基于生物多樣性與生態系統服務功能的秦嶺山系自然保護體系規劃

房 志,徐衛華,張晶晶,肖 燚,張 路

1 環境保護部自然生態保護司, 北京 100035 2 中國科學院生態環境研究中心, 城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 3 中國科學院大學, 北京 100049

基于生物多樣性與生態系統服務功能的秦嶺山系自然保護體系規劃

房 志1,徐衛華2,*,張晶晶2, 3,肖 燚2,張 路2

1 環境保護部自然生態保護司, 北京 100035 2 中國科學院生態環境研究中心, 城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 3 中國科學院大學, 北京 100049

生物多樣性與生態系統服務是目前生態保護的兩大主要目標,在保護區體系規劃設計中兼顧兩個保護目標有助于發揮自然保護區的綜合效益。以生物多樣性與生態系統服務功能都重要的秦嶺山系為研究區域,在生物多樣性、水源涵養和土壤保持重要性評估的基礎上,通過空缺分析,提出了秦嶺山系的保護區體系優化方案。研究結果表明,現有的自然保護區保護了33.5%的生物多樣性極重要區,22.9%的水源涵養極重要區,但是只保護了7.4%的土壤保持極重要區；建議在秦嶺主峰、秦嶺西部和東南部分別建立自然保護區群和生態功能保護區,保護區面積占秦嶺山系總面積的31.4%,使生物多樣性、水源涵養、土壤保持的極重要區的保護比例達76.2%、70.5%和41.5%,生態保護效益得到提升。研究結果可以為秦嶺山系生態保護政策的制定提供參考,同時對于其他地區自然保護體系規劃、以及國家公園構建也具有重要的借鑒意義。

秦嶺山系；生物多樣性；生態系統服務功能；保護體系規劃；水源涵養；土壤保持

Abstract： Biodiversity and ecosystem services are the two major targets in ecological protection. Considering both biodiversity and ecosystem services in ecological protection designing will contribute to the comprehensive effects of protected area networks. In this study, biodiversity and ecosystem services, including water supply and soil retention, were evaluated in the Qinling Mountains. On the basis of these evaluations, gap analysis was carried out and a protected area network was proposed. The results showed that the current nature reserves covered 33.5% of the highly important area for biodiversity and 22.9% for water supply, but only 7.4% for soil retention. We propose to establish a protected area network that includes nature reserves and ecosystem service reserves in middle Qinling, Southwest Qinling, and Southeast Qinling. The protected area network will cover 31.4% of the entire Qinling area, and encompass a high proportion of highly important areas for biodiversity (76.2%), water supply (70.5%), and soil retention (41.5%). The results of this study will provide a basis for ecological conservation policy in these mountains, and also have implications for the establishment of protected area systems in other regions.

KeyWords: Qinling Mountains; biodiversity; ecosystem service; protected area designing; water supply; soil retention

目前生物多樣性和生態系統服務是生態保護的主要兩大主要目標[1]。建立自然保護區是減緩人類活動強度,實現生物多樣性和生態系統服務兩大保護目標的主要途徑。但在保護實踐尤其是自然保護區設計與規劃中,生物多樣性仍然是保護主體,生態系統服務很少能得到充分考慮。因此,如何在保護資源有限的前提下兼顧二者的保護需求、實現生態保護效益的最大化是生態保護領域的熱點和難點。

生物多樣性與生態系統服務二者之間的空間關系是實現二者保護效益最大化的關鍵之一。但是二者的空間關系隨研究的空間尺度和研究區域不同而存在差異。在全球尺度上,生物多樣性熱點地區與生態系統服務熱點地區在空間上并不完全一致,一些生態系統服務高的地區并未被生物多樣性熱點地區所涵蓋[2]。但在區域尺度上,例如中國的海河流域,生態系統服務與生物多樣性之間存在很高的空間一致性[3]。此外,二者的空間關系還受生物多樣性與生態系統服務類型的影響,由于生物多樣性包括遺傳多樣性、物種多樣性和生態系統多樣性等不同層次,而生態系統服務又包括產品提供、調節功能、文化功能和支持功能等多個方面,當研究對象、尺度、區域等不同時,都會導致生物多樣性和生態系統服務關系的存在不確定性[4- 6]。

