基于多種保護特征協同與權衡的區域自然保護地網絡規劃
——以北京為例

歐小楊

王 婧

吳佳霖

鄭 曦*

1 背景

生態系統和棲息地的退化是全球范圍內普遍存在的過程[1]。人類活動對生態系統的影響，增加了棲息地喪失和物種滅絕速率[2]，鑒于人類對生態系統服務(ESs)的依賴[3]，生態系統退化不僅帶來了自然保護的問題，也將嚴重威脅人類社會的可持續發展[4]。建立自然保護地是應對上述問題最有效的措施[5]。

理想的自然保護地網絡應該對自然保護和人類福祉的多重目標進行制圖與整合，關鍵生態系統服務保護、生物多樣性保護與荒野保護等內容應作為自然保護地空間劃定的關鍵要素[6]。在特定的自然保護地網絡規劃和研究中，體現自然保護地網絡的建立目的和選址劃界依據、被視為保護重點的實體統稱為保護特征(Conservation Features)①[7-8]。在多目標的自然保護地網絡規劃趨勢下，保護特征通常包括以物種、群落和生態系統類型[9]為代表的生物多樣性特征和各類型生態系統服務特征。

針對多種保護特征的自然保護地網絡規劃需要解決的關鍵問題之一，是確定保護特征的空間分布并劃定價值最高且總體保護成本最小的空間格局，最大程度提升保護特征之間的協同[10]，降低權衡，以高效的空間劃定滿足保護目標[11]。目前對于保護特征的評估和空間識別已有物種分布模型[12]、保護優先區分析[13]、生態系統服務制圖[14]等方法，而對于自然保護地網絡的空間劃定，普遍采用的基于垂直生態過程疊加方法[15]雖然能夠確定生態系統中總體價值和適宜性較高的區域[16]，但不能直接平衡空間上多種保護特征的協同和權衡[17]，保護成本較高，有待探索更具全面性和有效性的自然保護地網絡規劃方法。

過去20年，系統保護規劃(SCP)[9]發展為國際上生物多樣性保護規劃的主流框架[18]。SCP的主要步驟包括保護特征識別、保護目標設定、現有保護地評估、基于空間優化算法的新增保護區域選址、保護地的實施管理與監控等[9]。空間優化算法是SCP的核心技術，采用數學模型根據量化的保護目標、保護成本，保護體系連通性、人為干擾等因素進行空間優化計算[19]，在最小的土地利用面積和總體保護成本下實現保護目標，并體現多種保護特征的空間協同與權衡。系統保護規劃在自然保護地規劃[7]、區域功能區劃[20]、生態系統服務熱點選取[10]、保護地外圍可持續產業規劃[21]等領域已有成熟應用。

本文以北京為例，依托系統保護規劃框架，應用空間優化算法探討區域自然保護地網絡規劃。對生物多樣性和生態系統服務特征在保護分區中的分配進行優化布局，以最大限度地提高保護特征之間的協同，同時減少與生物多樣性保護不相容的生態系統服務之間的權衡。

2 研究方法

研究基于系統保護規劃(SCP)流程，首先選取重要保護特征并進行空間制圖；設立每一類保護特征的總體保護目標，確定單一保護特征的優先保護區域并進行空間相關性評價。根據空間相關性，定義不同功能的保護分區，以促進保護特征之間的協同并降低具有沖突的保護特征間的權衡。此后，設計規劃情景，確立總體保護目標的分區分配比例，通過空間優化算法生成多情景自然保護地網絡規劃方案(圖1)。

2.1 技術框架

研究采用Marxan with Zones來實現空間優化。該軟件是系統保護規劃廣泛應用的決策支持工具[22]。將量化的保護特征以及保護成本定位在規劃單元內，定義保護特征的總體保護目標和在不同規劃分區中的分配比例，并根據不同分區的連接度要求定義邊界懲罰因子。該軟件通過模擬退火算法進行多次迭代運算，每次運算均生成一組目標函數的解，在總體和分區保護目標的限制下，結合概率突跳特性在解空間中逐漸趨近目標函數的全局最優解，對應目標函數最優解的保護分區空間分布，即為某一情景下的自然保護地網絡的最優布局(圖2)。

