任月恒, 朱彥鵬,*, 付夢(mèng)娣, 聞 丞, 張明海, 于勝祥, 江建平, 李俊生

1 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院, 北京 100012 2 昆明市朱雀鳥類研究所, 昆明 650233 3 北京鏡朗生態(tài)科技有限公司, 北京 100094 4 東北林業(yè)大學(xué), 哈爾濱 150040 5 中國(guó)科學(xué)院植物研究所, 北京 100093 6 中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所, 成都 610041

黃河是中國(guó)第二大河,全長(zhǎng)5464 km,發(fā)源于青藏高原,流經(jīng)內(nèi)蒙古高原、黃土高原和黃淮海平原,注入渤海,水面落差4480 m。黃河流域總面積795000 km2,處于中緯度地帶,主要跨越暖溫帶、中溫帶和高原氣候區(qū)三個(gè)氣候區(qū)劃[1],涉及三江源草原草甸濕地生態(tài)功能區(qū)、甘南黃河重要水源補(bǔ)給生態(tài)功能區(qū)、祁連山冰川與水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)、黃土高原丘陵溝壑水土保持生態(tài)功能區(qū)等6個(gè)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)[2],以及羌塘三江源區(qū)、西鄂爾多斯賀蘭山陰山區(qū)、六盤山子午嶺區(qū)、太行山區(qū)等7個(gè)陸域生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域[3],生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性保護(hù)的意義重大。黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展已上升為國(guó)家重大戰(zhàn)略[4],保護(hù)黃河流域的生物多樣性被列為了全國(guó)生態(tài)保護(hù)的重要內(nèi)容[5—6]。

識(shí)別生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)是生物多樣性就地保護(hù)中的常用方法,為在成本有限的情況下制定保護(hù)決策發(fā)揮重要作用[7—9]。在熱點(diǎn)區(qū)的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)有保護(hù)地分布,識(shí)別保護(hù)空缺,能夠指導(dǎo)自然保護(hù)地體系的建立和完善[10—11]。在識(shí)別熱點(diǎn)區(qū)時(shí),可通過選取瀕危種、受威脅物種等具有特殊意義的物種,替代區(qū)域的物種豐富度確定熱點(diǎn)區(qū)[8,12]。同時(shí)納入多個(gè)生物類群進(jìn)行熱點(diǎn)區(qū)識(shí)別,較單一類群能增加熱點(diǎn)區(qū)的代表性[12—13]。此外,由于在不同的自然地理區(qū)域中,氣候條件差異較大,生態(tài)系統(tǒng)、植被和生物物種組成具有較明顯的差異,按照自然地理區(qū)分別進(jìn)行熱點(diǎn)區(qū)識(shí)別,可將這些特征綜合考慮在內(nèi)[8],并降低空間尺度對(duì)熱點(diǎn)區(qū)分析的影響[14],從而增加熱點(diǎn)區(qū)識(shí)別的實(shí)用性。

目前,能夠從整個(gè)黃河流域的角度提供生物多樣性保護(hù)支撐的研究較少,且限于根據(jù)鳥類分布識(shí)別出熱點(diǎn)區(qū),如郭云等以濕地和水鳥為主要保護(hù)對(duì)象,運(yùn)用系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃的方法,識(shí)別出黃河流域濕地的優(yōu)先保護(hù)格局及保護(hù)空缺[15],尚缺乏對(duì)其他生物類群分布熱點(diǎn)區(qū)的研究。本研究以瀕危維管植物和陸生脊椎動(dòng)物為研究對(duì)象,綜合多來源的分布數(shù)據(jù),運(yùn)用物種分布模型模擬出分布區(qū),進(jìn)一步疊加分析,結(jié)合自然地理區(qū)劃,識(shí)別出熱點(diǎn)區(qū),并結(jié)合國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和國(guó)家公園體制試點(diǎn)區(qū)的分布情況,識(shí)別保護(hù)空缺,為保護(hù)黃河流域生物多樣性、推進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 研究方法

