县域生物多样性保护优先格局评价及保护体系优化：以武夷山市为例

牟雪洁，饶 胜，张 箫，王夏晖，朱振肖

(生态环境部环境规划院，北京 100012)

武夷山市地处中亚热带气候区，区内地形复杂、降水充沛，保存了世界同纬度最完整、最典型、面积最大的中亚热带原生性森林生态系统，生物多样性资源十分丰富，是全国乃至全球生物多样性保护的关键地区[1]。区域生态功能地位十分突出，既是国家重点生态功能区，也属于国家划定的武夷山生物多样性保护优先区，其西北部是武夷山国家公园试点范围，主要涉及武夷山国家级自然保护区、武夷山国家级风景名胜区、九曲溪上游保护地带[2]，此外区内还建有武夷山黄龙岩省级自然保护区。但受过去自然保护地交叉重叠、多头管理的因素影响，目前区域内自然保护体系仍不完善，生态系统孤岛化、碎片化现象仍很严重，部分有价值的自然环境和生物物种得不到有效保护，仍需从县域尺度进一步识别和细化生物多样性保护热点区域，以提高保护的有效性和可操作性。

优先区域或热点区域识别是实施生物多样性保护计划的首要步骤[3-4]，其重要目的之一是为了将有限的保护资源分配到最值得保护的地区[5-6]，以达到最佳保护效果。目前国内外学者在该领域已开展了大量的研究和实践[7-17]，主要研究方法有热点区分析法、空缺分析法、数学模拟迭代运算法、生态区划法、景观模型法等[8]。为提高保护的实际可操作性与可行性，还需充分考虑保护体系建设的土地、资金、人力等限制因素；为提高保护成效，保护体系应达到2个主要保护目标：(1)能在各个层次涵盖生物多样性分布重要区；(2)能满足生物多样性的保护需求，维护生物多样性功能[8]。为此，MARGULES等[9]提出了系统保护规划理论和方法(systematic conservation planning, SCP)，该方法同时考虑了生物多样性空间分布和经济发展的空间异质性，基于数学模拟迭代运算法，通过对保护目标、保护成本、边界紧密度进行量化，进而评估现有保护体系的有效性，提出保护体系优化方案。近年来，该方法发展迅速，目前已在生物多样性保护优先区的规划实践中得到了广泛应用[8,10-15]，从应用的空间尺度看，涉及全国、区域[11-14]、省域[8,15]等多个尺度，总体而言在区域尺度的应用较多，例如我国西南地区[11]、黄河流域[12]、长江流域[13]等，但也有针对国家公园选址这一较小空间尺度的研究[16-17]。从模型工具的选择看，C-PLAN和MARXAN[8,11-17]2种工具较为完善并得到广泛应用，但C-PLAN模型侧重于计算不可替代性，规划结果较为分散，不利于保护和管理[14]；而MAXRAN模型除了计算不可替代性外，还同时给出具有空间连通性的保护体系最优方案，因此其实际应用性和可操作性更强。

基于此，笔者以国家重点生态功能区县域武夷山市为案例区，筛选重要保护物种作为生物多样性指示物种，基于系统保护规划理论和方法，应用MARXAN模型评估其生物多样性保护优先区域，并通过空缺分析与现有自然保护地进行比较，提出武夷山市自然保护地空间调整优化布局建议，为武夷山市自然保护地体系建设提供科学依据与参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

武夷山市(27°27′～28°04′ N,117°37′～118°19′ E)位于福建省西北部、闽赣两省交界处，东连浦城县，南接建阳市，西临光泽县，北与江西省铅山县毗邻，土地总面积2 813 km2。研究区下辖3镇、4乡、3个街道、4个农茶场、115个行政村，2019年常住人口约24.2万人[18]。地形地貌复杂多样，东、西、北部群山环抱，峰峦叠嶂，中南部较平坦，为山地丘陵区。气候属于中亚热带季风湿润气候，四季分明，光照充足，雨量充沛，多年平均降水量达1 926.9 mm。区域生态系统类型以森林为主，占国土面积的比例高达80.3%(图1～2)。

研究区生物多样性极其丰富，是我国东南部的物种形成和分化中心[1]，武夷山国家公园内有各类保护植物114种，其中国家Ⅰ级保护野生植物5种〔银杏(Ginkgobiloba)、水松(Glyptostrobuspensilis)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)、南方红豆杉(Taxuschinensis)、伯乐树(Bretschneiderasinensis)〕；国家重点保护及受威胁动物115种，是黑麂(Muntiacuscrinifrons)、黄腹角雉(Tragopancaboti)、白颈长尾雉(Syrmaticusellioti)、金斑喙凤蝶(Teinopalpusaureus)等国家重点保护野生动物在国内重要的分布区[19]，具有极高的物种保护价值和栖息地保护价值，在我国乃至全球的生物多样性保护中占有十分重要的位置。

