劉焱序,傅伯杰,2,*,王 帥,趙文武

1 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室,北京 100875 2 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)國家重點實驗室,北京 100085

從生物地理區(qū)劃到生態(tài)功能區(qū)劃
——全球生態(tài)區(qū)劃研究進(jìn)展

劉焱序1,傅伯杰1,2,*,王 帥1,趙文武1

1 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室,北京 100875 2 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)國家重點實驗室,北京 100085

全球生態(tài)區(qū)劃可以為全球和區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與管理起到關(guān)鍵的空間指引作用,但當(dāng)前全球生態(tài)區(qū)劃方案存在重視生物地理分布特征而忽視生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的問題。系統(tǒng)梳理了全球生態(tài)區(qū)劃研究進(jìn)展,并總結(jié)為萌芽、發(fā)展和再認(rèn)識的3個階段。Bailey和Olson等的兩套全球生態(tài)區(qū)劃方案在近40年來使用最為廣泛,但兩套以生物多樣性保護(hù)為區(qū)劃目標(biāo)的方案均屬于生物地理區(qū)劃范疇。為實現(xiàn)對區(qū)域生態(tài)安全保障和人地關(guān)系協(xié)調(diào)的全面支持,有必要開展以功能區(qū)劃為主的全球生態(tài)區(qū)劃研究,進(jìn)一步完善生態(tài)區(qū)劃理論體系、探索生態(tài)區(qū)劃方法集成、突出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡并聚焦人地關(guān)系動態(tài)演化。

生物地理區(qū)；生態(tài)功能區(qū)；生物多樣性；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；人地關(guān)系

生態(tài)區(qū)劃是對生態(tài)區(qū)域和生態(tài)單元的劃分或合并研究[1]。面對全球環(huán)境變化下生態(tài)系統(tǒng)受到的長期擾動,生態(tài)區(qū)劃可以有效揭示自然生態(tài)區(qū)域的相似性和差異性規(guī)律、歸納外部擾動對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的影響,業(yè)已成為生態(tài)系統(tǒng)和自然資源合理管理及持續(xù)利用的重要支撐[2]。自Bailey系統(tǒng)提出美國生態(tài)區(qū)劃方案以來[3-4],生態(tài)區(qū)劃理論與方法在上世紀(jì)末至本世紀(jì)初取得快速發(fā)展[5-6]。世界野生動物基金會(World Wildlife Fund, WWF)和大自然保護(hù)協(xié)會(The Nature Conservancy, TNC)發(fā)布的全球陸地生態(tài)區(qū)劃方案被廣泛采用[6],為全球和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與管理發(fā)揮了關(guān)鍵的空間指引作用[7-10]。

生態(tài)區(qū)劃方案依存于區(qū)劃的對象和目的[2]。以生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)為目標(biāo),國際生態(tài)區(qū)劃多以自然生態(tài)系統(tǒng)為對象,而較少考慮人類在生態(tài)系統(tǒng)中作用[11-12]。近年來國際學(xué)者也逐漸認(rèn)識到,生態(tài)區(qū)劃方案中的優(yōu)先保護(hù)區(qū)雖然能達(dá)成保護(hù)生物多樣性的目的,但與陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)沒有密切關(guān)系[13-14]。因此,面向生物多樣性保護(hù)的全球生態(tài)區(qū)劃方案在引導(dǎo)不同國家和地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)綜合管理實踐中仍有不足。針對當(dāng)前全球生態(tài)區(qū)劃重生物地理分布特征、輕生態(tài)系統(tǒng)功能與服務(wù)的現(xiàn)狀,有必要系統(tǒng)回顧全球生態(tài)區(qū)劃研究進(jìn)展,展望全球生態(tài)區(qū)劃研究發(fā)展方向,從而推動生態(tài)區(qū)劃工作切實服務(wù)于全球和區(qū)域社會-生態(tài)綜合可持續(xù)的管理目標(biāo)。

