中國生態區劃研究進展: 從格局、功能到服務

孫然好, 李 卓, 陳利頂

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

生態區劃與地理區劃既有聯系又有區別。地理/地域區劃多以地球表層系統為對象,揭示水平和垂直地域分異規律,是將整體分割為相對完整區域的科學[1]。而生態區劃則強調生態系統整體性的規律,以及人類活動對生態系統干擾的特征,從而劃分生態基本單元,是特征區劃與功能區劃的統一[2]。“生態區”的概念最早由加拿大森林學家Orie Loucks于1962年提出,是指具有相似生態系統或期待發揮相似生態功能的陸地及水域。這一概念成為指導隨后各種與生態系統有關分區的基礎,并隨著科學認識的提高和技術發展,“生態區”的概念也在不斷演化。最初所關注的研究對象為在不考慮人類活動影響的前提下生物和非生物環境的相似性,隨后增加了對人類活動影響的考慮。此外,生態系統的多尺度特征以及生態格局-過程的耦合關系也常常被應用于各尺度生態區劃中,包括點位尺度、區域尺度和全球尺度[3]。早期的生態區劃多以單因素為主題,隨著生態系統整體性和等級理論的發展,美國生態學家Bailey于1976年從生態系統的角度提出了首個真正意義上的生態區劃,并編制了美國生態區劃圖,包括地域、區、省和地段4個等級,此后引起了各國生態學家對生態區劃原則、指標體系、等級和方法等的關注和深入探討。近年來,學者們開展了生態區與生態系統管理的分析,尤其是全球生態區與生態保護的有效性評估[3]。除了陸地生態特征外,國際上對于河流生態特征也開始納入生態區劃的考慮范圍[4],此外,考慮社會經濟要素的社會-生態區劃也逐漸得到關注[5]。學者們也提出了生態區劃的一些普遍問題,如生態系統定義、生態區的復雜性、定性和定量方法、流域邊界整合等多個方面[6]。除了傳統的根據生態格局進行區劃外,一些基于生態過程和流的分區技術也在得到應用[7- 8]。尤其近幾年,國際上對于生態系統服務的制圖和區劃也逐漸得到重視[9- 11]。

我國生態區劃起步相對較晚,相關工作也多以單要素為主。在綜合區劃方面,傅伯杰等[2]在綜合各個專題區劃的基礎上,面對國民經濟發展的需求,開展了首個全國性的生態區劃,將中國大陸分為3個生態大區、13個生態地區和57個生態區,系統揭示了不同生態單元存在的生態環境問題及其形成機制。中國生態分區的進展與經濟發展和社會需求密切相關。從生態地理進行自然特征的歸納和概括,到生態經濟為社會經濟服務。近年來開始側重于對不同生態要素的歸納和集成,尤其是伴隨著遙感技術和數據的推廣,在植被生態分區、河流生態分區、湖泊和濕地生態分區等有較大進展。對于中國敏感區域,如西北干旱區、農牧交錯帶、黃土高原、青藏高原等區域的生態分區也較多。對于全國范圍的生態敏感性制圖主要集中在酸雨、荒漠化、鹽堿化等幾個方面。生態功能分區是近年來發展很快的領域,全國范圍的生態功能分區已經在環保部等國家層面進行推廣和應用。很多地方也在此基礎上進行了細化和更新,推動了生態功能監測和管理的實踐應用。本文篩選國內主要的生態區劃方案,梳理它們的分區原則、方法和特點,并提出需要繼續加強和優化的方向。

1 中國生態區劃的主要特點

1.1 生態特征和類型區劃

生態特征和類型劃分作為認識生態系統分布格局、揭示生態區域結構和功能的基礎,歷來受到重視[12-13]。生態類型劃分主要針對部分生態要素或者特征進行,如植被、水體、沙漠、城市、生物等。自然綜合體在形成和演化過程中,各生態要素所起的作用是具有不均衡性的,往往其中部分要素起著突出的主導作用。生態類型區劃意義在于通過揭示某些重要生態要素的組成結構、空間結構以及相對應的生態問題,可以有針對性地提出生態建設措施和實現途徑。比如,早期的生態區劃主要沿襲了自然地理區劃的內涵,強調地域分異規律,揭示植被和土壤景觀特征,沒有考慮人與自然的關系;植被、生物多樣性和生物地理區劃多采用自下而上的聚類方法,利用生物群系數據進行區劃,以保護生物完整性為目標;干旱、沙漠、戈壁等區劃則在自然地理區劃基礎上,強調極端環境的生態影響和人類活動等;生態水文分區則在水文區劃基礎上,增加了與人類活動有關的分區指標。

