区域尺度生物多样性维护功能综合评估方法与实证研究

刘铭华，陈艳梅①，邹长新，丁疆辉，吕田田，张 扬

(1.河北师范大学资源与环境科学学院/ 河北省环境变化遥感识别技术创新中心/ 河北省环境演变与生态建设重点实验室，河北 石家庄 050024；2.生态环境部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042)

生物多样性维护功能是生态系统在维持基因、物种、生态系统和景观多样性时发挥的作用，是生态系统最主要的生态功能之一[1]。对区域尺度生物多样性维护功能进行评估，既可以了解生物多样性现状及空间分布特征，又可以识别生物多样性保护重点和热点区，便于查漏补缺，提高生物多样性保护的针对性和有效性，为区域自然保护区建设和生态安全格局构建提供科学依据[2]。

国内外传统生物多样性维护功能评估方法多是基于地面调查的指标测度法[3]。在国内，张峥等[4]选取多样性、代表性、稀有性、自然性、稳定性和人类威胁等指标，制定了一套湿地生态系统评价指标体系。于莉莉[5]在定性分析基础上，结合研究区域特点，构建压力-状态-响应评价指标体系，并采用层次分析法确定各层级指标权重，评价大丰自然保护区生物多样性。高昌源[6]结合辽宁省(市)行政界限和自然保护区边界数据，通过对人类影响、生态系统保护和生物多样性保护区划3个准则层7个指标进行计算，确定了辽宁西部和东部生物多样性保护优先区的建议地域范围，并对其进行评估。传统生物多样性测度方法多以行政区边界作为评估单元，将地面实际调查数据和统计数据应用到某级别行政区，很少关注栅格水平生物多样性时空分布格局，无法满足当前生物多样性综合评估和区域生态安全格局建设的需求。

当前，生物多样性评估关注多因素的综合影响，有关栅格水平生物多样性空间分布研究不断完善。徐文婷[7]利用不同分辨率的遥感数据，结合野外调查数据，开展三峡库区森林生物多样性状况、特点和影响因素评估。杨海军等[8]从物种、生态系统和景观3个尺度构建县域尺度生物多样性遥感评估体系，主要的包含净初级生产力归一化指数、生境质量指数和生境面积百分比等因子，该方法能获取空间上的生物多样性信息，但未考虑海拔高度的影响。王艳霞等[9]利用地形和水热指标构建生物多样性富集度评估模型，并对云南省生物多样性富集度进行连续化评估，但未考虑人类活动和生物量对生物多样性分布的影响。莫建飞等[10]选择植被净初级生产力(NPP)、气候和地形等因子构建基于NPP的生物多样性维护功能定量评价模型，分析了广西喀斯特区生物多样性维护功能空间分布特征，但未考虑植被盖度和人类活动干扰的影响。受数据可获取性、可靠性、成本效率和时空尺度等诸多因素限制，已有相关研究选择的评估因子并不相同，评价标准也不尽相同，缺乏能够反映宏观尺度生物多样性特征的综合评估模型，尤其缺少对模型的验证，区域尺度生物多样性空间格局定量研究仍有深入开展的必要和空间。有鉴于此，采用GIS、RS技术，选择生物量、地面高程、气候和土地覆被等因子，构建生物多样性维护功能综合评估模型，在京津冀区域尺度上开展生物多样性维护功能定量评估，并将其与地面调查的生物多样性诸指数进行对比分析，验证评估方法的科学性和可行性，以期为区域自然保护区建设和生态修复工作提供科学依据。

1 研究区概况及数据来源

京津冀地区位于华北地区东部，地处北纬36°05′～42°40′、东经113°27′～119°50′之间。由北京市、天津市和河北省3地组成，总面积21.8万km2。该区域生境类型多样，地势西北高、东南低，高原、山地、丘陵、盆地和平原地貌类型齐全。研究区属温带大陆性季风气候区，降水集中于夏季，降水量空间分布不均，燕山和太行山夏季风迎风坡降水量较大，冀西北山间盆地和坝上高原西部降水量较少。多样化的地理单元和生境类型，加上物种区系起源古老等原因，使得研究区生物多样性比较丰富。

