近20年国外系统保护规划研究进展及启示

王婧 欧小杨 吴佳霖 郑曦

生物多样性资源和其提供的生态系统服务功能具有重要的保护价值。建立保护地是世界各国保护自然的通行做法[1]。合理选择保护区域对于维持生物多样性和生态系统服务功能具有重要意义。在中国，由于保护价值的多元性和管理体系的复杂性，单纯依据保护对象而设立的保护地无法保证其保护价值的发挥，当前需要更有效的方法对此类自然区域的划分进行规范和指导。

在保护规划研究领域中，系统保护规划（Systematic Conservation Planning，简称 SCP）是一种循序渐进推进保护地规划的方法，当前保护规划已形成了以系统保护规划方法为主导的相对完整的体系。传统保护方法以专家决策为主导，而SCP则系统地考虑了保护区尺度、连通性、边界长度以及建立保护区所需的经济和社会成本[2]。量化的保护目标、保护成本及边界紧密度等在保护生物学领域研究发展迅速，并在近年来呈现了除生物多样性之外的其他保护价值与保护目标，如生态系统服务功能的研究趋势。笔者通过系统梳理SCP的研究进展，希望为中国具有多重保护价值的区域提供保护地分区划界提供方法的指导和工具的借鉴。

1 系统保护规划方法的发展脉络

系统保护规划的产生来源于传统保护规划思想并在其基础上经历了体系和方法的优化。依据SCP经历的4次主要变革—互补性选址原则提出、系统保护规划确立、多重保护目标制定以及动态过程方法应用可以将SCP划分为4个主要研究阶段。

1.1 系统保护规划萌芽时期（1980—2000年）

20世纪60年代初到80年代的保护规划建立在单一的评分系统的基础上[3-5]，如分别依据多样性、稀有性、自然性、区域和人类干扰的威胁制定评分标准。1983年，Kirkpatrick等首次将“互补性”作为确立优先保护地区的原则，标志着“系统保护规划”的思想在保护生物学领域的出现[6]。随着生物—地理信息和选址算法逐渐普及[7]，保护规划领域的技术手段取得了快速的发展。这一时期的保护规划侧重于生物多样性的空间分布，缺乏对影响保护区规划和实施的生态、经济、社会因素的系统性整合，保护地迫于土地利用的压力而选择偏远的、经济价值较低的区域[8]，导致经济价值高、土地利用强度大区域的生物多样性无法得到有效的保护。

1.2 以生物多样性保护为主要目标的成熟期（2000—2005年）

2000年，保护生物学家C.R.Margules和R.L.Pressey首次阐述了SCP的概念和方法，认为保护规划应当以减缓生物多样性丧失的趋势为目标，正视保护和发展之间的冲突，将有限的保护资源用于关键区域[9]。与传统保护规划侧重生物多样性的空间分布不同，SCP通过量化的保护目标，纳入保护成本，综合考虑保护体系连通性、人为干扰因素，使用优化算法计算，从而获得空间明晰的生物多样性保护体系。自此，系统保护规划形成“六步法”[10]核心工作流程，成为国际上普遍认可的保护规划方法，开始影响陆地、海洋环境保护的政策和立法。

1.3 纳入生态系统服务的多重目标探索期（2005—2010年）

随着系统保护规划方法在全球范围内的应用，以生物多样性保护为核心目标的保护规划体现出一定的局限性。最大化生物多样性的保护这一原则会带来社会、经济方面的负面影响[11]。在千年生态系统评估[12]报告完成的背景下，研究者逐渐意识到生态系统可提供的服务之间存在的紧密联系，对生物多样性、生态系统健康、人类福祉都至关重要[13]。大量研究在证明生物多样性保护与特定生态系统服务之间的协同与权衡关系的基础上[14-17]，提出在保护规划中整合生物多样性和生态系统服务的框架[18]。同时，一些研究开始探讨促进保护规划实施有效性的跨学科方法[19]，将实际经济成本[20-21]、土地管理者实施有效保护行动的机会[22]等非生态数据整合到优先保护区域选址中。

