贵州樟江流域生物多样性保护优先格局评估

收稿日期：2020-05-21

*基金項目： 国家自然科学基金项目“基于生态效益的北京城市绿地格局规划实施评价”（41901220）; 北京市优秀人才培养

资助青年骨干个人项目“基于景观生态效应的北京城市蓝绿空间规划实施评价及优化”（2426922000）;北京市

教委科研项目“基于生态效益的北京城市绿地格局规划实施评价”（KM201910016018）

作者简介：傅微（1988- ）， 女，博士，讲师，研究方向为景观生态规划研究。 E-mail： fuwei@bucea.edu.cn

摘要：文章以贵州樟江流域为典型案例，运用保护格局优化和流域景观尺度系统保护规划的前沿软件Zonation4GUI统计46种保护对象的物种分布，以集水区为单元，对物种适宜栖息地进行基于互补性算法的优先排序;结合城镇发展成本、生境退化、优先权重分析等迭代计算，制定两种高价值保护优先格局和保护情景方案，评估优化前后两种情景中一、二、三级优先区保护格局的保护目标实现情况。结果显示，在生态完整性优先的保护格局情景中加入小于6%的优先区域，可增加31.6%的保护物种完全实现保护目标，全面提高各保护对象的保护效率;在城镇发展成本参与迭代的保护情景中加入6%的优先区域，达到保护目标的保护对象的比例增加了13.2%，未受保护的对象清零。因此，通过生物多样性保护优先格局的整合优化可以达成化解生态保护和城镇发展用地矛盾、提高保护成效的目的，对推进流域生态文明建设和可持续发展目标实现具有借鉴意义。

关键词：保护格局优化，流域景观， 城镇发展成本，评估

DOI： 10.12169/zgcsly.2020.05.21.0001

Evaluation of Spatial Prioritization for Biodiversity Conservation

in the Zhangjiang River Basin， Guizhou Province

Fu Wei

（School of Architecture and Urban Planning， Beijing University of Civil Engineering

and Architecture， Beijing 100044， China）

Abstract：With Zhangjiang River Basin as a case， the paper uses Zonation4GUI， the cutting-edge software for Spatial Conservation Prioritization and System Conservation Planning at watershed landscape scale， to make statistics of the distribution of 46 protected species. The prioritization produces a complementarity driven priority ranking of the given adaptive habitat based on each catchment cell. On top of that， by integrating urban development cost， habitat degradation， priority weight analysis and other algorithms， high-value prioritized conservation areas and conservation strategies targeted at two scenarios are mapped out， whereby the conservation efficiency of Class I， II， and III of prioritized conservation patterns under the 2 conservation scenarios before and after optimization is evaluated. The research findings show that by adding less than 6% of priority areas to the conservation pattern scenario featuring prioritized ecological integrity， an increase by 31.6% of protected species can be achieved， fully accomplishing the conservation targets. In the scenario where urban development cost is added in iteration， the adding by 6% of priority areas can witness an increase by 13.2%of the protected species which meet the conservation target， and the number of unprotected species is down to zero. Research shows that the contradiction between ecological conservation and urban development land use can be resolved by optimizing and adjusting the spatial pattern of biodiversity conservation， which can also refine conservation effectiveness. On that account， it is of referential significance to promote the development of watershed-wide ecological civilization and materializing sustainable development.

Keywords： conservation pattern prioritization， watershed landscape， urban development cost， evaluation

一个具有代表性的自然保护区格局应该保证关键物种的生存和栖息能力、生态和进化过程[1]。但近期的众多研究结果表明，“2020年全球生物多样性目标”中的大部分目标尚未实现，降低生物多样性损失率的全球目标很可能无法达成，且短期经济利益压倒了保护目标[2-3]，将保护区选取在较不适合农业实践的地区[4]，现有自然保护体系空间布局与生物多样性空间分布匹配性不高[1]。因此，自然保护区格局在充分代表生物多样性方面存在巨大差距[5]，我国自然保护区格局在东部和南部存在较大缺口[6]。

