全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·技术与方法· 2008年第1期
收稿日期:2007-07-17
基金项目:北京市组织部项目(编号:05531811)和国家自然科学基金项目(编号:30170158)资助
作者简介:杨娜(1983-),女,北京人,首都师范大学2005级研究生,专业方向为系统生态学
通讯作者:王正军(1968-),博士后,从事系统生态学研究,E-mail:wangzj321@126.com
世界自然基金会 (WWF)2006年 10月发表的
2006年地球生命力报告表明从 1970年~2003年的
33年间,地球上 1300种、种群数量达 3600多个
的脊椎动物已经减少了近三分之一,人类对自然资
源的消耗已经超过了地球生态承载力的四分之一,
并且这种趋势还将继续发展下去。可见保护生物多
样性已经成为迫在眉睫的任务。近年来,保护工作
集中于对处于灭绝边缘的物种进行逐个物种
(species-by-species)的保护,然而仅是确定什么物
种灭绝,什么物种濒危就需要做大量的工作[1],另外
受人类影响的大多数物种的自然栖息地仍然在持
续丧失,它们并不能适应人类提供的生存环境。所
以,这是一种花费大,效果不甚明显的保护方法[2]。
近年来,建立自然保护区已经被证实是保护自然资
源和濒危生物多样性最重要、最有效的措施[3~5]。2003
年在南非举行的第五届世界公园大会宣布现在全
球建立的保护区已占陆地表面积的 11.5%[6]。美国
1872年建立世界上第一个国家公园——黄石公园,
GAP分析的方法及研究进展
杨娜 王正军 张向新 张海州
(首都师范大学生命科学学院,北京 100037)
摘 要: 保护生物多样性已经成为迫在眉睫的任务,建立自然保护区已经被证实是保护自然资源和生态环境最重
要、最有效的措施。尽管被保护的土地面积越来越大,但保护区并没有有效的保护全部的生物多样性。因此,GAP分析应
运而生,它是利用地理信息系统(GIS)和卫星图像并结合实地调查资料来寻找现存保护区中没有的动物型和植被型。这
些保护空缺(gaps)将在下一步的保护计划中优先被保护。从GAP分析的双重目标、利用数字地图层将物种分布信息和已
经建立的保护区叠制的方法等方面叙述了它的基本理论、基本步骤和国内研究进展,并指出了我国GAP分析工作的一些
不足:绝大部分地区的保护区的有效性还未评估;所做工作没有涉及到通过遥感图像制备地表植被图和获得与生境栖息
地相关的精确的物种分布数据、不同生物种群、群落;生态系统的GAP分析研究还有大量的空白。
关键词: GAP分析 方法 研究进展 GIS
TheMethodandAdvanceofGAPAnalysis
YangNa WangZhengjun ZhangXiangxin ZhangHaizhou
(ColegeofLifeSciences,CapitalNormalUniversity,Beijing100037)
Abstract: Itisanurgenttasktoprotectbiodiversityforus.Oneofthemosteficientwaystoprotectnatural
resourcesandecosystemsistocreateprotectedareas(PAs).Althoughbecomingbiggerandbigger,PAsoftendonot
representthefulrangeofbiodiversity.ThusGAPanalysisiscomingtous.Usingsoftwareofthegeographyinformation
system(GIS),itcombinessateliteimageswithterestrialsurveysourcestoidentifyvegetationtypesandvertebratespecies
whicharenotrepresentedinexistingPAs.Onceidentified,thesegapsarefiledthroughnewPAdesignations.Thispaper
providesabriefoverviewofconceptsandmethodsaswelasadvancesindomesticandoversea,focusingonthedouble
goal,overlayingofthespeciesdistributionandprotectedareadatalayers,etal.Theauthorsdemonstratesomeshort
comingsofChineseGAPanalysis:theefectivenesofmostPAshasyettobeevaluated;bothlandcovermapbuildingon
remotesensingtechniquesandaccuratespeciesdistributiondatarelatedtotheirhabitatshaveyettobementionedinour
work;lotsofspecies,communitiesandecosystemthatarepoorlyrepresentedincurentPAshaveyettobeasesed.