盡管保護生物多樣性和生態系統服務之間的空間關系存在不確定性,二者的保護優先程度也存在權衡,但仍然可以通過系統規劃實現二者的協調[7],同時將生態系統服務納入保護規劃也可能是最具成本效益的保護途徑[8]。南非和南北美洲的研究表明,基于生物多樣性的保護規劃能夠使生態系統服務得到一定的程度保護,且基于生態系統服務的保護項目更容易吸引保護資金[9-10]。因此,將生態系統服務納入自然保護規劃體系成為當前保護生物學和生態系統管理的研究熱點[8]。

秦嶺山系是我國南北氣候的分界線,不僅是我國生物多樣性保護優先區,還是我國南水北調的主要水源地,生態服務功能十分重要,因此在保護實踐中需要兼顧二者的保護需求。目前該山系已建立了34個自然保護區,但主要以保護大熊貓等瀕危物種為主,對生態系統服務功能的保護成效并不清楚。本研究擬在生物多樣性和生態系統服務功能空間格局評估的基礎上,評估現有的自然保護區空間布局的合理性,識別空缺區域,并提出該區域的保護區體系規劃方案,以期為該區域生態保護政策的制定及優化提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域

本研究區域位于陜西中南部的秦嶺山系,涉及太白、眉縣、周至等38個縣級行政區,總面積達5.8萬km2。秦嶺主峰為太白山,海拔3767m(圖1)。秦嶺山系是我國南北氣候的分界線,同時也是重要的生物地理分界線。復雜的地形與多樣的氣候與土壤條件為生物生存提供了良好的條件,生物多樣性資源豐富,是我國生物多樣性保護優先區域之一。秦嶺山系有種子植物159 科892 屬3,124 種、野生脊椎動物35目115科365屬736種,其中國家一級重點保護野生動物19種,包括大熊貓(Ailuropodamelanoleuca)、金絲猴(Rhinopithecusroxellana)、羚牛(Budorcastaxicolor)等[11-12]。同時,該區域具有重要的水源涵養和土壤保持功能,是我國重要的生態功能區,是南水北調的重要水源區、西安等大城市的重要飲用水源地。因此該山系的生態環境的保護對于保障區域生態安全和經濟社會發展具有十分重要的意義。

圖1 秦嶺山系位置示意圖Fig.1 Location of Qinling Mountains

為了保護秦嶺大熊貓及其它珍稀瀕危物種,自1978年建立第一個自然保護區——佛坪大熊貓自然保護區以來,已經在秦嶺山系建立自然保護區34個,保護區總面積逾5000km2,包括佛坪、長青、太白山等10多個國家級自然區,使秦嶺山系的生物多樣性得到了較好的保護。

1.2 研究方法

1.2.1 生物多樣性評估

本研究選擇珍稀瀕危的動植物物種作為生物多樣性評價指標,通過物種的篩選、棲息地的評估和重要區的識別來明確生物多樣性保護的重要區域。

首先,確定物種的篩選準則。主要包括：(1)國家重點保護物種；(2)《中國生物多樣性紅色名錄》確定的受威脅物種；(3)數據的可獲得性。參照《國家重點保護野生植物名錄》和《國家重點保護野生動物名錄》來選擇國家一、二級保護動物；根據《中國生物多樣性紅色名錄》[13-14],篩選極危、瀕危和易危3個等級的動植物物種。根據數據的可獲得性,共選擇50種指示物種進行評價,其中包括植物12種,動物38種。

其次,進行潛在棲息地的評估。采取機理模型對所選取的物種來進行棲息地評價[15],主要考慮物種分布區、分布海拔和植被類型3個因子,通過疊加分析,明確每個物種的潛在棲息地。物種分布區和棲息地的需求信息主要來自國內外權威的數據庫,以及有關物種的論文與專著。海拔分布圖來自于美國NASA的DEM,分辨率為90m,植被分布圖來自于2010年全國生態系統評估數據,分辨率為30m。

最后,重要區域的確定。對所有物種的潛在棲息地進行疊加,根據疊加數值的大小劃分為4個等級,將50%以上物種的集中分布區確定為極重要區,25%—50%的物種集中分布區為重要區,其余的物種棲息地為較重要區,非棲息地分布區為一般地區。

