生物多样性资源不仅可以直接作为食物、药物、能源、工业原料, 而且还能间接提供生态系统服务。这些服务包括调节气候、保持自然生态系统稳定、降解废物、维持自然基因库和美学价值等^[1]。随着全球气候变化和人类活动干扰, 生物多样性的日益丧失, 引起了国际社会的广泛关注^[2]。全球平均每年约1000个野生物种灭绝, 并在未来的几十年中有可能达到每年5000个^[3], 这种灭绝速率比人类出现前大100—1000倍^[4]。为控制物种灭绝速度, 提高生物多样性保护成效, 已出现大量保护方法研究^[2], 主要为就地保护。全球陆地表面的10%—11%已经建立为自然保护地, 但是全球生物多样性资源丰富, 而且生物多样性逐年变化, 全面有效的保护生物多样性已成为全球所面临的巨大挑战。特别是近年来, 中国东部沿海发生着巨大的变化, 人口经济的快速增长、资源需求的进一步增大、致使该地区生物多样性保护受到一定的冲击。

滨海湿地作为海陆交错地带, 是一个边缘区域^[5], 也是生物多样性最为丰富, 最具价值的生态系统之一^[6-7]。由于经济的发展和人类活动的干扰, 滨海湿地生态系统正遭受着不同程度的功能损失和丧失, 致使湿地生物多样性的时空变化研究备受关注。这些变化必然会影响滨海湿地的生物多样性状况, 进而影响地区经济和生态环境的可持续发展。本文首先结合滨海湿地生物多样性的实际情况, 选取生境质量指数和生物丰富度作为评价指标参数, 计算地区生物多样性指数, 探讨该区域生物多样性的空间格局。同时通过遥感空间分析, 揭示海滨湿地生态系统和湿地生物多样性时空动态特征。最后采用空间相关分析方法, 识别研究区生物多样性变化的热冷点区和当前自然保护区所面临的风险。因此, 研究中国东部滨海湿地生物多样性资源状况, 客观认识生态系统结构与生物多样性, 探讨生物多样性变化的热冷点区, 为促进我国湿地生物多样性管理与保护, 缓解日趋严重的退化问题, 实现中国可持续发展具有重要的科学意义。

1 研究区概况

渤海沿岸滨海湿地南起山东省蓬莱市, 北到辽宁省的大连市, 自南向北途径河北省天津市的沿海地区, 总面积约为59957.42km², 有黄河、海河、蓟运河、大凌河等河流注入。主要包括3大海湾, 分别为北部的辽东湾、中部的渤海湾和南部的莱州湾。海底地形大致自南向北, 自岸向海倾斜, 沉积物主要为细颗粒的粉砂与淤泥。大陆性季风气候显著, 温和湿润, 日照充足, 雨量丰沛, 四季分明, 年平均气温12—14℃, 年平均降水量为530—660mm, 自西向东降水递增, 且年际和年内变化较大。该地区河流众多, 湖泊、池塘、水库、河口星罗棋布, 再加上漫长的浅海滩涂, 构成了丰富多样的湿地景观独特的地理位置, 良好的湿地环境, 使渤海沿岸成为我国东部湿地水鸟的重要分布区, 主要体现在种类多、数量大、珍稀濒危物种出现频率高等方面。由于位于沿海, 地下淡水资源相对贫乏, 工农业及生活用水主要依靠地表水, 因此水库坑塘较多。此外, 渤海沿岸排污河流很多, 加之渤海湾、莱州湾是两个相对封闭的海湾, 海水交换能力将对较弱, 净化能力较低, 导致沿海水域污染严重, 赤潮灾害时有发生。

2 研究数据与方法 2.1 数据来源与处理

生态系统类型图主要基于Landsat TM和环境卫星HJ数据, 采用面向对象的分类技术遥感解译得到^[8-10]。行政区划图、道路矢量图、自然保护区和物种丰富度等数据作为本研究的主要矢量数据, 基于ArcGIS软件, 通过输入和汇总建立地理信息系统数据库。数字高程模型DEM, 空间分辨率为90m, 来源于国际科学数据平台。统一所有数据投影坐标系统和空间分辨率。详细数据信息见表 1。

