基于植物大数据的自然保护地识别和资源利用规划

赵莉娜，鲁丽敏，单章建，叶建飞，刘 冰，赖阳均，陈之端,②，路安民

(1.中国科学院植物研究所: a.系统与进化植物学国家重点实验室, b.北京植物园, 北京 100093；2.中国科学院大学, 北京 100049)

生物多样性是生物与环境相互作用和共同演化的结果，是自然界赋予人类的宝贵财富。植物是地球上的初级生产者，为其他生物提供赖以生存的栖息地和物质基础，对维持生物圈物质循环、能量流动和生态系统稳定起到关键作用[1]。植物还能够为人类提供大量的工业原料，如药物、纤维、油料、香料、胶脂等[2]。因此，人类的衣、食、住、行都离不开植物。中国资源植物丰富，许多栽培植物的野生近缘种具有优良品质(如抗病、抗寒、抗旱、抗倒伏等)，是培育新品种不可缺少的种质资源，可为农作物品种改良提供材料[3,4]。中国植物种类丰富，且近半数植物为特有植物，包含许多珍稀的单种属和寡种属。其中，部分特有植物的系统分类地位较为特殊，在植物系统进化研究中具有很高的学术价值[5,6]。

植物多样性是生态系统服务的重要组成部分，如在城市绿化和森林公园中，花草树木可美化环境，丰富景观多样性，给人们带来美的享受，与人类福祉息息相关[1,7-9]。然而，进入20世纪后，随着人口的剧烈增长和城镇化的扩张，森林砍伐、水土流失及荒漠化等问题日益严重，已有5%～15%的物种从地球上消失[10]。截至2021年10月6日，参与评估的70%的被子植物(有花植物)处于受威胁状态(https:∥www.iucnredlist.org/)。若不及时采取措施，物种的灭绝速率将不断加快[11,12]。植物多样性丧失对生态系统功能和可持续性影响很大。在植物多样性下降初期，其对生态系统功能的影响较小，但当植物种数低于一定阈值后，任何植物的灭绝都可能对生态系统功能产生严重影响，进而影响生态系统服务水平[13-17]。研究发现，除人类活动外，气候变化、极端天气、地质灾害及生物入侵等均可对植物多样性产生严重危害[18-20]。因此，植物多样性保护与人类生存和生态文明建设息息相关。为了更好地应对生物多样性面临的严峻挑战，迫切需要在国土规划中落实对植物多样性的保护。然而，虽然植物多样性是自然保护地规划和建设的重要评估指标，但关于植物多样性研究的代表数据不足。以生态系统服务功能评估为例，目前中国参与生态系统服务功能评估的濒危植物只有300多种[15]，占现阶段中国濒危植物总种数的比例不足10%[19-21]。

由于中国在植物资源开发和利用的早期阶段缺少相应规范，导致一些具有重要经济价值的植物资源数量锐减[18,20,21]。例如，大量无序采挖药用植物导致其野生资源急剧减少，甚至有些药用植物种类已经灭绝[22-25]。目前，中国不同地区间野生植物资源的开发利用水平存在极大差异，有些地区的野生植物因长在人迹罕至的深山老林中而得到较好的保存，还有很多地区因没有重视环境保护而导致野生植物面临严峻的生存危机[26-30]。近年来，国家高度重视资源植物的开发和利用。为了推进文化创意、设计服务与相关产业融合发展的精神，文化和旅游部及财政部在2018年联合印发了《关于推动特色文化产业发展的指导意见》，大力发展新时代特色文化产业，深入实施“一县一品”战略，计划在全国832个国家贫困县的乡镇推选具有地域性、特色性、代表性的品牌产品。此后，各地不断推进“一乡一品”“一县一品”的绿色经济发展模式，目前这项产业促进计划已推广至全国近3 000个县(县级市)、40 000多个乡(镇)。然而，各地选择的品牌产品多为农林产品、渔副产品、手工艺产品及特色食品等[31,32]，极少县、乡镇将当地特色植物，尤其是特色野生植物列入品牌产品的培育对象。究其原因，可能是人们对当地的特色野生植物了解不足，无法充分开发利用这些植物资源。

相关研究表明：自然保护区的选取和设置多以当地的物种数以及特有物种和濒危物种的丰富程度为主要依据，缺乏对物种演化历史的认识和考虑[33-37]。生物多样性丧失将导致代表物种演化潜能的关键创新性状和功能性状(如适应性性状)丢失[37,38]。在保护资源有限的情况下，为了防止更多的演化信息丢失，并有效保护演化历史多样性，将系统发生多样性(phylogenetic diversity，PD)纳入生物多样性保护研究已经成为全球学者的共识[38-45]。