1.2.2 生態系統服務功能評估

(1)水源涵養功能

采用降水貯存量法,即用生態系統的蓄水效應來衡量其涵養水分的功能(公式(1)—公式(3)),參見全國生態環境遙感十年評估的方法[16]。

Q=A×J×R

(1)

J=J0×K

(2)

R=R0-Rg

(3)

式中,Q為與裸地相比較,森林、草地、濕地、耕地等生態系統涵養水分的增加量(mm hm-2a-1)；A為生態系統面積(hm2)；J為計算區多年均產流降雨量(P>20mm)(mm)；J0為計算區多年均降雨總量(mm)；K為計算區產流降雨量占降雨總量的比例；R為與裸地(或皆伐跡地)比較,生態系統減少徑流的效益系數；R0為產流降雨條件下裸地降雨徑流率；Rg為產流降雨條件下生態系統降雨徑流率。

(2)土壤保持功能

采用通用水土流失方程進行評價,通過降雨、坡度坡長、植被和土壤等因素評價生態系統土壤保持功能的強弱。在具體計算的時候,需要利用已有實測的土壤保持數據對模型模擬結果進行驗證,并且修正參數,詳見全國生態環境遙感十年評估的方法[16]。

A=R×K×LS×(1-C)

(4)

式中,A表示土保持量；R為降雨侵蝕力；K為土壤可蝕性；LS為坡度-坡長因子；C為植被覆蓋因子；P為管理因子。

(3)生態系統服務重要性評估

生態系統服務重要性指示不同生態單元的生態保護意義。首先以秦嶺地區水源涵養和土壤保持量為基礎,分別計算其重要性。根據重要性大小分為4級,將功能量最高的50%的區域劃分為極重要區,50%—75%的區域劃分為重要區,75%—90%的區域為較重要地區,其余為一般地區。

將生物多樣性保護、水源涵養和土壤保持的重要性結果進行疊加,取三者的最高等級作為生態保護的最終重要性等級。

1.2.3 保護空缺分析及自然保護體系設計

以生物多樣性保護重要性與生態系統服務重要性為基礎進行保護網絡設計,通過GAP 分析,將秦嶺地區生態系統分布圖、生物多樣性保護重要性分布圖、生態系統服務重要性圖與自然保護區分布現狀圖進行疊加分析,識別出生物多樣性與生態系統服務功能極重要區域中尚未分布在保護區內的空間單元。并根據如下規則進行規劃：(1)自然保護區外生物多樣性與生態系統服務都為極重要的地區,或者只有生物多樣性極重要的地區,建議新建或擴建自然保護區；(2)自然保護區外,生物多樣性保護不重要、但生態系統服務極重要的地區,建議新建生態功能保護區。

2 研究結果

2.1 生物多樣性保護與生態系統服務功能重要性格局

(1)生物多樣性

秦嶺山系生物多樣性保護重要區主要分布在中西部的中高海拔地區,集中分布在太白、周至、洋縣、佛坪、寧陜等縣(市),以及城固、留壩、鳳縣、戶縣、眉縣等縣的部分地區,另外在略陽、寧強、勉縣等縣(市)山區也有分布(圖2)。其中,極重要與重要地區面積分別為7882.8km2與7295.3km2,占山系總面積的13.6%和12.6%(表1)。較重要地區主要分布在秦嶺山系的中東部與南部的部分地區,面積為18532.1km2,占山系總面積的32.0%。

(2) 水源涵養功能評估

秦嶺山系水源涵養功能極重要區主要分布在中西部地區的太白、眉縣、周至、戶縣、城固、洋縣、佛坪、寧陜等區縣,另外,西南部的勉縣和留壩,南部的西鄉、漢陰、資陽與旬陽的部分地區分布也較為集中(圖2),占山系總面積的25.2%(表1)。水源涵養重要地區主要分布在西部與東南部地區的鳳縣、留壩、鎮安、旬陽等區縣,占總面積的19.7%。較重要地區主要分布在秦嶺山系的中東部地區,占總面積的17.2%。

圖2 秦嶺山系生物多樣性與生態服務功能重要性空間分布Fig.2 Spatial patterns of biodiversity and ecosystem services importance in Qinling Mountains