1.1 物種分布信息獲取

以維管植物和陸生脊椎動(dòng)物作為研究類群,選取極危、瀕危物種或旗艦物種作為研究物種,包括26種在世界自然保護(hù)聯(lián)盟(IUCN)紅色名錄(https://www.iucnredlist.org/)或中國(guó)高等植物受威脅物種名錄[16]中評(píng)級(jí)為極危(CR)或?yàn)l危(EN)的植物物種,44種在IUCN紅色名錄或中國(guó)脊椎動(dòng)物紅色名錄[17]中評(píng)級(jí)為CR或EN的脊椎動(dòng)物物種(包括19種哺乳類,19種鳥類和5種兩棲類),以及旗艦物種大熊貓(Aliuropodamelanoleuca),共70種。

以《中國(guó)生物物種名錄》2000版(http://www.sp2000.org.cn/)以及權(quán)威的著作和文獻(xiàn)[18—20],作為物種分類的主要依據(jù),綜合物種信息數(shù)據(jù)庫(kù)、專業(yè)志書、權(quán)威文獻(xiàn)、標(biāo)本記錄、公眾記錄、新聞報(bào)道等多種數(shù)據(jù)來源,收集各物種的分類信息、分布點(diǎn)所在行政區(qū)域、分布點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)、記錄時(shí)間、數(shù)量、威脅因素、瀕危程度等信息,獲取黃河流域上述物種的分布數(shù)據(jù)集。對(duì)于未提供經(jīng)緯度坐標(biāo)但有小地名的分布信息,通過在衛(wèi)星地圖上根據(jù)小地名和該物種的棲息地特征識(shí)別出坐標(biāo)。對(duì)物種分布數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證,排除錯(cuò)認(rèn)、錯(cuò)記、錯(cuò)填地點(diǎn)等情況。

1.2 空間分布模擬

對(duì)于非狹域分布的物種,運(yùn)用最大熵模型Maxent[21—22],基于物種分布點(diǎn)數(shù)據(jù)和環(huán)境因子數(shù)據(jù),批量進(jìn)行物種分布模擬,獲取物種的潛在棲息地。模型模擬所需的環(huán)境因子包括worldclim 2.0氣候數(shù)據(jù)(http://worldclim.org/version2,包含19個(gè)生物氣候因子,以及各月的氣溫均值、最高溫、最低溫、降水、水蒸氣壓、太陽(yáng)輻射以及風(fēng)速)、地形數(shù)據(jù)、地表覆蓋數(shù)據(jù)、植被覆蓋度數(shù)據(jù)等(表1),在ArcGIS 10.6中將坐標(biāo)系統(tǒng)一為WGS84,將柵格分辨率統(tǒng)一為5 km,并轉(zhuǎn)化為asc格式。模型輸出格式選擇為logistic,其余采用模型默認(rèn)參數(shù)。模擬時(shí)先運(yùn)用所有因子運(yùn)行1次,根據(jù)各因子的貢獻(xiàn)率、各物種棲息地選擇影響因素的已有相關(guān)研究結(jié)果、環(huán)境因子的相關(guān)性等,對(duì)各物種選取6—25個(gè)因子進(jìn)行第二次運(yùn)行,每個(gè)物種運(yùn)行5—10次。對(duì)模型運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行逐個(gè)審校,對(duì)于AUC值不及0.85、與已知分布出入較明顯的結(jié)果進(jìn)行重新核實(shí)、運(yùn)算。將結(jié)果中的ASC格式文件導(dǎo)入ArcGIS 10.6中,轉(zhuǎn)換成柵格(tif)格式,分辨率為5 km,并按照訓(xùn)練集數(shù)據(jù)的敏感性和特異性之和最大時(shí)的邏輯閾值進(jìn)行重分類,柵格的值高于閾值的地區(qū)為適宜該物種分布的潛在棲息地[23]。狹域分布的物種,如華山新麥草(Psathyrostachyshuashanica)、斑子麻黃(Ephedrarhytidosperma)等,直接通過其分布點(diǎn)信息及其生境,勾劃出分布地。