1 全球生態(tài)區(qū)劃演進(jìn)歷程

生態(tài)區(qū)劃源于自然地理區(qū)劃,隨著生態(tài)學(xué)學(xué)科體系的逐漸完善,生態(tài)區(qū)劃逐漸從自然地理區(qū)劃中獨立出來,著重強(qiáng)調(diào)地理單元中的生態(tài)系統(tǒng)特征分異,并逐漸形成了基于不同目標(biāo)的全球生態(tài)區(qū)(Ecoregion)劃分方案[15-16]?？傮w上,全球生態(tài)區(qū)劃研究可以分為萌芽、發(fā)展、再認(rèn)識3個階段(圖1)。盡管3個階段在時間上有所嵌套,但在不同階段中學(xué)者們對于生態(tài)區(qū)劃的理解在不斷深化。

圖1 全球生態(tài)區(qū)劃代表性研究的發(fā)展時間線Fig.1 The time line of representative studies on global ecological regionalization

1.1 生態(tài)區(qū)劃思想萌芽

現(xiàn)代地域劃分思想可以溯源至19世紀(jì)初Hommeyer的大區(qū)域(Land)、區(qū)域(Landschaft)、地區(qū)(Gegend)、小區(qū)(Ort)四分類體系[11]。1899年Dokuchaev提出的自然地帶學(xué)說和1905年Herbertson劃分的世界主要自然區(qū)中,植被作為地域分異要素被予以描述,但尚不作為主要的分區(qū)指標(biāo)[17-18]；與之鮮明對應(yīng)的是柯本氣候分類方案中將植被作為分區(qū)的命名方式[19]。沿襲Merriam的美國生命帶(life zones)思想,Holdridge基于生物溫度、降水和蒸散數(shù)據(jù)識別植被類型并劃分全球生命帶[20-21]。Dasmann首次提出了包含植物和動物區(qū)系的全球生物群系分省(Province)劃定方案[22],并在多次修改后由Udvardy領(lǐng)銜發(fā)布了全球生物地理省區(qū)圖[23],全球生物地理區(qū)劃方案初見雛形。與此同時,Walter和Box并未采用省級分類方式,而直接在生物群區(qū)(Biome)的概念基礎(chǔ)上提出全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的劃分準(zhǔn)則[24]。

可見,在20世紀(jì)前半頁,自然地理區(qū)劃、生態(tài)區(qū)劃、植被類型劃分等概念相對模糊[12]。氣候地帶性規(guī)律是表征生態(tài)要素差異的關(guān)鍵準(zhǔn)則,植被類型也同時是自然地理區(qū)劃、氣候分類的重要標(biāo)準(zhǔn)。盡管部分區(qū)劃方式以植被作為研究主體,但也并未涉及生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次。直至1970s,以分省形式表征動植物區(qū)系的方案提出,以及生態(tài)系統(tǒng)成為明確的劃分對象,體現(xiàn)著生態(tài)區(qū)劃開始有別于表示地表綜合特征的自然地理區(qū)劃和聚焦單一生態(tài)系統(tǒng)要素的植被分類。尤其是Udvardy等繪制的全球生物地理省方案除了劃分單元相對有限以外,已經(jīng)具備了當(dāng)代生態(tài)區(qū)劃的研究體系。Dasmann和Udvardy等的多項研究工作無疑為全球生態(tài)地理區(qū)劃體系的全面建立奠定了基礎(chǔ)[22-23]。

1.2 區(qū)劃方案快速涌現(xiàn)

Bailey以氣候-植被的命名方式首次制成包含生態(tài)地域(Domain)、生態(tài)大區(qū)(Division)、生態(tài)省(Province)、生態(tài)地段(Section)四級體系的美國生態(tài)區(qū)劃方案,標(biāo)志著生態(tài)區(qū)劃理論與方法逐漸走向成熟[3-4]。在反復(fù)論證下,Bailey等將生態(tài)區(qū)定義為具有相對同質(zhì)性的生態(tài)系統(tǒng)組合[34-36],并系統(tǒng)的完成了全球陸地生態(tài)區(qū)劃分方案[25]。在當(dāng)時,Bailey的生態(tài)區(qū)劃體系并不唯一。如Rowe和Sheard以及Klijn和de Haes立足景觀視角分別提出生態(tài)用地分類準(zhǔn)則,但并未形成全球制圖[37-38]；Prentice等構(gòu)建的全球生物群區(qū)模型和Schulz提出的全球生態(tài)地帶(Ecozone)則體現(xiàn)了歐洲學(xué)者對生態(tài)區(qū)劃更為宏觀的理解[26-27]。經(jīng)過對生態(tài)區(qū)劃理論與方法的長期總結(jié),Bailey最終提出了生態(tài)系統(tǒng)地理學(xué)理念[5],其全球生態(tài)區(qū)劃方案成為了20世紀(jì)體系最完整的生態(tài)區(qū)劃研究。

