基于系統保護規劃的海河流域濕地保護優先格局與保護空缺識別

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 北京師范大學環境學院,北京 100875

2 北京清華同衡規劃設計研究院有限公司,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系統之一,其獨特的生態功能在維持區域生態系統平衡和可持續發展方面具有不可替代的作用[1- 2]。然而,近30年來社會經濟的高速發展和城鎮化進程的持續推進,對濕地資源的高強度開發利用導致了濕地生態系統的嚴重退化,濕地生態系統受到了嚴重的威脅和破壞[3- 5]。建立濕地保護區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,中國已經建立了602個濕地自然保護區[9],至2019年濕地保護率達到52.19%[10]。然而,在保護區建設的初期階段,保護目標主要聚焦在搶救性保護,而對部分保護區的選址并沒有進行系統科學的規劃,這就導致了當前的保護區體系中多個保護區的保護目標重疊、保護區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]。如何科學并合理的構建區域濕地自然保護區網絡是當前研究的重要問題之一[15- 17]。

針對傳統保護區網絡規劃的不足,Margules等[18]提出了系統保護規劃(Systematic Conservation Planning,SCP)的概念,強調高效的利用有限的資源對具有代表性和持續性的區域進行保護。系統保護規劃理論有兩個關鍵原則,互補性和不可替代性,其中互補性旨在選擇新的保護區時其所代表的生物多樣性與當前保護區互補,不可替代性是指某片區域的缺失會在多大程度上損害整個區域的保護目標[19]。該理論還提出保護規劃不僅應當考慮自然性質和生物學范式,保護區的大小、連通性、邊界長度以及建立保護區所需的社會和經濟成本也應當考慮進來[20]。近年來,系統保護規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]。一些學者也開始將其理論和方法應用到淡水生態系統的保護規劃中,綜合考慮流域單元的連接性和生態過程,依據不同單元類型的生境、生物多樣性、生態功能等對整片流域進行保護規劃[25-28]。

海河流域是我國社會經濟發展的重心之一,濕地類型多樣,生物多樣性和生態系統服務價值巨大。以京津唐為主的城市群城市化發展非常迅猛,道路密度、人口密度為全國最高的區域之一。該區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,區域經濟密度、海岸線利用率、建設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區域,區域開發與資源環境保護矛盾非常突出[29-30]。持續高強度的開發建設,使區域內濕地遭受城市化、農業與油田開發、水產養殖、道路與水利工程等基礎設施建設的影響,表現為自然濕地被侵占、割裂,濱海濕地性質發生改變,濕地退化過程不斷加劇,區域可持續發展能力以及生態安全受到威脅[31]。故此,本研究以海河流域作為研究對象,運用系統保護規劃的理論方法,識別海河流域的保護優先格局及空缺,構建海河流域濕地保護網絡,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依據,并對國內其他流域的保護規劃提供一定的借鑒價值。

1 研究地區概況

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蒙古自治區和遼寧省的小部分區域,是我國北方政治、經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,北部為蒙古高原和燕山山區。海河流域屬于半濕潤半干旱的溫帶大陸性季風氣候區,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、水質凈化、氣候調節和生物棲息地等生態系統服務功能顯著[32]。然而,由于近幾十年來高強度水利工程的建設、地下水超采及污水排放和上游山地煤炭開采活動等,導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,南水北調一期工程的通水竣工,為海河流域濕地恢復和濕地生態建設創造了新的機遇。

圖1 海河流域行政單元分布圖

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源及處理

本研究所采用的數據包括：90 m空間分辨率DEM數據,全國水資源分區圖,國家級濕地保護區分布(截止2010年),全國濕地類型分布(2008年),1:3200萬中國地貌分類數據(2002年),1∶400萬中國氣候帶分布數據(2002年),1∶25萬數字水系圖(截止2008年),海河流域鳥類分布數據,空間社會經濟數據(包括公路、鐵路、水壩、居民點和城鎮分布以及全國縣域行政單元分布等)。其中DEM數據為美國太空總署和國防部國家測繪局(NIMA)聯合測量的SRTM_DEM數據；全國水資源分區圖來源于水利部水電規劃設計總院；全國濕地類型數據為中科院遙感科學國家重點實驗室提供的全國濕地遙感分類數據；氣候帶分布和地貌數據分別取自中科院資源環境數據庫(http://www.igsnrr.ac.cn)和《中國人民共和國氣候圖集》[34]；鳥類分布數據則依據IUCN瀕危等級,從中國鳥類觀測中心網站(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；數字水系圖和空間社會經濟數據均來源于國家基礎地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn)。

