生物多样性是人类赖以生存和发展的物质基础, 具有巨大的经济和社会价值。然而, 随着人口的迅速增长和人类经济活动的不断加剧, 生物多样性受到了严重的威胁, 开展生物多样性保护已成为迫切需要^[1-2]。生物多样性观测是环境观测的重要组成部分, 是客观了解生物多样性现状、科学开展生物多样性保护与管理的基础工作和重要手段。观测不仅为管理者提供环境变化信息, 也可以监督、评估管理机构在推动保护工作时是否达到预期效果, 从而为制定保护计划和管理措施提供重要依据。《中国生物多样性保护战略与行动计划(2011—2030年)》^[3]已将构建生物多样性观测网络体系列为优先行动。

蝴蝶是无脊椎动物中最受关注的环境指示生物和关键类群^[4]。蝴蝶物种多样性高、分布范围广, 对生境条件具有较强的专一性, 蝴蝶种群的时空动态和群落结构特征演变能够快速、有效地反映环境质量、生态系统健康程度以及人类活动干扰等生态环境状况^[4-7], 因此, 蝴蝶成为国际上应用较为广泛的生物多样性观测对象, 其多样性观测数据已作为各类型生态系统等的评价依据, 并且在许多国家和地区为生物多样性保护与评估、国家尺度的生态规划、环境保护科普教育及环境保护技术研发等提供了强有力的支撑。

然而, 蝴蝶种群在全球范围内正以前所未有的速度下降。一方面是由于土地利用方式发生改变, 使蝴蝶幼虫生长发育所必需的栖息地和寄主植物遭到破坏, 而这一现象不仅发生在发达国家, 在发展中国家更加严重; 另一方面则是生态系统的功能性退化, 低地草原的过度放牧、森林生态系统中人工林高密度种植、大气污染、水体污染以及极端气候更加频繁等多方面因素, 使得蝴蝶幼虫栖息地的多样性和系统稳定性受到威胁^[8]。蝴蝶种群的迅速消失已经引起世界各国的高度关注, 一系列旨在扭转蝴蝶种群下降趋势的保护措施取得了一定的保护成效, 但同时政府部门和动物保护组织也付出了极大的代价^[9-11]。

我国幅员辽阔, 生境类型复杂多样, 蝴蝶种类十分丰富, 从平原到高原、从热带到寒温带地区均有蝴蝶分布。现已查明的蝴蝶有1 916种(统计至2016年底), 蝴蝶多样性居世界前列, 其中特有物种有579种, 占我国已知种类的近三分之一。值得一提的是, 我国是绢蝶大国, 拥有全世界最多的绢蝶种类, 特别是青藏高原蕴藏了大批世界珍稀绢蝶。其中, 云南、海南和台湾3省素有“蝴蝶的王国”称号, 仅云南省就有超过700种。但是近几十年来, 由于我国人口膨胀、城镇化建设、经济高速发展和环境污染的加剧, 蝴蝶物种的生存状况日益恶化, 很多物种已经濒临灭绝。2004年发布的《中国物种红色名录：第一卷红色名录》^[13]对我国1 223种蝴蝶的评估结果显示, 我国蝴蝶受威胁物种有158种, 包括濒危(endangered, EN)9种、易危(vulnerable, VU)149种, 占评估物种总数的12.92%, 近危(near threatened, NT)244种, 无危(LC)810种, 数据缺乏(DD)11种, 但对于我国1 916种已知蝴蝶来说(未发表数据), 尚有693种未进行评估; 此外, 国际自然保护联盟(International Union for Conservation of Nature, IUCN)发布的红色名录也未对全球蝴蝶物种进行评估。目前, 我国蝴蝶多样性现状和变化趋势尚不明确, 亟需在全国范围开展蝴蝶多样性观测。而为了保护我国蝴蝶物种的优势生物资源, 掌握其多样性的受威胁状况、种群动态变化及其反映出的环境问题, 从而提出针对性的保护对策, 开展蝴蝶多样性观测是一项重要保护举措。

