傅微, 甄廣潤

基于生物多樣性的樟江流域自然保護(hù)地空間優(yōu)化

傅微,*, 甄廣潤

北京建筑大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 北京 100044

優(yōu)化生態(tài)保護(hù)空間格局是我國生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容, 也是國際保護(hù)生態(tài)學(xué)研究的前沿方向。評估資源稟賦、識別并確定優(yōu)先次序和預(yù)測保護(hù)區(qū)對保護(hù)和管理瀕危物種至關(guān)重要。樟江流域內(nèi)已占11.9%流域面積的保護(hù)區(qū)仍出現(xiàn)77.9%流域面積的生境顯著退化, 發(fā)展與保護(hù)亟待合理平衡。Zonation4GUI軟件以互補(bǔ)性非窮盡式算法為基礎(chǔ), 在優(yōu)化已有保護(hù)網(wǎng)絡(luò)并表征稀有性和獨(dú)特性方面結(jié)果較為理想, 以此展開樟江流域自然保護(hù)地空間整合優(yōu)化路徑研究。先人工預(yù)處理物種棲息地分布格局、物種保護(hù)權(quán)重、規(guī)劃單元, 并迭代選擇輸入性生境退化條件圖層、保護(hù)代價(jià)圖層, 結(jié)合人工干擾情況提出三種不同情景下的優(yōu)化方案。結(jié)果表明: 保護(hù)優(yōu)先區(qū)對代理物種棲息地有良好的覆蓋效果, 生態(tài)完整性優(yōu)先情景和最小社會經(jīng)濟(jì)和土地資源代價(jià)的保護(hù)優(yōu)化情景均呈現(xiàn)擴(kuò)建小于8%的一級優(yōu)先區(qū)域, 所有保護(hù)對象均受到保護(hù); 加入27%左右的所有優(yōu)先區(qū)域, 兩種優(yōu)化方案覆蓋所有保護(hù)對象棲息地的比例提升70.0%和59.0%。雖然生態(tài)完整性優(yōu)先的優(yōu)化情景優(yōu)于最小社會經(jīng)濟(jì)和土地資源代價(jià)下的優(yōu)化情景, 但保護(hù)代價(jià)更高。人為干擾強(qiáng)烈的搶救優(yōu)先的優(yōu)化情景中, 90.7%的保護(hù)對象棲息地覆蓋范圍有明顯提升。從技術(shù)和操作層面, 為重構(gòu)中國自然保護(hù)地體系整合優(yōu)化方案提供路徑和方法。

系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃; 保護(hù)空缺; 喀斯特地區(qū); 流域整體保護(hù); 保護(hù)目標(biāo)

0 前言

生物多樣性為人類的福祉和長期生存提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和商品, 保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性, 維持生態(tài)平衡[1-2], 是全球生態(tài)系統(tǒng)的不可分割的要素。生物多樣性在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)和旅游業(yè)等推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。人口和人均消費(fèi)的持續(xù)增長導(dǎo)致了不可持續(xù)的開發(fā)利用生物多樣性, 物種的過度開發(fā)、外來入侵物種的擴(kuò)張、氣候變化、森林退化和獨(dú)特棲息地的破壞等驅(qū)動力嚴(yán)重影響生物多樣性[3]。隨著生物多樣性喪失危機(jī)的不斷加劇, 保護(hù)生物多樣性的意識和政策機(jī)制正在區(qū)域、國家和國際層面增強(qiáng)[4], 旨在最小化物種退化和生境破壞。為了增加保護(hù)工作的可行性, 并考慮到世界上大多數(shù)地區(qū)的生物多樣性清單都不完整, 通常使用物種多樣性代理確定支持多個物種和棲息地的保護(hù)區(qū)系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃[5-6]。在過去的三十年里, 許多研究采用多樣性格局代理(如物種豐富度)作為最小覆蓋集合表征研究區(qū)內(nèi)幾乎所有的物種[7], 選址潛在的自然保護(hù)區(qū)。根據(jù)物種豐富度選擇保護(hù)地是最傳統(tǒng)的方法之一(案例可見[8-9])。然而, 當(dāng)保護(hù)規(guī)劃的目標(biāo)旨在優(yōu)化已有保護(hù)網(wǎng)絡(luò)并表征關(guān)鍵區(qū)域的最大物種數(shù)量時(shí), 基于物種豐富度并非保護(hù)優(yōu)先級篩選的良好指標(biāo), 因其無法反映互補(bǔ)性(Complementarity), 即一種基于場地的保護(hù)價(jià)值衡量方法, 確保被選擇納入保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)的地點(diǎn)補(bǔ)充已有保護(hù)空間; 同時(shí)無法說明特有性和稀缺性, 從而出現(xiàn)受保護(hù)物種的數(shù)量減少現(xiàn)象[10]。互補(bǔ)算法可解釋物種稀有性, 選擇的地點(diǎn)是相互補(bǔ)充的, 每個地點(diǎn)不一定是物種最豐富的, 但每個地點(diǎn)在物種組成上都不同, 可產(chǎn)生一種包含所有物種的地點(diǎn)的解決方案, 在有限的范圍內(nèi)給予所有物種更高的優(yōu)先權(quán)[11]。

