中国生态区划研究进展: 从格局、功能到服务

孙然好, 李 卓, 陈利顶

中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085

生态区划与地理区划既有联系又有区别。地理/地域区划多以地球表层系统为对象,揭示水平和垂直地域分异规律,是将整体分割为相对完整区域的科学[1]。而生态区划则强调生态系统整体性的规律,以及人类活动对生态系统干扰的特征,从而划分生态基本单元,是特征区划与功能区划的统一[2]。“生态区”的概念最早由加拿大森林学家Orie Loucks于1962年提出,是指具有相似生态系统或期待发挥相似生态功能的陆地及水域。这一概念成为指导随后各种与生态系统有关分区的基础,并随着科学认识的提高和技术发展,“生态区”的概念也在不断演化。最初所关注的研究对象为在不考虑人类活动影响的前提下生物和非生物环境的相似性,随后增加了对人类活动影响的考虑。此外,生态系统的多尺度特征以及生态格局-过程的耦合关系也常常被应用于各尺度生态区划中,包括点位尺度、区域尺度和全球尺度[3]。早期的生态区划多以单因素为主题,随着生态系统整体性和等级理论的发展,美国生态学家Bailey于1976年从生态系统的角度提出了首个真正意义上的生态区划,并编制了美国生态区划图,包括地域、区、省和地段4个等级,此后引起了各国生态学家对生态区划原则、指标体系、等级和方法等的关注和深入探讨。近年来,学者们开展了生态区与生态系统管理的分析,尤其是全球生态区与生态保护的有效性评估[3]。除了陆地生态特征外,国际上对于河流生态特征也开始纳入生态区划的考虑范围[4],此外,考虑社会经济要素的社会-生态区划也逐渐得到关注[5]。学者们也提出了生态区划的一些普遍问题,如生态系统定义、生态区的复杂性、定性和定量方法、流域边界整合等多个方面[6]。除了传统的根据生态格局进行区划外,一些基于生态过程和流的分区技术也在得到应用[7- 8]。尤其近几年,国际上对于生态系统服务的制图和区划也逐渐得到重视[9- 11]。

我国生态区划起步相对较晚,相关工作也多以单要素为主。在综合区划方面,傅伯杰等[2]在综合各个专题区划的基础上,面对国民经济发展的需求,开展了首个全国性的生态区划,将中国大陆分为3个生态大区、13个生态地区和57个生态区,系统揭示了不同生态单元存在的生态环境问题及其形成机制。中国生态分区的进展与经济发展和社会需求密切相关。从生态地理进行自然特征的归纳和概括,到生态经济为社会经济服务。近年来开始侧重于对不同生态要素的归纳和集成,尤其是伴随着遥感技术和数据的推广,在植被生态分区、河流生态分区、湖泊和湿地生态分区等有较大进展。对于中国敏感区域,如西北干旱区、农牧交错带、黄土高原、青藏高原等区域的生态分区也较多。对于全国范围的生态敏感性制图主要集中在酸雨、荒漠化、盐碱化等几个方面。生态功能分区是近年来发展很快的领域,全国范围的生态功能分区已经在环保部等国家层面进行推广和应用。很多地方也在此基础上进行了细化和更新,推动了生态功能监测和管理的实践应用。本文筛选国内主要的生态区划方案,梳理它们的分区原则、方法和特点,并提出需要继续加强和优化的方向。

1 中国生态区划的主要特点

1.1 生态特征和类型区划

生态特征和类型划分作为认识生态系统分布格局、揭示生态区域结构和功能的基础,历来受到重视[12-13]。生态类型划分主要针对部分生态要素或者特征进行,如植被、水体、沙漠、城市、生物等。自然综合体在形成和演化过程中,各生态要素所起的作用是具有不均衡性的,往往其中部分要素起着突出的主导作用。生态类型区划意义在于通过揭示某些重要生态要素的组成结构、空间结构以及相对应的生态问题,可以有针对性地提出生态建设措施和实现途径。比如,早期的生态区划主要沿袭了自然地理区划的内涵,强调地域分异规律,揭示植被和土壤景观特征,没有考虑人与自然的关系;植被、生物多样性和生物地理区划多采用自下而上的聚类方法,利用生物群系数据进行区划,以保护生物完整性为目标;干旱、沙漠、戈壁等区划则在自然地理区划基础上,强调极端环境的生态影响和人类活动等;生态水文分区则在水文区划基础上,增加了与人类活动有关的分区指标。