本研究基于植物大数据，将中国被子植物多样性〔包括物种丰富度(species richness，SR)、特有物种丰富度(endemic species richness，ER)和濒危物种丰富度(threatened species richness，TR)〕与系统发生多样性相结合，基于保护指数(protection index，P_index)筛选中国被子植物多样性保护优先区，旨在为中国自然保护地识别提供新思路和新方案，为中国以国家公园为主体的自然保护地体系建设和完善提供科学依据和数据支撑。同时，在全面考虑不同类型资源植物经济价值的前提下，基于资源指数(resource index，R_index)，在全国范围内筛选资源植物片区及核心区，以展示中国资源植物的清晰蓝图，响应国家乡村振兴计划和行动部署，进一步优化和促进地方绿色产业规划和经济发展。

1 研究方法

1.1 物种信息来源及分类

本研究的物种信息以《Flora of China》(http:∥www.efloras.org/flora_page.aspx?flora_id=2)为基础，依据《中国生物物种名录》(http:∥www.sp2000.org.cn/)进行修正，并去除异名、非法名、栽培种和外来种等，最终确定的被子植物总计30 068种。同时，根据Huang等[5,6]的研究结果，在确定的被子植物中提取中国特有植物，共计16 676种。濒危植物来源于《中国高等植物受威胁物种名录》等文献[19-21]，将极危(critically endangered，CR)、濒危(endangered，EN)和易危(vulnerable，VU)植物统称为濒危物种，共计3 363种。根据《中国资源植物》[2]将资源植物分成13个类型，即药用植物、观赏植物、纤维植物、淀粉植物、芳香植物、鞣料植物、蜜源植物、木材植物、油料植物、有毒植物、野果植物、野菜植物、牧草植物，共计5 726种，其中被子植物有5 065种。根据《国家重点保护野生植物名录》(http:∥www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-09/09/content_5636409.htm)统计区域内国家重点保护野生植物种数。

1.2 物种分布数据来源及数据库形成

文中的物种分布数据包括文献数据和标本数据，其中，文献数据主要来源于《中国植物志》《Flora of China》《云南植物志》《广西植物志》《江苏省植物志》《浙江省植物志》《云南德宏州高等植物》《鄂尔多斯高原维管植物名录》《鄂尔多斯植物志》《中国长白山植物资源志》《淮北植物》《山西野生植物检索表》《新疆草地植物名录》《溧阳木本植物》《新疆药用植物名录》《贺兰山维管植物检索表》《四川攀西种子植物》《广东植物多样性编目》《东莞植物志》《江西全南种子植物名录》《神农架植物名录》《梅州维管植物名录》《武功山地区维管束植物物种多样性编目》《濮阳植物志》《宜兰县植物资源》《粤东植物名录》《浙江温岭植物资源》《贵州维管植物编目》《西藏东南部主要种子植物检索表》等书籍，标本数据主要来源于中国数字植物标本馆(https:∥www.cvh.ac.cn/)和全球生物多样性信息网(https:∥www.gbif.org/)，数据截至2021年10月。在收集完所有文献数据后，去除无效地名，形成包含约169万条物种县级分布信息的文献数据库。另外，从中国数字植物标本馆获得约700万份标本的县级分布记录，从全球生物多样性信息网获得约194万条大陆标本记录和34万条台湾标本记录，经过去重、清洗和去除无效标本记录(即经度和纬度不在中国陆域范围)等标准化流程后，得到包含约83.6万条信息的标本数据库。将文献数据库与标本数据库结合起来，利用标准的县级行政区(包含县、区、旗和县级市)名称(http:∥www.mca.gov.cn/article/sj/xzqh/2020/2020/2020112010001.html)和标准的植物拉丁学名(http:∥www.sp2000.org.cn/)分别对物种的分布数据和学名信息进行标准化处理。去除重复记录，确保同一物种在每个县级行政区内仅保留1条记录。最终形成包含约202万条县级分布记录的总数据库。物种分布数据的统计和分析由关系型数据库管理系统MySQL(https:∥www.mysql.com/)完成。

1.3 保护指数计算

分别统计各县级行政区被子植物的物种丰富度、特有物种丰富度和濒危物种丰富度。同时，在“中国维管植物生命之树”[46]基础上，利用R软件picante包[47]提取“中国被子植物生命之树”，计算各县级行政区被子植物属水平的系统发生多样性。

保护指数可量化不同地理单元的生物多样性。该指数包括物种多样性和系统发生多样性2个方面，由物种丰富度、特有物种丰富度、濒危物种丰富度和系统发生多样性4个指数组成。为了避免不同数据导致的偏差，将4个指数进行标准化处理，获得0～1的标准化数据；之后，依据“等同权重”原则，计算4个指数标准化数据的算术平均值，即保护指数。