類型Types極重Highlyimportant重要Important較重要Moderatelyimportant一般Commonarea面積/km2%面積/km2%面積/km2%面積/km2%生物多樣性保護Biodiversityconservation7882.813.67295.312.618532.132.024151.841.7水源涵養Watersupply14586.925.211407.119.79933.917.221934.137.9土壤保持Soilretention14323.624.812820.122.211275.019.519443.333.6綜合重要性Comprehensiveimportance22392.638.715217.726.312498.221.67753.513.4

(3) 土壤保持功能評估

秦嶺山系土壤保持功能極重要區主要分布在中南部的鎮安、旬陽、安康、紫陽、石泉、洋縣、城固、略陽等區縣(圖2),占山系總面積的24.8%(表1)。水源涵養重要地區主要分布在中北部的太白、周至、寧陜、戶縣等區縣,占總面積的22.2%。較重要地區主要分布在秦嶺山系的中部,占總面積的19.5%。

(4) 生物多樣性與生態系統服務功能綜合分析

秦嶺山系生物多樣性重要區域與水源涵養功能的重要區域具有較大的重疊性,都主要分布在秦嶺中段。與二者不同的是,土壤保持重要區域主要分布在中南部地區。綜合考慮生物多樣性、水源涵養和土壤保持三者的重要性,秦嶺山系生態保護極重要與重要地區分別為22392.6 km2和15217.7 km2,占總面積的38.7%和26.3%(表1),主要分布在秦嶺中段,西秦嶺南部,以及東秦嶺南部。生態保護較重要地區面積為12498.2 km2,占總面積的21.6%,主要分布在秦嶺東部地區(圖2)。

2.2 保護狀況分析與自然保護體系規劃

目前秦嶺山系已建立了自然保護區34個,占整個秦嶺山系總面積的9.8%,集中分布在秦嶺山系的中西部地區。自然保護區與生物多樣性及水源涵養功能重要區域的重疊度相對較高,生物多樣性與水源涵養極重要區在自然保護區的保護比例分別為33.5%和22.9%。但自然保護區對土壤保持功能的保護不夠,僅涵蓋了7.4%的極重要區。尤其是在水源涵養與土壤保持功能都重要的西南與東南部地區,保護區分布很少,存在較大的保護空缺。

基于生物多樣性與生態系統服務重要性評估結果,通過新建和擴建自然保護區,新建生態功能保護區,來構建整個秦嶺山系的保護體系(圖3)。

(1)秦嶺中段自然保護區群。秦嶺中段主峰太白山及周邊區域包括太白、周至、城固、洋縣、佛坪、寧陜等縣(市),是大熊貓、金絲猴,扭角羚等珍稀瀕危物種的集中分布區,目前已經建立了14個自然保護區,包括太白山、佛坪、長青等國家級自然保護區,但仍有部分重要棲息地位于自然保護區以外。建議以現有的自然保護區為基礎,通過在娘娘山、板橋等地新建與擴建自然保護區,建立秦嶺中段自然保護區群,使珍稀瀕危物種及其生境能得到有效保護。同時建議在物種隔離的關鍵地段建設生態廊道,恢復自然棲息地,促進物種之間的交流。由于該區域也是水源涵養重要區,自然保護區群的建設也能促進水源涵養功能的保護與恢復。

(2)西秦嶺南部保護區。西秦嶺南部區域包括留壩、勉縣、略陽等縣(市),具有水源涵養、土壤保持等生態系統功能,同時也分布有扭角羚、大鯢等珍稀物種。目前該區域已建立了紫柏山、寶峰山與略陽大鯢三個省級自然保護區,使物種的主要棲息地得到了保護,但大部分的水源涵養與土壤保持的重要區域仍位于保護區外。建議在該區域的勉縣北部、留壩南部等地新建生態功能保護區,使主要的生態系統服務功能得到有效保護與恢復。

(3)東秦嶺南部生態功能保護區。東秦嶺區域包括鎮安、旬陽、紫陽、安康市漢濱區、漢陰等縣(市),是主要的水源涵養區,同時土壤保持功能也十分重要,珍稀瀕危動物分布較少。建議在該區域新建生態功能保護區,使水源涵養和土壤保持極重要的區域得到保護。

