生态保护红线划定中生物多样性重要性评价的不同方法对比研究

侯笑云，刘世梁*，成方妍，赵爽，武雪，贾克敬，祁帆，杨枫

1.北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室，北京 100875

2.中国土地勘测规划院，北京 100875

生态保护红线划定中生物多样性重要性评价的不同方法对比研究

侯笑云1，刘世梁1*，成方妍1，赵爽1，武雪1，贾克敬2，祁帆2，杨枫2

1.北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室，北京 100875

2.中国土地勘测规划院，北京 100875

生态保护红线的划定可以规范人类活动，控制人类活动强度对于维护区域的生态完整性、生态服务功能的可持续性和解决生态环境问题具有重要意义。目前生态保护红线划分的理论和技术尚不完善，其中科学地评价不同区域内生物多样性保护的重要性是生态保护红线划定的重要环节。本研究基于 MODIS 遥感影像，利用环保部 NPP 定量指标法对鹤壁市生物多样性保护重要性进行了评价，并同综合模型评价法进行了比较。结果表明在市级尺度上，模型方法与实地调查更为一致，而生态保护红线指南的方法存在诸多问题。本研究为生物多样性重要性评价及其生态保护红线的划分技术提供理论支撑与依据。

生物多样性保护；模型评价法；NPP；定量指标法；空间尺度

引言

环境保护部于 2015年5月印发了《生态保护红线划定技术指南》一文，为我国境内的生态保护红线的划定奠定了基础。《指南》中提出，生态保护红线是依法在重点生态功能区、生态环境敏感区和脆弱区等区域划定的严格的管控边界，是国家和区域生态安全的底线。其中陆地重点生态功能区包括水源涵养区、水土保持区、防风固沙区和生物多样性保护区，生态红线的划定对于降低人类活动的生态干扰与影响具有重要意义，目前随着空间规划的实施，人类活动与生态红线的关系及其冲突的分析越来越受到重视，而这其中生物多样性保护评价的准确性最为重要。

生物多样性是人类赖以生存和发展的物质基础，对维护生态环境的平衡和稳定具有重要的意义[1]。植物群落是生物系统的重要组成部分，具有多方面的使用价值，但由于资源的过度利用、工程建设及其气候变化等因素的影响，植物的生存形势不断恶化。并且人力和物力资源的有限性决定了不能同时对整个地区的植被群落施行保护性措施，因此对生物多样性保护性评价研究一直以来备受关注[2]。而现阶段国内外的生物多样性评价研究发展迅速[3]，评价对象从基因、物种直到生态系统等多个层次[4-7]，评价方法也从单一的生态调查发展到多种技术方法相结合[8]，评价的结果也逐渐从定性过渡到定量化[9]。

空间尺度的选择对于生物多样性的评价尤为重要，评价的尺度包括市级、省级、国家级甚至全球尺度。目前，我国已经划定了一大批国家级和省级的生物多样性保护区域 (自然保护区、风景名胜区、森林公园等)，对遭受到威胁或可能遭受到威胁的稀有生物开展了大量的生物多样性保护工作[10]，用以维持生态系统的稳定，实行可持续的发展战略。但过大的尺度影响了生物多样性保护的效果，使其应用价值大打折扣，因此在中小尺度上的生物多样性评价研究就显得格外重要。中小尺度上的研究不仅能更为明确保护地区的范围，更能为大尺度上的生物多样性保护的提供基础数据[11-12]。

指标体系的构建是进行生物多样性保护评估的前提，因而得到了较为广泛的研究[13]。李果等[14]甄选出 26 个可以从现状、压力、影响及响应等方面分别对物种多样性、遗传多样性及生态系统多样性进行评价的评价指标。朱万泽等[15]选取了自然保护区多样性指数、植被景观多样性指数、基于生态系统类型的物种多样性指数、国家保护动物多样性指数和国家保护植物多样性指数 5 大指标，以县域为评价单元对长江上游生物多样性进行了综合评价。

为此，本文在对比两种不同生物多样性评价方法的基础上，选取更为适合鹤壁市的生物多样性保护评价指标体系，通过在县域尺度上的分析，为该地区的生物多样性保护提供理论支撑与决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