Keywords: GAPanalysisMethod Advance GIS
2008年第1期
现在已经建立 937个自然保护区和国家公园,面积
达到 9846万 hm2,占国土面积的 10.5%;德国自然
保护区面积占国土面积的 24.6%,日本的自然保护
区面积占国土面积的 10.5%[3],我国自然保护区数
量截至 2004年底,已经达到 2194个,总面积为 14
822.6万 hm2,占陆地国土面积的 14.8%[7]。然而,尽
管被保护的土地面积越来越大,但保护区并没有有
效的保护全部的生物多样性,如美国一些初步的分
析得出结果,美国现存的保护区网络并没有很好的
保护生物多样性因素,90%的濒危和受到威胁的物
种以及它们的生境栖息地都没有被保护区覆盖[8]。
在此种情况下,特别需要一种方法能够对现有
的保护区系统中生物多样性的保护状态和保护的
有效性进行评估,于是 GAP分析应运而生。GAP分
析概念的最初雏形来自 Burley,1988年,他第一次
提出保护空缺(conservationgaps)这个概念[9],他这
样定义 GAP分析:对生物多样性各个因素的分布
和保护状态以及对现有保护区进行的一种快速调
查和分析的一种方法。它能够确定在现存的保护区
之中哪些应该得到保护的因素(植被类型,栖息地
类型,物种等)没有被保护或没有被很好的保护,这
些在现存的保护区之外的因素即为保护空缺
(gap),这将为下一步的保护计划应该优先保护哪
些因素提供依据。
下面对目前 GAP分析的研究现状和进展,从
其概念、理论和方法等方面进行简要介绍,以期对
我国的 GAP分析研究提供参考。
1 GAP分析的一些基本理论
GAP分析是一种 “粗过滤器”(coarse-filter)式
的保护方法[10,11]。它在关注每一个物种的同时还关
注在州、区域、国家尺度上的大范围的以群落为基
础的生境栖息地,景观多样性地区,热点地区(物种
丰富度高的地区)。它的双重目标是:同时保护好各
个物种及其栖息地[12]。GAP分析还认为减小物种灭
亡可能性的最好的时间是在它们种群数量下降到
灭绝临界点之前,即在一个物种还未达到濒危状态
时就对它进行保护,这样比挽救濒危物种更容易成
功并且花费要小[13]。避免灭绝危机的有效途径就是
科学研究者和土地规划,利用管理机构共同合作来
提取大区域的整个生物多样性的地理信息,并应用
于土地利用和资源管理决策[12]。
在一个研究区域之中,不是所有的种类或群落
都有同样的重要性。因此,GAP分析设置了研究和
保护的优先性[13,14],脊椎动物和植物群落常常是被
优先研究和保护的对象。因为脊椎动物在群落结构
中扮演着主要角色[13],植物群落反映了当地的整体
的环境条件[15],如气候、土壤类型、海拔高度等等,
它是生态系统的初级生产者或第一营养级,为动物
群落提供栖息地,它们的结构和组成明显影响物种
水平的相互作用,植被覆盖图也是评价生物多样性
分布的基础[16]。
GAP分析的一个重要的理论基础是生态系统
的层次理论[12]。即生态系统是由种群、群落、景观和
环境等组成,它们之间互相联系并且互相制约。当
一个生态系统受到外部力量的影响,全部的景观转
变成其它形式和功能的生态系统的时候,过去的研
究集中在物种和种群的水平上或者只是研究整个
生态系统的一部分景观,而这是远远不够的,现在
的研究需要着眼于整个生态系统的全部景观。GAP
分析的研究关注整个生态系统的植物群落,关注动
物在全部景观中的分布,以此来收集信息并且分析
保护区中存在的保护空缺。
GAP分析还认为在大尺度上探讨生物多样性
保护时,应该找出本地物种多样性最丰富的地区或
是特有物种集中分布地区的热点地区,使之得到充
分的保护[12]。热点地区的生物多样性具有不可替代
性与不可恢复性,所以建立保护区系统捕获热点地