樟江流域呈扇形展布, 地跨貴州省黔南布依族苗族自治州荔波、三都縣, 屬于珠江流域。主河道樟江發(fā)源于貴州省荔波縣佳榮鄉(xiāng)月亮山, 由東北向西南流, 流域面積1673.9 km2。樟江流域是中國生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)之一, 景觀類型發(fā)育具有典型性、稀有性、脆弱性以及多樣性, 表現(xiàn)在世界范圍內(nèi)喀斯特地貌上保存完好的區(qū)域, 是長江、珠江上游重要的生態(tài)屏障。其豐富的、獨(dú)特的生物多樣性為流域上游、下游提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和商品, 但由于其脆弱性和資源密集性, 易受到包括過度開發(fā)在內(nèi)的各種驅(qū)動力變化因素的影響。雖然已建立了5個自然保護(hù)地, 但這些保護(hù)地提供的保護(hù)并不總是有效的[12]。土地開發(fā)和環(huán)境變化導(dǎo)致棲息地生境減少, 可能影響物種的分布, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生物多樣性保護(hù)的競爭需求也存在著激烈矛盾沖突[13]。

在此背景下, 以樟江流域?yàn)檠芯繀^(qū)域旨在關(guān)注并回答以下問題: 近20年已有自然保護(hù)地的保護(hù)效益是否足夠？人類開發(fā)利用的干擾程度及與之帶來的生境退化趨勢如何？采用互補(bǔ)算法最大化保證瀕危物種數(shù)量和最優(yōu)化補(bǔ)充保護(hù)空間; 篩選考慮不同保護(hù)策略的保護(hù)空缺格局和保護(hù)效果。

1 整合優(yōu)化路徑與方法

1.1 自然稟賦研究

1.1.1 對象選擇

依據(jù)外業(yè)調(diào)查、專家知識, 選取研究區(qū)內(nèi)重點(diǎn)保護(hù)對象54種, 其中植物38種, 動物16種, 如表1所示。植物物種相關(guān)信息及分布來自中國科學(xué)院植物研究所中國珍稀瀕危植物信息系統(tǒng)(http:// www.iplant.cn/rep/), 動物物種相關(guān)信息及分布來源自中國動物主題庫(http://www.zoology.csdb.cn/), 并于2017年9月至2018年1月和2018年12月開展外業(yè)工作予以核實(shí)。

表1 重點(diǎn)保護(hù)物種列表

1.1.2 空間分布

空間分布采用統(tǒng)計(jì)物種分布模型(Statistical Species Distribution Models), 該模型結(jié)合了物種名錄、自然生態(tài)系統(tǒng)與資源環(huán)境數(shù)據(jù), 提供棲息地適宜性的連續(xù)圖層預(yù)測[14]。首先查找物種分布范圍, 再依據(jù)棲息地類型對分布范圍進(jìn)行修正: 植物物種的棲息地類型通過海拔高程、土壤類型、植物類型制圖疊加生成; 動物物種棲息地類型則通過植被類型、海拔高程及土地利用類型制圖疊加獲取, 并在ArcGIS支持下疊加生成物種適宜空間分布圖。此外, 提取每種保護(hù)對象的適宜棲息地面積, 作為保護(hù)目標(biāo)分析指標(biāo)。植被類型分布來源于《1:1 000 000 中國植被圖集》矢量化數(shù)據(jù); 土壤類型空間分布數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:// www.resdc.cn); 數(shù)字高程模型SRTM_DEM數(shù)據(jù)(30 m分辨率), 來源于http://srtm.csi.cgiar.org/。

