穆泳林,梁 晨,李曉文,*,白軍紅,崔保山,智烈慧,梁芳源,李 鵬,程維金,肖之炎

1 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100875

2 北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,北京 100085

3 武漢市濕地保護中心, 武漢 430023

濕地作為全球三大生態(tài)系統(tǒng)之一,其獨特的生態(tài)功能在維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡和可持續(xù)發(fā)展方面具有不可替代的作用[1- 2]。然而,近30年來社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的持續(xù)推進,對濕地資源的高強度開發(fā)利用導(dǎo)致了濕地生態(tài)系統(tǒng)的嚴重退化,濕地生態(tài)系統(tǒng)受到了嚴重的威脅和破壞[3- 5]。建立濕地保護區(qū)是對濕地進行保護的最為普遍和有效的方法之一[6- 8],截止2017年,中國已經(jīng)建立了602個濕地自然保護區(qū)[9],至2019年濕地保護率達到52.19%[10]。然而,在保護區(qū)建設(shè)的初期階段,保護目標主要聚焦在搶救性保護,而對部分保護區(qū)的選址并沒有進行系統(tǒng)科學(xué)的規(guī)劃,這就導(dǎo)致了當(dāng)前的保護區(qū)體系中多個保護區(qū)的保護目標重疊、保護區(qū)選址受人為干擾較大、多種濕地及濕地生物仍處于保護空缺中等問題的存在[11-14]。如何科學(xué)并合理的構(gòu)建區(qū)域濕地自然保護區(qū)網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前研究的重要問題之一[15- 17]。

針對傳統(tǒng)保護區(qū)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的不足,Margules等[18]提出了系統(tǒng)保護規(guī)劃(Systematic Conservation Planning,SCP)的概念,強調(diào)高效的利用有限的資源對具有代表性和持續(xù)性的區(qū)域進行保護。系統(tǒng)保護規(guī)劃理論有兩個關(guān)鍵原則,互補性和不可替代性,其中互補性旨在選擇新的保護區(qū)時其所代表的生物多樣性與當(dāng)前保護區(qū)互補,不可替代性是指某片區(qū)域的缺失會在多大程度上損害整個區(qū)域的保護目標[19]。該理論還提出保護規(guī)劃不僅應(yīng)當(dāng)考慮自然性質(zhì)和生物學(xué)范式,保護區(qū)的大小、連通性、邊界長度以及建立保護區(qū)所需的社會和經(jīng)濟成本也應(yīng)當(dāng)考慮進來[20]。近年來,系統(tǒng)保護規(guī)劃已漸漸成為生物多樣性保護的主流方法之一,并在許多地方取得了不錯的成效[21-24]。一些學(xué)者也開始將其理論和方法應(yīng)用到淡水生態(tài)系統(tǒng)的保護規(guī)劃中,綜合考慮流域單元的連接性和生態(tài)過程,依據(jù)不同單元類型的生境、生物多樣性、生態(tài)功能等對整片流域進行保護規(guī)劃[25-28]。

海河流域是我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重心之一,濕地類型多樣,生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值巨大。以京津唐為主的城市群城市化發(fā)展非常迅猛,道路密度、人口密度為全國最高的區(qū)域之一。該區(qū)域還是全國重要的石油化工、鹽化工基地和鋼鐵基地,綜合港口和煤炭運輸港口,以及密集的交通和物流中心,區(qū)域經(jīng)濟密度、海岸線利用率、建設(shè)用地擴展速度等居全國前列且不斷增長,是典型的高強度開發(fā)區(qū)域,區(qū)域開發(fā)與資源環(huán)境保護矛盾非常突出[29-30]。持續(xù)高強度的開發(fā)建設(shè),使區(qū)域內(nèi)濕地遭受城市化、農(nóng)業(yè)與油田開發(fā)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、道路與水利工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的影響,表現(xiàn)為自然濕地被侵占、割裂,濱海濕地性質(zhì)發(fā)生改變,濕地退化過程不斷加劇,區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力以及生態(tài)安全受到威脅[31]。故此,本研究以海河流域作為研究對象,運用系統(tǒng)保護規(guī)劃的理論方法,識別海河流域的保護優(yōu)先格局及空缺,構(gòu)建海河流域濕地保護網(wǎng)絡(luò),以期為海河流域濕地保護及濕地生物多樣性保護提供改進建議和科學(xué)依據(jù),并對國內(nèi)其他流域的保護規(guī)劃提供一定的借鑒價值。