区,是为了保证一个地区的所有典型的物种和生态
系统得到保护。生物多样性的热点地区研究在相对
比较完整的生态系统之间进行,如,以自然生态区
(ecoregion)和生物地理单元(biounit)作为边界,在
它们之间进行比较。它的主要标准是物种多样性
高、特有物种多、物种受到灭绝威胁严重的地区。在
考虑物种时有不同的选择,一般选择资料比较齐全
的,如高等动物或高等植物中的一个类群,脊椎动
物和特有的昆虫类群(如蝴蝶)等[13],用来进行热点
地区的分析。
2 GAP分析的基本步骤及方法
2.1 收集资料并准备数据
通过实地调查和以往资料来获得要分析的特
杨娜等:GAP分析的方法及研究进展 101
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第1期
有物种、濒危物种、稀有物种和全部物种多样性的
分布数据,另外研究区域的保护区分布数据也是必
须的。濒危动植物红皮书、动植物标本集、已经发表
的论文、IUCN出版的各种书籍、生物多样性保护网
站都是很好的资料。然后通过 ArcInfo、ArcView、
ArcGis、WorldMap、Camris和 EIS等软件将这些数
据制作成分布图层。
2.1.1 植被类型分布图 近年来随着技术的发展,
主要是由解译 TM卫星图像并参考航空照片、航空
摄像和实地调查数据获得。
制作植被类型分布图层的基本步骤是:①TM
图像进行几何校正,消除地形起伏影响。②遥感数
字图像的计算机分类,将处理后的图像进行非监督
分类,以确定图像的最佳可解译类别数。再结合现
存的植被覆盖图在比值图上进行监督分类。③由于
分类精度的控制在自动分类结果中会存在一定的
未分,错分单元,利用可视化解译来纠正。用航空照
片和航空摄像来评估植被覆盖图的精确度。④将遥
感分类结果当作植被图层,结合数字高程图
(DEM)、土壤图和实地考察数据等最后得出研究区
内的植被覆盖图[7]。
另外除了 LANDSAT系列的 TM卫星图像外,
MSS卫星图像,NOAA系列的 AVHRR卫星图像,
SPOT系列的 HRV卫星图像,都可以用来制备植被
类型图。
2.1.2 物种分布图 物种分布图是 GAP分析的核
心,通常用以下两种数据形式来记录已经获得的动
植物分布数据:即矢量数据如点数据和发生范围
(extentofoccurence)数据,栅格数据。
矢量数据的准备相对容易,对于栅格数据,首
先都要在 GIS软件中绘制一张将研究区域划分为
网格系统的电子数字地图,网格系统可以按照经纬
网格、EMAP六边形、自然生态区、县等行政单位划
分,并将物种分布数据记录在网格系统中。
2.1.2.1 点数据 动植物的特有物种、濒危物种、
稀有物种和全部物种多样性的点出现数据是使用
GPS记录经纬度和海拔高度等地理信息的数据,并
记录在矢量或网格系统中获得。这种数据是记录物
种出现的最简单的一种形式,只能说明该物种过去
在哪里出现过,网格系统中的空白区域也不能说明
它并没有出现过,所以它的精确性不高。
2.1.2.2 发生范围(extentofoccurence)数据 动
植物物种的发生范围数据是通过将物种在它生境
栖息地中的生活范围的地理信息记录在网格系统
中获得。与点出现数据相比较,它能够提供物种的
生存范围,可以很好的鉴定出保护区中没有保护的
区域,对于 GAP分析的双重目的:保护物种和它的
生境栖息地来说是有利的。
但是动物往往并不是占据它的全部的发生
范围,用此类数据分析往往得出的结论也不甚精
确,所以它们的发生范围可以通过分布模型
(distributionmodel)[17,18]来获得。物种的分布模型是
一种较好的预测动物分布的方法,可以精确的通过
物种生境栖息地预测到物种的发生范围,对于 GAP
分析的双重目的更加有利。这里举例说明物种─生