1.1.3 保護(hù)資源權(quán)重

依據(jù)自然保護(hù)地中典型性、稀有性、自然性、多樣性、科學(xué)價(jià)值、美學(xué)價(jià)值(觀賞價(jià)值)、社會和經(jīng)濟(jì)價(jià)值等指標(biāo), 整合保護(hù)對象權(quán)重。如公式(1)所示, 選用國家保護(hù)等級、地方特有性、物種瀕危程度、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和潛在棲息地面積五個指數(shù)制定權(quán)重方案。

=(endangered+protection+endemic+economic+area)/5 (1)

式(1)中是物種的保護(hù)權(quán)重;endangered按物種的瀕危程度打分;protection按國家保護(hù)等級,endemic特有性打分;economic按照植物的經(jīng)濟(jì)用途打分, 很多植物具有藥用、色素、野菜、觀賞、油脂、纖維、蜜源、香料、野果等經(jīng)濟(jì)價(jià)值。area按物種潛在棲息地面積打分, 最高分5分。動物不考慮經(jīng)濟(jì)價(jià)值, 去掉economic后四項(xiàng)取平均值[15]。

1.1.4 規(guī)劃單元

為突出流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性以及流域上下游之間的連續(xù)性, 規(guī)劃單元采用ArcGIS Hydrology工具構(gòu)建1421個集水區(qū), 因?yàn)榧畢^(qū)單元具有更大的自然相似性, 符合物種的自然分布特征, 可維持保護(hù)對象生境和地貌單元的完整性。

1.2 保護(hù)現(xiàn)狀梳理

流域內(nèi)已有樟江國家級重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)、國家級茂蘭喀斯特森林自然保護(hù)區(qū)和3個縣級自然保護(hù)區(qū)(含核心區(qū)、緩沖區(qū)及實(shí)驗(yàn)區(qū)), 分布數(shù)據(jù)來源于黔南州林業(yè)局根據(jù)實(shí)地調(diào)查記錄經(jīng)緯度信息在ArcGIS10.2中空間成圖, 作為去除掩膜圖層, 為完善保護(hù)優(yōu)化格局提供基礎(chǔ)。

1.2.1 流域自然保護(hù)現(xiàn)狀條件

流域自然保護(hù)現(xiàn)狀條件采用植被凈初級生產(chǎn)力2000年–2015年年平均值趨勢變化作為指標(biāo)表征生境特征退化情況。植被凈初級生產(chǎn)力為生態(tài)系統(tǒng)在特定時(shí)期內(nèi)的生物總量, 表征生態(tài)質(zhì)量, 是評價(jià)生態(tài)系統(tǒng)功能特征的重要參量。數(shù)據(jù)基于CASA (Carnegie Ames Stanford Approach)模型計(jì)算, 采用逐像元一元線性回歸分析方法, 闡釋2000—2015年研究區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力的時(shí)間序列變化趨勢, 基于斜率和Pearson相關(guān)系數(shù)判定退化程度。此外, 結(jié)合《樟江流域綜合規(guī)劃》資料, 評估河流物理特征、水文水資源特征、水質(zhì)狀況、水生生物、社會服務(wù)功能情況, 繪制流域自然保護(hù)現(xiàn)狀景觀條件圖。生境退化條件情況中條件值可以在0和1之間變化, 值為1表示原始狀態(tài), 生境適宜性或特征發(fā)生沒有退化; 0的值表示完全退化的狀態(tài), 任何負(fù)值(丟失的數(shù)據(jù))都將被視為零。

1.2.2 人為干擾度量與保護(hù)代價(jià)成本

基于生物多樣性的保護(hù)優(yōu)化格局完整性的實(shí)現(xiàn)受制于人類活動空間的干擾, 為維護(hù)完整性而改變?nèi)藶楦蓴_空間所需保護(hù)代價(jià)成本隨人為影響程度增加而增加。因此參照相關(guān)研究[16], 選取公路、鐵路、城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點(diǎn)、水壩作為計(jì)算規(guī)劃單元保護(hù)代價(jià)的因子, 將每個因子的度量標(biāo)準(zhǔn)化后, 賦予不同的權(quán)重(表2)。相加計(jì)算得到每個規(guī)劃單元的保護(hù)代價(jià)指數(shù)。將保護(hù)代價(jià)指數(shù)用保護(hù)區(qū)覆蓋面積比例進(jìn)行調(diào)整, 得到最終保護(hù)代價(jià)成本分布圖(cost layer)。道路、居民點(diǎn)數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)均來源于黔南州國土部門2017年土地利用數(shù)據(jù); 大壩分布來源于《樟江流域綜合規(guī)劃》, 計(jì)算如公式(2-3)所示。

