全國重要生態功能區生物多樣性保護成效區域對比評估

陳子琦,董凱凱,張艷紅,侯光雷,劉兆禮

1 中國科學院東北地理與農業生態研究所,長春 130102

2 吉林大學地球探測科學與技術學院,長春 130026

3 濱州學院山東省黃河三角洲生態環境重點實驗室,濱州 256600

國家重要生態功能區是國家主體功能區戰略實施和生態保護紅線劃定的基礎,關系到全國乃至全球范圍的生態安全。2015年環境保護部發布了《全國生態功能區劃》修編版,它是根據區域生態系統格局、生態環境敏感性以及生態系統服務功能的空間分異規律,在全國范圍內劃分了63個重要生態功能區,其涵蓋的生態功能涉及到生物多樣性保護、水源涵養、水土保持、防風固沙以及洪水調蓄,其中,生物多樣性保護功能在上述五種生態功能中占據著重要的位置[1]。為推動國家生態功能區建設,提高當地政府生物多樣性保護的積極性,環境保護部開展了生物多樣性生態功能區保護成效的定量評估,以此衡量當地政府部門在生物多樣性保護工作方面的成效,并根據考核情況優劣,以轉移支付方式進行資金補償或扣減[2]。

目前,生物多樣性功能評估主要以種群和棲息地兩種方式進行展開[3],環境保護部發布的《生態環境狀況評價技術規范》(HJ/T192—2015)中即從上述兩個方面進行生物多樣性功能評估[4]。種群指標包含生物豐度指數、物種數量、多樣性指數等,它們可以直接反映生物多樣性功能水平；棲息地指標包含受保護區域面積比、林地和草地覆蓋度、生境質量指數等[5—6],它們可以間接表征生物多樣性功能。為提升生物多樣性維持能力,主要采用改善棲息地質量、禁止圍獵、防止外來物種入侵等保護措施[4,7]。生境作為物種棲息和繁殖的場所,其動態變化直接影響物種的生存和繁殖[8—9],因此,棲息地質量的改善有助于提高生物物種的保護效率與區域豐富生物多樣性[10—11]。InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型計算的生境質量指數多被用于棲息地質量的定量描述[12—13]。Terrado等將模型計算的生境質量指數結果與生物多樣性實測數據進行對比,發現它們之間呈現顯著的相關性,最高相關系數達到0.76[14]。

近年來高強度的人類活動對物種棲息地造成了不同程度的破壞,為此,我國政府實施了一系列的生物多樣性維持功能的恢復與重建工作,這些工作促進了區域生物多樣性維持功能的改善,由于不同地區執行力度存在差異,需對工作成效進行科學的定量評估。當前,評估工作主要集中在重要生態功能區的生物多樣性維持能力的評價,而對保護措施實施后的生物多樣性維持能力變化,即生物多樣性保護成效的評估關注不夠。由于重要生態功能區是自然保護地的一種類型,其保護成效評估研究現狀可以參考自然保護地評估的研究進展情況。對于自然保護地保護成效方面,國內外學者主要面向自然保護地個體開展定量評估[15],采用自然保護地建立前后[16—17]對比,或者自然保護地內外對比[18—21]兩種方式。與上述評估方式不同,鄭姚閩等[22]采用了濕地自然保護區之間對比的生物多樣性保護成效評估方式,主要使用關鍵物種數、瀕危物種數量和稀有物種數量等種群指標,開展了全國范圍內91個國家級濕地自然保護區保護成效的空間對比評估。由于沒有考慮生態環境本底的地域分異,其評價結果難以反映濕地自然保護區之間保護成效的真實差異[23]。針對上述空間可比性缺乏問題,徐丹丹等[24]建立了一套基于參照基準的濕地生物多樣性保護成效的評估方法,采用的是棲息地評估指標,它可以較好地體現濕地生物多樣性保護成效的空間差異；Dong K等[25]又將該方法拓展至不同生態系統類型之間的生物多樣性保護成效評估之中,從而為全國尺度的生物多樣性保護成效評估提供了新的思路。本研究利用上述評估方法,開展了全國范圍內重要生態功能區生物多樣性保護成效的區域對比評估,研究結果可為我國生物多樣性保護方面的生態補償提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區