1.4 应对不确定性的规划方法完善期（2010年至今）

此前的系统保护规划中，静态的观点占主要地位，绝大部分研究未涉及气候变化等动态过程。随着气候变化对生物多样性、栖息地质量的负面影响得到印证，应对各种不确定性的动态方法开始被应用于系统保护规划中。大量研究开始应用基于最大熵的分布模型[23]，将环境数据与物种分布数据进行联系，在不同的未来气候情景下，对未来的生物多样性、生态系统服务热点区域进行预测，以最大限度地覆盖当前和未来的优先区域[24]，提升系统保护规划应对未来气候变化的有效性。

2 系统保护规划研究进展

为了系统地反映SCP方法确立后该领域的研究动态，笔者通过文献检索和关键词共现、突发性检测等方法梳理近20年来最受研究者关注的内容，通过问题归类的方法，结合六步法的每一个步骤的内涵对其中涉及的理念更新、内容扩充、工具拓展进行详细梳理，从而提供具有高度针对性、时效性的研究动向。

2.1 文献概况

笔者以Web of Science核心合集数据库为基础，以“主题=protected area planning AND主题=biodiversity OR ecosystem service”“ 主 题=conservation area planning AND主题=biodiversity OR ecosystem service”“ 主 题 =systematic conservation planning AND主题=biodiversity OR ecosystem service”为关键词，时间跨度从2010—2018年进行文献检索。为尽可能保证文献分析的相关性与有效性，将研究领域主要限定在环境生态科学、保护生物学、动物学、植物学、林学、城市研究、水资源管理等相关学科。

通过使用CiteSpace计量分析软件对检索得到的相关文献进行关键词共现网络分析，在所研究时间段内，出现频率较高且中心性较强的是保护地管理、气候变化、土地利用变化、多样性等关键词（表1）。

为了保证研究内容的中心性和先进性，对研究文献进行突发性检测，获得研究领域中在某一个较短时期内具有显著研究特征的研究内容（图1）。在2010年之后，生态系统服务等研究热点突发性较强。根据研究的突发性和中心性以及被引次数，从已有文献中获取含有聚类中心的文献并剔除海洋保护地相关文献，得到用于分析保护规划研究进展的122篇文献。

2.2 影响系统保护规划的两大关键背景

系统梳理122篇分析文献的研究内容、方法与结论后，得到2个对当前研究带来挑战的关键性研究背景：受全球气候变化影响的生物多样性丧失问题为保护规划带来了新的思考和挑战；与人类福祉相关的价值决策也对当前的保护规划框架产生了深刻的影响。

2.2.1 全球气候变化—动态视角引入

气候变化正在影响全球的物种和生态系统，并将在21世纪末产生巨大影响[25]，威胁物种和生态系统的持久性[26-28]。许多保护规划方法确定了当前在全球范围内保护生物多样性的最重要领域，却忽视了气候变化的未来影响[29]，而不稳定的气候条件将破坏自然保护规划的有效性。随着研究者对气候变化观测和潜在影响的了解不断深入，针对生态系统管理提出的气候适应战略也相应增加，这为保护规划的研究引入动态的视角和方法。

表1 文献关键词共现频率Tab.1 Frequency of literature keywords co-occurrence

1 被引文献突发性和时间分布Burstness and time distribution of cited literature

2.2.2 生态系统服务功能—规划框架扩充

随着经济和社会发展，生态系统和自然资源经历着持续的利用、退化和破坏。为了阻止生态系统质量的进一步恶化，生态系统服务的概念成为保护规划和环境影响评价的核心问题。2010年联合国《生物多样性公约》制定的目标是到2020年使17%的陆地和10%的海洋区域属于保护地。这些区域必须对生物多样性和生态系统服务具有特别重要的意义，必须得到有效和公平的管理、具有生态代表性和密切的联系[30]。将生态系统服务纳入大尺度的规划[31]，并将其与生物多样性保护目标的权衡和协同关系纳入规划框架是未来的趋势。

