吳 未, 范詩薇, 胡余挺, 歐名豪,2

1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院, 南京 210095 2 農(nóng)村土地資源利用與整治國家地方聯(lián)合工程研究中心, 南京 210095

基于成本收益分析的生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化
——以蘇錫常地區(qū)白鷺為例

吳 未1,2,*, 范詩薇1, 胡余挺1, 歐名豪1,2

1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院, 南京 210095 2 農(nóng)村土地資源利用與整治國家地方聯(lián)合工程研究中心, 南京 210095

引入經(jīng)濟(jì)學(xué)成本收益分析方法對于生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化保護(hù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。以蘇錫常地區(qū)白鷺生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化為例,通過分別構(gòu)建研究區(qū)生境網(wǎng)絡(luò)保護(hù)成本與提升收益測算體系、模擬多種情景和優(yōu)化方案、成本收益分析的方法,實(shí)現(xiàn)了滿足不同約束條件的優(yōu)化方案。結(jié)果表明：(1)最大收益累積情景下的方案在總收益最高的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了保護(hù)總成本較低的目的；最佳效益累積情景下的方案在研究區(qū)土地資源有限和保護(hù)總成本最低的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化成效最佳的目的；(2)最佳效益累積情景下的方案在實(shí)現(xiàn)成本最低的基礎(chǔ)上,兼顧到了優(yōu)化成效的最大化,適宜于土地資源稀缺且城市化快速發(fā)展地區(qū)；(3)有限效益累積情景作為最佳效益累積情景的基本模式,其優(yōu)化方案在一定范圍內(nèi)可以兼顧到成本較低和成效較高。將經(jīng)濟(jì)學(xué)與生態(tài)學(xué)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法,綜合考慮了研究區(qū)的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會等現(xiàn)實(shí)因素,極大的提高了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案操作的可行性,其思路和方法拓展了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究視角。但諸多實(shí)現(xiàn)因素也決定了成本與收益體系的構(gòu)建還處于不斷完善之中。

生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；成本收益分析方法；邊際效益；快速城市化地區(qū)；白鷺；長三角地區(qū)

生境網(wǎng)絡(luò)是遏制生境破碎化影響、提高生境質(zhì)量、保護(hù)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)健康的重要途徑[1- 3]?？焖俪鞘谢貐^(qū)土地集約化利用、土地利用方式轉(zhuǎn)變以及狹隘觀念等人為因素[4]致使現(xiàn)有生境網(wǎng)絡(luò)遭受嚴(yán)重破壞,物種生境狀況不斷惡化[5],迫切需要加強(qiáng)生境網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與優(yōu)化研究。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究多基于島嶼生物地理理論、異質(zhì)(集合)種群理論和“斑塊-廊道-基質(zhì)”網(wǎng)絡(luò)理論[6]以及圖譜理論,主要通過采用完善網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成要素的方法實(shí)現(xiàn)[7- 10]。這種研究思路忽略了生境網(wǎng)絡(luò)保護(hù)實(shí)施過程中經(jīng)濟(jì)因素的制約影響。事實(shí)上,對于任何技術(shù)方案,不進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析,不考慮成本投入和產(chǎn)出效益,很難使其得到良好的實(shí)施。將經(jīng)濟(jì)學(xué)成本收益分析方法引入研究極大的提高了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案操作的可行性,其思路和方法有益于拓展網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究視角,因此得到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注[11- 14]。

