張 路, 歐陽志云, 徐衛(wèi)華

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085

系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃的理論、方法及關(guān)鍵問題

張 路, 歐陽志云*, 徐衛(wèi)華

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085

為了減緩生物多樣性喪失的趨勢、將有限的保護(hù)資源用于關(guān)鍵區(qū)域，Margules等提出了系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃(Systematic Conservation Planning)概念和方法，目前該方法已成為國際主流保護(hù)規(guī)劃方法。與傳統(tǒng)基于專家決策的保護(hù)體系規(guī)劃方法不同，系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃擁有量化的保護(hù)目標(biāo)、保護(hù)成本，并綜合考慮保護(hù)體系連通性、人為干擾因素，使用優(yōu)化算法計(jì)算，從而獲得空間明晰的生物多樣性保護(hù)體系。在闡述規(guī)劃理念、規(guī)劃流程與方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)評述了生物多樣性替代指標(biāo)的選擇、保護(hù)規(guī)劃成本的計(jì)算、保護(hù)目標(biāo)的設(shè)置、規(guī)劃結(jié)果的可靠性評估等關(guān)鍵問題，并結(jié)合我國的具體情況，探討了該方法在我國的應(yīng)用前景，以期為推進(jìn)我國生物多樣性與生態(tài)服務(wù)功能的保護(hù)做出貢獻(xiàn)。

系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃；保護(hù)優(yōu)先區(qū)；生物多樣性；保護(hù)成本；保護(hù)目標(biāo)

生物多樣性資源不僅可以被直接用作食物、藥物、能源、工業(yè)原料，其價(jià)值還通過提供大量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間接體現(xiàn)出來。這些功能可能包括調(diào)節(jié)氣候、維持自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、降解廢物、維持自然基因庫和美學(xué)價(jià)值等[1]。然而，以物種多樣性為例，全球平均每年約有1000個(gè)野生物種滅絕，并在未來的幾十年中有可能達(dá)到每年5000個(gè)[2],這種滅絕速率比人類出現(xiàn)前大100—1000倍[3]。生物多樣性的喪失受多種因素共同驅(qū)動(dòng)，包括全球氣候變化、土地利用變化、物種入侵、傳染病擴(kuò)散及物種的自然更替等，很多因素都與人類活動(dòng)強(qiáng)度加大密切相關(guān)。

為控制物種滅絕速度，保護(hù)生物多樣性資源，已出現(xiàn)大量保護(hù)方法和政策性研究[4- 5]。這些方法大致可以分為就地保護(hù)和遷地保護(hù)兩類。相對于遷地保護(hù)而言，就地保護(hù)更強(qiáng)調(diào)生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)間的相互作用，具有更積極的意義。為此，全球陸地表面的10%—11%已經(jīng)建立為自然保護(hù)地，但全球生物多樣性資源豐富，不可能將所有具有保護(hù)意義的區(qū)域劃為保護(hù)區(qū)。所以，保護(hù)體系規(guī)劃和補(bǔ)充保護(hù)地選擇就顯得尤為重要。這需要合理的保護(hù)規(guī)劃來選擇、組織保護(hù)區(qū)域，使生物多樣性和其它自然資源得以延續(xù)。保護(hù)規(guī)劃的本質(zhì)是結(jié)合自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)特征解決重要的資源、空間配置和管理問題，將有限的保護(hù)資源合理分配到最具保護(hù)意義的區(qū)域并實(shí)施切實(shí)有效的管理措施。生物多樣性資源豐富的地區(qū)通常自然資源豐富，這些區(qū)域的居民需要生活空間、生活資料并排放垃圾[6]，這就帶來了保護(hù)和發(fā)展的沖突。故而保護(hù)規(guī)劃不僅要考慮生物多樣性空間分布，還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展的空間異質(zhì)性，而傳統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃方法比較側(cè)重于前者，對后者的分析不足，這可能是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類影響機(jī)制過程過于復(fù)雜，難以模擬。

針對傳統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃方法的不足，Margule等提出了系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃概念，其中指出保護(hù)規(guī)劃不僅應(yīng)當(dāng)考慮自然性質(zhì)和生物學(xué)范式，還應(yīng)系統(tǒng)地考慮到保護(hù)區(qū)大小、連通性、邊界長度以及建立保護(hù)區(qū)所需的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)成本[7]。系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃是一種基于模擬運(yùn)算模型的規(guī)劃方法，規(guī)劃過程需要量化的保護(hù)目標(biāo)、保護(hù)成本及邊界緊密度。同時(shí)，系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃也極為重視區(qū)域生物多樣性數(shù)據(jù)的系統(tǒng)累積，以此獲得的生物多樣性空間分布根據(jù)在規(guī)劃中是必不可少的。近些年，保護(hù)生物學(xué)領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)保護(hù)規(guī)劃的研究發(fā)展迅速，并已經(jīng)用于一些生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)的規(guī)劃實(shí)踐[8- 10]。本文通過對系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃相關(guān)文獻(xiàn)的綜合，評述了系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃的理論基礎(chǔ)、研究中出現(xiàn)的熱點(diǎn)問題以及在我國的應(yīng)用前景，以期為我國的保護(hù)規(guī)劃提供借鑒。

