生物多样性维护生态保护红线划定方法对比

马孟枭,张 慧,2,*,高吉喜,鞠昌华,王延松,刘德天

1 生态环境部南京环境科学研究所, 南京 210042 2 南京信息工程大学大气环境与装备技术协同创新中心,地理科学学院, 南京 210044 3 生态环境部卫星环境应用中心, 北京 100094 4辽宁省环境科学研究院, 沈阳 110015 5盘锦市黑嘴鸥保护协会, 盘锦 124000

生物多样性维护功能重要性评估是生态保护红线划定中至关重要的环节,科学的生物多样性维护功能重要性评估能为生态保护红线的划定提供强有力的技术支撑,根据《生态保护红线划定指南》[1],生物多样性维护功能重要性评估有物种分布模型法和NPP(净初级生产力,Net Primary Productivity)法两种方法, NPP法因其所需参数因子较少,因子获取较为容易,公式计算更为简捷而被广泛应用[2]。物种分布模型法是通过将物种分布信息和对应的环境变量信息进行关联得出物种分布与环境变量之间的关系,并将这种关系应用于所研究的区域,对目标物种的分布进行估计的模型[3],近年来也逐渐受到许多学者的关注,目前广泛应用于物种的潜在分布地分析[4-5]、气候变化对物种分布的影响[6-7]、人为干扰对物种分布适宜性的影响[8-9]等研究。

盘锦市在《全国生态功能区划(修编版)》[10]中处于辽河三角洲湿地生物多样性保护区,在《中国生物多样性保护优先区域范围》中盘锦辽东湾海域位于黄渤海生物多样性保护优先区域。盘锦市拥有中国高纬度地区面积最大的滨海芦苇沼泽区,被誉为“国际重要湿地、中国最美湿地”,是世界上生态系统保存最完好的湿地之一,湿地上生长着芦苇、翅碱蓬、香蒲等维管束植物120余种,分布脊椎动物415种,鸟类有263种,生物多样性维护功能是盘锦市最重要的生态系统服务功能。然而随着城镇用地扩张、旅游开发活动加剧,湿地生态系统受到显著干扰,面积呈减小趋势,且因历史原因,湿地内油气开采用地面积较大且分布分散,对盘锦市生物多样性维护功能造成一定的影响[11, 12]。本研究应用MaxEnt模型和NPP法,预测重点保护物种的生境适宜性以及生物多样性功能重要性分布,并据此分析2种方法在生物多样性维护生态保护红线划定中的优缺点,以期为生态保护红线划定提供理论支撑与决策依据。

1 研究区及研究方法

1.1 研究区概况

盘锦市位于辽宁省西南部,辽河三角洲中心地带,南临渤海辽东湾,北纬40°39′—41°27′、东经121°25′—122°31′之间,总面积4061.9km2,处于暖温带半湿润大陆季风气候,气候温和,雨量适中,四季分明,无霜期长。区域内多年平均降水量为579—669mm,多年平均气温为8.73—9.80℃,地貌类型为由辽河、大辽河、大凌河及其支流冲积而成的冲积平原,海拔平均高度2—4m,地势低洼平坦,由北向南逐渐倾斜,坡度在2°以内。多水无山,境内河流21条,拥有丰富的湿地资源。物种资源丰富,主要珍稀野生动植物分布在辽河口国家级和省级自然保护区,国家Ⅰ类保护鸟类有东方白鹳、黑鹳、丹顶鹤、白鹤、白头鹤、遗鸥等9种,国家Ⅱ类保护鸟类有白琵鹭、黑脸琵鹭、大天鹅、鸳鸯、白枕鹤、灰鹤、小杓鹬等40种。盘锦土地利用类型包括耕地、湿地、人工建设用地、林地、滩涂等,其中耕地分布广泛,湿地主要集中在自然保护区以及羊圈子湿地,属于芦苇湿地,为鸟类分布的主要场所(图1)。

图1 研究区土地利用类型及鸟类分布图Fig.1 The land use types of study area and distribution of birds