Armsworth等[15]采用多元回歸模型的方法,測算出小型生境用地的收購和管理成本,從規(guī)模經(jīng)濟(jì)視角,比選出英國約克郡野生動物棲息地保護(hù)規(guī)劃方案；Drechsler[16]采用SAEEM概念模型(a conceptual semi-analytical ecological-economic model)的方法,考察了生境數(shù)量的靜態(tài)時(shí)與空間連通性、動態(tài)時(shí)與時(shí)間連續(xù)性的兩種權(quán)衡關(guān)系,提出了成本收益視角下生境網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)約束條件。在成本收益分析方法的應(yīng)用中,Drielsma等[11]探討了不同地類對物種遷移阻力成本與生境質(zhì)量的關(guān)系,模擬了棲息地格局的動態(tài)生態(tài)過程(dynamic ecological processes)；Gaaff等[17]在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)價(jià)值評估的基礎(chǔ)上,提出了高生態(tài)價(jià)值下的土地利用優(yōu)化配置方案；Sinha等[12]實(shí)現(xiàn)了土地利用覆被變化對野生動物有效生境面積(effective habitat area,EHA)影響的分析；Langhans等[18]采用成本函數(shù)分析的方法,通過對比河流恢復(fù)成本和預(yù)期生態(tài)收益,提出了基于生物多樣性保護(hù)的瑞士河道整治規(guī)劃方案?？傮w上,國外此類研究開展較早,研究的對象包括物種棲息地、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、生境網(wǎng)絡(luò)等；采用的方法包括計(jì)量評估、格局模擬、模型分析等,考察的成本包括了生境用地與其他地類價(jià)格差異、恢復(fù)與管理生境用地費(fèi)用、不同地類對物種遷移阻力等,收益則包括了整體生態(tài)收益、物種生境面積、生境質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)價(jià)值等等,涉獵極廣。相較而言,國內(nèi)研究尚處于引介、學(xué)習(xí)和探索的階段,且多集中在生境斑塊、生態(tài)用地以及生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的層面,對生境網(wǎng)絡(luò)的探討還很少[19- 22]。

本文以土地資源緊缺、快速城市化蘇錫常地區(qū)為研究區(qū)域、白鷺2010年現(xiàn)狀生境網(wǎng)絡(luò)和識別的新增生境節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ),通過構(gòu)建新增生境斑塊保護(hù)成本和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提升收益測算體系、多情景模擬和成本收益分析的方法,實(shí)現(xiàn)了白鷺生境網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。本文著眼于經(jīng)濟(jì)學(xué)與生態(tài)學(xué)相結(jié)合的方法,回答：如何運(yùn)用成本收益方法優(yōu)化生境網(wǎng)絡(luò)？成本收益方法對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究的作用和意義是什么？等問題,以期拓展生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法論的研究。

1 研究區(qū)概況

蘇錫常地區(qū)位于江蘇省南部太湖之濱,總面積1.75萬km2,其中水域面積占32.5%。地區(qū)以占江蘇省約17%的國土面積和人口,實(shí)現(xiàn)了約40%的GDP和地方財(cái)政收入。2000—2010年地區(qū)農(nóng)用地比重從56.69%降至44.41%、建設(shè)用地比重從14.71%增至27.82%,土地利用結(jié)構(gòu)和空間布局變化明顯,是城市化、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展快速且人為干擾強(qiáng)烈的地區(qū)。

區(qū)內(nèi)野生物種有獸類、兩棲爬行類30多種、鳥類170多種,以鳥類居多。由于水網(wǎng)密布、地表水資源豐富,為優(yōu)勢濕地鳥類提供了大量棲息地。區(qū)內(nèi)主要分布有白鷺、夜鷺、池鷺和牛背鷺4種鷺鳥,其中白鷺(Egrettagarzetta)被列入《瀕危野生動植物種國際貿(mào)易公約》名單。中國觀鳥記錄中心(China Bird Report)2003—2014年觀測數(shù)據(jù)顯示,區(qū)內(nèi)觀測到的白鷺活動地點(diǎn)77處,其中無錫斗山茶場和常熟尚湖風(fēng)景區(qū)觀測到的數(shù)量最多,達(dá)200多只。研究表明,2000—2010年期間區(qū)內(nèi),就白鷺單一物種而言,適宜地類斑塊(suitable patch)總面積得到了一定增加,但生境斑塊(habitat patch)的總面積減少了,生境網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不斷下降,生境環(huán)境持續(xù)惡化[4]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)主要包括中國科學(xué)院國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺2010年TM遙感數(shù)據(jù)、1∶5萬數(shù)字高程DEM數(shù)據(jù)(30 m×30 m)、2010年蘇錫常各區(qū)縣(市)行政區(qū)劃圖、中國觀鳥記錄中心2003—2014年觀測數(shù)據(jù)、蘇錫常3市《土地利用總體規(guī)劃(2006—2020)》以及2010年蘇錫常3市土地征收補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。

