生态学报  2023, Vol. 43 Issue (2): 522-533

文章信息

封志雪, 周键, 杨飞龄, 武瑞东
FENG Zhixue, ZHOU Jian, YANG Feiling, WU Ruidong
集成生态系统服务与生物多样性的系统保护规划
Systematic conservation planning by integrating ecosystem services and biodiversity
生态学报. 2023, 43(2): 522-533
Acta Ecologica Sinica. 2023, 43(2): 522-533
http://dx.doi.org/10.5846/stxb202112023396

文章历史

收稿日期: 2021-12-02
网络出版日期: 2022-09-23
集成生态系统服务与生物多样性的系统保护规划
封志雪1,2 , 周键1,2 , 杨飞龄1,2 , 武瑞东1,2     
1. 云南大学国际河流与生态安全研究院, 保护生物地理学研究组, 昆明 650091;
2. 云南省国际河流与跨境生态安全重点实验室, 昆明 650091
摘要: 生物多样性和生态系统服务的保护与可持续管理是当今世界面临的重大挑战之一, 但如何判识与优化集成生态系统服务与生物多样性保护对象的保护优先区网络, 相关研究还很有限。针对"三江并流"区, 选取珍稀濒危与特有动植物物种和自然植被类型作为生物多样性保护对象, 以调节服务(碳存储、固碳和土壤保持)、文化服务(自然游憩)和供给服务(水源供给)为生态系统服务保护对象。应用系统保护规划方法, 首先判识出单一生物多样性和生态系统服务保护优先区; 然后, 分析这些保护优先区间的相关关系, 并选择与生物多样性正相关的生态系统服务类型, 判识集成生态系统服务与生物多样性的保护优先区; 最后, 评估了集成生态系统服务与生物多样性保护优先区在六类已建保护地中的保护状况。结果表明: (1)"三江并流"区多情景规划得到的生物多样性与生态系统服务保护优先区之间均呈正相关关系; (2)与分别针对生态系统服务和生物多样性的规划情景相比, 集成生态系统服务与生物多样性保护优先区能够同时对两类保护对象提供最高的保护覆盖率; (3)集成生态系统服务和生物多样性保护优先区占研究区总面积的48.9%, 其已建保护地覆盖率为32.5%, 说明现有保护地体系仍存在保护空缺。
关键词: 生态系统服务    生物多样性    保护优先区    系统保护规划    "三江并流"区    
Systematic conservation planning by integrating ecosystem services and biodiversity
FENG Zhixue1,2 , ZHOU Jian1,2 , YANG Feiling1,2 , WU Ruidong1,2     
1. Conservation Biogeography Research Group, Institute of International Rivers and Eco-security, Yunnan University, Kunming 650091, China;
2. Yunnan Key Laboratory of International Rivers and Transboundary Eco-security, Kunming 650091, China
Abstract: Conservation and sustainable management of biodiversity and ecosystem services are one of the major challenges faced by the world today. However, there is still limited research on how to identify and optimize the portfolio of priority conservation areas (PCAs) that integrate ecosystem services and biodiversity as conservation targets. Using the Three Parallel Rivers Region (TPRR) as a case, this study selected representative conservation features for both biodiversity and ecosystem services; biodiversity conservation features included the rare, endangered and endemic plant and animal species and natural vegetation types; ecosystem-service conservation features included regulation services (carbon storage, carbon sequestration and soil retention), cultural services (natural recreation) and supply services (water supply). We firstly identified the individual portfolio of PCAs for biodiversity and each type of ecosystem services by applying a systematic conservation planning approach, respectively. Then, we analyzed the relationship between these different portfolios of PCAs. We identified the PCAs by integrating biodiversity and ecosystem services that had a portfolio of PCAs being positively correlated with biodiversity PCAs. Finally, we assessed the conservation status of the integrated PCAs within six categories of the existing protected areas. The results showed that: (1) there was a positive relationship between different portfolios of the PCAs identified for biodiversity and each type of ecosystem service in TPRR; (2) In comparison with planning scenarios for ecosystem services and biodiversity separately, the PCAs integrating ecosystem services and biodiversity could simultaneously provide the highest coverage for all biodiversity features and ecosystem services; (3) The PCAs integrating ecosystem services and biodiversity covered 48.9% of the study area, and received 32.5% coverage from the protected areas, indicating that conservation gaps still existed in the existing protected-area system.
Key Words: ecosystem services    biodiversity    priority conservation areas    systematic conservation planning    Three Parallel Rivers Region    