鹤壁市位于河南省北部，太行山东麓向华北平原过渡地带。地理坐标为 35°26′-36°02′N，113°59′-114°45′E，南北长 67 km，东西宽 69 km，总面积2182 km2，其中市区面积 513 km2。北与安阳市郊区、安阳县为邻，西和林州市、辉县市搭界，东与内黄县、滑县毗连，南和卫辉县、延津县接壤。属暖温带半湿润型季风气候，年平均气温 14.2-15.5℃，年降水量 349.2-970.1 mm，四季分明，光照充足，温差较大。春季多风少雨，夏季湿润炎热，秋季秋高气爽，冬季寒冷多雾。鹤壁市境内有三条主要的河流，北部为羑河，中部为汤河，南部为淇河，孕育了古老的朝歌文化。由于鹤壁市的中东部为平原地区，以粮食生产为主 (图1)，人为干扰严重，生物多样性较低，因此西部山区的生物多样性保护就显得尤为重要。

1.2 评价指标体系的构建

1.2.1 评价指标体系的构成

为了能够更加准确的评价鹤壁市的生物多样性现状，我们采取了两种生物多样性的评价方法，即模型评价法和 NPP 定量指标评价法。其中模型评价法所需要的参数有生境比例 (Hper)、香农多样性指数 (SHDI)、净初级生产力 (NPP) 和植被覆盖指数(NDVI)，生境比例即是自然生境占整体面积的比例；NPP 定量指标法以 NPP 数据为主，结合气温参数、海拔参数和降水量参数进行计算。本次研究通过对比两种方法的生物多样性评价结果，结合研究区的实际情况，筛选出更符合当地情况的评价方法，为研究区的生物多样性保护工作奠定理论基础。

1.2.2 数据来源

NDVI 数据是从美国地质调查局 (USGS) 的数据存档中心下载 (http://glovis.usgs.gov/)，选用数据为 MODIS Terra 卫星的 NDVI 产品 (MOD13Q1，250 m 空间分辨率)。数据时段为2006至2015年，每年共23 期影像，对每个月的数据采用最大值合成法 (CVMVC) 进行处理 (图2)。

图1 鹤壁市土地利用图Fig.1 Land use of Hebi city

图2 鹤壁市 NDVI 的空间分布图Fig.2 Spatial distribution of NDVI in Hebi city

气象数据来源于中国国家气象局，时间范围涉及 1982 至 2015，数据内容包括月降水量、月平均气温、月总日照时数、累年平均年降水量、累年年平均气温等。相关气象站点的经度、纬度和海拔高度也根据不同数据集分别进行了下载。计算植被的经初级生产力需要的栅格化气象数据，根据各气象站点的经纬度信息，利用 ArcGIS 中的 Kriging 差值获取。调整栅格数据投影坐标与象元大小与 NDVI 数据一致。

该研究采用 2015年9月份无云的 Landsat 8 TM (path: 133/row: 35) 30 m 分辨率的遥感影像，经过几何校正和辐射校正。利用 SVM 监督分类的方法对影像进行分类[16]。随后分别对各类别选取测试样本，根据 Google Earth 高清影像的情况，对分类结果采用混淆矩阵进行评价，整体分类精度在 85% 以上，Kappa系数为 0.83。

1.2.3 评价指标的含义和计算方法

(1) NPP 定量指标法

NPP 估算模型采用朱文泉等[17]改进的 CASA模型。该模型估算的 NPP 由植物吸收光合有效辐射(APAR) 和实际光能利用率来表示，估算公式为：

式中，APAR(x,t)代表了象元 x 在 t月吸收的光合有效辐射 (g C · m-2· month-1)，ɛ(x,t) 则表示象元x在t月的实际光能利用率 (g C · MJ-1) 。

其中，APAR(x,t)的计算公式为：

式中，SOL(x,t) 代表了t月在象元x处的太阳总辐射量 (MJ · m-2· month-1) ，FPAR(x,t) 代表了植被层对入射光合有效辐射的吸收比例。