1.3 保護(hù)熱點(diǎn)區(qū)及空缺識(shí)別

在ArcGIS 10.6中,將70個(gè)指示種的潛在棲息地進(jìn)行疊加,獲取黃河流域?yàn)l危物種豐度空間分布情況。以物種數(shù)量從高到低的順序,按照占總面積10%(國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)占國(guó)土面積的比例[24])、20%(接近全國(guó)各類陸域自然保護(hù)地占國(guó)土總面積比例[25])和50%(“自然需要一半”倡議[26—27])的原則,將物種保護(hù)價(jià)值劃分為極重要、重要、較重要、一般4個(gè)等級(jí)。參考中國(guó)自然區(qū)劃[28—29],將黃河流域分為青藏高寒區(qū)、西北干旱半干旱區(qū)和東部季風(fēng)區(qū)3個(gè)主要的自然地理區(qū)域,獲取物種保護(hù)價(jià)值在各個(gè)地理區(qū)域的空間分布情況,并在各個(gè)自然地理區(qū)域內(nèi),按照相同的方法,劃分4個(gè)層級(jí)。將現(xiàn)有國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和國(guó)家公園(試點(diǎn))的分布情況與物種保護(hù)價(jià)值空間分布情況疊加,分析保護(hù)空缺情況。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)瀕危物種潛在棲息地疊加結(jié)果(圖1),黃河流域?yàn)l危物種分布主要呈現(xiàn)出南高北低、集中于山地的特征,分布熱點(diǎn)集中在偏南的秦嶺一帶。不同物種類群的豐度空間分布有所不同,瀕危維管植物和哺乳動(dòng)物主要分布在秦嶺、隴中高原、六盤山、子午嶺、呂梁山以及太行山一帶,瀕危哺乳動(dòng)物的集中分布區(qū)域還出現(xiàn)在祁連山、松潘高原一帶。瀕危鳥類則集中分布于松潘高原、河套平原和黃河中下游沿線各重要濕地,以及青藏高原-秦嶺-黃土高原交匯處的山地。瀕危兩棲動(dòng)物集中分布在秦嶺和黃河中下游交界處一帶。

圖1 黃河流域?yàn)l危物種豐度空間分布Fig.1 Distribution of endangered species richness in Yellow River basin

圖2 黃河流域物種保護(hù)價(jià)值和國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)與國(guó)家公園(試點(diǎn))空間分布Fig.2 Distribution of biodiversity conservation value and nature reserves and national parks (pilot area) in Yellow River Basin

由圖2可以看出,將物種保護(hù)價(jià)值極重要區(qū)作為黃河流域生物多樣性的熱點(diǎn)區(qū),根據(jù)保護(hù)價(jià)值計(jì)算結(jié)果,熱點(diǎn)區(qū)分布在秦嶺區(qū)域、太行山區(qū)域、子午嶺-六盤山區(qū)域、隴中高原以及松潘高原。

黃河流域現(xiàn)有國(guó)家公園(試點(diǎn))3個(gè),國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)53個(gè),面積共81350 km2,占黃河流域總面積的10.24%。將物種保護(hù)價(jià)值空間分布圖和現(xiàn)有國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、國(guó)家公園(試點(diǎn))疊加發(fā)現(xiàn)(圖2),國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和國(guó)家公園(試點(diǎn))共覆蓋了熱點(diǎn)區(qū)面積的12.45%,仍存在較為明顯的空缺。

將分自然地理區(qū)域計(jì)算的物種保護(hù)價(jià)值結(jié)果(圖3),與未考慮分區(qū)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),秦嶺、太行山區(qū)、子午嶺-六盤山、隴中高原和松潘高原仍為熱點(diǎn)區(qū),分區(qū)之后,增加了西北干旱半干旱區(qū)的祁連山東麓、賀蘭山以及河套平原的濕地為熱點(diǎn)區(qū)。將該結(jié)果和現(xiàn)有國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、國(guó)家公園(試點(diǎn))疊加發(fā)現(xiàn),國(guó)家級(jí)保護(hù)地共覆蓋了熱點(diǎn)區(qū)的13.89%,依然存在空缺區(qū)域。