然而,以氣候為基準(zhǔn)的生態(tài)區(qū)劃方法顯然在制圖精度上有所不足。以生物多樣性保護(hù)為目標(biāo),Olson等不采用Bailey方案,而以全球、洲際和各國多套生物群區(qū)區(qū)劃方案為基礎(chǔ)進(jìn)行融合,這套自下而上的全球生態(tài)區(qū)劃方案形成了867個生態(tài)區(qū)[6],遠(yuǎn)高于Udvardy方案的193個單元[22]。Olson和Dinerstein同時提供了包括142個陸地生態(tài)區(qū)、53個淡水生態(tài)區(qū)和43個海洋生態(tài)區(qū)在內(nèi)的全球優(yōu)先保護(hù)區(qū)[28,39]。21世紀(jì)以來,全球生態(tài)學(xué)界對生物多樣性保護(hù)高度關(guān)注,WWF/TNC所發(fā)布的Olson等的區(qū)劃方案也成為目前學(xué)界使用最為廣泛的全球生態(tài)區(qū)劃圖。此后,Spalding 等和Abell等也分別提出全球海洋生態(tài)區(qū)劃和全球淡水生態(tài)區(qū)劃,為全球生物多樣性保護(hù)提供切實指引[29-30]。

雖然在1980s以來洲際、國家尺度的生態(tài)分區(qū)成果大量涌現(xiàn),但全球生態(tài)分區(qū)方案實際屈指可數(shù)。這可能是由于在上世紀(jì)末全球空間數(shù)據(jù)資料有限、學(xué)者們對局地生態(tài)系統(tǒng)特征不了解,導(dǎo)致學(xué)者們更傾向于在國家內(nèi)部踐行其區(qū)劃理念。對比Bailey的全球生態(tài)區(qū)劃圖,Olson等集成多國學(xué)者區(qū)劃方案的生態(tài)區(qū)劃成果具有更明確的生態(tài)管理目標(biāo)。加之該區(qū)劃的矢量文件由機(jī)構(gòu)公開發(fā)布、獲取便捷,因而成為全球生物多樣性研究的關(guān)鍵資料。時至今日,Olson等的區(qū)劃方案仍在不斷更新之中。最新發(fā)布的Ecoregions2017方案由846個生態(tài)區(qū)構(gòu)成,在2050年達(dá)成保護(hù)全球陸域面積的50%成為該方案的最終目標(biāo)[15]。

1.3 對生態(tài)區(qū)劃的再認(rèn)識

隨著全球空間數(shù)據(jù)的積累,TNC試圖通過更精細(xì)的生態(tài)區(qū)評價(WWF稱之為生物多樣性愿景)進(jìn)一步明晰生態(tài)區(qū)的長期保護(hù)目標(biāo),具體而言是通過生物多樣性的狀況、生境條件、威脅和社會政治條件確定生態(tài)區(qū)的地理優(yōu)先級,并不斷調(diào)整部分生態(tài)區(qū)邊界[31]。但是,生態(tài)區(qū)評價并不能解決全球區(qū)劃方案忽視區(qū)域人地關(guān)系特征的問題。Turner等發(fā)現(xiàn),全球生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)并不與陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的高值呈對應(yīng)關(guān)系[13,39]；Naidoo等通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)制圖發(fā)現(xiàn),生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與隨機(jī)采樣區(qū)相比并沒有明顯區(qū)別[14]。因此,即使達(dá)成各生態(tài)區(qū)中的生物多樣性優(yōu)先保護(hù)目標(biāo),也并不能對人類提供比保護(hù)其他區(qū)域更多的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