在两大关键背景的影响下，以SCP为主流方法的保护规划从理论到实施的各个阶段产生了概念更新、内涵扩充与工具发展（图2）。SCP方法在空间保护价值的选择和权衡、生态空间分区上对具有多重保护价值的保护地分区划界提供了重要的方法参考和工具依托。

2.3 系统保护规划六步法及研究进展

受到全球气候变化和生态系统服务理念的影响，原有的方法局限性和操作流程中的问题逐渐被纳入研究视野，研究者们在大背景影响下开始应对更为复杂多元的价值权衡和适应于气候变化的动态规划。根据最新的研究，对“六步法”的每一步骤在近年来产生的研究进展进行具体综述。

2.3.1 编制规划区域数据集—模型与工具更新

作为整个规划流程的基础，需要编制与规划区域地理空间具有明确对应关系的数据集，此数据集应包括规划单元和特征2个方面。

规划单元依据规划所在的区域、尺度的差异而不同，通常包括方格网单元、土地利用单元、自然植被斑块等。

规划单元的特征方面，需要通过选择一系列具有明确空间定位的综合性替代物[32]代表规划区域的生物多样性、生态系统服务等特征。在以生物多样性为核心价值的系统保护规划中，替代物分为生物因素和环境因素2种类型（表2），不同类型的生物多样性替代物在整体生物多样性评估中存在着互补的关系[33]，因此推荐采取生物因素与环境因素结合的方法。

在近年来的研究中，物种分布模型成为生物多样性保护数据编制和数据优化的热点方法。应用较多的包括Maxent最大熵模型[34]、Biomod广义加性模型，分类树分析，人工神经网络等，与此同时，越来越多研究在数据集的编制中考虑气候变化对物种分布的影响。在对当今气候条件下的物种分布进行预测的基础上，研究者利用政府间气候变化专门委员会等机构提供的未来气候情景和大气环流模型，将物种分布数据投射到未来气候的条件下，形成多个情景下的物种分布模型，为具有气候变化敏感性的生物多样性热点区域提供选址依据。一些研究认为保护地表类型[35-36]等非生物条件对于气候变化背景下的物种分布和生态过程的代表性更为有效，并提出以非生物因子的组合[37]作为生物多样性替代物的数据集编制方法—粗过滤器分类法[38]，该方法在淡水保护地的系统保护规划中已有较为普遍的应用[39-40]。

由于许多研究致力于通过SCP方法，实现生态系统服务与生物多样性的协同与平衡[41]，生态系统服务空间描述和评估是推动生物多样性保护目标实现的关键行动[42]，J.Maes等提出了生态系统服务空间描述和评估的框架，并总结了评估生态系统服务功能所使用的因子。

2.3.2 设立保护目标和指标—目标与指标的科学性论证

依据保护价值完成了数据集编制后，需要将系统保护规划的代表性和持久性目标转化为确切的、定量的指标，为现有保护区的评价和新增保护地选址提供依据。

大量研究论证了以“保护区域占目标区域的百分比”为例的无数据指标的局限性，该类型指标难以将保护地的规模与独立性、形状在斑块和景观尺度的特征纳入考虑范畴。应根据生物多样性替代物的特征设定特定的规划指标，如根据满足物种生活、缓解自然干扰、保持生态过程的需求，确定最小的保护地面积，定义保护区域的尺度、位置和功能[43]。Watson等对比了多种形式的指标的适用性，强调选择复合代表性指标的优势，它可以提升保护地应对灾难、人为干扰的韧性，同时提出为干旱避难所和进化避难所设置一定的指标，并选取沿着连接水体的规划单元[44]，增强其在空间和时间上维持生物多样性、进化过程[45]的能力。与连接度相关的指标是淡水保护规划[46-47]中至关重要的因素。

2 气候变化和生态系统服务影响下的保护规划框架Protection planning framework under the influence of climate change and ecosystem services