境模型和生境适宜性模型的制作过程。两种模型都
要首先收集每一个物种的发生范围数据、物种─生
境栖息地关系和研究区域的植被覆盖图。①物种─
生境模型(species-habitatmodel)[13,19],通过物种-生
境关系,在物种的发生范围之中预测每一个物种在
每一种植被类型中出现与否,出现用 1来表示,不
出现用 0来表示,这样就可以得出研究区域的物种
分布图:每一个物种都在哪些生境类型中出现,一
种生境类型中都生存有哪些物种。同时也可以用数
字的方式计算物种的丰富度。②生境适宜性模型
(habitatsuitabilitymodel)[20]。该模型还要收集 4个
环境图层:高程、植被类型图、人口密度和河流图
层。首先在每一个物种的发生范围之中对每一个网
格的 4个环境因子分别给予一个生境适宜分数,1、
2或是 3。然后综合 4个环境因子的得分,一个网格
就会得到一个总的生境适宜性分数,这样就将一个
物种的发生范围划分成了高适宜生境,中适宜生境
和低适宜生境。最后认为物种会分布在高适宜生境
中,高适宜生境的分布范围即是物种的分布范围。
另外还可以用以往的物种出现的点数据对模型的
预测能力进行了评估后选择可以利用的模型。
2.1.3 土地利用图 获得保护区的地理位置信息,
将它的边界制作成一个图层。然后与记录物种分布
信息同样大小的网格图层和保护区图层叠制,有保
护区覆盖的网格就是被保护的区域。
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2008年第1期
美国各个州的 GAP分析通常将研究区域划分
为 4个生物多样性管理等级,状态(1)这个地区有
保护管理措施并且制定了保护计划,以保护这个区
域的自然状态使其不被打乱,如:大多数的国家公
园,自然保护区等具有特殊自然价值的管理区。状
态(2)这个地区制定了保护计划保护它的初级的自
然状态,但是在这个区域中有了一些人为活动,降
低了现存的自然生物群落的质量,使自然状态有所
降低,如:荒地,环境关注区等具有一般自然价值管
理区。状态(3)这个地区中的大部分土地有了保护,
但是受到了比如伐木和开矿的影响,已经出现了濒
危和受到威胁的动物,如:公园等存在潜在破坏性
利用的地区。状态(4)管理部门没有制定管理条例
阻止自然生境类型转变为人类的居住地,这片土地
已经完全转变成了非自然的土地,如:高强度开发
成住宅区的土地[1]。这也是对研究区域的保护状态
进行统计的一种方法。
2.2 分析保护空缺
通过植被类型图层和保护区图层的叠制,即可
得出哪一种生态系统没有得到保护。通过物种分布
图层和保护区图层的叠制,如果是点分布数据,就
可以统计物种出现的地方被保护区网络覆盖的情
况,即物种是否受到保护以及受到保护的百分比。
如果是范围分布数据和分布模型,就可以统计保护
区网络是否覆盖了物种的分布范围,即物种是否受
到保护以及受到保护的百分比。这样,没有得到保
护的生态系统、动植物物种即为保护空缺。
2.3 分析热点地区以及优先保护地区
根据动植物物种分布图,确定物种多样性最丰
富的热点地区,热点地区的生物多样性具有不可替
代性与不可恢复性,所以经济发展造成热点地区生
物多样性损失是不可接受的。热点地区是保护的优
先地区应优先受到最好的保护。另外根据植被类型
图和物种分布图,确定应该优先受到保护的生态系
统、特有物种、濒危物种和稀有物种分布地区,这些
地区也是保护的优先地区。
2.4 提出保护建议,制定生物多样性保护计划
GAP分析要求下一步的保护计划应该使每一
物种和生态系统类型在保护区中出现一次。这样综
合考虑已经确定的保护空缺和热点地区,对现有的
保护区进行重新设计并进行合理规划,实施生物多
样性有效管理。对未受到保护区覆盖的空缺物种和
保护优先地区制定保护计划逐步建立新的保护区。