1 国外蝴蝶多样性观测概况

近年来, 发达国家如英国、德国、美国、加拿大、澳大利亚、新西兰等把生物多样性观测作为一项基础性工作来抓, 制定生物多样性观测指标、方法和相关技术标准, 实施了一系列观测项目。

在欧洲和北美一些国家, 蝴蝶观测实践已经有许多成功的案例^[14-18]。例如, 英国从1976年开始启动了“英国蝴蝶监测计划”, 这个观测项目一直持续至今, 已经持续开展了42 a, 目前已形成覆盖保护区、蝴蝶丰富区和农村土地的观测网络^[19]。美国各州也相继启动了蝴蝶监测项目, 并由各州的监测项目组成了北美蝴蝶观测网络。长期积累的监测数据不仅为气候变化对生物多样性的影响研究提供可靠信息, 基于这些数据的创新分析对制定和实施蝴蝶保护政策与措施也起到了关键作用。

欧洲委员会在2004年组织开展了“Assessing Large-scale Environmental Risks for Biodiversity with Tested Methods(ALARM)”项目, 该项目旨在通过大尺度的生物多样性评估, 建立社会经济发展的环境压力指数, 从而为环境管理政策制定提供有效工具, 减少生产生活活动对生物多样性造成的威胁和影响。ALARM项目有2项主要任务:数据集成和风险评估。其中, 数据集成包括对基因水平(杂交)、物种水平(例如蝴蝶的种类和数量)和生态系统水平(群落组成和功能, 例如各类群的占比、食物链底层功能团动物的减少对生态系统功能的稳定性产生威胁等)的数据整合。风险评估方面, 提供了欧洲陆地和淡水生态系统生物多样性风险评估方法, 基于物种分布图集、复合机械论模型和专家知识预测欧洲生物多样性在不同政策措施驱动下的未来情景。监测数据也被用于评估近期和未来的气候变化对蝴蝶和其他生物多样性的影响。此外，也有助于许多方面政策的实施, 例如针对更高一级的环境监管计划、指导以恢复景观尺度为目的的保护项目等。

2 国内蝴蝶多样性观测概况

我国蝴蝶多样性保护与观测工作起步较晚, 随着我国蝴蝶分类和生物学研究的日益进步, 国内的蝴蝶多样性研究者和蝴蝶爱好者的数量也逐步增加, 为我国蝴蝶观测工作提供了良好的基础条件。特别是昆虫学泰斗周尧先生于1994年出版的《中国蝶类志》^[20], 为我国蝴蝶多样性研究奠定了里程碑。自此, 蝴蝶分类及其多样性保护研究如雨后春笋在全国范围内得以推广。以物种资源调查、群落多样性以及区系分布调查为主的蝴蝶调查研究在我国蝴蝶物种多样性丰富的一些省市^[21-35]、自然保护区^[36-53]、国家森林公园^[54-58]以及其他生物多样性热点地区^[59-73]相继开展, 形成大量研究成果, 也为区域乃至全国尺度的蝴蝶多样性观测工作打下了坚实基础。21世纪初, 随着英国蝴蝶观测技术在生态环境领域的成功应用和欧洲大陆蝴蝶观测网络的逐步成型, 成熟的大尺度蝴蝶观测技术方法被引入我国部分地区。例如, 在中德生物多样性观测专家共同推动下, 2010年于江苏省率先建立了区域尺度的蝴蝶观测网络; 安徽省的蝴蝶观测也从自然保护区蝴蝶多样性系统观测起步; 2009—2013年间完成了针对秦岭地区的蝴蝶观测体系, 这些区域尺度的观测网络为观测地区的蝴蝶多样性保护与生态环境监管提供了有力支撑, 也为全国尺度的蝴蝶观测网络体系建设发挥了先行示范作用, 积累了大量宝贵经验。由于有效的环境管理政策和保护措施的制定依赖于严格、有效的物种多样性、种群动态和生境变化观测数据, 资源调查和区域性的多样性观测尚不能满足环境大数据的需求。因此, 建立全国蝴蝶观测网络, 开展长期、系统的蝴蝶多样性观测, 既是保护我国丰富的蝴蝶物种资源的需要, 也有利于提高我国生物多样性保护成效。

