亚热带农业研究 2016,Vol. 12Issue (4): 217-223   PDF   
DOI: 10.13321/j.cnki.subtrop.agric.res.2016.04.001
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韩会庆, 张朝琼, 张雪琴
HAN Huiqing, ZHANG Chaoqiong, ZHANG Xueqin
GIS技术在生物多样性评价中的应用
Application of GIS in biodiversity assessment
亚热带农业研究, 2016, 12(4): 217-223
Subtropical Agriculture Research, 2016, 12(4): 217-223.
DOI: 10.13321/j.cnki.subtrop.agric.res.2016.04.001

文章历史

收稿日期: 2016-10-08
GIS技术在生物多样性评价中的应用
韩会庆1, 张朝琼2, 张雪琴3     
1. 贵州理工学院建筑与城市规划学院, 贵州 贵阳 550003;
2. 贵州师范大学地理与环境 科学学院, 贵州 贵阳 550001;
3. 德阳市国土局, 四川 德阳 618000
摘要: 针对生物多样性传统指标评价法无法全面、科学地反映微观尺度生物多样性空间特点进而影响其评价准确性的问题,基于土地利用数据和县域生物多样性分值,以贵州省为例,提出一种利用地理信息系统技术的区域生物多样性评价方法。结果表明,贵州省生物多样性分值为0.45,呈现北部、东北部和东南部较高,中西部较低的特点,自然植被和威胁地类比例的高低是影响生物多样性空间格局的重要因素。该方法可以将较大尺度的生物多样性水平进行微观、精细化空间表达,提高区域生物多样性保护能力。
关键词地理信息系统     生物多样性     空间表达     应用研究    
Application of GIS in biodiversity assessment
HAN Huiqing1, ZHANG Chaoqiong2, ZHANG Xueqin3     
1. College of Architecture and Urban Planning, Guizhou Institute of Technology, Guiyang, Guizhou 550003, China;
2. College of Geography and Environmental Sciences, Guizhou Normal University, Guiyang, Guizhou 550001, China;
3. Deyang Municipal Bureau of Land and Resources, Deyang, Sichuan 618000, China
Abstract: Traditional biodiversity assessment indices cannot comprehensively reflect spatial pattern of biodiversity at micro scale, thereby affecting their accuracy. To circumvent this problem with Guizhou Province as an example, a GIS software was used to assess the biodiversity based on land use data and biodiversity score at the county scale. The results showed that the mean biodiversity score was 0.45 in Guizhou Province. Biodiversity scores in northern, Northeastern and southeast regions were relatively high, while those in central and western regions were relatively low. The ratio between natural vegetation and threat land was an important factor affecting the spatial pattern of biodiversity. With this new method, relatively large scale of biodiversity could be assessed at micro scale with more accurate spatial pattern, thereby providing scientific basis for the protection of regional biodiversity.
Key words: GIS     biodiversity     spatial pattern     applied research    

生物多样性是生物圈的重要组成部分,是人类生存的物质基础,对人类社会的可持续发展具有重要意义。近年来,随着人类活动的加剧,全球生物多样性受到严重威胁和破坏。据统计,全球15 000多个物种正在消失,生物多样性保护成为国际重点关注问题[1]

生物多样性评价是生物多样性保护和管理的基础及重要手段,是准确监测、合理利用以实现生物多样性保护和可持续发展的必要条件[2]。当前主要采用指标评价法进行生物多样性评价,万本太等[3]选取物种丰富度、生态系统类型多样性、植被垂直层谱完整性、物种特有性、外来物种入侵度等5个因子构建生物多样性综合评价指标体系,对全国生物多样性进行综合评价;朱京海等[2]选取物种丰富度、生态系统类型多样性、物种特有性和外来物种入侵度等4个因子构建沿海湿地生物多样性评价指标体系,对沿海湿地生物多样性进行评价。然而,当前指标评价法多以省、县(区)域为评价单元[3-4],评价结果仅反映区域生物多样性整体水平,忽视了各生态系统之间生物多样性差异及各生态系统生物多样性空间差异。鉴于此,本研究以贵州省为例,利用地理信息系统(geographic information systems,GIS)技术,基于土地利用数据对指标评价法进行改进,以期为区域生物多样性保护提供依据。

