系統(tǒng)保護規(guī)劃的理論、方法及關鍵問題

張 路, 歐陽志云, 徐衛(wèi)華

中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085

系統(tǒng)保護規(guī)劃的理論、方法及關鍵問題

張 路, 歐陽志云*, 徐衛(wèi)華

中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085

為了減緩生物多樣性喪失的趨勢、將有限的保護資源用于關鍵區(qū)域，Margules等提出了系統(tǒng)保護規(guī)劃(Systematic Conservation Planning)概念和方法，目前該方法已成為國際主流保護規(guī)劃方法。與傳統(tǒng)基于專家決策的保護體系規(guī)劃方法不同，系統(tǒng)保護規(guī)劃擁有量化的保護目標、保護成本，并綜合考慮保護體系連通性、人為干擾因素，使用優(yōu)化算法計算，從而獲得空間明晰的生物多樣性保護體系。在闡述規(guī)劃理念、規(guī)劃流程與方法的基礎上，重點評述了生物多樣性替代指標的選擇、保護規(guī)劃成本的計算、保護目標的設置、規(guī)劃結(jié)果的可靠性評估等關鍵問題，并結(jié)合我國的具體情況，探討了該方法在我國的應用前景，以期為推進我國生物多樣性與生態(tài)服務功能的保護做出貢獻。

系統(tǒng)保護規(guī)劃；保護優(yōu)先區(qū)；生物多樣性；保護成本；保護目標

生物多樣性資源不僅可以被直接用作食物、藥物、能源、工業(yè)原料，其價值還通過提供大量生態(tài)系統(tǒng)服務功能間接體現(xiàn)出來。這些功能可能包括調(diào)節(jié)氣候、維持自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、降解廢物、維持自然基因庫和美學價值等[1]。然而，以物種多樣性為例，全球平均每年約有1000個野生物種滅絕，并在未來的幾十年中有可能達到每年5000個[2],這種滅絕速率比人類出現(xiàn)前大100—1000倍[3]。生物多樣性的喪失受多種因素共同驅(qū)動，包括全球氣候變化、土地利用變化、物種入侵、傳染病擴散及物種的自然更替等，很多因素都與人類活動強度加大密切相關。

為控制物種滅絕速度，保護生物多樣性資源，已出現(xiàn)大量保護方法和政策性研究[4- 5]。這些方法大致可以分為就地保護和遷地保護兩類。相對于遷地保護而言，就地保護更強調(diào)生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)間的相互作用，具有更積極的意義。為此，全球陸地表面的10%—11%已經(jīng)建立為自然保護地，但全球生物多樣性資源豐富，不可能將所有具有保護意義的區(qū)域劃為保護區(qū)。所以，保護體系規(guī)劃和補充保護地選擇就顯得尤為重要。這需要合理的保護規(guī)劃來選擇、組織保護區(qū)域，使生物多樣性和其它自然資源得以延續(xù)。保護規(guī)劃的本質(zhì)是結(jié)合自然、社會、經(jīng)濟特征解決重要的資源、空間配置和管理問題，將有限的保護資源合理分配到最具保護意義的區(qū)域并實施切實有效的管理措施。生物多樣性資源豐富的地區(qū)通常自然資源豐富，這些區(qū)域的居民需要生活空間、生活資料并排放垃圾[6]，這就帶來了保護和發(fā)展的沖突。故而保護規(guī)劃不僅要考慮生物多樣性空間分布，還應考慮經(jīng)濟發(fā)展的空間異質(zhì)性，而傳統(tǒng)保護規(guī)劃方法比較側(cè)重于前者，對后者的分析不足，這可能是由于經(jīng)濟發(fā)展和人類影響機制過程過于復雜，難以模擬。

針對傳統(tǒng)保護規(guī)劃方法的不足，Margule等提出了系統(tǒng)保護規(guī)劃概念，其中指出保護規(guī)劃不僅應當考慮自然性質(zhì)和生物學范式，還應系統(tǒng)地考慮到保護區(qū)大小、連通性、邊界長度以及建立保護區(qū)所需的經(jīng)濟和社會成本[7]。系統(tǒng)保護規(guī)劃是一種基于模擬運算模型的規(guī)劃方法，規(guī)劃過程需要量化的保護目標、保護成本及邊界緊密度。同時，系統(tǒng)保護規(guī)劃也極為重視區(qū)域生物多樣性數(shù)據(jù)的系統(tǒng)累積，以此獲得的生物多樣性空間分布根據(jù)在規(guī)劃中是必不可少的。近些年，保護生物學領域?qū)ο到y(tǒng)保護規(guī)劃的研究發(fā)展迅速，并已經(jīng)用于一些生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)的規(guī)劃實踐[8- 10]。本文通過對系統(tǒng)保護規(guī)劃相關文獻的綜合，評述了系統(tǒng)保護規(guī)劃的理論基礎、研究中出現(xiàn)的熱點問題以及在我國的應用前景，以期為我國的保護規(guī)劃提供借鑒。