TM影像經(jīng)解譯得到土地利用/覆被數(shù)據(jù),結(jié)合白鷺的生境特點(diǎn)和數(shù)據(jù)精度,將區(qū)內(nèi)土地劃分為水田、旱地、園地、喬木林地、灌木林地、草地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、交通用地、灘涂沼澤、湖泊水庫、河流、溝渠/運(yùn)河和其他未利用地13類。

2.2 研究方法

2.2.1 基本思路及主要步驟

經(jīng)濟(jì)學(xué)的成本收益分析(cost-benefit analysis)方法是一個(gè)普遍的方法,其前提就是追求效用最大化。在生物多樣性保護(hù)研究中,就是對物種及其棲息地保護(hù)與規(guī)劃等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)價(jià)值量化分析的一類研究方法[23- 24]。具體到生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,就是測算出若干方案各自所需投入的保護(hù)成本、對應(yīng)的優(yōu)化收益[17],從追求“利潤”最大化出發(fā),提出最佳方案[13]。

本文以白鷺2010年生境網(wǎng)絡(luò)和識別的新增生境節(jié)點(diǎn)[10]為基礎(chǔ),分別以對應(yīng)的新增生境斑塊保護(hù)費(fèi)用為成本、生境網(wǎng)絡(luò)連接度提升程度為收益,多情景模擬后,得到最佳方案。研究思路及主要步驟包括識別新增生境斑塊、測算成本、測算收益、情景模擬4個(gè)部分。

2.2.2 識別新增生境斑塊

將前期成果中識別的35個(gè)白鷺新增生境節(jié)點(diǎn)[10](圖1)與2010年TM影像圖逐一對照,識別并測算出與之對應(yīng)新增生境斑塊的土地利用類型及其面積。

圖1 蘇錫常地區(qū)新增生境斑塊及對應(yīng)地類土地征收補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 The distribution of little egret' new habitat patches and their corresponding compensation prices of land acquisition in Su-Xi-Chang area

2.2.3 測算成本

生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化/保護(hù)成本通常包括直接成本、間接成本和機(jī)會成本[15,25]3大類。直接成本主要包括前期成本和管理/運(yùn)營成本[15]：前期成本指通過交易方式獲得生境用地使用權(quán)/所有權(quán)的成本[26]；管理/運(yùn)營成本指對保護(hù)區(qū)進(jìn)行日常管理、運(yùn)營及相關(guān)活動所投入的費(fèi)用,包括就地保護(hù)成本如自然保護(hù)區(qū)建設(shè)成本等、資源持續(xù)利用成本如林業(yè)重點(diǎn)工程投資等、保護(hù)機(jī)構(gòu)運(yùn)行成本及野生動物救治成本等[18,25]。間接成本包括損害補(bǔ)償成本、宣傳教育成本、科學(xué)研究成本以及保護(hù)區(qū)群管理機(jī)構(gòu)固定資產(chǎn)折舊、保護(hù)機(jī)構(gòu)對當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)交通電力等公益性支出與建設(shè)等其他間接成本。機(jī)會成本包括土地等資源收益放棄的成本。由于成本類型、構(gòu)成及計(jì)算非常繁瑣,且生態(tài)效益屬于無形資產(chǎn),使用貨幣化方式進(jìn)行計(jì)量研究的方法本身也存在著爭議[25]。目前尚無成熟的生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化/保護(hù)成本計(jì)算方法。

本文著眼于生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的方法論研究,側(cè)重從增設(shè)新增生境斑塊提高網(wǎng)絡(luò)連接度實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目的視角出發(fā)[27- 28],重點(diǎn)討論保證新增生境斑塊現(xiàn)有土地利用類型不被征用轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型特別是建設(shè)用地的情形,不涉及管理/運(yùn)營成本,因此文中直接成本即為前期成本或土地交易價(jià)格?？紤]到數(shù)據(jù)可獲得性因素,土地交易價(jià)格通常由土地征收補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)測算得到。由于土地征收補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的測算極為復(fù)雜,且存在很多爭議[29- 31]。為簡化研究,論文直接引用蘇錫常地區(qū)國土資源管理部門公布的3市2010年土地征收補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為測算依據(jù),得到了研究區(qū)生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化/保護(hù)的貨幣化成本情況(圖1)。保護(hù)成本計(jì)算表達(dá)式為：

c=a×p

(1)

