美国本土生物多样性重要区域对全球变化影响的潜在暴露风险制图研究

《Science of The Total Environment》：Mapping potential global change impacts on biodiversity important areas of the contiguous US

　　

专业术语翻译（摘要部分） 全球变化已导致前所未有的、普遍性的生物多样性丧失速率，全球种群丰度自1970年以来平均下降69%，且有100万个物种面临灭绝风险。人类压力是自然系统退化的主要驱动因素，包括土地利用变化、生物直接开发利用、外来入侵物种、污染以及人为气候变化。识别人为变化可能与生物多样性相互作用的空间位置，是采取战略性保护行动以减轻其最终影响的重要步骤。为评估生物多样性丧失的时空趋势，研究人员开发了许多基于模型的生物多样性指标分析，主要聚焦于气候和土地利用变化预测。尽管不同模型预测趋于一致地表明未来生物多样性将丧失，但预测不确定性存在显著差异，且各情景对驱动因素的考量并不均衡。由于数据缺乏及相互作用的复杂性，对多种威胁跨分类群和生态区的直接影响理解有限，导致因所研究的指标、方法和生物实体不同而产生迥异的结果。基于模型的预测虽有助于制定长期政策以扭转生物多样性丧失曲线，但较难用于动员特定区域内的即时保护行动。作为基于模型优先排序的替代方案，威胁制图可捕捉威胁与生物多样性指标之间空间重叠的当前快照，从而支持短期、更精细尺度的空间优先排序评估。然而，威胁制图方法假定生物多样性受威胁程度与威胁强度相关，且作为静态表征，需频繁迭代更新并与额外工具整合以实现有效保护行动。尽管如此，威胁制图评估仍是考虑广泛威胁和保护目标的战略性保护规划中的重要工具。现有生物多样性优先区域制图工作包括物种分布热点、高保护价值区域和大尺度人类足迹，但在威胁空间格局方面仍存在知识空白。迄今为止，多数研究聚焦于单一威胁，而大多数物种可能暴露于多重威胁。累积指数虽已可用，但在特定地理区域的生物多样性丧失评估中存在局限性。例如，人类足迹指数是人为影响的累积指标，但未包含与所有生物多样性丧失驱动因素直接相关的变量。此外，许多单一或累积威胁指标在全球尺度开发，分辨率过粗，难以捕捉情境依赖的细微差别或对自然资源管理与保护实践者具有相关性。环境与人为变化对生物多样性的影响已在全球陆地和水生生态系统中观察到，且有充分证据表明美国亦不例外。既有文献提示，五大主要威胁在美国同样突出，并可能因城市和农业扩张、加速的气候变化影响、超过50,000种外来入侵物种的压力、日益加剧的污染与沉积以及野生物种不可持续的采捕而恶化。保护区是确保物种保护的传统机制，但并不能免于人为威胁的影响。由于生物多样性任务，保护区往往比未保护土地具有更低的过度开发水平和土地利用变化，但仍易受气候变化、入侵物种和污染的影响。在具有既有立法（如具有生物多样性任务的公共或政府指定区域）的土地上，减轻威胁对生物多样性的影响可能更易实现。然而，多用途管理土地可能需要加强或实施立法以应对生物多样性丧失的影响。无土地管理任务的公共土地和通常无管理实践指令的私有土地，在缺乏立法的情况下可能特别易受生物多样性丧失驱动因素的影响。因此，评估哪些土地管理制度可能更易受生物多样性丧失驱动因素影响，以及反过来哪些威胁与现行生物多样性立法重叠，至关重要。阻止和逆转物种灭绝与栖息地退化上升趋势所需的资源远超可用资源，因此需要识别保护优先区域，以在有限支出下最大化生物多样性保护。将保护资源与最脆弱土地对齐，唯有首先进行威胁与受威胁生物多样性空间重叠的评估方可实现，而区域和分类群特异性对于瞄准最有效的保护措施至关重要。迄今为止，尚无研究对美国五大全球生物多样性丧失驱动因素的压力进行空间量化。在本研究中，研究人员提供了对这些人为全球变化驱动因素分布与强度，以及当前保护区网络和美国本土受威胁陆生与淡水生物多样性对这些驱动因素潜在暴露的空间显式评估。研究人员基于美国数据集开发了威胁指标，以具有比全球指标更高的区域特异性和更精细的空间分辨率，并采用多尺度方法（国家和生态区特定分析）以辅助区域保护行动的优先排序。在此，研究人员将威胁强度指数定义为每个像元中单个或累积威胁的相对值，并基于受威胁生物多样性与单个或累积威胁强度指数的重叠来度量威胁暴露。本研究目标为：1）识别现有土地管理任务内外单个和累积高威胁强度区域，2）比较受威胁生物多样性（脊椎动物、维管植物、传粉者、淡水无脊椎动物及合并）在全国和跨生态区对生物多样性丧失驱动因素的暴露。总体而言，研究人员描述了美国各地区生物多样性丧失驱动因素与生物多样性重要区域的吻合情况，以助益针对高风险区域特定威胁的定制化保护计划决策。