1 系統(tǒng)保護規(guī)劃理念與方法

1.1 系統(tǒng)保護規(guī)劃的理論基礎

為嘗試解決生物多樣性保護與資源利用的沖突，系統(tǒng)保護規(guī)劃引用選址優(yōu)化算法，從保護成本與保護目標兩方面出發(fā)，研究目標區(qū)域內(nèi)有限的保護資源應當如何配置?；舅悸肥牵紫葘⒀芯繀^(qū)劃為若干獨立的規(guī)劃單元，通過目標函數(shù)為每個單元賦值，通過迭代運算選擇備選單元集合中的最優(yōu)解，結(jié)果代表在達到既定保護目標的同時保護成本最低的規(guī)劃單元集合。

在傳統(tǒng)的保護區(qū)分類體系中涉及物種層次的大多僅根據(jù)某些旗艦物種建立保護體系，并未系統(tǒng)考慮生物多樣性或其它綜合性生態(tài)指標。而系統(tǒng)保護規(guī)劃為每個生物多樣性衡量指標都設立了明確的保護目標，同時在規(guī)劃前默認，除已建保護區(qū)外，其它任何區(qū)域都是新建保護區(qū)的備選區(qū)域。系統(tǒng)保護規(guī)劃還需要量化每個備選區(qū)參與保護體系建設的經(jīng)濟成本，從而選擇滿足保護目標的最低成本備選區(qū)集合，這類似于經(jīng)濟學中效率前緣的搜尋過程。如果保護成本和選區(qū)數(shù)量呈線性關系，則該過程可以用整數(shù)線性規(guī)劃來描述。

設保護被選規(guī)劃單元總數(shù)為m，保護目標物種總數(shù)(或其他保護目標因素，如植被型)為n，根據(jù)物種信息構(gòu)建物種分布矩陣A，矩陣中數(shù)值為aij,則有：

其中，i= 1, …,m；j= 1,…,n

設m維向量X表示規(guī)劃單元是否被選入保護體系，其中元素為xij，

其中，i= 1, …,m

由此，目標函數(shù)為：

式中[11]，aij，xi∈[0,1]

當保護規(guī)劃中難以為每個保護目標要素確定明確的保護目標時，可以采用另一種思路，在既定保護成本下，使保護效果最大化。此時的模型為目標函數(shù)：

式中,b為成本預算[12]

根據(jù)模型可以建立待優(yōu)化矩陣，優(yōu)化過程則需要介入優(yōu)化算法。其最大的特點是從運籌學領域借鑒計算方法，使保護目標和保護成本得到量化，可以提供空間明晰的保護優(yōu)先區(qū)選擇結(jié)果。算法內(nèi)容多樣，使用較多的包括啟發(fā)式算法模型、線性模型、概率算法模型[13- 15]等，對于算法的選擇，早在1996年就由BlairCsuti等分析了五類主要算法在解決保護優(yōu)先區(qū)選址問題上的性能[16],并提出針對不同的目標變量選擇合適的算法。作為系統(tǒng)保護規(guī)劃的核心，優(yōu)化算法為保護體系規(guī)劃和現(xiàn)有保護網(wǎng)絡評價提供了更強的可操作性理論支持。但值得注意的是，在規(guī)劃操作中，優(yōu)化選址并不是系統(tǒng)保護規(guī)劃的全部，上述數(shù)學模型也僅僅是最簡化模型，如何根據(jù)規(guī)劃區(qū)特點適當加入描述保護體系空間特征、植被珍稀度、土地利用等相關項，建立內(nèi)容更加豐富、更有針對性的目標函數(shù)將對結(jié)果的質(zhì)量起到至關重要的作用。而對保護體系的評價，建立長期管理及監(jiān)測方案也是系統(tǒng)保護規(guī)劃的重要內(nèi)容。

1.2 系統(tǒng)保護規(guī)劃工作流程

系統(tǒng)保護規(guī)劃過程透明，公眾可以直接監(jiān)督和理解規(guī)劃決策過程。結(jié)果易于解釋和修改，能包容保護生物學、生態(tài)學、經(jīng)濟學的多元數(shù)據(jù)輸入，并具有解釋生態(tài)過程和人為干擾威脅的能力，被廣泛認為是當前保護體系設計的最優(yōu)方法[17]。作為一個當前的熱點研究課題，基于系統(tǒng)保護規(guī)劃理念的保護體系設計有很多問題還需要繼續(xù)研究并展開深入探討。但同樣作為一項完整的規(guī)劃工作，又具有明確的工作框架和流程指導保護體系規(guī)劃。