2015年環境保護部發布的《全國生態功能區劃》修編版從生物多樣性保護、水源涵養、水土保持、防風固沙以及洪水調蓄等類型在全國尺度上劃定了63個重要生態功能區。其中,有24個生態功能區以生物多樣性保護為主,面積共計220.8萬km2,它們覆蓋了陸地國土面積的23.1%,其代碼及位置如圖1所示。除華北地區,其它行政分區均有生態功能區分布,生態功能區占各行政分區比例分別為：西南(57.25%)、華東(7.45%)、華南(3.02%)、西北(15.12%)、東北(7.31%)以及華中(9.85%)。

圖1 生物多樣性保護重要生態功能區分布圖Fig.1 Distribution of important ecological function areas for biodiversity conservation24個生物多樣性功能區名稱及代碼：1.小興安嶺生物多樣性保護重要區(XXAL)；2.三江平原濕地生物多樣性保護重要區(SJ)；3.松嫩平原生物多樣性保護與洪水調蓄重要區(SN)；4.遼河三角洲濕地生物多樣性保護重要區(LH)；5.黃河三角洲濕地生物多樣性保護重要區(HH)；6.蘇北濱海濕地生物多樣性保護重要區(SB)；7.浙閩山地生物多樣性保護與水源涵養重要區(ZM)；8.武夷山-戴云山生物多樣性保護重要區(WY-DY)；9.秦嶺-大巴山生物多樣性保護與水源涵養重要區(QL-DB)；10.武陵山區生物多樣性保護與水源涵養重要區(WL)；11.大瑤山地生物多樣性保護重要區(DY)；12.海南中部生物多樣性保護與水源涵養重要區(HN)；13.滇南生物多樣性保護重要區(DN)；14.無量山-哀牢山生物多樣性保護重要區(WL-AL)；15.滇西山地生物多樣性保護重要區(DX)；16.滇西北高原生物多樣性保護與水源涵養重要區(DXB)；17.岷山-邛崍山-涼山生物多樣性保護與水源涵養重要區(M-QL-L)；18.藏東南生物多樣性保護重要區(ZDN)；19.珠穆朗瑪峰生物多樣性保護與水源涵養重要區(ZMLMF)；20.藏西北羌塘高原生物多樣性保護重要區(ZXB)；21.阿爾金山南麓生物多樣性保護重要區(AEJ)；22.西鄂爾多斯-賀蘭山-陰山生物多樣性保護與防風固沙重要區(XE-H-Y)；23.準噶爾盆地東部生物多樣性保護與防風固沙重要區(ZD)；24.準噶爾盆地西部生物多樣性保護與防風固沙重要區(ZX)

1.2 數據

土地覆被數據集(ChinaCover)由國家重點研發計劃項目“基于多源數據融合的生態系統評估技術及其應用研究”課題一提供,該數據集以國產環境災害衛星(HJ- 1A/B)和美國陸地衛星(Landsat)數據為信息源,采用40類分類系統以及面向對象的多尺度分割與變化檢測分類方法得到的1990、2000、2010與2015年土地覆被數據集,空間分辨率為1km；土地分類系統包括林地、草地、濕地等生態用地之外,還包括建設用地、交通用地等非生態用地類型。

矢量數據包括全國行政大區、重要生態功能區與自然保護區三類。其中,全國行政大區邊界數據是結合行政區劃方案,對全國省級邊界矢量數據進行區域合并操作而得到的。重要生態功能區矢量邊界數據來源于2015年《全國生態功能區劃》修編版,通過掃描數字化并人工目視跟蹤提取而獲得。國家級自然保護區邊界矢量數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/),包含384個自然保護區的核心區、緩沖區與實驗區的邊界數據。