1.2 研究方法与数据

1.2.1指示物种选取

研究选用《中国·福建武夷山生物多样性研究信息平台》[20]《中国生物多样性红色名录——高等植物卷》[21]《中国生物多样性红色名录——脊椎动物卷》[22]《国家重点保护野生植物名录(第一批)》[23]《国家重点保护野生动物名录》[24]等资料作为武夷山市指示物种参考名录；结合专家意见及文献总结[8,11,13]，选取国家保护物种、受威胁物种(极危、濒危、易危)中的陆生脊椎动物、高等植物作为武夷山市指示物种，并根据指示物种的国家保护等级、受威胁程度、特有性等划分保护等级，其中一级为国家Ⅰ级保护且濒危、极危物种；二级为国家Ⅱ级保护且濒危、极危物种；三级为其他濒危、极危物种，武夷山特有植物物种，国家保护且易危物种。

主要依据《中国·福建武夷山生物多样性研究信息平台》[20]《武夷山国家公园保护专项规划》[19]《中国植物志》[25]《中国动物志数据库》[26]等多种资料，同时结合专家知识和相关文献综合确定每个指示物种的生境因子，主要包括海拔、生态系统类型、距水源距离、距干扰源距离等[8,11]。其中，利用30 m分辨率数字高程模型(DEM)提取每个物种的海拔分布范围；利用武夷山市生态系统类型数据提取每个物种的适宜生态系统类型；距水源和干扰源距离因子主要通过GIS建立缓冲区图层，其中水源数据主要包括河流湖库等水域，干扰源数据主要包括城乡居民点、道路等，均通过生态系统类型数据提取得到。将上述生境因子进行空间叠加分析[8]，公共区域即每个物种的潜在适宜栖息地分布范围，空间分辨率为30 m。以国家Ⅰ级保护且濒危动物黑麂为例，根据文献[19]中国家重点保护野生动物分布图，初步获取该物种的分布点位并提取生境因子信息，其中海拔范围在1 100～1 962 m之间，生态系统类型以针阔混交林为主；结合已有文献研究结果[27]，其栖息地通常选择远离人为干扰(>1 000 m)且离水源较近(<250 m)的生境，据此确定距水源和干扰源因子，将以上因子进行叠加，综合得到黑麂的潜在栖息地范围。

1.2.3保护优先区评价

采用系统保护规划MARXAN模型进行区域生物多样性优先区评价。该模型是一种基于模拟退火法的系统保护规划模型，用于选择一定经济条件限制下的最小成本的保护体系，最早是用于海洋保护体系规划，近年来随着模型不断完善，目前已广泛应用于陆地保护体系规划[8,11-17]。该模型总体框架为：设保护规划单元总数为m，保护指示物种总数为n，根据物种信息构建物种分布矩阵A，则矩阵中数值aij如下所示：

(1)

式(1)中，i=1,2,3,…,m；j=1,2,3,…,n。

设m维向量X表示规划单元是否被选入保护体系，则元素xi表示为

据悉，今后三方将在重大项目联合申报、核心产品研发、通用平台构建、行业标准制定和技术集成示范等方面加强合作，充分挖掘各自潜力，推动大数据技术在植保领域的研发与应用，将大数据、人工智能转化为实实在在的科技生产力。

(2)

迭代运算使用集水区作为规划单元，因同一集水区具有更大的自然相似性，有助于减少系统误差。该研究基于30 m分辨率数字高程模型(DEM)进行水文分析，共提取2 372个集水单元作为规划单元进行迭代运算。利用GIS的Zonal Statistics as Table工具统计每个指示物种在每个规划单元中的栖息地分布面积，构建物种分布矩阵。根据已有研究，一般设置保护比例在10%～50%之间[8,11,14]，同时结合专家知识，设置一级、二级、三级保护物种的保护目标分别占各自栖息地总面积的50%、30%、10%。利用GIS的JNCC扩展模块计算每个规划单元与相邻单元的临边长度。

边界修正系数(boundary length modifier，BLM)是保护区边界长度的修正参数，用于确定边界长度在目标函数中的比重，以平衡边界长度与成本支出，从而得出保护体系建设成本最低且边界长度短的建设方案。每次模拟运算修改BLM参数，找到保护体系紧密度最适宜的点，以避免保护体系过度密集或过度分散。保护体系建设与运行成本主要采用规划单元土地面积近似计算。模型迭代运算100次，每个规划单元在100次运算中被选择到的次数为“规划单元不可替代性”，该值越高表示保护效益越高，在保护体系中的不可替代性越强[8,11]。最后将规划单元按照不可替代性值的高低进行排序和分级，评估武夷山市生物多样性保护的优先格局。