3 蝴蝶多样性观测的目标、原则和方法

在环境保护部和财政部的支持下, 2016年3月, 由环境保护部南京环境科学研究所牵头, 联合国内53家科研院所、高等院校、保护机构和民间团体开展了蝴蝶多样性观测, 组建了“全国蝴蝶多样性观测网络” (China Biodiversity Observation Network for Butterflies, 简称China BON-Butterflies)。

3.1 总体目标

建立全国蝴蝶多样性观测网络, 设置固定样区、样地和样线, 培训观测人员, 开展蝴蝶多样性观测, 掌握全国蝴蝶多样性现状及动态变化, 分析威胁因素, 评估保护成效, 提出生物多样性保护对策建议。

3.2 观测原则

生物多样性观测是一项重复性强的基础性工作, 需要长期坚持不懈的努力。应在固定的地点、以固定的观测人员、使用统一的观测方法进行长期系统性的观测。实施观测工作主要坚持以下5项原则。

3.2.1 科学性原则

观测样区和观测对象应具有代表性, 能全面反映观测区域蝴蝶群落的整体状况; 应采用统一、标准化的观测方法, 观测蝴蝶物种及其种群动态变化趋势。我国幅员辽阔, 生境类型多样, 纬度跨度大、气候差异明显。具有多种生境的区域, 样线设置应尽可能覆盖不同生境类型。

3.2.2 可操作性原则

观测计划应充分考虑现有人力、资金和后勤保障等条件^[74]。在选择观测样地前, 首先要对观测区域内蝴蝶本底情况进行摸底。选择的观测样线应具备一定的交通和工作条件。采用高效率、低成本、简便易行的观测方法。

3.2.3 “三固定”原则

坚持“三固定”原则。在同一个观测样区内, 观测样地、观测时间和观测人员一经确定, 应长期保持稳定。为保证观测者能力的一致性, 每条样线至少保证1位观测人员长期固定。应采用固定的标准化方法, 提高数据可比性。

3.2.4 保护性原则

观测工作要符合国家《野生动物保护法》的规定, 并严格执行国家环境保护标准HJ 628—2011《生物遗传资源采集技术规范》的操作规范。在对国家重点保护蝶种进行取样或标记时, 必须取得相关主管部门的行政许可。对于特有、珍稀、濒危蝶种, 应采用非损伤性取样方法。

3.2.5 安全性原则

蝴蝶观测工作主要为外业观测, 观测者应接受相关专业培训, 做好安全防护措施, 保障观测人员的人身安全。建议观测开始前为观测人员购买意外伤害保险。

3.3 观测方法 3.3.1 样线设置

在所选样区内, 沿公路、小径、步道设置若干条样线。样线应覆盖样区内所有生境类型(包括海拔梯度), 每种生境类型的样线应在1条以上。每个样区设置5条以上样线。如果样区内有自然保护区, 保护区内外设置的样线数量应大致均衡。每条样线长1~2 km(每个样区内样线总长度不低于10 km), 每条样线分成10个样段, 每样段长100~200 m, 每个样段内生境类型或土地利用方式相同。各样线、样段应设置明显标识物并编号标记。

3.3.2 样线法观测

蝴蝶观测采用样线法(line transects), 记录蝴蝶的种类、数量和生境状况。

观测时沿样线缓慢匀速前行, 速度为1~1.5 km·h^-1。记录样线左右2.5 m、上方5 m、前方5 m范围内见到的所有蝴蝶的种类和数量, 不重复计数同一只个体和身后的蝴蝶。在悬崖或水边, 可沿样线记录一侧宽度为5 m范围内的数据。观测范围之外见到的种类可写入备注栏中。观测时以2~3人1组为宜, 1人调查观测, 其他人记录、拍照和网捕(对于不能确定的种类)。