系統(tǒng)保護規(guī)劃流程包括收集生物多樣性數(shù)據(jù)及生物多樣性制圖、確定規(guī)劃目標、評價現(xiàn)存保護體系、選擇補充區(qū)域、保護規(guī)劃的實施管理及監(jiān)測等步驟(圖1)。

圖1 系統(tǒng)保護規(guī)劃工作流程Fig.1 Workflow of Systematic Conservation Planning

1.3 幾種主要的系統(tǒng)保護規(guī)劃工具

當描述規(guī)劃過程的模型函數(shù)建立后，可以使用MATLAB、1stOpt等科學計算軟件或其它編程語言進行計算，但對于大多數(shù)非數(shù)學專業(yè)的人員而言確實存在一定難度。為簡化工作過程，提高效率，多個研究機構(gòu)已經(jīng)開發(fā)了諸如SITES、WORLDMAP、PANDA、C-Plan、CLUZ、MARXAN、ZONATION[18- 24]等嵌入模擬算法的決策支持軟件，并逐漸完善。多數(shù)都具有交互操作界面，便于操作，可以免費下載。其中，SITES較早用于系統(tǒng)保護規(guī)劃，使用貪婪算法在較小尺度上選擇備選單元中具有保護意義的集合作為保護優(yōu)先區(qū)。WORLDMAP多用于解決較大尺度上的保護生物學保護優(yōu)先集合問題，輸入數(shù)據(jù)通常覆蓋大尺度生物地理范圍。CLUZ(ConservationLandUseZoning) 用于保護優(yōu)先區(qū)的區(qū)劃和保護體系連接度的測量，與其它多個模型有動態(tài)連接界面，可以利用CLUZ與其它軟件聯(lián)合運算。PANDA(ProtectedAreasNetworkDesignApplication)軟件是用VisualBasic語言在ArcObjects軟件中編寫的用來建立保護網(wǎng)絡的系統(tǒng)保護規(guī)劃工具，具有較強的計算和可視化功能，可以獨立完成系統(tǒng)保護規(guī)劃，具有完整的運行框架。C-Plan與MARXAN是當前系統(tǒng)保護規(guī)劃主流軟件，在研究中都得到廣泛應用。C-Plan采用啟發(fā)式算法自動完成選擇運算，首先用于南非Floristic地區(qū)政府保護體系規(guī)劃中，具有完整規(guī)劃功能，能夠在量化的保護目標下獲得最優(yōu)集運算結(jié)果。MARXAN(MarineReserveDesignusingSpatiallyExplicitAnnealing)采用模擬退火算法，最早用于海洋保護網(wǎng)絡規(guī)劃，隨著模型的完善，在陸地保護規(guī)劃中也得到了較多應用，其后續(xù)版本MARXANZONE將土地利用類型作為參數(shù)之一正可體現(xiàn)此趨勢。ZONATION是近年新開發(fā)的系統(tǒng)保護規(guī)劃軟件，相比之前的軟件，ZONATION應用更為靈活，內(nèi)置4個運算函數(shù)，其中的Target-basedplanning模塊支持固定成本，將保護目標最大化的思路，可以在一定程度上降低制定保護目標的難度。軟件之間并無絕對的優(yōu)劣之分，規(guī)劃中應當進一步探究各軟件內(nèi)置算法所體現(xiàn)的生態(tài)過程，選擇與目標區(qū)域生態(tài)特征相符的軟件。

2 系統(tǒng)保護規(guī)劃中的熱點問題

在系統(tǒng)保護規(guī)劃研究中始終貫穿著幾個關鍵問題，包括如何選擇生物多樣性量化指標作為規(guī)劃基礎；保護備選單元的經(jīng)濟社會成本如何計算；明確的保護目標如何量化并確定；如何評估規(guī)劃結(jié)果。這些問題如何解決將決定最終研究結(jié)果的準確性和可靠性，而對于這些問題的探討也將不斷完善系統(tǒng)保護規(guī)劃的應用。

2.1 生物多樣性替代指標的選取

開展系統(tǒng)保護規(guī)劃遇到的首個問題是如何量化生物多樣性資源的空間分布，即規(guī)劃者首先要明確對何種生態(tài)要素進行保護，該要素將作為每個備選規(guī)劃單元的綜合評價值參與選址運算。當前的研究多從基因、物種、景觀3個方面量化生物多樣性空間分布。