1.4 资源指数计算

资源指数可量化不同县级行政区资源植物的价值。本研究的资源指数由资源植物丰富度(resource plant richness，RR)和资源植物独特性(resource plant uniqueness，RU)组成。其中，资源植物丰富度为每个县级行政区资源植物的总种数与全国资源植物丰富度最高的县级行政区的资源植物总种数的比值；资源植物独特性为每个县级行政区内所有资源植物独特性的平均值，其中，资源植物独特性计算公式为某资源植物独特性=1-(该资源植物在国内分布的县级行政区数/全国县级行政区总数)。依据“等同权重”原则，计算资源植物丰富度和资源植物独特性的算术平均值，即资源指数。

1.5 空间分析和统计

利用地理信息系统工具将上述指数分别绘制到地图上，根据中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于建立以国家公园为主体的自然保护地体系的指导意见》提出的“自然保护地面积占陆域国土面积18%”标准划定保护优先区。将各县级行政区的保护指数由高到低排序，选取累计面积达到陆域国土面积18%的县级行政区作为保护优先区。同时，将各县级行政区的资源指数由高到低排序，选取累计面积达到陆域国土面积18%且相邻的县级行政区，将这些区域合并起来作为资源植物片区；选取累计面积达到陆域国土面积5%且相邻的县级行政区，将这些区域合并起来作为资源植物片区的核心区。

采用莫兰指数(Moran’sI)检测不同植物多样性指标的空间自相关性。Moran’sI的取值范围为[-1,1]，数值越接近-1，表示相邻地理单元间的多样性指标越离散；数值越接近1，表示相邻地理单元间的多样性指标越聚集。采用R软件SpatialPack包[48]提供的修正后的t检验法检测不同植物多样性指标两两之间的空间相关性(r)。r值越大，表示2个植物多样性指标间的空间相关性越高。

2 结果和分析

2.1 不同植物多样性指标的空间格局及保护优先区规划

分析结果(图1)表明：整体上看，中国南方的物种丰富度、特有物种丰富度和濒危物种丰富度高于北方，说明中国被子植物的物种多样性呈现南多、北少的格局。物种丰富度和系统发生多样性具有较高的空间分布一致性(r=0.94，p<0.001)，且具有非常显著的空间分异特征。物种丰富度和系统发生多样性较高的区域主要集中在西藏南部，云南北部和南部，云南、贵州和广西毗邻处，四川周边山区，重庆和湖北毗邻处，广西、湖南和贵州毗邻处等地；特有物种丰富度较高的区域主要集中在西藏和云南毗邻处，广东和广西毗邻处，四川周边山区，重庆、湖南和湖北毗邻处等区域；濒危物种丰富度较高的区域主要集中在西藏和四川毗邻处，云南南部及台湾地区，与物种丰富度有一定程度的空间一致性(r=0.86，p<0.001)。约90%的受威胁物种分布在北纬21°～33°区域，其峰值在北纬23°～25°区域。保护指数在空间上呈现显著的非随机分布状态(Moran’sI=0.45，p<0.001)，且保护指数较高区域的物种多样性也极其丰富，这些区域还分布有大量的特有物种和濒危物种，并蕴含了丰富的植物演化历史。从纬度上看，保护指数较高的区域主要集中在北纬21°～35°的西南、华南和东南的大部分区域。

审图号：GS(2022)3758号

依据保护优先区选取标准，共得到34个保护优先区，累计面积170.6×105km2，各保护优先区的植物多样性见表1。这些保护优先区的被子植物总计24 196种，占中国被子植物总种数的80.5%；特有植物总计13 385种，占中国特有被子植物总种数的80.3%；濒危植物总计2 373种，占中国濒危被子植物总种数的70.6%。同时，这些保护优先区还分布有604种国家重点保护野生植物，占国家重点保护野生被子植物总种数的71.8%。其中，国家一级保护野生植物有53种，占国家一级保护野生被子植物总种数的76.8%；国家二级保护野生植物有551种，占国家二级保护野生被子植物总种数的71.4%。

表1 筛选的保护优先区的植物多样性1)

2.2 不同类型资源植物的空间格局及片区分布

分析结果(图2)表明：不同类型资源植物在空间上呈现非随机分布状态。牧草植物的空间格局与其他类型资源植物明显不同，主要集中在内蒙古、新疆北部以及甘肃和宁夏的部分区域；其他类型资源植物的空间格局相似，主要集中在西南、华南和东南的大部分区域。根据资源指数的空间格局，中国资源植物主要集中在物种多样性较高的区域，如云南、西藏和四川毗邻处，云南南部，四川西北部，重庆大部分区域以及岭南地区等。