生物多样性是人类社会永续发展的物质基础, 而生态系统提供的服务功能也是维持生物多样性和人类福祉的重要保证[12]。然而, 频繁的人类活动以及人类社会日益增长的生产生活需求对自然生态系统的威胁持续增加, 导致生物多样性骤减和生态系统退化, 进而引起生态系统服务丧失[1, 3]。生物多样性和其产生的生态系统服务之间有着复杂的反馈关系[4]。尽管两者之间的相互作用尚不明确, 生态系统服务可能不会受到生物多样性微小损失的影响, 但当某个功能群被破坏时, 生态系统服务会迅速恶化[5]。为了应对生态系统服务恶化的危机, 联合国宣布2021—2030年为生态系统恢复十年[6], 旨在协助恢复退化、受损的生态系统, 并使其为人类重新提供其固有价值及服务[7]

保护地建设是缓解生物多样性丧失和改善、恢复生态系统服务的重要保护机制[8]。然而, 在投入资金有限的情况下, 科学有序地规划保护优先区更能充分发挥保护区体系的作用[910]。在此背景下, 系统保护规划方法得到了广泛应用, 其能够通过定量化评估保护对象且设立具体保护目标, 同时考虑与待开发用地间的协同/权衡关系, 系统判识并规划急需被优先保护的区域[1112]

近25年来, 随着人们对全球环境问题关注度的提升, 全球保护地覆盖面积也随之增加, 而保护地建设的初衷也从保护生物多样性扩展到改善人类生活的福祉[8, 13]。现有保护地大多成立时间较早, 在生态代表性方面仍存在较大的局限性[1415]。并且, 大多数已有的保护研究和资金投入多以生物多样性为导向, 缺乏生态系统服务功能的保护理念[5, 1617]。因此, 研究人员提出集成生态系统服务与生物多样性开展保护规划以提高保护成效的观点[4]。国内外一些研究基于系统保护规划的方法以生态系统服务与生物多样性为保护对象开展了初步的研究[4, 18]。然而, 不同地区的已有研究表明, 生态系统服务与生物多样性之间的关系并不总是一致的, 仍然有必要针对全球不同关键生态区域开展更加广泛深入的研究[19]

“三江并流”区是全球生物多样性热点区域之一, 也被认为是生态本底脆弱地区[9, 20]。尽管已有研究在该地区开展了生态系统服务、物种保护优先区以及荒野区的识别[12, 2122], 但是集成不同生态系统服务类型和生物多样性要素作为保护对象的系统保护规划研究仍是空白。水源涵养、土壤保持和碳存储与固碳被认为是维持生态安全最重要的生态系统服务类型[23], 而生态系统提供的自然游憩服务可以满足人类精神文化需求, 提高人类生活福祉[24]。此外, 本研究中没有考虑可能有损生物多样性的生态系统服务(如农作物、木材生产服务等)。同时考虑数据的可获取性, 本研究选取珍稀濒危和特有物种以及自然植被类型作为生物多样性保护对象, 调节服务(碳存储、固碳和土壤保持)、文化服务(自然游憩)和供给服务(水源供给)为生态系统服务保护对象; 采用系统保护规划方法, 通过集成生态系统服务和生物多样性保护对象, 系统判识能够满足对国际生物多样性热点区域保护目标的同时, 又可保障与提升当地人类生活福祉的优化保护优先区网络; 并通过与已建保护地的空间叠加分析, 评估了集成生态系统服务与生物多样性保护优先区的空间分布格局与保护状况。

1 研究区概况

“三江并流”区位于云南省、四川省以及西藏自治区交界处, 25°30′—29°15′N和98°05′—100°15′E之间, 其行政区域包括16个市县(图 1), 总面积约6.7万km2[21]。“三江并流”区地形起伏极大, 致使垂直方向气候分布具有明显差异, 而复杂的气候类型和地形条件造就了该地区丰富的生物多样性, 是云南省三大生物多样性中心之一[17, 25]。同时, “三江并流”区也是云南省众多少数民族集中居住的地区, 衍生了独具特色而又多元的民族文化[21]。丰富的自然景观以及多元的文化背景为“三江并流”区旅游业发展提供了广阔平台, 使得旅游业成为该地区经济发展的重要支柱[26]

图 1 “三江并流”区六类保护地的空间分布 Fig. 1 Spatial distributions of six categories of protected areas in Three Parallel Rivers Region (TPRR)
2 数据来源及研究方法 2.1 数据来源