2.2 研究方法

本研究参考徐佩等人研究^[11], 选取了生境质量指数和物种丰富度指数, 作为评价地区生物多样性特征的重要评价指标参数, 以栅格为统计单元, 利用如下公式计算生物多样性：

式中, BI(Biodiversity Index)为生物多样性指数(无量纲, 范围为0—1)；SR(Species Richness)为物种丰富度(植物与动物), 对其进行标准化处理, 使数值范围在0—1之间, 依据李迪强对指示物种选择和赋值标准^[12], 选择地区指示物种并计算指示物种的丰富度指数。HQ(Habitat Quality)为栅格生境质量, 用InVEST生物多样性模型计算得到(无量纲, 范围为0—1)。

生境质量是指生态系统提供适合于个体和种群的持久性存在条件的能力, 也被认为是模型中一个连续变量, 从低到中再到高, 基于生存资源可获取性, 而繁殖和存在数量^[13]。生境质量取决于一个生境对人类土地利用和这些土地利用强度的可接近性。一般来说, 生境质量的退化可看做附近的土地利用强度增加的结果^[14]。生境质量模型主要包括4个因素, 每种威胁的相对影响, 每种生境类型对每种威胁的相对敏感性, 生境与威胁之间的距离, 缓解生境威胁的保护。生境质量计算公式如下：

式中, HQ_x为栅格x的生境质量(无量纲, 范围为0—1)；H为布尔图, 即0非生境或1生境；D_x为栅格x的总威胁等级；z为模型系数, 这里取值z=2.5^[15]；k为半饱和常数, 由用户设定。此外, 生境威胁因子主要包括工业用地、城镇、农田、主要道路、次要道路等。威胁源属性表中的威胁强度, 威胁距离参考已有的相关文献资料^[16], 威胁因子的相对权重值来自专家评分。生境敏感性属性表中的敏感性值参考模型推荐数值, 并根据研究区特定的生境状况进行了调整。关于更多模型参数的细节请参考InVEST模型使用手册^[15]。所有地图数据均转换为相同的坐标系统(Albers Conical Equal Area)和相同空间分辨率(90m)。

在生物多样性的热冷点区的研究中, 热点区是指物种聚集度高的地区, 冷点区是指物种聚集度低的地区, 即趋于离散, 因此可以利用空间相关分析进行热冷点地区识别。在空间统计中Gi系数作为空间相关分析中常用的自相关指标, 是一种基于距离全矩阵的局部空间自相关指标, 可以探查出研究区内哪些区域是指示物种高度聚集的地方, 即热点区^[17]。本文利用ArcGIS软件的空间自相关分析计算生物多样性变化的聚集程度。

3 结果与分析 3.1 湿地生态系统

渤海沿岸湿地生态系统主要分布在辽东湾、渤海湾和莱州湾附近, 其中渤海湾湿地面积比例最大(图 2)。按湿地类型而言, 辽东湾湿地类型主要为灌木和草本沼泽。而渤海湾和莱州湾主要为水库坑塘。渤海沿岸湿地生态系统总面积在2000—2010年几乎不变, 仅微微增加38.93km², 但其内部各类型面积转换非常显著(表 2)。特别是草本沼泽和水库坑塘, 10年间它们变化面积分别为-540.45km²和485.49km²。草本沼泽面积比例相对降低了4.69%, 而水库坑塘则升高了3.93%。呈现出自然湿地面积逐年持续减少, 人工湿地面积持续增加趋势。由于滨海地区城市化迅速, 人口增长, 导致以水产养殖为主的产业大力发展, 致使草本湿地(主要植被为芦苇), 向水产养殖塘的水库坑塘转变。总体上, 渤海滨海湿地生态系统变化的特征主要是通过围垦草本沼泽等自然湿地, 改造为水产养殖塘或耕地等人类活动强度较高的生态系统类型。