2.2 研究區域與規劃單元劃分

研究區域北京市總面積1.64萬km2，生態系統類型多樣。山區森林具有豐富的生物多樣性資源，并提供調節水文、減緩土壤侵蝕等生態系統服務。隨著北京人口迅速增加和建成區快速擴張，生物多樣性面臨威脅[23]，水源涵養、水土保持等生態系統服務功能退化嚴重[24]，亟須優化自然保護地網絡空間格局，保證區域生態安全。

研究區域劃分為面積為1km2的正六邊形規劃單元。

2.3 數據采集與現狀評價

2.3.1 生物多樣性保護特征

研究采用的生物多樣性保護特征包括物種和棲息地2個層次。選取北京市的珍稀瀕危鳥類分布點位[25]，采用Maxent物種分布模型模擬鳥類物種的生態分布范圍，作為動物物種多樣性特征。由他人研究數據引用植物優先保護地區[26]，以優勢樹種分布作為棲息地類型[27]特征。

2.3.2 生態系統服務(ESs)保護特征

依據生態系統服務通用國際分類(CICES)的調節服務、文化服務和供給服務，參考國內相關評估指標體系[28]，結合北京市主要生態系統的功能，選擇生態系統碳固定、土壤保持量、水源涵養能力、產水量、作物生產量、娛樂機會6項生態系統服務，進行數據引用[29]和計算。

2.3.3 確定總體保護目標

圖1 研究路線

為了保證每種特征在規劃的保護地網絡中有足夠的數量，需要確定總體保護目標。生物多樣性特征的總體保護目標主要依據現有分布的普遍性和物種保護等級來確定(表1)。既往研究主要依據經驗值設置ESs特征保護目標，由于相關數據缺乏，本研究僅在單一特征的優先保護區域選址中采用30%作為試驗目標，在多種保護特征的優先保護分區選址中，分析不同ESs保護目標對結果的影響。

2.4 定義保護分區

2.4.1 保護特征的空間相關性分析

采用Marxan with Zones進行空間優化運算的主要目的在于利用其分區功能，將空間相關性較高的保護特征集中在同一保護分區內，增加保護特征之間的協同，將空間相關性較低的保護特征劃分至不同保護分區，減少由于對某種特征的保護導致其他特征的權衡。因此，需要對ESs與生物多樣性的熱點區域進行空間相關性分析，為保護分區的劃定提供支撐。

基于每一類保護特征總體保護目標，分別使用Marxan with Zones對7類保護特征分別進行空間優化運算，確定該保護特征的優先保護區域。對各項ESs與生物多樣性的優先保護區域進行網絡疊加分析[10]，并采用Pearson相關系數校核網絡疊加分析的結果。根據空間相關性由高至低將ESs特征分為3組(A組：水源涵養能力、產水量，B組：土壤保持量、生態系統碳固定，C組：作物生產量、娛樂機會)，以分配其分區保護目標，這是保證最大協同與減少權衡影響的關鍵步驟。

2.4.2 定義保護分區的功能

依據空間相關性分析結果、保護特征的主體資源屬性及管理目標[30]，為研究區域的自然保護地網絡預設3個保護分區級別：嚴格保護區——集中保護生物多樣性及與其有最高空間相關性的A組ESs，禁止開發利用；整體保護區——連接嚴格保護區，主要保護與生物多樣性有中等相關性的B組ESs，限制人類活動；協調保護區——保證與生物多樣性兼容性低的C組ESs，允許以傳統利用方式和游憩活動為主的低強度資源利用活動。此外，設定可持續利用區，包括現狀及未來的城市建設用地。