1 系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃理念與方法

1.1 系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃的理論基礎(chǔ)

為嘗試解決生物多樣性保護(hù)與資源利用的沖突，系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃引用選址優(yōu)化算法，從保護(hù)成本與保護(hù)目標(biāo)兩方面出發(fā)，研究目標(biāo)區(qū)域內(nèi)有限的保護(hù)資源應(yīng)當(dāng)如何配置。基本思路是，首先將研究區(qū)劃為若干獨(dú)立的規(guī)劃單元，通過目標(biāo)函數(shù)為每個(gè)單元賦值，通過迭代運(yùn)算選擇備選單元集合中的最優(yōu)解，結(jié)果代表在達(dá)到既定保護(hù)目標(biāo)的同時(shí)保護(hù)成本最低的規(guī)劃單元集合。

在傳統(tǒng)的保護(hù)區(qū)分類體系中涉及物種層次的大多僅根據(jù)某些旗艦物種建立保護(hù)體系，并未系統(tǒng)考慮生物多樣性或其它綜合性生態(tài)指標(biāo)。而系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃為每個(gè)生物多樣性衡量指標(biāo)都設(shè)立了明確的保護(hù)目標(biāo)，同時(shí)在規(guī)劃前默認(rèn)，除已建保護(hù)區(qū)外，其它任何區(qū)域都是新建保護(hù)區(qū)的備選區(qū)域。系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃還需要量化每個(gè)備選區(qū)參與保護(hù)體系建設(shè)的經(jīng)濟(jì)成本，從而選擇滿足保護(hù)目標(biāo)的最低成本備選區(qū)集合，這類似于經(jīng)濟(jì)學(xué)中效率前緣的搜尋過程。如果保護(hù)成本和選區(qū)數(shù)量呈線性關(guān)系，則該過程可以用整數(shù)線性規(guī)劃來描述。

設(shè)保護(hù)被選規(guī)劃單元總數(shù)為m，保護(hù)目標(biāo)物種總數(shù)(或其他保護(hù)目標(biāo)因素，如植被型)為n，根據(jù)物種信息構(gòu)建物種分布矩陣A，矩陣中數(shù)值為aij,則有：

其中，i= 1, …,m；j= 1,…,n

設(shè)m維向量X表示規(guī)劃單元是否被選入保護(hù)體系，其中元素為xij，

其中，i= 1, …,m

由此，目標(biāo)函數(shù)為：

式中[11]，aij，xi∈[0,1]

當(dāng)保護(hù)規(guī)劃中難以為每個(gè)保護(hù)目標(biāo)要素確定明確的保護(hù)目標(biāo)時(shí)，可以采用另一種思路，在既定保護(hù)成本下，使保護(hù)效果最大化。此時(shí)的模型為目標(biāo)函數(shù)：

式中,b為成本預(yù)算[12]

根據(jù)模型可以建立待優(yōu)化矩陣，優(yōu)化過程則需要介入優(yōu)化算法。其最大的特點(diǎn)是從運(yùn)籌學(xué)領(lǐng)域借鑒計(jì)算方法，使保護(hù)目標(biāo)和保護(hù)成本得到量化，可以提供空間明晰的保護(hù)優(yōu)先區(qū)選擇結(jié)果。算法內(nèi)容多樣，使用較多的包括啟發(fā)式算法模型、線性模型、概率算法模型[13- 15]等，對于算法的選擇，早在1996年就由BlairCsuti等分析了五類主要算法在解決保護(hù)優(yōu)先區(qū)選址問題上的性能[16],并提出針對不同的目標(biāo)變量選擇合適的算法。作為系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃的核心，優(yōu)化算法為保護(hù)體系規(guī)劃和現(xiàn)有保護(hù)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)提供了更強(qiáng)的可操作性理論支持。但值得注意的是，在規(guī)劃操作中，優(yōu)化選址并不是系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃的全部，上述數(shù)學(xué)模型也僅僅是最簡化模型，如何根據(jù)規(guī)劃區(qū)特點(diǎn)適當(dāng)加入描述保護(hù)體系空間特征、植被珍稀度、土地利用等相關(guān)項(xiàng)，建立內(nèi)容更加豐富、更有針對性的目標(biāo)函數(shù)將對結(jié)果的質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。而對保護(hù)體系的評價(jià)，建立長期管理及監(jiān)測方案也是系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃的重要內(nèi)容。

1.2 系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃工作流程

系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃過程透明，公眾可以直接監(jiān)督和理解規(guī)劃決策過程。結(jié)果易于解釋和修改，能包容保護(hù)生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)的多元數(shù)據(jù)輸入，并具有解釋生態(tài)過程和人為干擾威脅的能力，被廣泛認(rèn)為是當(dāng)前保護(hù)體系設(shè)計(jì)的最優(yōu)方法[17]。作為一個(gè)當(dāng)前的熱點(diǎn)研究課題，基于系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃理念的保護(hù)體系設(shè)計(jì)有很多問題還需要繼續(xù)研究并展開深入探討。但同樣作為一項(xiàng)完整的規(guī)劃工作，又具有明確的工作框架和流程指導(dǎo)保護(hù)體系規(guī)劃。