2017年研究区总人口达到11 247.09万人，比2016年末增加42.02万人。国民经济平稳快速增长，生产总值达80 580.41亿元，比2016年末增加5 967.81 亿元。人口数量的增长和经济快速发展给区域生态环境带来较大压力，直接或间接地干扰研究区生物多样性维护功能。

使用数据主要包括遥感、DEM、气候和土地覆被以及实测生物多样性数据等。其中，遥感数据采用2000—2010年平均MODIS归一化植被指数(NDVI)数据，用于获取植被覆盖度和生物量；DEM数据来源于原河北省地理信息局，空间分辨率为90 m，用于反映生境多样性；气象数据采用中国地面气候标准值数据集，来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/)，包括年平均降水量、年平均气温和月日照百分率等环境要素中较活跃因子；土地覆被数据为Arc Info coverage格式，比例尺为1∶10万，来源于中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊-流域数据集成与模拟中心(http:∥lwdc.niglas.cas.cn/)，用于表达人类干扰强度；河北省县域生物多样性实地调研数据来源于河北省生物多样性调查与评价报告，自然保护区物种多样性数据来源于河北省生态环境厅自然处，用于验证评估结果。

2 生物多样性维护功能模型构建

在广泛借鉴生物多样性维护功能相关评估方法基础上，构建了区域尺度生物多样性维护功能综合评估模型，模型构建思路、涉及的主要因子见图1。

模型计算公式为

Sij=Bij×Gij×Mij×LUT，ij。

(1)

式(1)中，S为某区域生物多样性维护功能强弱程度；i为某栅格像元；j为某评价因子；B为生物量因子；G为地形地貌因子；M为气候因子；LUT为土地覆被因子。

2.1 生物量因子

植被净初级生产力(NPP，PNP)是生态系统中各类生物成员生存和繁衍的物质基础，是生物多样性维护功能的保障，可以表征植被生长现状和其他生物的生存环境[11]。同时，采用遥感手段获取参数，有助于在宏观区域尺度上开展生物多样性维护功能动态评估工作[12]。在一定范围内，植被覆盖度高、植被净初级生产力高的区域，其生物多样性维护功能相对较高，因此以这2个指标作为生物量因子(B)，其计算公式为

(2)

PNP，i=(fAPAR，i×RPA，i)×(εi*×Tiδ1×

Tiδ2×Wiδ)，

(3)

Bij=Ci×PNP，i。

(4)

式(2)～(4)中，C为植被覆盖度；j为某评价因子；INDV，min和INDV，max分别为植被最小和最大像元NDVI值，即所有像元NDVI值分布概率分别为95%和5%时所对应的NDVI值；PNP为植被净初级生产力；RPA为到达地表的光合有效辐射；fAPAR为植被层对入射PAR的吸收比例，随植被类型及其演替阶段和季节不同而变化；ε*为最大光能利用率；Tδ1、Tδ2为温度胁迫系数；Wδ为水分胁迫系数；i为某栅格像元。fAPAR、ε*、Tδ1、Tδ2和Wδ取值参照文献[13]。对NPP进行归一化处理。

2.2 地形地貌因子

地形是解释陆地生物多样性富集的常用因素之一[14]。根据山地微气候学理论，海拔和经纬度是反映水热条件的宏观因子，坡度、坡向和地形起伏度是对水热重新分配的重要因子，这些因子反映了地形复杂程度，与物种分布和物种丰富度直接相关。海拔在某种程度上决定了区域水热组合变化，影响着生物生存适宜性[15]；地形起伏度能反映景观变化特征和生态系统类型丰富度，是表达生物多样性维护功能的评价指标之一[16]。将地形地貌因子(G)细化，重点考虑海拔参数和地形起伏度对生物多样性维护功能的综合影响，其计算公式为

Gij=Hi×Ri。

(5)