1 研究地區(qū)概況

海河流域地理坐標位于112°—120°E,35°—43°N之間,包括北京市和天津市的全部,河北省的大部分,山東省、河南省的北部以及內(nèi)蒙古自治區(qū)和遼寧省的小部分區(qū)域,是我國北方政治、經(jīng)濟和文化的重心所在(圖1)。全流域總的地勢是西北高東南低,大致分高原、山地及平原3種地貌類型,西部為山西高原和太行山區(qū),北部為蒙古高原和燕山山區(qū)。海河流域?qū)儆诎霛駶櫚敫珊档臏貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū),流域總面積為318277.46 km2,包括海河、灤河和徒駭馬頰河三大水系、七大河系、10條骨干河流。海河流域濕地面積2366.41 km2,占流域總面積的0.74%,濕地類型多樣,所具有的水量條件、水質(zhì)凈化、氣候調(diào)節(jié)和生物棲息地等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能顯著[32]。然而,由于近幾十年來高強度水利工程的建設(shè)、地下水超采及污水排放和上游山地煤炭開采活動等,導(dǎo)致全流域濕地退化萎縮趨勢越來越顯著,大部分河流濕地處于“有河皆干有水皆污”的困境,目前海河流域諸河下游只有灤河水系常年有水。近年,南水北調(diào)一期工程的通水竣工,為海河流域濕地恢復(fù)和濕地生態(tài)建設(shè)創(chuàng)造了新的機遇。

圖1 海河流域行政單元分布圖

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究所采用的數(shù)據(jù)包括：90 m空間分辨率DEM數(shù)據(jù),全國水資源分區(qū)圖,國家級濕地保護區(qū)分布(截止2010年),全國濕地類型分布(2008年),1:3200萬中國地貌分類數(shù)據(jù)(2002年),1∶400萬中國氣候帶分布數(shù)據(jù)(2002年),1∶25萬數(shù)字水系圖(截止2008年),海河流域鳥類分布數(shù)據(jù),空間社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)(包括公路、鐵路、水壩、居民點和城鎮(zhèn)分布以及全國縣域行政單元分布等)。其中DEM數(shù)據(jù)為美國太空總署和國防部國家測繪局(NIMA)聯(lián)合測量的SRTM_DEM數(shù)據(jù)；全國水資源分區(qū)圖來源于水利部水電規(guī)劃設(shè)計總院；全國濕地類型數(shù)據(jù)為中科院遙感科學(xué)國家重點實驗室提供的全國濕地遙感分類數(shù)據(jù)；氣候帶分布和地貌數(shù)據(jù)分別取自中科院資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫(http://www.igsnrr.ac.cn)和《中國人民共和國氣候圖集》[34]；鳥類分布數(shù)據(jù)則依據(jù)IUCN瀕危等級,從中國鳥類觀測中心網(wǎng)站(http://www.birdreport.cn/),共選取124種中國重要水鳥作為本研究的物種保護目標；數(shù)字水系圖和空間社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)均來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn)。

2.2 研究方法

研究考慮濕地生態(tài)系統(tǒng)的連接性,以集水區(qū)作為保護規(guī)劃單元,以氣候-地貌-濕地生態(tài)地理單元及水鳥分布作為保護對象,運用系統(tǒng)保護規(guī)劃模型Marxan,對海河流域保護優(yōu)先格局構(gòu)建及保護空缺識別。Marxan模型要求在進行保護規(guī)劃時將區(qū)域劃分為多個基本單元,每個單元擁有一定數(shù)量的生物多樣性特征及保護該單元所需要的成本值,模型通過模擬退火算法、反復(fù)迭代,直至選出能夠滿足目標數(shù)量且成本最低的基本單元的集合。

2.2.1確定規(guī)劃單元

依據(jù)海河區(qū)域DEM及基本水系,采用美國德克賽斯州立大學(xué)奧斯汀分校水資源研究所聯(lián)合美國環(huán)境研究所開發(fā)的ArcHydro工具建立的集水區(qū)單元作為規(guī)劃單元,研究選取河源密度和河網(wǎng)密度參數(shù)來來確定合理的集水面積閾值,通過敏感性分析,最終確定設(shè)置200 km2作為流域集水區(qū)的平均面積。