由于研究提取的气象站大多没有测取太阳总辐射量数据，本研究利用了日照时数来换算太阳总辐射量[18]，SOL(x,t) 为t月Hg(太阳总辐射月均值，J/m2) 的总和。其中，Hg的计算公式为：

式中，Ho为天文辐射日总量月均值，单位为 J/ m2；λ为地理纬度，单位为°；h为海拔高度，单位为km；S为日照时数月均值，单位为h；So是理想日照时数月均值，单位为h。其中，Ho为当月的H1的加和。H1为天文辐射日总量 (J/m2)，其公式为：

式中，Io为 1367 W/m2；n为日期序数，1月1日时，n=1。

FPAR(x,t) 的计算公式为：

式中，NDVIi,min和NDVIi,max分别对应着i种植被类型的NDVI的最大值和最小值。SRi,max和SRi,min分别对应着i中植被类型的NDVI的 95% 和 5% 的下侧百分位数。FPARmin和FPARmax分别取值 0.001 和 0.95，ɛ(x,t) 的计算公式为：

式中，Topt(x)为区域年NDVI达到最大值时的当月的平均气温 (℃)，EET为区域实际的蒸散量(mm)；EPT为区域潜在的蒸散量 (mm)，ɛmax取值0.389 g C · MJ-1[19]。

生物多样性保护功能以生物多样性保护服务能力指数作为评价指标，其计算公式为：

式中，Sbio即生物多样性保护服务能力指数；NPPmean代表了区域多年生态系统净初级生产力平均值；Fpre由多年平均年降水量数据插值后，标准化至0-1 之间的降雨分布图；Ftem代表气温参数，由多年年平均气温数据插值获得，得到的结果标准化到 0-1 之间；Falt为海拔参数，由区域海拔进行标准化获得。

(2) 模型评价法

使用模型评价法计算生物多样性保护的计算公式为：式中，Sbio即生物多样性保护服务能力指数；NPP和NDVI指数均采用的是 2015年的数值；SHDI指数是通过 Fragstats 软件中的移动窗口法计算得到；Hper即生境比例指数，选取的是区域内自然生境 (林地、草地等) 所占的比例。

为了消除量纲的影响，我们对指标进行归一化处理，方法为：

归一化后的评价指标 = 归一化前的评价指标 × 归一化系数

归一化系数 = 100/Amax(Amax为某指标归一化处理前的最大值)

然后对归一化后的指标建立 m 个研究区域 n 个指标的数据矩阵：

熵权法是对评价中各个待评价指标进行量化与综合的方法，根据各指标的变异程度，利用信息熵计算各指标的熵权，在通过熵权对各指标的权重进行修正，从而得到比较客观的指标权重[20-21]，计算公式为：

式中，Ej为信息熵，Wj为权重。

1.2.4 重要性分级

生物多样性保护的重要性分级，是将各生物多样性值采用 Quantile (分位数) 进行 4 级分类，根据值的大小，分别由低到高依次划分为 4 个重要性级别，即一般重要、中等重要、重要和极重要。

2 结果与分析

2.1 NPP 定量指标法评价结果

通过上述公式与方法，我们逐个计算出不同县域的海拔 (Alt)、年均降水 (Pre)、年均温度 (Tem) 和净初级生产力 (NPP) 四个生物多样性评价指标标准化之前的均值 (表1，图3)。从表1 可知，鹤山区的 Alt 指标最高，为 275.45 m，其次为淇县 (204.23 m) 和淇滨区 (200.92 m) ，浚县的 Alt 指标最低，为 66.83 m；浚县的 Pre 指标则是最高，为 531.57 mm，淇县与其差别不大，为 530.59 mm，Pre 指标最低的是鹤山区，为 505.36 mm；浚县的 Tem 指标最高，为 14.51℃，其次为淇县 (14.29 ℃)，山城区和淇滨区的 Tem指标差别不大，分别为 14.17 ℃和 14.15 ℃，鹤山区的 Tem 指标最低，为 13.99 ℃；淇县的 NPP 指标最高为 467.26，鹤山区和浚县的 NPP 指标差别不大，分别为 459.64 和 457.24，山城区的 NPP 指标最低为404.88。