1 数据来源

数据主要包括:县域生物多样性分值、土地利用数据、威胁地类影响距离及权重。其中,县域生物多样性分值来源于《贵州省生物多样性现状》[5],其空间分布见图 1。土地利用数据来源于Landsat TM/ETM+遥感影像(30 m分辨率),影像采集时间集中于2010年4-11月,轨道号125/41、125/42、126/40、126/41、126/42、126/43、127/40、127/41、127/42、127/43、128/40、128/41、128/42、128/43、129/41和129/42。利用ENVI 4.8进行遥感影像解译。依据研究区特点及遥感解译实际,将土地利用类型划分为旱地、水田、针叶林、阔叶林、灌木林、草地、城镇工矿用地、农村居民点、水域、未利用地。利用ArcGIS软件制作土地利用空间分布图(图 2)。

图 1 贵州省县域生物多样性分值空间分布 Figure 1 Spatial pattern of county-level biodiversity scores in Guizhou Province
图 2 贵州省土地利用类型分布 Figure 2 Spatial pattern of land use in Guizhou Province
2 研究方法 2.1 生物多样性评价思路

(1)利用国家环保部《生物多样性评价试点方案》[5]的方法,得出县域生物多样性分值,该方法主要利用历史文献、标本、科学考察、专家咨询等资料,从物种丰富度、生态系统类型多样性、植被垂直层谱完整性、物种特有性和外来物种入侵度等5个因子对县域生态多样性进行评价;(2)依据单位面积各生态系统的生态多样性价值当量,将县域生物多样性分值按照当量比例分配到各土地利用类型(等同于生态系统类型);(3)判断威胁生物多样性水平的土地利用类型,并确定其威胁权重和距离;(4)利用线性衰减得出不同距离的衰减强度,从而计算出基于土地利用的生物多样性指数(图 3)。

图 3 生物多样性评价思路 Figure 3 Design ideas of biodiversity assessment
2.2 生物多样性评价方法

生物多样性评价方法包括县域生物多样性分值计算和基于土地利用的生态多样性指数计算两部分。

$ W=Z\times 0.2+P\times 0.2+T\times 0.15+V\times 0.05+S\times 0.2+(100-I)\times 0.1+(100-E)\times 0.1 $ (1)
$ H=W-{{M}_{x}}/{{M}_{t}}\times W\left( 1-{{D}_{x}}/{{D}_{\max }} \right) $ (2)

式中,H为生物多样性指数, 介于0~1,W为县域生物多样性分值,Mx为威胁地类x权重,Mt为所有威胁地类权重之和,Dx为威胁地类影响距离,Dmax为威胁地类最大影响距离,Z为动物丰富度归一化结果,P为植物丰富度归一化结果,T为生态系统类型多样性归一化结果,V为植被垂直层普的完整性归一化结果,S为物种特有性归一化结果,I为物种入侵归一化结果,E为濒临物种归一化结果。

公式(1)为县域生物多样性分值计算公式,目前已广泛应用于全国各地生物多样性评估中[6-7],能够满足省域尺度的生物多样性评价。公式(2)为生态多样性指数计算公式,主要参考美国斯坦福大学创建的InVEST模型中生境质量评价方法[8-9],该方法广泛应用于世界各地[10-11],但其需要生境类型、威胁因子对每种生境影响强度和距离、每种生境对威胁因子的敏感程度及保护因子等多种数据,且评价结果过于依赖专家打分。因此,本研究在此评价方法的基础上进行简化和改进。

2.3 参数的确定 2.3.1 各土地利用类型生物多样性功能当量

参考谢高地等[12]的研究成果,确定各土地利用类型的生物多样性价值当量,该成果是基于2010年遥感数据、净初级生产力数据、改进的CASA模型、《中国统计年鉴2011 》[13]、《中国林业统计年鉴2010》[14],并结合专家经验构建不同类型生态系统生物多样性功能的基础当量。旱地、水田、针叶林、阔叶林、灌木林、草地、城镇工矿用地、农村居民点、水域和未利用地的生物多样性功能当量分别为0.13、0.21、1.88、2.41、1.57、1.37、0.00、0.00、2.55和0.02。

2.3.2 威胁地类影响距离和权重

依据研究区特点及人类对各地类干扰强度,确定威胁研究区生物多样性水平的地类主要为:旱地、水田、城镇工矿用地和农村居民点。这些地类对生物多样性影响距离和权重通过参考相关文献[15-18]及专家打分获得。由于城镇工矿用地是人类活动最为强烈区域,而旱地和水田的人类活动相对较弱。因此,城镇工矿用地对周边生物多样性干扰较大,而旱地和水田干扰较小,导致城镇工矿用地对生物多样性威胁距离和权重较大,旱地和水田则较小(表 1)。