3.2 生物多样性

由于地理位置、气候条件、生境质量和物种丰富度存在空间差异, 滨海湿地生物多样性也表现出明显的空间异质性(图 3)。生物多样性数值较高的区域主要分布在辽东湾中部和莱州湾西北部附近。从地理空间来看, 生物多样性数值高的地区大多数为自然保护区或植被丰富的沼泽地带, 这些植被为动植物的栖息繁衍提供了良好的环境, 又因为地形限制, 受到人为干扰较少, 所以在这种地形的控制下形成了有利于各种生物生存的小生境。而生物多样性数值较低的区域则分布在渤海湾附近。由于渤海湾沿岸属于天津市和河北省行政区内, 社会经济发达, 人口密度高, 人口对湿地生态系统干扰强度大, 故生物多样性数值较低。2010年渤海沿岸湿地生物多样性均值为0.55, 相对于2000年降低了8.3%(表 3)。除湿地整体生物多样性降低外, 其内部草本沼泽、湖泊和水库坑塘等类型都出现一定程度的退化。2000—2010年来, 渤海沿岸湿地生物多样性普遍退化, 主要原因是由于湿地周边的快速城市发展, 近10年来, 周边城市化面积增长达到2372.93km², 增幅约为30.96%。迅速的城市发展, 人类活动的不断加强, 给周边的湿地生态系统造成一定的干扰, 许多适宜生境丧失, 导致湿地生物多样性存在退化的风险。

3.3 生物多样性变化原因

由于该区域受人类活动显著影响, 生物多样性发生着巨大的变化。本文对生物多样性变化与所有可能的影响因子做相关性分析, 发现与道路密度、GDP(Gross Domestic Product)密度、人口密度相关性明显(图 4)。生物多样性变化均与道路密度、GDP密度、人口密度呈现明显的负相关(r=-0. 486, P < 0.01；r=-0. 856, P < 0.01；r=-0. 812, P < 0.01)。结合上文3.1部分内容, 我们发现近10年来渤海滨海湿地受人类活动干扰较大。随着人口的增长和经济的发展, 渔业食物的价格上升, 围垦草本沼泽, 改造水产养殖塘或耕地的活动越来越频繁。此外, 房地产和交通的发展, 道路的密集建设, 对该地区湿地生物多样性产生巨大的负面影响。

3.4 生物多样性变化热冷点区

对生物多样性变化进行热冷点分析, 结果如图 5所示。渤海沿岸湿地生物多样性变化热点区(Z值大于1.96)主要集中在渤海湾东南部和莱州湾西北部, 以及辽东湾中部的滨海湿地。而变化冷点区(Z值小于-1.96)主要分布在渤海湾中北部附近。这里选取±1.96作为分类阈值, 是因为当使用95%的置信度时Z值为±1.96标准差, 即具有统计显著性(P值< 0.05)。由于热点区附近存在国家湿地保护区, 生物多样性高, 相对其他区域而言, 变化较为剧烈和集中, 使得空间上的聚集度较高, 从而Z值绝对值高。

4 结论

本文基于渤海沿岸湿地生态系统类型、道路、威胁因子和参数属性等, 通过InVEST生物多样性模型, 获取生境质量, 并结合物种丰富度, 评估研究区生物多样性和探讨其变化的热冷点区域。研究结果如下：

(1) 在2000—2010年期间, 渤海沿岸湿地生态系统总面积几乎不变, 但其内部各类型面积转换则非常显著, 主要为草本沼泽和水库坑塘之间的转换。呈现出自然湿地面积逐年持续减少, 人工湿地面积持续增加趋势。

(2) 生物多样性较高的区域主要分布在辽东湾中部、渤海湾东南部和莱州湾西北部, 主要包括凌海市、盘山县、大洼县, 无棣县、沾化县、河口区、垦利县和东营区。由于城市化进展的加快, 人类活动干扰的加强, 在2000—2010年期间, 渤海沿岸湿地适宜生境的面积不断地减少, 生境质量逐渐降低, 生物多样性呈退化趋势。

(3) 近10年来渤海沿岸湿地生物多样性的变化与人类活动的关系非常密切, 其与道路密度、GDP密度、人口密度呈现明显的负相关。频繁的人类活动对该地区湿地生物多样性产生巨大的负面影响, 应多建立自然保护区加以保护。

(4) 通过生物多样性变化热冷点分析, 热点区主要分布在渤海湾东南部和莱州湾西北部, 包括无棣县、沾化县、河口区、垦利县和东营区。冷点区域主要集中在渤海湾的中北部, 包括滨海新区, 丰南区和曹妃甸区。在渤海湾东南部和莱州湾西北部的变化热点区内, 生物多样性呈改善趋势, 说明裸土转换为水库坑塘和自然保护区的存在, 可以有效的改善该地区的生境质量, 即发展与保护共存, 达到了双赢的结果。