劉陽(yáng) 梁淑榆 鄒天嬌 蔡怡然 鄭曦 / LIU Yang, LIANG Shuyu, ZOU Tianjiao, CAI Yiran, ZHENG Xi

引言

全球氣候變化以及城市擴(kuò)張背景下，加強(qiáng)生物多樣性保護(hù)以及提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能成為自然保護(hù)區(qū)建設(shè)的主要目標(biāo)（Mace G M，2014）。目前，關(guān)于生態(tài)空間優(yōu)先保護(hù)與保護(hù)空缺分析方法包括生物地理區(qū)劃法（Biogeographic Regionalization，BD；劉焱序 等，2017）、熱點(diǎn)地區(qū)分析法（Hotspot analysis，HA；張殷波 等，2014）以及系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃法（Systematic Conservation Planning，SCP；曲藝 等，2014）。前兩者研究主要集中在物種分布、棲息地環(huán)境保護(hù)等方面，但無(wú)法解決在何地保護(hù)、如何保護(hù)的問(wèn)題。保護(hù)空缺法結(jié)合了熱點(diǎn)地區(qū)與保護(hù)對(duì)策，是目前國(guó)外應(yīng)用較為廣泛的研究方法，我國(guó)SCP分析在研究技術(shù)和分析模式方面尚不成熟。以上方法為完善自然保護(hù)區(qū)規(guī)劃提供了一定科學(xué)基礎(chǔ)，但生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能作為核心保護(hù)目標(biāo)并沒(méi)有得到充分考慮（李霄宇 等，2010）。如何在兼顧生物物種保護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能保護(hù)需求的前提下，確定關(guān)鍵保護(hù)區(qū)位、彌補(bǔ)保護(hù)空缺是生態(tài)保護(hù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估的保護(hù)區(qū)優(yōu)先保護(hù)與保護(hù)空缺分析，突破了單純以生物多樣性保護(hù)為目的的規(guī)劃框架，重視生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合發(fā)揮，更加貼近保護(hù)區(qū)設(shè)立目標(biāo)，成為保護(hù)區(qū)保護(hù)規(guī)劃的新途徑。

北京市密云區(qū)不僅是重要的水源保護(hù)地，還分布了云蒙山、霧靈山及云峰山市級(jí)自然保護(hù)區(qū)以及不老湖、黑龍?zhí)兜缺姸囡L(fēng)景名勝區(qū)，匯集多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。2017年北京林業(yè)大學(xué)自然保護(hù)區(qū)學(xué)院正式啟動(dòng)密云區(qū)自然保護(hù)區(qū)總體規(guī)劃編制及綜合科學(xué)考察，目前對(duì)三大保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的保護(hù)成效并不明晰。本研究基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估，識(shí)別密云區(qū)現(xiàn)有自然保護(hù)區(qū)保護(hù)空缺，劃分保護(hù)等級(jí)明確重點(diǎn)保護(hù)位置，以期為密云區(qū)自然保護(hù)區(qū)總體規(guī)劃提供一定參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

密云區(qū)山水兼?zhèn)洌挥诒本┦袞|北部，境內(nèi)總面積2229.45km2，是燕山山脈與華北平原交匯處。其東、北、西三面環(huán)山，中部密云水庫(kù)是北京市重要水源保證地，水面面積194.30km2。區(qū)域西南是村鎮(zhèn)發(fā)展的沖積平原，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年降水量661.3mm，林木覆蓋率達(dá)72.5%。分布有云蒙山、云峰山、霧靈山3個(gè)自然保護(hù)區(qū)和密云水庫(kù)一級(jí)水源保護(hù)區(qū)，總面積326.93km2，占密云區(qū)面積的14.6%。

研究所需的土地利用數(shù)據(jù)源、30mDEM數(shù)據(jù)采集于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)2018衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)影像。土地利用數(shù)據(jù)通過(guò)EBVI5.0軟件進(jìn)行人機(jī)交互解譯得到，并參考北京市《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》（GB/T 21010－2017）進(jìn)行較準(zhǔn)，準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。各保護(hù)區(qū)、國(guó)家公園以及道路數(shù)據(jù)來(lái)源于各保護(hù)區(qū)官方網(wǎng)站以及國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站。土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)自于地理國(guó)情檢測(cè)云平臺(tái)；區(qū)域降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于北京市氣象局。

2 研究?jī)?nèi)容與方法

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

構(gòu)建自然保護(hù)區(qū)生態(tài)功能評(píng)估體系有助于為自然保護(hù)區(qū)健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)（陳艷梅，2010）。目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的指標(biāo)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，本研究依據(jù)MA提出的分類(lèi)體系（谷縉 等，2017），結(jié)合密云自然保護(hù)區(qū)以山地森林、水資源保護(hù)為主的實(shí)際情況，吸收采納相關(guān)研究評(píng)估較多的指標(biāo)類(lèi)型（陳艷霞 等，2012），構(gòu)建以下指標(biāo)體系（表1），采取專(zhuān)家意見(jiàn)與層次分析對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行分配并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指標(biāo)體系