2.5 確定多種保護特征的優先保護分區

2.5.1 設置分區保護目標

在確定各保護特征的總體保護目標和各分區主要功能之后，需要規定保護特征在不同分區內的保護目標，作為Marxan with Zones運算分區空間分布的限制條件。

研究創建3種分區保護目標分配場景——絕對理想的保護場景、嚴格的保護場景以及開放的保護場景，代表分區保護目標設置允許的資源利用強度(表2)。

場景1將生物多樣性特征和A組ESs保護目標完全分配在嚴格保護區內，B組和C組ESs保護目標分別由整體保護區和協調保護區實現；場景2將一部分生物多樣性保護目標納入整體保護區，允許整體保護區和協調保護區中不同組ESs保護目標共存，形成保護為主的目標分配；場景3代表較高的資源利用需求，為協調保護區分配更多生物多樣性和A、B組ESs保護目標。

圖2 空間優化算法原理圖

2.5.2 保護成本與連接度

研究將人類活動足跡(HFP)[31]作為保護成本，定義與Marxan with zones中的成本(Cost)、分區成本(Zonecost)、邊界長度參數(BLM)和分區連接度參數(Zoneboundcost)，以控制空間優化算法的選址結果。

2.5.3 ESs目標實現率的敏感性分析

為探究多種保護特征出現權衡的臨界條件，評估不同場景對ESs保護目標的實現能力，在保持生物多樣性總體保護目標一致的條件下，改變3個場景下每類ESs的總體目標，進行保護目標為10%～80%的保護分區空間優化運算。比較3個場景下各分區的空間分布和保護目標的實現情況。

3 結果

3.1 自然保護地網絡保護分區空間分布

不同場景中保護分區的空間分布具有一定的相似性。以ESs總體保護目標35%的選址結果為例(圖3-1～3-3)，嚴格保護區集中分布于規劃區域北部密云、懷柔、延慶區域；整體保護區主要集中于西部山區，在協調保護區與嚴格保護區之間形成了連續的斑塊；協調保護區主要分布在淺山和山腳平原區域，在整體保護區與城市建設區之間發揮緩沖作用。

對照區域現有自然保護地體系，不少于83.4%(場景3)的現狀自然保護區劃入嚴格保護區和整體保護區；密云水庫、官廳水庫、懷柔水庫等重要飲用水源地及周邊區域均劃入嚴格保護區；永定河水系、潮白河水系、沙河水系等臨近現狀城市建設用地的河流水系周邊形成了延伸至城市建設區內的保護區域，反映河流廊道較高的生物多樣性和生態系統服務保護價值；不少于53.94%(場景3)的森林公園、風景名勝區、地質公園等其他自然保護地劃入嚴格保護區，對應現狀自然保護地內保護價值較高的區域。

對比該目標下3個場景所選擇保護分區的面積(圖3-4)，場景1的保護分區的規劃單元數量(12 948個)較場景2(12 621個)和場景3(12 639個)更多，說明在相同的總體保護目標下，嚴格分區目標設置使更多土地被指定為保護分區，而場景2、3由于具有靈活的目標分配，能夠實現相對集約的生態保護，可持續利用空間更多。嚴格保護區面積由場景1～3依次遞減，對應規劃實施成本的降低；整體保護區在場景2中面積最大，說明該場景中該分區承擔較多的保護目標。協調保護區面積在場景1～3依次遞增，體現由嚴格的保護轉向控制性資源利用的目標取向。

圖3 ESs總體保護目標35%的3個場景保護分區空間分布和面積對比

3.2 保護目標實現率的敏感性分析結果

為探究各場景中能夠實現的保護目標閾值，分析3個場景ESs總體保護目標為10%～80%時的保護目標實現率。

在場景1中(圖4-1)，由于保護目標的嚴格分配，在ESs保護目標為35%以下時能夠完成所有保護目標，ESs總體目標的實現能力較低。在多種保護目標出現沖突時，該場景優先保護生物多樣性和A組ESs特征。

場景2(圖4-2)與場景3(圖4-3)均在ESs總體保護目標超過55%后開始出現權衡，說明靈活的分區設置有利于實現更大的保護目標總量。在多種保護特征出現沖突時，場景2優先實現生物多樣性和A組ESs的保護，場景3優先實現C組ESs的保護。