3.3.3 观测内容与指标

物种及种群:种类、数量、优势种、常见种及稀有种。

生境信息:样线经纬度、海拔、温度、湿度、风速、水文特征、植被类型、植物物候期、样段生境描述、样段优势植物种类等。

威胁因素:干扰类型、干扰强度等受威胁因素。

3.3.4 观测频次与时间

观测频次:蝴蝶观测每年开展4~6次。其中, 秦岭—淮河以南样区每年开展至少6次观测, 秦岭—淮河以北样区每年开展至少4次观测, 西部地区(青藏高原地区)每年开展4次观测。其中1次观测于6月中下旬在全国同步开展。每次观测的时间间隔在20 d以上。

观测时间:根据蝴蝶野外发生特点, 在4—9月(热带样区可适当调整), 晴朗、微风天气时开展观测, 每天的观测时间一般为09:00—17:00, 避开夏季极热天气。各样区、样线观测时间和频次一经确定, 保持长期不变。如遇阴雨天气观测日期顺延, 但原则上要求进行“抢晴观测”。

3.3.5 数据记录要求

进行观测时, 一位观察者负责识别观测蝴蝶物种。如遇到不易识别的小型蝴蝶或者形态特征不能明显区分种类的蝴蝶(如弄蝶科、灰蝶科、蛱蝶科环蛱蝶属的种类等)可以进行网捕, 在网内或者引导蝴蝶进入观察盒内进行识别, 识别后放飞; 如不能现场识别, 则少量采集带回室内鉴定。

规范记录表格。有时1条观测样线会经过数种生境类型, 一般按照大尺度的生境类型进行记录, 对占样线长度比例极少(＜5%)的生境类型, 可以忽略不计。统一使用生境代码表, 记录样线生境, 必须记录到第2层次的生境类型。

统一使用人为干扰活动分类表, 记录人为活动干扰。干扰类型分为:A，开发建设; B，农牧渔业开发; C，环境污染; D，其他等4个大类, 每个大类下又细分出具体的活动类型, 共计22个活动类型。干扰强度分为强、中、弱、无4个等级。每个等级有判断说明。进行样线观测时现场评估填写干扰类型和干扰强度。

4 全国蝴蝶多样性观测网络建设进展与初步成果

采用分层随机抽样方法, 根据生境类型、气候、海拔等进行分层, 截止2016年, 共设置113个观测样区、600条观测样线, 样线总长度达1 108 km, 观测总行程达5 800余km, 初步形成了覆盖各生物地理区域的全国蝴蝶多样性观测网络(China BON-Butterflies)(图 1)。全年累计参加观测人员约9 313人次。

4.1 已观测到的蝴蝶物种

截至2016年, 共观测到蝴蝶5科1 093种, 占我国已知蝴蝶物种总数(1 916种)的57.05%, 物种覆盖率较高。其中, 中国特有种263种, 占观测种类总数的24.06%。观测到的蝴蝶物种涵盖我国昆虫纲鳞翅目蝶类全部5个科:凤蝶科、蛱蝶科、粉蝶科、弄蝶科和灰蝶科(表 1)。

4.2 已观测到的蝴蝶多样性受威胁现状

参考《中国物种红色名录：第一卷红色名录》统计, 2016年观测到蝴蝶物种1 093种, 其中包括:濒危(EN)物种5种〔锤尾凤蝶(Losaria coon)、金斑喙凤蝶(Teinopalpus aureus，国家一级)、二尾凤蝶(Bhutanitis mansfieldi)、玄裳尾凤蝶(Bhutanitis nigrilima)、阿波罗绢蝶(Paranssius apollo)〕, 易危(VU)物种64种, 近危(NT)132种, 无危(LC)686种。

此外, 观测到的蝴蝶物种还有206种没有开展受威胁状况评估, 占总观测到物种数的18.8%, 观测到的受威胁物种201种, 占已评估的受威胁物种总数的50%;但已知蝴蝶种类中有823种因未观测到或者缺乏历史数据而尚未完成受威胁等级评估。以上统计结果一方面说明首年度观测已经覆盖半数受威胁的蝴蝶物种, 另一方面说明我国蝴蝶保护状况评估还存在较大的空缺。