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指標(biāo)量化方法

2.2.1 水源涵養(yǎng)

采取徑流系數(shù)法，即用徑流系數(shù)反映區(qū)域不同植被類(lèi)型作為響應(yīng)單元對(duì)降雨的截流能力和轉(zhuǎn)化分配情況。通過(guò)戴維樹(shù)木專(zhuān)家公司（Davey Tree Expert）開(kāi)發(fā)的國(guó)家樹(shù)木效益計(jì)算模型（National Tree Benefit Calculator），結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，得到不同植被類(lèi)型單位面積攔截雨水量的經(jīng)驗(yàn)值（表2），分析區(qū)域水源涵養(yǎng)服務(wù)功能的空間分布情況（公式1、2；劉艷艷，2011）。

式中，Q為雨水?dāng)r截總量（m3）；Si為某種植被覆蓋類(lèi)型面積（m2）；Ti為某種植被類(lèi)型單位面積年平均雨水截留量（m3/m2）；α為徑流系數(shù)；V為年平均降雨總量。

表2 不同植被覆蓋類(lèi)型單位面積雨水?dāng)r截量

2.2.2 固碳釋氧與空氣凈化

通過(guò)上文提及的國(guó)家樹(shù)木效益計(jì)算模型，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究（馬長(zhǎng)欣 等，2009）實(shí)現(xiàn)效益量化，得到不同植被類(lèi)型單位面積固碳釋氧量、吸收NO2、SO2的經(jīng)驗(yàn)值（表3），分析區(qū)域固碳釋氧服務(wù)功能的空間分布情況（公式3）。

式中，C為淺山區(qū)固碳量/釋氧/氣體吸收總量，Rij為j類(lèi)型植被第i個(gè)斑塊地上部分單位面積固碳量/釋氧量/氣體吸收量，Si為第i個(gè)斑塊面積。

2.2.3 維持生物多樣性

鳥(niǎo)類(lèi)種類(lèi)及數(shù)量在一定程度上能夠反映生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性及健康程度（趙人鏡等，2018）。采用MaxEnt（Maximum Entropy Model，最大熵模型）進(jìn)行生境適宜性評(píng)價(jià)，根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)選取影響鳥(niǎo)類(lèi)生境的環(huán)境因子（張路，2015）并進(jìn)行一定相關(guān)性分析（表4），用于模擬鳥(niǎo)類(lèi)生境潛在位置。

2.2.4 土壤保持

采用通用土壤侵蝕方程（Universal Soil Loss Equation，USLE）進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)DEM、土地利用/覆蓋、土壤類(lèi)型、降雨等五類(lèi)數(shù)據(jù)評(píng)土壤保持功能的強(qiáng)弱（公式4），具體方法參見(jiàn)基于DEM的USLE地形因子獲取與分析（隋欣 等，2010）。

式中，A為土壤流失模數(shù)[t/（hm2·a）]；R為降雨侵蝕因子[MJ·mm/（hm2·h·a）]；K為土壤可蝕性因子 [t·hm2·h /（MJ·hm2·mm）]；L為坡長(zhǎng)因子；S為坡度因子；C為植被覆蓋與作物管理因子；P為水土保持措施因子。

2.2.5 游憩娛樂(lè)

游憩娛樂(lè)服務(wù)功能與道路可達(dá)性以及景觀資源（森林公園、風(fēng)景名勝區(qū)等）分布密切相關(guān)。采取核密度分析法（Kernel Density Estimation，KDA）對(duì)提取路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行可達(dá)性分析；采取歐式距離計(jì)算方法，以各類(lèi)景觀資源為像源中心，以5km為服務(wù)半徑（侯亞鳳 等，2014），分析景觀資源分布情況。

2.3 優(yōu)先保護(hù)與保護(hù)空缺識(shí)別方法

加權(quán)疊加各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)結(jié)果，得到區(qū)域綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能空間分布，并采取自然斷點(diǎn)法劃分為5個(gè)等級(jí)。選取綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高、生態(tài)服務(wù)功能較為良好、面積大于20km2的斑塊作為優(yōu)先保護(hù)區(qū)域，對(duì)比已有保護(hù)區(qū)范圍識(shí)別保護(hù)空缺區(qū)域（房媛，2010）。

表3 不同植被類(lèi)型固碳釋氧量

表4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指標(biāo)體系

3 研究結(jié)果

3.1 單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)