基因?qū)哟问钱斍昂饬可锒鄻有缘淖钗⒂^層次，對基因多樣性的測量結(jié)果是說明物種進化潛力的最直觀論據(jù)。將基因多樣性作為生物多樣性替代指標能夠確保保護體系包含了能夠保有物種最大進化潛力的地區(qū)?；蚨鄻有钥刹捎脴訋Р蹲交蛲寥罉臃饺?分子生物學實驗的方式測得[25- 26]。該方法有較高的確定性，比較適合小尺度規(guī)劃，但在一級流域、地理區(qū)域、山系等大尺度，由于其高技術、高成本、采樣時空選擇復雜性等特點而難以實施。

相對而言，從物種層次量化生物多樣性更容易理解、數(shù)據(jù)更容易獲得也更加適合大尺度規(guī)劃。物種層次又包括多種方法:一是物種數(shù)量，可以通過樣方調(diào)查，計算每個備選單元的物種豐富度，也可根據(jù)數(shù)量進一步計算豐富度指標[27]，如α、β多樣性[28]，并統(tǒng)計每個單元內(nèi)出現(xiàn)的物種數(shù)量[29- 33]或科、屬的數(shù)量[34]，該類方法比較適合以植物多樣性為保護目標。對野生動物通常需要根據(jù)物種的瀕危程度或特有性選擇目標物種[35]，統(tǒng)計每個規(guī)劃單元出現(xiàn)各目標物種的數(shù)量。該方法主要問題在于物種分空間分布的確定大部分依靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的時間幅度通常較大，所以應當對比多元數(shù)據(jù)，并分析數(shù)據(jù)誤差[36- 38]。二是為提高數(shù)據(jù)精度，選擇一種或幾種旗艦種[39- 40]作為替代指標，這種物種受到關注較多，且活動范圍較廣，通常是大型哺乳動物。通過對該物種的保護可以同時保護活動范圍內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)以及其他物種。但該方法所選擇的物種并不能完全代表區(qū)域內(nèi)生物多樣性分布，因此在選擇物種時應根據(jù)生態(tài)環(huán)境特征添加其他保護目標要素[41]。三是模擬目標物種的綜合棲息地質(zhì)量，例如InVest模型中，考慮地塊生態(tài)系統(tǒng)類型、人為干擾、目標物種行為的棲息地質(zhì)量和珍稀度[42]。這種方法突出了物種對棲息地內(nèi)不同地塊的利用強度，有助于識別保護核心區(qū)域。主要問題是對某些目標物種的研究不足導致行為模式不能確定，當量化某類干擾對該物種的隔離程度時主觀性較強。

在大尺度生物多樣評估中，從景觀層次出發(fā)，使用珍稀生態(tài)系統(tǒng)多樣性或面積作為替代指標較為適合，數(shù)據(jù)可以來自遙感解譯、實地調(diào)查或使用生態(tài)系統(tǒng)模型模擬[43]，尤其在海洋保護規(guī)劃中，水生物種與生態(tài)系統(tǒng)分布相關性極高，獨立的物種數(shù)據(jù)難以獲得，替代指標主要選擇珍稀生態(tài)系統(tǒng)分布[44- 47]或基底、水深、溫度等影響生態(tài)系統(tǒng)功能的重要生態(tài)因子[48]。

另有觀點提到物種、生態(tài)系統(tǒng)和景觀均需保護[2]，同時考慮以上兩種保護目標屬性更為合理[49- 50]，并且可以保證研究區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)得到最大限度利用[51]。在規(guī)劃中應注意生態(tài)系統(tǒng)類型與物種棲息地屬于不同層次，將某類生態(tài)系統(tǒng)等同于物種帶入運算則顯得不合理，因此可以分別運行選址運算并進一步綜合分析識別保護優(yōu)先區(qū)。生物多樣性空間豐富度決定于生態(tài)系統(tǒng)類型、氣候、地形、土壤、人為干擾等因素，與生物量和生態(tài)系統(tǒng)服務功能相關[52]，在保護規(guī)劃中選用區(qū)域內(nèi)最具代表性的服務功能替代表示生物多樣性[53- 55]具有更強的綜合性，也更加適合保護規(guī)劃的決策支持。

2.2 保護規(guī)劃成本模擬

任何一個保護規(guī)劃的實施都需要付出一定經(jīng)濟、社會成本。系統(tǒng)保護規(guī)劃需要指導保護資源分配，也必需考慮經(jīng)濟社會因素[56]，這需要使用某種方法量化保護成本，將量化的成本帶入選址運算。保護成本的計算關系到如何權衡保護規(guī)劃中的成本-效益關系，并影響到未來潛在投資量[57]。在保護規(guī)劃中量化成本的空間分布與目標因素制圖起著同等重要的作用[58]。當前，在系統(tǒng)保護規(guī)劃的成本計算中主要采用貨幣計量方法和非貨幣計量方法兩種。