3 GAP分析的研究进展
空缺分析开始于上个世纪的 80年代初,是由
美国的 Scot于 1985年完成[21],他们手工将夏威夷
岛屿分布图和濒危森林鸟类分布图叠制,发现保护
区只保护了很少部分的鸟类,该研究结果直接促成
了 Hakalau国家森林野生动物保护区的建立。随后
美国 1994年开始第一次用 TM图像来制作 48个
州的植被覆盖图,然后由美国国家生物调查局发起
在美国 48个州之间迅速展开,前后历时 10余年,
目前州一级的 GAP分析工作已基本完成,县域和
集水区一级的案例性研究工作也已逐步展开[12]。美国
的 Scot,Jennings,Rondinini,NeilD.Burgess,Norman
Myers等科学家为 GAP分析做出了杰出的贡献。
3.1 空缺分析的研究对象
近 10多年的空缺分析工作分别针对不同的生
物多样性因素进行了研究,研究程度也是逐步深
入。
最初的研究集中于生态系统的保护程度和生
物多样性元素(生态系统、动植物类群等)在海拔分
布上的研究。如美国的 RobertW.Dietz等[22]利用植
被覆盖图、太阳辐射和水分等环境因子将美国本土
的 48个州划分为 554个生态分析单元(ecosystem
analysisunits),对它们的保护状态进行了分析。另
外的相类似的工作还有:Thomasina等[23]对英国现
在的保护区表示全国的 97生物地理单元(natural
area)的程度进行了评估,并对现在的保护区在 4
个海拔高度的分布状态进行了分析。GeorgeV.N.
Powel等[24]用 Holdridge生命带(HoldridgeLifeZones)
来研究哥斯达尼加现在的保护区表示生物多样性
的程度。泰国的 YongyutTrisurat[25]研究了泰国的保
护区表示生态系统的程度。
随后的研究集中于全部的哺乳动物、爬行动
物、鸟类、蝴蝶和植物等物种在保护区中被表示的
程度进行研究。如,LuigiMaiorano等[26]对意大利的
保护区保护 462种陆地脊椎动物的有效性进行了
评估。Jackie等[27]利用 623种 8类生物(两栖类、爬
行类、哺乳类、鸟类、蚂蚁、蝶类、蜻蜓和稀有的维管
杨娜等:GAP分析的方法及研究进展 103
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第1期
束植物)数据,对香港现有的保护区对其保护程度
进行了分析。NeilD.Burgess等[28]非洲大陆的 942种
哺乳动物,1755种鸟类,433种蛇类和 622种两栖
动物受到保护区保护情况进行了研究。美国、意大
利、南非、中国、澳大利亚、英国的科学家[29]对全球
的 4735种哺乳动物,273种海龟,5454种两栖动
物,1171种鸟类共计 11633种物种受到全球的保
护区保护情况作出了鉴定。这一类对物种的表示程
度进行分析的工作是空缺分析深入的研究,它的结
果最明显,没有受到保护的物种和物种丰富度高的
地区可以提供给决策制定部门,为下一步的保护工
作提供参考。
再后研究人员将目光集中于濒危物种,地方特
有物种,狭窄地域分布物种是否被现有保护区覆
盖。如:H.M.DeKlerk等[30]对非洲大陆的两种保护
区:野生动物保护区和森林保护区保护 106种濒危
鸟类的有效性进行了分析。NeilD.Burgess等[31]首先
利用非洲大陆 5958种植物分布数据库鉴定了狭
窄地域分布的植物,并对其和 121种濒危植物受到
保护区保护情况进行了分析。B.B.Salem[32]研究了
埃及的 101种濒危乔木的空间分布状况和受到保
护区覆盖情况。
3.2 空缺分析的研究范围
从上个世纪的 90年代中期开始,生物多样性
空缺分析迅速发展。现在的保护区是否能够有效地