系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃流程包括收集生物多樣性數(shù)據(jù)及生物多樣性制圖、確定規(guī)劃目標(biāo)、評價(jià)現(xiàn)存保護(hù)體系、選擇補(bǔ)充區(qū)域、保護(hù)規(guī)劃的實(shí)施管理及監(jiān)測等步驟(圖1)。

圖1 系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃工作流程Fig.1 Workflow of Systematic Conservation Planning

1.3 幾種主要的系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃工具

當(dāng)描述規(guī)劃過程的模型函數(shù)建立后，可以使用MATLAB、1stOpt等科學(xué)計(jì)算軟件或其它編程語言進(jìn)行計(jì)算，但對于大多數(shù)非數(shù)學(xué)專業(yè)的人員而言確實(shí)存在一定難度。為簡化工作過程，提高效率，多個(gè)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開發(fā)了諸如SITES、WORLDMAP、PANDA、C-Plan、CLUZ、MARXAN、ZONATION[18- 24]等嵌入模擬算法的決策支持軟件，并逐漸完善。多數(shù)都具有交互操作界面，便于操作，可以免費(fèi)下載。其中，SITES較早用于系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃，使用貪婪算法在較小尺度上選擇備選單元中具有保護(hù)意義的集合作為保護(hù)優(yōu)先區(qū)。WORLDMAP多用于解決較大尺度上的保護(hù)生物學(xué)保護(hù)優(yōu)先集合問題，輸入數(shù)據(jù)通常覆蓋大尺度生物地理范圍。CLUZ(ConservationLandUseZoning) 用于保護(hù)優(yōu)先區(qū)的區(qū)劃和保護(hù)體系連接度的測量，與其它多個(gè)模型有動(dòng)態(tài)連接界面，可以利用CLUZ與其它軟件聯(lián)合運(yùn)算。PANDA(ProtectedAreasNetworkDesignApplication)軟件是用VisualBasic語言在ArcObjects軟件中編寫的用來建立保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃工具，具有較強(qiáng)的計(jì)算和可視化功能，可以獨(dú)立完成系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃，具有完整的運(yùn)行框架。C-Plan與MARXAN是當(dāng)前系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃主流軟件，在研究中都得到廣泛應(yīng)用。C-Plan采用啟發(fā)式算法自動(dòng)完成選擇運(yùn)算，首先用于南非Floristic地區(qū)政府保護(hù)體系規(guī)劃中，具有完整規(guī)劃功能，能夠在量化的保護(hù)目標(biāo)下獲得最優(yōu)集運(yùn)算結(jié)果。MARXAN(MarineReserveDesignusingSpatiallyExplicitAnnealing)采用模擬退火算法，最早用于海洋保護(hù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，隨著模型的完善，在陸地保護(hù)規(guī)劃中也得到了較多應(yīng)用，其后續(xù)版本MARXANZONE將土地利用類型作為參數(shù)之一正可體現(xiàn)此趨勢。ZONATION是近年新開發(fā)的系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃軟件，相比之前的軟件，ZONATION應(yīng)用更為靈活，內(nèi)置4個(gè)運(yùn)算函數(shù)，其中的Target-basedplanning模塊支持固定成本，將保護(hù)目標(biāo)最大化的思路，可以在一定程度上降低制定保護(hù)目標(biāo)的難度。軟件之間并無絕對的優(yōu)劣之分，規(guī)劃中應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步探究各軟件內(nèi)置算法所體現(xiàn)的生態(tài)過程，選擇與目標(biāo)區(qū)域生態(tài)特征相符的軟件。

2 系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃中的熱點(diǎn)問題

在系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃研究中始終貫穿著幾個(gè)關(guān)鍵問題，包括如何選擇生物多樣性量化指標(biāo)作為規(guī)劃基礎(chǔ)；保護(hù)備選單元的經(jīng)濟(jì)社會(huì)成本如何計(jì)算；明確的保護(hù)目標(biāo)如何量化并確定；如何評估規(guī)劃結(jié)果。這些問題如何解決將決定最終研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，而對于這些問題的探討也將不斷完善系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃的應(yīng)用。

2.1 生物多樣性替代指標(biāo)的選取

開展系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃遇到的首個(gè)問題是如何量化生物多樣性資源的空間分布，即規(guī)劃者首先要明確對何種生態(tài)要素進(jìn)行保護(hù)，該要素將作為每個(gè)備選規(guī)劃單元的綜合評價(jià)值參與選址運(yùn)算。當(dāng)前的研究多從基因、物種、景觀3個(gè)方面量化生物多樣性空間分布。

基因?qū)哟问钱?dāng)前衡量生物多樣性的最微觀層次，對基因多樣性的測量結(jié)果是說明物種進(jìn)化潛力的最直觀論據(jù)。將基因多樣性作為生物多樣性替代指標(biāo)能夠確保保護(hù)體系包含了能夠保有物種最大進(jìn)化潛力的地區(qū)。基因多樣性可采用樣帶捕捉或土壤樣方取樣-分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的方式測得[25- 26]。該方法有較高的確定性，比較適合小尺度規(guī)劃，但在一級流域、地理區(qū)域、山系等大尺度，由于其高技術(shù)、高成本、采樣時(shí)空選擇復(fù)雜性等特點(diǎn)而難以實(shí)施。