表2 各影響因子的度量和權(quán)重

C′=C(1–0.5) (3)

式(2)中:V為每個保護(hù)單元內(nèi)因子的度量值;W為因子的權(quán)重;為每個保護(hù)單元內(nèi)因子的個數(shù); C為每個保護(hù)單元調(diào)整前的代價(jià)值; 式(3)中C′為每個保護(hù)單元經(jīng)過保護(hù)區(qū)調(diào)整后的代價(jià)值;為每個保護(hù)單元內(nèi)被保護(hù)區(qū)覆蓋的面積比。

1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

1.3.1 保護(hù)價(jià)值評估

保護(hù)價(jià)值評估基于空間保護(hù)優(yōu)先級劃分和大尺度空間保護(hù)規(guī)劃的前沿軟件Zonation4GUI, 基于互補(bǔ)的算法對單元進(jìn)行分層排序[11]。首先假設(shè)所有單元都可能是重要的, 并在每次迭代后逐步刪除最不重要的單元。通過最小化保護(hù)價(jià)值的邊際損失, 最大程度降低生物多樣性損失, 并考慮到保護(hù)對象及分布的典型性、稀有性、多樣性、高價(jià)值等特征的連通性需求和優(yōu)先級。最終保證整體連通性為焦點(diǎn)找出最能配合現(xiàn)有保護(hù)地的范圍, 即最有保護(hù)價(jià)值的地區(qū)[17]。

1.3.2 分析保護(hù)空缺

本研究區(qū)域原有自然保護(hù)地(Protected Area, 簡稱PA)占總面積的11.9%, 因此, 選取樟江流域景觀總面積的30%作為目標(biāo)優(yōu)先區(qū), 將最高保護(hù)價(jià)值區(qū)域的10%劃分為一級優(yōu)先區(qū), 10%—20%劃分為二級優(yōu)先區(qū), 20%—30%劃分為三級優(yōu)先區(qū), 最終產(chǎn)生不同級別的保護(hù)優(yōu)先格局。

1.4 優(yōu)化整合方案

分別將前述優(yōu)化路徑中保護(hù)對象空間分布圖層、物種名錄、保護(hù)權(quán)重、保護(hù)規(guī)劃單元圖層、已有自然保護(hù)地圖層、自然保護(hù)現(xiàn)狀條件圖層、流域范圍圖層代入Zonation4GUI軟件, 選擇性代入保護(hù)代價(jià)圖層作為不同保護(hù)策略情景展開分析。采用了保持格局連通性的核心區(qū)移除規(guī)則(Core Area Zonation, 簡稱CAZ) 和邊緣移除規(guī)則(Rule of Edge Removal)[18], 分層優(yōu)先逐步得到一個高連通性景觀結(jié)構(gòu)的嵌套序列。進(jìn)一步研究保護(hù)空缺區(qū)域與周邊自然保護(hù)地的關(guān)系, 將生態(tài)系統(tǒng)類型相同、主要保護(hù)對象和保護(hù)目標(biāo)一致的保護(hù)空缺區(qū)域補(bǔ)充并入周邊自然保護(hù)地, 設(shè)立新的自然保護(hù)地。

分層優(yōu)化過程中, 引入三種不同保護(hù)策略情景下的保護(hù)空間優(yōu)化方案, (1)生態(tài)完整性優(yōu)先的優(yōu)化方案, 該方案不考慮保護(hù)代價(jià)迭代, 將高保護(hù)價(jià)值規(guī)劃單元建立優(yōu)先保護(hù)格局, 最大程度降低生物多樣性損失; (2)最小的社會經(jīng)濟(jì)和土地資源代價(jià)下優(yōu)化方案, 該方案考慮保護(hù)代價(jià), 并作為成本層參與迭代分析, 平衡利益相關(guān)者和建立較為可行的保護(hù)區(qū); (3)搶救性保護(hù)的優(yōu)化方案, 選取人為干擾強(qiáng)烈的分布區(qū)疊加生態(tài)完整性高保護(hù)價(jià)值區(qū)域作為優(yōu)先保護(hù)格局。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域保護(hù)現(xiàn)狀堪憂