4.3 已观测到的蝴蝶物种空间分布

通过观测, 初步掌握了中国蝴蝶多样性的空间分布特征。种类最多的是海南陵水吊罗山样区, 最少的是位于新疆南部高寒地区的塔什库尔干县观测样区(仅9种)。2016年观测到的蝴蝶物种数和个体数统计结果见表 2。物种数排名前10位的观测样区分别为海南陵水吊罗山、甘肃徽县秦岭、湖南遂宁、江西崇义、贵州赤水、江西龙南九连山、甘肃民乐祁连山、浙江临安天目山、湖南古丈高望界、浙江仙居, 这些观测样区的物种数均在153种以上。蝴蝶个体数最多的甘肃徽县秦岭观测样区达31 570只, 数量超过4 500只的观测样区还有浙江仙居、云南景东无量山和海南文昌铜鼓岭。就单一物种而言, 以菜粉蝶为例, 其个体数为4 072只, 其中陕西和浙江地区的个体数最多, 分别为2 124和1 359只。

就广布种而言, 2016年共有377条样线观测到菜粉蝶, 共观测到菜粉蝶4 072只, 以陕西、云南和甘肃省等地数量较多, 其中陕西省观测到的数量最多, 达623只, 其中陕西洋县和商洛市商州区2个观测样区所观测的数量较多, 均达100只以上。就稀有种而言, 2016年共观测到三尾凤蝶2只, 观测到的省份有陕西和四川, 仅各有1只; 国家Ⅰ级保护物种金斑喙凤蝶2016年观测到的数量仅为6只; 国家Ⅱ级保护动物阿波罗绢蝶2016年在新疆天山观测样区观测到的数量仅为6只。

5 全国蝴蝶多样性观测数据库系统

为加强蝴蝶观测数据管理, 开发了蝴蝶多样性观测数据库系统。数据库系统包括基础数据采集、观测数据采集、观测数据查询、空间分布查询和观测数据统计5大模块。

5.1 基础数据采集模块

包括蝴蝶物种的基本信息、负责单位和参与单位基本信息、参与人员基本信息、样区覆盖的自然保护区基本信息, 及已建立的样区、样线、样段基本信息等。

5.2 观测数据采集模块

包括每次观测的编码、每条样线的编码、名称、样线起点与终点地理坐标、样线起点与终点海拔、观测起始与终止时间等。在此模块, 还可实现数据库单条数据和批量数据的导入与导出。

5.3 数据查询模块

该模块可查询观测承担单位、观测到的蝴蝶名录及相关保护等级、IUCN濒危等级、列入CITES附录的情况、是否中国特有种等信息, 及样线、样段、观测人员、涉及的自然保护区及观测频次具体信息。以上查询皆可按年份、省份单个或批量查询。

5.4 空间分布查询模块

可直观地展示观测样区、样线、样段在地理空间上的分布, 及各个物种在空间上的分布。以上查询皆可按照省份和年份单个或批量展示。

5.5 数据统计模块

可统计不同年份、省份、样区、样线、样段的物种数量、个体数量及参与观测单位人员数等。

根据环境生物观测数据的要求, 为了进一步提升蝴蝶观测数据的科学性和有效性, 通过成立专家咨询组、生物地理大区指导体制对数据质量进行审核和观测实地调研, 并且计划在观测数据库中继续研发专家支持系统模块进行后台审查等, 逐步完善数据采集、入库和统计分析功能。

6 蝴蝶多样性观测网络的应用与展望 6.1 为环境管理和社会发展提供决策支持 6.1.1 掌握多样性现状与变化趋势

蝴蝶是重要的物种资源和环境指示生物。通过国家尺度的蝴蝶多样性观测, 能够掌握全国蝴蝶物种多样性的时空分布特征及动态变化趋势, 据此提出应优先保护的蝴蝶物种名录和优先保护区域。