考虑到生物多样性的复杂性和详细空间分布数据的缺乏, 本研究使用濒危/特有动植物物种和自然植被类型作为代表性的生物多样性保护对象。濒危/特有动植物物种空间分布数据来自Diao等[12], 共包含928个仅有经纬度分布信息的物种分布点数据和283个经由物种分布模型生成的物种分布范围栅格数据。其分辨率均为1km×1km[12]。本研究使用的24类植被亚型数据来自1:10万滇西北植被图[27]。生态系统服务空间分布数据来源于林世伟[28], 涵括生态系统调节服务(碳存储、固碳和土壤保持)、文化服务(自然游憩)和供给服务(水源供给), 数据分辨率为100m×100m。其余数据来源及分辨率详见表 1

表 1 空间分布数据列表 Table 1 List of spatial data layers
数据Data 精度Precision 来源Source
物种分布数据Species distribution data 1km×1km Diao等[12]
植被类型Vegetation types 1∶100000 云南大学生态学与地植物学研究所[27]
生态系统服务数据Ecosystem services data 100m×100m 林世伟[28]
行政边界数据Administrative boundary data 1∶250000 国家基础地理信息中心
人口数据Demographic data 1km×1km 徐新良[29]
GDP数据Gross Domestic Product Data 1km×1km 徐新良[30]
土地利用类型数据Land-use type data 1∶100000 徐新良等[31]
道路路网数据Road network data 1∶250000 国家基础地理信息中心
2.2 人类干扰指数图层构建

本研究参考Wu等[32]选取4项社会经济指标来表征人类干扰指数(Human Disturbance Index, HDI), 并以此作为规划单元保护成本的替代指标, 包括人口密度、国民生产总值(GDP)、道路密度和人工土地利用类型面积。其中, 人工土地利用类型包括水田、旱地、城镇用地和其它建设用地等利用类型。对各项指标的数值单独计算后, 将其标准化为0—1范围后进行加和, 最后将此加和后的图层值再次标准化至10—300值域范围, 得到最终的人类干扰指数图层[32]。为便于展示, 采用自然断点法划分为5个等级, 从1级到5级, 人类干扰指数由低到高变化(图 2)[32]。此外, 考虑到正六边形在六个方向上的点到质心距离都相同, 可减少由于格网形状的边界效应带来的样本偏差, 且多边形越接近圆形, 则边界附近的点距离质心越近, 有利于规划方案的集成度与连通度最优[3233]。因此, 本研究采用的规划单元为面积等于1km2的正六边形网格。

图 2 “三江并流”区人类干扰指数空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of human disturbance index in TPRR
2.3 保护目标设立

针对濒危/特有物种空间分布数据, 本研究对928个仅有经纬度分布的物种分布点的规划单元进行锁定处理, 即保证每次保护规划方案都会包含该规划单元[33]; 而对283个物种分布的栅格数据采取其分布范围面积的百分比作为保护目标, 该保护目标则是以物种濒危等级、特有性和其适宜生境面积的保护目标总和为依据[34](表 2)。自然植被亚型保护目标的设立则是依据张燕妮等[27]与陶国庆等[35]根据植被亚型保护等级按50%, 30%与10%的保护目标进行设立, 其中由于季风常绿阔叶林保护价值较高且分布面积较小(仅为10.5km2), 故将其所在规划单元进行锁定处理(表 2)。

表 2 不同生物多样性保护对象的保护目标 Table 2 The conservation targets for different biodiversity features
保护对象类型
Types of conservation features
分类标准
Classification standard
保护目标
Conservation target
物种濒危等级 极危 25%
Species endangered levels 濒危 17.5%
易危 10%
近危 5%
珍稀/濒危物种适宜生境面积 > =20000km2 5%
Suitable habitat areas for rare/endangered species < =100km2 25%
特有物种 云南特有 10%
Endemic species 中国特有 5%
自然植被亚型 季风常绿阔叶林 100%
Natural vegetation subtype 一级保护 50%
二级保护 30%
三级保护 10%

针对生态系统服务的保护目标设立则是参照已有研究, 将所有生态系统服务的保护目标设置为服务物质量的50%[34]