當(dāng)現(xiàn)狀自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)和世界遺產(chǎn)地等已有自然保護(hù)地總面積為199.1 km2的情形下, 樟江流域生態(tài)退化現(xiàn)狀如圖1所示, 生境顯著退化面積置信度超過99%的退化面積占流域總面積的46.8%, 置信度超過95%的顯著退化面積占流域總面積的67.0%, 置信度超過90%的顯著退化面積占總面積的77.9%。可見, 樟江流域近16年時(shí)間內(nèi)生態(tài)退化明顯且嚴(yán)峻, 水源涵養(yǎng)能力下降, 流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈逐年下降趨勢, 生態(tài)脆弱性加劇。根據(jù)樟江荔波水文站的資料, 生態(tài)流量干流部分退化25%, 從河流連通性、河道蜿蜒度、河道渠化程度、河岸穩(wěn)定性、河床穩(wěn)定性、河流形態(tài)指標(biāo)表明河流物理結(jié)構(gòu)干流退化了31.2%, 上游水源區(qū)退化了7.3%, 導(dǎo)致水體污染, 水量減少等現(xiàn)象。

根據(jù)適宜棲息地分布格局, 動物棲息地分布面積居高, 其中穿山甲、普通鵟、小鴉鵑、褐翅鴉鵑、小靈貓和金貓分布較廣, 輻花苣苔、中國蕨、白花兜蘭、單座苣苔、狹葉含笑等分布少, 輻花苣苔分布適宜范圍為899 m2。已有保護(hù)區(qū)內(nèi)不同類別物種棲息地分布情況發(fā)現(xiàn), 半楓荷、單性木蘭、輻花苣苔、福建柏、紅豆杉、黃杉、楠木、異性玉葉金花、中國蕨尚未覆蓋, 其他79.6%的覆蓋物種棲息地面積比例均較低, 平均比例為7.1%, 表明現(xiàn)有保護(hù)地空間保護(hù)情況有較大不足。

保護(hù)代價(jià)成本分析結(jié)果顯示(圖2), 樟江流域改變需要的保護(hù)代價(jià)高的規(guī)劃單元較集中分布在樟江流域中線地帶——荔波縣城樟江干流、上游居民點(diǎn)集中區(qū)為軸線, 以及分布于三荔水庫大壩、的馬水庫大壩集水區(qū)區(qū)域。

2.2 生態(tài)完整性優(yōu)先的優(yōu)化方案

如圖3所示, 高保護(hù)價(jià)值且存在保護(hù)空缺的區(qū)域集中分布在樟江主河道兩岸亞熱帶常綠闊葉林帶、樟江源頭區(qū)域拉易河、爽姑河匯入水昔河的交匯處、水令河上游、爽姑河上游、拉灘河上游, 茂蘭鎮(zhèn)瑤麓喀斯特典型生態(tài)系統(tǒng)亞熱帶常綠闊葉林區(qū)域。這些地區(qū)物種類型分布豐富, 具有較好的優(yōu)先級。一、二、三級優(yōu)先區(qū)共補(bǔ)充保護(hù)空缺面積453.6 km2(表3), 統(tǒng)計(jì)每個物種的棲息地在保護(hù)優(yōu)先區(qū)內(nèi)分布情況, 共計(jì)45個物種的棲息地面積比例超過60%, 約占全部物種的83.3%, 實(shí)現(xiàn)對森林生態(tài)環(huán)境、生物多樣性、珍稀野生動植物和水源涵養(yǎng)林地的保護(hù)。其中, 一級優(yōu)先區(qū)范圍內(nèi)新增面積比例為7.4%, 即可實(shí)現(xiàn)涵蓋100%研究選取保護(hù)對象的部分或者全部適宜棲息地, 其中金貓、獼猴、普通鵟等鳥類和哺乳類動物分布空間比例最高, 對如輻花苣苔等此類適宜棲息地面積極小的物種也實(shí)現(xiàn)其棲息地的完全保護(hù)。二級優(yōu)先區(qū)范圍內(nèi)新增面積比9.7%, 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了單座苣苔、紅豆杉、楠木、四藥門花、狹葉含笑、中國蕨保護(hù)對象棲息地生境的完全保護(hù)。三級優(yōu)先區(qū)范圍內(nèi)不足總面積的0.0033%為原有保護(hù)區(qū)范圍, 繼續(xù)實(shí)現(xiàn)了福建柏、藍(lán)翅八色鶇、單性木花、翠柏、白花兜蘭棲息地生境的完全保護(hù)。

