林、落叶阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、针叶林及针阔混交林[25].土壤类型多样，且在垂直分布上具有明显的规律性，即从下至上依次为山地黄红壤、山地黄壤、山地黄棕壤、山地暗褐色矮林土、山地灌丛草甸土.其中，分布面积最大的为山地黄壤和山地黄棕壤，其次为山地黄红壤，最少的为山地暗褐色矮林土和山地灌丛草甸土[26].梵净山保护区内冲沟密布，水系呈典型的放射状向四周分流.此外，区内物种资源十分丰富，拥有6 000 多种不同类型的动植物和100 多种特有物种[27]，是梵净山冷杉在地球上的唯一栖息地，具有不可复制性和替代性.

1.2.2 样本选取

为评估梵净山保护区对天保样地中处于近熟状态的梵净山冷杉群落样地(评估试验样本)的保护成效，该研究首先选取成熟年龄结构的梵净山冷杉群落样地作为目标对照样本.两个样地均位于保护区的核心区，且海拔高度、坡度、坡向及土壤类型等生境因子相近(见表1).样地面积为20 m × 20 m，其水平边沿等高线设置，周围设防护带，四角埋水泥桩，便于长期定位.两个样地均被划分成16 个5 m × 5 m 的样方，并在每个交叉点埋入30 cm 左右高的木棍，木棍上涂红油漆作标记，便于今后调查.在样地界线外，对胸径大于5 cm 的树木在面向样地一侧作明显记号，标明样地周围的明显地物，拍样地照片；在样地界线内，对胸径大于5 cm 的树木进行每木调查，在其测量胸径处作环状标记，并逐一标志、编号，测定其胸径、树高、枝下高、冠幅、坐标，并鉴定物种.该研究采用2006−2011 年样地的连续监测数据，对选取样本的状况、年际变化及其差异进行比较.

表1 评估试验样本和目标对照样本的生境因子Table 1 The habitat factors of the assessment experimental sample and the target control sample

1.2.3 评估指标选取与分析

1.2.3.1 评估指标选取

植物群落是生活在一定区域内所有植物个体之间通过相互依存、相互结合或相互排斥而形成的一个有规律的生态结合体，而群落动态会影响生物多样性[28].目前，已有研究[29-30]对处于两个不同发育阶段的群落进行过特征比较，在众多的生态学指标中，物种平均胸径与重要值、物种生态位、物种多样性指数等单指标或其组合多被提及，常用于物种组成及群落结构评价[31-34]或生态系统评价[35]等研究中.胸径作为林分结构变量之一，其变化与群落动态密切相关[36].重要值作为研究某物种在群落中的地位和作用的综合数量指标，是群落结构的重要指标之一，可用来表示物种在群落中的相对重要性和对所处群落的适应程度[37].生态位是指每个个体或种群在种群或群落中的时空位置及功能关系，其在种群生态和群落生态的相关研究中很重要.生态位宽度可在一定程度上表现物种对资源多样性的利用能力及对环境的适应能力[38].一般而言，物种的生态位越宽，其利用资源的能力越强，对环境的适应能力越大[39].物种多样性是群落功能的主要体现，既可以体现生物与生物、生物与环境之间的关系，也是衡量生物资源丰富程度的一个客观指标[40].基于此，该研究从平均胸径与重要值、生态位宽度、物种多样性等方面构建评估指标体系.

1.2.3.2 评估指标计算

采用森林资源调查标准地调查法计算树种平均胸径(average DBH)，计算公式：

以群落中物种的密度、优势度和频度为单项指标确定相对密度(RA )、相对优势度(RP)和相对频度(RF )，并综合计算物种的重要值(IV)，计算公式[41]：

式中：相对密度为某一物种在样方中的多度与所有物种多度总和之比，%；相对优势度为某一物种在样方中的胸高断面积之和与所有物种胸高断面积总和之比，%；相对频度为某一物种在样方中出现的频度与所有物种频度总和之比，%.

采用Shannon-Wiener 指数公式计算群落物种生态位宽度[42]：

式中：B(SW)i为物种i的生态位宽度，其值域为[0，lnr]；Qij为物种i对资源位j的利用占该物种对所有资源位的利用的比例；nij为物种i对资源位j的利用，该文以物种i在第j样方的重要值表示；Ni为物种i在所有样方的重要值总和；r为资源总位数即样方总数.

采用Shannon-Wiener 多样性指数(H′)、Pielou 均匀度指数(E)、Simpson 优势度指数(C)、Margalef 丰富度指数(DMG)、Patrick 丰富度指数(R)计算群落物种多样性[43].

H′可综合度量群落中物种的数目及其个体分配的均匀度，其值越大，表示群落结构的复杂程度越高，计算公式：

式中，Pi为物种i的重要值，S为样方中总的物种数.