2.4 单一保护对象保护优先区判识

本研究应用系统保护规划软件Marxan (v2.0.2) 进行保护优先区判识。Marxan模型会通过组合不同的规划单元使得每个保护对象均能达到设定的保护目标[36]。在Marxan模型中, 边界长度调节器(Boundary Length Modifier, BLM)与惩罚值(Species Penalty Factor, SPF)需要多次迭代运行模型进行最优参数设置[37]。BLM是调节保护优先区中规划单元聚集程度的参数, 合适的BLM值可以平衡保护优先区的边界长度与保护规划单元的总成本[38]。本研究从0, 0.0001, 0.001到10000, 分别以10的数量级为单位进行区间端点测试, 每次迭代运算100次, 寻得合适的区间后, 逐步对区间内进一步细分以确认最优BLM。SPF则是在给定的BLM情况下, 保护规划单元未达到保护目标的惩罚值, 该参数是根据多次迭代的结果, 选择所有保护对象均达到保护目标时候的数值即为最优SPF值。当该参数设置过小时, 会导致保护目标无法实现; 反之, 则会使得模型在运行过程中丢失较多可行解[39]。其次, 选定最优参数值后, 通过迭代运行1000次模型并输出结果。Marxan系统保护规划模型会输出两个结果, 一个是不可替代性指数图层(the summed solution), 另一个是最优保护优先区网络图层(the best solution)。本研究直接使用“最优保护优先区网络图层”作为单一保护对象保护优先区判识结果。每个规划单元的不可替代性指数则为1000次迭代运行中每个规划单位被选定为保护优先区的次数[32]。在此, 本研究首先针对单一生物多样性和生态系统服务为保护对象的保护优先区进行判识, 包括生物多样性保护优先区、碳存储服务保护优先区、固碳服务保护优先区、土壤保持服务保护优先区、自然游憩服务保护优先区和水源供给服务保护优先区。

2.5 保护优先区间的相关关系判别和集成情景保护优先区保护空缺分析

首先, 本研究对各个单一保护对象保护优先区相互重叠部分的不可替代性指数进行K-S检验, 检验数据是否符合正态分布, 再根据检验结果选用合适的相关性分析方法[28]。其次通过计算仅含生物多样性以及5种生态系统服务的保护优先区之间相关性以评估生物多样性与5种生态系统服务之间的相关关系[4]。此外, 根据相关性分析结果, 选择与生物多样性具有正相关关系的生态系统服务类型进行集成, 将具有正相关关系的生态系统服务类型与生物多样性保护对象作为共同保护对象, 重新迭代1000次运行Marxan模型并输出最优结果, 以此作为集成生态系统服务和生物多样性情景的保护优先区数据。最后, 本研究选择“三江并流”区已建保护地网络(自然保护区和其它五种类型保护地, 包括湿地公园、风景名胜区、森林公园、地质公园和饮用水水源保护区[40])进行空间叠加分析, 并评估集成情景下的保护优先区在已建保护地体系中的保护状况(图 1)。

3 结果分析 3.1 人类干扰指数的空间分布特征

本研究综合人口密度、国民生产总值、道路密度和人工土地利用类型面积四项指标以计算人类干扰指数。研究区内高人类干扰指数以上区域占比仅为10.1%, 主要分布于大理市、丽江市以及独龙江、怒江、澜沧江两侧流域。而低人类干扰指数以下占比为47.3%, 主要分布于“三江并流”区西部香格里拉、德钦贡山等地。中等程度人类干扰指数占比最多为42.6%, 其在“三江并流”区中部呈现较为均匀分布。总体而言, 研究区内受人类干扰影响程度较低(图 2)。

3.2 单一保护对象情景的保护优先区空间分布

经多次迭代后, 本研究确定BLM在130为最优值。同时, 在本研究设置BLM为130条件下, 对不同情景下的SPF值从1到10开展测试, 发现每个情景在SPF设置为1时即可达到保护目标。最终, 本研究设置Marxan模型参数BLM为130, SPF为1, 迭代1000次运算, 并输出以单一生物多样性和生态系统服务为保护对象的保护优先区图层(图 3)。

图 3 单一生物多样性和生态系统服务保护优先区 Fig. 3 Priority conservation areas (PCAs) for biodiversity and each of the five types of ecosystem services

生物多样性保护优先区沿独龙江、怒江分布较为集中, 而中部、南部地区分布相对较少。生物多样性保护优先区共占研究区总面积的32.2%, 在香格里拉市分布面积最大, 占全部生物多样性保护优先区的17%;而在大理市分布面积最小, 仅占全部生物多样性保护优先区的1.0%。