圖 1 生態(tài)退化顯著性分布

Figure 1 Distribution of condition layer

圖 2 保護(hù)代價(jià)成本分布

Figure 2 Distribution of cost layer

2.3 最小社會經(jīng)濟(jì)和土地資源代價(jià)的優(yōu)化方案

最小的社會經(jīng)濟(jì)和土地資源代價(jià)下最大程度開展保護(hù)方案, 高保護(hù)價(jià)值區(qū)域集中分布在樟江主河道兩岸亞熱帶常綠闊葉林地帶、水便河中下游、樟江源頭區(qū)域水昔河上游拉灘河集水區(qū)、爽姑河匯入水昔河的交匯處以及水令河上游(圖4)。通過互補(bǔ)算法Zonation軟件分析所得優(yōu)化空間, 雖然相對于動物的適宜性棲息地分布, 部分植被保護(hù)對象表現(xiàn)出可適應(yīng)的棲息地面積非常有限, 但在納入一級優(yōu)先區(qū)后, 已覆蓋全部38種植物和16種動物, 新增優(yōu)先區(qū)面積占流域總面積的8.0%。植物物種棲息地所占比例最少的4個對象為輻花苣苔、狹葉含笑、紅豆杉、單座苣苔、中國蕨, 面積分別為75 m2、257 m2、275 m2、276 m2、1235 m2。補(bǔ)充納入二級優(yōu)先區(qū)內(nèi)也同樣全覆蓋保護(hù)對象, 保護(hù)空缺占流域總面積9.5%, 輻花苣苔適宜棲息地得以完全保護(hù)。補(bǔ)充納入三級優(yōu)先區(qū)作為輔助補(bǔ)充提高物種可棲息地的面積比例, 保護(hù)空缺占比9.7%, 生物多樣性代理保護(hù)對象中, 單座苣苔、輻花苣苔、福建柏、紅豆杉、中國蕨的棲息地完全覆蓋。一、二、三級優(yōu)先區(qū)共新增優(yōu)化空間454.7 km2, 共計(jì)32個物種的棲息地面積比例超過50%、22個物種的棲息地面積超過60%, 該保護(hù)方案可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展同步開展。

圖 3 生態(tài)完整性優(yōu)先保護(hù)方案

Figure 3 Landscape rankings for scenarios1

圖 4 最小的社會經(jīng)濟(jì)和土地資源代價(jià)下保護(hù)方案

Figure 4 Landscape rankings for scenarios2

2.4 搶救性保護(hù)的優(yōu)化方案

搶救優(yōu)先的保護(hù)方案中(圖5和表3), 一、二、三級優(yōu)先區(qū)共新增優(yōu)化空間126.6 km2, 約占流域總面積的7.6%, 保護(hù)的物種棲息地除翠柏、紅豆杉、單座苣苔、楠木5類植物外, 均有涉及?？臻g優(yōu)先區(qū)主要分布于沿樟江主河道兩岸地帶, 這一水陸交接地帶從棲息地分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在超過半數(shù)代表性動植物物種和特有種, 表明了這一地帶存在搶救性保護(hù)空缺, 研究結(jié)果也與政府報(bào)告中提到主河道兩岸緩沖區(qū)保護(hù)效率不高相吻合。此外, 一級優(yōu)先區(qū)中, 保護(hù)空缺面積為29.2 km2, 主要分布于水賈河上游集水區(qū); 二級優(yōu)先區(qū)保護(hù)空缺面積39.3 km2, 主要分布于水各河和水令河上游集水區(qū); 三級優(yōu)先區(qū)保護(hù)空缺面積58.0 km2, 集中于水昔河和水便河上游山谷集水區(qū)地帶, 也是人為干擾明顯區(qū)域。