国内主要的生态特征和类型区划方案见表1,主要特点是秉承主导因素的划分原则,在全面分析各要素相互作用基础上,突出起主导作用的生态要素,进行地域单元划分,揭示区域分异的本质,亦有利于部门管理的需要。

表1 中国生态特征和类型区划方案

1.2 生态地理和格局区划

在生态特征和类型区划基础上,对于宏观的生态格局、地理格局越来越受到重视,而且区划方案多考虑自然、人文和生态因子,形成较为综合的区划方案。生态地理/地域区划是比较典型的方案,主要是在传统自然地理综合区划基础上加入了生态要素和生态格局,是通过对自然地理的整体性和地域分异规律的综合认识,从生态学的角度对该区域进行系统地分类和区划[22]。区划成果有助于彰显生态系统对全球环境变化的响应效果,同时为区域可持续性发展战略提供宏观框架。我国生态地理区域划分,主要考虑了自南而北的纬向分异、自东而西的经向分异、自低而高的垂直分异、岩性等引起的局地地方性分异和气候等微地貌引起的微地域分异等因素。郑度等[23]依照综合自然地理区划的思想和方法,将中国生态地理依次划分为11个温度带、4类干湿地区、49个自然区,具有代表性。近期的研究则基于GIS平台的SOFM网络进行综合自然区划,使划分层次更加明显、区域分割更加清晰[24]。

为了更加全面的反映在人类活动影响下的生态地理格局的演变特征,越来越多的学者把人口、社会、经济和土地利用状况加入到了区划指标分类体系当中。针对生态整治规划缺乏考虑区域生态特征和经济特点的状况,傅伯杰等[25]在充分认识区域生态系统特征的基础上,建立了我国生态区划的原则、方法和指标体系。谢高地等[26]尝试以中国各县为基本区划单元,运用现代生态学理论、区划理论以及GIS技术手段,进行模糊聚类等半定量分析,得到了完整县域边界的生态区划方案。

国内比较典型的区划方案见表2,从中可以看出,生态地理和格局区划原则包括：地带性与非地带性相结合原则、发生同一性与区内特征相对一致原则、区域空间连续性原则、综合性和主导因素原则、耦合全球环境变化等。人类活动要素的加入是生态格局区划的重要特点,也是生态区划面向生态环境管理和调控的重要发展。

表2 中国生态地理和格局区划方案

1.3 生态功能和服务区划

生态功能区划是近年来发展较快的领域,主要强调生态系统提供服务和受到胁迫的程度,更侧重于生态功能类型、重要性、敏感性等。此类区划在充分考虑自然资源的保护和可持续性利用的前提下,针对区域自然地理分异性、生物多样性以及人与自然发展的不均衡性等问题,整合并分异不同生态功能对人类活动影响的敏感性特征[31]。国内已经进行了较多关于生态功能和服务的区划,生态功能区划最为代表性的是欧阳志云和傅伯杰等所做的中国生态功能区划及一系列评估区划。首先,针对全国的生态问题进行评估,如酸雨、荒漠化、石漠化、水土流失、盐渍化、石漠化、风蚀等不同生态过程构建了生态敏感性分区。在此基础上,采用自上而下的划分方法,针对洪水调蓄、水源涵养、土壤保持、防风固沙、生物多样性维持等重要生态功能进行评估,并区分不同区域的重要性。其后更多的研究是在此基础上进行的细化和完善,比如中国水土流失敏感性区划[32]、中国生态环境胁迫过程区划[33]、中国生态服务功能重要性分区[34]、中国生态敏感性区划[35]、中国水土保持区划[36]等(表3)。