6.1.2 识别威胁因素

通过记录观测样区内人为干扰活动、栖息地改变、气象和物候条件等环境数据, 结合蝴蝶多样性观测数据, 可以分析导致蝴蝶多样性变化的驱动因素, 识别蝴蝶面临的威胁因素, 为消除或减缓这些危害提供基础数据。

6.1.3 评估生物多样性保护成效

通过分析各类保护区内、外样线上蝴蝶多样性的变化, 能分析保护区的保护成效, 为保护政策评估和改进提供有效数据。

6.1.4 推进生物多样性保护纳入经济社会发展的主流目标

根据英国蝴蝶观测的经验, 在占所有生物类群物种丰富度一半以上的昆虫中, 蝴蝶可以作为一个代表物种。欧洲近40 a的观测结果显示, 蝴蝶种群的下降速度显著高于甲虫、鸟类、两栖动物等, 蝴蝶多样性的变化在很大程度上可以代表生物多样性的整体变化。英国已经将“政府蝴蝶生物多样性指数(Governmental Butterfly Biodiversity Indicators)”作为官方统计向社会发布, 并将规范化的蝴蝶观测数据列入英国国家统计局, 作为经济社会发展的核心统计数据之一。这大大提高了公众的生物多样性保护意识, 使各级政府和广大公众在工作中更多地考虑生物多样性保护要求, 实现生物多样性主流化的目标。

6.2 编制中国蝴蝶地理图集

生物多样性地理图集的编制和发布, 是欧洲、北美洲蝴蝶观测的重要成果。地理图集能够将全局和局部物种多样性分布和种群现状实现可视化的展示, 为各级生物多样性保护管理部门提供最新的蝴蝶类群以及各纲或目的丰富度地图, 同时还可以提供蝴蝶类群中受威胁物种和特有种的分布格局等地图, 为国家层面和地区层面的生物多样性保护战略部署提供参考。

6.3 生物多样性观测的大数据应用

2016年3月17日, 《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》发布, 其中第二十七章“实施国家大数据战略”提出:“把大数据作为基础性战略资源, 全面实施促进大数据发展行动, 加快推动数据资源共享开放和开发应用, 助力产业转型升级和社会治理创新; 具体包括:加快政府数据开放共享、促进大数据产业健康发展”。全国蝴蝶多样性观测工作首年度采集的数据量就超过10万条, 通过生物多样性观测数据与其他领域数据的融合, 可开展大数据深入挖掘。例如, 通过消费方式对生物多样性的影响分析, 制定绿色消费方式的相关倡议和管理措施; 通过机器学习和模型计算, 帮助地方政府有关部门避免在行政管理过程中造成环境破坏或重大环境事故。

致谢：北京农学院、南开大学、河北大学、国家林业局森林病虫害防治总站、东北师范大学、东北林业大学、大庆师范学院、内蒙古师范大学、内蒙古大学、山西农业大学、山东农业大学、青岛农业大学、南京晓庄学院、丽水林业科学研究院、台州学院、滁州学院、泉州师范学院、江西环境工程职业学院、江西中医药大学、江西武夷山国家级自然保护区管理局、安徽师范大学、南阳师范学院、湖南农业大学、吉首大学、广州市少年宫、华南农业大学、广西大学、河池学院、海南师范大学、重庆师范大学、西南大学、北京大学、重庆自然博物馆、西南科技大学、贵州大学、黔南民族师范学院、中国科学院西双版纳植物园、云南省农业科学院、中国科学院昆明动物研究所、云南省林业科学院、云南大学、西藏高原研究所、西藏农牧学院、陕西省西安植物园、西北农林科技大学、甘肃农业大学、甘肃民族师范学院、青海师范大学、宁夏大学、新疆大学、石河子大学和喀什大学等单位参与观测工作，各单位观测人员辛勤工作, 发扬了不怕苦、不怕累、一丝不苟的敬业精神, 一并向他们表示感谢。