吳 未,劉壯壯,申立冰

1 南京農(nóng)業(yè)大學土地管理學院, 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

生境網(wǎng)絡在遏制棲息地喪失、碎片化、破碎化,提高生境質量,促進物種間物質、信息、能量及基因交流,減緩生物多樣性喪失,維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面具有重要的作用[1- 3]?？焖俪擎?zhèn)化地區(qū)土地利用方式轉變及對土地利用的狹義觀念等因素導致大量生境被破壞,物種遷移受阻明顯[4- 6],因此加強此類地區(qū)生境網(wǎng)絡優(yōu)化研究尤為重要。

生境網(wǎng)絡研究涉及到跨界網(wǎng)絡構建、評價和優(yōu)化,但主要集中在較大尺度上生境斑塊、廊道及踏腳石等生境網(wǎng)絡構成要素的識別與構建[7- 9]。研究表明跨區(qū)域協(xié)作有利于陸地生物多樣性保護,降低保護過程產(chǎn)生的總成本[10- 12],有效實現(xiàn)國家或地區(qū)邊界的生態(tài)系統(tǒng)及生物多樣性的整體性保護。但是自然保護區(qū)的跨界合作尚存在著一些問題,如Cisneros和Naylor[13]在分析了176個跨界保護區(qū)的基礎上得出,僅8%達到高水平合作,38%為一般水平合作,18%沒有任何合作。主要原因是對跨界網(wǎng)絡管理行為中的保護成本與生態(tài)效益權衡不足。將保護成本和生態(tài)效益引入生境網(wǎng)絡研究,可提高網(wǎng)絡優(yōu)化方案的經(jīng)濟效益和可操作性,有利于區(qū)域生物多樣性保護,得到廣泛關注[14- 15]。

Langhans等[16]運用成本函數(shù)分析法對比了恢復成本與預期生態(tài)收益,以瑞士兩個相鄰的州為例,提出了以淡水生物多樣性保護和生態(tài)服務提升為目的的河流治理方案。Kark等[17]采用相對成本制定生物多樣性影響指標(biodiversity-human impact metric, BHM)分析了地中海盆地生物多樣性熱點地區(qū)脊椎動物的保護成本和生物多樣性威脅,發(fā)現(xiàn)整個流域的全面協(xié)調合作與未協(xié)調合作相比,保護成本降低了45%。Mazor等[18]和Kark等[19]采用系統(tǒng)保護法對比了地中海海域國家三種合作方案的海洋協(xié)調保護效率,發(fā)現(xiàn)在實施相同保護目標的情況時,國家合作比單獨實施的成本降低了2/3。與此同時,保護區(qū)日常管理費用及前期購置成本表現(xiàn)出明顯的規(guī)模經(jīng)濟效益[18, 20- 22]?？梢?國外已展開了大量此類研究,對象涉及陸地棲息地保護、淡水保護、海洋資源保護等；采用的方法包括成本函數(shù)分析法、多元回歸模型、對比分析、系統(tǒng)保護法等。相較而言,國內(nèi)研究尚處于學習和探索階段,且只是國家間區(qū)域現(xiàn)狀的跨界,在國家內(nèi)部不同行政區(qū)間的研究還很少[23-24]。

本文以土地資源緊張、快速城鎮(zhèn)化地區(qū)蘇錫常為例,白鷺2010年生境網(wǎng)絡優(yōu)化斑塊為基礎,通過構建生境斑塊保護成本與生境網(wǎng)絡收益提升體系,對比不同情景下網(wǎng)絡結構指數(shù)變化情況,探討跨區(qū)域視角下的生境網(wǎng)絡保護效率。將經(jīng)濟學與跨界資源管理理論運用到生境網(wǎng)絡優(yōu)化中,試回答跨區(qū)域生境網(wǎng)絡優(yōu)化是否可以提高保護效率？即在等量保護成本下如何更好解決物種保護的“最大覆蓋問題”,以拓展生境網(wǎng)絡優(yōu)化研究。

1 研究區(qū)概況

蘇錫常地區(qū)位于東經(jīng)119°08′—121°15′、北緯30°46′—32°04′,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%。該地區(qū)以占江蘇省約17%的國土面積和人口,實現(xiàn)了約40%的GDP和地方財政收入。區(qū)域內(nèi)土地利用結構和空間布局變化明顯,是城鎮(zhèn)化、經(jīng)濟社會發(fā)展快速且人為干擾強烈的地區(qū)。