2.2.2保護對象的選取

研究的保護對象共分為兩個層次,生態(tài)系統(tǒng)層次和物種層次(圖2)。生態(tài)系統(tǒng)層次是根據(jù)全國濕地遙感分類數(shù)據(jù),綜合考慮氣候類型、地貌單元等決定區(qū)域濕地生態(tài)水文過程的關(guān)鍵因子,構(gòu)建氣候-地貌-濕地生態(tài)地理綜合分類方案。海河流域氣候區(qū)分類共兩種：包括暖溫帶濕潤及半濕潤區(qū)和中溫帶干旱及半干旱區(qū)；地形分類共4種,包括高原、平原、丘陵和山地；濕地分類4種：濱海濕地、河流濕地、湖泊濕地和沼澤濕地,最終確定海河流域該分類方案下的氣候-地貌-濕地類型共24種(表1),研究將每種類型作為生態(tài)系統(tǒng)水平的保護對象；由于魚類、兩棲類等生物分布數(shù)據(jù)缺乏,研究將水鳥這一濕地生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的重要指示物種作為海河流域物種層次保護目標。

圖2 海河流域濕地及水鳥分布圖

表1 海河流域生態(tài)地理綜合分類類型

2.2.3保護成本分析

由于保護成本難以直接度量,參照相關(guān)研究,選取了公路、鐵路、城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點和水壩和保護區(qū)構(gòu)建人為干擾指數(shù),作為計算集水單元保護成本的間接因子[22,35]。將各因子進行0—1標準化,并乘以權(quán)重系數(shù)并加和,即得每個集水區(qū)的保護成本指數(shù),計算公式如下：

(1)

C′=C(1-0.5R)

(2)

式中,Vi為每個集水區(qū)內(nèi)因子i的度量值；Wi為因子i的權(quán)重(表2)；j為每個集水區(qū)內(nèi)因子的個數(shù)；C為集水區(qū)調(diào)整前的保護成本指數(shù)；C′為集水區(qū)經(jīng)過保護調(diào)整后的成本指數(shù)；R為集水區(qū)內(nèi)保護區(qū)與該集水區(qū)的面積比。

表2 各影響因子的度量和權(quán)重

2.2.4保護優(yōu)先格局及保護空缺識別

研究利用空間優(yōu)化模型Marxan計算海河流域濕地保護優(yōu)先格局,該模型基于模擬退火算法,可以高效的對區(qū)域內(nèi)有限的保護資源進行合理配置,從保護目標和保護成本兩方面出發(fā),計算出能夠最大程度代表保護目標且保護成本最低的規(guī)劃單元的集合。參考CBD(Convention on Biological Diversity)對國際生物多樣性保護目標設(shè)置的20%基準線及當(dāng)前多數(shù)系統(tǒng)保護規(guī)劃研究,本研究選取30%作為海河流域生態(tài)系統(tǒng)層次和物種層次的保護目標。

另外,通過Marxan邊緣長度調(diào)節(jié)模塊(Boundary Length Modifer, BLM)來調(diào)節(jié)格局優(yōu)化過程中保護格局的連接度和聚集度。一般認為連接度高、聚集度高的格局更有生物多樣性的維持以及相對集中的保護格局也有利于濕地保護保護工作的實施和管理,但過于集中連片的保護區(qū)域會導(dǎo)致保護所需土地資源代價增加,為了權(quán)衡保護格局聚集度和保護代價,采用敏感性分析得到合理的BLM值。最后,通過對比優(yōu)先保護格局的模擬結(jié)果與現(xiàn)有保護區(qū)分布格局,識別具有不可替代性保護價值且游離于現(xiàn)有保護體系之外的集水單元,即為保護空缺。

3 結(jié)果與分析

3.1 海河地區(qū)濕地保護現(xiàn)狀評估

基于遙感分析,海河流域現(xiàn)狀濕地面積為2366.41 km2,所屬濱海、河流、湖泊和沼澤四種主要濕地類型的面積和所占比例分別為：486.56 km2(20.56%)、570.94 km2(24.13%)、380.98 km2(39.21%)及927.93 km2(16.10%)(圖3)。