1.2.4数据来源

研究所用生态系统类型数据来自武夷山市自然资源局，是基于2015年土地利用变更调查数据进行重归类得出；数字高程模型(DEM)来自地理空间数据云平台(http:∥www.gscloud.cn/)，空间分辨率为30 m；各级各类自然保护地数据来自武夷山市生态环境局；指示物种资料数据主要来自文献[20-22]；人口数据主要来自文献[18]。

2 结果与分析

2.1 指示物种分析与栖息地评价

经初步筛选，武夷山市符合物种选择标准的指示物种共计59种，其中动物37种、植物22种，指示物种名录详见表2。

表2 不同类别和级别的指示物种名录

由于部分物种数据空缺，有5个物种的栖息地无法识别，但与已识别栖息地的物种分布重叠度总体较高，因此小部分物种数据缺失不会对结果造成较大影响。最终研究区内能够识别栖息地范围的指示物种共54种，包括21种植物和33种动物；按照1.2.1中保护等级划分标准，动物物种中，一级、二级、三级分别为6、7、20种，植物物种中，一级、二级、三级分别为2、0、19种(表3)。评价结果显示，指示物种集中分布于武夷山市西北和东北部山区，以30 m×30 m的栅格为单元，单元内最多包含了40个指示物种的栖息地(图3)。

表3 不同类别和级别的指示物种数量

2.2 生物多样性保护优先区评价

经过BLM调试，当BLM值=0.001时，保护体系边界总长度下降趋势基本平稳，而保护体系总成本上升趋势加快(图4)。因此，0.001为BLM近似最优值，此时保护体系平均边界长度340.9 km，平均总面积约1 094.2 km2。

不可替代性值越高，表明该单元在生物多样性保护体系中的保护价值越高。统计各个分段区间不可替代性值的单元总面积(图5)，不可替代性值为0的规划单元面积为1 265.5 km2，占研究区总面积的46.3%；不可替代性值在(0，10]的规划单元面积为508.1 km2，占研究区总面积的18.6%；不可替代性值在(10，20]和(20，30]的规划单元分别占研究区总面积的3.3%和3.1%；不可替代性值在(30，80]各个分段区间的规划单元面积占比总体相差不大，平均在1.6%左右；不可替代性值在(80，90]、(90，100]区间的规划单元分别占研究区面积的3.2%和17.5%。

将规划单元按照不可替代性值进行分级，划分保护优先区域。根据文献[8,14]，通常将不可替代性值在80以上的区域作为关键或一级保护优先区，具有最高的保护价值；将不可替代性值在(60，80]的区域作为二级保护优先区，具有较高的保护价值；将不可替代性值在(40，60]的区域作为三级保护优先区，具有一般保护价值。据此划分武夷山市生物多样性保护优先区域，其中，一级保护优先区总面积为566.4 km2，占区域总面积的20.7%；二级保护优先区面积为74.5 km2，占区域总面积的2.7%；三级保护优先区总面积为93.8 km2，占区域总面积的3.4%。生物多样性保护优先区域主要位于武夷山市西北部、东北部及东南部地区，主要涉及洋庄乡、星村镇、岚谷乡、吴屯乡、上梅乡、五夫镇(图5)。在保护优先区内，对每个物种的潜在生境保护比例进行叠加分析，发现所有指示物种均达到既定保护目标，其中8个一级保护物种栖息地的保护比例均超过50%(表4)。

表4 武夷山市一级指示物种在各优先区内的分布

3 讨论

基于系统保护规划的研究多聚焦于较大空间尺度[11-15]，部分研究也关注国家公园选址问题[16-17]，研究结果对区域、局地生物多样性保护工作具有较强的指导性。武夷山市生物多样性维护功能极其重要，属于国家划定的武夷山生物多样性保护优先区，现有国家公园和省级自然保护区总面积为642.7 km2。过去已有学者开展了福建省自然保护区生物多样性保护空缺分析[28]、福建省生物多样性优先区域保护网络优化研究[29]，但由于聚焦省级较大空间尺度，其得出的保护空缺区域常覆盖武夷山市大部分区域。因此，笔者尝试应用MARXAN模型开展武夷山市县域尺度的生物多样性保护优先格局评价，提出更为细化的自然保护地体系优化布局的方向和建议，对县域尺度自然保护地体系建设完善具有重要指导意义。但受数据资料、模型本身的限制，研究结果难免与现实有所差别，仍有很多问题还有待深入研究。