2.2.1 貨幣計量法

使用貨幣成本計量方法可以在規(guī)劃中明確提出保護工程的總成本，對出資方有重要的參考價值。為得到盡量精確的成本，規(guī)劃中需要從土地和管理兩方面衡量成本。

土地方面的成本包括土地購置成本和該土地用于其它經(jīng)濟目的機會成本。保護體系建設需要向土地所有人購買土地所有權，土地購置成本可以用土地價格替代[59- 60]。在缺乏地價數(shù)據(jù)的地區(qū)可用該區(qū)域土地機會成本作為模擬對象，建立土地價值模型。主要方法是提取區(qū)域內(nèi)土壤類型、氣候、土地覆被等數(shù)據(jù)作為模型變量，結(jié)合GIS模擬土地價值空間差異[61]，進而估算土地在不同利用方式下可能產(chǎn)生的經(jīng)濟收益[62]。這方面農(nóng)業(yè)機會成本研究較多，主要通過計算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品的市場價值計算農(nóng)業(yè)機會成本[63]。Naidoo[64]計算了家畜養(yǎng)殖承載力、不同家畜市場價格、養(yǎng)殖人員工資、灌溉作物總產(chǎn)值、雨水自然澆灌作物總產(chǎn)值、種植人員工資等因素模擬出了全球農(nóng)業(yè)機會成本。除農(nóng)業(yè)以外，機會成本還包括林業(yè)采伐、捕捉野生生物所獲得的經(jīng)濟價值、珍稀物種在動物園的拍賣價格、開展旅游活動等。海洋保護體系則可以考慮禁止通航和捕撈業(yè)造成的損失[65- 66]。

保護體系的管理成本由運行成本、交易成本、賠償需求三個部分構(gòu)成。運行成本指保護區(qū)員工工資、建設保護站點、購買監(jiān)測設備等投入。該價值與當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展狀況和保護區(qū)面積以及保護對象有關。例如海洋保護區(qū)需要定期坐船尋護，船只的燃料消耗量通常高于陸地保護區(qū)常用的摩托車和汽車。該類信息可以問卷或政府資料查詢的方式獲得[67]。交易成本是指保護管理者為讓生態(tài)環(huán)境得到改善從而與利益相關群體所做的經(jīng)濟交易[68]。例如保護區(qū)為與社區(qū)和諧發(fā)展所做的補償項目甚至生態(tài)移民投入、造林和修復河岸等生態(tài)修復項目。保護體系建立后，野生動物生境改善，數(shù)量可能增加或由于野生動物啃食或毀壞作物、傷人所做出的賠償。在實際計算中很難全部考慮以上因素，應從研究區(qū)主要問題入手。

2.2.2 非貨幣計量法

貨幣成本計量涉及的范圍廣，需要復雜、多樣的計算數(shù)據(jù)，而有些很難獲得。因此，有研究采用非貨幣計量方法模擬保護成本。這種方法相對簡單，容易理解。具體替代指標的選取可分兩方面，分別為土地面積和經(jīng)濟發(fā)展程度。使用最多的是采用保護單元面積替代表示保護成本，這種方法假設單元土地價格相等，成本只與單元面積有關[69- 71]。這種方法雖然簡單易行，卻并不能反映區(qū)域間成本差異。為突出這種差異，可以使用道路密度、人口密度或綜合考慮住宅，公路，工業(yè)等人造景觀的密度和數(shù)量等描述區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展狀況的指標被替代表示保護成本[72- 76]。經(jīng)濟發(fā)展替代指標假設干擾較大的區(qū)域保護成本也較高，而實際上在有些地區(qū)保護效益高，同時面臨很高的人類干擾壓力，這種地區(qū)對生物多樣性保護具有不可替代的意義，但可能因為保護成本較高而被排除在規(guī)劃結(jié)果之外。為防止這種情況出現(xiàn)，規(guī)劃應當單獨考慮人類威脅因素，而不是直接作為成本使用[62]。

2.3 保護目標設置

量化的保護目標以優(yōu)化模型中限制條件的形式出現(xiàn)。但此類保護目標在規(guī)劃任務中通常不會明確給出，因為很難在規(guī)劃前就能確定規(guī)劃后的保護體系所要達到生物多樣性總量的比例。要確定這一數(shù)值首先要明確其出發(fā)點，根據(jù)不同保護內(nèi)容及其時空變異性，從靜態(tài)和動態(tài)兩方面入手。