圖3 黃河流域各自然地理區(qū)域物種保護(hù)價(jià)值空間分布Fig.3 Distribution of biodiversity conservation value in different geographical regions in Yellow River Basin

3 討論

3.1 黃河流域生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)分布與保護(hù)空缺

根據(jù)圖3中的結(jié)果,黃河流域?yàn)l危物種主要集中分布于秦嶺、太行山區(qū)、子午嶺-六盤山、隴中高原、松潘高原、祁連山和賀蘭山,這些區(qū)域普遍具有地處自然地理區(qū)域分界線、地形較為復(fù)雜、生態(tài)系統(tǒng)較為多樣的特征。整體上,黃河流域?yàn)l危物種分布呈現(xiàn)出集中于山地的特征,原因可能與黃河流域歷史上人類活動(dòng)強(qiáng)度大[30]、較低海拔的黃淮海平原地區(qū)以及黃土高原地區(qū)多被開發(fā)有關(guān)[31]。熱點(diǎn)區(qū)中的濕地集中在河套平原一帶,在黃河中下游較少,但在各類群分別進(jìn)行疊加分析時(shí),黃河中下游的濕地是瀕危鳥類分布的熱點(diǎn)區(qū),因?yàn)檫@些濕地位于東亞-澳大利西亞遷飛路線上,為水鳥提供了重要的棲息地[32]。

將黃河流域分為3個(gè)自然地理區(qū)域分別進(jìn)行熱點(diǎn)區(qū)分析,相較于未進(jìn)行自然地理分區(qū),西北干旱半干旱區(qū)的熱點(diǎn)區(qū)明顯增加,并呈現(xiàn)出集中于水源分布的特征。原因與該區(qū)域相較其他區(qū)域氣候干旱、較為寒冷,物種多樣性不及其他水熱條件相對(duì)較好的區(qū)域有關(guān),以黃河流域?yàn)檎w進(jìn)行研究時(shí),難以體現(xiàn)出該區(qū)域的物種保護(hù)價(jià)值。

現(xiàn)有的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和國(guó)家公園(試點(diǎn)),覆蓋了超過10%的熱點(diǎn)區(qū),并在主要的熱點(diǎn)區(qū)所處的山脈或高原上基本均有分布,但仍存在保護(hù)空缺區(qū)域,包括青藏高寒區(qū)的拉脊山、松潘高原南部,東部季風(fēng)區(qū)的六盤山南部、子午嶺南部等。盡管這些區(qū)域或其附近都建立有保護(hù)區(qū),但覆蓋范圍有限,熱點(diǎn)區(qū)的大部分面積仍然在保護(hù)區(qū)之外。

此外,黃河流域7個(gè)生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域覆蓋了熱點(diǎn)區(qū)面積的46.44%,6個(gè)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)覆蓋了熱點(diǎn)區(qū)面積的33.22%,兩者共覆蓋了熱點(diǎn)區(qū)面積的61.01%,極大地補(bǔ)充了現(xiàn)有自然保護(hù)地覆蓋率的空缺,但在秦嶺西北部至隴中高原、拉脊山一帶,以及鄂爾多斯高原湖泊一帶仍然存在空缺區(qū)域。