表2 系统保护规划常用的生物多样性替代物[9,10,33]Tab.2 Biodiversity alternatives commonly used in SCP[9,10,33]

2.3.3 评价现有保护区—研究必要性论证

开展现有保护地评价的必要性在于，保护地退化、缩小、解体成为全球范围保护地的共同危机。其中退化主要由人类在保护地中的活动程度变强而引起，需要切实认识到保护地退化带来的损失并量化保护地所能提供的效益。现有保护地评价的内容包括：衡量现有的保护地对于保护目标的实现程度，地区的生境条件对于维持保护地网络的有效性。当下主要是通过几种方式来计算维持生物多样性或某些生态过程所需要的最小生态面积，其中包括岛屿—生物地理学理论等方法。这一步骤的另一意义在于通过结合物种分布模型（SDM）获得的植被类型和动物物种分布的信息，评价保护地之间的缺口，以及基于环境变量来实现环境缺口分析[48]，从而提高生物多样性的代表性[49]，为新增保护地和扩充保护地网络提供重要的指导意义。

2.3.4 选择新增保护区域—理念更新和算法扩充

系统保护规划中新增区域的选取工具包括保护区选择算法或决策支持软件。对于新增保护地的选址划界，当前已有一系列的算法和工具被应用于系统保护规划中（表3）。大多数的工具基于优化算法，以期最大限度地获取物种或其他保护特征的覆盖区域。决策支持软件则运用于划界过程中的限制因素，如边界长度、保护成本、连接度等。其中，最常用的算法软件之一为采用模拟退火算法的MARXAN软件，通过调整连接性成本，能够选择优先保护地区，增加保护实施和管理的可行性，也可通过调整边界长度惩罚因子，避免选择孤立的规划单元，以及使用LUPOlib和MARXAN结合，将景观特征纳入目标物种栖息地环境的建立[50]；另一应用逐渐增多的软件Zonation在确定优先保护区域方面具有更好的优势[51]，通过缺口分析的方法提高保护优先等级划分的适用性，并能结合空间关联的本地指标算法制定多个保护热点情景下的保护策略[52]。在众多的规划案例中，没有一套绝对的标准来指导规划工具的选择，对于规划对象和管理问题，决策者需要根据保护规划中的价值衡量和限制因素对工具进行选取。

2.3.5 实施规划行动—实践与管理框架变更

步骤4中的新增保护区选址虽然考虑了诸如土地征用成本等现实保护成本因素，所选择出的优先保护区域在规划落实的过程中仍会面临复杂的土地所有权、植被退化和更替等问题。为了在实施阶段最小化保护目标的让步，应充分评价所选区域对该区域保护目标的贡献，衡量不可代替性和脆弱性2个维度，以灵活对应规划实施方案。规划实施须解决的关键问题包括：为每一个保护地块制定切实可行的规划实施措施；如果区域处于严重退化状态或保护难度较大，则须返回选址阶段识别其他替代区域；当资源对于整个保护地网络的保护而言相对有限时，需制定分期保护的规划，允许规划和实施之间存在短期时差以增加实施方案的灵活性。

在近20年的发展过程中，系统保护规划研究与实施行动之间的差距仍然普遍存在[53]。Adams等回顾规划实施中的资源投入、过程、实施主体3个组成要素的关系及其对诸多保护规划有效性的影响，指出保护规划的实施方案须针对规划本身的特点提升针对性，并应保证投资预算、人力资源、学术支持等多方面的投入以弥合规划与实施之间的缺口。考虑到气候变化对生物多样性和生态系统的影响，一些研究将气候模拟、敏感性分析和脆弱性评估纳入系统保护规划的适应性管理框架[54]，构建了保护规划实施的动态调节机制（图3）。