表达生物多样性的工作也分别在陆地、湿地和城市
中展开。
3.2.1 陆地的空缺分析 目前陆地上的一部分空
缺分析工作在较小的地区内开展,如美国的空缺分
析分别是从 48个州展开的,Jackie等人[27]研究了香
港的保护区网络,JunichiImanishi[33]分析了日本的
京都(Kyoto)的保护优先地区,Gonzalez-Rebeles等[34]
研究了墨西哥与美国德克萨斯州交界处的 Rio
Bravondo/RioGrande区域的保护现状,LouiseC.M.[35]
研究了澳大利亚塔斯马尼亚州保护区系统的保护
现状。
一部分空缺分析工作在国家的行政单元内开
展。这一部分的工作较多,如,北美的美国、加拿大,
拉丁美洲的墨西哥、危地马拉、哥斯达尼加、厄瓜多
尔、巴西,欧洲的葡萄牙、意大利、英国、匈牙利、法
国、瑞典,亚洲的中国、中国香港、日本、泰国,澳洲
的澳大利亚,中东地区的埃及、以色列、土耳其等国
有的 GAP分析已经完成,有的在进行之中。
还有的空缺分析将整个大洲作为分析和研究
的对象,如 NeilD.Burgess等人[28,31]就将撒哈拉沙漠
以南的非洲地区作为研究对象,在几年间系统的研
究了非洲的保护系统保护脊椎动物、濒危鸟类和植
物、狭窄地域分布植物的保护情况。
现在,随着研究工作的步步深入,空缺分析的
研究范围扩大到了全球。T.M.Brooks等人[36]分析
了全球生物多样性保护的 9种优先地区的分布:受
危生态区(ecoregions),热点地区,特有鸟类地区,植
物多样性丰富地区,生物多样性丰富度高的国家
等。NormanMyers等人[37]分析了全球地方特有动植
物物种的 25个热点地区。
3.2.2 水域的空缺分析 近年来空缺分析的研究
在内陆淡水和海洋中分别开展。
内陆淡水只占地球总水量的 2.5%,生物多样
性却极其丰富,约有 12000种鱼类,5000种两栖
动物,2000种软体动物。但近年来,淡水动植物受
到很大威胁。2002年 IUCN红皮书列出的濒危物种
中,20%的两栖类,30%的鱼类,27%的软体动物是
生活在淡水中。所有对它们的保护受到了科学家们
的关注。南非的 JeanneL.Nel[38]研究了南非境内 112
个主要河流生态系统的濒危状态和保护等级,并提
出了保护建议。泰国的THUYT.T.NGUYEN和SENA
SDESILVA[39]研究了亚洲 21条主要的河流的鱼类
多样性,并着重分析了长须鲸的濒危程度,提出了
保护建议。
海洋生物多样性流失的速度是热带雨林的 2~
10倍,然而海洋保护区面积却只是陆地保护区面
积的 1/10[40]。所以近年来,世界各国的科学家也大
力致力于海洋生物多样性保护的研究。
有的研究集中于某个地区的浅海鱼类保护,
如:WilaNehlsen[41]研究了美国俄勒冈州太平洋沿
岸的 Tilamook海湾大马哈鱼丰富度高的地区,以
及应该优先保护的分水岭。意大利的 GIOVANNI
BEARZI等人[42]研究了短嘴海豚在地中海的分布区
域及其丰富度,并提出了减少捕猎、环境污染等保
护措施。墨西哥的LORENZOROJAS-BRACHO等人[43]
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研究了海洋生物多样性热点地区之一的加利福尼
亚海湾北部特有物种 Phocoenasinus海豚的分布范
围,并提出现有的海洋保护区只部分保护了它的南
部的生境栖息地,应该在北部加强对它的保护力
度。EnricSala[44]基于加利福尼亚海湾鱼类的丰富度
和它们的生境栖息地的分布合理的设计了海洋保
护区。
有的研究则是集中于全球范围的海洋生物保
护。如:美国的 LeahR.Gerber[45]提出了南太平洋和