表 1 威胁地类的影响距离和权重 Table 1 Distance and weight of influence by threat land use types
地类 最大影响距离/km 权重
旱地 0.5 0.2
水田 0.5 0.1
城镇工矿用地 10.0 0.4
农村居民点 1.0 0.3
3 结果与分析 3.1 生物多样性空间格局

图 4可知,贵州省北部、东北部和东南部生物多样性分值较高,中西部地区则较低,这主要与贵州省土地利用格局有关。贵州省北部、东北部和东南部以针叶林、阔叶林为主,而中西部则以旱地、水田和草地为主(图 2)。加之针叶林和阔叶林生物多样性功能当量值较高,而旱地、水田和草地当量值较低,且全省建设用地,尤其是城镇工矿用地集中在中西部地区。因此形成北部、东北部和东南部生物多样性分值较高,中西部较低的空间格局。

图 4 基于GIS的贵州省生物多样性指数 Figure 4 Geography information system (GIS)-based biodiversity indices in Guizhou Province
3.2 生物多样性与土地利用相关性

表 2可知,贵州省生物多样性分值为0.45,各区域生物多样性分值大小为:黔东南州>遵义市>铜仁市>黔南州>黔西南州>毕节市>安顺市>六盘水市>贵阳市。城镇工矿用地和农村居民点对生物多样性威胁距离较大(图 5),但由于其比例较低(仅0.60%和0.90%),对贵州省生物多样性影响较小;耕地对生物多样性威胁距离较小(图 5),但由于其比例较高(尤其是旱地),对贵州省生物多样性影响较大。此外,自然植被与威胁地类的比例高低是影响生物多样性区域差异的主要因素,黔东南州自然植被(针叶林和阔叶林)比例较高,而城镇工矿用地、农村居民点和耕地等威胁地类比例较低,使得其生物多样性分值较高;贵阳市针叶林、阔叶林、草地等自然植被比例较低,且耕地、城镇工矿用地等威胁地类比例较高,导致其生物多样性分值较低。

图 5 威胁地类缓冲区 Figure 5 Buffer zones of threat land use types
表 2 贵州省生物多样性分值与土地利用类型关系 Table 2 Relationship between biodiversity scores and land use types in Guizhou Province
行政区划 旱地/% 水田/% 针叶林/% 阔叶林/% 灌木林/% 草地/% 城镇工矿用地/% 农村居民点/% 水域/% 未利用地/% 生物多样性分值
贵阳市 26.80 8.96 17.50 9.14 25.91 5.35 3.76 0.99 1.59 0.00 0.30
毕节市 26.74 7.00 20.48 7.87 26.96 9.06 0.39 0.94 0.45 0.11 0.37
遵义市 21.45 4.29 24.28 13.35 27.24 7.52 0.55 0.94 0.39 0.00 0.49
铜仁市 21.71 2.19 26.48 12.89 22.69 11.84 0.36 1.25 0.47 0.11 0.48
黔东南州 9.36 2.85 40.25 24.04 15.82 6.24 0.39 0.57 0.44 0.04 0.68
黔南州 14.46 4.84 24.58 14.71 30.83 8.98 0.39 0.70 0.34 0.18 0.47
黔西南州 18.99 6.17 13.94 15.25 27.78 15.41 0.37 0.78 0.65 0.67 0.46
安顺市 20.23 10.50 13.82 5.14 31.84 15.59 0.53 1.47 0.67 0.22 0.33
六盘水市 26.42 7.66 17.43 6.87 17.64 20.56 0.83 1.22 0.29 1.07 0.32
全省 19.38 5.24 24.48 13.70 24.98 10.02 0.60 0.90 0.50 0.20 0.45
4 讨论与结论

当前生物多样性评价是基于评价指标体系对县域和省域尺度的整体特征而进行的,这种评价方法忽视了生物多样性微观空间特点,未能体现各生态系统生物多样性水平差异。本研究基于已有县域生物多样性分值和土地利用数据,利用GIS技术对区域进行生物多样性评价,实现了微观尺度生物多样性空间特点的表达,提高了生物多样性评价准确性,降低了野外采样成本和工作量较大的困难。

贵州省生物多样性分值为0.45,空间格局呈现北部、东北部和东南部较高,中西部较低的特点。从行政区划看,生物多样性分值大小为:黔东南州>遵义市>铜仁市>黔南州>黔西南州>毕节市>安顺市>六盘水市>贵阳市。自然植被和威胁地类比例的高低是影响生物多样性空间格局的重要因素。

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