相對而言，從物種層次量化生物多樣性更容易理解、數(shù)據(jù)更容易獲得也更加適合大尺度規(guī)劃。物種層次又包括多種方法:一是物種數(shù)量，可以通過樣方調(diào)查，計(jì)算每個(gè)備選單元的物種豐富度，也可根據(jù)數(shù)量進(jìn)一步計(jì)算豐富度指標(biāo)[27]，如α、β多樣性[28]，并統(tǒng)計(jì)每個(gè)單元內(nèi)出現(xiàn)的物種數(shù)量[29- 33]或科、屬的數(shù)量[34]，該類方法比較適合以植物多樣性為保護(hù)目標(biāo)。對野生動(dòng)物通常需要根據(jù)物種的瀕危程度或特有性選擇目標(biāo)物種[35]，統(tǒng)計(jì)每個(gè)規(guī)劃單元出現(xiàn)各目標(biāo)物種的數(shù)量。該方法主要問題在于物種分空間分布的確定大部分依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的時(shí)間幅度通常較大，所以應(yīng)當(dāng)對比多元數(shù)據(jù)，并分析數(shù)據(jù)誤差[36- 38]。二是為提高數(shù)據(jù)精度，選擇一種或幾種旗艦種[39- 40]作為替代指標(biāo)，這種物種受到關(guān)注較多，且活動(dòng)范圍較廣，通常是大型哺乳動(dòng)物。通過對該物種的保護(hù)可以同時(shí)保護(hù)活動(dòng)范圍內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)以及其他物種。但該方法所選擇的物種并不能完全代表區(qū)域內(nèi)生物多樣性分布，因此在選擇物種時(shí)應(yīng)根據(jù)生態(tài)環(huán)境特征添加其他保護(hù)目標(biāo)要素[41]。三是模擬目標(biāo)物種的綜合棲息地質(zhì)量，例如InVest模型中，考慮地塊生態(tài)系統(tǒng)類型、人為干擾、目標(biāo)物種行為的棲息地質(zhì)量和珍稀度[42]。這種方法突出了物種對棲息地內(nèi)不同地塊的利用強(qiáng)度，有助于識別保護(hù)核心區(qū)域。主要問題是對某些目標(biāo)物種的研究不足導(dǎo)致行為模式不能確定，當(dāng)量化某類干擾對該物種的隔離程度時(shí)主觀性較強(qiáng)。

在大尺度生物多樣評估中，從景觀層次出發(fā)，使用珍稀生態(tài)系統(tǒng)多樣性或面積作為替代指標(biāo)較為適合，數(shù)據(jù)可以來自遙感解譯、實(shí)地調(diào)查或使用生態(tài)系統(tǒng)模型模擬[43]，尤其在海洋保護(hù)規(guī)劃中，水生物種與生態(tài)系統(tǒng)分布相關(guān)性極高，獨(dú)立的物種數(shù)據(jù)難以獲得，替代指標(biāo)主要選擇珍稀生態(tài)系統(tǒng)分布[44- 47]或基底、水深、溫度等影響生態(tài)系統(tǒng)功能的重要生態(tài)因子[48]。

另有觀點(diǎn)提到物種、生態(tài)系統(tǒng)和景觀均需保護(hù)[2]，同時(shí)考慮以上兩種保護(hù)目標(biāo)屬性更為合理[49- 50]，并且可以保證研究區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)得到最大限度利用[51]。在規(guī)劃中應(yīng)注意生態(tài)系統(tǒng)類型與物種棲息地屬于不同層次，將某類生態(tài)系統(tǒng)等同于物種帶入運(yùn)算則顯得不合理，因此可以分別運(yùn)行選址運(yùn)算并進(jìn)一步綜合分析識別保護(hù)優(yōu)先區(qū)。生物多樣性空間豐富度決定于生態(tài)系統(tǒng)類型、氣候、地形、土壤、人為干擾等因素，與生物量和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能相關(guān)[52]，在保護(hù)規(guī)劃中選用區(qū)域內(nèi)最具代表性的服務(wù)功能替代表示生物多樣性[53- 55]具有更強(qiáng)的綜合性，也更加適合保護(hù)規(guī)劃的決策支持。

2.2 保護(hù)規(guī)劃成本模擬

任何一個(gè)保護(hù)規(guī)劃的實(shí)施都需要付出一定經(jīng)濟(jì)、社會(huì)成本。系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃需要指導(dǎo)保護(hù)資源分配，也必需考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)因素[56]，這需要使用某種方法量化保護(hù)成本，將量化的成本帶入選址運(yùn)算。保護(hù)成本的計(jì)算關(guān)系到如何權(quán)衡保護(hù)規(guī)劃中的成本-效益關(guān)系，并影響到未來潛在投資量[57]。在保護(hù)規(guī)劃中量化成本的空間分布與目標(biāo)因素制圖起著同等重要的作用[58]。當(dāng)前，在系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃的成本計(jì)算中主要采用貨幣計(jì)量方法和非貨幣計(jì)量方法兩種。

2.2.1 貨幣計(jì)量法

使用貨幣成本計(jì)量方法可以在規(guī)劃中明確提出保護(hù)工程的總成本，對出資方有重要的參考價(jià)值。為得到盡量精確的成本，規(guī)劃中需要從土地和管理兩方面衡量成本。