4 討論與結論

4.1 研究意義與創新性

1)提出可操作性強的自然保護地網絡空間規劃方法。

研究采用的空間優化算法，能夠通過保護特征、總體和分區保護目標、保護成本、邊界長度等空間分布數據直接反映規劃者的要求，確定具有不同生態價值和功能的保護分區，并直觀地描述每一次最優解中各保護特征的實現率和保護成本大小。該框架為區域自然保護地網絡提供了明晰的空間規劃方法，有助于系統整合區域現有各類自然保護地，合理確定適宜的保護區域，建立穩健的規劃決策。

表2 3種場景的分區保護目標設定

2)完善空間優化選址算法的應用流程。

采用空間優化算法的既往研究存在的主要問題包括：單一的分區工具未能有效減少權衡[10]；依據主觀經驗判斷保護特征之間的相關性[32]。針對上述局限性，研究首先通過定量的空間相關性分析探討研究區域內各種保護特征存在的協同和權衡作用，劃分保護分區并進行空間優化計算，完善既有方法。

4.2 規劃場景應指向有針對性的保護措施

研究設置的3種情景反映嚴格的保護、以保護為主以及保護與資源利用并重的目標取向。結果表明，適度靈活的分區保護目標設置(場景2)能夠在較小的土地面積內完成更多保護目標，有效降低保護特征之間的權衡。將一部分生態系統供給服務分配至保護級別最高的嚴格保護區，符合在保護生物多樣性和生態系統服務的同時兼容生產利用的自然保護地規劃趨勢[33]。

靈活的分區目標設置可能對管理分區的實施帶來挑戰。例如，將一部分對人類活動和生境退化敏感的生物多樣性保護目標分配至管理強度較弱的分區，盡管在理論上能夠完成更多的保護目標，但實際保護的有效性可能有所降低；反之，將作物生產、娛樂機會等資源利用強度較高的生態系統服務分配至嚴格保護區，同樣可能對該區的其他保護特征造成威脅。解決以上矛盾的方法之一，是依據目標特點制定具體實施策略，保證自然保護地以保護為主的功能導向，并對保護特征進行后續監測以修正總體和分區保護目標[7]。

4.3 研究存在的問題和未來探索方向

1)保護特征和保護目標量化可能存在偏差。

通過物種分布模型的概率代替實際物種數量，存在一定不確定性，未來應提升數據準確性。此外，未來應針對特定ESs推導合理的保護目標，深入研究區域的生態、社會和經濟需求，賦予保護目標更確切的現實意義。

2)對保護成本的衡量較為簡單。

研究的保護成本僅以人類活動強度為衡量標準，需要結合實際的區域管理現狀，對實際的管理目標以及政策驅動下的管理成本進行確切的考量。

圖4 3個場景保護目標實現率隨ESs總體保護目標變化的敏感性分析

4.4 結論

目前，實施自然保護地統一設置和分級管理，形成以國家公園為主體的自然保護地體系是自然保護地空間規劃的重要趨勢。對于已經高度城市化的區域，自然保護地網絡規劃需要協調保護特征之間的相關性，提升有限空間內自然保護的有效性。研究探討了依據區域生物多樣性和生態系統服務保護特征的空間協同與權衡關系進行優先選址布局的區域自然保護地網絡規劃方法。結果表明，在嚴格的保護場景中將保護目標以小部分分配至相鄰的分區，有利于提高保護目標實現率和保護特征之間的協同。在具備相關數據的條件下，本研究建立的方法適用于大部分需要依據多種價值進行保護空間優先選址的規劃情景，為區域自然保護地網絡建設提供了可操作性強的技術手段。

注：文中圖片均由作者繪制。

致謝：感謝北京林業大學園林學院提供的支持；感謝北京林業大學自然保護區學院邢韶華老師對數據收集提供的幫助。

注釋：

① 部分學者采用conservation targets一詞描述該定義，為避免與表示期望的保護地網絡的保護水平的目標(target)一詞混淆，在本文中均采用“保護特征”進行表述。