式中,c為新增生境斑塊的保護(hù)成本；a為新增生境斑塊對應(yīng)的地類面積,p為地類對應(yīng)的土地征收補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)價(jià)格。

2.2.4 測算收益

考核收益的指標(biāo)類型很多且范圍廣泛。本文側(cè)重比較不同新增生境斑塊在提高網(wǎng)絡(luò)連接度的貢獻(xiàn)程度差異,因此測算的收益指每一塊新增生境斑塊在增設(shè)時(shí)對網(wǎng)絡(luò)連接度提升所帶來的對應(yīng)收益。依據(jù)已有成果[26,32- 33],從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)視角出發(fā),選取了3個(gè)不同類型的指標(biāo),采用綜合指數(shù)法進(jìn)行測算(表1)。

新增生境斑塊遷移廊道數(shù)量的計(jì)算借助ArcGIS軟件實(shí)現(xiàn)；節(jié)點(diǎn)度和中介度指數(shù)的計(jì)算借助UCINET軟件實(shí)現(xiàn)；指標(biāo)值經(jīng)極差標(biāo)準(zhǔn)化、等權(quán)疊加處理后得到綜合值,即提升收益。

表1 蘇錫常地區(qū)白鷺生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化收益評價(jià)指標(biāo)及其生態(tài)學(xué)意義

2.2.5 情景模擬

生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中,尤其是在土地資源稀缺、快速城市化地區(qū)通常面臨著一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn),即資源有限條件下,用最少的土地面積/資金實(shí)現(xiàn)對一組物種的保護(hù)或用給定的資金實(shí)現(xiàn)對盡可能多的物種/面積的保護(hù),即物種的“集合覆蓋問題(Set Covering Problem,SCP)”和“最大覆蓋問題(Maximal Covering Problem,MCP)”[11]。

新增生境節(jié)點(diǎn)的重要性不同,因此新增生境節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接度提升收益不同。同時(shí),新增生境節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的新增生境斑塊在土地利用類型和面積上存在差異,因此新增生境斑塊需要的保護(hù)成本也不同。故對于每一塊新增生境斑塊而言,其生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的貢獻(xiàn)“利潤”也存在差異,這就形成了不同的情景。

情景一：最小成本累積 將新增生境斑塊的保護(hù)成本由低至高排列,逐次增設(shè)到生境網(wǎng)絡(luò)中,會得到與之對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接度收益提升情況。采用成本收益分析方法,獲取網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的利潤最大化,即得到優(yōu)化方案一。該情景側(cè)重探討了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的集合覆蓋問題。

情景二：最大收益累積 將新增生境斑塊的提升收益由高至低排列,逐次增設(shè)到生境網(wǎng)絡(luò)中,會得到與之對應(yīng)的保護(hù)成本累計(jì)情況。采用成本收益分析方法,獲得網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的利潤最大化,即得到優(yōu)化方案二。該情景側(cè)重探討了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的最大覆蓋問題。

情景三：最佳效益累積 對所有新增生境斑塊的保護(hù)成本與提升收益進(jìn)行比照并分類,遴選出保護(hù)成本較低且提升收益較高的新增生境斑塊集合,得到優(yōu)化方案三。

情景四：有限效益累積 對所有新增生境斑塊的效益按照從高至低進(jìn)行排序,逐個(gè)累加,并分別將情景一和情景二下保護(hù)總成本設(shè)定為約束條件一和約束條件二,得到保護(hù)總成本在既定條件下的有限個(gè)新增生境斑塊的累積集合,得到優(yōu)化方案四和方案五。

選取用于測度網(wǎng)絡(luò)連接度的α、β、γ指數(shù)[10],對以上方案進(jìn)行比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 新增生境斑塊及其保護(hù)成本