审图号：GS(2022)3758号

依据资源植物片区选取标准，共得到20个资源植物片区，累计面积170.6×105km2，各资源植物片区的植物多样性见表2。这些资源植物片区的被子植物总计24 856种，占中国被子植物总种数的82.7%；特有植物总计12 879种，占中国特有被子植物总种数的77.2%；濒危植物总计2 520种，占中国濒危被子植物总种数的74.9%。这些资源植物片区的资源植物共有4 406种，占中国资源植物中被子植物总种数的87.0%，并包含国家重点保护野生植物613种，占国家重点保护野生被子植物总种数的72.9%。其中，国家一级和二级保护野生植物分别有53和560种，各占国家一级和二级保护野生被子植物总种数的76.8%和72.5%。

表2 筛选的资源植物片区及核心区的植物多样性1)

在筛选的资源植物片区中共有10个核心区，累计面积47.3×105km2，这些核心区的被子植物有18 219种，占中国被子植物总种数的60.6%；特有植物有10 105种，占中国特有被子植物总种数的60.6%；濒危植物有1 951种，占中国濒危被子植物总种数的58.0%。这些核心区的资源植物共有3 863种，占中国资源植物中被子植物总种数的76.3%，包含国家重点保护野生植物486种，占国家重点保护野生被子植物总种数的57.8%。其中，国家一级和二级保护野生植物分别有47和439种，各占国家一级和二级保护野生被子植物总种数的68.1%和56.9%。

3 讨 论

植物不仅能够为消费者和分解者提供物质基础，而且能够维持地球生态系统的稳定和平衡，为包括人类在内的其他生物提供适宜的生存环境。因此，将植物作为自然保护地评价的重要因子可获得更加客观、可靠的结果。

利用植物大数据识别自然保护地不仅囊括了物种丰富度、特有物种丰富度和濒危物种丰富度，还结合了系统发生多样性等指标，可最大限度地保护植物多样性、系统发生多样性(物种演化历史)以及依托植物本身或栖息地生存的其他生物或自然遗产。利用植物大数据识别自然保护地可与其他生物多样性保护方法互相补充，将属水平的演化历史引入生物多样性保护研究，为自然保护地识别和生物多样性保护策略制定提供了新的视角。

在资源植物利用方面，本研究从资源植物丰富度和独特性2个方面提出资源指数，并根据资源指数划定资源植物片区和核心区。总体来看，除牧草植物外，其余12类资源植物的空间格局与保护指数的空间格局相似。虽然这些资源植物的类型分类和每个类型资源植物的种类尚需进一步补充和完善，但是仍可以通过这些资源植物的空间格局发现具有地域特色的野生植物资源，据此认为，利用植物大数据可为国家绿色经济发展和美丽乡村建设提出具体的资源植物利用方案。当地政府可参考这些资源植物名录，规划出适合本地资源植物利用的详细方案，在此基础上开发、利用适宜本地环境、气候和生境要求的一种或多种植物，为当地绿色产业发展提供重要信息。

对比保护指数和资源指数较高的区域，中国资源植物与植物多样性保护的空间格局具有较高的一致性，特别是资源植物高度聚集的区域与物种丰富度最高的区域高度重合，如西南、华南和东南的大部分区域。不同类型资源植物的空间格局显示：多数类型资源植物的空间分布高度集中，这一空间格局特征为实现“以最少的面积保护最多的物种”目标的生物多样性保护地规划提供了先决条件[49]。这不仅为进一步识别国家公园候选区提供了参考依据，而且反映出中国的重要野生植物资源主要集中分布于亟需保护的区域内，因此，以国家公园为主体的自然保护地体系建成后将成为中国最大的种质资源库，协调资源利用与保护之间的关系，对于中国的社会、生态和经济发展都十分重要。

以国家公园为主体的自然保护地体系建设是中国生态文明建设的重要内容。国家公园的主要功能是对重要自然生态系统的原真性和完整性的保护，属于全国主体功能区规划中的禁止开发区域，需纳入全国生态保护红线区域的管控范围，实行最严格的保护措施。然而，国家公园并不是完全的封闭式管理，应兼具科研、教育、游憩等多种功能。其中，核心保护区应坚守只对科研、考察、监测等活动开放的原则，而一般控制区则需着眼于提升生态系统服务能力，开放教育和旅游，满足公众进入自然、亲近自然的公益性要求。目前，中国以国家公园为主体的自然保护地体系建设尚处于起步和探索阶段，只有处理好自然资源科学保护与合理利用之间的关系，才能真正促进人与自然的和谐共生，提高国民的幸福感和国家认同感。

致谢：北京林业大学自然保护区学院陈建伟教授和中国科学院动物研究所魏辅文院士在植物保护规划和资源利用方面提供了宝贵意见，研究团队成员李昂、王成玲、刘端、冯亚磊、彭丹晓、张强、杨宇昌、刘赟、方旎、郭昊伟、Rindra Manasoa Ranaivoson和Wyckliffe Omondi Omollo等均参加了物种分布数据和资源植物数据的录入和整理工作，在此一并表示感谢！