1.2 数据与方法

1.2.1研究方法

(1) 物种分布模型法

MaxEnt(最大熵,Maximum Entropy)模型是一种基于最大熵理论的物种分布模型,通过训练物种分布点数据,结合物种所在区域的环境数据,可预测整个区域中每个点的生境适宜度[4-5, 13- 16]。近几年MaxEnt模型以其模拟准确度较高、计算效率高和简单易用,被广范应用于物种潜在适宜生境预测[6, 17- 20]。SDM 工具包(Species Distribution Model, SDM)是基于ArcGIS的工具插件,可以调用并高效执行MaxEnt模型,其工具包中的物种分布点自动筛选、环境变量空间自相关分析等功能,可以提高MaxEnt模型的应用效率[21]并自动生成图示结果。其实际操作过程包括：数据预处理(将物种分布点位和环境变量数据处理为规范格式数据)、环境变量的主成分分析、环境变量的空间异质性计算、物种分布点位空间筛选、物种分布点位背景选择、MaxEnt模型运行[21]。

1)物种分布模型建立

本研究以盘锦市国家一、二级保护物种和其他具有重要保护价值的物种为研究对象,收集区域重要物种的鸟类分布点作为样点输入模型中。由于不同鸟类分布较为集中,为模型实际操作方便,将不同鸟类统一看作一个鸟类种群进行模拟。盘锦市不同区域海拔、气温、降水等因子基本一致,其对鸟类适宜生境选择的影响较小,故考虑对鸟类生境选择有较大影响的环境现状因素,最终选取的环境变量数据包括：植被覆盖度、土地利用类型、距水域距离、距居住地距离、距高等级公路(县级及以上道路)距离、距低等级公路(乡镇和林间道路)距离。利用SDM工具包中的Remove Highly Correlated Variables工具,设置最大允许相关系数为0.8,剔除相关性过高(r>0.8)的环境变量,检验结果表明本研究的5个环境变量均符合要求。分别将鸟类分布数据及环境变量导入,随机选取75%的鸟类分布数据用于建模,剩余25%的鸟类分布数据用于模型检验。设模型运行次数为10次[9],取10次模拟结果的平均值作为最终模拟结果。选择创建每个环境变量的响应曲线,评价每个环境变量对模型的贡献率,采用Jackknife检验对环境因子的重要性进行分析,并用受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic curve,ROC曲线)下面积即AUC值(area under curve)对模型的精度进行评价。AUC值越大,表示环境变量与预测物种分布模型之间相关性越大,预测效果也就越好,一般认为AUC值在0.5—0.6,失败；0.6—0.7,较差；0.7—0.8,一般；0.8—0.9,好；0.9—1.0,非常好[6, 18- 23]。

2)鸟类分布适宜性分析

ROC曲线是以灵敏度(sensitivity)为纵坐标,1-特异度(specificity)为横坐标绘制的曲线。本研究中灵敏度即为模型能正确预测适宜分布点的个数与实际所有适宜分布点的个数的比值；特异度即为模型能正确预测非适宜分布点的个数与实际所有非适宜分布点个数的比值。一般根据最大约登指数为最佳临界点[9, 24]对应到模拟结果概率值,以该概率值作为判定是否为适宜生境的阈值。约登指数(Youden′s index)定义为：灵敏度与特异度之和减去1。本文利用模型输出结果确定最大约登指数并确定其对应阈值,根据该阈值利用ArcGIS重分类,判定大于该阈值为鸟类适宜分布区,小于该阈值为鸟类非适宜分布区。

(2) NPP法

NPP法是以生物多样性维护服务能力指数作为评估指标划定生物多样性维护功能生态保护红线,计算公式为[1]：

Sbio=NPPmean×Fpre×Ftem×(1-Falt)

式中,Sbio为生物多样性维护服务能力指数,NPPmean为多年植被净初级生产力平均值,Fpre为多年平均降水量,Ftem为多年平均气温,Falt为海拔因子。

将各因子数据重采样至250m栅格,在ArcGIS栅格计算器中,采用最大最小值法将重采样数据归一化到0—1之间,根据公式计算得到生物多样性维护服务能力指数。导出栅格数据属性表,属性表记录了每一个栅格像元的生物多样性服务能力值,将服务值按从高到低的顺序排列,计算累加服务值。将累加服务值占生态系统服务总值比例的50%与80%所对应的栅格值,作为生物多样性维护功能评估分级的分界点,利用重分类工具,将生物多样性维护功能重要性分为3级,即极重要、重要和一般重要,将极重要区域划定为生物多样性维护生态保护红线。

