生物多樣性維護生態保護紅線劃定方法對比

馬孟梟,張 慧,2,*,高吉喜,鞠昌華,王延松,劉德天

1 生態環境部南京環境科學研究所, 南京 210042 2 南京信息工程大學大氣環境與裝備技術協同創新中心,地理科學學院, 南京 210044 3 生態環境部衛星環境應用中心, 北京 100094 4遼寧省環境科學研究院, 沈陽 110015 5盤錦市黑嘴鷗保護協會, 盤錦 124000

生物多樣性維護功能重要性評估是生態保護紅線劃定中至關重要的環節,科學的生物多樣性維護功能重要性評估能為生態保護紅線的劃定提供強有力的技術支撐,根據《生態保護紅線劃定指南》[1],生物多樣性維護功能重要性評估有物種分布模型法和NPP(凈初級生產力,Net Primary Productivity)法兩種方法, NPP法因其所需參數因子較少,因子獲取較為容易,公式計算更為簡捷而被廣泛應用[2]。物種分布模型法是通過將物種分布信息和對應的環境變量信息進行關聯得出物種分布與環境變量之間的關系,并將這種關系應用于所研究的區域,對目標物種的分布進行估計的模型[3],近年來也逐漸受到許多學者的關注,目前廣泛應用于物種的潛在分布地分析[4-5]、氣候變化對物種分布的影響[6-7]、人為干擾對物種分布適宜性的影響[8-9]等研究。

盤錦市在《全國生態功能區劃(修編版)》[10]中處于遼河三角洲濕地生物多樣性保護區,在《中國生物多樣性保護優先區域范圍》中盤錦遼東灣海域位于黃渤海生物多樣性保護優先區域。盤錦市擁有中國高緯度地區面積最大的濱海蘆葦沼澤區,被譽為“國際重要濕地、中國最美濕地”,是世界上生態系統保存最完好的濕地之一,濕地上生長著蘆葦、翅堿蓬、香蒲等維管束植物120余種,分布脊椎動物415種,鳥類有263種,生物多樣性維護功能是盤錦市最重要的生態系統服務功能。然而隨著城鎮用地擴張、旅游開發活動加劇,濕地生態系統受到顯著干擾,面積呈減小趨勢,且因歷史原因,濕地內油氣開采用地面積較大且分布分散,對盤錦市生物多樣性維護功能造成一定的影響[11, 12]。本研究應用MaxEnt模型和NPP法,預測重點保護物種的生境適宜性以及生物多樣性功能重要性分布,并據此分析2種方法在生物多樣性維護生態保護紅線劃定中的優缺點,以期為生態保護紅線劃定提供理論支撐與決策依據。

1 研究區及研究方法

1.1 研究區概況

盤錦市位于遼寧省西南部,遼河三角洲中心地帶,南臨渤海遼東灣,北緯40°39′—41°27′、東經121°25′—122°31′之間,總面積4061.9km2,處于暖溫帶半濕潤大陸季風氣候,氣候溫和,雨量適中,四季分明,無霜期長。區域內多年平均降水量為579—669mm,多年平均氣溫為8.73—9.80℃,地貌類型為由遼河、大遼河、大凌河及其支流沖積而成的沖積平原,海拔平均高度2—4m,地勢低洼平坦,由北向南逐漸傾斜,坡度在2°以內。多水無山,境內河流21條,擁有豐富的濕地資源。物種資源豐富,主要珍稀野生動植物分布在遼河口國家級和省級自然保護區,國家Ⅰ類保護鳥類有東方白鸛、黑鸛、丹頂鶴、白鶴、白頭鶴、遺鷗等9種,國家Ⅱ類保護鳥類有白琵鷺、黑臉琵鷺、大天鵝、鴛鴦、白枕鶴、灰鶴、小杓鷸等40種。盤錦土地利用類型包括耕地、濕地、人工建設用地、林地、灘涂等,其中耕地分布廣泛,濕地主要集中在自然保護區以及羊圈子濕地,屬于蘆葦濕地,為鳥類分布的主要場所(圖1)。

圖1 研究區土地利用類型及鳥類分布圖Fig.1 The land use types of study area and distribution of birds