圖3 海河流域各類型濕地現(xiàn)狀及保護比例

海河地區(qū)保護區(qū)面積共3152.42 km2,保護區(qū)內(nèi)濕地面積192.39 km2,濕地保護率為8.13%。其中僅濱海濕地受保護比例較高,約為13.03%；優(yōu)化后的濱海濕地保護空缺面積為258.94 km2,保護比例提升53.14%。分布面積最廣的為沼澤濕地,但其受保護比例僅有2.72%,經(jīng)系統(tǒng)保護優(yōu)化后保護比例可提升至36.35%。此外,納入保護范圍的河流濕地及湖泊濕地也很少,河流濕地受保護的面積和比例均很低,經(jīng)優(yōu)化提升后的保護比例達到28.55%,優(yōu)先保護面積達36.55 km2(圖4)。總體來看,經(jīng)過系統(tǒng)保護規(guī)劃后的優(yōu)化保護格局(保護比例為37.29%)可大幅扭轉(zhuǎn)海河流域的濕地保護比例總體嚴重偏低(受保護面積比例僅3.8%)的嚴峻形勢,特別是可以極大強化對河流濕地的保護力度。各生態(tài)地理單元水平的濕地保護現(xiàn)狀及優(yōu)化保護保護面積詳見表3。選取的124種水鳥中,當(dāng)前保護現(xiàn)狀中僅有3種被納入保護體系,經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后可提升至67種水鳥。

表3 海河流域生態(tài)地理單元水平濕地保護及優(yōu)化面積

圖4 海河流域各類型濕地保護現(xiàn)狀及優(yōu)先保護對比

3.2 海河流域各子流域濕地保護優(yōu)先格局空缺分析

為更明晰的對海河流域濕地保護格局進行分析,以流域單元為參照,對比現(xiàn)有國家級濕地保護區(qū)與優(yōu)先保護格局,識別確定了海河流域及不同流域區(qū)段的濕地保護空缺(圖5)。結(jié)果表明：灤河上游及河源區(qū)流域濕地保護空缺主要集中分布在河北承德市與內(nèi)蒙錫林郭勒盟交接處,且主要位于灤河上游國家級濕地自然保護區(qū)周邊地帶,主要保護的濕地類型為湖泊、沼澤濕地；灤河平原及冀東沿海河流域濕地保護空缺則主要集中在河北唐山與秦皇島交界處,且主要為大面積河流濕地；北三河(薊運河、潮白河、北運河)上游河源區(qū)保護空缺主要為張家口東北部山地湖泊濕地和北京北部山地河流濕地；永定河上游流域的主要保護空缺集中在河北、內(nèi)蒙和山西三省交界處的大面積河流與湖泊濕地群,此外亦有面積相對較小的沼澤、湖泊濕地保護空缺位于張家口蔚縣和懷來縣等；北四河(薊運河、潮白河、北運河、永定河)下游平原區(qū)域主要濕地保護空缺則分布在北京市海淀、順義區(qū)以及天津市寧河縣東部；大清河上游河源區(qū)主要保護空缺則主要分布在北京市房山區(qū)、保定市中部及南部區(qū)域；大清河淀西平原保護空缺重點集中于保定市雄縣、安新縣及容城縣的白洋淀區(qū)域；大清河淀東平原保護空缺主要為廊坊市東南側(cè)的濱海濕地群；子牙河上游河源區(qū)保護空缺分別集中于石家莊平山縣及武安市,主要保護的濕地類型分別為湖泊濕地與河流濕地；徒駭馬頰河水系目前已有濱州海安濕地自然保護區(qū)及黃河三角洲自然保護區(qū),其保護空缺主要位于兩處濕地保護區(qū)外圍區(qū)域。

圖5 海河流域濕地優(yōu)先保護格局

4 討論

4.1 海河流域保護格局優(yōu)化建議

總體而言,海河流域保護空缺十分顯著,僅徒駭馬頰河水系目前得到較好的保護,現(xiàn)有保護體系覆蓋了其大部分優(yōu)先保護濕地,其余流域的優(yōu)先格局基本等同于保護空缺,考慮到未來以雄安新區(qū)建設(shè)為龍頭的京津冀一體化發(fā)展,對海河流域濕地進行搶救性保護,構(gòu)建京津冀一體化水生態(tài)安全格局,維護修復(fù)提升京津冀區(qū)域重要濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能已迫在眉睫。在分析海河流域濕地格局優(yōu)化模擬結(jié)果基礎(chǔ)上,針對海河流域濕地保護優(yōu)化格局的關(guān)鍵區(qū)域提出如下相關(guān)建議：

(1)灤河及冀東沿海區(qū)域：該區(qū)域濕地以灤河上游河源區(qū)及其入海平原為關(guān)鍵區(qū)域,雖然該區(qū)域的人為干擾程度較低,但山地河流濕地具有生態(tài)環(huán)境的脆弱性,容易受水電站建設(shè)等人為活動干擾。針對該區(qū)域保護空缺,建議對關(guān)鍵河段設(shè)立保護小區(qū),填充保護空缺；同時,在流域尺度上實施統(tǒng)一管理和水文水資源生態(tài)調(diào)度。