表1 鹤壁市不同县区的生物多样性指数均值 (NPP 定量指标法)Table 1 Mean values of biodiversity index in Hebi different counties (NPP quantitative index method)

图3 鹤壁市 NPP 的空间分布Fig.3 Spatial distribution of NPP in Hebi city

图4 鹤壁市年均降水 (pre)、年均温度 (tem) 和海拔 (alt) 的归一化结果Fig.4 Normalized annual precipitation (pre), annual temperature (tem) and elevation of Hebi city

图5 基于 NPP 定量指标法的生物多样性保护重要性分布图Fig.5 Distribution of biodiversity conservation importance based on NPP quantitative index method

根据各个生物多样性指标的数值，先对其进行标准化，结果如图4。然后运用叠加分析的方法来判断生物多样性保护的重要性空间分布 (图5)。从图5 可知，不同等级的生物多样性保护地区分布较为集中，极重要地区主要分布于鹤壁市南部，东部也有少量的分布，重要保护地区主要分布于鹤壁市东部，而一般重要和中等重要的地区主要分布于鹤壁市西部和北部。

2.2 模型评价法评价结果

通过上述公式与方法，我们逐个计算出不同县域的 SHDI、NDVI、Hper 和 NPP 均值 (表2)。从表2 可知，淇滨区的 SHDI 指数最高 (0.53)，其次为山城区，浚县和淇县的 SHDI 指数数值偏低，为 0.36 和0.39；NDVI 指数最高的为鹤山区 (0.22)，其次为淇县和淇滨区，浚县的 NDVI 指数最低，为 0.13；Hper指数最高的为鹤山区 (0.38)，其次为淇滨区，浚县的Hper指数仍为最低 (0.12)；NPP指数最高的为鹤山区的466.14，其次为淇县的 450.77，淇滨区和浚县的 NPP指数差别不大，分别为 441.11 和 445.79，最低的为山城区，NPP 指数仅为 399.02。

我们根据表2 中的数据，再对其进行归一化之后计算不同指数的熵值，结果见表3。从表3 可知，Hper指数的Ej值最小，说明其变异程度最大，因此所占的权重值也最高，为 0.619。NDVI 指数和 SHDI 指数所占的权重值相差不大，分别为 0.196 和 0.164，NPP指数的Ej值最大，说明其变异程度最小，因此所占的权重值也最小，为 0.021。

表2 鹤壁市不同县区的生物多样性指数均值 (模型评价法)Table 2 Mean values of biodiversity index in Hebi different counties (model evaluation method)

表3 各指数的 Ej 值和 Wj 值Table 3 Ej and Wj values of each index

结合上述结果，并且运用 ArcGIS 中的叠加分析方法，最终得到鹤壁市的生物多样性保护重要性程度分布图 (图6)。从图6 可知，鹤壁市的生物多样性保护重要程度的分布呈现西高东低之势，极重要和重要地区主要分布在西部山区、淇河流域、卫河流域及东部平原地区；一般重要地区和中等重要地区间或分布于其他地区。从县域尺度来看，极重要地区主要分布在鹤山区的西部、山城区的北部、淇滨区西部和淇县西部；重要地区主要分布在山城区南部、淇县和浚县交界 (南水北调工程河段) 和淇县东南部 (大运河浚县段)；中等重要和一般重要的地区主要分布在淇县东部和浚县大部。

3 结论与讨论

我们采用了两种不同的方法，对鹤壁市的生物多样性保护重要性分区进行了研究。NPP 定量指标法评价所需的四种指数差别最大的是海拔因素，其余三种的数值差别不大，并且从评价的叠加公式来看，海拔越高的地区生物多样性保护的重要性分级越低，海拔越低的地区反而分级越高。因此，NPP 定量指标法的评价结果显示，极重要和重要的生物多样性保护地区主要分布于东南部平原地区，而西北部山区的保护级别较低。模型评价法所需的四种指数，权重 (Wj) 最大的为 Hper指数，最小的是 NPP 指数，但由于 NPP指数的基数较大，Hper指数的基数较小，因此最终的分区结果以 NPP 指数的大小来决定。但由于浚县除NPP 之外的三种指数均最低，因此重要性评价的结果也较低。