论文解读文章

一、研究背景与问题提出

生物多样性是维持生态系统功能与人类福祉的基础。然而，全球变化已导致前所未有的生物多样性丧失速率：自1970年以来全球种群丰度平均下降69%，约100万个物种面临灭绝风险。人类压力是自然系统退化的主要驱动因素，包括土地利用变化、生物直接开发利用、外来入侵物种、污染以及人为气候变化五大类。尽管已有大量基于模型的生物多样性预测研究，但这些研究多聚焦于气候和土地利用变化，对多种威胁的联合效应考量不足，且预测不确定性较大。更重要的是，模型预测虽有助于长期政策制定，却难以指导特定区域内的即时保护行动。威胁制图方法可捕捉威胁与生物多样性指标空间重叠的当前快照，支持短期、精细尺度的空间优先排序，但现有威胁制图多针对单一威胁或使用分辨率过粗的全球指标，缺乏区域特异性。在美国本土，五大威胁均显著存在且可能因城市扩张、农业扩张、气候变化加速、入侵物种增多、污染加剧和不可持续采捕而恶化。保护区作为传统保护机制虽能降低过度开发和土地利用变化，但仍易受气候变化、入侵物种和污染影响。因此，亟需开展空间显式评估，量化五大全球性驱动因素在美国本土的分布与强度，并评估受威胁生物多样性及现有保护区网络对这些驱动因素的潜在暴露，以指导有限保护资源的有效配置。

二、研究内容与结论概述

研究人员基于美国本土数据集开发了具有更高区域特异性和更精细空间分辨率（1 km）的威胁指标，涵盖气候变化、土地利用变化、入侵物种、采捕压力和污染五大驱动因素。通过多尺度分析（全国与生态区层面），识别了高威胁强度区域及受威胁生物多样性的暴露格局。研究发现：美国本土41%的区域属于高保护关注区（中等至高生物多样性价值与累积威胁强度并存），主要分布于西海岸和东部地区；在90%分位数阈值下，27.2%的美国本土与单一威胁热点重合，6.9%与两个及以上威胁热点重合；仅约20%的威胁热点位于保护区内，近四分之三的高风险区域未受保护立法覆盖。不同分类群对威胁的暴露存在显著差异：传粉者热点与累积热点重叠最高（18%），淡水无脊椎动物热点与污染热点重叠最高（18%），维管植物和脊椎动物热点与入侵物种热点重叠最高（9%和15%）。生态区尺度分析进一步揭示了区域特异性风险，如温带草原和中央混合林地气候暴露显著高于全国平均，大沼泽地和地中海加利福尼亚生态区入侵物种暴露显著偏高。该研究发表于《Science of The Total Environment》。