1.3 方法

本研究包括重要生態功能區生境質量指數計算、重要生態功能區生境質量指數參照基準構建與全國尺度生物多樣性保護成效空間對比評估3個部分。

1.3.1重要生態功能區生境質量指數計算

InVEST模型是由美國斯坦福大學、大自然保護協會(TNC)與世界自然基金會(WWF)聯合開發的,用于評估生態系統服務功能、以支持生態系統管理和決策的一套模型系統,目前,已普遍應用在多個國家和地區的空間規劃、生態補償、風險管理等環境管理決策中。InVEST中的生境質量模塊基于土地覆被數據,綜合考慮生態用地類型對威脅因子的相對敏感性、威脅因子的相對影響、生態用地類型與威脅因子之間的距離以及土地受到合法保護的水平四個因素,生成反映生物物種棲息地水平的生境質量(Habitat Quality,簡稱HQ),從而間接表征區域生物多樣性維持功能水平[26—29]。本研究將土地覆被數據劃分為30個適合生物物種棲息的生態用地類型和水田、旱地、建設用地、交通用地和采礦用地的非生態用地類型(威脅用地類型)。一般是依據土地利用強度設置的,建設用地和采礦用地土地利用強度大,其對生境干擾程度最大,其次為交通用地,最后是水田和旱地。模型中指出越天然的生態用地類型對威脅因子的敏感度越大,即自然景觀對威脅因子有較大的敏感度,其次為半自然景觀。參照相關研究結果[30—36],并考慮生境特點及與人類活動相關程度,對InVEST中的生境質量模塊參數進行賦值(表1和表2)。

生境質量計算公式如下：

(1)

式中,Qxj為土地覆被類型j柵格數據中網格x的生境質量,數值范圍0—1,生境質量越大,表示生境質量水平越高,而生境質量越小,表示生境質量水平越低；Hj為土地覆被類型j的生境適宜度,生境適宜度越大,表示生態用地類型適合生物物種生存的能力越高；k為半飽和常數,通常取0.5；z為默認參數,通常取2.5；Dxj是土地覆被類型j柵格數據中網格x所受威脅水平,Dxj的計算公式如下：

(2)

式中,r為威脅用地類型,R為威脅用地類型總數；y為r威脅用地柵格圖上的所有網格；Yr為r威脅用地柵格圖上的一組網格；wr為威脅用地類型r的權重,表示威脅因子對生態用地類型的影響程度；ry為網格y的生態威脅因子值(0或1),本研究中取值為1；βx為網格x的威脅可達性水平,數值范圍為0—1,取決于區域是否受到保護,本研究在計算國家級自然保護區核心區生境質量時設置威脅可達性指數為0.1；Sjr為生態用地類型j對威脅用地類型r的敏感性,取值0—1,表現為取值越大,生態用地類型的抗干擾能力越差；irxy為網格y中生態威脅因子ry對網格x中生境的威脅水平,irxy的計算公式如下：

(3)

式中,dxy為柵格x與柵格y之間的線性距離,drmax是生態威脅因子r的影響區域。

表2 威脅因子權重表和最大影響距離

在具體操作時,首先,從重要生態功能區土地覆被數據中,提取并生成生態用地柵格數據與生態威脅因子柵格數據；其次,設置生境適宜度因子權重與威脅敏感度量化表(表1)和威脅度因子權重表(表2)；再次,將生態用地柵格數據及其生境適宜度因子權重與威脅敏感度量化表、生態威脅因子柵格數據及其威脅度因子權重表等數據輸入InVEST模型中,運行生境質量模塊輸出了全國尺度重要生態功能區生境質量柵格數據；最后,對重要生態功能區的生境質量柵格數據進行平均處理,得到每個重要生態功能區的生境質量指數。

1.3.2重要生態功能區生境質量指數參照基準構建

生境質量指數參照基準(Habitat Quality Reference,簡稱HQR)本質上反映的是重要生態功能區生態環境本底狀況。參照基準獲取方法是：首先,選取重要生態功能區內的國家級自然保護區核心區作為參照區,一般認為,自然保護區核心區極少或者不受人類活動干擾,能夠代表該區域的本底狀況；然后,計算多個時期的自然保護區核心區的生境質量指數；最后,從中選取多期生境質量指數最大值作為重要生態功能區的生境質量指數參照基準[24—25],計算公式如下：

HQR=MAX(HQ1990,HQ2000,HQ2010,HQ2015)

(4)

式中,HQR為生境質量指數參照基準,HQ1990,HQ2000,HQ2010,HQ2015分別為1990、2000、2010、2015年四個時期的國家級自然保護區核心區生境質量指數。

然而,對于全國尺度重要生態功能區,有些生態功能區內無國家級自然保護區分布,有些生態功能區內又存在著兩個及以上國家級自然保護區。為此,本研究針對生態功能區內無核心區分布的情況時,選擇與生態功能區臨近的自然保護區核心區作為參照區,其多期生境質量指數最大值作為該生態功能區的參照基準；針對生態功能區內存在多個自然保護區核心區時,分別選取多個自然保護區核心區的生境質量指數最大值,然后將多個核心區生境質量指數最大值進行平均處理,生成該生態功能區的參照基準,從而獲取全國尺度重要生態功能區生境質量指數的參照基準。