南大西洋 4个保护鲸鱼的优先地区。新西兰的
CamiloMora等[46]分析了目前全球 980个保护区保
护珊瑚礁的程度,提出应该新建立总共 25590km2
的保护区来保护珊瑚礁并规划了新建保护区的优
先地区。美国的 CalumM.Roberts等[47]通过地方特
有鱼类、珊瑚、蜗牛和龙虾的分布,来确定了全球
18个海洋生物多样性热点地区。
3.2.3 城市中的空缺分析 人口密集的城市是保
护生物多样性的难点区域,城市往往缺乏野生动物
的分布数据,大多数的措施是从保护景观美学的角
度出发。面对这个问题日本的 Y.Shimabayashi[48]使
用循环自组织数据分析方法(ISOCLASS)对京都进
行空缺分析,通过现存的植物群落和它所在的生理
区寻找它的生理同源区来预测这些植被潜在的分
布区域(potentialdistributionarea),以此来鉴定保护
空缺和下一步保护计划应该优先保护的区域。
3.3 GAP分析的方法进展
3.3.1 使用空间扫描统计方法寻找保护空缺 Ne-
kola和 White认为在一个群落偏好的地理区域中
的种群和它的生境必须受到保护。所以日本的
MikioKamei和 NobukazuNakagoshi[49]分析了 6种森
林群落的群落聚集区中的保护空缺。
他们在 SatScan4.03软件的支持下,用空间扫
描统计方法(spatialscanstatistic)分析了 6种森林
群落的空间聚集性。空间扫描分析使用一个圆形的
视窗来呈现群落的空间分布区域,通过不断的改变
圆圈的圆心和半径,便可以检测到每一种群落聚集
的偏好地理分布区域。在检测的森林群落的 6个偏
好的地理分布聚集区中,有 4个分布聚集区存在保
护空缺,它们分别分布有 52、24、14、19个种群,受
到保护的种群数分别为 2、1、0、1,所以保护的力度
应该加强。这一种方法从空间偏好地区出发寻找保
护空缺,对建立一个可以保护全部生物多样性的保
护区网络做出了很好的补充。
3.3.2 SOM(Self-OrganizingMaps)自组地图统计方
法寻找保护空缺 美国的 MathewE.Hopton等[50]
使用 SOM(Self-OrganizingMaps)自组地图统计方法
寻找西维吉尼亚的保护空缺。SOM是一种将变量
聚类的分析方法。它将收集到的物种分布数据、生
境类型数据和保护区分布的数据等记录在保护区
网格系统中,并且每一个网格均要编号。最后,使用
MatLab软件的 SOM运算法则将这些网格聚类分
析,数据相似的网格将被集中在一起,并以图表的
形式展现。每一种数据都会生成一张图,在这张图
上通过由黑渐白的颜色和图旁边数据对比棒来展
示原始数据的大小,并且通过黑白格子形成的图表
形状来比较数据间的关系,形状相似的图表被认为
这两个数据间的关系较强。
通过图 2可以看到鸟类的分布图形形状和全
部的生物多样性分布图形形状相似,而爬行动物的
则不大相同,说明鸟类丰富度高的地区也是全部生
物多样性丰富的地区,通过(D)图和(A)图的比较
可以看到北维吉尼亚的保护区并没有完全覆盖物
种丰富度高的地区,另外通过(D)图和(C)图的比
较还发现爬行动物丰富度高的地区分布在城市化
较高的地方,这些地方没有被保护区覆盖,保护力
度应该加强。
SOM分析方法使用清晰明了的可视化图表来
展现物种的分布,保护区的覆盖程度和生境栖息地
的类型是对传统的分析方法的一种补充。
图 1 SOM分析方法的结果的一部分
杨娜等:GAP分析的方法及研究进展 105
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第1期
4 我国 GAP分析研究现状和展望
我国的 GAP分析工作开始于 1998年,李迪
强、田自强、解焱等专家在这方面做出了突出的贡