區(qū)域內(nèi)地勢平坦,河湖眾多,北亞熱帶季風氣候,年均降水1092.4 mm,年均氣溫15.3℃。境內(nèi)物種豐富,鳥類、獸類、兩棲爬行類200多種,其中鳥類達170余種。區(qū)域內(nèi)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。主要分布有白鷺、夜鷺、池鷺和牛背鷺4種鷺鳥,其中白鷺被列入《瀕危野生動植物種國際貿(mào)易公約》名單,是太湖地區(qū)環(huán)境污染指示生物物種[25]。研究表明,2000—2010年期間,區(qū)域內(nèi)適宜地類斑塊面積得到增加,但由于大量新增人類干擾,導致生境質量不斷下降,生境環(huán)境持續(xù)惡化[26]。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要包括中國科學院國際科學數(shù)據(jù)服務平臺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)》及2010年蘇錫常3市土地征收補償標準。

TM影像經(jīng)解譯得到土地利用/覆被數(shù)據(jù),結合白鷺生境特點及數(shù)據(jù)精度,將區(qū)域內(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)建設用地、交通用地、灘涂沼澤、湖泊水庫、河流、溝渠/運河和其他未利用地共13類。

2.2 研究方法

2.2.1研究思路及主要步驟

跨界資源管理是資源管理的有效方法,為提高自然資源管理的有效性或更好地達到生物多樣性保護而進行的跨邊界合作管理過程[23]。在生物多樣性保護研究中,由特定區(qū)域保護向景觀尺度生態(tài)系統(tǒng)保護轉變,建立跨界自然保護區(qū)以加強物種間交流,降低人為干擾造成物種滅亡的概率,達到維持生境、生物多樣性保護的目的[27]。跨區(qū)域生境網(wǎng)絡優(yōu)化就是,為維護生態(tài)系統(tǒng)的原始性及完整性,采用跨越行政邊界的理念,對生境網(wǎng)絡進行優(yōu)化,以達到生物多樣性保護的目的。

以白鷺2010年生境網(wǎng)絡識別的新增型和恢復型生境節(jié)點為基礎[28],分別以跨區(qū)域和分區(qū)視角對應的生境斑塊保護費用為成本、生境網(wǎng)絡連接度提升為收益,對比不同情景下的網(wǎng)絡結構指數(shù)變化情況,得到最佳生境網(wǎng)絡優(yōu)化方案。研究思路及主要步驟包括：(1)根據(jù)前期研究成果,識別新增生境斑塊；(2)新增生境斑塊保護成本及收益提升測算；(3)設定不同情景,測算并對比各方案網(wǎng)絡結構指數(shù)變化情況。

2.2.2新增生境斑塊識別

圖1 蘇錫常地區(qū)35個新增生境斑塊分布 Fig.1 Distribution of 35 newly added ecological habitats in study area

將前期研究成果中待優(yōu)化的35個白鷺新增生境節(jié)點[28](新增型和恢復型生境節(jié)點,圖1)與2010年TM影像圖對比,識別相對應的生境斑塊面積及土地利用類型。

2.2.3成本測算

實現(xiàn)生態(tài)保護目標涉及到成本投入。成本是人們進行生產(chǎn)經(jīng)營活動或達到一定目的,所耗費一定資源如人力、物力、財力以及其他資源的貨幣表現(xiàn)。Naidoo等[29]將保護規(guī)劃的經(jīng)濟成本分為取得、管理、損害補償、交易及機會成本等5個主要組成部分。Armsworth等[20]根據(jù)保護區(qū)狀況將保護成本分為新增斑塊所涉及的成本(購置或者租賃成本及相關交易成本)和管理現(xiàn)有保護區(qū)的運營成本(就地保護、生態(tài)恢復、監(jiān)測及執(zhí)法成本)?？紤]到國內(nèi)保護區(qū)實際情況,王昌海等[30]將保護成本分為直接成本、間接成本和機會成本3大類。由于大多數(shù)生物保護缺乏主要成本數(shù)據(jù),需要使用易獲得的數(shù)據(jù)替代保護成本。例如利用周邊縣域農(nóng)業(yè)用地平均價值[31-32]或附近生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品市場價值的一部分作為保護成本[33],但實際中產(chǎn)生的成本比理論成本具有更大的可變性[34]?？梢?成本類型、構成及計算非常繁瑣,同時使用貨幣化方式進行計量的研究方法也存在著爭議[30]。加之,生態(tài)效益目前沒有統(tǒng)一的市場價值計算方法。因此,目前沒有成熟的生境網(wǎng)絡保護成本測算體系。