1.3.3全國尺度生物多樣性保護成效空間對比評估

生物多樣性保護成效空間對比評估是剔除生態功能區生態環境本底差異,實現大尺度生物多樣性保護效果的區域可比。本研究通過對評估時期的重要生態功能區生境質量指數與其參照基準進行差值計算,構建生物多樣性保護成效指數(Conservation Effectiveness Index, 簡稱CEI),該指數能夠較好地反映生態環境本底不同的生態功能區生物多樣性保護成效的空間差異狀況,可以實現全國尺度重要生態功能區的生物多樣性保護成效空間對比評估。保護成效指數計算公式如下：

CEI=HQ-HQR

(5)

式中,CEI為保護成效指數，HQ為生境質量指數,HQR為生境質量指數的參照基準。若CEI為正,表示評估時刻生態功能區的生物多樣性維持功能要高于原始水平,且兩者差異的幅度越大,表示保護成效越好；若CEI為負,表示評估時刻生態功能區的生物多樣性維持功能低于原始水平,且兩者差異的幅度越大,表示保護成效越差。

圖2 全國重要生態功能區生境質量指數參照基準 Fig.2 Habitat quality reference of National Important Ecological Function Areas

圖3 全國行政大區生境質量指數參照基準平均值 Fig.3 Mean deviation of habitat quality reference in national administrative regions

2 結果與分析

2.1 全國尺度生境質量指數參照基準

圖2展示的是全國重要生態功能區生境質量指數參照基準的差異狀況。生境質量指數參照基準較低的重要生態功能區基本上分布在我國西北地區,其中,生態環境本底最差的生態功能區位于準噶爾盆地；比西北地區稍好的重要生態功能區大部分位于我國的西南地區,但區內因其顯著的垂直地帶性而生態環境本底差異很大,橫斷山脈地區的生態功能區參照基準較高,而珠穆朗瑪峰生態功能區參照基準較低；東北地區生態功能區的生境質量指數參照基準普遍較高,但處于半干旱地區的松嫩平原生態功能區因鹽堿化和沙化較為嚴重,致使該地區生態環境本底較差；與東北地區參照基準相近的重要生態功能區分布在華中地區,且內部差異較小；華東與華南地區內部生態功能區因緯度較低且鄰近海洋,具有最好的生態環境本底。

圖4 全國行政大區生境質量指數參照基準標準差 Fig.4 Standard deviation of habitat quality reference in national administrative regions

將落入到行政大區范圍內的重要生態功能區面積作為權重,獲取行政大區的生境質量指數參照基準平均值與標準差如圖3和圖4所示。由圖3可以看出,華東和華南地區的生境質量指數平均值高于0.95,反映了它們的生態環境本底最好；東北和華中地區的生境質量指數平均值處于0.90—0.95之間,呈現小幅度低于華東與華南地區,說明它們的生態環境本底水平較好；而西南和西北地區的生境質量指數平均值分別為0.81和0.66,表示它們的生態環境本底狀況較差。從圖4可以得到,西北與西南地區生境質量指數標準差約為0.2,說明地區內部生態功能區的生境質量指數離散程度較大；東北地區生境質量指數標準差為0.06,反映了區內生態功能區的生境質量指數差異不大；華東、華南與華中地區的生境質量指數標準差位于0.01—0.04之間,表示了3個行政大區內生態功能區的生境質量指數差異性較小。

2.2 全國尺度生物多樣性保護成效的區域對比評估

2015年全國重要生態功能區的生物多樣性保護成效指數在空間上存在著較大的差異性(圖5)。位于東北和華東地區生態功能區的保護成效指數普遍落入負值區,說明它們的生物多樣性保護成效總體較差；華中和華南地區生態功能區的保護成效指數高于東北和華東地區,說明這兩個行政大區對生物多樣性的保護效果要優于東北和華東地區,生物多樣性保護成效水平在全國處于中游；西南和西北地區重要生態功能區的生境質量指數圍繞著參照基準上下浮動,體現著西南和西北地區在生物多樣性保護方面效果最佳。