保护格局优化研究是系统保护规划的重要方面，最常见应用于已有保护区格局的优化扩展建设[7]。近年来，将城镇发展影响纳入保护规划和优化策略评估，采用保护格局优化来平衡重要生物多样性区域的生物地理和社会经济活动成为研究热点。人类活动如道路和水利等基础设施对环境的影响远远超出了区域发展足迹，破坏了栖息地，改变了水文环境[8]。将城镇发展因子及生境退化因子进行迭代分析，参与自然保护区优化保护优先级排序[9]，这在空间位置模拟上更具生态真实性和完整性，保护格局优化效果较好[10]。此外，保护规划人员逐渐意识到城镇发展影响可以作为保护成本的一个重要维度[11]，其原因是保护受严重影响的种群可能需要更多的资源和时间来恢复种群并防止进一步恶化。城镇发展活动造成的生态损失通常会把在生物多样性补偿（即在其他地方进行栖息地恢复、建立新的保护区或其他保护行动）中所产生的生态收益作为抵消[12]。将保护成本整合到保护的优先级排序中对于平衡利益相关者和建立可行的保护区至关重要[13]。

我国自然保护区空间保护格局优化主要以跨行政区域、山系区域方式展开判别[5，14]。近年来，由于新增流域尺度水文连通性和确定优先保护地体系引起广泛关注[15]、流域范围内地表河流纵向连通性及地下水含水层相互贯通[10]等特点，导致了上游土地开发利用引发下游保护区内水质污染[16]和出水量骤减等脆弱问题[17]。因此，迫切需要以流域景观为单元优化自然保护地独特的生物多样性。

在此背景下，以贵州樟江流域景观为研究区域，采用Zonation4GUI对已有保护区展开保护格局优化，最大化保证濒危物种数量和筛选最优化保护空缺;评估生态价值优先情景和社会经济、生态因素联动机制情景下的保护优化格局。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

樟江流域面积1 673.9 km2，地跨贵州省黔南布依族苗族自治州荔波、三都县，属于珠江流域。樟江流域是中国生物多样性热点地区之一，景观类型发育具有典型性、稀有性、脆弱性以及多样性，为上游、下游提供生态系统服务和生态产品;是世界范围内喀斯特地貌保存较为完好的区域，也是长江、珠江上游重要的生态屏障。但目前对樟江流域优先保护区域的了解甚少，对现有保护地网络在这一生物多样性热点地区的有效性了解更少。

1.2 研究方法与数据来源

基于空间保护优先级划分和系统保护规划的前沿软件Zonation4GUI[18]，对研究区景观进行以互补性为驱动力的优先排序。首先假定从生态角度来说，最好的做法是保护整个景观。然后通过识别、排序、移除总体生物多样性损失最小的单元的算法顺序，条件性地保留景观;重复此步骤，直到对整个景观进行排序;通过这一过程保持生物多样性的全维度性，使其始终保持所有物种和其他生物多样性特征之间的平衡。最后产生一个空间优先排序，从对维持生物多样性特征平衡最不重要到最重要。

具体保护优先格局优化路径如图1所示，其中人工预处理包括对保护对象名录及权重分析、栖息地制图及分布格局、保护规划单元分析、已有自然保护地掩膜层制图。流域内已有樟江国家级重点风景名胜区、国家级茂兰喀斯特森林自然保护区和3个县级自然保护区（含核心区、缓冲区及实验区）。研究采用集水区单元作为规划单元，突出流域生态系统结构的完整性以及流域上下游之间的连续性，符合物种的自然分布特征，维持保护对象生境和地貌单元的自然相似性。采用ArcGIS Hydrology工具建立规划单元，共包括1 421个集水区。

1.2.1 保护对象及目标

依据外业调查和黔南州自然保护区专家咨询相结合的方式，选取研究区内重点保护对象46种作为生物多样性代表物种，其中植物38种，动物8种。选取植物种类多的原因有3个方面：其一，樟江流域以典型、丰富、集中的喀斯特原始森林和喀斯特地貌上樟江水系的水景为基础，流域内主要以森林生态系统与水源涵养林保护作为重点目标;其二，受人类旅游活动等影响，野生动物数量较植被种类少;其三，保护動物中鹰类物种居多，适宜空间较广。本研究于2017年9月—2018年1月，以及2018年12月开展外业工作予以核实。

根据自然保护地中对典型性、稀有性、自然性、多样性、科学价值、美学价值（观赏价值）、社会和经济价值等方面的指标整合保护对象权重。如公式（1）所示，选用5个指数（表1）制定权重方案，保护目标ATarget值则由保护权重值与物种的栖息地面积相乘所得。

W=（Iendangered+Iprotection+Iendemic+Ieconomic+Iarea ）/5（1）

式（1）中， W 是物种的保护权重，濒危等级指数 Iendangered 按物种的濒危程度打分，保护等级指数 Iprotection 按国家保护等级打分，特有性指数 Iendemic 按照国家及地方特有性打分，经济价值指数 Ieconomic 按照植物的经济用途打分（很多植物具有药用、色素、野菜、观赏、油脂、纤维、蜜源、香料、野果等经济价值），潜在栖息地面积指数 Iarea 按物种潜在栖息地面积打分。动物不考虑经济价值，去掉 Ieconomic 后的4项取平均值。