土地方面的成本包括土地購置成本和該土地用于其它經(jīng)濟(jì)目的機(jī)會(huì)成本。保護(hù)體系建設(shè)需要向土地所有人購買土地所有權(quán)，土地購置成本可以用土地價(jià)格替代[59- 60]。在缺乏地價(jià)數(shù)據(jù)的地區(qū)可用該區(qū)域土地機(jī)會(huì)成本作為模擬對象，建立土地價(jià)值模型。主要方法是提取區(qū)域內(nèi)土壤類型、氣候、土地覆被等數(shù)據(jù)作為模型變量，結(jié)合GIS模擬土地價(jià)值空間差異[61]，進(jìn)而估算土地在不同利用方式下可能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益[62]。這方面農(nóng)業(yè)機(jī)會(huì)成本研究較多，主要通過計(jì)算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品的市場價(jià)值計(jì)算農(nóng)業(yè)機(jī)會(huì)成本[63]。Naidoo[64]計(jì)算了家畜養(yǎng)殖承載力、不同家畜市場價(jià)格、養(yǎng)殖人員工資、灌溉作物總產(chǎn)值、雨水自然澆灌作物總產(chǎn)值、種植人員工資等因素模擬出了全球農(nóng)業(yè)機(jī)會(huì)成本。除農(nóng)業(yè)以外，機(jī)會(huì)成本還包括林業(yè)采伐、捕捉野生生物所獲得的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、珍稀物種在動(dòng)物園的拍賣價(jià)格、開展旅游活動(dòng)等。海洋保護(hù)體系則可以考慮禁止通航和捕撈業(yè)造成的損失[65- 66]。

保護(hù)體系的管理成本由運(yùn)行成本、交易成本、賠償需求三個(gè)部分構(gòu)成。運(yùn)行成本指保護(hù)區(qū)員工工資、建設(shè)保護(hù)站點(diǎn)、購買監(jiān)測設(shè)備等投入。該價(jià)值與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和保護(hù)區(qū)面積以及保護(hù)對象有關(guān)。例如海洋保護(hù)區(qū)需要定期坐船尋護(hù)，船只的燃料消耗量通常高于陸地保護(hù)區(qū)常用的摩托車和汽車。該類信息可以問卷或政府資料查詢的方式獲得[67]。交易成本是指保護(hù)管理者為讓生態(tài)環(huán)境得到改善從而與利益相關(guān)群體所做的經(jīng)濟(jì)交易[68]。例如保護(hù)區(qū)為與社區(qū)和諧發(fā)展所做的補(bǔ)償項(xiàng)目甚至生態(tài)移民投入、造林和修復(fù)河岸等生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目。保護(hù)體系建立后，野生動(dòng)物生境改善，數(shù)量可能增加或由于野生動(dòng)物啃食或毀壞作物、傷人所做出的賠償。在實(shí)際計(jì)算中很難全部考慮以上因素，應(yīng)從研究區(qū)主要問題入手。

2.2.2 非貨幣計(jì)量法

貨幣成本計(jì)量涉及的范圍廣，需要復(fù)雜、多樣的計(jì)算數(shù)據(jù)，而有些很難獲得。因此，有研究采用非貨幣計(jì)量方法模擬保護(hù)成本。這種方法相對簡單，容易理解。具體替代指標(biāo)的選取可分兩方面，分別為土地面積和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度。使用最多的是采用保護(hù)單元面積替代表示保護(hù)成本，這種方法假設(shè)單元土地價(jià)格相等，成本只與單元面積有關(guān)[69- 71]。這種方法雖然簡單易行，卻并不能反映區(qū)域間成本差異。為突出這種差異，可以使用道路密度、人口密度或綜合考慮住宅，公路，工業(yè)等人造景觀的密度和數(shù)量等描述區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的指標(biāo)被替代表示保護(hù)成本[72- 76]。經(jīng)濟(jì)發(fā)展替代指標(biāo)假設(shè)干擾較大的區(qū)域保護(hù)成本也較高，而實(shí)際上在有些地區(qū)保護(hù)效益高，同時(shí)面臨很高的人類干擾壓力，這種地區(qū)對生物多樣性保護(hù)具有不可替代的意義，但可能因?yàn)楸Ｗo(hù)成本較高而被排除在規(guī)劃結(jié)果之外。為防止這種情況出現(xiàn)，規(guī)劃應(yīng)當(dāng)單獨(dú)考慮人類威脅因素，而不是直接作為成本使用[62]。

2.3 保護(hù)目標(biāo)設(shè)置

量化的保護(hù)目標(biāo)以優(yōu)化模型中限制條件的形式出現(xiàn)。但此類保護(hù)目標(biāo)在規(guī)劃任務(wù)中通常不會(huì)明確給出，因?yàn)楹茈y在規(guī)劃前就能確定規(guī)劃后的保護(hù)體系所要達(dá)到生物多樣性總量的比例。要確定這一數(shù)值首先要明確其出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)不同保護(hù)內(nèi)容及其時(shí)空變異性，從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面入手。