E用于表征一个群落或生境中全部物种的个体数目的分配情况，反映了种属组成的均匀程度，计算公式：

C可综合反映群落中种的优势状况和均匀程度，其值越大，表示群落内优势种的地位越突出，物种数量分布越不均匀，计算公式如下：

DMG可反映一个群落或生境中物种数目的多寡，是以种的数目和全部种的个体总数表示的多样性，计算公式如下：

式中，W为样方中所有物种的个体总数.

R可反映一个群落或生境中种的数目的多寡，是以种的数目表示的多样性，计算公式如下：

1.2.3.3 统计分析

利用2006−2011 年样地的连续监测数据，基于梵净山冷杉平均胸径与重要值、梵净山冷杉生态位宽度及梵净山冷杉所在群落各物种多样性指数共8个指标的计算结果，分别对评估试验样本和目标对照样本的梵净山冷杉群落在各指标上的状态与变化趋势进行评判，并采用Wilcoxon 符号秩检验对两种年龄结构在各指标上的差异进行显著性分析.所有绘图均在Origin Pro 2018 和Rstudio 软件中完成.

2 结果与分析

2.1 群落物种平均胸径与重要值

与目标对照样本(成熟群落样地)相比，评估试验样本(近熟群落样地)中梵净山冷杉的平均胸径与重要值均显著较低(P<0.05)〔见图2(b)(d)〕；同时，两个样本中梵净山冷杉平均胸径与重要值的年际变化均呈增加趋势〔见图2(a)(c)〕.从平均胸径与重要值这2 个指标来看，评估试验样本中群落物种发展相对稳定，一定程度上体现了梵净山保护区核心区对该样地较好的保护成效.

其中，评估试验样本中梵净山冷杉重要值随年际变化表现为极显著增加(P<0.01)，与2006 年(0.266 3)相比，2011 年梵净山冷杉的重要值(0.344 0)增加了29.18%；而目标对照样本中梵净山冷杉重要值表现为显著增加(P<0.05)，重要值随年际变化有小幅波动，2011 年梵净山冷杉的重要值(0.739 6)相比于2006 年(0.670 7)增加了10.27%.可以看出，相比于目标对照样本，虽然评估试验样本中梵净山冷杉的重要值较小，但其在年际间增加的比例更大.

目标对照样本中的梵净山冷杉因为其胸径大，所以其重要值显著大于评估试验样本.这与Kittelson等[44]的研究结论相近，植物物种胸径与年龄结构呈现出显著的正相关关系，且最大的重要值出现在年龄结构较大的树种群体中.所以设定目标对照样本有利于评判评估试验样本中物种现状值与目标值之间的差距.此外，随着演替阶段的推进，植物群落结构往往会变得更加复杂并逐渐形成较为稳定的状态[45-46]，因此成熟群落样地其重要值的变化往往不如近熟群落样地的变化差异显著.

2.2 群落物种生态位宽度

与目标对照样本(成熟群落样地)中梵净山冷杉生态位宽度值相比，评估试验样本(近熟群落样地)中梵净山冷杉的生态位宽度值显著要高(P<0.05)(见图3).从变化来看，评估试验样本中梵净山冷杉的生态位宽度值较为稳定；而目标对照样本中梵净山冷杉的生态位宽度值呈先相对稳定后有所下降的趋势(见表2).

图3 评估试验样本和目标对照样本中梵净山冷杉的生态位宽度值差异比较Fig.3 Difference of niche breadth values of Abies fanjingshanensis in the assessment experimental sample and the target control sample

表2 评估试验样本和目标对照样本中梵净山冷杉的生态位宽度值的年际变化Table 2 Interannual variation of niche breadth values of Abies fanjingshanensis in the assessment experimental sample and the target control sample

以上结果表明，评估试验样本中指标的状态和变化要优于目标对照样本.这可能与近熟群落样地中梵净山冷杉的分布范围更广有很大关系[47]；而且不同物种对环境资源的需求不同，利用程度也不同[48].梵净山冷杉其种内竞争大于种间竞争，且所处群落内的竞争强度较大[49].近熟群落样地中梵净山冷杉的种内竞争强度及与其他物种对生境资源的竞争强度可能小于成熟群落样地，使得近熟群落样地中梵净山冷杉的生态位宽度值较大.同时，由于梵净山冷杉自身的生物学和生态学特性，其对群落生境的要求较为严格，因此成熟群落样地中其适宜分布的生境出现逐渐变窄的趋势[50]，使得成熟群落样地中梵净山冷杉的生态位宽度值呈先相对稳定后有所下降的趋势.因此，以该指标作为自然保护地保护成效的评估指标要慎重，该指标数值变小并不一定说明群落状态变差，单纯通过该项指标的变化有可能会得出相反的结论.

2.3 群落物种多样性

与目标对照样本(成熟群落样地)中梵净山冷杉群落的多样性指数值相比，评估试验样本(近熟群落样地)中梵净山冷杉所在群落的多样性指数值较高，包括Shannon-Wiener 多样性指数值、Margalef 丰富度指数值及Patrick 丰富度指数值(P<0.05)〔见图4(b)(h)(j)〕；而Simpson 优势度指数值则显著低于目标对照样本(P<0.05)〔见图4(f)〕.

