自然保护区生态安全设计的方法研究

自然保护区生态安全设计的方法研究3徐海根133包浩生2(1国家环保总局南京环境科学研究所,南京210042;2南京大学城市与资源学系,南京210093【摘要】由于生态破坏和自然栖息地的丧失,造成野生动植物种群的破碎化.自然保护区已成为孤立的生境岛屿.目前以单个、孤立保护区为主的生物多样性保护模式是远远不够的,应在广泛的时空尺度上保护生态过程和生物多样性各组成成份,建立一个整体的保护网络.根据国内外生物多样性保护的要求和发展趋势,提出了自然保护区生态安全设计的概念.它是综合考虑了生态、社会、经济的一种协调设计战略,首先从区域层次研究保护区网络的优化设计;其次,在网络的每个节点(保护区,研究保护区的面积、形状和内部功能分区;最后,研究网络与节点的连接(廊道.自然保护区网络设计应维持生态系统的地域完整性和生态过程完整性,采用迭代法、整数规划方法和地理途径方法,为一个或多个保护目标勾画出多种保护规划蓝图.关键词自然保护区生态安全自然保护区网络设计文章编号1001-9332(200407-1266-05中图分类号X36文献标识码AOnthemethodsofecologicalsecuritydesignfornaturereserves.XUHaigen1,BAOHaosheng2(1NanjingInsti2tuteofEnvironmentalSciences,SEPA,Nanjing210042,China;2DepartmentofUrbanandResourceSciences,NanjingUniversity,Nanjing210093,China.2Chin.J.Appl.Ecol.,2004,15(7:1266~1270.Ecologicaldamageandlossofnaturalhabitatshavebeenresultinginthefragmentationofwildanimalandplantpopulation,andnaturereserveshavebecometheislandsofhabitats.Thetraditionalapproachthatfocusesonasingleandisolatednaturereserveisnotenoughtoprotectbiodiversity.Ecologicalprocessesandcomponentsofbiodiversityinbroadtemporalandspatialscopeshouldbeprotected,andawholeconservationnetworkshouldbeestablished.Basedontherequirementsandthetrendsofbiodiversityconservationathomeandabroad,thispaperpresentedtheconceptofecologicalsecuritydesignfornaturereserves,whichisacoordinatedplanningstrategythatintegratesecological,socialandeconomicaspects.Firstly,anetworkofnaturereservesisdesignedatregionallevel;secondly,thearea,shape,internalzoningofanaturereserveisdesignedatthenode(naturereserveofthenetwork;andfinally,theconnectivitybetweenthenetworkandnodes(corridorsisdesigned.Networkdesignofnaturereservesshouldmaintaintheregionalintegrityandtheecologicalprocessintegrityofecosystems.Iterativemethod,integerlinearprogramming,andGeographicApproach(GAPshouldbeemployedtoprovideblueprintsofconservationplanningforoneormultipleconservationobjectives.KeywordsNaturereserve,Ecologicalsecurity,Naturereservenetwork,Design.3国家“十五”重点科技攻关项目(2001BA611B206和欧盟第5期科技项目(ICA42CT22001210024.33通讯联系人.2002-02-02收稿,2003-12-10接受.1引言自然保护区在保护生物多样性,维护生态平衡,促进可持续发展,支持科学研究和公众教育等方面发挥着重要的作用.