(1)指示物种的栖息地分布是保护优先格局评估、保护体系优化的重要基础。也有研究采用MAXENT模型预测评价物种生境适宜范围[30-31]，该模型主要基于某一物种的已知分布样点数据，根据样点像元的环境变量(如气候、海拔、土壤类型、植被类型等)得出约束条件，寻找该约束条件下的最大熵可能分布，进而预测物种生境分布范围；通常可用于某一特定物种的潜在生境评价预测，但当指示物种数量较多、且已知分布样点数据较为缺乏的情形下应用具有一定局限性[11]。该研究结合专家知识和相关文献资料，采用生境因子叠加进行指示物种潜在栖息地评价，所得栖息地范围往往可能大于实际的栖息地面积，但其优点在于数据可获得性较强并可以频繁更新。未来仍需通过开展珍稀濒危保护物种的分布点位基础调查，获取更详细的物种分布信息，以进一步修正完善潜在栖息地评价结果。

(2)保护规划成本是系统保护规划研究的重要内容，过去有的研究尝试量化成本的空间分布[12]，如土地购置成本、保护管理成本、因发展受限的机会成本等。但由于人类社会经济系统较为复杂、具有较大动态性和不确定性，通常需要基于大量数据进行模拟预测，而且可能会造成较大误差。考虑到武夷山市全域为国家重点生态功能区，大部分地区属于国家划定的武夷山生物多样性保护优先区，生态保护处于优先地位，因此研究主要采用土地面积数据作为保护体系建设与运行成本。

(3)根据已有研究，一般在生物多样性保护重要性为一级且当前存在保护空缺的地区应建立自然保护地[8]。通过空缺分析表明，武夷山市生物多样性保护优先区与现有国家公园、省级自然保护区仍存在空间不匹配现象，重叠部分为362.7 km2，占全部保护优先区的49.4%，占全部自然保护地的56.4%。因此，基于保护重要物种栖息地及其连通性等考虑，对武夷山市现有自然保护地体系提出以下优化建议(图6)：

一是对已有保护地的补充扩建，主要涉及武夷山国家公园和黄龙岩省级自然保护区。武夷山国家公园(武夷山市部分)主要分布于武夷山市西部，重点保护对象为中亚热带原生性的天然常绿阔叶林构成的森林生态系统及珍稀濒危野生动植物资源，建议未来可进一步向东扩充，主要涉及洋庄乡西部地区。武夷山黄龙岩省级自然保护区主要位于武夷山市北部，重点保护对象为中亚热带中山森林生态系统及珍稀野生动植物，闽江上游水源发源地，建议未来可向东南部扩建，主要涉及岚谷乡西北部地区，这也与已有研究中提出的武夷山脉优化升级保护区范围[29]较为一致。二是新建自然保护地，主要涉及吴屯乡、上梅乡及五夫镇等部分区域，区内阔叶林生态系统分布集中，有吴屯溪、梅溪、崇阳溪重要支流以及东溪水库等水源地，但目前该区域暂无自然保护区，可考虑在生物多样性一级优先区内新建自然保护区或自然公园。

其中，位于吴屯乡的新建区域主要涉及吴屯溪、东溪水库及其周边阔叶林生态系统，已有研究表明，目前福建省内陆湿地与水域型生态系统自然保护区面积偏少[28]，武夷山市也尚未建立内陆湿地与水域型保护地，不利于重要珍稀濒危水生动物如虎纹蛙的保护，因此建议在该区域建设以保护阔叶林、湿地及水生野生动植物为重点的自然保护区。位于上梅乡、五夫镇交界处的新建区域主要为针叶林、阔叶林等森林生态系统，建议建设以保护森林生态系统为重点的自然公园。

4 结论

通常不同物种及其所受威胁空间分布不均匀，因此保护优先格局评价至关重要，是生物多样性保护、管理与决策的重要依据。在指示物种潜在栖息地评价基础上，采用系统保护规划模型评价武夷山市生物多样性保护优先区域，并提出自然保护地体系优化调整建议，主要结论如下：

(1)武夷山市能够识别栖息地的指示物种共计54种，包括21种植物和33种动物。指示物种集中分布于武夷山市西北、东北部山区。

(2)按照不可替代性值高低划分武夷山市生物多样性保护优先区。其中，一级保护优先区总面积为566.4 km2，占区域总面积的20.7%；二级保护优先区面积为74.5 km2，占区域总面积的2.7%；三级保护优先区总面积为93.8 km2，占区域总面积的3.4%。

(3)建议优先在生物多样性保护一级优先区范围内补充扩建和新建自然保护地，包括向东补充扩建武夷山国家公园、向南补充扩建武夷山黄龙岩省级自然保护区；在吴屯乡吴屯溪、东溪水库及其周边新建森林、湿地及水生野生动植物自然保护区，在上梅乡和五夫镇建设森林保护类自然公园。