跨區(qū)域視角探討生境網(wǎng)絡優(yōu)化,旨在更好解決物種保護的“最大覆蓋問題”,強調新增生境斑塊土地利用類型不被轉化為其他地類特別是建設用地,不涉及管理成本,因此斑塊的保護成本可以簡化為土地利用的機會成本或土地交易成本?？紤]到數(shù)據(jù)的可獲取性,土地交易成本通常由土地征收補償標準計算得到。本文直接采用蘇錫常地區(qū)國土資源部門公布的3市2010年土地補償標準作為測算依據(jù),得到生境斑塊保護成本。保護成本計算表達式為：

c=a×p

式中,c為生境斑塊的保護成本；a為生境斑塊對應的地類面積；p為各地類單位土地面積對應的征收補償價格。

2.2.4收益測算

依據(jù)已有成果[35-37]從網(wǎng)絡結構和生境質量視角出發(fā),采用綜合指數(shù)法測算4個指標(新增廊道數(shù)、節(jié)點度、中介度及生境質量)的綜合收益：新增生境斑塊遷移廊道數(shù)量借助ArcGIS 10.2軟件實現(xiàn)；節(jié)點度和中介度指數(shù)由UCINET軟件實現(xiàn)；生境質量采用InVEST 3.4.4 中Habitat Quality模塊實現(xiàn)生境質量等級評價；經(jīng)極差標準化、等權疊加處理得到綜合收益。

表1 蘇錫常地區(qū)白鷺生境網(wǎng)絡優(yōu)化收益評價指標及其生態(tài)學意義

2.2.5情景設計

在生境網(wǎng)絡優(yōu)化中,針對稀缺的土地資源及有限的生態(tài)保護資金,最優(yōu)目標是在限定的保護成本下,最大限度的完成保護計劃,實現(xiàn)生態(tài)效益最大化[31],即更好地解決物種保護的“最大覆蓋問題”。

根據(jù)蘇州市2010年生態(tài)補償專項資金投入情況,設定區(qū)域GDP的0.01%為白鷺生境斑塊保護總成本,根據(jù)江蘇省統(tǒng)計年鑒(2010),得到蘇州總成本93百萬元,無錫總成本58百萬元,常州總成本31百萬元,蘇錫常地區(qū)總成本182百萬元。

在各斑塊保護成本與生態(tài)收益存在差異以及投入總成本限定的條件下,根據(jù)生境斑塊優(yōu)化順序選擇不同標準,形成以下4種生境網(wǎng)絡優(yōu)化情景。

情景一：最小成本累積——將新增生境斑塊按照保護成本高低逐個增設到生境網(wǎng)絡中,得到相對應的網(wǎng)絡收益提升狀況,以較小的資金或土地面積實現(xiàn)生態(tài)保護。

情景二：最大收益累積——按照生態(tài)收益大小將新增生境斑塊逐個增設到生境網(wǎng)絡中,并得到相對應的保護成本累積情況,以實現(xiàn)較大的生態(tài)效益提升。

情景三：分區(qū)視角下的生境網(wǎng)絡優(yōu)化,保護成本為2010年各市GDP的0.01%,計算新增生境斑塊單位效益成本值(單位效益成本值=成本/收益,表示單位收益所需要的成本),并按照其大小確定各市生境網(wǎng)絡優(yōu)化方案。

情景四：跨區(qū)域視角下的生境網(wǎng)絡優(yōu)化,以2010年蘇錫常三市GDP總和的0.01%為保護成本,依據(jù)新增生境斑塊單位效益成本值的大小,確定區(qū)域內(nèi)生境網(wǎng)絡優(yōu)化方案。

計算α、β、γ三個網(wǎng)絡結構指數(shù)[38-39]并采取極差標準化處理,對上述四種方案進行比較。

表2為網(wǎng)絡結構指數(shù)的生態(tài)學意義。具體計算公式如下：

α=(L-V+1)/(2V-5)

β=L/V

γ=L/[3(V-2)]

式中,L為網(wǎng)絡中的遷移廊道數(shù)量;V為網(wǎng)絡中的生境節(jié)點數(shù)量。

表2 蘇錫常白鷺生境網(wǎng)絡結構指數(shù)及其生態(tài)學意義

3 結果與分析

3.1 新增生境斑塊

圖2 蘇錫常新增生境斑塊成本-收益圖 Fig.2 Spatial layout of the newly habitat′s conservation cost and ecological benefit