碳存储服务保护优先区空间分布整体呈现北高南低、西高东低的特征, 从西北到东南分布逐渐减少, 其总共覆盖研究区33.2%的面积。从市(县)域分布的碳存储保护优先区覆盖占比来看, 香格里拉占比最多, 其次是德钦县、贡山县, 分别占全部碳存储保护优先区的28.4%、19.9%和14.6%。

固碳服务保护优先区整体上空间分布较为均匀, 其共占研究区总面积的45.0%。其中香格里拉市内覆盖的固碳服务保护优先区占比最多, 其次是玉龙县、宁蒗县和云龙县, 分别占全部固碳服务保护优先区的15.3%、9.9%、9.7%和8.3%。

土壤保持服务保护优先区整体空间分布呈现西北向东南分布减少的特征, 其占研究区总面积的39.80%。其中香格里拉市内土壤保持服务保护优先区占比最多, 其次是玉龙县、宁蒗县和德钦县, 分别占全部土壤保持服务保护优先区的19.3%、10.1%、10.1%和9.4%, 而大理市占比最小, 不足1%。

自然游憩服务保护优先区空间分布主要呈现北高南低, 由西北向东南分布减少的特征, 其占研究区总面积的42.5%。自然游憩服务保护优先区在香格里拉市覆盖占比最多, 其次是德钦县、贡山县和玉龙县, 分布占全部自然游憩服务保护优先区的22.5%、16.4%、12.9%和8.5%。

水源供给服务保护优先区整体空间分布呈现西高东低的特征, 其占研究区总面积的43.9%。其中香格里拉市内水源供给服务保护优先区占比最多, 其次是德钦县、贡山县和兰坪县, 其分别占全部水源供给服务保护优先区的15.9%、12.6%、10.9%和8.9%。

3.3 生物多样性和生态系统服务保护优先区间的相关关系

经检验, 本研究中生物多样性和5个生态系统服务保护优先区相互重叠部分的不可替代性指数均不符合正态分布。因此, 本研究选用Spearman秩相关方法进行生物多样性与5种生态系统服务保护优先区之间的相关性分析(表 3)。

表 3 生物多样性和生态系统服务保护优先区间的相关性 Table 3 Correlations between the PCAs for biodiversity and ecosystem services
保护优先区
PCAs
碳存储
Carbon storage
固碳
Carbon sequestration
土壤保持
Soil retention
自然游憩
Nature recreation
水源供给
Water supply
生物多样性
Biodiversity
碳存储Carbon storage 1.00 / / / / /
固碳Carbon sequestration 0.12 1.00 / / / /
土壤保持Soil retention 0.15 0.41 1.00 / / /
自然游憩Nature recreation 0.60 0.18 0.22 1.00 / /
水源供给Water supply 0.42 0.28 0.24 0.59 1.00 /
生物多样性Biodiversity 0.25 0.35 0.40 0.36 0.35 1.00

研究结果表明, “三江并流”区的生物多样性保护优先区与5种生态系统服务保护优先区之间相关性均为正相关, 且p值均 < 0.01。其中, 生物多样性保护优先区与土壤保持服务保护优先区的相关系数最高, 达0.40。而除碳存储保护优先区外, 其余生态系统服务保护优先区与生物多样性保护优先区的相关系数均达到0.3以上, 属于中等以上相关性(表 3)。

3.4 集成情景保护优先区的空间格局

本研究判识的单一生物多样性和生态系统服务保护优先区均为正相关关系, 可将5种生态系统服务保护优先区视为生物多样性保护优先区的兼容类型进行集成。本研究设置两种集成情景保护优先区, 一种是仅集成5种生态系统服务的保护优先区, 另一种则是集成5种生态系统服务和生物多样性的保护优先区。经检验, 集成5种生态系统服务和生物多样性情景在SPF为1时, 即可达到设定的保护目标。因此, Marxan模型设置参数与单一情景相同。

仅集成5种生态系统服务的保护优先区共覆盖研究区的48.0%。其整体分布趋势由西向北递减, 研究区东南部大理市、宾川县覆盖最少。而香格里拉市分布最多, 其次是玉龙县和宁蒗县, 分布占全部集成5种生态系统服务保护优先区的17.6%、9.3%和8.9%(图 4)。

