基于DPSIR 模型的乡村生态景观生物多样性预警*

徐文婷 ,谢宗强,2** ,葛结林 ,徐 凯 ,熊高明 ,毛江涛,2

(1.中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室 北京 100093;2.中国科学院大学 北京 101408)

乡村是负载人类文明起源、自然资源禀赋以及“地缘-血缘”关系的乡土社会地域综合体。乡村生态景观是以区域自然景观和土地利用格局为背景,以乡村聚落景观为核心,包含自然景观、生产景观和聚落景观[1]。乡村生物多样性作为乡村生态景观的关键组成要素,发挥着产品供给、环境调节、文化教育等重要生态服务功能[2],强调人类与土地相互作用下的生物-景观-文化的聚合,与人类生产、生活和生态功能息息相关[3]。

生物多样性直接关系到生态及社会系统的稳定和可持续[4],其保护和研究重点多集中在自然区域,忽视了乡村生物多样性的重要性[5]。农业土地利用强度是导致栖息地损失和生物多样性降低的主要原因[6-7],农药、化肥的使用导致了野生植物、瓢虫和鸟类物种多样性衰退[8-9],乡村景观建设导致栖息地丧失,进而引发生物多样性下降[10-11]。2022 年联合国《生物多样性公约》第15 次缔约方大会(COP 15)通过的《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》强调了乡村生物多样性在提供生态系统服务方面的重要作用,明确了乡村生物多样性保护的重要意义和实施目标[12]。随着我国乡村振兴规划建设的推进,乡村的生产技术不断提高、基础设施日益完善、空间环境格局不断变化,对乡村生物多样性产生重要影响[13]。中国传统乡村地区生物多样性正面临着农业集约化、人工林树种单一化、非农业用地急剧扩张及生态传承机制解体等多种威胁,这也进一步导致乡村的生态空间受到了生产空间和生活空间的严重挤压和蚕食。目前,虽然许多研究表明了土地利用和景观建设会降低乡村的生物多样性,但维持乡村生物多样性安全的界限尚不清楚[14]。

生物多样性预警是对生物多样性安全的提前预判和险情预报,对区域内经济、社会、生态环境协调发展的研究具有重要意义[14]。Reyers 等[15]提出了国家生物多样性风险评估(NABRAI)模型并对62 个国家的生物多样性风险进行了评估;Tevie 等[16]建立了适用于洲际水平的生物多样性评价指标;于谨凯等[17]基于DPSIR (驱动力-压力-状态-影响-响应)模型对黄海近海海域生物多样性预警研究;丁晖等[18]基于PSR (压力-状态-响应)模型建立了生物多样性风险指标体系和方法,并对全国县域的生物多样性风险进行了评估;刘欢[19]综合压力-状态-响应模型和资源-环境-社会-经济模型,使用人工神经网络的时间序列预测方法,对辽河水生生物多样性进行了预警研究;周晨[20]通过建立水质指标与生物多样性之间的关系,依据生态系统风险综合指数方法,对贵州喀斯特高原湿地草海湖泊生物多样性风险状态进行了预警。总体而言,目前对生物多样性预警的研究尚未深入,尤其是对生物多样性的预警方法、界线及模型的研究及对乡村生物多样性预警的研究更为缺乏,故在我国的《中国生物多样性保护战略与行动计划》(2011—2030 年)中明确了要建立中国生物多样性监测和预警体系[14]。

为了有效维护和管理乡村生物多样性,本研究围绕乡村生物多样性的现状、驱动和影响等因素,构建乡村生物多样性预警指标体系,划定预警等级,并在江苏省南京市牌坊社区进行了应用,以期探讨乡村生物多样性预警的边界和方法,为乡村生物多样性安全管理提供新的方法思路。

1 乡村生态景观生物多样性预警评价指标体系构建

1.1 DPSIR 模型框架

DPSIR 模型是欧洲环境署在综合PSR 和DSR(驱动力-状态-响应)模型优点的基础上发展起来的在环境领域中广泛使用的概念模型,它强调人类经济活动、政策、管理及其对生物多样性的影响等各要素之间的联系,具有综合性、系统性、整体性、灵活性等特点[17]。

乡村生态景观生物多样性内涵广泛,涉及自然、社会、人口、经济等多个方面。以DPSIR (驱动力-压力-状态-影响-响应)模型将人类活动和生物多样性变化有机地结合起来,可以为生物多样性保护管理和政策制定提供决策信息[21];它从驱动力(D)、压力(P)、状态(S)、影响(I)和响应(R) 5 个层面,每个层面又包含多个因素和指标,构建表征乡村生态景观生物多样性的综合评价指标体系[22]。

根据该框架,人口增长和社会经济是间接驱动力,会引起全球或区域环境变化(例如土地利用变化、气候变化、环境污染等),直接对生物多样性造成压力或威胁,引起生物多样性丧失和生态系统服务功能降低,并影响人类福祉和应对环境变化能力的改变,人类社会则会采用政策或措施减缓生物多样性丧失及其对人类福祉的影响[21](图1)。