图6 基于模型评价法的生物多样性保护重要性分布图Fig.6 Distribution of biodiversity conservation importance based on model evaluation method

对比两个生物多样性保护重要性分布图 (图5 和图6) 可以发现，两者之间分区结果的差异极为显著，生物多样性保护的极重要地区除了卫河流域和东部平原地区有极少量的重合，其余基本不重合，甚至分区结果是相反的，即图5 中的极重要地区在图6 中是一般重要地区。出现这种显著差异的原因是由于NPP 定量指标法评价公式中的生物多样性保护的重要性与海拔成反比，这就导致了鹤壁市西北部山区的重要性评价较低。但鹤壁市的生物多样性保护的重点既是西北部山区，因此说明在类似于鹤壁市这样的低山—平原环境，模型评价法更适合对当地的生物多样性保护进行分级评价。但并不是说明 NPP 定量指标法的评价结果不切合实际，而是这种方法更适合对大尺度的生物多样性保护进行分级与评价。因此在以后的生物多样性保护重要性分级时，应选取适合研究区实际情况的评价方法，合理选取评价指标，为当地的生物多样性保护提供更加合理的理论支撑。

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A Comparative Study on Different Methods of Evaluating the Importance of Biodiversity in Ecological Protection Redline Delineation

Hou Xiaoyun1, Liu Shiliang1*, Cheng Fangyan1, Zhao Shuang1, Wu Xue1, Jia Kejing2, Qi Fan2, Yang Feng2
1.State Key Laboratory of Water Environment Simulation,School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
2.China Land Surveying and Planning Institute, Beijing 100875, China

De finition of ecological protection redline can regulate human activities and control the intensity of human activities, which is great signi ficance to maintain the ecological integrity of the region, the sustainability of ecological service function and solve the ecological and environmental problems.At present, the theory and technology of ecological protection redline delineation are not perfect, among which the importance of scienti fic evaluation of biodiversity conservation in different regions is an important link in ecological protection redline delineation.Based on MODIS remote sensing image, this paper evaluates the importance of biodiversity conservation in Hebi City by using NPP quantitative index method and model evaluation method.The results showed that the model evaluation method was more consistent with the field survey on the city scale, and there were many problems in the ecological redline guide method.This study provides theoretical support and decision-making basis for regional biodiversity conservation.

biodiversity conservation; model evaluation method; NPP; quantitative index method; spatial scale

10.11871/j.issn.1674-9480.2017.03.011

国家重点研发计划项目 (2016YFC0502103)；国家自然科学基金面上项目 (41571173)

*通讯作者：刘世梁 (shiliangliu@bnu.edu.cn)

2017年3月15日

侯笑云：北京师范大学，博士研究生，研究方向为景观生态学。

E-mail:houxiaoyun526@126.com

刘世梁：北京师范大学环境学院，教授，主要研究方向为景观生态学、恢复生态学、环境影响评价与规划等。

E-mail:shiliangliu@bnu.edu.cn

成方妍：北京师范大学，博士研究生，研究方向为景观生态学。

E-mail:201531180030@mail.bnu.edu.cn

赵 爽：北京师范大学，博士研究生，研究方向为景观生态学。

E-mail:zhaoshuang704@126.com

武 雪：北京师范大学，硕士研究生，研究方向为景观生态学。

E-mail:201621180043@mail.bnu.edu.cn

贾克敬：中国土地勘测规划院，高级工程师，研究方向为土地利用规划和土地评价。

E-mail:jiakejing@mail.clspi.org.cn

祁 帆：中国土地勘测规划院，高级工程师，研究方向为国土空间规划和承载力评价。

E-mail:272434175@qq.com

杨 枫：中国土地勘测规划院，高级工程师，研究方向为土地规划。

E-mail:yangfeng@mail.clspi.org.cn