自然保护区设计是自然保护区建设的关键性基础工作.《生物多样性公约》第8条(b款规定:“于必要时,制定准则据以选定、建立和管理保护区或需要采取特殊措施以保护生物多样性地区.”我国先后发布了《中国自然保护纲要》、《自然保护区条例》,提出了保护区选划的条件和功能分区的原则,但所提出的条件和原则针对性、可操作性不强,难于应用于实际工作.我国自然保护区的建设过分强调濒危物种本身的保护,对生态系统的完整性和自然栖息地的整体保护重视不够.由于生态破坏和自然栖息地的丧失,造成野生动植物种群的破碎化.保护区往往成为孤立的岛屿,缺少物种迁移和基因交换的通道.异质种群理论[8,9,42]、景观生态学理论[5,11,28,36,37,43]和种群生存力分析[6,7,12]提出的生境斑块网络、景观破碎度、景观连接度、最小可存活种群等概念对于自然保护区设计具有重要的指导意义.特别是,景观规划提出了一些有利于生物多样性保护的空间战略,如景观生态安全格局[39~41].物种的持续生存和生态系统的整体保护需建立自然保护区网络,目前以单个、孤立自然保护区为主的生物多样性保护模式是远远不够的,应在广泛的时空尺度上包含生态过程和生物多样性各组成成份,因此一个全面的自然保护区设计应以生物等级系统的各个层次或节点作为保护对象,将节点连接成为一个整体的保护网络.本文首次在国内详细论述自然保护区生态安全设计的概念、层次结构以及网络设计的原则和方法.应用生态学报2004年7月第15卷第7期CHINESEJOURNALOFAPPLIEDECOLOGY,Jul.2004,15(7∶1266~12702自然保护区生态安全设计的涵义与程序由于没有从区域生态系统高度对保护区系统进行分析和设计,保护区的主要功能即保护生态系统的完整性、代表性和生态过程以及生物多样性受到质疑,现有保护区系统不能对自然生态系统和珍稀濒危动植物的天然栖息地提供有效保护,不能抵御人类干扰、环境污染和生态破坏的影响,自然保护区的生态安全已引起广泛关注.安全有多种内涵,包括军事安全、经济安全、社会安全、环境安全和生态安全等[35,38].安全最早是一个军事术语,很少考虑非军事威胁和解决威胁的非军事手段.随着世界经济和环境的交流与合作不断发展,安全已不仅仅局限于军事和主权等领域.环境外交日趋活跃和公众环境意识的提高,要求对安全这一概念重新审视.Mathew[22]提出扩展安全这一传统概念,认为环境退化会削弱经济发展的潜力,影响人类社会的进步,导致社会的不稳定.一个群落的自然环境能满足群落持续生存的需求,而不损害自然环境的潜力,被称为生态安全.生态安全是社会安全和经济安全的基础.因为如果人类或群落的生存环境受到威胁,人类赖以生存的自然生态系统遭到破坏,就会威胁到社会安全和经济安全.同时,生态安全需要社会安全和经济安全来保障.因为如果社会动荡不安,人民生活穷困潦倒,偷猎、乱砍滥伐十分猖獗,生态安全就无从谈起.自然保护区生态安全设计,就是根据维持生态系统地域完整性和生态过程完整性的原则和保护生物多样性的原则及一定的保护目标,提出一个区域内自然保护区网络、保护区各功能区和保护区间廊道的合理布置,以有效地保护生物多样性和自然栖息地.自然保护区生态安全设计并不是一个新的概念,在以往保护区设计工作中,实际上已体现了生态安全设计的概念.如保护区分为核心区、缓冲区和实验区,这实际上是一种安全考虑.当然,自然保护区生态安全设计不仅与生物因素有关,而且与社会、经济等因素有关.它是在一定的保护目标如物种丰富度、面积百分比和预算的条件下,提出的一种保护区系统优化配置方案.一个保护区的选址、大小和形状,不仅取决于生态系统和保护对象的生态学特征,还取决于当地经济、土地利用、社会等因素.因此,自然保护区生态安全设计是综合考虑了生态、社会、经济的一种协调设计战略.自然保护区生态安全设计适用于生物资源类自然保护区,即自然生态系统类和野生生物类保护区.自然保护区生态安全设计分3个层次.