針對生態(tài)系統(tǒng)所面臨的強(qiáng)烈人類擾動,Ellis和Ramankutty劃定了全球人為生物群區(qū)[32],Schneider等則同時完成了全球城市生態(tài)區(qū)制圖[33]。Geldmann等評價近20年生態(tài)區(qū)內(nèi)的人類壓力指數(shù),發(fā)現(xiàn)保護(hù)區(qū)域內(nèi)的人類壓力指數(shù)全面增加[7]。人類活動對生態(tài)區(qū)造成強(qiáng)烈影響,而當(dāng)前全球生態(tài)區(qū)劃方案未能充分考慮,往往會加深生物多樣性保護(hù)規(guī)劃實施的難度。此外,Watson等發(fā)現(xiàn),除了保證生態(tài)區(qū)自然植被的完整性以外,結(jié)合氣候情景預(yù)測評估生態(tài)區(qū)的脆弱性,可以更有效的指引區(qū)域生態(tài)管理[8]。針對全球生態(tài)功能評價手段的不足,Freudenberger等構(gòu)建指標(biāo)體系,探討全球生態(tài)系統(tǒng)功能性制圖方式[40]；并依托當(dāng)前全球生態(tài)區(qū)劃邊界,構(gòu)建生態(tài)功能智慧、社會經(jīng)濟(jì)智慧、氣候變化智慧評價準(zhǔn)則,進(jìn)一步識別生態(tài)保護(hù)優(yōu)先區(qū)[41]。時隔近20年后,Bailey在其再版的專著中新增章節(jié),論述生態(tài)區(qū)域在人類和氣候變化的劇烈影響下如何變化[5]?？梢娫跉夂蜃兓c人類活動的雙重擾動背景下,學(xué)界已經(jīng)對生態(tài)區(qū)的研究內(nèi)容和目標(biāo)具備了更深入的理解。

2 全球生態(tài)區(qū)劃方案優(yōu)勢與不足

2.1 方案特點與優(yōu)勢

基于區(qū)劃的對象和目標(biāo)不難得出,Bailey和Olson等的兩套全球生態(tài)區(qū)劃方案均屬于生物地理區(qū)劃范疇。其最明顯的特點是通過識別自然生態(tài)系統(tǒng)要素特征,提取可以代表生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵生物群落或物種,將生物的地域分異規(guī)律作為核心的區(qū)劃依據(jù)。兩套區(qū)劃方案有細(xì)致差別,表現(xiàn)在Bailey更傾向于表達(dá)全球生物的空間分布規(guī)律性,而Olson等將成果對接于全球生物多樣性保護(hù),后者的方案具備更直接的應(yīng)用價值。作為生物地理區(qū)劃的代表,兩套方案完整展現(xiàn)了自然生態(tài)系統(tǒng)中溫度、水分、地貌、植被、土壤等環(huán)境因素的空間分異,成功推動了全球生物多樣性研究的廣泛開展[42-44]。

生物地理區(qū)劃的優(yōu)勢正是其區(qū)劃目標(biāo)的明確性。在國際上對生態(tài)區(qū)劃再認(rèn)識的階段,各項研究將Olson等劃定的生態(tài)區(qū)默認(rèn)為不考慮人類影響和氣候變化的生物多樣性分布區(qū),從而疊加各種人類活動、氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo),完成生物多樣性脅迫程度、脆弱趨勢、對人類影響等不同視角的研究內(nèi)容。在此類研究中,生物地理區(qū)劃中的生態(tài)區(qū)被認(rèn)為是生物多樣性的空間表達(dá)方式,可以和其他與生物多樣性不直接相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行對比分析,從而得到更廣泛的生態(tài)學(xué)規(guī)律認(rèn)識。當(dāng)前,全球動物地理區(qū)劃等研究對象更明確的生物地理區(qū)劃仍在陸續(xù)開展[45-47],充分證明的全球生態(tài)學(xué)研究對生物地理區(qū)劃的明確需求。

2.2 案不足之處

由于未能充分考慮人地關(guān)系,全球生物地理區(qū)劃的不足之處顯而易見。生態(tài)區(qū)劃的應(yīng)用價值顯然不應(yīng)止于生物多樣性保護(hù),而有必要進(jìn)一步對接全球、區(qū)域的生態(tài)資源可持續(xù)開發(fā)和環(huán)境綜合管理[48]。一方面,在生物地理區(qū)劃中忽視人類活動的生態(tài)影響,會導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)所受到的脅迫程度不能在生態(tài)區(qū)單元中有效反映,掩蓋區(qū)域生態(tài)問題[49-50]；另一方面,在生物地理區(qū)劃中未能體現(xiàn)人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的效益,容易致使針對生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)管理不能有效服務(wù)于地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)[51]。這些不足導(dǎo)致了生物地理區(qū)劃對于生態(tài)系統(tǒng)綜合管理、生態(tài)安全保障與人類福祉維持等更長遠(yuǎn)目標(biāo)的支持能力十分有限。