圖 5 搶救性優(yōu)先保護(hù)方案

Figure 5 Landscape rankings for scenarios3

表3 三種預(yù)景方案下分級保護(hù)優(yōu)先區(qū)的分布比例與面積(單位: km2)

3 討論

研究揭示了至少兩個值得探討的方面: 首先, 用于保護(hù)規(guī)劃的資源通常是有限的, 這就要求采取盡可能高效的保護(hù)行動, 以最大限度地保護(hù)生物多樣性[7]。在確定物種的空間保護(hù)優(yōu)先權(quán)及地點(diǎn)保護(hù)價(jià)值時(shí), 相對于物種豐富度的窮盡式算法, 互補(bǔ)性算法是非窮盡式的, 即并非極致追求物種最豐富的地點(diǎn), 而是綜合物種組成, 集中代表所有的物種[11]。對比近年來采用物種豐富度算法的研究發(fā)現(xiàn), 探究已有保護(hù)區(qū)與算法模擬保護(hù)區(qū)展開額外重疊分析[19], 但從實(shí)際建設(shè)可行性層面, 互補(bǔ)性算法可在已有保護(hù)區(qū)的范圍內(nèi)優(yōu)化新增, 而非調(diào)整原有保護(hù)區(qū)微分, 顯著提高了景觀空間優(yōu)先化的有效性?；パa(bǔ)算法Zonation的核心區(qū)域分區(qū)(CAZ), 也對物種稀有性和獨(dú)特性給予了較好的解析, 因?yàn)槠鋬?yōu)先考慮對物種重要的核心區(qū)域, 測試了所有可能的地點(diǎn)選擇場景, 在有限的范圍內(nèi)給予那些物種更高的優(yōu)先權(quán)。近三十年來, 保護(hù)生物學(xué)家已經(jīng)認(rèn)識到互補(bǔ)性比物種豐富度更有效; 然而, 它尚未成為生物多樣性保護(hù)研究的主流方法[20-21], Astudillo?Scalia等[22]學(xué)者猜測是因?yàn)檫@個概念還沒有被很好地理解, 特別是基于典型區(qū)域應(yīng)用實(shí)踐層面。

其次, 通過比較保護(hù)代價(jià)層介入與否的系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃的有效性, 選擇作為保護(hù)優(yōu)先級的空間分布有明顯差別。取決于人類干擾對生態(tài)完整性造成的影響, 未納入保護(hù)代價(jià)的保護(hù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況在所需保護(hù)面積小于納入后。因此, 人為干擾加劇條件下, 未來所需擴(kuò)大保護(hù)地的范圍也有待相應(yīng)提高。人為干擾強(qiáng)烈的搶救性優(yōu)先保護(hù)區(qū)初步建議開展生境恢復(fù)試點(diǎn), 改善其生態(tài)功能。緩解自然保護(hù)地與社區(qū)之間在自然資源利用上的矛盾, 社區(qū)共管[23]與生態(tài)旅游[24]在這些地帶的重要體現(xiàn), 補(bǔ)充收入來源, 開展環(huán)境容量評估。尋找保護(hù)與周邊用地、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的平衡點(diǎn), 較大程度改善矛盾沖突的核心地帶。確定優(yōu)先保護(hù)區(qū)域是生物多樣性保護(hù)的重要第一步, 但關(guān)鍵是根據(jù)這些建議采取行動[25], 樟江流域在自然保護(hù)地空間范疇與管理范疇需協(xié)調(diào)一致的努力。