1.2 數據與方法

1.2.1研究方法

(1) 物種分布模型法

MaxEnt(最大熵,Maximum Entropy)模型是一種基于最大熵理論的物種分布模型,通過訓練物種分布點數據,結合物種所在區域的環境數據,可預測整個區域中每個點的生境適宜度[4-5, 13- 16]。近幾年MaxEnt模型以其模擬準確度較高、計算效率高和簡單易用,被廣范應用于物種潛在適宜生境預測[6, 17- 20]。SDM 工具包(Species Distribution Model, SDM)是基于ArcGIS的工具插件,可以調用并高效執行MaxEnt模型,其工具包中的物種分布點自動篩選、環境變量空間自相關分析等功能,可以提高MaxEnt模型的應用效率[21]并自動生成圖示結果。其實際操作過程包括：數據預處理(將物種分布點位和環境變量數據處理為規范格式數據)、環境變量的主成分分析、環境變量的空間異質性計算、物種分布點位空間篩選、物種分布點位背景選擇、MaxEnt模型運行[21]。

1)物種分布模型建立

本研究以盤錦市國家一、二級保護物種和其他具有重要保護價值的物種為研究對象,收集區域重要物種的鳥類分布點作為樣點輸入模型中。由于不同鳥類分布較為集中,為模型實際操作方便,將不同鳥類統一看作一個鳥類種群進行模擬。盤錦市不同區域海拔、氣溫、降水等因子基本一致,其對鳥類適宜生境選擇的影響較小,故考慮對鳥類生境選擇有較大影響的環境現狀因素,最終選取的環境變量數據包括：植被覆蓋度、土地利用類型、距水域距離、距居住地距離、距高等級公路(縣級及以上道路)距離、距低等級公路(鄉鎮和林間道路)距離。利用SDM工具包中的Remove Highly Correlated Variables工具,設置最大允許相關系數為0.8,剔除相關性過高(r>0.8)的環境變量,檢驗結果表明本研究的5個環境變量均符合要求。分別將鳥類分布數據及環境變量導入,隨機選取75%的鳥類分布數據用于建模,剩余25%的鳥類分布數據用于模型檢驗。設模型運行次數為10次[9],取10次模擬結果的平均值作為最終模擬結果。選擇創建每個環境變量的響應曲線,評價每個環境變量對模型的貢獻率,采用Jackknife檢驗對環境因子的重要性進行分析,并用受試者工作特征曲線(receiver operating characteristic curve,ROC曲線)下面積即AUC值(area under curve)對模型的精度進行評價。AUC值越大,表示環境變量與預測物種分布模型之間相關性越大,預測效果也就越好,一般認為AUC值在0.5—0.6,失敗；0.6—0.7,較差；0.7—0.8,一般；0.8—0.9,好；0.9—1.0,非常好[6, 18- 23]。

2)鳥類分布適宜性分析

ROC曲線是以靈敏度(sensitivity)為縱坐標,1-特異度(specificity)為橫坐標繪制的曲線。本研究中靈敏度即為模型能正確預測適宜分布點的個數與實際所有適宜分布點的個數的比值；特異度即為模型能正確預測非適宜分布點的個數與實際所有非適宜分布點個數的比值。一般根據最大約登指數為最佳臨界點[9, 24]對應到模擬結果概率值,以該概率值作為判定是否為適宜生境的閾值。約登指數(Youden′s index)定義為：靈敏度與特異度之和減去1。本文利用模型輸出結果確定最大約登指數并確定其對應閾值,根據該閾值利用ArcGIS重分類,判定大于該閾值為鳥類適宜分布區,小于該閾值為鳥類非適宜分布區。

(2) NPP法

NPP法是以生物多樣性維護服務能力指數作為評估指標劃定生物多樣性維護功能生態保護紅線,計算公式為[1]：

Sbio=NPPmean×Fpre×Ftem×(1-Falt)

式中,Sbio為生物多樣性維護服務能力指數,NPPmean為多年植被凈初級生產力平均值,Fpre為多年平均降水量,Ftem為多年平均氣溫,Falt為海拔因子。

將各因子數據重采樣至250m柵格,在ArcGIS柵格計算器中,采用最大最小值法將重采樣數據歸一化到0—1之間,根據公式計算得到生物多樣性維護服務能力指數。導出柵格數據屬性表,屬性表記錄了每一個柵格像元的生物多樣性服務能力值,將服務值按從高到低的順序排列,計算累加服務值。將累加服務值占生態系統服務總值比例的50%與80%所對應的柵格值,作為生物多樣性維護功能評估分級的分界點,利用重分類工具,將生物多樣性維護功能重要性分為3級,即極重要、重要和一般重要,將極重要區域劃定為生物多樣性維護生態保護紅線。