全球生物地理區(qū)劃的不足是由區(qū)劃目標(biāo)的過于單一導(dǎo)致的。因此,在肯定生物地理區(qū)劃重要價值的基礎(chǔ)上,有必要識別生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化、人類擾動的敏感性,以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對人類社會發(fā)展的重要性,開展生態(tài)功能區(qū)劃研究[52]。與生物地理區(qū)劃側(cè)重于表征生態(tài)系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)的地理差異不同,生態(tài)功能區(qū)劃更關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)對于自然和人類干擾的響應(yīng),以及生態(tài)系統(tǒng)對人類社會提供的服務(wù)(表1)。在研究方式上,敏感性分析改進(jìn)了生物地理區(qū)劃對所受脅迫程度表征有限的問題,重要性評價彌補(bǔ)了生物地理區(qū)劃不能展示生態(tài)系統(tǒng)對人類社會效益的缺陷。而相比生物地理區(qū)劃,生態(tài)功能區(qū)劃與人類社會的關(guān)系更加密切,從而增強(qiáng)了區(qū)劃結(jié)果對區(qū)域人地關(guān)系協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展的指引意義。可以預(yù)見,立足更加綜合的研究視角,踐行全球生態(tài)功能區(qū)劃,能夠有效系統(tǒng)的形成對全球各級生態(tài)分區(qū)的再認(rèn)識。

3 全球生態(tài)功能區(qū)劃展望

鑒于全球生態(tài)功能區(qū)劃目標(biāo)更加宏觀、應(yīng)用范圍更為廣泛,區(qū)劃成果被各領(lǐng)域認(rèn)可的難度也會相應(yīng)提升,對區(qū)劃結(jié)果精度保證無疑需要從理論、方法、數(shù)據(jù)等多方面進(jìn)行論證。論證內(nèi)容可以概括為完善生態(tài)區(qū)劃理論體系、探索生態(tài)區(qū)劃方法集成、突出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡、聚焦人地關(guān)系動態(tài)演化4個主要方面,其主要內(nèi)容與邏輯關(guān)聯(lián)如圖2所示。

表1 生物地理區(qū)劃與生態(tài)功能區(qū)劃對比

圖2 全球生態(tài)區(qū)劃研究內(nèi)容Fig.2 The content of global ecological regionalization

3.1 完善生態(tài)區(qū)劃理論體系

在生態(tài)區(qū)劃中,特征區(qū)劃和功能區(qū)劃并不完全相同。自然地域空間的總體特征往往是相對穩(wěn)定的,現(xiàn)有的全球生態(tài)區(qū)劃方案基本沿用了自然區(qū)劃中等級性、發(fā)生統(tǒng)一性、地域完整性、主導(dǎo)因素等重要原則,滿足了特征區(qū)劃的研究需要。然而,部分新的問題產(chǎn)生在生態(tài)功能區(qū)劃中。一方面,生態(tài)系統(tǒng)往往具有多功能性,有必要關(guān)注在外部擾動下這些功能之間的關(guān)聯(lián)方式,并確立一致的主導(dǎo)功能判別依據(jù)。另一方面,氣候變化下生態(tài)功能的年際差異明顯,地區(qū)快速城市化進(jìn)程中生態(tài)功能與人類社會的供需關(guān)系也在持續(xù)改變,為保證區(qū)劃邊界的相對穩(wěn)定,有必要對生態(tài)功能的變化作以估計。因此,在傳統(tǒng)自然區(qū)劃原則的基礎(chǔ)上,生態(tài)功能區(qū)劃更需要重視區(qū)劃方案的功能協(xié)調(diào)性和時間穩(wěn)定性。