從行政大區內部來看,東北地區除小興安嶺生態功能區之外,其它生態功能區的生物多樣性保護成效指數均較差,遼河生態功能區的保護成效指數(-0.69)處于全國最低水平；對于華東地區來說,南部的生態功能區在生物多樣性保護成效方面要顯著優于北部,但仍處于全國中下游水平。華中與華南地區內部的生態功能區在生物多樣性保護成效方面差距不大,保護成效指數大致在-0.12左右浮動；西南地區生態功能區的生境質量指數圍繞著參照基準上下波動,除該區東南部的生態功能區之外,其它生態功能區的生物多樣性保護成效普遍較好,最好的為珠穆朗瑪峰生態功能區,保護成效指數達到0.19；西北地區生態功能區保護成效指數內部差異狀況與西南地區大致相同,保護成效最好的生態功能區為準噶爾盆地西部生態功能區,保護成效指數高達0.34。

圖5 全國重要生態功能區生物多樣性保護成效指數空間分布(2015年)Fig.5 Spatial distribution of biodiversity conservation effectiveness index in National Important Ecological Function Areas (2015)

3 討論

本文通過建立全國尺度生境質量指數參照基準,實現了全國重要生態功能區生物多樣性保護成效的空間對比評估,可為國家有關部門通過轉移支付實施生物多樣性生態補償提供科學依據。從本文研究結果來看,在地廣人稀的西北和西南地區,它們的生物多樣性保護工作效果較好,而經濟發達地區的生物多樣性保護工作成效普遍較差。

以往生物多樣性保護空間對比評估主要體現為生物多樣性維持功能或者生態系統服務價值的空間差異性[37],而缺乏對于政府部門或相關單位在生物多樣性保護工作成效的定量評估。盡管都可以實現生物多樣性保護的空間差異評估,但是兩者存在本質性區別,前者體現的是生態系統本身所具有的生物多樣性維持能力,而后者表示的是人類對生態系統生物多樣性維持能力的影響,包括提升生物多樣性維持能力的積極影響,或者損害物多樣性維持能力的消極影響。圖6展示的是2015年重要生態功能區生境質量指數空間差異狀況,它反映的是生態系統自身的生物多樣性維持能力,與2015年重要生態功能區生物多樣性保護成效指數(圖5)存在著較大不同。具體體現在：我國西部地區(包括西北與西南地區)的生物多樣性維持能力較差,但其生物多樣性保護成效較好,而東部地區(包括東北、華中、華東與華南地區)的生物多樣性維持能力相對較好,但在生物多樣性保護工作方面效果不佳。

圖6 全國重要生態功能區生境質量空間分布(2015年)Fig.6 Spatial distribution of habitat quality in National Important Ecological Function Areas (2015)

本文僅研究了全國生物多樣性保護成效的區域差異情況,但各地區生態系統功能恢復難易程度在空間上也存在很大不同[38],未來在計算生物多樣性保護成效指數時應納入生態系統功能恢復難易程度因素,以進一步完善生物多樣性保護成效空間對比評估方法。此外,本文將自然保護區核心區作為參照區,由于部分自然保護區核心區劃分不盡合理,如西北地區自然保護區核心區中含有大面積戈壁[39],致使參照基準難以反映物種棲息地最優水平,因此,參照區選取方式還需要進一步研究。

4 結論

本文通過構建全國重要生態功能區的生境質量指數參照基準,并將基于參照基準的生物多樣性保護成效區域對比評估方法應用于全國尺度重要生態功能區。獲得如下結論：

(1)對于生境質量指數參照基準,華東和華南地區的生境質量指數較高,生態環境本底較好；東北和華中地區的生境質量指數低于華東和華南地區,生態環境本底處于全國中游水平；西北和西南地區的生境質量指數較低,說明該區域生態環境本底狀況較差。

(2)對于生物多樣性保護成效的空間差異,西北和西南地區生態功能區的生物多樣性保護成效指數較高,反映兩地區的生物多樣性保護工作取得較好效果；東北和華東地區生態功能區的生物多樣性保護成效指數較差,說明它們在生物多樣性保護方面工作不力；而華中和華南地區生態功能區生物多樣性保護成效指數則處于中游水平,體現該區域生物多樣性保護效果尚好。