靜態(tài)理論認為區(qū)域內(nèi)物種數(shù)量隨面積的增大而增加。該假說建立在島嶼生物多樣性的研究基礎上，這在熱帶地區(qū)的研究中已經(jīng)得到充分證實[77- 78]。Preston[79]公式常被用來反應物種面積之間的關系：

S=cAz

式中,c、Z均為參數(shù)，S為物種數(shù)，A為面積。

而另有研究顯示[80]對于大型脊椎動物的保護，相互連通的小生境斑塊有更好的保護效果。同時，生物地理學上認為保護區(qū)越接近圓形保護效果越好，各保護區(qū)之間應有相連的通道，保證物種基因交流，形成健康的保護體系。這些都為保護目標的設置提供了依據(jù)，包括保護區(qū)大小、形狀、廊道設計等內(nèi)容。

動態(tài)理論認為有些物種在不同的生活史階段需要不同的資源和空間[81]，例如洄游魚類和候鳥。忽視不同類型生境間的連通性對這些物種是致命的危害，保護目標需建立在對物種習性的了解之上，將物種所需的各種生境和利用該生境的時間作為整體考慮，保證其繁殖、越冬等行為順利進行[82]。除了物種自身行為，還應認識到區(qū)域內(nèi)生境質(zhì)量的空間差異，在保護目標設置時應考慮物種威脅因素，尤其是土地利用方式的改變會影響原地區(qū)水熱條件、小氣候和植被結(jié)構(gòu)，若生境被農(nóng)田或牧場所取代，還會造成生境隔離，形成更多邊緣地帶。而隨著經(jīng)濟活動的發(fā)展，對物種的影響還會進一步擴大，規(guī)劃中應更多考慮物種對各種土地利用方式的響應機制，在威脅高發(fā)區(qū)單獨設定保護目標。若有些人類干擾難以清除，則可以考慮針對潛在生境設立保護目標，為受威脅物種保留一定潛在遷移空間。

根據(jù)區(qū)域特征確定保護要素后，目標數(shù)值的確定仍是難點。在以往研究中，有的為簡化操作，多個保護屬性保護目標相同[83- 84]，此方法過于絕對，沒有考慮具有特殊意義保護目標的保護優(yōu)先性。為彌補不足，除采用保護物種棲息地適宜性或物種瀕危等級分設保護目標的方法外[85- 86]，也可變換思路，先將保護目標設置為100%，在成本固定情況下計算單位成本的保護貢獻[87]。

相對于各種保護目標設置方法，目前最為合理的是綜合分析各個層次的動態(tài)和靜態(tài)因素，建立等級化的保護目標,對各類保護要素先設定不同的保護目標情景，再根據(jù)保護資源量確定最優(yōu)規(guī)劃方案[88]。目標確立后也并非一成不變，還需要不斷根據(jù)數(shù)據(jù)的更新重新審訂保護目標，確保其合理性[8]。

2.4 規(guī)劃結(jié)果的可靠性評估

選址運算產(chǎn)生的解集代表保護體系所包含的規(guī)劃單元。這只是理論上的結(jié)果，距離實際操作、成為具有可操作性的保護規(guī)劃決策還有很大差距。Ferrier 等[89]為此提出了兩種評價結(jié)果的方法，第一種是通過運算模型參數(shù)的調(diào)試，不斷重新運算，確定每個選中單元對總目標的貢獻，這可稱為規(guī)劃單元的不可替代性分析。另一種方法是評價規(guī)劃區(qū)內(nèi)威脅因素，若規(guī)劃單元之間具有同等不可替代性，則可以認為威脅因素越多或威脅程度越大的單元中物種或生境喪失的可能性越高，優(yōu)先性越強。