式(5)中，H为海拔参数；R为地形起伏度；i为某栅格像元；j为某评价因子。

京津冀地区地形单元复杂，地势高度差较大，海拔范围为<0～2 800 m，有多种适宜生物生长的环境，但不同海拔地区的生境差别很大。根据“中间高度膨胀”现象[17-21]，即生物多样性维护功能在中等海拔高度最大这一现象，通过参考文献[22-24]，结合河北省现状，发现河北省生物多样性在海拔1 000～1 500 m间最大。海拔参数(H)计算公式为

(6)

式(6)中，Hmax和Hmin分别为最大和最小高程，m。

地形起伏度(R)计算公式为

Ri=Hi，max-Hi，min。

(7)

式(7)中，Ri为以第i个栅格为中心的窗口内地形起伏度；Hi，max和Hi，min分别为窗口内最大和最小高程，m。窗口大小是地形起伏度计算的关键，参照文献[25]将京津冀区域海拔≤400 m地区窗口设为4.64 km2，海拔>400 m地区设为5.35 km2，窗口为圆形。R计算采用ArcGIS 10.2软件焦点统计模块，并对R进行归一化处理。

2.3 气候因子

气候作为影响生物生长发育及分布的关键因素，对生物多样性起着重要作用。气候因子直接反映植物生长所需的水热条件，气候因子变化也会影响植被和生境空间格局的变化，进一步影响区域生物多样性维护功能。气温和降水能影响生物有机体性状、种间关系和分布格局以及生物多样性，进而影响以生物有机体为主体的生态系统功能和稳定性[26]。因此，气候因子(M)选择多年平均年降水量和多年平均气温2个因子，其计算公式为

Mij=Pi×Ti。

(8)

式(8)中，P为多年平均年降水量，mm；T为多年平均气温，℃；i为某栅格像元；j为某评价因子。

根据京津冀地区24个气象站点统计出各站点经纬度以及对应的多年平均年降水量和多年平均气温，再将统计好的数据加载到Arcmap 10.2软件中进行反距离权重法插值计算，并对插值后的P和T因子进行归一化计算。

2.4 土地覆被因子

生物多样性受土地覆被变化影响很大。土地覆被类型变化后，生态系统物种组成和景观多样性均会发生变化，尤其是人类活动强度较大的土地利用类型，生物多样性维护功能会降低。多数研究根据人类干扰程度对各土地利用类型进行赋值，林地生物多样性维护功能最强[27-33]。考虑京津冀地区实际情况，并参考相关文献赋值水平，最后确定研究区不同土地利用类型生物多样性维护功能系数(表1[30-33])。

表1 土地覆被因子赋值

在京津冀区域燕山和太行山山脉形成的北部和西部生态屏障，国家实施了如环京津生态林带、京津风沙源治理区、三北防护林区和重点水源保护区等一系列生态工程，打造了具有一定宽度和厚度、集中连片、相互贯通的森林带[34]。在大面积单一人工林的基础上，通过小面积抚育砍伐，采用“引阔入针”“林下植树”等措施，逐步形成了以人工纯林为顶层，灌木、草、花、次生林的复层异龄混交结构，生物多样性维护功能较强。同时，燕山和太行山区域森林生态系统中人工林面积为566.86 km2，天然林面积为15 051.07 km2，人工林面积仅占3.63%。因此，笔者未区分人工林与天然林。

3 结果与分析

3.1 京津冀地区生物多样性维护功能空间格局

采用构建的生物多样性维护功能综合评估模型，对京津冀地区进行评估，并采用自然间断点法进行重要性分级，共分为极重要、高度重要、重要、一般和不重要5级(图2)。

如图2所示，研究区生物多样性极重要和高度重要区面积分别为22 939.08和25 968.67 km2，分别占研究区总面积的10.53%和11.91%，主要分布于燕山山区和太行山山区，该区域以大面积林地、草地和未利用地为主。研究区生物多样性重要和一般区域面积分别为29 305.81和45 992.31 km2，分别占研究区总面积的13.44%和21.10%，主要为燕山山区、冀西北山间盆地边缘区和太行山山区小面积林地斑块。研究区生物多样性不重要区域面积达93 794.13 km2，占研究区总面积的43.02%，主要分布于坝上高原和平原地区，该区域以耕地、草地、农村居民点和城镇为主。总体来看，京津冀地区生物多样性维护功能高值区主要分布在燕山山区和太行山山区，低值区则广泛分布在坝上高原和平原地区，这与生物多样性地面实地调研结果[35]得出的分布格局具有较好的一致性。