首先要从区域层次研究保护区网络的优化设计;其次,在网络的每个节点(保护区,研究保护区的面积、形状和内部功能分区(核心区、缓冲区和实验区;最后,研究网络与节点的连接(廊道(图1.3自然保护区网络设计311自然保护区网络设计的原则自然保护区的建设需要大量资金和土地资源的投入,成本(土地、资金等的无限制增长会影响保护区的持续生存,因此保护区实际能使用的预算是有限的,受自然保护区预算的限制,保护区实际能提供保护的生态系统、物种或生境也是有限的.自然保护区网络设计就是在一定的预算(如土地面积、资金等范围内,最大程度地保护生物多样性,或者在一定的保护目标(如包含所有物种或典型生态系统下,使保护区数或总面积最少.自然保护区网络设计应遵循以下原则.图1自然保护区生态安全设计的框图Fig.1Diagramofecologicalsecuritydesignfornaturereserves.A:Networkdesignofnaturereserves,B:Gepgraphicappraoch(GAP,C:Scoringmethod,D:Iterativemethod,E:Integerlinearprogramming,F:Determiningthelocalityofnaturereserves,G:Designofcorezone,H:Populationviabilityanalysis,I:Habitatmodelingmethod,J:Resistancemodelingmethod,K:Designofbufferzone,L:Single2widthmethod,M:Analytichierarchyprocess,N:Resistancemodelingmethod,O:Zoningofnaturereserve,P:Designofexperimentalzone,Q:Determiningthescaleandborderofnaturereserve,R:Designofcorridors,S:Increasingtheconnectivityofnaturereserves.31111完整性原则按照景观生态学的等级-尺度理论,自然保护区仅是更大时空尺度中的一个组分,因此自然保护区网络设计应在广泛的时空尺度上包含生态过程和生物多样性各组成成份,应以生物等级系统的各个层次或节点作为保护对象,将节点连接成一个完整的保护网络.景观异质性有利于物种的持续生存和生态系统的稳定,例如,一些物种在幼体和成体不同生活史阶段需要两种完全不同的栖息环境,还有不少物种随着季节变换或进行不同生命活动时,也需要不同类型的栖息环境.根据保护对象的生物学特征,应考虑保护对象的各生长阶段或各季节生活所必需的生境需要.对游迁性的物种,应包括冬夏两季的栖息地,或几种不同类型的栖息环境.对鱼类,要注意保护产卵场、越冬场、幼体索饵场以及洄游通道.对于候鸟,更应考虑繁殖地和越冬地的联合保护[17,19,33].因此,维持生态系统的地域完整性和生态过程的完整性是自然保护区网络设计的基本原则.31112生物多样性原则自然保护区网络应最大程度地代表所处生物地理区域的生物多样性.通过这一网络,所处生物地理区域内的典型生态系统、野生生物资源以及珍稀濒危物种的集中分布区都将受到保护.为了尽可能维持生态过程76217期徐海根等:自然保护区生态安全设计的方法研究和进化,保护区网络应包括一个区域的大部分地方特有种和稀有物种,因为它们是该地区群落的主要组成部分.如有可能,保护区应从自然的或受到干扰很少的地区选择.312自然保护区网络设计方法针对保护区设计中存在的问题,国外对保护区设计的方法进行了大量探索.澳大利亚、南非、挪威开展了保护区网络设计的研究,提出了保护区网络设计的计分方法、迭代法和整数规划方法,并应用于特定区域或生物类群的保护区网络设计[1,3,25~27,31].31211地理途径方法(GAP分析地理途径方法(GAP分析是通过对研究区域的植被状况、物种分布及其丰富度、野生动物生境等分布信息的分析,寻找生物多样性保护的热点地区(hotspots,然后对比当地土地利用现状和生物多样性保护现状,最终识别当前生物多样性保护的空白点(gaps和差距[4,11,29,32].GAP分析比较直观,能指出重点地区和薄弱地区,但要求有较详细的植被图.31212计分方法计分方法根据一个或一组指标,如多样性指标和稀有性指标,计算各单元的得分,把这些单元依得分大小排序,然后根据保护要求取位于前n位的单元,作为保护区网络的备选地点[18,25].因此,计分方法(包括以下网络设计方法首先要把研究区域划分为若干个单元,单元可以是规则的栅格,或不规则的栅格如生境类型、土地利用类型.