1.2.2数据来源与处理

(1) 物种分布模型中数据来源

本研究鸟类分布点位来自盘锦市林业局与黑嘴鸥保护协会提供的2015年盘锦鸟类分布数据,共收集区域重要物种的鸟类分布点408个,通过物种分布点位空间筛选,最终保留169个鸟类分布点位。环境变量中植被覆盖度数据由遥感影像计算得到,从地理空间数据云网站(www.gscloud.cn)下载覆盖研究区范围的Landsat8遥感影像数据,选出2016年晴朗无云、质量好的影像经几何校正、大气校正后波段运算得出；土地利用类型由2016年Landsat8影像遥感解译得到,包括林地、耕地、水域、人工表面、芦苇湿地、滩涂等土地利用类型,其中人工表面包括城镇、村庄、道路、采矿用地等；在ArcGIS 10.2中通过欧式距离分析算得研究区各个像元距道路距离、距水域距离、距居住地距离。所有环境变量转化为90m×90m栅格数据,统一到WGS_1984_UTM_ Zone_51N投影坐标系,利用SDM工具包中的Raster to ASCII工具将所有环境数据转化为ASCII格式。

表1 NPP法数据来源表

(2) NPP方法中数据来源

多年平均降水量因子Fpre：在Excel中计算出区域所有气象站点的多年平均降水量,将这些值根据相同的站点名与ArcGIS中的站点(点图层)数据相连接(Join)。在Spatial Analyst工具中选择Interpolate to Raster选项,选择相应的插值方法得到多年平均降水量栅格图。

多年平均气温因子Ftem：在Excel中计算出区域所有气象站点的多年平均气温,将这些值根据相同的站点名与ArcGIS中的站点(点图层)数据相连接(Join)。在Spatial Analyst工具中选择Interpolate to Raster选项,选择相应的插值方法得到多年平均气温栅格图。

2 结果与分析

2.1 物种分布模型法

2.1.1精度评价

模拟结果的AUC平均值为0.822,表明模型的预测结果精准度较好,所建模型可用于研究区鸟类分布适宜性研究(图2)。

图2 ROC曲线图Fig.2 ROC curve graph

2.1.2鸟类分布地适宜性与环境因子的关系

各环境变量对模型的综合贡献率结果显示(图3),距水域距离对模型的贡献率最为显著,贡献率为54.1%；土地利用类型对模型的贡献率也较大,为32.5%；该两种环境变量是影响鸟类分布最主要的因素；其他因素对模型的贡献率均小于10%,其中距高等级公路距离的贡献率为7.9%；植被覆盖度和距居住地距离的贡献率相近,分别为2.6%、2.5%；而距低等级公路距离的贡献率仅为0.4%,说明其对鸟类分布地选择的影响微乎其微。

图3 各环境变量对Maxent模型的贡献率 Fig.3 The contribution of each environmental variable to the Maxent model1)距水域距离 Distance to water； 2)土地利用类型 Land use type；3)距高等级公路距离 Distance to high-grade roads；4)植被覆盖度 Vegetation coverage；5)距居住地距离 Distance to domicile；6)距低等级公路距离 Distance to low-grade roads

2.1.3鸟类适宜生境分布

基于MaxEnt模型模拟得到盘锦市鸟类分布适宜性指数分布图,根据最大约登指数确定生境适宜性阈值为0.299。利用ArcGIS得到鸟类生境适宜性分布如图4所示。适宜生境面积为1019.21km2、 不适宜生境面积为3043.32km2, 分别占研究区总面积的25.09%和74.91%。从图中可以看出: 鸟类适宜生境主要分布在辽河口国家级和省级自然保护区、羊圈子湿地以及沿海部分区域,辽河口国家级和省级自然保护区是盘锦市滨海湿地生态系统及珍稀鸟类的重要保护地,羊圈子湿地为辽宁省重要湿地,具有生物多样性保护、水源涵养重要功能,这些区域由于大面积的自然芦苇湿地受到保护,人类干预较少,适宜鸟类栖息；不适宜生境主要分布在人类活动频繁,干扰较大的地区。基于此结果,划定适宜生境区域为生物多样性维护生态保护红线。