4 結(jié)論

近16年樟江流域生境退化置信度超過95%的面積占流域總面積的67.0%, 流域內(nèi)生物多樣性資源交易頻繁, 許多物種棲息地分布逐漸破碎, 特別是水系干流和上游水源涵養(yǎng)地帶仍未得到保護(hù)。已有保護(hù)區(qū)覆蓋代理保護(hù)對象棲息地面積比例不足8%, 基于生物多樣性的樟江流域自然保護(hù)地空間優(yōu)化迫在眉睫, 是保護(hù)地體系建設(shè)、管理和決策的重要依據(jù)。采用Zonation核心區(qū)域分區(qū)(CAZ)優(yōu)化路徑, 對棲息地分布小、物種豐富度不足的物種保護(hù)互補(bǔ)性較好?；谌N不同情景下的優(yōu)化結(jié)果表明, 保護(hù)優(yōu)先區(qū)對代理物種棲息地有良好的覆蓋效果, 生態(tài)完整性優(yōu)先情景和最小社會經(jīng)濟(jì)和土地資源代價(jià)的保護(hù)優(yōu)化情景均呈現(xiàn): 在現(xiàn)有格局中加入小于8%的1級優(yōu)先區(qū)域, 所有代理物種均受到保護(hù)。加入27%左右的所有優(yōu)先區(qū)域, 兩種優(yōu)化方案覆蓋所有保護(hù)對象棲息地的比例提升70.0%和59.0%。雖然生態(tài)完整性優(yōu)先的優(yōu)化情景優(yōu)于最小社會經(jīng)濟(jì)和土地資源代價(jià)下的優(yōu)化情景, 但保護(hù)代價(jià)更高。人為干擾強(qiáng)烈的搶救優(yōu)先的優(yōu)化情景中, 90.7%的保護(hù)對象棲息地覆蓋范圍有明顯提升。三個優(yōu)化情景中優(yōu)先區(qū)的分布均可確定樟江主河道兩岸、爽姑河上游、水令河上游等重點(diǎn)保護(hù)空缺地區(qū), 亟待新建自然保護(hù)地, 強(qiáng)化保護(hù)管理措施。樟江流域生物多樣性保護(hù)空間格局優(yōu)化研究對互補(bǔ)算法保護(hù)規(guī)劃具有典型意義, 對我國乃至世界上這一獨(dú)特的喀斯特資源及其所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有重要保護(hù)作用和科學(xué)支撐。

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Biodiversity-based spatial optimization for natural conservation areas of Zhangjiang River basin

FU Wei*, ZHEN Guangrun

School of Architecture and Urban Planning, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China

It assumes an essential role to optimize the spatial pattern of ecological conservation within the scope of ecological civilization construction in China, which is also the frontier orientation of international research regarding ecological conservation. Assessing resource endowments, identifying and prioritizing and predicting conservation areas are critical to the protection and management of endangered species. Although conservation areas account for 11.9% of the Zhangjiang River watershed, significant habitat degradation has occurred across 77.9% of the watershed, highlighting an urgent need to balance development and protection. Based on a complementary non-exhaustive algorithm, the Zonation4GU software can produce ideal outcomes in optimizing existing conservative networks and characterizing rarity and uniqueness. This paper presents a study of the route towards spatial integration and optimization in natural conservations in the Zhangjiang River watershed based on the software. First, the distributional patterns of habitats of species, weights of species protection and planning units were manually preprocessed; the layer of conditions for imported habitat degradation and the layer of protection cost were iteratively selected; finally, optimization solutions to three different scenarios were proposed in combination of the artificial interference. The results show that the area prioritizing protection has an ideal coverage on habitats of proxy species, optimization solutions to scenario prioritizing ecological integrity and that prioritizing the minimum social, economic and land-resource costs both present as tire-1 priority areas with an construction expansion rate smaller than 8% and all protected targets receiving protection; after around 27% of the all priority areas were incorporated, the two optimization solutions exhibited a 70.0% and 59.0% rise, respectively, in covering the habitats of all protected targets. Although the optimization scenario prioritizing ecological integrity produces better performances than that prioritizing the minimum social, economic and land-resource costs, it entails a higher cost of protection. With respect to the optimization scenario prioritizing intense artificial interference such as urgent conservation, 90.7% of the inhabits for the protected targets have seen a significant coverage increase. From the technical and operative perspective, this study provides a viable route towards creating an integration and optimization solution to China’s natural conservation system.

systematic conservation planning; conservation gap; Karst region; integrated watershed protection; conservation targets

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.01.006

傅微, 甄廣潤. 基于生物多樣性的樟江流域自然保護(hù)地空間優(yōu)化[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(1): 50–58.

FU Wei, ZHEN Guangrun, SUN Zhe, et al. Biodiversity-based spatial optimization for natural conservation areas of Zhangjiang River basin[J]. Ecological Science, 2022, 41(1): 50–58.

K903

A

1008-8873(2022)01-050-09

2020-05-21;

2020-07-10基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41901220) ;北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助青年骨干個人項(xiàng)目(24269220006)

傅微(1988—), 女, 湖南長沙人, 博士, 講師, 主要從事景觀生態(tài)規(guī)劃研究, E-mail: fuwei0807@163.com

傅微