國內主要的生態特征和類型區劃方案見表1,主要特點是秉承主導因素的劃分原則,在全面分析各要素相互作用基礎上,突出起主導作用的生態要素,進行地域單元劃分,揭示區域分異的本質,亦有利于部門管理的需要。

表1 中國生態特征和類型區劃方案

1.2 生態地理和格局區劃

在生態特征和類型區劃基礎上,對于宏觀的生態格局、地理格局越來越受到重視,而且區劃方案多考慮自然、人文和生態因子,形成較為綜合的區劃方案。生態地理/地域區劃是比較典型的方案,主要是在傳統自然地理綜合區劃基礎上加入了生態要素和生態格局,是通過對自然地理的整體性和地域分異規律的綜合認識,從生態學的角度對該區域進行系統地分類和區劃[22]。區劃成果有助于彰顯生態系統對全球環境變化的響應效果,同時為區域可持續性發展戰略提供宏觀框架。我國生態地理區域劃分,主要考慮了自南而北的緯向分異、自東而西的經向分異、自低而高的垂直分異、巖性等引起的局地地方性分異和氣候等微地貌引起的微地域分異等因素。鄭度等[23]依照綜合自然地理區劃的思想和方法,將中國生態地理依次劃分為11個溫度帶、4類干濕地區、49個自然區,具有代表性。近期的研究則基于GIS平臺的SOFM網絡進行綜合自然區劃,使劃分層次更加明顯、區域分割更加清晰[24]。

為了更加全面的反映在人類活動影響下的生態地理格局的演變特征,越來越多的學者把人口、社會、經濟和土地利用狀況加入到了區劃指標分類體系當中。針對生態整治規劃缺乏考慮區域生態特征和經濟特點的狀況,傅伯杰等[25]在充分認識區域生態系統特征的基礎上,建立了我國生態區劃的原則、方法和指標體系。謝高地等[26]嘗試以中國各縣為基本區劃單元,運用現代生態學理論、區劃理論以及GIS技術手段,進行模糊聚類等半定量分析,得到了完整縣域邊界的生態區劃方案。

國內比較典型的區劃方案見表2,從中可以看出,生態地理和格局區劃原則包括：地帶性與非地帶性相結合原則、發生同一性與區內特征相對一致原則、區域空間連續性原則、綜合性和主導因素原則、耦合全球環境變化等。人類活動要素的加入是生態格局區劃的重要特點,也是生態區劃面向生態環境管理和調控的重要發展。

表2 中國生態地理和格局區劃方案

1.3 生態功能和服務區劃

生態功能區劃是近年來發展較快的領域,主要強調生態系統提供服務和受到脅迫的程度,更側重于生態功能類型、重要性、敏感性等。此類區劃在充分考慮自然資源的保護和可持續性利用的前提下,針對區域自然地理分異性、生物多樣性以及人與自然發展的不均衡性等問題,整合并分異不同生態功能對人類活動影響的敏感性特征[31]。國內已經進行了較多關于生態功能和服務的區劃,生態功能區劃最為代表性的是歐陽志云和傅伯杰等所做的中國生態功能區劃及一系列評估區劃。首先,針對全國的生態問題進行評估,如酸雨、荒漠化、石漠化、水土流失、鹽漬化、石漠化、風蝕等不同生態過程構建了生態敏感性分區。在此基礎上,采用自上而下的劃分方法,針對洪水調蓄、水源涵養、土壤保持、防風固沙、生物多樣性維持等重要生態功能進行評估,并區分不同區域的重要性。其后更多的研究是在此基礎上進行的細化和完善,比如中國水土流失敏感性區劃[32]、中國生態環境脅迫過程區劃[33]、中國生態服務功能重要性分區[34]、中國生態敏感性區劃[35]、中國水土保持區劃[36]等(表3)。