1.2.2數據來源與處理

(1) 物種分布模型中數據來源

本研究鳥類分布點位來自盤錦市林業局與黑嘴鷗保護協會提供的2015年盤錦鳥類分布數據,共收集區域重要物種的鳥類分布點408個,通過物種分布點位空間篩選,最終保留169個鳥類分布點位。環境變量中植被覆蓋度數據由遙感影像計算得到,從地理空間數據云網站(www.gscloud.cn)下載覆蓋研究區范圍的Landsat8遙感影像數據,選出2016年晴朗無云、質量好的影像經幾何校正、大氣校正后波段運算得出；土地利用類型由2016年Landsat8影像遙感解譯得到,包括林地、耕地、水域、人工表面、蘆葦濕地、灘涂等土地利用類型,其中人工表面包括城鎮、村莊、道路、采礦用地等；在ArcGIS 10.2中通過歐式距離分析算得研究區各個像元距道路距離、距水域距離、距居住地距離。所有環境變量轉化為90m×90m柵格數據,統一到WGS_1984_UTM_ Zone_51N投影坐標系,利用SDM工具包中的Raster to ASCII工具將所有環境數據轉化為ASCII格式。

表1 NPP法數據來源表

(2) NPP方法中數據來源

多年平均降水量因子Fpre：在Excel中計算出區域所有氣象站點的多年平均降水量,將這些值根據相同的站點名與ArcGIS中的站點(點圖層)數據相連接(Join)。在Spatial Analyst工具中選擇Interpolate to Raster選項,選擇相應的插值方法得到多年平均降水量柵格圖。

多年平均氣溫因子Ftem：在Excel中計算出區域所有氣象站點的多年平均氣溫,將這些值根據相同的站點名與ArcGIS中的站點(點圖層)數據相連接(Join)。在Spatial Analyst工具中選擇Interpolate to Raster選項,選擇相應的插值方法得到多年平均氣溫柵格圖。

2 結果與分析

2.1 物種分布模型法

2.1.1精度評價

模擬結果的AUC平均值為0.822,表明模型的預測結果精準度較好,所建模型可用于研究區鳥類分布適宜性研究(圖2)。

圖2 ROC曲線圖Fig.2 ROC curve graph

2.1.2鳥類分布地適宜性與環境因子的關系

各環境變量對模型的綜合貢獻率結果顯示(圖3),距水域距離對模型的貢獻率最為顯著,貢獻率為54.1%；土地利用類型對模型的貢獻率也較大,為32.5%；該兩種環境變量是影響鳥類分布最主要的因素；其他因素對模型的貢獻率均小于10%,其中距高等級公路距離的貢獻率為7.9%；植被覆蓋度和距居住地距離的貢獻率相近,分別為2.6%、2.5%；而距低等級公路距離的貢獻率僅為0.4%,說明其對鳥類分布地選擇的影響微乎其微。

圖3 各環境變量對Maxent模型的貢獻率 Fig.3 The contribution of each environmental variable to the Maxent model1)距水域距離 Distance to water； 2)土地利用類型 Land use type；3)距高等級公路距離 Distance to high-grade roads；4)植被覆蓋度 Vegetation coverage；5)距居住地距離 Distance to domicile；6)距低等級公路距離 Distance to low-grade roads

2.1.3鳥類適宜生境分布

基于MaxEnt模型模擬得到盤錦市鳥類分布適宜性指數分布圖,根據最大約登指數確定生境適宜性閾值為0.299。利用ArcGIS得到鳥類生境適宜性分布如圖4所示。適宜生境面積為1019.21km2、 不適宜生境面積為3043.32km2, 分別占研究區總面積的25.09%和74.91%。從圖中可以看出: 鳥類適宜生境主要分布在遼河口國家級和省級自然保護區、羊圈子濕地以及沿海部分區域,遼河口國家級和省級自然保護區是盤錦市濱海濕地生態系統及珍稀鳥類的重要保護地,羊圈子濕地為遼寧省重要濕地,具有生物多樣性保護、水源涵養重要功能,這些區域由于大面積的自然蘆葦濕地受到保護,人類干預較少,適宜鳥類棲息；不適宜生境主要分布在人類活動頻繁,干擾較大的地區。基于此結果,劃定適宜生境區域為生物多樣性維護生態保護紅線。