图 4 集成5种生态系统服务的保护优先区 Fig. 4 PCAs of integrating five types of ecosystem services

集成5种生态系统服务和生物多样性保护优先区共覆盖研究区总面积的48.9%。整体来看, 集成情景的保护优先区较为均匀地分布于整个研究区, 其斑块大小由北向南逐渐变小, 且斑块间的聚集趋势也由北向南呈现更为破碎化的分布趋势。集成情景的保护优先区在香格里拉市分布面积最大, 占全部集成情景保护优先区的16.5%;而对于其余各个县市则分布更为平均, 没有呈现明显的集中分布(图 5)。

图 5 集成5种生态系统服务与生物多样性的保护优先区及其保护状况 Fig. 5 PCAs of integrating 5 types of ecosystem services and biodiversity features and their conservation status
3.5 单一保护对象与集成情景保护优先区的保护对象覆盖率对比

本研究对所判识的单一生物多样性保护对象情景与2种集成情景, 共3种保护优先区情景进行保护对象覆盖率对比。首先, 从对生物多样性保护对象来看, 集成生态系统服务与生物多样性保护优先区对所有保护物种图层的平均覆盖率高于其余两种情景保护优先区, 而其对保护物种图层的最小覆盖率则远远高于其余两种情景; 对于植被亚型而言, 集成生态系统服务与生物多样性保护优先区对一级植被类型总面积和三级植被类型总面积保护覆盖率高于其余两种情景保护优先区; 而对二级植被类型总面积保护覆盖率, 其低于仅集成生态系统服务保护优先区保护覆盖率(表 4)。

表 4 不同情景保护优先区对生物多样性保护对象覆盖率 Table 4 Coverage % of biodiversity features in PCAs under different planning scenarios
不同情景
Different scenarios
保护优先区覆盖率PCAs coverage/%
保护物种Protected species 植被亚型Natural vegetation subtype
最大值
Maximum
最小值
Minimum
平均值
Mean
一级保护
Protection level 1
二级保护
Protection level 2
三级保护
Protection level 3
生物多样性保护优先区
Biodiversity PCAs
99.9% 25.6% 45.8% 50.1% 31.0% 31.2%
仅集成生态系统服务保护优先区
PCAs integrating all ecosystem services
70.2% 13.1% 44.6% 43.3% 53.2% 43.1%
集成生态系统服务与生物多样性保护优先区
PCAs integrating both ecosystem services and biodiversity
84.1% 42.4% 52.2% 54.1% 50.4% 46.4%

从5种生态系统服务保护对象来看, 集成生态系统服务与生物多样性保护优先区与仅集成生态系统服务保护优先区对固碳服务和水源供给服务物质量的保护覆盖率一致, 而前者仅在对自然游憩服务保护覆盖率略高于后者。但是, 两者对所有5种生态系统服务物质量保护率均高于生物多样性保护优先区(表 5)。

表 5 不同情景保护优先区对生态系统服务覆盖率 Table 5 Coverage % of ecosystem services in PCAs under different planning scenarios
不同情景
Different scenarios
碳存储服务量保护覆盖率
Coverage % of carbon storage
固碳服务量保护覆盖率
Coverage % of carbon sequestration
土壤保持服务量保护覆盖率
Coverage % of carbon soil retention
自然游憩服务量保护覆盖率
Coverage % of nature recreation
水源供给服务量保护覆盖率
Coverage % of water supply
生物多样性保护优先区
Biodiversity PCAs
30.9% 30.4% 29.0% 32.2% 31.5%
仅集成生态系统服务保护优先区
PCAs integrating all ecosystem services
52.2% 50.1% 50.1% 50.2% 50.0%
集成生态系统服务与生物多样性保护优先区
PCAs integrating both ecosystem services and biodiversity
50.8% 50.1% 50.0% 50.2% 50.0%
3.6 集成生态系统服务和生物多样性保护优先区的保护空缺

“三江并流”区内六类已建保护地的总覆盖率为28.6%。集成生态系统服务和生物多样性保护优先区占已建保护地的55.5%。集成生态系统服务和生物多样性保护优先区的已建保护地覆盖率为32.5%, 其中风景名胜区覆盖率最高, 为19.3%, 其次是自然保护区和地质公园, 其覆盖率分别为14.7%和2.5%, 其余类型保护地覆盖率则均不足1%。由于不同保护地类型间存在空间重叠, 各类型保护地覆盖率之和大于已建保护地覆盖率。被保护地覆盖的集成生态系统服务和生物多样性保护优先区主要集中分布于研究区西部和中部的三江并流国家级风景名胜区、高黎贡山国家级自然保护区和白马雪山国家级自然保护区, 其余较大斑块则零散分布于研究区南部的兰坪省级自然保护区与大理国家级风景名胜区内。未被保护地覆盖的保护优先区主要集中分布于研究区南部和东部, 整体斑块分布由西北向东南逐渐变多(图 5)。