1.2.2 栖息地制图及分布格局

栖息地空间分布格局采用统计物种分布模型（该模型结合了物种和自然生态系统与资源环境数据），预测栖息地适宜性的连续图层，具体为：1）确定植物物种偏好的海拔高程、土壤类型、植物类型;2）确定动物物种偏好的植被类型、海拔高程及土地利用类型，在ArcGIS支持下叠加生成物种适宜栖息地分布图。提取每种保护对象的适宜栖息地面积，作为保护目标分析指标。

1.2.3 保护现状条件和成本分析

流域自然保护现状条件采用植被净初级生产力年平均值2000—2015年趋势变化作为指标，表征生境特征退化情况。成本分布图基于规划单元，选取公路、铁路、城镇、农村居民点、水坝和已有保护区构建社会经济成本指数，并参考相关研究[18]。

1.2.4 不同情景下保护优先区分析及评估

优先区分析考虑已有自然保护地所占比例，依据2020年生物多样性公约《2020后全球生物多样性框架》，选取樟江流域景观的30%作为目标优先区[12]，对单元进行分层排序，每次迭代后逐步删除最不重要的单元，最终将最高保护价值区域的10%分为一级优先区，10%～20%的分为二级优先区，20%～30%的分为三级优先区。

根据城镇发展因素和生态完整因素的不同维度侧重，引入两种不同保护策略情景下的优先区情景：情景1为生态完整性优先的保护情景，成本层不参与迭代，将高保护价值规划单元建立优先保护格局，最大程度降低生物多样性损失;情景2为城镇发展成本参与迭代的保护情景，考虑社会经济与生态因素之间的联动机制，构建生物多样性保护优先格局。

评估代表物种在优化后的保护地中实现保护目标的程度，计算不同情景下保护贡献值 To ，如公式（2）所示。若一种保护对象o分布在k个规划单元中，并且这些规划单元被保护，那么保护区域（由这k个规划单元组成）对保护对象o实现其设定的保护目标的贡献值就为 To ：

To=Aprotected/Atarget（2）

式（2）中，Aprotected表示保护对象o在k个规划单元中的分布面积，Atarget为保护对象o的保护目标，当To≥1表示保护目标实现。

2 结果与分析

2.1 生态完整性优先的保护情景评估

对比现有保护区格局，生态完整性优先的保护情景为（表2）： 1）一级优先区新增面积为92.6 km2，占樟江流域总面积的5.5%，该格局的优化可清零9个“未受保护的物种对象” ，新增区平均保护贡献率达70.9%，“达到保护目标的保护对象”的比例增加了26.1%，全覆盖所有保护物种栖息地;2）一、二级优先区新增面积为196.8 km2，占樟江流域总面积的11.8%，“达到保护目标的保护对象”的比例增加到63.0%，“达到一半以下保护目标的保护对象”数目从原有27种减少至1种物种;3）所有优先区新增面积为300.9 km2，占流域总面积的18%，“达到保护目标的保护对象”的比例为93.5%，“达到一半以下保护目标的保护对象”数目清零。

2.2 城镇发展成本参与迭代的保护情景评估

参考现有保护区格局数据，社会经济成本参与迭代的保护情景如表3所示：1）一级优先区新增優先保护格局面积80.7 km2，占樟江流域总面积的4.8%，保护对象完全实现保护目标的比例增加到17.4%，93.5%的保护对象其保护贡献值有不同程度提高，平均提高率达39.3%，未受保护的对象清零;2）一、二级优先区新增面积为186.7 km2，占樟江流域总面积的11.2%，达到保护目标的保护对象比例增加到52.2%，保护贡献值均有提升，平均提升89.6%，达到一半以下保护目标的保护对象数目减少至1种;3）所有优先区纳入新增面积为287.8 km2，占流域总面积的17.2%，达到保护目标的对象比例可增加到80.4%，达到一半以下保护目标的保护对象数目清零。