表3 中國生態功能和服務區劃方案

生態功能區劃強調由環境資源差異、生態演替和干擾所產生的空間異質性,多通過識別生態過程的關鍵因子、空間格局、敏感性以及驅動因子,揭示生態系統功能的區域差異,尤其是生態系統潛在供給能力。通過因地制宜地開展生態功能區劃,引導區域經濟-社會-生態復合系統的可持續發展。雖然生態功能區劃目的是考慮人類活動影響,但是對于生態系統服務的需求考慮仍然不夠。近年來也有部分研究針對生態資產進行評估,對生態功能進行價值評估,主要使用自然稀缺指數來衡量,同時納入產業結構、人類活動強度、城鎮化程度等人為影響指標,但也主要從供給角度進行定量化。生態經濟區劃則是從社會經濟活動角度開展分區,對于生態系統完整性和生態功能方面考慮較少,而且也缺少全國尺度的研究。

2 存在的主要問題

(1)缺少面向服務供需的生態系統區劃。中國生態系統研究已經從生態格局、生態功能向生態服務發展,在不同生態功能的區域管理和調控方面起到重要作用。而且對于生態服務的認識也越來越重視,生態服務價值的估算也按照國際標準進行了大量研究和本地化[12,51]。此外,國際上已經有很多研究關注生態系統服務的供給、需求和流動,對于生態系統服務制圖也從供給能力制圖,慢慢發展到供需制圖[9-12, 52]。國內在這方面的研究相對來講較少,也是下一步需要加強的研究領域。

(2)缺少生態制圖和更新的標準化技術。通過收集中國不同時期和不同類型的生態區劃方案,發現制圖技術和結果差異巨大。尤其表現在兩個方面：第一、區劃結果難以直接對比。不同方案之間采用的數據、方法均有差異,即便同樣區劃方法和數據,在制圖技術方面也存在差異,造成區劃結果難以進行直接對比。第二、制圖自動化和更新技術缺乏。現有的多數區劃方案,從因子收集到制圖結果缺少標準化流程,制圖過程比較復雜,而且很多制圖因子難以更新。因此,需要建立更加精煉的分區因子選擇標準、處理規程、制圖技術、保存規范等。而且,區劃表達方式也需要多樣化,利于對比、推廣和應用。

3 未來展望

(1)明確不同生態區劃的科學或管理目標。現有的大多數地理/生態區劃已經對生態系統本身的異質性進行了較好的歸納和總結,未來的生態區劃不能簡單的對生態系統進行分類和分區,而是應該有更加明確的科學目的或者管理目標。在具體的分區過程中,應該堅持“多因子分區面向一個具體目的,而非單因子分區面向多個目標”。比如,水生態功能涉及到水文、環境、氣候、生物、經濟等不同領域的影響要素,利用不同學科的理論和方法進行指標篩選,但是最終分區結果是為了維持水生態系統健康和完整,為環保部門水質目標制定提供依據。

(2)強調人類需求對于生態系統服務的影響。人類作為生態環境的一個重要組成部分,在生態區劃中,人類需求和福祉越來越受到重視。現在的多數生態功能區劃是基于生態系統潛在的供給能力,比如生態系統面積乘以權重得出其服務價值。但是這些生態系統服務能否變成人類福祉則沒有考慮,造成人類需求和脅迫下的生態系統服務分區較少。未來的區劃需要加強面向人類福祉的生態系統服務分區,尤其是考慮生態系統服務的供給、需求、流動等規律和特征,社會-生態綜合區劃也是需要加強的領域之一。

(3)重視全球氣候變化對生態系統的現實作用和未來影響。在全球變化的背景下生態系統服務的時空異質性受到廣泛重視,開展不同氣候背景下的生態系統服務制圖,有利于提出更加符合全球目標和地方適宜的管理方案,也有利于針對未來氣候變化構建合適的應對策略。此外,除了生態系統產品提供能力外,生態系統調節和支持服務在全球氣候變化大背景下如何演變,比如水源涵養、土壤保持、碳固持等,也需要系統的時空研究和全球區劃制圖。

(4)加強現代制圖技術在生態區劃的運用。盡管制圖技術已經發展多年,遙感、數理統計和地理信息系統等技術也已經比較成熟,并非新鮮事物。但是,如何將其利用對生態區進行劃分、更新,仍然需要大量的工作。生態區劃從分區數據選取、數據處理、輸入建庫、結果制圖和發布等亟需建立一套標準和規范,從而可以進行多方案的對比和驗證。

(5)整合現有多原則和多目標的生態分區方案。現有的很多分區方案,雖然沒有冠以生態區劃的名義,但是很多也側重于生態系統的分類、分區、分級等,將這些分區方案按照不同原則進行歸納和收集,可以歸納和完善生態分區的技術方法,為生態系統管理提供有價值的參考。