4 讨论 4.1 人类干扰指数空间分布格局

人类干扰指数是通过汇集能够明确反映人类活动对生态环境干扰程度的指标数据, 作为对规划空间生态条件的间接度量变量[32]。由于缺乏研究区内土地成本价值数据, 本研究选取4项社会经济指标综合计算人类干扰指数作为保护成本的替代指示数据。一般而言, 受人类干扰严重地区的物种生境适宜性较低, 且无法维持其本身的自然保护价值特征, 因此保护价值较低、保护成本较高[32]。在系统保护规划方法中引入人类干扰指数作为惩罚变量, 可以使在保护规划满足既定保护目标的同时, 又可以远离人类活动干扰影响, 有助于实施更有效的保护[33, 41]

在本研究计算的人类干扰指数图层中, 高级别以上的人类干扰指数区域与郭洋等[24]对“三江并流”区开展的游憩服务量研究结果一致(图 2)。“三江并流”区自然与人文景观资源丰富, 是旅游热点之一[42]。大理市与丽江市具有较多的高星级景点分布且服务设施完善, 会受到更多的游客青睐[24]。然而, 过多的旅游资源开发等人类干扰影响, 会导致生态环境被破坏等多种环境问题[43]。同时, 这些地区在本研究所判识的保护优先区中, 被判识为集成生态系统服务和生物多样性保护优先区所分布的地区, 更说明该地区对生物多样性和生态系统服务的保护价值(图 5)。因此, 这些地区合理开发并平衡发展和保护的关系应得到高度重视。

4.2 生物多样性和生态系统服务保护优先区间的相关关系

“三江并流”区生物多样性与5种生态系统服务保护优先区之间相互存在两两正相关关系(表 3)。这与之前在其它地区开展的生物多样性与生态系统服务相关关系研究结果存在差异[4445]。主要是本研究选择的生态系统服务不包括与生物多样性有明显冲突的类型, 如粮食供给、木材生产等, 这些类型生态系统服务分布往往与生物多样性高值地区存在负相关关系[4, 46]。相关性分析的结果说明本研究选择的5种生态系统服务与生物多样性的结合是相得益彰的正相关关系, 能够在满足生物多样性保护目标的同时, 兼顾纳入生态系统服务保护。

水是联结生态系统类型、结构、过程和功能的关键因素[47]。因此, 生态系统供给服务中的水源供给服务与生物多样性和调节服务之间都是极显著的正相关关系。其中, 生物多样性、碳存储和固碳服务之间均为正相关关系。说明增强调节服务和水源供给服务有利于生物多样性的提高。此外, 生物多样性与文化服务中的自然游憩服务也呈现中等程度相关, 这也与以前研究结果类似[48]。“三江并流”区内的保护地类型多样, 包括风景名胜区、国家公园等类型, 其能够在满足保护目标的同时为旅游休憩提供相应条件。

4.3 不同情景下的保护优先区对比

本研究共识别出6种单一保护对象情景保护优先区和2种集成情景保护优先区。从6种单一保护对象情景保护优先区来看, 其在空间分布上都有着从西北到东南分布逐渐减少的特征(图 3)。这是由于研究区西北部海拔远高于东南部, 受人类干扰影响较小, 其保存着大型且完整的自然生态系统, 拥有“三江并流”区最为丰富的生物多样性资源[22]。此外, 这种空间一致性也佐证了“三江并流”区生物多样性与本研究选取的5种生态系统服务保护优先区的正相关关系。

对比2种集成情景保护优先区与生物多样性保护优先区来看, 生物多样性保护优先区在保护面积上低于2种集成情景保护优先区, 但是生物多样性保护优先区对5种生态系统服务均未能满足50%的保护目标; 同时, 如只考虑集成生态系统服务保护优先区, 虽然其覆盖面积大于生物多样性保护优先区, 但是其对生物多样性保护对象依然无法满足相应的保护目标(表 5)。这说明仅单独考虑生物多样性或生态系统服务的保护规划均无法满足人们对保护地体系既保护生物多样性又保障与提升人类生活福祉的保护需求[8, 13]。而集成生态系统服务与生物多样性保护优先区的保护面积(48.9%)在略大于集成生态系统服务保护优先区保护面积(48.0%)的情况下, 可以同时满足生物多样性与生态系统服务的保护目标, 这与其它地区开展的研究一起证明了集成保护规划方案的可行性与必要性[10]