3.2 保護(hù)建議

建議在進(jìn)行黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃時(shí),將秦嶺、太行山區(qū)、子午嶺-六盤山、隴中高原至松潘高原、祁連山、賀蘭山和沿黃濕地等熱點(diǎn)區(qū),作為重點(diǎn)開展生物多樣性保護(hù)工作的區(qū)域；并結(jié)合黃河流域生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)和保護(hù)空缺區(qū)域的分布情況,以及自然保護(hù)地整合優(yōu)化工作,對(duì)黃河流域現(xiàn)有自然保護(hù)地體系進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化調(diào)整,以各生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)所在的山脈和高原以及沿黃各重要濕地為重點(diǎn)區(qū)域,梳理現(xiàn)有各級(jí)別、各類型保護(hù)地分布及其保護(hù)工作開展情況,對(duì)于位于熱點(diǎn)區(qū)的自然保護(hù)地,需要進(jìn)一步加強(qiáng)管理；對(duì)于保護(hù)價(jià)值高的非國(guó)家級(jí)保護(hù)地,可以考慮晉升其級(jí)別；保護(hù)價(jià)值高的自然公園可以考慮調(diào)整為自然保護(hù)區(qū)；在難以建立設(shè)立保護(hù)區(qū)的熱點(diǎn)區(qū),可通過劃入生態(tài)保護(hù)紅線的方式加以保護(hù)。

針對(duì)黃河流域三個(gè)自然地理區(qū)域的特征和熱點(diǎn)區(qū)分析結(jié)果,提出如下就地保護(hù)建議:①在青藏高寒區(qū)的隴中高原和松潘高原一帶加強(qiáng)保護(hù)地的建設(shè),可以考慮整合優(yōu)化現(xiàn)有自然保護(hù)地,形成保護(hù)地網(wǎng)絡(luò)；對(duì)于現(xiàn)有本底資料不清的熱點(diǎn)區(qū),如拉脊山一帶,建議組織開展生物多樣性調(diào)查工作。②在西北干旱半干旱區(qū)一帶,加強(qiáng)對(duì)鄂爾多斯高原湖泊的保護(hù),這些湖泊是遺鷗(Ichthyaetusrelictus)等瀕危物種重要繁殖地或潛在繁殖地[33],目前尚有部分繁殖地未受保護(hù)地覆蓋[34]。③在東部季風(fēng)區(qū),將豹(Pantherapardus)作為旗艦物種,目前豹的部分棲息地位于保護(hù)區(qū)外,面臨退化和破碎化的風(fēng)險(xiǎn),易受到人為干擾影響[35],急需加強(qiáng)調(diào)查,對(duì)現(xiàn)有的太行山區(qū)至子午嶺、六盤山、秦嶺這些主要分布地,進(jìn)行系統(tǒng)的保護(hù)規(guī)劃,強(qiáng)化就地保護(hù)措施,如對(duì)現(xiàn)有保護(hù)地進(jìn)行擴(kuò)建升級(jí)、規(guī)劃生態(tài)廊道等；對(duì)于黃河中下游平原區(qū)域,可以將大鴇(Otistarda)、青頭潛鴨(Aythyabaeri)作為重點(diǎn)關(guān)注物種,沿黃濕地和農(nóng)田是這些瀕危物種的重要棲息地[36—37],應(yīng)強(qiáng)化就地保護(hù)。

另外,通過本次對(duì)于不同生物類群、不同自然地理區(qū)域的物種保護(hù)價(jià)值的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)在一個(gè)較大尺度的區(qū)域中,僅考慮單一生物類群的多樣性,不能很好的反映出生物多樣性豐富的區(qū)域；但與此同時(shí),將所有保護(hù)對(duì)象疊加識(shí)別熱點(diǎn)區(qū),會(huì)忽略掉一些對(duì)于某一類群生物重要的區(qū)域,如本研究中對(duì)鳥類重要的黃河中下游濕地。此外,若未按自然地理區(qū)域劃分識(shí)別熱點(diǎn)區(qū),會(huì)使得各不同氣候地理?xiàng)l件下的重要區(qū)域的保護(hù)價(jià)值不能很好的體現(xiàn),從而忽略掉在中小尺度上較為重要的區(qū)域。因此,在進(jìn)行生物多樣性保護(hù)規(guī)劃實(shí)踐中,考慮自然地理區(qū)域劃分,并綜合多類群疊加和單一生物類群的熱點(diǎn)區(qū)分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)籌考慮,可能會(huì)更好滿足生物多樣性就地保護(hù)的需求。