2.2 研究方法

研究考慮濕地生態系統的連接性,以集水區作為保護規劃單元,以氣候-地貌-濕地生態地理單元及水鳥分布作為保護對象,運用系統保護規劃模型Marxan,對海河流域保護優先格局構建及保護空缺識別。Marxan模型要求在進行保護規劃時將區域劃分為多個基本單元,每個單元擁有一定數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、反復迭代,直至選出能夠滿足目標數量且成本最低的基本單元的集合。

2.2.1確定規劃單元

依據海河區域DEM及基本水系,采用美國德克賽斯州立大學奧斯汀分校水資源研究所聯合美國環境研究所開發的ArcHydro工具建立的集水區單元作為規劃單元,研究選取河源密度和河網密度參數來來確定合理的集水面積閾值,通過敏感性分析,最終確定設置200 km2作為流域集水區的平均面積。

2.2.2保護對象的選取

研究的保護對象共分為兩個層次,生態系統層次和物種層次(圖2)。生態系統層次是根據全國濕地遙感分類數據,綜合考慮氣候類型、地貌單元等決定區域濕地生態水文過程的關鍵因子,構建氣候-地貌-濕地生態地理綜合分類方案。海河流域氣候區分類共兩種：包括暖溫帶濕潤及半濕潤區和中溫帶干旱及半干旱區；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系統水平的保護對象；由于魚類、兩棲類等生物分布數據缺乏,研究將水鳥這一濕地生態系統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,參照相關研究,選取了公路、鐵路、城鎮、農村居民點和水壩和保護區構建人為干擾指數,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,并乘以權重系數并加和,即得每個集水區的保護成本指數,計算公式如下：

(1)

C′=C(1-0.5R)

(2)

式中,Vi為每個集水區內因子i的度量值；Wi為因子i的權重(表2)；j為每個集水區內因子的個數；C為集水區調整前的保護成本指數；C′為集水區經過保護調整后的成本指數；R為集水區內保護區與該集水區的面積比。

表2 各影響因子的度量和權重

2.2.4保護優先格局及保護空缺識別

研究利用空間優化模型Marxan計算海河流域濕地保護優先格局,該模型基于模擬退火算法,可以高效的對區域內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,計算出能夠最大程度代表保護目標且保護成本最低的規劃單元的集合。參考CBD(Convention on Biological Diversity)對國際生物多樣性保護目標設置的20%基準線及當前多數系統保護規劃研究,本研究選取30%作為海河流域生態系統層次和物種層次的保護目標。

另外,通過Marxan邊緣長度調節模塊(Boundary Length Modifer, BLM)來調節格局優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域會導致保護所需土地資源代價增加,為了權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,通過對比優先保護格局的模擬結果與現有保護區分布格局,識別具有不可替代性保護價值且游離于現有保護體系之外的集水單元,即為保護空缺。

3 結果與分析

3.1 海河地區濕地保護現狀評估

基于遙感分析,海河流域現狀濕地面積為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狀及保護比例

海河地區保護區面積共3152.42 km2,保護區內濕地面積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%,經系統保護優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,經優化提升后的保護比例達到28.55%,優先保護面積達36.55 km2(圖4)。總體來看,經過系統保護規劃后的優化保護格局(保護比例為37.29%)可大幅扭轉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。各生態地理單元水平的濕地保護現狀及優化保護保護面積詳見表3。選取的124種水鳥中,當前保護現狀中僅有3種被納入保護體系,經優化調整后可提升至67種水鳥。