献。目前我国已经开展的空缺分析工作有以下内
容:李迪强等[51]通过解译 TM遥感图像并结合 GIS
技术进行野外调查动植物物种的分布,分析了青海
湖地区的生态系统和动植物物种空间分布特征,并
与已建立的青海湖国家级自然保护区进行叠加,进
行 GAP分析,发现代表性的生态系统和普氏藏羚
羊等国家级保护动物最适宜的生境没有包括在保
护区内。田自强、胡东等[52]使用 MapInfo软件,对龙
门河地区的植被分布图、管理规划图、珍惜物种分
布图进行叠制,寻找到龙门河地区的保护 GAP由
三部分组成:原管理方法中不限制人为干扰的区
域;原保护区域内没有包含的自然植被类型;发现
了珍稀濒危物种密集分布区中没有禁止人为干扰
的区域。解焱等[53]运用 GIS分析方法对中国自然保
护区系统的生态系统和物种有效性覆盖效率进行
了评估。所有的自然保护区边界都被数字化到 Arc
InfoGIS系统中。然后,用中国生物地理区划的 124
个生物地理单元,以及总计 3254种脊椎动物的分
布对自然保护区的数据层进行叠加和分析后发现,
我国的国家级保护区面积比例过大,大部分保护区
分布在西部地区,部分具有重要生物多样性的生物
地理单元保护力度不够,48个物种没有得到任何
保护区覆盖。中国科学院的研究人员在 2004年的
时候参与到了全球物种保护空缺分析的工作中[29]。
中国科学院的雷富明[19]基于 ArcView软件统计了
中国 183种濒危鸟类分布范围,鉴定了 6个热点地
区;并将中国划分为 17种生境栖息地,分析了鸟
类-生境栖息地关系,提出了保护建议。
我国的空缺分析研究到目前为止开展的还非
常少,和世界上发达国家所做的工作还有相当的差
距,目前还存在以下几点不足之处:
(1)从整体看,我国只在青海和龙门河地区一
小部分地区进行了生物多样性保护空缺分析,还没
有对绝大部分地区的保护区的有效性进行评估。
(2)从技术水平和所得结果上看,虽然近些年
研究人员对全国的保护区进行了分析,得出了一些
可以为有关部分作决策的结论。但是我们通常所做
的工作只涉及到使用 GIS系统及相关软件和粗略
的物种分布数据,而没有获得与生境相关的精确的
物种分布数据,所以所得结果也只局限于我国的保
护区在地域上的分布,大部分地区的没有得到保护
区保护的物种和生态系统以及现在所设立的保护
区保护每种物种的生境的程度等精确的分析还没
有进行。
(3)从研究对象看,对于植被、哺乳动物、两栖
类、鸟类、爬行类、生态系统、濒危物种、我国特有物
种等,针对每一个物种和生态系统的空缺分析还没
有开展。
(4)近年来我国的海洋资源流失也较严重,在
1987~2004年间,只有 9.8%的研究是有关海洋生物
多样性的[40],所以应该尽快开展工作分析我国海洋
生物多样性热点地区,濒危物种分布地区,并且已
经设立的保护区是否能够有效保护海洋资源的评
估也应开展。2006年美国决定在夏威夷西北部的
太平洋建立目前世界上最大的 140000平方公里
的海洋保护区,美国在海洋保护方面已经走在了我
国的前列,所以我们更应该加强这方面的研究。
(5)目前我国全国性的保护区 GAP分析还没
有开展,其中一个原因是不同数据之间的协调性不
强。这就需要我国的林业、农业、动植物研究所的从
事保护生物学、景观生态学等的专家学者应该通力
合作,完成这一项研究。
目前,GAP分析在我国还处于起步阶段,我国
建立有大量的国家级和地区级的自然保护区,针对
这些保护区、保护区网络以及不同生物种群、群落、
生态系统的 GAP分析研究还有大量的空白。GAP
分析是一个很好的分析生物多样性保护现状和对
现有保护区的保护有效性进行分析和评估有效方
法,在此可以发挥重要作用,其应用前景广阔。
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