4.4 基于集成生态系统服务与生物多样性保护优先区的保护地体系优化建议

“三江并流”区是全球生物多样性热点区域之一, 然而该地区已建保护地网络总覆盖率并未达到云南省划定的生态红线保护面积[49]。同时, 本研究判识的集成生态系统服务和生物多样性保护优先区内的已建保护地覆盖率较低(32.5%), 说明“三江并流”区内保护地网络仍有较大的保护空缺, 尤其是集中分布于“三江并流”区东部和南部宁蒗县和云龙县等地, 应在后续保护管理与可持续发展的政策中予以重视(图 5)。

而被已建保护地覆盖的保护优先区中, 风景名胜区对保护优先区覆盖最大, 其次再是自然保护区和地质公园。结合中国当下正在实施以国家公园为主体的自然保护地体系建设背景[50], 一方面, 这说明其它保护地类型可以极大的补充自然保护区的保护覆盖率[40]; 另一方面, 突显了以国家公园为主体的自然保护地体系能够在保护生物多样性的同时, 可以兼顾提供更多优质的生态系统服务功能[50]。同时, 研究区内已建保护地大多分布于研究区西部的偏远山区, 其可达性较差(图 1)。这些区域由于可达性的制约不能满足改善人类生活福祉的要求。因此, 在新的保护地规划体系下, 我们建议应当建立兼顾生态保护和改善民生的生态补偿机制[51]

此外, 基于本研究判识的集成生态系统服务和生物多样性保护优先区, 我们发现西南部云龙天池国家级自然保护区周围、玉龙雪山国家级自然保护区西部和“三江并流”国家级风景名胜区南部都存在连通性较大的保护优先区斑块, 可以考虑在这些地区扩展其保护地覆盖范围(图 5)。

本研究判识的集成生态系统服务和生物多样性保护优先区在空间分布上较为零散, 存在一定局限性。一方面, “三江并流”区被认为是我国乃至全球的生物多样性热点地区, 且在以往的研究中该地区被大面积识别为保护优先区[9, 17]。因此, 本研究区整体的保护优先性应该比较高; 另一方面, 在Marxan模型中, BLM作为调节规划单元聚集程度的重要参数是通过评估边界长度和保护成本的优化关系来确定的, 较大的BLM值会提高保护优先区的斑块连续性, 但连续性提高也会造成保护优先区内覆盖的人类用地面积和人类干扰程度增加, 增加保护地建设和管理成本, 降低保护地体系配置的灵活性和保护行动的可行性与成效[36]

此外, 本研究中判识的集成生态系统服务与生物多样性保护优先区占整个研究区总面积的48.9%, 接近国际上倡导的2050年各类保护地(包括经典保护地类型和其他有效的区域保护措施OECMs)覆盖率应该达到50%的目标。对于“三江并流”区这样的全球生物多样性热点地区, 本研究认为50%的保护地覆盖率是合理的。需要说明的是, 本研究判识出的保护优先区, 并不意味着都要建立严格的保护地类型。可依据当地的社会经济背景、政治意愿等, 实施除严格保护地类型外的、以生态保护为主要管理目标的其它可持续土地利用方式。

5 结论

针对生物多样性和5种生态系统服务类型作为保护对象, 本研究判识了单一和集成保护对象情景下的多种保护优先区方案, 评估了生物多样性与不同生态系统服务保护优先区之间的相关关系, 分析了已建保护地体系的保护空缺。结果表明:

(1)“三江并流”区多情景规划得到的生物多样性与生态系统服务保护优先区两两之间均为显著正相关关系, 说明该地区集成多生态系统服务与生物多样性的保护规划方案是可行的;

(2) 集成生态系统服务与生物多样性保护优先区相比于生物多样性保护优先区与集成生态系统服务保护优先区, 对各类型生态系统服务和生物多样性保护对象具有更高的保护覆盖率, 说明集成生态系统服务与生物多样性的保护规划方案更具优越性;

(3) 已建保护地体系对集成生态系统服务与生物多样性保护优先区仍有较大保护空缺, 新的保护地规划应着重关注本研究判识出的面积较大且连通性较好的保护优先区, 并兼顾保护生态和改善民生的生态补偿机制。

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