新增生境地類以喬木林地等筑巢地為主,河流、湖泊、水田等覓食地較少。新增生境斑塊以蘇州為主,無錫次之,常州最少,呈現(xiàn)不均勻分布。網(wǎng)絡連通性較高但保護成本較低的生境斑塊蘇州分布較多,常州最少。

3.2 生態(tài)網(wǎng)絡收益(可能連通性)的提升

表3為新增生境斑塊所對應的新增廊道數(shù)、節(jié)點度、中介度、生境質量以及綜合收益值。2、4、6、10、13、15、16號綜合收益值較高,其中15號在常州,16號在無錫,其余均在蘇州。蘇州收益值較高的新增生境斑塊平均面積56.86 hm2,而位于無錫和常州的新增生境斑塊平均面積都小于20 hm2,因生境斑塊的保護成本與保護面積及地類有關,因此相同收益值下,無錫和常州的單位效益成本值就較低。在新增廊道方面,蘇州新增生境斑塊廊道較高,無錫和常州較低。

表3 新增生境斑塊的地類、所屬地區(qū)、成本及收益

3.3 不同情境下成本與收益對比

情景一：圖3為最小成本累積情景下的保護成本與收益提升情況。根據(jù)保護成本高低確定生境斑塊優(yōu)化順序,在總成本182百萬元限定下,生境斑塊優(yōu)化順序為29、35、32、15、30、18、23、33、16、17、21、26、10、24、4、6、9、8、31、34、22、25、12、11、7、14、28號。

圖3 最小累計成本情景下的保護成本與收益提升曲線Fig.3 Curves of conservation cost and improved benefit based on minimum cumulative cost

情景二：圖4為最大收益累積下保護成本與收益提升情況。根據(jù)收益提升值大小確定生境斑塊優(yōu)化順序,在總成本182百萬元限定下,生境斑塊優(yōu)化順序為10、6、2、13、4、15、16、1、28、17、8號。

圖4 最大收益累計情景下的保護成本與收益提升曲線Fig.4 Curves of conservation cost and improved benefit based on maximum benefit accumulation

情景三：圖5為分區(qū)視角下的生境網(wǎng)絡優(yōu)化。分別在區(qū)域內(nèi)GDP的0.01%限定下,依據(jù)單位效益成本值大小確定各區(qū)域內(nèi)生境斑塊優(yōu)化順序。蘇州境內(nèi)生境斑塊優(yōu)化順序為10、4、6、23、21、26、8、9、22、7、28號；無錫生境斑塊優(yōu)化順序為29、16、30、33、17、32、24、34、25、31號；由于常州新增生境斑塊較少,且保護成本較低,因此境內(nèi)新增生境斑塊都得到優(yōu)化(15、35、18號)。

圖5 蘇錫常三市生境斑塊優(yōu)化成本與收益情況Fig.5 Curves of cost and benefit of newly added habitats optimization in study area

情景四：圖6為跨區(qū)域視角下的生境網(wǎng)絡優(yōu)化。在總成本182百萬元限定下,依據(jù)單位效益成本值大小在蘇錫常地區(qū)內(nèi)確定生境斑塊優(yōu)化順序。生境斑塊優(yōu)化順序為15、10、35、29、4、16、30、6、33、18、17、23、32、24、21、26、8、9、34、22、25、7、31、14、28、11、12號。

圖6 跨區(qū)域生境斑塊優(yōu)化成本與收益情況Fig.6 Curves of cost and benefit of newly added habitats optimization in Su-Xi-Chang area

基于以上結果,分別計算各情景下總成本、節(jié)點數(shù),廊道數(shù)、α指數(shù)、β指數(shù)及γ指數(shù)變化情況(表4)。由于網(wǎng)絡結構指數(shù)變化較小,因此對其進行極差標準化處理(表5)。