其次,要提出一个或一组指标,量化各单元保护价值的相对重要性,得分高的单元表明其保护价值也高.计分方法能提供具有相对重要性的备选地点清单,但不是最优解,有效性低,对初始条件敏感,互补性差,有冗余.31213迭代法迭代法是逐步进行的,每一步往备选地点集添加的单元,最大程度地补充备选地点集中单元的属性,即每次添加的单元对整个保护区网络的代表性贡献最大[10,21,24].它的运算步骤与计分法相似.首先要确定自然保护区网络设计的目标,如以最少的单元数或总面积使所有物种至少出现一次;然后把研究区域分成若干单元,制定筛选单元的算法(一组规则,根据规则计算单元的得分,并根据得分筛选单元.迭代法的规则集可以根据实际情况和保护要求,作适当修改.同样,也可以根据保护区的保护对象和管理目标确定代表性指标.迭代法灵活、有效,运算速度快,比计分方法有效性高,可以对备选地点排序,但它不是最优解,对初始条件较敏感,互补性差,有冗余.31214整数规划方法计分法和迭代法求出的保护区网络备选地点集,并不是数学意义上自然保护区网络选择问题的最小解或最优解[34].自然保护区网络的选择问题实际上是以最少的保护区数包含所有属性.其模型为[34]:MinZ=6mj=1Xj约束条件:(1所有属性在保护区网络中至少出现一次,即对于任何i(i=1,2,…,n6j∈NiXj≥1(2整数要求Xj=0或1,对于任何j(j=1,2,…,m其中,n表示区域中属性的数量;m表示区域中单元的数量;Ni表示{j|如果单元j包含属性i}(i=1,2,…,n;Xj表示单元j是否被保护区网络选中,1表示单元j被保护区网络选中,否则0(j=1,2,…,m.选择自然保护区的整数规划模型还有多种[2,3,23].整数规划方法是最优解,有效性最高,互补性好,与初始条件无关,没有冗余,但不能指明各备选地点的相对重要性,计算量可能较大,有时会无解.4自然保护区功能分区方法411核心区设计方法自然保护区网络设计是生态安全设计的基础,因为只有明确保护区的具体位置后,才能讨论保护区的最小面积、功能分区及必要的廊道设计[30].保护区功能分区是生态安全设计的保障,而廊道设计是生态安全设计的补充.保护区各功能区的不同功能,要求首先根据保护目标进行核心区的设计,继而缓冲区,最后完成整个保护区的设计[13~16,20].在设计核心区时,应确定适宜的大小、形状和地点,使其构成一有效的保护单元.目前核心区设计的主要方法有种群生存力分析方法、栖息地分布模型方法和阻力面分析方法.41111种群生存力分析方法通过种群生存力分析,可以知道一定大小的种群在一定时间内的存活概率,并结合物种的领域面积,可以确定核心区所需的最小面积.其具体步骤为:(1确定目标类群,(2用种群生存力分析求解最小可存活种群,(3评估目标类群的生物领域面积,(4评价适宜生境在空间和时间上的可达性,(5评价剩余生境(如野生生物廊道对维持最小面积的有效性,(6确定最小面积.41112栖息地分布模型方法该方法通过对影响栖息地选择的变量的空间分析,构造目标种栖息地分布模型,并根据目标种的生物领域面积、栖息地破碎度和景观连接度的知识,确定核心区.具体步骤如下[16]:(1变量的初步选取.根据野外观察,初步确定可能影响栖息地选择的变量,对变量进行栅格化处理.(2变量的空间采样.运用地统计学的方法,对变量进行空间采样,即通过对某一生物或非生物因子在空间上已抽样的数据推测未抽样点的数据,最终确定的采样方案应使样点空间独立.(3确定相关变量.运用统计检验方法检验初步选取的变量是否确实与栖息地选择有关.(4主成分分析.相关变量可能相互之间有一定的相关性,主成分分析的作用是简化相关变量,将相关变量线性组合成一些新的、相互独立的综合变量,这个综合变量称为主成分(PCi.(5建立Logistic回归模型:log(pi/(1-pi=a0+a1PC1i+a2PC2i+…+anPCni其中pi是第i个栅格上物种出现的概率,其值位于0和1之8621应用生态学报15卷间;(PC1i,PC2i,…,PCniT为第i个主成分;ai为回归系数.(6核心区的确定.对以上栖息地分布模型确定一个分界点p0,对大于p0的p设为1,对小于p0的p设为0,这样得到目标种的栖息地预测结果.然后根据目标种的生物领域面积,把大于生物领域面积的栖息地斑地作为核心区,并用栖息地破碎度、景观连接度指标判断核心区设计的合理性.41113阻力面分析方法阻力面分析方法是景观生态安全格局的分析方法.