靜態(tài)理論認(rèn)為區(qū)域內(nèi)物種數(shù)量隨面積的增大而增加。該假說建立在島嶼生物多樣性的研究基礎(chǔ)上，這在熱帶地區(qū)的研究中已經(jīng)得到充分證實(shí)[77- 78]。Preston[79]公式常被用來反應(yīng)物種面積之間的關(guān)系：

S=cAz

式中,c、Z均為參數(shù)，S為物種數(shù)，A為面積。

而另有研究顯示[80]對于大型脊椎動(dòng)物的保護(hù)，相互連通的小生境斑塊有更好的保護(hù)效果。同時(shí)，生物地理學(xué)上認(rèn)為保護(hù)區(qū)越接近圓形保護(hù)效果越好，各保護(hù)區(qū)之間應(yīng)有相連的通道，保證物種基因交流，形成健康的保護(hù)體系。這些都為保護(hù)目標(biāo)的設(shè)置提供了依據(jù)，包括保護(hù)區(qū)大小、形狀、廊道設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

動(dòng)態(tài)理論認(rèn)為有些物種在不同的生活史階段需要不同的資源和空間[81]，例如洄游魚類和候鳥。忽視不同類型生境間的連通性對這些物種是致命的危害，保護(hù)目標(biāo)需建立在對物種習(xí)性的了解之上，將物種所需的各種生境和利用該生境的時(shí)間作為整體考慮，保證其繁殖、越冬等行為順利進(jìn)行[82]。除了物種自身行為，還應(yīng)認(rèn)識到區(qū)域內(nèi)生境質(zhì)量的空間差異，在保護(hù)目標(biāo)設(shè)置時(shí)應(yīng)考慮物種威脅因素，尤其是土地利用方式的改變會(huì)影響原地區(qū)水熱條件、小氣候和植被結(jié)構(gòu)，若生境被農(nóng)田或牧場所取代，還會(huì)造成生境隔離，形成更多邊緣地帶。而隨著經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的發(fā)展，對物種的影響還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，規(guī)劃中應(yīng)更多考慮物種對各種土地利用方式的響應(yīng)機(jī)制，在威脅高發(fā)區(qū)單獨(dú)設(shè)定保護(hù)目標(biāo)。若有些人類干擾難以清除，則可以考慮針對潛在生境設(shè)立保護(hù)目標(biāo)，為受威脅物種保留一定潛在遷移空間。

根據(jù)區(qū)域特征確定保護(hù)要素后，目標(biāo)數(shù)值的確定仍是難點(diǎn)。在以往研究中，有的為簡化操作，多個(gè)保護(hù)屬性保護(hù)目標(biāo)相同[83- 84]，此方法過于絕對，沒有考慮具有特殊意義保護(hù)目標(biāo)的保護(hù)優(yōu)先性。為彌補(bǔ)不足，除采用保護(hù)物種棲息地適宜性或物種瀕危等級分設(shè)保護(hù)目標(biāo)的方法外[85- 86]，也可變換思路，先將保護(hù)目標(biāo)設(shè)置為100%，在成本固定情況下計(jì)算單位成本的保護(hù)貢獻(xiàn)[87]。

相對于各種保護(hù)目標(biāo)設(shè)置方法，目前最為合理的是綜合分析各個(gè)層次的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)因素，建立等級化的保護(hù)目標(biāo),對各類保護(hù)要素先設(shè)定不同的保護(hù)目標(biāo)情景，再根據(jù)保護(hù)資源量確定最優(yōu)規(guī)劃方案[88]。目標(biāo)確立后也并非一成不變，還需要不斷根據(jù)數(shù)據(jù)的更新重新審訂保護(hù)目標(biāo)，確保其合理性[8]。

2.4 規(guī)劃結(jié)果的可靠性評估

選址運(yùn)算產(chǎn)生的解集代表保護(hù)體系所包含的規(guī)劃單元。這只是理論上的結(jié)果，距離實(shí)際操作、成為具有可操作性的保護(hù)規(guī)劃決策還有很大差距。Ferrier 等[89]為此提出了兩種評價(jià)結(jié)果的方法，第一種是通過運(yùn)算模型參數(shù)的調(diào)試，不斷重新運(yùn)算，確定每個(gè)選中單元對總目標(biāo)的貢獻(xiàn)，這可稱為規(guī)劃單元的不可替代性分析。另一種方法是評價(jià)規(guī)劃區(qū)內(nèi)威脅因素，若規(guī)劃單元之間具有同等不可替代性，則可以認(rèn)為威脅因素越多或威脅程度越大的單元中物種或生境喪失的可能性越高，優(yōu)先性越強(qiáng)。