2.2 NPP方法

通過前文的公式和方法,得到盤錦市生物多樣性維護功能重要性分布圖(圖5),其中極重要區面積為286.5km2、重要區面積為2645.62km2、一般重要區面積為554.62km2,分別占盤錦市面積的8.22%、75.88%、15.91%。從圖中可以看出：生物多樣性維護功能極重要區集中在濱海的遼河口自然保護區,以及東部的大遼河區域；一般重要區主要分布在城鎮等人為活動集中的區域；其余的大部分區域均為重要區,涵蓋村莊、農田等土地利用類型。基于此結果,劃定極重要區域為生物多樣性維護生態保護紅線。

2.3 物種分布模型法與NPP法結果對比

NPP方法和MaxEnt模型法都顯示遼河口國家級自然保護區和省級自然保護區部分地區為生物多樣性極重要區(圖6),但NPP方法得到的適宜區范圍較小,沒有覆蓋保護區大部分范圍。此外,NPP方法顯示盤錦東部大遼河濕地也是生物多樣性維護極重要區,而MaxEnt模型法顯示該區域為鳥類分布非適宜區,通過高清遙感影像和野外實地調研發現,該區域現狀為耕地,種植大面積的玉米等農作物,由于玉米相對于蘆葦有更高的NPP值,從而判定該區域為生物多樣性維護功能極重要區域,但根據野外調查結果,該區域人為干擾較大,鳥類對人類活動有一定的回避距離,該區域鳥類分布遠遠低于蘆葦濕地和沿海灘涂；此外NPP方法顯示,羊圈子濕地為生物多樣性維護功能一般重要區域,而MaxEnt模型顯示大部分羊圈子濕地為鳥類適宜區,根據野外調查以及歷史資料,該區域也分布有大量的保護鳥類。因此,通過兩種方法結果與實際鳥類分布情況進行對比,從城市尺度來看,MaxEnt模型法模擬結果更準確,與實際現狀更相符。

圖4 鳥類生境適宜性分布圖Fig.4 The distribution of the suitable habitat of birds

圖5 NPP方法評估結果Fig.5 NPP method evaluation results

圖6 兩種評估方法結果對比圖 Fig.6 Comparison between two results of two different assessment methods

圖7 盤錦生物多樣性維護生態保護紅線劃定結果圖 Fig.7 Ecological protection red line delineation result chart of biodiversity conservation in Panjin

相對于NPP法,物種分布模型法需獲取現有的物種分布數據,所需環境變量較多,實際計算較為復雜,在生態保護紅線劃定中應用較少,但本研究表明,選用物種分布模型的結果更為科學合理,在選擇環境變量時,應選擇對物種分布變化影響較大的環境變量,對于分布集中的不同保護物種,也可視作同一物種進行模擬,從而使模型操作得到簡化。因此,物種分布模型應用于城市尺度的生態保護紅線劃定中更有實際意義。

2.4 生態保護紅線的劃定

基于Maxent模型結果,根據生態保護紅線整體性、系統性的原則要求,劃定盤錦生物多樣性維護功能生態保護紅線面積1050.17km2,占盤錦市陸域面積的25.85%,如圖7所示,生態保護紅線基本覆蓋了境內東方白鸛、丹頂鶴、黑嘴鷗、震旦鴉雀等所有重點珍稀野生物種的棲息地和遷移路徑的停歇地,該結果能為盤錦珍稀瀕危鳥類的保護與管理提供科學支撐。

3 結論

本文以盤錦市為研究區域,分別采用《生態保護紅線劃定指南》中的物種分布模型法和NPP法進行生物多樣性維護功能重要性評價,進而對兩種方法進行對比,研究發現兩種方法劃定結果差異顯著,從城市尺度來看,物種分布模型法劃定的生物多樣性極重要區比NPP方法結果更準確,與實際現狀更相符。因此基于物種分布模型法,最終劃定盤錦市生物多樣性保護紅線面積1050.17km2,占盤錦市陸域面積的25.85%。研究結果表明除自然保護區外,盤錦西北部的羊圈子濕地、繞陽河濕地、遼河濕地、沿海灘涂等也是保護鳥類的重要棲息地和遷徙停歇地,可見,保護鳥類適宜生境應遠遠大于現有遼河口自然保護區的范圍。本研究對于生態保護紅線劃定中的方法選擇具有重要的指導意義,同時也為生態格局構建中的生態源地識別[25,26]提供了新思路和新方法。