表2為新增生境斑塊保護(hù)成本由低至高的排序情況、保護(hù)地類、保護(hù)成本及其成本情況。由于土地征收補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)(18—48萬元/hm2)差異程度小于新增生境斑塊保護(hù)面積(10—180 hm2)差異程度,因此保護(hù)面積較小而保護(hù)成本較高的現(xiàn)象(如斑塊22、23、24號)不明顯。總體上,保護(hù)成本受保護(hù)面積差異影響較大,如區(qū)內(nèi)最大的7個(gè)新增生境斑塊把其余28個(gè)新增生境斑塊平均保護(hù)面積從20.50 hm2提升了近1倍達(dá)到40.57 hm2、平均保護(hù)成本從7.08百萬元提升了1倍達(dá)到14.36百萬元。

3.2 提升收益

表3為新增生境斑塊提升收益由高至低排序情況、新增廊道數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化的節(jié)點(diǎn)度、中介度及總收益值。(1)新增廊道較多的新增生境斑塊對應(yīng)的提升收益較好,但有例外如斑塊5、11、18、14號；(2)新增廊道數(shù)與節(jié)點(diǎn)度之間似正相關(guān)關(guān)系,新增廊道較多時(shí),對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)度較高；但有相反的情況如斑塊7和28號；(3)新增廊道數(shù)與中介度、節(jié)點(diǎn)度與中介度之間也存在上述關(guān)系,即似正相關(guān)關(guān)系與反例現(xiàn)象并存,如斑塊7和14號、斑塊4和33號等?？傮w上,提升收益較大程度受新增生境斑塊的新增廊道數(shù)量影響。

表2 新增生境斑塊保護(hù)面積及保護(hù)成本

表3 新增生境斑塊對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化指標(biāo)及收益情況

3.3 多情景對比分析

3.3.1 多情景

情景一：圖2為最小成本累積情景下總成本與對應(yīng)總收益變化情況。2條曲線均呈不斷增長趨勢。由于新增生境斑塊的提升收益與保護(hù)成本之間沒有直接關(guān)聯(lián)關(guān)系,所以總收益曲線波動增長。從成本收益關(guān)系分析,并且從成本最低的新增生境斑塊29號開始累積計(jì)算,在單個(gè)成本與對應(yīng)收益“利潤”達(dá)到最大化時(shí),即圖2中2條曲線在同一點(diǎn)(生境斑塊8號)間連線距離達(dá)到最大值(圖2中豎向虛線所示),得到累積總成本最小情景下收益最大。該點(diǎn)及之前所有點(diǎn)對應(yīng)的18個(gè)新增生境斑塊(29、35、32、15、30、18、23、33、16、17、21、26、10、24、4、6、9、8號)為本情景的優(yōu)化結(jié)果,形成方案一。

情景二：圖3為最大收益累積情景下總收益與對應(yīng)總成本變化情況。與情景一類似,2條曲線分別呈平滑或波動增長。從提升收益最大的新增生境斑塊10號開始累積計(jì)算,在35點(diǎn)處達(dá)到“利潤”最大化(圖3中豎向虛線所示),即累積總收益最大情景下成本最小。該點(diǎn)及之前所有點(diǎn)對應(yīng)的24個(gè)新增生境斑塊(10、6、2、13、4、9、15、8、16、1、3、12、28、17、7、30、33、19、23、21、24、25、14、35號)為本情景的優(yōu)化結(jié)果,形成方案二。

圖2 最小成本累積情景下的總成本與總收益情況 Fig.2 Curves of total cost and benefit based on the minimum cost accumulation, Scenario 1

圖3 最大收益累積情景下的總成本與總收益情況 Fig.3 Curves of total cost and benefit based on the maximum benefit accumulation, Scenario 2