對規(guī)劃結(jié)果還需要回答所選擇的優(yōu)先區(qū)域是否完成了保護(hù)目標(biāo)，誤差是多少?？捎玫姆椒ㄊ墙y(tǒng)計(jì)規(guī)劃結(jié)果中出現(xiàn)的目標(biāo)物種數(shù)量[10]、某些極重要物種的棲息地面積[90]、目標(biāo)生態(tài)系統(tǒng)受到保護(hù)的面積[91]或借鑒以往的保護(hù)體系規(guī)劃效果評估方法，通過輸入數(shù)據(jù)構(gòu)建保護(hù)效果評價(jià)指標(biāo)[92]。但是系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃的輸入數(shù)據(jù)主要來自經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)累積，一方面，實(shí)地調(diào)查的時(shí)間不同，不能體現(xiàn)出生物多樣性動(dòng)態(tài)，另一方面，不同研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不同以及調(diào)查時(shí)間和強(qiáng)度都不相同，對輸入數(shù)據(jù)的精度很難評估。若使用輸入數(shù)據(jù)評價(jià)輸出結(jié)果則等同于評價(jià)算法結(jié)果而規(guī)劃結(jié)果的總體誤差仍然難以確定，這也將使保護(hù)決策過程變得更加混亂[93]。為解決這個(gè)問題，有研究選擇不同數(shù)據(jù)庫的物種信息，對比保護(hù)結(jié)果，并對每個(gè)結(jié)果計(jì)算成本-收益指數(shù)評價(jià)保護(hù)效果[94]。這有助于直觀的發(fā)現(xiàn)輸入結(jié)果不同造成的差異，對誤差有總體把握。如果數(shù)據(jù)允許，還可以通過區(qū)域內(nèi)已建保護(hù)區(qū)不同時(shí)期的物種豐富度建立物種更新模型，預(yù)測規(guī)劃結(jié)果對物種更新的貢獻(xiàn)[95]。保護(hù)規(guī)劃本身就是一項(xiàng)預(yù)測性工作，不可能得到完全準(zhǔn)確的結(jié)果，因此對于規(guī)劃結(jié)果的評估應(yīng)對各種影響因素做全面考慮，不僅應(yīng)當(dāng)包括保護(hù)目標(biāo)的出現(xiàn)量，還應(yīng)分析保護(hù)體系的連通性、人為干擾的限制情況，并結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)、保護(hù)資源預(yù)算和社區(qū)居民、政府機(jī)構(gòu)、工商業(yè)開發(fā)商等利益相關(guān)群體提出意見等分析規(guī)劃可行性，得到盡量可行可靠的保護(hù)體系。

保護(hù)體系建成后，為保證新體系能夠持久滿足保護(hù)目標(biāo)，需要分區(qū)制定管理措施，通過對關(guān)鍵保護(hù)目標(biāo)因素的長期監(jiān)測，掌握生態(tài)系統(tǒng)格局和過程的變化。一旦發(fā)生某些人為、自然干擾因素，應(yīng)當(dāng)立即做出反應(yīng)，重新評估保護(hù)體系并做出修改。

3 系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

在我國，2011年制定的中國生物多樣性保護(hù)戰(zhàn)略與行動(dòng)計(jì)劃已將生物多樣性保護(hù)上升到國家戰(zhàn)略高度，并明確劃定我國重點(diǎn)保護(hù)的8大區(qū)，35小區(qū)，為全國生物多樣性就地保護(hù)提供了宏觀指導(dǎo)[96]。但縱觀我國保護(hù)規(guī)劃研究，仍然比較側(cè)重保護(hù)效益，例如通過目標(biāo)物種分布空間聚類，分析生物多樣性保護(hù)的空間密集區(qū)[97- 98]或按照生態(tài)系統(tǒng)珍稀程度劃分優(yōu)先保護(hù)小區(qū)[99- 101]。這類方法可以直觀地選擇物種豐度最高的區(qū)域規(guī)劃保護(hù)體系，雖然缺乏人類活動(dòng)干擾威脅和保護(hù)成本估算，但是為保護(hù)規(guī)劃和優(yōu)先區(qū)選擇提供了重要的保護(hù)目標(biāo)分布資料，仍然是其他評價(jià)方法的組成部分和重要參照。

我國另外一個(gè)應(yīng)用較多的方法是空缺分析，其主要思路是利用物種分布數(shù)據(jù)與現(xiàn)存保護(hù)區(qū)及其他管理屬性圖層疊合，分析當(dāng)前保護(hù)體系的保護(hù)空缺。作為保護(hù)優(yōu)先區(qū)研究中最為成熟的方法，GAP分析在全球領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[102- 104]。在我國也有多個(gè)研究案例[105- 106]。但GAP分析方法也存在一些限制和不足，包括：(1)不能判別植被的演替階段；(2) 不能顯示植被類型間的過渡帶；(3) 物種的分布圖是預(yù)測性的,而不是野外嚴(yán)格證實(shí)的；(4) 沒有指示生境質(zhì)量[107]。同時(shí)，也沒有考慮保護(hù)成本的空間分配問題。

近些年，隨著我國經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，與生物多樣性保護(hù)的沖突越加凸顯，發(fā)達(dá)地區(qū)的保護(hù)體系面積已基本飽和，很難建立新的自然保護(hù)區(qū)。而越來越多的西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)也希望將土地留做經(jīng)濟(jì)作物種植或旅游開發(fā)，帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。面對這些問題，保護(hù)體系的建立或修訂僅考慮保護(hù)效益已經(jīng)不夠，必須更多地考慮保護(hù)成本的空間分布，將規(guī)劃應(yīng)考慮的各種因素視為整體考慮。而系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃的優(yōu)勢就在于將保護(hù)成本、保護(hù)效益、保護(hù)體系的空間布局加以整合，并以數(shù)學(xué)模型的形式聯(lián)系起來。