在生態(tài)功能區(qū)劃中,如何理解區(qū)劃的等級特征與區(qū)域共軛特征也值得論證。在國際一些生態(tài)區(qū)的命名中,往往將溫度、水分、地形、植被混合使用,同一類型區(qū)在空間上可以重復(fù)出現(xiàn),系統(tǒng)化程度相對低于中國的區(qū)劃方案[53]。在中國生態(tài)功能區(qū)劃方案中,也并未沿用傳統(tǒng)自然區(qū)劃的等級結(jié)構(gòu),而采用地名和生態(tài)功能名組合的形式冠名生態(tài)功能區(qū),同樣保證了區(qū)域共軛性。對于全球生態(tài)功能區(qū)劃,若一組生態(tài)功能相似的區(qū)域在空間上不連續(xù),是否必須將不連續(xù)的功能區(qū)分成兩組；或若同一較小范圍的地域空間有多種生態(tài)功能組合關(guān)系,是否可以采用同一地名組合不同功能的相對模糊的冠名方式？此類細(xì)節(jié)關(guān)乎區(qū)劃方案的系統(tǒng)化程度,需要在生態(tài)區(qū)劃理論體系層面給出對應(yīng)的解讀。

3.2 探索生態(tài)區(qū)劃方法集成

生態(tài)區(qū)劃方法集成可以分為數(shù)據(jù)集成和模型集成兩個方面。隨著各類全球空間數(shù)據(jù)的陸續(xù)發(fā)布,可以用于表征生態(tài)系統(tǒng)特征的指標(biāo)眾多,并且指標(biāo)之間存在著明顯的重疊性。例如溫度和水分決定了大尺度上植被和土壤的地帶性分布,而局地的非地帶性規(guī)律可以直接反映在水源涵養(yǎng)、土壤保持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的異常上。由于常見的生態(tài)指標(biāo)往往會用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的估算,那么在引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)后,還是否需要關(guān)注土壤類型、高程坡度等特征要素,是生態(tài)區(qū)劃指標(biāo)析取過程必須首先回答的問題。

從傳統(tǒng)的數(shù)理統(tǒng)計到當(dāng)代的人工智能算法,模糊聚類、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模型的應(yīng)用證明了區(qū)劃閾值的判定并不缺乏定量化手段[54-55]。然而值得關(guān)注的是,大量數(shù)學(xué)模型本身并不依循等級化的思想完成運(yùn)算。如近年來被廣泛采用的自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(SOFM)會根據(jù)數(shù)據(jù)集的總體取值進(jìn)行自動分類,在空間上展示為不同的類型區(qū)。但該算法既不會考慮數(shù)據(jù)集內(nèi)部指標(biāo)之間的層級關(guān)系,也不能保證每個類型區(qū)的主導(dǎo)因素一定具有顯著差異特征。因此,該算法作為一種快速分區(qū)、分類手段,并不滿足區(qū)劃對結(jié)果的系統(tǒng)化要求。此外,很多分類算法并不考慮樣本的空間位置,以至于在輸入單元較小、精度較高的情況下,容易在空間中形成大量面積較小但屬性獨特的孤立樣本。在孤立樣本與周圍類型區(qū)合并的過程中如何盡量少的損失精度,也牽涉較復(fù)雜的方法選擇問題。

3.3 突出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡

生態(tài)功能區(qū)劃的核心是對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間表達(dá)。自Costanza完成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值制圖后[56],對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間化研究是近20年來國際生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的重要主題。然而,以文化服務(wù)為代表的多項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型很難在全球?qū)用嬗枰跃_的空間定位,所以生態(tài)系統(tǒng)碳固定、涵養(yǎng)水源、土壤保持等服務(wù)成為了主要的制圖選擇。此類服務(wù)盡管在總體上有可能表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系,但降水和地形條件的不同導(dǎo)致了局地間主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)各不相同。其中難點在于,不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的單位并不相同,并不能直接把相對高值認(rèn)為是重要的而低值是不重要的,而需要通過量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對地區(qū)的實際效用,權(quán)衡得出主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型。

同時,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)系統(tǒng)類型特征在時間穩(wěn)定性上是不一致的。作為描述生態(tài)系統(tǒng)的特征,氣候、土壤、地形、植被類型等要素可以在較長的時間段內(nèi)保持相對穩(wěn)定；但生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在不同的氣候和人類擾動下會發(fā)生較大的波動,權(quán)衡關(guān)系也會相應(yīng)改變。例如降水減少會明顯降低土壤保持服務(wù),但對碳固定服務(wù)的影響程度則需要視植被類型而論。因此,有必要回溯過去氣候波動以及預(yù)測未來氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)制圖造成的影響,識別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的穩(wěn)定區(qū)域或持續(xù)變化區(qū)域,并在生態(tài)功能區(qū)中予以反映,從而保障生態(tài)區(qū)劃在更長時間段內(nèi)的應(yīng)用價值。