情景三：圖4為新增生境斑塊保護(hù)成本與提升收益散點(diǎn)分布情況。其中,橫坐標(biāo)為保護(hù)成本、縱坐標(biāo)為與之對應(yīng)的提升收益；直線a為散點(diǎn)趨勢線、虛線a′為新增生境斑塊平均收益、虛線b為平均保護(hù)成本。虛線a′和b將散點(diǎn)劃分到了4個(gè)區(qū)域,對應(yīng)著4種不同的情景：A區(qū)為保護(hù)成本較低(低于平均成本)且優(yōu)化收益較高(高于平均收益)區(qū)域,有9個(gè)斑塊(即4、6、8、9、10、12、15、16、28號)、B區(qū)為保護(hù)成本較低且優(yōu)化收益較低區(qū)域,有18個(gè)斑塊(即7、11、14、17、18、21、22、23、24、25、26、29、30、31、32、33、34、35號)、C區(qū)為保護(hù)成本較高且優(yōu)化收益較高區(qū)域,有4個(gè)斑塊(即1、2、3、13號)、D區(qū)為保護(hù)成本較高且優(yōu)化收益較低區(qū)域,有4個(gè)斑塊(即5、19、20、27號)。新增生境斑塊17號的提升收益低于平均收益但高于趨勢線故歸并到B區(qū)。很明顯,A區(qū)中新增生境斑塊效益最佳、D區(qū)中新增生境斑塊效益最差。以A區(qū)9個(gè)新增生境斑塊為本情景優(yōu)化結(jié)果,形成方案三(圖5中豎向虛線L1所示)。

情景四：由于方案三中A區(qū)效益最佳的9個(gè)新增生境斑塊保護(hù)成本累積之和低于方案一的保護(hù)總成本,因此借助趨勢線a遴選B或C區(qū)中效益最佳的其它新增生境斑塊,并自高至低逐次累加,得到新增生境斑塊17、7和33號,滿足設(shè)定約束條件,形成方案四(圖5中豎向虛線L2所示)；以此類推,得到方案五(圖5中豎向虛線L3所示)。

3.3.2 對比分析

表4為不同情景生境網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)指數(shù)情況。為便于比較,將增設(shè)所有35個(gè)新增生境斑塊形成的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果作為理想方案。

圖4 新增生境斑塊保護(hù)成本與提升收益散點(diǎn)分布及類型劃分 Fig.4 Spatial layout of the new habitat patch's cost and benefit and their classification

圖5 有限/最佳效益累積情景下的總成本與總收益情況 Fig.5 Curves of total cost and benefit based on the limited/ best effectiveness accumulation, Scenario 3, 4 and 5

(1)與現(xiàn)狀比,方案一至五的節(jié)點(diǎn)數(shù)、廊道數(shù)、α、β、γ指數(shù)均得到不同程度提升,說明以上5個(gè)方案均是現(xiàn)狀生境網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方案。

(2)方案三(最佳效益累積情景)在僅為理想方案保護(hù)總成本13.0%的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)數(shù)、廊道數(shù)、α、β、γ指數(shù)分別達(dá)到了其72.0%、67.6%、90.4%、93.9%和94.7%的成效。

(3)方案二(最大收益累積情景)的保護(hù)總成本為4個(gè)優(yōu)化方案中最高者,但也實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)數(shù)、廊道數(shù)、α、β、γ指數(shù)的最高值；與理想方案相比,在其保護(hù)總成本63.4%的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了相同的α、γ指數(shù)值,β指數(shù)值也達(dá)到了99.7%。

(4)方案一(最小成本累積情景)與方案三相比,保護(hù)總成本高于后者,但α、β、γ指數(shù)值卻低于后者,優(yōu)化成效不夠理想。

(5)方案四、五(有限效益累積情景)與方案三相比,在保護(hù)總成本分別增長了31.3%和363.3%的基礎(chǔ)上,節(jié)點(diǎn)數(shù)、廊道數(shù)、α、β、γ指數(shù)均沒有達(dá)到相應(yīng)增值,優(yōu)化成效不顯著。

表4 不同情景生境網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)指數(shù)情況

綜合以上分析,對研究區(qū)白鷺生境網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)：(1)方案二在達(dá)到了與理想方案幾乎一致的成效情況下,實(shí)現(xiàn)了保護(hù)總成本較低的目的,為最佳方案；(2)方案三在研究區(qū)土地資源有限和保護(hù)總成本最低的條件約束下,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化成效最佳的目的,為最佳方案。