表3 海河流域生態地理單元水平濕地保護及優化面積

圖4 海河流域各類型濕地保護現狀及優先保護對比

3.2 海河流域各子流域濕地保護優先格局空缺分析

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,對比現有國家級濕地保護區與優先保護格局,識別確定了海河流域及不同流域區段的濕地保護空缺(圖5)。結果表明：灤河上游及河源區流域濕地保護空缺主要集中分布在河北承德市與內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)下游平原區域主要濕地保護空缺則分布在北京市海淀、順義區以及天津市寧河縣東部；大清河上游河源區主要保護空缺則主要分布在北京市房山區、保定市中部及南部區域；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域；大清河淀東平原保護空缺主要為廊坊市東南側的濱海濕地群；子牙河上游河源區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及黃河三角洲自然保護區,其保護空缺主要位于兩處濕地保護區外圍區域。

圖5 海河流域濕地優先保護格局

4 討論

4.1 海河流域保護格局優化建議

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,現有保護體系覆蓋了其大部分優先保護濕地,其余流域的優先格局基本等同于保護空缺,考慮到未來以雄安新區建設為龍頭的京津冀一體化發展,對海河流域濕地進行搶救性保護,構建京津冀一體化水生態安全格局,維護修復提升京津冀區域重要濕地生態系統服務功能已迫在眉睫。在分析海河流域濕地格局優化模擬結果基礎上,針對海河流域濕地保護優化格局的關鍵區域提出如下相關建議：

(1)灤河及冀東沿海區域：該區域濕地以灤河上游河源區及其入海平原為關鍵區域,雖然該區域的人為干擾程度較低,但山地河流濕地具有生態環境的脆弱性,容易受水電站建設等人為活動干擾。針對該區域保護空缺,建議對關鍵河段設立保護小區,填充保護空缺；同時,在流域尺度上實施統一管理和水文水資源生態調度。

(2)海河流域北部水系：該區域為京津冀一體化的核心地帶,由于該區域經濟社會的快速發展,大面積自然濕地已遭到人為活動的干擾與破壞。針對該區域濕地保護空缺,一方面應在河北、內蒙及山西三省交界處的河流濕地設立新的濕地自然保護區；同時,針對京津等經濟發達、人口密集區域的濕地保護空缺,可以結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,充分發揮人口密集區濕地所具有的生態系統服務功能,在保護濕地生物多樣性同時,協同推進京津冀綠色生態基礎設施建設。

(3)海河流域南部水系：該區域為京津冀一體化的生態支撐關鍵區域,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,為京津冀地區提供了水資源儲備和水生態支撐等重要生態服務功能,更是未來京津冀可持續發展及北京非首都功能疏解(雄安新區的規劃建設)的重要生態儲備資源。因此,在該區域應主要圍繞這些重要濕地,依據保護空缺分布,適度擴大原有保護區面積,升級原有濕地保護級別(如將白洋淀省級濕地自然保護區提升至國家級然保護區或調整建立國家濕地公園等),提升該區域濕地保護管理水平。

(4)徒駭馬頰河水系：該區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域,由于該區域已建立了國家級濕地保護區,濕地保護比例較高,因此其主要任務是在現有保護體系的基礎上適度擴建保護區范圍,調整保護區邊界,使其更加契合濕地保護優先格局和保護空缺,以進一步提高濕地保護的有效性。同時,應開展針對性的濱海濕地修復工作,構建濕地保護-修復一體化優化格局,以緩解圍填海和海平面上升導致對濱海濕地的雙重擠壓脅迫效應。

4.2 展望

(1)建立高分辨率氣候-地貌-濕地生態地理分類單元：濕地生物數據難以獲取是保護規劃的難點之一,本研究通過建立氣候-地貌-濕地生態地理單分類體系,強調不同類型氣候、地貌、濕地共同作用下對濕地生態系統結構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系[38-39],從而使得濕地系統保護規劃的結果更具完備性和科學性。

(2)重視濕地生態系統與陸地生態系統的連通性：水文連通性是濕地生態系統系統保護規劃的研究熱點之一,即將濕地生態系統的上下游之間(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)考慮到系統保護規劃中來。然而,越來越多研究開始意識到濕地生態系統與陸地生態系統之間生態過程及社會經濟過程的重要性[40-41],忽視物種、污染物等在不同生態系統之間移動、擴散都會對生物多樣性保護造成負面影響,導致保護出現偏差。因此,為了更加高效的對濕地生態系統進行系統保護規劃,還應考慮陸地生態系統對其的影響,定性或定量的表征兩者之間連通性的強弱。