3.4 聚焦人地關(guān)系動態(tài)演化

關(guān)注人類社會對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響和需求,并預(yù)測該影響或需求的演化規(guī)律,有助于提升生態(tài)功能區(qū)劃對社會可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃的支持能力。相同等級生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可以對應(yīng)較低或較高的人類擾動,其所對應(yīng)的保護(hù)策略顯然是不一致的；同理,在不同的人類社會需求下,對相同等級生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域的資源使用方式也是有所差異的。為保證生態(tài)區(qū)劃在生態(tài)管理實踐中的針對性,有必要將人文要素的空間特征反映在生態(tài)功能區(qū)中。這些人文要素可以通過暴露、壓力等準(zhǔn)則單獨表征,也可以將人類活動強(qiáng)度等指標(biāo)作為廣義上生態(tài)敏感性評價的一項指標(biāo)引入。

相比于氣候變化,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類社會的供需關(guān)系或影響程度改變是觸發(fā)生態(tài)系統(tǒng)管理方式變化的更重要原因。盡管對全球人口的長期預(yù)測有較高的不確定性,但在精度要求不高的情況下,至少可以基于預(yù)測模型輸出結(jié)果判斷大致的未來全球人口分布高低差異。對于人類影響或社會需求與當(dāng)前狀況顯著不同的區(qū)域,可以在相應(yīng)的生態(tài)功能區(qū)中予以特別注明或調(diào)整相應(yīng)邊界,從而使區(qū)劃方案能夠在未來一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定,達(dá)成對區(qū)域未來相應(yīng)規(guī)劃的決策支持目的。事實上,作為一項綜合區(qū)劃,全球生態(tài)區(qū)劃中對人地關(guān)系刻畫的難點并不在于將人文要素引入?yún)^(qū)劃理論體系的科學(xué)性,而是在方法的操作中如何正確處理人文要素與其他自然生態(tài)要素的權(quán)重關(guān)系,使區(qū)劃成果能夠同時服務(wù)于區(qū)域生態(tài)保護(hù)和資源可持續(xù)開發(fā)利用的多重目標(biāo),從而在不同領(lǐng)域中具備良好的應(yīng)用前景。

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Frombiogeographytoecologicalfunction:Progressandprospectofglobalecologicalregionalizationresearch

LIU Yanxu1, FU Bojie1,2,*, WANG Shuai1, ZHAO Wenwu1

1StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,FacultyofGeographicalScience,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

Global ecological regionalization plays a key role in spatially guiding the conservation and management of ecosystems at global and regional scales. However, the current zoning scheme for the global ecoregion has some limitations, as it focuses on the geographical distribution of biodiversity characteristics while neglecting the ecological services for human beings. This study systematically demonstrates the research progress of global ecological regionalization. The course has been summarized into three stages: rudiment, development, and reconsideration. Two sets of global ecoregion schemes have been most widely applied in the last 40 years. Nevertheless, both schemes belong to the category of biogeographic regionalization, with the objective of biodiversity conservation. To understand the comprehensive support for regional ecological security as well as coordinate the human-nature relationship, it is necessary to study global ecological functional regionalization on the basis of ecosystem services. Four future directions for this research goal have been set: further improvement of the theoretical system of ecological regionalization, exploration of the integration of ecological regionalization methods, highlighting the trade-off of ecosystem services, and focusing on the dynamic evolution of the human-nature relationship.

biogeographic ecoregion; ecological functional ecoregion; biodiversity; ecosystem services; human-nature relationship

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFA0604701)

2017- 07- 25;

2017- 08- 15

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

10.5846/stxb201707251338

劉焱序,傅伯杰,王帥,趙文武.從生物地理區(qū)劃到生態(tài)功能區(qū)劃——全球生態(tài)區(qū)劃研究進(jìn)展.生態(tài)學(xué)報,2017,37(23):7761- 7768.

Liu Y X, Fu B J, Wang S, Zhao W W.From biogeography to ecological function: Progress and prospect of global ecological regionalization research.Acta Ecologica Sinica,2017,37(23):7761- 7768.