从变化来看，两个样本中梵净山冷杉群落的Shannon-Wiener 多样性指数、Margalef 丰富度指数及Patrick 丰富度指数的年际变化趋势一致.其中Shannon-Wiener 多样性指数、Margalef 丰富度指数均在2006−2009 年表现为相对稳定，仅在年际间存在小幅波动，而在2010 年和2011 年有所下降，且目标对照样本下降的趋势较评估试验样本更明显〔见图4(a)(g)〕.而两个样本中梵净山冷杉群落的Patrick丰富度指数均呈显著降低趋势〔见图4(i)〕.相反，Pielou 均匀度指数和Simpson 优势度指数的年际变化呈现上升的趋势〔见图4(c)(e)〕.

考虑到成熟群落中梵净山冷杉个体的胸径和树高较大，群落中一些其他物种会因遮荫而逐渐退出，导致成熟群落的多样性指数值较低[51]，因此，群落物种丰富度往往会随年龄的增大而减小，这是由于随年龄增大乔木冠层郁闭度增大[52]，会对林下植株矮小的植物生长所需的光照产生影响.此外，两个样本在Pielou 均匀度指数上差异不显著(P>0.05)〔见图4(d)〕，这与常云妮等[53]的研究结果一致.综合来看，基于群落物种多样性的相关指标进行保护成效评估时，一定要注意与目标对照样本进行比较，而不是单纯指标值越大越好；同时，群落物种多样性的相关指标数值变小并不一定说明群落状态变差，单纯通过指标的变化有可能会得出相反的结论.

图4 评估试验样本和目标对照样本中群落物种多样性指数Fig.4 Community species diversity index in the assessment experimental sample and the target control sample

3 讨论

自然保护地在保护生物多样性和自然生态系统中发挥着主导作用[54].近年来，“3S”技术发展迅速，可及时、准确收集各种信息，再加上长期监测数据的积累，自然保护地保护成效评估成为当前的研究热点之一[55].评估自然保护地的保护成效对维持生物多样性的长期保护至关重要[19]，也在保护其生态环境及区域可持续发展中必不可少[56]，而构建科学的评估方法和指标是其中关键的一环[57].为此，该研究提出基于目标对照样本的自然保护地保护成效评估方法，与之前研究通常仅关注研究对象的现状和相对变化情况相比，该研究通过设定目标对照样本，并将评估试验样本与其进行比较，从而可反映出研究对象的现状与目标状态之间的差距，这样能更加准确地评判自然保护地对保护对象的保护成效，并可为其他保护地的成效评估提供一定的借鉴意义[58-59].

由于各自然保护地的实际情况不同，所以在构建保护成效评估指标体系时，需要围绕该自然保护地在实际工作中的需求，结合各项指标长期监测数据的动态变化进行分析[10]，进而选择最适合表征自然保护地保护成效的指标.已有的研究[8,18]提出物种多样性、生境质量、土地覆盖类型等指标通常可以作为反映自然保护地保护成效的关键指标.在笔者研究中，评估试验样本和目标对照样本所处的环境和气候条件等基本一致，这样可以规避研究对象周围环境因素对评估结果的影响.林分结构属性的变化对于维持物种多样性至关重要[60]，因此在案例研究指标选取中考虑了物种平均胸径.重要值有助于比较物种的生态重要性[61-62]，因此基于物种重要值的指标能够较好地反映保护地对重点保护植物的保护效果.考虑到生态位宽度主要用于反映物种对环境资源的利用和适应程度[34]，因此该案例研究也选择了生态位宽度作为保护成效的评估指标.此外，分析植物群落的组成和结构可以了解群落与其环境之间的相互关系[63]，而群落各多样性指数的变化可以表征群落组成和结构的变化[64].物种所在群落的各多样性指数情况与物种的生长发育阶段密切相关[65]，因此该案例研究还重点关注了表征植物群落物种多样性的5 个指数.由于目标对照样本是群落演替到相对稳定的一种状态，所以在评估自然保护地的保护成效时，应该先考虑群落的成熟程度，并选取处于相对稳定状态的群落作为目标对照样本，综合研究对象所处的状态、变化以及现状值与目标值之间的差距，再得出自然保护地保护成效的最终结论.该研究通过对近熟群落样地与成熟群落样地中各项指标状态和变化的综合评判，表明保护区对梵净山冷杉近熟群落样地的保护效果较好.

自然保护地的长期动态监测是保护成效评估的前提和基础，该文基于2006−2011 年梵净山国家级自然保护区天保样地监测数据，选择了一系列指标进行综合评判.在评估指标和数据的选择方面，建议自然保护地可依据自身实际特点和需求，完善长期监测体系，为保护成效的系统评估提供更全面的基础数据.此外，可加强自然保护地保护成效评估与具体管理工作的有效衔接，从而将评估结果直接应用于管理实践，为进一步提升自然保护地的管理质量提供科学依据，以保证自然保护地及其主要保护对象的有效保护.