3.2 结果验证

3.2.1基于县域单元生物多样性调查结果的验证

采用SPSS 22.0和EXCEL 2007软件对河北省燕山地区、太行山地区、坝上高原地区和平原地区共64个县、市生物多样性实地调研数据和评估结果进行相关性分析(图3)。为方便进行比较，对野生维管植物丰富度、野生高等动物丰富度、生态系统类型多样性、物种特有性、外来物种入侵度和稀有濒危物种丰富度等实地调研因子进行归一化处理。考虑到实地调查时主要选择生物多样性丰富区域，研究区生物多样性维护功能模型评估结果取所在县域范围内所有像元评估值分布概率的90%。

如图3所示，研究区县域生物多样性实测因子与模型评估结果间呈显著相关。除外来物种入侵度与评估结果呈显著负相关外，其他因子与评估结果均呈显著正相关，物种特有性与评估结果显著程度最高，其次分别为生态系统类型、稀有濒危物种丰富度、野生维管植物丰富度和野生高等动物丰富度。如表2所示，燕山和太行山地区生物多样性维护功能评估值较高，实地调查结果发现分布于该区域各县、市的植物物种达1 000种以上，生态系统类型超过50种，野生高等动物丰富度、野生维管植物丰富度和物种特有性也均最高；实测结果中低值区与生物多样性维护功能评估值较低区域分布也具有一致性。总体来看，生物多样性维护功能模型评估结果与实际情况具有较高吻合度。

表2 研究区生物多样性实测结果与生物多样性维护功能评估结果相关关系及具体分布情况

3.2.2以自然保护区为典型区的检验

为了进一步验证评估模型的科学性与实用性，统计分析了研究区省级及以上自然生态类自然保护区物种多样性与评估结果的相关性，以便对模型评估结果进行验证。如表3所示，研究区各自然保护区物种多样性与评估结果间呈显著对数相关(r=0.54，P<0.001)。

表3 研究区自然保护区物种多样性与生物多样性维护功能评估结果相关关系

根据地貌类型分析自然保护区分布，燕山地区共15个自然保护区，其中86.67%的自然保护区分布在生物多样性维护功能极重要和高度重要区；太行山地区共13个自然保护区，均分布在生物多样性维护功能极重要和高度重要区；坝上高原地区共4个自然保护区，50%的自然保护区分布在生物多样性维护功能极重要和高度重要区；平原地区共10个自然保护区，均不在生物多样性维护功能极重要和高度重要区。这表明评估模型适用于山区，对海拔较低、生境简单的平原和高原区域适用性较差。

4 讨论与结论

笔者构建的综合评估模型增加了土地覆被因子，再结合河北省地形地貌及生物多样性现状，细化了海拔高度、地形起伏度和生物量等因子的影响，使模型更适合区域尺度山地丘陵地区生物多样性维护功能评估。但模型仍存在以下不足：模型评估结果仅能直观反映生物多样性空间分布格局，无法获取物种数量或丰富度等准确信息；在海拔起伏较小、生境相对简单的平原和高原地区评估结果偏差较大；未考虑研究区人工林生物多样性维护功能与天然林的差别，将人工林与天然林区分处理。笔者研究结合地面实测数据测算了县域水平生物多样性、自然保护区物种多样性与评估结果间相关关系，发现县域物种特有性与评估结果之间相关性最高(r=0.699，P<0.001)，研究区各自然保护区物种多样性与评估结果呈显著对数相关(r=0.54，P<0.001)。

未来研究中，将生物多样性实地调查与宏观尺度遥感观测紧密结合，利用两者间统计关系，量化识别区域栅格尺度生物多样性因子准确分布特征，为区域自然保护区建设和生态修复等工作提供科学依据。