三、主要关键技术方法

研究人员采用多源地理空间数据整合与空间分析方法。数据来源包括：气候变化指标采用气候速度（基于七个全球环流模型（GCMs）的SSP2情景预测）和气候不相似性（基于11个生物气候变量的多元气候模拟分析），均基于RCP 4.5情景2080s时段；土地利用变化采用USGS LULC 2005年历史与2075年B1情景预测数据；入侵物种整合鸟类（GAVIA数据库）、哺乳动物（DAMA数据库）、爬行与两栖动物点数据、水生非本地物种（NAS数据库）及入侵植物栖息地适宜性模型（INHABIT数据库）；采捕压力以EPA EnviroAtlas淡水钓鱼休闲需求和可采捕物种丰富度为代理；污染指标综合EPA EnviroAtlas中7个不相关变量（硫沉降、各类受损河流长度、农业地表径流）。生物多样性重要性基于Map of Biodiversity Importance项目中2216种受威胁物种的范围大小稀有度数据。所有数据在ArcGIS Pro中重采样至1 km，经log(X+1)变换、0-1归一化后按均值合并为各威胁指标，再等权求和生成累积威胁指数（CT_y = Σ_i=1ⁿ T_i,y）。热点定义为90%分位数阈值，生态区分析基于EPA Level III生态区划。

四、研究结果

4.1 全国尺度重要生物多样性区域面临生物多样性丧失驱动因素暴露风险

高保护关注区（中等至高生物多样性价值与累积威胁强度）占美国本土41.0%，主要分布于西海岸和东部地区。高生物多样性价值但低累积威胁强度的区域占10.0%，集中于西部地区。在90%分位数阈值下，27.2%的美国本土与单一威胁热点重合，6.9%与两个及以上威胁热点重合。空间格局显示：气候变化和土地利用变化热点主要分布于西部内陆地区，东部地区污染水平最高，入侵物种丰富度沿西海岸最高，东海岸采捕压力最大。累积热点主要分布于东南沿海、加利福尼亚和大湖地区。保护区网络中，25.1%的GAP 1-2土地和21.3%的GAP 3土地被一个或多个威胁热点覆盖，其中气候变化热点占比最大。仅约20%的威胁热点位于保护区内，近四分之三高风险区域未受保护立法覆盖。分类群差异显著：传粉者热点主要分布于西海岸和中美洲，与累积热点重叠最高（18%），与气候变化热点重叠12%；淡水无脊椎动物热点集中于东部，与污染热点重叠最高（18%）；维管植物和脊椎动物热点分布于西部和东南部，与入侵物种热点重叠分别为9%和15%。

4.2 生态区尺度重要生物多样性区域暴露存在显著差异

生态区尺度分析显示，不同生态区对不同威胁的暴露存在显著差异。温带草原、中央混合林地生态区的气候暴露显著高于全国平均；中央半干旱草原和东南平原土地利用变化暴露最高，但所有生态区均未显著偏离全国平均；大沼泽地和地中海加利福尼亚生态区的入侵物种暴露显著高于全国平均；大沼泽地、大湖和科德角地区预测受采捕压力影响更大；中央和东南平原及阿巴拉契亚森林的土壤和水污染威胁更高；中央和南部平原、大沼泽地和爱德华兹高原的累积威胁值显著高于全国平均。

五、讨论与结论

研究人员强调，同时评估多个生物多样性丧失驱动因素揭示了美国各地威胁的多样化拼图，需要实施多样化、稳健且协调的国家政策战略。高价值-高风险区域（东西海岸集中）应作为最高保护关注区，候选加强栖息地保护和针对性管理干预。研究还提出了基于生物多样性价值与威胁暴露组合的四类保护方法类型学：高价值-高风险、高价值-低风险、低价值-高风险和低价值-低风险，为决策者提供了针对区域特点实施适当政策的框架。研究结论指出，这项空间显式评估为美国受威胁物种最集中区域面临的主要人为驱动因素风险提供了指导，有助于制定和实施针对多尺度保护优先事项的政策，并强调了同时考虑多种威胁以最大化受威胁生物多样性保护效益的必要性。研究还指出，威胁热点区域可作为实施基于自然的解决方案的候选区域，这些方案利用自然资源提供社会效益，有望同时应对生物多样性危机和社会挑战。