4 結(jié)論與討論

本文以蘇錫常地區(qū)白鷺生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化為例,通過分別構(gòu)建保護(hù)成本與提升收益的測算體系,模擬了多種網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化情景和優(yōu)化方案,經(jīng)過成本收益分析,得到滿足不同約束條件下的推薦方案。結(jié)果表明：(1)最大收益累積情景下的方案在總收益最高的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了保護(hù)總成本較低的目的；最佳效益累積情景下的方案在研究區(qū)土地資源有限和保護(hù)總成本最低的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化成效最佳的目的；(2)最佳效益累積情景與最低成本累積情景下的2個(gè)方案在優(yōu)化成效上很接近,但前者總成本僅為后者的74.0%,說明最佳效益累積情景下的方案在實(shí)現(xiàn)成本最低的基礎(chǔ)上,兼顧到了優(yōu)化成效的最大化,適宜于土地資源稀缺且城市化快速發(fā)展地區(qū)；(3)有限效益累積情景下的2個(gè)方案的優(yōu)化成效,介于最小成本累積情景和最大收益累積情景之間,一方面證實(shí)了最佳效益累積情景是有限效益累積情景中的一種特殊情況,另一方面也證實(shí)了有限效益累積情景在一定范圍內(nèi)可以兼顧到成本較低和成效較高。在經(jīng)濟(jì)學(xué)上,這個(gè)范圍的邊界十分明確,即網(wǎng)絡(luò)連接度優(yōu)化邊際效益為“0”或負(fù)值時(shí)。經(jīng)濟(jì)學(xué)與生態(tài)學(xué)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法,綜合考慮了研究區(qū)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會等現(xiàn)實(shí)因素,極大的提高了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案操作的可行性,其思路和方法有助于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究的深入探索。

研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)特別是蘇州不同農(nóng)用地如耕地、林地、園地等采用了統(tǒng)一的征收補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn),致使文中成本受保護(hù)地類因素影響不明顯,而該方法更適宜于農(nóng)用地征收補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)差異較大的實(shí)際情況?，F(xiàn)實(shí)中生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的成本測算十分復(fù)雜。本文以土地征收補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)替代保護(hù)現(xiàn)有適宜性生境斑塊地類的土地成交價(jià)格作為前期成本就研究區(qū)而言具有代表性,但并不能替代其真實(shí)的成本構(gòu)成。同時(shí),地類轉(zhuǎn)化成本也是優(yōu)化成本的一個(gè)重要部分,國內(nèi)現(xiàn)行的城鄉(xiāng)建設(shè)用地增減掛鉤、退耕還林/草/湖、土地整治等均應(yīng)該納入直接成本測算體系。

采用網(wǎng)絡(luò)連接度評價(jià)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果的方法是建立在圖論基礎(chǔ)上的,是收益評價(jià)指標(biāo)體系[34]中的一類指標(biāo)。已有相關(guān)研究多通過貨幣化計(jì)量方式建立起網(wǎng)絡(luò)價(jià)值分析體系[18],雖然能夠更好地運(yùn)用經(jīng)濟(jì)學(xué)方法進(jìn)行分析,但生境網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化很難通過貨幣化方式界定,因此生境網(wǎng)絡(luò)評價(jià)的研究還有待拓展。

成本收益方法為生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及其可行性研究提供了新的思路,但也面臨著許多現(xiàn)實(shí)困難,如國有或集體土地所有權(quán)的確權(quán)問題[35]、生態(tài)系統(tǒng)功能維持保護(hù)與利益相關(guān)者權(quán)益問題[36]等。妥善解決好上述問題,將有利于更好地實(shí)現(xiàn)物種多樣性保護(hù)和區(qū)域生態(tài)安全維持。

致謝：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院土地經(jīng)濟(jì)學(xué)鄒偉教授和唐焱老師幫助寫作,特此致謝。

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A cost-benefit analysis approach to habitat network optimization: a case study of the little egret (Egrettagarzetta) in the Su-Xi-Chang area