對規(guī)劃結(jié)果還需要回答所選擇的優(yōu)先區(qū)域是否完成了保護目標，誤差是多少?？捎玫姆椒ㄊ墙y(tǒng)計規(guī)劃結(jié)果中出現(xiàn)的目標物種數(shù)量[10]、某些極重要物種的棲息地面積[90]、目標生態(tài)系統(tǒng)受到保護的面積[91]或借鑒以往的保護體系規(guī)劃效果評估方法，通過輸入數(shù)據(jù)構(gòu)建保護效果評價指標[92]。但是系統(tǒng)保護規(guī)劃的輸入數(shù)據(jù)主要來自經(jīng)驗數(shù)據(jù)累積，一方面，實地調(diào)查的時間不同，不能體現(xiàn)出生物多樣性動態(tài)，另一方面，不同研究的實驗設計不同以及調(diào)查時間和強度都不相同，對輸入數(shù)據(jù)的精度很難評估。若使用輸入數(shù)據(jù)評價輸出結(jié)果則等同于評價算法結(jié)果而規(guī)劃結(jié)果的總體誤差仍然難以確定，這也將使保護決策過程變得更加混亂[93]。為解決這個問題，有研究選擇不同數(shù)據(jù)庫的物種信息，對比保護結(jié)果，并對每個結(jié)果計算成本-收益指數(shù)評價保護效果[94]。這有助于直觀的發(fā)現(xiàn)輸入結(jié)果不同造成的差異，對誤差有總體把握。如果數(shù)據(jù)允許，還可以通過區(qū)域內(nèi)已建保護區(qū)不同時期的物種豐富度建立物種更新模型，預測規(guī)劃結(jié)果對物種更新的貢獻[95]。保護規(guī)劃本身就是一項預測性工作，不可能得到完全準確的結(jié)果，因此對于規(guī)劃結(jié)果的評估應對各種影響因素做全面考慮，不僅應當包括保護目標的出現(xiàn)量，還應分析保護體系的連通性、人為干擾的限制情況，并結(jié)合專家經(jīng)驗、保護資源預算和社區(qū)居民、政府機構(gòu)、工商業(yè)開發(fā)商等利益相關群體提出意見等分析規(guī)劃可行性，得到盡量可行可靠的保護體系。

保護體系建成后，為保證新體系能夠持久滿足保護目標，需要分區(qū)制定管理措施，通過對關鍵保護目標因素的長期監(jiān)測，掌握生態(tài)系統(tǒng)格局和過程的變化。一旦發(fā)生某些人為、自然干擾因素，應當立即做出反應，重新評估保護體系并做出修改。

3 系統(tǒng)保護規(guī)劃在我國的應用現(xiàn)狀及前景

在我國，2011年制定的中國生物多樣性保護戰(zhàn)略與行動計劃已將生物多樣性保護上升到國家戰(zhàn)略高度，并明確劃定我國重點保護的8大區(qū)，35小區(qū)，為全國生物多樣性就地保護提供了宏觀指導[96]。但縱觀我國保護規(guī)劃研究，仍然比較側(cè)重保護效益，例如通過目標物種分布空間聚類，分析生物多樣性保護的空間密集區(qū)[97- 98]或按照生態(tài)系統(tǒng)珍稀程度劃分優(yōu)先保護小區(qū)[99- 101]。這類方法可以直觀地選擇物種豐度最高的區(qū)域規(guī)劃保護體系，雖然缺乏人類活動干擾威脅和保護成本估算，但是為保護規(guī)劃和優(yōu)先區(qū)選擇提供了重要的保護目標分布資料，仍然是其他評價方法的組成部分和重要參照。

我國另外一個應用較多的方法是空缺分析，其主要思路是利用物種分布數(shù)據(jù)與現(xiàn)存保護區(qū)及其他管理屬性圖層疊合，分析當前保護體系的保護空缺。作為保護優(yōu)先區(qū)研究中最為成熟的方法，GAP分析在全球領域已經(jīng)得到了廣泛的應用[102- 104]。在我國也有多個研究案例[105- 106]。但GAP分析方法也存在一些限制和不足，包括：(1)不能判別植被的演替階段；(2) 不能顯示植被類型間的過渡帶；(3) 物種的分布圖是預測性的,而不是野外嚴格證實的；(4) 沒有指示生境質(zhì)量[107]。同時，也沒有考慮保護成本的空間分配問題。

近些年，隨著我國經(jīng)濟迅猛發(fā)展，與生物多樣性保護的沖突越加凸顯，發(fā)達地區(qū)的保護體系面積已基本飽和，很難建立新的自然保護區(qū)。而越來越多的西部欠發(fā)達地區(qū)也希望將土地留做經(jīng)濟作物種植或旅游開發(fā)，帶動當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展。面對這些問題，保護體系的建立或修訂僅考慮保護效益已經(jīng)不夠，必須更多地考慮保護成本的空間分布，將規(guī)劃應考慮的各種因素視為整體考慮。而系統(tǒng)保護規(guī)劃的優(yōu)勢就在于將保護成本、保護效益、保護體系的空間布局加以整合，并以數(shù)學模型的形式聯(lián)系起來。