表4 不同情境下網(wǎng)絡結構指數(shù)變化

表5 不同情景下網(wǎng)絡結構指數(shù)標準化

通過網(wǎng)絡指數(shù)對比得出,以上4種優(yōu)化方案在網(wǎng)絡連通性方面都有所提升,其中方案四為最佳方案：(1)方案四是依據(jù)單位效益成本值升序對生境斑塊優(yōu)化排序；當區(qū)域內(nèi)生境斑塊差異明顯且給定的保護成本較低時,方案四優(yōu)于方案一。(2)方案二是依據(jù)生態(tài)效益提升值降序排序的,忽略了對保護成本影響的考量。(3)方案四與方案三相比,增加了11和12號2個斑塊,是由常州剩余保護成本轉移所致,網(wǎng)絡結構指數(shù)α、β、γ值分別提升了13.17%、12.97%、13.76%?？鐓^(qū)域生境優(yōu)化形成的效果與分區(qū)優(yōu)化效果相比,沒有達到預期的顯著性,主要是因為蘇州生境斑塊面積大且單位面積保護成本高,當保護成本出現(xiàn)轉移時,雖然會引起斑塊優(yōu)化次序產(chǎn)生變化,但無法導致優(yōu)化生境斑塊的置換。換言之,文中的剩余保護成本轉移體量偏小,無法對蘇州生境斑塊產(chǎn)生顯著置換。因此,在保護總成本限定的情況下,方案四更好地實現(xiàn)了物種保護的“最大覆蓋問題”。

4 結論與討論

本文研究結果表明：(1)從蘇錫常三市生境節(jié)點的成本-收益散點圖可以看出,生境質量較高且成本較低的斑塊分布以蘇州最多,無錫次之,常州最少,呈現(xiàn)不均勻狀況。(2)在保護成本為區(qū)域GDP的0.01%限定下,跨區(qū)域生境網(wǎng)絡優(yōu)化與分區(qū)生境網(wǎng)絡優(yōu)化相比,網(wǎng)絡結構指數(shù)α、β、γ值分別提升了13.17%、12.97%、13.76%。即在等量保護成本的情況下,生境網(wǎng)絡連通性在跨區(qū)域視角下得到了提升。與其他跨區(qū)域生態(tài)保護研究結果相比[17-18],研究對象沒有涉及到保護區(qū)內(nèi)全部生境斑塊,僅考慮了新增生境斑塊；保護物種沒有考慮到區(qū)域內(nèi)大多數(shù)物種,僅考察了一種目標物種；保護成本只涉及新增生境斑塊取得成本,沒有考慮到生境斑塊的管理、損害補償、交易及機會成本等,影響到生態(tài)效益提升的顯著性。

本文在稀缺土地資源及有限生態(tài)保護資金情況下,通過跨區(qū)域生境網(wǎng)絡優(yōu)化,討論了解決物種保護的“最大覆蓋問題”,即在給定相同成本下,以較少土地面積達到最大保護目標。需要注意,當跨區(qū)域合作出現(xiàn)“搭便車效應”時,容易出現(xiàn)地區(qū)保護資金或保護區(qū)域面積減少的窘境[38]。另外,地區(qū)參與對保護成效很重要[39-40]。某些情況下,大規(guī)模自上而下或集中決策會在當?shù)厝后w或個體中產(chǎn)生對抗和冷漠，例如人們更希望在本區(qū)域保留當?shù)匚锓N,而不樂意本地區(qū)的瀕危物種在其他地區(qū)受到保護乃至繁衍[40]。

跨區(qū)域生境網(wǎng)絡優(yōu)化屬于跨區(qū)域生態(tài)保護的一個方面,但目前跨區(qū)域生態(tài)保護研究主要集中在水資源及大氣治理[41-42],涉及到生物多樣性保護的相關研究還很少,且現(xiàn)行生態(tài)保護措施由于缺乏頂層設計、統(tǒng)一規(guī)劃及實行歸屬地管理原則等原因,導致生態(tài)保護地建設和管理發(fā)展過程中長期存在著一些突出問題[43]。此外,還可以在更大尺度上建立跨區(qū)域協(xié)同生物多樣性保護機制[23, 44-45],如從國家層面推動京津冀、長三角、珠三角等不同行政區(qū)間合作,通過利益驅動機制、激勵機制和協(xié)調機制,協(xié)調地區(qū)間生態(tài)保護成本與利益共享,實現(xiàn)生態(tài)保護的最終目的,既符合國家公園體制改革要求,又推動了生態(tài)文明建設在社會發(fā)展進程中的貫徹實施。

推動跨行政區(qū)生態(tài)治理合作,需要進一步優(yōu)化既有動力機制,形成關聯(lián)互動的利益關系網(wǎng)絡。除涉及到多個行政單位、資金以及土地供給外,根據(jù)國外成功經(jīng)驗,還需要在法律法規(guī)制定、跨區(qū)域管理機構建立、治理標準制定以及管理機構運作模式等方面予以充足準備[46-47],上述問題如能得到較好解決,將推動跨區(qū)域生態(tài)治理與保護走向常態(tài)化,形成區(qū)域生態(tài)治理與保護及可持續(xù)化發(fā)展的長效機制。