密云區(qū)單一生態(tài)服務(wù)功能的空間格局反映不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分布的空間異質(zhì)性。水源涵養(yǎng)能力最高區(qū)域分布于中部密云水庫(kù)以及西北部、東部森林覆蓋率較高的區(qū)域，面積796.00km2，占比35.7%。固碳釋氧、空氣凈化服務(wù)功能較高的區(qū)域分布在森林資源豐富的西北部與東部，包括云蒙山國(guó)家森林公園、五座樓森林公園等，面積分別為865.80km2、828.16km2，占比38.80%、37.10%。生境適宜性較高區(qū)域分布于東部丘陵山地區(qū)以及中部密云水庫(kù)，面積228.2km2，占比10.23%，具有良好的森林以及水域生態(tài)基底，生物資源儲(chǔ)量豐富；土壤保持功能整體呈現(xiàn)出隨海拔高度提高而增加的趨勢(shì)，能力較高區(qū)域集中分布于海拔較高、植被覆蓋較好的西北山區(qū)，面積211.90km2，占比9.50%。游憩娛樂(lè)服務(wù)方面，南部以及密云水庫(kù)北部道路交通可達(dá)性較高，水庫(kù)東部與西部以及區(qū)域東北部風(fēng)景游憩資源豐富（圖1）。

3.2 優(yōu)先保護(hù)與保護(hù)空缺識(shí)別

目前，密云區(qū)已建立云蒙山、云峰山、霧靈山自然保護(hù)區(qū)和密云水庫(kù)一級(jí)水源保護(hù)區(qū)，占密云區(qū)總面積的14.6%，90.0%以上自然保護(hù)區(qū)位于優(yōu)先保護(hù)范圍內(nèi)?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評(píng)估結(jié)果（圖2，表5），通過(guò)新建和擴(kuò)建生態(tài)保護(hù)空間，以完善現(xiàn)有保護(hù)體系（圖3）。

西部生態(tài)功能保護(hù)區(qū)，天然原始次生林保護(hù)區(qū)已建有云蒙山自然保護(hù)區(qū)，仍有部分優(yōu)先保護(hù)區(qū)位于自然保護(hù)區(qū)外。建議以云蒙山自然保護(hù)區(qū)為基礎(chǔ)聯(lián)合桃源仙谷、云蒙三峪自然風(fēng)景區(qū)，擴(kuò)建生態(tài)保護(hù)空間或緩沖區(qū)，避免西南部城鎮(zhèn)擴(kuò)張導(dǎo)致生境破碎化問(wèn)題。同時(shí)該區(qū)域游憩娛樂(lè)服務(wù)功能較高，建議適當(dāng)發(fā)展生態(tài)旅游，達(dá)到生態(tài)保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展目標(biāo)。

西北部生態(tài)功能保護(hù)區(qū)，具備良好的森林資源基礎(chǔ)，連接平原與山區(qū)，海拔較高，人類(lèi)活動(dòng)影響較低，是密云水庫(kù)水源涵養(yǎng)以及土壤保持的重要區(qū)域。目前建有云峰山自然保護(hù)區(qū)，但深山區(qū)域尚缺乏相應(yīng)的保護(hù)措施，建議新建生態(tài)功能保護(hù)區(qū)，加強(qiáng)西北部生態(tài)空間保護(hù)力度。

東北部生態(tài)功能保護(hù)區(qū)，是珍稀動(dòng)植物，天然次生林及典型森林生態(tài)系統(tǒng)重要分布區(qū)，小部分生境位于優(yōu)先保護(hù)范圍之外，建議擴(kuò)建生態(tài)保護(hù)空間保障區(qū)域生物多樣性。

東部生態(tài)功能保護(hù)區(qū)，分布著白龍?zhí)讹L(fēng)景區(qū)以及四棱山森林公園，集人文與自然景觀為一體，具有一定的歷史保護(hù)價(jià)值。建議加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)基礎(chǔ)上發(fā)展區(qū)域的歷史科普文化功能。

4 討論

在考慮生物多樣性基礎(chǔ)上結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是未來(lái)保護(hù)地規(guī)劃的發(fā)展方向（Chan K M A 等，2011）。但目前鮮有以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能為研究對(duì)象來(lái)進(jìn)行保護(hù)區(qū)規(guī)劃建設(shè)，建立生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能保護(hù)區(qū)不僅是生物多樣性保護(hù)的基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)于完善現(xiàn)有保護(hù)地體系有很大的潛力。本研究提出的基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的保護(hù)地優(yōu)先保護(hù)與保護(hù)空缺分析方法，為密云區(qū)保護(hù)地體系規(guī)劃與建設(shè)明確方向，提高了保護(hù)效率，對(duì)其他地區(qū)保護(hù)地體系和國(guó)家公園建設(shè)有一定借鑒意義。本研究也具有一定局限性，由于不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間存在的一定相互作用，如何權(quán)衡不同功能之間的協(xié)同與權(quán)衡作用，避免重復(fù)和遺漏是未來(lái)需要深入研究的方向。

表5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性等級(jí)面積比例

圖1 單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能空間分布

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性空間分布等級(jí)

圖3 保護(hù)地體系優(yōu)化與完善