表3 中国生态功能和服务区划方案

生态功能区划强调由环境资源差异、生态演替和干扰所产生的空间异质性,多通过识别生态过程的关键因子、空间格局、敏感性以及驱动因子,揭示生态系统功能的区域差异,尤其是生态系统潜在供给能力。通过因地制宜地开展生态功能区划,引导区域经济-社会-生态复合系统的可持续发展。虽然生态功能区划目的是考虑人类活动影响,但是对于生态系统服务的需求考虑仍然不够。近年来也有部分研究针对生态资产进行评估,对生态功能进行价值评估,主要使用自然稀缺指数来衡量,同时纳入产业结构、人类活动强度、城镇化程度等人为影响指标,但也主要从供给角度进行定量化。生态经济区划则是从社会经济活动角度开展分区,对于生态系统完整性和生态功能方面考虑较少,而且也缺少全国尺度的研究。

2 存在的主要问题

(1)缺少面向服务供需的生态系统区划。中国生态系统研究已经从生态格局、生态功能向生态服务发展,在不同生态功能的区域管理和调控方面起到重要作用。而且对于生态服务的认识也越来越重视,生态服务价值的估算也按照国际标准进行了大量研究和本地化[12,51]。此外,国际上已经有很多研究关注生态系统服务的供给、需求和流动,对于生态系统服务制图也从供给能力制图,慢慢发展到供需制图[9-12, 52]。国内在这方面的研究相对来讲较少,也是下一步需要加强的研究领域。

(2)缺少生态制图和更新的标准化技术。通过收集中国不同时期和不同类型的生态区划方案,发现制图技术和结果差异巨大。尤其表现在两个方面：第一、区划结果难以直接对比。不同方案之间采用的数据、方法均有差异,即便同样区划方法和数据,在制图技术方面也存在差异,造成区划结果难以进行直接对比。第二、制图自动化和更新技术缺乏。现有的多数区划方案,从因子收集到制图结果缺少标准化流程,制图过程比较复杂,而且很多制图因子难以更新。因此,需要建立更加精炼的分区因子选择标准、处理规程、制图技术、保存规范等。而且,区划表达方式也需要多样化,利于对比、推广和应用。

3 未来展望

(1)明确不同生态区划的科学或管理目标。现有的大多数地理/生态区划已经对生态系统本身的异质性进行了较好的归纳和总结,未来的生态区划不能简单的对生态系统进行分类和分区,而是应该有更加明确的科学目的或者管理目标。在具体的分区过程中,应该坚持“多因子分区面向一个具体目的,而非单因子分区面向多个目标”。比如,水生态功能涉及到水文、环境、气候、生物、经济等不同领域的影响要素,利用不同学科的理论和方法进行指标筛选,但是最终分区结果是为了维持水生态系统健康和完整,为环保部门水质目标制定提供依据。

(2)强调人类需求对于生态系统服务的影响。人类作为生态环境的一个重要组成部分,在生态区划中,人类需求和福祉越来越受到重视。现在的多数生态功能区划是基于生态系统潜在的供给能力,比如生态系统面积乘以权重得出其服务价值。但是这些生态系统服务能否变成人类福祉则没有考虑,造成人类需求和胁迫下的生态系统服务分区较少。未来的区划需要加强面向人类福祉的生态系统服务分区,尤其是考虑生态系统服务的供给、需求、流动等规律和特征,社会-生态综合区划也是需要加强的领域之一。

(3)重视全球气候变化对生态系统的现实作用和未来影响。在全球变化的背景下生态系统服务的时空异质性受到广泛重视,开展不同气候背景下的生态系统服务制图,有利于提出更加符合全球目标和地方适宜的管理方案,也有利于针对未来气候变化构建合适的应对策略。此外,除了生态系统产品提供能力外,生态系统调节和支持服务在全球气候变化大背景下如何演变,比如水源涵养、土壤保持、碳固持等,也需要系统的时空研究和全球区划制图。

(4)加强现代制图技术在生态区划的运用。尽管制图技术已经发展多年,遥感、数理统计和地理信息系统等技术也已经比较成熟,并非新鲜事物。但是,如何将其利用对生态区进行划分、更新,仍然需要大量的工作。生态区划从分区数据选取、数据处理、输入建库、结果制图和发布等亟需建立一套标准和规范,从而可以进行多方案的对比和验证。

(5)整合现有多原则和多目标的生态分区方案。现有的很多分区方案,虽然没有冠以生态区划的名义,但是很多也侧重于生态系统的分类、分区、分级等,将这些分区方案按照不同原则进行归纳和收集,可以归纳和完善生态分区的技术方法,为生态系统管理提供有价值的参考。