对比情景1（图2）和情景2（图3）在纳入保护空缺前后保护对象实现保护目标的变化，可以发现：1）生态完整性优先情景整体优于考虑保护代价成本的情景。当纳入一级保护空缺优先区时，两种情景在保护目标实现完全保护的对象比例差距为17.4%，但随着二级和三级保护空缺优先区的不断纳入，差距有所减少;最终纳入所有保护空缺后，情景1可实现保护目标的对象数目大于情景2的数目，比例相差13.1%。2）两种情景在纳入一级保护空缺前后未受保护的对象均清零。作为特有且分布较少的物种，以辐花苣苔（ Thamnocharis esquirolii ）为例，其适宜栖息地在樟江流域内所占面积最小（899 m2），已全部纳入一级保护优先区。说明通过互补性算法纳入一级优先区可达到对稀有分布物种的保护。3）两种情景纳入一级和二级保护空缺优先区后，达到保护目标一半以下的数目仅剩1种，情景1中为异形玉叶金花（ Mussaenda anomala ），情景2中为金猫（ Catopuma temminck ）;最终纳入所有保护空缺后，实现了所有保护对象均达到50%以上保护目标。

2.3 两种情景的特性曲线对比

Zonation平均特性曲线（图4）显示了在生境破碎化条件下，按比例去除景观后，生物多样性代表特性之间的分布剩余比例的汇总信息。当景观退化比例小于30%时，物种栖息地剩余比例并未发生较大变化，相对平稳;前30%的流域景观持有大约70%的生物多样性的分布特性。分布不从100%开始的原因在于使用条件层（即生境退化条件层）降低了所有功能的初始分布的水平。当景观退化比例超过70%时，物种栖息地剩余比例出现了急剧下降趋势;在城镇发展成本迭代的情景下，物种栖息地剩余比例衰减速度高于生态完整性优先情景。

3 讨论

作为联合国教科文组织的世界生物圈保护地、世界文化和自然遗产，樟江流域已是国际生态保护网络的一部分。然而，自然保护地重叠设置、多头管理、边界不清、保护与发展矛盾突出等问题依然存在。建立以国家公园为主体的自然保护地体系接力正是一个良好的契机。根据《2020后全球生物多样性框架》，修改后的樟江流域生物多样性保护目标，通过自然保护地体系扩增、优化和实施，可进一步完善生物多样性保护体系，达成化解生态保护和城镇发展用地矛盾、提高保护成效的目的。通过区域生物多样性资源禀赋研究、保护现状研究、保护空缺分析，以及对比优化效果分析，建议将当前各级各类自然保护地归类到新提出的3类自然保护地类型中，以满足可衡量的保护目标：以茂兰国家公园为主体（研究区域内前10%的一级优先区），以樟江主河道自然保护区为基础（研究区域内10%～20%的二级优先区），辅以各类自然公园（研究区域内20%～30%的三级优先区），3种类型的管理应区别对待。值得注意的是，城镇发展成本探讨是必要的，但在自然生境不断破碎化和无法适应大规模干扰的情况下，生态完整性优先保护仍优于考虑城镇发展成本的情景，毕竟在其他地方新增保护区抵消因生物多样性热点区域退化所造成的生态损失是减灾层次的最后一个阶段。因此，国家公园内应限制人类干扰，完全避免生态损失;在自然保护区中，应通过合理的项目工程设计尽量减少生态损失;在自然公园中，生态恢复应开展就地栖息地恢复活动，以原保护区村组干部、积极分子组建保护区资源委员会，增强干部、群众自然保护的自觉意识，社区共管与生态旅游补充收入来源，开展环境容量评估。

本研究結果与其他使用空缺分析[19]、热点识别[20]和系统保护规划[21]在全国范围内开展的评估结论一致，在中国西南生物多样性热点地区，保护区的划分尚无法完整代表生物多样性和保护生态系统服务。Chi等[20]发现中国西南部作为受威胁中药材的热点地区，在现有自然保护区内代表性不足。樟江流域内石山木莲（ Manglietia calcarea）和狭叶含笑（Michelia angustioblonga） 的分布数量极少，是物种完整代表性的保护空白，注重对此类植物的保护也可以更好地保护其他物种[22]。Zonation 4GUI中采用的互补算法能更好地筛选、优化和保护物种的稀有性和代表性，互补算法下樟江流域生物多样性保护优先格局评估均呈现：在现有格局中加入小于6%的一级优先区域，所有代表物种均受到保护;加入小于15%的一、二级优先区域，达到一半以上保护目标和达到保护目标的保护对象占总数近98%;加入约24%的所有优先区域，两种保护策略完全实现保护目标的对象比例分别为97.4%和89.5% ，且保护对象均实现达到至少一半以上的保护目标。因此，本文评估成果将有助于西南地区生物多样性保护优先格局的体系整合、优化、调整，评估方法对于景观流域尺度生物多样性保护优先格局评估具有一定借鉴意义，量化人类活动的影响对生物多样性保护优先格局评估有着重要研究意义。

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