圖3 秦嶺山系保護區體系規劃Fig.3 Protected area systems designing in Qinling Mountains

3 討論

生物多樣性與生態系統服務是目前生態保護的兩大主要目標,兼顧生物多樣性與生態系統服務的自然保護體系規劃有助于發揮保護區的綜合效益,更容易使地方政府和居民接受,從而有利于自然保護區的建設[17]。同時,由于生物多樣性保護重要區域與其他生態系統服務保護重要區域在空間上并不完全重疊,秦嶺山系生物多樣性重要區域與水源涵養功能的重要區域具有較大的重疊性,都主要分布在秦嶺中段,但土壤保持重要區域主要分布在中南部地區,因此,以生物多樣性為主要保護對象建立的自然保護區并不能完全兼顧其他服務功能的保護需求。為了使生物多樣性與生態系統服務功能都得到保護,急需對現有的保護體系進行優化。

本研究提出的基于生物多樣性與生態系統服務的保護體系規劃提高了保護效率。以生物多樣性、水源涵養、土壤保持空間格局為基礎,提出了自然保護體系優化方案,將使生態重要區域的保護比例大大提高。生物多樣性極重要區的保護比例由現狀的33.5%提高至76.2%,水源涵養極重要區的保護比例由22.9%提高至70.5%,土壤保持極重要區的保護比例由7.4%提高至41.5%,使秦嶺山系大部分生態重要區域得到較為嚴格的保護。

建議針對保護對象和保護區類型的不同采取相應的管理對策。對于生物多樣性為主要保護對象的秦嶺中部區域,建議盡快新建與擴建自然保護區,嚴格禁止或控制威脅生物多樣性的開發活動,通過生態廊道建設和棲息地的恢復增強野生動植物棲息地的連通性。對于水源涵養生態功能保護區,應該禁止開展與保護水源無關的建設項目,并通過退耕還林還草、生態恢復提高水源涵養能力,保障南水北調、西安等大城市對水資源的需求。對土壤保持生態功能保護區,開展小流域綜合治理和退耕還林還草等生態工程,增加區域植被覆蓋,降低區域水土流失。建議在本研究的基礎上,構建秦嶺國家公園,統籌自然保護區、生態功能保護區,以及風景名勝區、森林公園、地質公園等其他各類自然保護地,對秦嶺山系生態系統進行統一規劃與管理。

綜合考慮生物多樣性與生態系統服務是保護評價和規劃是今后的發展方向[8]。生物多樣性一直是生態保護的主要目標,但近年來我國自然保護區面積變化不大,穩定在國土面積的15%左右,因此要大幅增加陸地自然保護區面積可能性不大。然而,以生態系統服務為主要保護對象的保護區很少,通過建立生態功能保護區提升自然保護空間的潛力巨大。因此結合自然保護區與生態功能保護區來完善自然保護體系是一種可行的途徑。本研究建立了兼顧生物多樣性和生態系統服務的區域自然保護體系規劃方法,提出了秦嶺山系的自然保護體系,為秦嶺山系保護區的建設明確了方向,同時對于全國其他地區自然保護體系規劃、以及國家公園的構建也具有借鑒意義。

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DesigningprotectedareasystemsintheQinlingMountainsbasedonbiodiversityandecosystemserviceevaluation

FANG Zhi1, XU Weihua2,*, ZHANG Jingjing2,3, XIAO Yi2, ZHANG Lu2

1DepartmentofNatureandEcologyConservation,MinistryofEnvironmentalProtectionofthePeople′sRepublicofChina,Beijing100035,China2StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

國家自然科學基金(41671534)

2016- 05- 23; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 03- 27

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

10.5846/stxb201605230993

房志,徐衛華,張晶晶,肖燚,張路.基于生物多樣性與生態系統服務功能的秦嶺山系自然保護體系規劃.生態學報,2017,37(16):5334- 5341.

Fang Z, Xu W H, Zhang J J, Xiao Y, Zhang L.Designing protected area systems in the Qinling Mountains based on biodiversity and ecosystem service evaluation.Acta Ecologica Sinica,2017,37(16):5334- 5341.