2.3.6 维持保护区的价值—评价体系优化

Margules和Pressey强调，规划是一个迭代过程。通过监测保护地的关键指标，可以在一定程度上反映保护的有效性是否实现。同时，有效性评价的结果也用于指导决策保护地网络扩大的必要性[55]。对于保护地管理的有效性，当前仍然没有一种实际的、连续的框架用于实施。评价框架也需要更多的工具支持和更新以适应于多种类型的保护地。在当前的研究中，保护地整体评价体系成为综合评估考核制度有效性的新工具[56]。它具有模块化、层次化、数字化的特征，可以通过跨学科的方式提供一种综合评估框架，保证了评价的有效性和可操作性。David Rodríguez等研究了保护状况、规划、管理、社会和经济背景、社会看法和评价以及对保护的威胁等相关因子及指标，得到了综合评价保护地有效性的一套方法。在气候变化的大背景下，对保护地的保护价值的评估是适应性管理和预警策略制定的优先考虑事项，同时也是回应保护目标的必要选择。

表3 保护区域选择工具及软件Tab.3 Tools and softwares applied in conservation area selection

3 气候变化背景下的保护规划适应性管理框架Adaptive management framework of conservation planning in the context of climate change

3 对中国保护地规划研究的启示

党的十九大报告指出：构建国土空间开发保护制度，完善主体功能区配套政策，建立以国家公园为主体的自然保护地体系，设立自然保护地是为了维持自然生态系统的正常运作，为物种生存提供庇护所，具有持续利用自然生态系统内的资源等多重目的。这与国际上设立自然保护地强调的理念在内容和目标上具有高度的重合性。借鉴系统保护规划的理念和方法，中国的保护地体系规划应重点关注以下4个方面。

1）加强生态系统服务和生物多样性的空间格局的权衡与统筹研究。中国广泛的自然、半自然区域面临严峻的城市扩张威胁和土地利用的竞争压力，亟须权衡包括生态系统服务在内的多种保护价值以适应当前的生态规划需求。但在具体的保护价值选取与保护目标的制定上仍因资金投入、土地政策等因素而留有较大的探讨和研究空间。保护目标的设定如何真正减缓生物多样性下降有待探讨[57]。此后需要结合多种场景如保护、发展对保护目标的制定进行研究，构建多标准决策框架，完善保护地规划框架，补充保护空缺，形成综合完善的保护地网络体系。

2）纳入气候变化的适应性规划决策。面对中国丰富的气候与栖息地类型以及覆盖面积广泛的气候变化敏感区域，生物多样性热点地区的保护规划易受到气候变化的复杂动态影响，需要将气候变化的影响纳入保护规划，对开发保护资源进行优化配置以提高物种生存的可持续性，帮助物种和生态系统适应潜在或已发生的气候变化影响，制定有效策略与管理机制以降低其对气候变化的脆弱性，提高生态系统稳定性。

3）开展保护地规划的监测与评估研究。既定范围的保护地能否真正保障保护物种多样性、栖息地完整性这些目标的实现在中国复杂的保护地类型和管理中具有高度的实施困难。中国的保护地规划首先应梳理当前已有的各类保护地如自然保护区、森林公园等类型中具有生物多样性代表性的区域，明确规划目标与定位，开展相关评价后确定保护规划的实施范围界线。

4）落实保护地规划实施和科学的管理框架。由于中国保护地类别多样、管理体系之间关系尚未理顺，实际的保护效果和规划预期存在一定差距。在丰富的研究热点和更新的研究方法的驱动下，需要借鉴国外保护规划评价体系的框架，对不同区域的关键指标开展有效性评价，制定预警措施，回应保护目标。

注释(Notes)：

① 伞护种：是保护生物学中的一个概念，指那些生存环境需求能够涵盖许多其他物种生存环境需求的物种。Bruce A.Wilcox最早于1984年提出这一概念。它可用来确定应被保护的生存环境的类型与面积，常用于自然保护区的规划。

② 指示种：是指对环境的影响与其生物量不成比例的物种。这些物种对保持生态群落的结构起着重要的作用，它们影响着生态系统中其他许多生物，并决定了群落中各种物种的种类与数量。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

本文中所有图表均由作者绘制。其中表2根据参考文献[9]、[10]、[33]绘制。