系統(tǒng)保護規(guī)劃在協(xié)調(diào)保護與發(fā)展的沖突方面具有優(yōu)勢，在我國有很好的應用前景，也已經(jīng)在幾個區(qū)域[108- 111]做過一些嘗試，效果尚可，但對系統(tǒng)保護規(guī)劃中的熱點問題仍值得開展更加深入的探討。首先，我國是土地國有制及集體所有制國家，建立保護區(qū)不需要購買土地，這省去了大量土地購置成本，因此，保護區(qū)的管理運營成本和機會成本成為主要內(nèi)容。這與國外有很大不同，如何根據(jù)我國國情量化保護成本的空間分布將是系統(tǒng)保護規(guī)劃在國內(nèi)的研究重點。另外，有很多國家在制定保護體系規(guī)劃時，明確的給出了保護目標，而我國國土面積廣闊，生態(tài)系統(tǒng)類型極為復雜，提出明確的保護目標相當困難。如何根據(jù)既定的保護成本最大限度的達到保護效益，提出新的目標函數(shù)模型也將是未來研究的主要方向之一。在管理策略方面，考慮到有些珍稀物種的生境有動態(tài)性，例如分布于我國東部的濕地珍禽，根據(jù)季節(jié)不同在三江平原濕地、渤海灣濕地、江蘇鹽城濕地間反復遷徙。針對此類情況，能夠提出不同季節(jié)珍稀物種生境的保護體系選擇方法和管理手段也非常值得重視。將系統(tǒng)保護規(guī)劃與生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)服務功能相結(jié)合將對我國未來保護體系修編起到重要的參照作用。服務功能這不僅包括對自然生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能，還包括文娛、產(chǎn)品提供等多項社會經(jīng)濟功能，而服務功能與生物多樣性之間也存在內(nèi)在關系。綜合考慮二者的空間格局，更加注重生態(tài)系統(tǒng)過程和功能的保護也將成為提高我國保護體系有效性的一個重要途徑。

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Theory, work frame and hot issues of systematic conservation planning

ZHANG Lu, OUYANG Zhiyun*, XU Weihua

StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

Biodiversity provides numerous essential services to humanity. But in past few decades, a large number of species have become increasingly threatened by anthropogenic disturbances. The current rates of extinction are estimated to be 100—1000 times greater than pre-human rates. In order to decrease the biodiversity loss rate and maximize the limited protection resources in key biodiversity areas, Margules raised the idea of Systematic Conservation Planning (SCP). It was widely used in conservation planning. In contrast to traditional method of conservation planning by expert decision, quantitative conservation targets, costs synthesized network connectivity, human disturbances and optimal algorithm were considered in SCP for obtaining a spatial-explicit conservation system. After analysis of planning theory, procedure, methods and review of existing SCP tools, four key issues in SCP research were summarized. The first issue is biodiversity indicators selection which means biodiversity mapping or quantification at genes, species, and ecosystems level to generates a biodiversity distribution matrix. It was demonstrated, at large scale, that quantification of biodiversity importance for species and ecosystems are more suitable than genes method, especially for a combination of species and ecosystems. The second is the estimation of cost that can be calculated in monetary and non-monetary terms. Many methods of cost quantification were reviewed in these paper and it indicated that conservation cost should not only incorporates socioeconomic data, but also biological features. The most important destination of SCP is to achieve some minimum representation of biodiversity features for the smallest possible cost by optimization. So an explicit conservation target is required. However, obtaining a rational target depends largely on the experiences of the experts who are forming these targets and that will inevitable bring about bias due to poor knowledge of the area and taxa. Our review suggests that a convictive method should take both static and dynamic factors into account and to construct heterogeneity target for different conservation feature(ecosystem services, vulnerability, e.g.) as the target in SCP is worthy of further study. Once outcomes of SCP were generated from mathematical algorithm, the reliability and performability are still indeterminacy. Therefore, as the fourth key issue, how to evaluate result and error from SCP are given in our context. Summing up these issues, its foreground for further application in China was also analyzed under current biodiversity situation. Distinctly, Chinese scientists need to realize that the development of ecological productive mode in China have failed to keep pace with rapid economic development. In the face of heterogeneous land use pattern, target function should take various context into consideration during planning procedure. In addition, the expropriation for biodiversity conservation means that the government expropriate land of rural collective economy organization because of dual system of state ownership and collective ownership. For this reason, the estimation of conservation opportunity cost is more meaningful than land purchase cost. This paper, therefore, by reviewing a large amount of past literatures, makes a summary and a commentary on the theory, work frame and key topics on SCP that might promote the conservation of biodiversity and ecosystems in China in the future.

systematic conservation planning; priority area; biodiversity; conservation target; conservation cost

國土資源部公益性行業(yè)科研專項項目(201011018)

2013- 04- 22;

日期:2014- 04- 11

10.5846/stxb201304220768

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zyouyang@rcees.ac.cn

張路, 歐陽志云, 徐衛(wèi)華.系統(tǒng)保護規(guī)劃的理論、方法及關鍵問題.生態(tài)學報,2015,35(4):1284- 1295.

Zhang L, Ouyang Z Y, Xu W H.Theory, work frame and hot issues of systematic conservation planning.Acta Ecologica Sinica,2015,35(4):1284- 1295.