图1 乡村生态景观生物多样性预警DPSIR(驱动力-压力-状态-影响-响应)模型Fig.1 DPSIR (Driving Force-Pressure-State-Impact-Response) model for early warning of biodiversity in rural ecological landscape

1.2 乡村生态景观生物多样性预警指标体系构建原则

乡村生态景观生物多样性预警指标体系构建需遵循科学性、相关性、实用性、可比性原则。科学性指应坚持严谨、科学、合理的科学态度,采用科学的技术方法,突出不同乡村景观的共性及其特性,针对生物多样性安全主要问题开展评估及预警,指导实践。相关性指预警指标应能够明确表明乡村生态景观的生物多样性状况,在难以选定表明状况指标的情况下,可以选取与之具有相关性的驱动力/压力和响应指标[23]。实用性指预警指标选取应具有广泛的认可程度,或政策决策部门广泛使用的指标,且应综合考虑指标获取的难易程度。可比性指预警指标选用应尽可能明确时间、度量单位和空间范围,以便于长时间序列和不同空间区域的比较分析。

1.3 指标体系

乡村生态景观生物多样性预警指标体系分为4个层次。第1 层为目标层,即乡村生态景观生物多样性预警指标体系。

第2 层是项目层,包括驱动力、压力、状态、影响和响应5 个方面[17]。驱动力是指造成乡村生态景观生物多样性变化的潜在原因,是推动乡村生态景观生物多样性压力增加或减少的社会经济、社会活动或社会文化因素,是影响乡村生态景观生物多样性状态的源动力。压力是指人类及经济活动对生物多样性带来的影响,是乡村生态景观生物多样性的直接作用因子[22]。状态是指乡村生态景观生物多样性在前述的驱动力和压力的作用下所产生的结果。状态指标包括区域生物多样性指数和生境破碎化指数。影响是指乡村生态景观生物多样性所处的状态对人类健康和社会经济结构所能产生的后果,反映状态变化的最终结果,其与状态的区别在于状态更体现静态的水平,而影响则更多体现一种动态的变化,具有正负面之分[24]。响应是指人类在保护乡村生态景观生物多样性可持续发展进程中所采取的对策和制定的积极政策。

第3 层是因素层,将驱动力、压力、状态、影响和响应进一步细分为12 个因素,分别是社会经济、人口增长、灾害、气候、干扰、生物多样性、生境破碎度、生产能力、服务功能、土地利用、政策响应和保护措施等。

第4 层是指标层,由25 个可直接度量的指标构成。生物多样性的主要影响因素是人类活动、气候变化、城市化、土地利用改变、资源利用、污染和外来生物入侵等[25-26],综合乡村以人居聚落和人与环境、土地长期相互作用的综合体的特点,本研究驱动力指标包括人均GDP、恩格尔系数、人口密度、人口增长率和人均耕地面积;压力指标包括病虫害发生率、自然灾害发生率、干燥度、极端天气发生率、放养强度、外来入侵物种种数、外来物种入侵强度、公路密度、农药施用强度;状态指标包括区域生物多样性指数和生境破碎化指数;影响指标包括森林蓄积量、农作物产量、水源涵养量、植被覆盖度和高干扰土地覆盖率;响应指标由生物多样性保护规划与实施力度、生物多样性保护资金投入、自然保护地覆盖率、公益林覆盖率4 个指标构成。

指标根据其对乡村生态景观生物多样性的影响情况可分为正向指标和逆向指标;正向指标是指数值越大对乡村生态景观生物多样性越有利的指标,逆向指标是指数值越大对乡村生态景观生物多样性越不利的指标。乡村生态景观生物多样性预警评价体系中,每个指标的含义、计算及数据来源如表1 所示。

表1 乡村生态景观生物多样性预警指标及含义Table 1 Early-warning indexes and meanings of biodiversity in rural ecological landscape

1.4 区域生物多样性指数(RBI)

区域生物多样性指数为表征基因、物种和生态系统多样性状态的综合指数,无量纲,在区域生物多样性评价标准[28]的基础上,充分考虑了作为乡村生物多样性主体的农业和绿化物种多样性,因此将农作物、乡村绿化树种的丰富度纳入计算公式,计算方法如下:

2 乡村生态景观生物多样性预警评价方法

2.1 数据标准化处理

采用极差法对各指标作无量纲化处理,对乡村生态景观生物多样性起正向作用的指标,如森林蓄积量、人均GDP 等,用公式(3)进行归一化处理;对乡村生态景观起负向作用的指标,如人口增长率、病虫害发生率等,用公式(4)进行归一化处理。

式中:xmax为第i个指标中的最大值,xmin为第i个指标中的最小值。

2.2 指标权重确定

均方差是反映随机变量离散程度的最重要和最常用的指标,采用均方差权重法对各评价指标赋权重(wi)。计算步骤及公式如下:

2.3 综合预警指数

采用综合指数法对乡村生态景观生物多样性进行预警,乡村生态景观生物多样性综合预警指数(BWI)是各个评价指标的加权求和。

2.4 预警分级

警度区间的确定是乡村生态景观生物多样性预警的重要环节和难点,由于生物多样性预警的研究相对较少,本文参考和借鉴国内外生态安全预警领域研究的方法。目前在资源、生态领域的预警级别划分有历史数据法、德尔菲法、文献参考法、标杆基准法、自然断点法、层次分析法、突变论方法和功效系数法等[29]。乡村由于其类型和所处地域环境、聚居人口生活习惯等各不相同,具有复杂性,预警级别的划分很难给出绝对具体的数值区间,因此,本文采用自然分断法确定阈值和警度区间,具体划分阈值及安全状态见表2。相应部门可根据预警等级建立分层决策机制,分别从居民、社区、村、乡镇、行业部门5 个层次,对乡村生态系统变化、物种灭绝风险、人类干扰等重大信息,开展生物多样性维护示范与应对措施。

表2 乡村生态景观生物多样性预警分级及其表征Table 2 Classification and characterization of early-warning for biodiversity in rural ecological landscape

3 应用案例

3.1 研究区概况

牌坊社区位于江苏省南京市江宁区江宁街道东南部,占地面积8.2 km2,总人口2154 人[30],研究区土地利用类型见图2。域内为典型的丘陵山区,多年年平均气温16.66 ℃,年平均降水量1030 mm,平均风速1.4 m∙s-1,属典型的北亚热带季风湿润气候[31]。牌坊社区为典型的丘陵山区,山水资源丰富,形成“山—水—茶—林—村”村落格局。乡村景观资源类型多样,生物多样性丰富,拥有维管植物397 种,其中野生植物250 种,农业栽培植物65 种,构成了63 个自然植被群系、58 个农业植被组合和64 个绿地植被配置。环境优美,人文景观与自然景观融合度较高,获得“中国最美休闲乡村”“中国乡村旅游模范村”称号,具有较高的乡村生物多样性研究的价值与借鉴意义。

图2 研究区土地利用类型Fig.2 Land use types of the study area

3.2 数据来源

以牌坊社区为研究区域,以1 km×1 km 网格为评价单元,数据主要来源于野外调查、遥感图像解译和统计年鉴。

经过分析数据,对牌坊社区生物多样性预警起作用的指标为人口密度、外来入侵物种种数、外来物种入侵强度、道路密度、区域生物多样性指数、生境破碎化指数、森林蓄积量、水源涵养量和植被覆盖度,各指标权重见表3。

表3 研究区生物多样性预警指标权重Table 3 Weights of early warning index of biodiversity in Paifang Community

3.3 生物多样性预警格局及分析

牌坊社区乡村生态景观生物多样性安全状态较为严峻(图3),总体趋势表现为西部为中度预警,中部为轻度预警,东部生物多样性状况较好,为无预警。西部中度预警区域主要为生产空间和生活空间,建筑用地、农业用地和绿地面积占56%以上;中部和东部的生产空间和生活空间面积比分别为36%和41% (图4a,4b)。牌坊社区生物多样性的主要威胁因素来自于外来植物入侵(图4c),共调查到外来入侵植物21 种,其中国家环境保护部公布的恶性入侵种有7 种,其中小蓬草(Conyza canadensis)、一年蓬(Erigeron annuus)、鬼针草(Bidens pilosa)、加拿大一枝黄花(Solidago canadensis)等恶性入侵植物已在牌坊社区广泛分布,对牌坊社区生物多样性产生严重威胁[32]。

图3 研究区生物多样性预警格局Fig.3 Early-warning pattern of biodiversity in the study area

图4 研究区土地利用/覆盖特征(a,b)和外来物种入侵强度(c)Fig.4 Land use/cover types and proportions (a) and invasion intensity of alien species in the study area

4 结论

本研究将生物多样性的理论和方法与社会、经济、人口等进行了有机结合,确立了以DPSIR 框架模型为基础的乡村生态景观生物多样性预警指标体系,该体系从5 大类条件出发,包含12 个一级指标和25 个二级指标,兼顾科学性、完整性、灵活性和易应用性等特点,可用于指示人类活动、社会经济发展以及全球变化、重大灾害等各因素对乡村生物多样性产生的影响,以及人类为适应或减缓这一影响而采取的一系列积极措施。采用均方差方法确定各指标权重值,划定评价等级,运用综合指数法对乡村生态景观的生物多样性进行预警,该研究结果为乡村振兴中乡村生物多样性保护和乡村规划建设提供了新的方法和思路,具有潜在的实用价值。

目前针对乡村生态景观生物多样性预警的研究尚处于探索和试验阶段,未广泛开展。本文基于乡村作为一种自然-经济-社会文化复合系统的角度,定义了乡村生态景观生物多样性预警的内涵和指标体系,为乡村生态景观生物多样性预警研究提供了一种思路。但指标的合理性和可应用性还需进一步广泛研究和论证,如土地政策变化等定性化指标如何定量,地下生物多样性因受数据获取难度的影响而未被考虑等。评价生物多样性风险高低时,难以采用绝对标准衡量,推荐使用相对标准划分风险[18]。