系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃在協(xié)調(diào)保護(hù)與發(fā)展的沖突方面具有優(yōu)勢，在我國有很好的應(yīng)用前景，也已經(jīng)在幾個(gè)區(qū)域[108- 111]做過一些嘗試，效果尚可，但對系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃中的熱點(diǎn)問題仍值得開展更加深入的探討。首先，我國是土地國有制及集體所有制國家，建立保護(hù)區(qū)不需要購買土地，這省去了大量土地購置成本，因此，保護(hù)區(qū)的管理運(yùn)營成本和機(jī)會(huì)成本成為主要內(nèi)容。這與國外有很大不同，如何根據(jù)我國國情量化保護(hù)成本的空間分布將是系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃在國內(nèi)的研究重點(diǎn)。另外，有很多國家在制定保護(hù)體系規(guī)劃時(shí)，明確的給出了保護(hù)目標(biāo)，而我國國土面積廣闊，生態(tài)系統(tǒng)類型極為復(fù)雜，提出明確的保護(hù)目標(biāo)相當(dāng)困難。如何根據(jù)既定的保護(hù)成本最大限度的達(dá)到保護(hù)效益，提出新的目標(biāo)函數(shù)模型也將是未來研究的主要方向之一。在管理策略方面，考慮到有些珍稀物種的生境有動(dòng)態(tài)性，例如分布于我國東部的濕地珍禽，根據(jù)季節(jié)不同在三江平原濕地、渤海灣濕地、江蘇鹽城濕地間反復(fù)遷徙。針對此類情況，能夠提出不同季節(jié)珍稀物種生境的保護(hù)體系選擇方法和管理手段也非常值得重視。將系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃與生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能相結(jié)合將對我國未來保護(hù)體系修編起到重要的參照作用。服務(wù)功能這不僅包括對自然生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能，還包括文娛、產(chǎn)品提供等多項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)功能，而服務(wù)功能與生物多樣性之間也存在內(nèi)在關(guān)系。綜合考慮二者的空間格局，更加注重生態(tài)系統(tǒng)過程和功能的保護(hù)也將成為提高我國保護(hù)體系有效性的一個(gè)重要途徑。

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Theory, work frame and hot issues of systematic conservation planning

ZHANG Lu, OUYANG Zhiyun*, XU Weihua

StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

Biodiversity provides numerous essential services to humanity. But in past few decades, a large number of species have become increasingly threatened by anthropogenic disturbances. The current rates of extinction are estimated to be 100—1000 times greater than pre-human rates. In order to decrease the biodiversity loss rate and maximize the limited protection resources in key biodiversity areas, Margules raised the idea of Systematic Conservation Planning (SCP). It was widely used in conservation planning. In contrast to traditional method of conservation planning by expert decision, quantitative conservation targets, costs synthesized network connectivity, human disturbances and optimal algorithm were considered in SCP for obtaining a spatial-explicit conservation system. After analysis of planning theory, procedure, methods and review of existing SCP tools, four key issues in SCP research were summarized. The first issue is biodiversity indicators selection which means biodiversity mapping or quantification at genes, species, and ecosystems level to generates a biodiversity distribution matrix. It was demonstrated, at large scale, that quantification of biodiversity importance for species and ecosystems are more suitable than genes method, especially for a combination of species and ecosystems. The second is the estimation of cost that can be calculated in monetary and non-monetary terms. Many methods of cost quantification were reviewed in these paper and it indicated that conservation cost should not only incorporates socioeconomic data, but also biological features. The most important destination of SCP is to achieve some minimum representation of biodiversity features for the smallest possible cost by optimization. So an explicit conservation target is required. However, obtaining a rational target depends largely on the experiences of the experts who are forming these targets and that will inevitable bring about bias due to poor knowledge of the area and taxa. Our review suggests that a convictive method should take both static and dynamic factors into account and to construct heterogeneity target for different conservation feature(ecosystem services, vulnerability, e.g.) as the target in SCP is worthy of further study. Once outcomes of SCP were generated from mathematical algorithm, the reliability and performability are still indeterminacy. Therefore, as the fourth key issue, how to evaluate result and error from SCP are given in our context. Summing up these issues, its foreground for further application in China was also analyzed under current biodiversity situation. Distinctly, Chinese scientists need to realize that the development of ecological productive mode in China have failed to keep pace with rapid economic development. In the face of heterogeneous land use pattern, target function should take various context into consideration during planning procedure. In addition, the expropriation for biodiversity conservation means that the government expropriate land of rural collective economy organization because of dual system of state ownership and collective ownership. For this reason, the estimation of conservation opportunity cost is more meaningful than land purchase cost. This paper, therefore, by reviewing a large amount of past literatures, makes a summary and a commentary on the theory, work frame and key topics on SCP that might promote the conservation of biodiversity and ecosystems in China in the future.

systematic conservation planning; priority area; biodiversity; conservation target; conservation cost

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201011018)

2013- 04- 22;

日期:2014- 04- 11

10.5846/stxb201304220768

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zyouyang@rcees.ac.cn

張路, 歐陽志云, 徐衛(wèi)華.系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃的理論、方法及關(guān)鍵問題.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(4):1284- 1295.

Zhang L, Ouyang Z Y, Xu W H.Theory, work frame and hot issues of systematic conservation planning.Acta Ecologica Sinica,2015,35(4):1284- 1295.