(2)海河流域北部水系：該區(qū)域為京津冀一體化的核心地帶,由于該區(qū)域經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,大面積自然濕地已遭到人為活動的干擾與破壞。針對該區(qū)域濕地保護空缺,一方面應(yīng)在河北、內(nèi)蒙及山西三省交界處的河流濕地設(shè)立新的濕地自然保護區(qū)；同時,針對京津等經(jīng)濟發(fā)達、人口密集區(qū)域的濕地保護空缺,可以結(jié)合濕地自然教育和濕地休閑體驗,建立不同類型的濕地公園或濕地小區(qū),充分發(fā)揮人口密集區(qū)濕地所具有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,在保護濕地生物多樣性同時,協(xié)同推進京津冀綠色生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

(3)海河流域南部水系：該區(qū)域為京津冀一體化的生態(tài)支撐關(guān)鍵區(qū)域,分布有衡水湖和白洋淀等重要的湖泊濕地及濱海濕地等重要濕地類型,為京津冀地區(qū)提供了水資源儲備和水生態(tài)支撐等重要生態(tài)服務(wù)功能,更是未來京津冀可持續(xù)發(fā)展及北京非首都功能疏解(雄安新區(qū)的規(guī)劃建設(shè))的重要生態(tài)儲備資源。因此,在該區(qū)域應(yīng)主要圍繞這些重要濕地,依據(jù)保護空缺分布,適度擴大原有保護區(qū)面積,升級原有濕地保護級別(如將白洋淀省級濕地自然保護區(qū)提升至國家級然保護區(qū)或調(diào)整建立國家濕地公園等),提升該區(qū)域濕地保護管理水平。

(4)徒駭馬頰河水系：該區(qū)域的保護空缺主要為濱州所屬濱海濕地及黃河三角洲北部邊緣部分區(qū)域,由于該區(qū)域已建立了國家級濕地保護區(qū),濕地保護比例較高,因此其主要任務(wù)是在現(xiàn)有保護體系的基礎(chǔ)上適度擴建保護區(qū)范圍,調(diào)整保護區(qū)邊界,使其更加契合濕地保護優(yōu)先格局和保護空缺,以進一步提高濕地保護的有效性。同時,應(yīng)開展針對性的濱海濕地修復(fù)工作,構(gòu)建濕地保護-修復(fù)一體化優(yōu)化格局,以緩解圍填海和海平面上升導(dǎo)致對濱海濕地的雙重擠壓脅迫效應(yīng)。

4.2 展望

(1)建立高分辨率氣候-地貌-濕地生態(tài)地理分類單元：濕地生物數(shù)據(jù)難以獲取是保護規(guī)劃的難點之一,本研究通過建立氣候-地貌-濕地生態(tài)地理單分類體系,強調(diào)不同類型氣候、地貌、濕地共同作用下對濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能差異性的塑造,用不同的分類單元作為濕地生物多樣性的表征。然而,基于氣候-地貌-濕地的分類體系是一種尺度較大的分類體系,此體系下的分類單元對常見物種具有良好的指示性,卻并不能夠很好的代表稀有物種和地方性物種[36-37]。在未來研究中,可考慮建立更精細尺度的氣候-地貌-濕地分類單元,并將魚類、兩棲類等濕地動物與此分類單元建立聯(lián)系[38-39],從而使得濕地系統(tǒng)保護規(guī)劃的結(jié)果更具完備性和科學(xué)性。

(2)重視濕地生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)的連通性：水文連通性是濕地生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)保護規(guī)劃的研究熱點之一,即將濕地生態(tài)系統(tǒng)的上下游之間(縱向連通性)、河流與湖泊、河岸之間(橫向連通性)、地上水與地下水之間(垂向連通性)考慮到系統(tǒng)保護規(guī)劃中來。然而,越來越多研究開始意識到濕地生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間生態(tài)過程及社會經(jīng)濟過程的重要性[40-41],忽視物種、污染物等在不同生態(tài)系統(tǒng)之間移動、擴散都會對生物多樣性保護造成負面影響,導(dǎo)致保護出現(xiàn)偏差。因此,為了更加高效的對濕地生態(tài)系統(tǒng)進行系統(tǒng)保護規(guī)劃,還應(yīng)考慮陸地生態(tài)系統(tǒng)對其的影響,定性或定量的表征兩者之間連通性的強弱。