WU Wei1,2, *, FAN Shiwei1, HU Yuting1, OU Minghao1,2

1CollegeofLandManagement,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China2National&JointLocalEngineering,ResearchCenterforRuralLandResourcesUseandConsolidation,Nanjing210095,China

The economic approach of cost-benefit analysis plays an important role in analyzing biodiversity conservation, especially in rapidly urbanizing areas. In the existing Chinese academic literature, cost-benefit analyses have been applied in studies on habitat conservation, ecological land protection, and ecological networks. The present study addresses a gap in the research, by determining the effects of a cost-benefit analysis approach on habitat network optimization. Furthermore, this study uses a cross-disciplinary approach between methodologies in economics and ecology, to examine the impacts of the economic approach and ecological processes on network optimization methodology. As a case study, we focused on the Su-Xi-Chang area of the Yangtze River Delta Region, with the little egret (Egrettagarzetta) as a regional representative species. We hypothesized that adding new habitat patches would improve network connectivity, and help with network optimization. The study assessed the size and the land use type of 35 identified habitat patches, which were the prior research results. The cost of avoiding the transfer from the current habitat into other land use types, especially construction land, was treated as the protect-cost, which was derived from local prices for land acquisition. From the perspective of network structure, the benefit of habitat network connectivity improvement was represented as a comprehensive indicator generated from three different indexes. These indexes included the number of newly added corridors, the betweenness, and the node degree. The protect-cost of each habitat patch could be matched to its corresponding benefit value for different purposes. The study design considered five different conditions and six scenarios. Scenario 1 was formed from the perspective of minimum cost accumulation, whereas scenarios 2 to 5 focused on maximum benefit accumulation, best effectiveness accumulation, and two limited effectiveness accumulations, respectively. Scenario 6 was the ideal condition meaning with all 35 habitat patches being added as the ideal result of habitat network optimization. The results indicate that (1) scenario 2 of maximum benefit accumulation resulted in network optimization with a lower total cost compared to scenario 6. Scenario 3 of best effectiveness accumulation resulted in network optimization with the least protected area, and associated cost. (2) The effects of the scenarios of best effectiveness accumulation, as well as the one of minimum cost accumulation (i.e., scenario 3 and scenario 1, respectively) were similar. However, the total cost of scenario 3 was only 74 percent of that of scenario 1. This indicates that scenario 3 of best effectiveness accumulation maximized effectiveness with the least cost, and was suitable for rapidly urbanizing areas with scarce land resources. (3) The effects of the two scenarios of limited effectiveness accumulation, (i.e., scenario 4 and scenario 5) were in between the effects of scenario 1 of minimum cost accumulation and scenario 2 of maximum benefit accumulation. This indicates that all scenarios of limited effectiveness accumulation would realize the aim of better effectiveness with lower cost. Furthermore, it indicated that scenario 3 of best effectiveness accumulation was gained under special circumstances. In economics, this phenomenon is referred to as the marginal benefit. Overall, the combined method detailed here, along with ecological, economic, and social factors, contributes to habitat network optimization, and highlights the methodology of network optimization.

habitat network optimization; cost-benefit analysis; marginal benefit; rapidly urbanizing areas; the little egret (Egrettagarzetta); Yangtze River Delta Region

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41571176)；江蘇高校哲學(xué)社會科學(xué)研究項(xiàng)目(2015SJD096)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)人文社會科學(xué)研究基金配套項(xiàng)目(SKPT2015018)

2015- 10- 24;

日期:2016- 08- 02

10.5846/stxb201510242152

*通訊作者Corresponding author.E-mail: ww@njau.edu.cn

吳未, 范詩薇, 胡余挺, 歐名豪.基于成本收益分析的生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化——以蘇錫常地區(qū)白鷺為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(6):1786- 1795.

Wu W, Fan S W, Hu Y T, Ou M H.A cost-benefit analysis approach to habitat network optimization: a case study of the little egret (Egrettagarzetta) in the Su-Xi-Chang area.Acta Ecologica Sinica,2017,37(6):1786- 1795.