2.2 NPP方法

通过前文的公式和方法,得到盘锦市生物多样性维护功能重要性分布图(图5),其中极重要区面积为286.5km2、重要区面积为2645.62km2、一般重要区面积为554.62km2,分别占盘锦市面积的8.22%、75.88%、15.91%。从图中可以看出：生物多样性维护功能极重要区集中在滨海的辽河口自然保护区,以及东部的大辽河区域；一般重要区主要分布在城镇等人为活动集中的区域；其余的大部分区域均为重要区,涵盖村庄、农田等土地利用类型。基于此结果,划定极重要区域为生物多样性维护生态保护红线。

2.3 物种分布模型法与NPP法结果对比

NPP方法和MaxEnt模型法都显示辽河口国家级自然保护区和省级自然保护区部分地区为生物多样性极重要区(图6),但NPP方法得到的适宜区范围较小,没有覆盖保护区大部分范围。此外,NPP方法显示盘锦东部大辽河湿地也是生物多样性维护极重要区,而MaxEnt模型法显示该区域为鸟类分布非适宜区,通过高清遥感影像和野外实地调研发现,该区域现状为耕地,种植大面积的玉米等农作物,由于玉米相对于芦苇有更高的NPP值,从而判定该区域为生物多样性维护功能极重要区域,但根据野外调查结果,该区域人为干扰较大,鸟类对人类活动有一定的回避距离,该区域鸟类分布远远低于芦苇湿地和沿海滩涂；此外NPP方法显示,羊圈子湿地为生物多样性维护功能一般重要区域,而MaxEnt模型显示大部分羊圈子湿地为鸟类适宜区,根据野外调查以及历史资料,该区域也分布有大量的保护鸟类。因此,通过两种方法结果与实际鸟类分布情况进行对比,从城市尺度来看,MaxEnt模型法模拟结果更准确,与实际现状更相符。

图4 鸟类生境适宜性分布图Fig.4 The distribution of the suitable habitat of birds

图5 NPP方法评估结果Fig.5 NPP method evaluation results

图6 两种评估方法结果对比图 Fig.6 Comparison between two results of two different assessment methods

图7 盘锦生物多样性维护生态保护红线划定结果图 Fig.7 Ecological protection red line delineation result chart of biodiversity conservation in Panjin

相对于NPP法,物种分布模型法需获取现有的物种分布数据,所需环境变量较多,实际计算较为复杂,在生态保护红线划定中应用较少,但本研究表明,选用物种分布模型的结果更为科学合理,在选择环境变量时,应选择对物种分布变化影响较大的环境变量,对于分布集中的不同保护物种,也可视作同一物种进行模拟,从而使模型操作得到简化。因此,物种分布模型应用于城市尺度的生态保护红线划定中更有实际意义。

2.4 生态保护红线的划定

基于Maxent模型结果,根据生态保护红线整体性、系统性的原则要求,划定盘锦生物多样性维护功能生态保护红线面积1050.17km2,占盘锦市陆域面积的25.85%,如图7所示,生态保护红线基本覆盖了境内东方白鹳、丹顶鹤、黑嘴鸥、震旦鸦雀等所有重点珍稀野生物种的栖息地和迁移路径的停歇地,该结果能为盘锦珍稀濒危鸟类的保护与管理提供科学支撑。

3 结论

本文以盘锦市为研究区域,分别采用《生态保护红线划定指南》中的物种分布模型法和NPP法进行生物多样性维护功能重要性评价,进而对两种方法进行对比,研究发现两种方法划定结果差异显著,从城市尺度来看,物种分布模型法划定的生物多样性极重要区比NPP方法结果更准确,与实际现状更相符。因此基于物种分布模型法,最终划定盘锦市生物多样性保护红线面积1050.17km2,占盘锦市陆域面积的25.85%。研究结果表明除自然保护区外,盘锦西北部的羊圈子湿地、绕阳河湿地、辽河湿地、沿海滩涂等也是保护鸟类的重要栖息地和迁徙停歇地,可见,保护鸟类适宜生境应远远大于现有辽河口自然保护区的范围。本研究对于生态保护红线划定中的方法选择具有重要的指导意义,同时也为生态格局构建中的生态源地识别[25,26]提供了新思路和新方法。