它可以根据不同的生态安全阈值,确定核心区的范围,具体包括[39~41]:(1源的确定;(2最小累积阻力模型的建立;(3阻力面的建立;(4根据一定的保护目标确定安全阈值,划定核心区.412缓冲区设计方法缓冲区的设计不仅涉及生态、地形地貌等自然因素,还要考虑社会经济因素.目前主要有3种缓冲区设计方法.41211等宽度法等宽度法是在核心区外围设计一个等宽度的带状环形区,显然这种做法缺乏科学依据[20].41212层次分析法层次分析法针对外界因素对核心区影响程度的不同,将核心区分成若干区段,确定缓冲带宽度的决策方案和影响因素,构造缓冲带设计的层次结构,以专家咨询法确定两两比较矩阵,最后根据两两比较矩阵确定每一区段缓冲带的宽度[15].这样最终确定的缓冲带宽度在各区段应有所不同.41213阻力面分析方法阻力面分析方法与41113的内容相似.该方法利用阻力面的等阻力线来确定缓冲区的边界和形状.阻力面类似于地形表面,其中有缓坡和陡坡,呈现一些阈值特征.据此来划分缓冲区,不但可以有效地利用土地,而且可以判别缓冲区合理的形状和格局,减少缓冲区划分的盲目性.5结语由于生态破坏和栖息地的丧失,造成野生动植物种群的破碎化.自然保护区已成为孤立的生境岛屿.现有保护区系统不能对自然生态系统和珍稀濒危动植物的天然栖息地提供有效保护.目前以单个、孤立自然保护区为主的生物多样性保护模式是远远不够的,应在广泛的时空尺度上包含生态过程和生物多样性各组成成份,以生物等级系统的各个层次或节点作为保护对象,将节点连接成为一个整体的保护网络.自然保护区生态安全设计是综合考虑了生态、社会、经济的一种协调设计战略,首先从区域层次研究保护区网络的优化设计;其次,在网络的每个节点(保护区,研究保护区的面积、形状和内部功能分区(核心区、缓冲区和实验区;最后,研究网络与节点的连接(廊道.景观生态安全格局和最小可存活种群是确定自然保护区生态安全阈值的依据.自然保护区网络设计应遵循生态系统的地域完整性和生态过程完整性原则及生物多样性原则,采用迭代法和整数规划方法.当有详细的植被分布图时,也可以采用地理途径方法.保护区网络选择算法的作用是指导性的,它为一个或多个保护目标的保护规划勾画出多种蓝图.这对保护目标的确定和政府决策起到重要作用.要比较各种替代设计方案,并结合当地经济、社会、管理、土地、资源和生物多样性保护的需要,确定最终的保护区网络设计方案.自然保护区功能分区应采用逆向设计的途径[13~16],首先进行核心区的设计,继而缓冲区,最后完成整个保护区的设计.核心区设计的主要方法有种群生存力分析方法、栖息地分布模型方法和阻力面分析方法.缓冲区设计的主要方法有等宽度法、层次分析法和阻力面分析方法.参考文献1BedwardM,PresseyRLandKeithDA.1992.Anewapproachforselectingfullyrepresentativereservenetworks:addressingefficien2cy,reservedesignandlandsuitabilitywithaniterativeanalysis.BiolConser,62:115~1252ChruchRL&DavisRR.1992.Thefixedchargemaximalcoveringlocationproblem.PapRegSci,71:199~2153CocksKDandBairdIA.1989.Usingmathematicalprogrammingtoaddressthemultiplereserveselectionproblem:anexamplefromtheEyrePeninsula,SouthAustralia.BiolConser,49:113~1304FearnsidePMandFerrazJ.1995.AconservationgapanalysisofBrazil’sAmazonianvegetation.ConserBiol,9:1134~11475FuB2J(傅伯杰.1995.Landscapediversityanalysisandmapping.ActaEcolSin(生态学报,15(4:345~350(inChinese6GilpinMEandSouleME.1986.Minimumviablepopulations:pro2cessesofspeciesextinction.In:SouleEed.ConservationBiology.Sunderland,Massachusetts:SinauerAssociates.7GrumbineRE.1990.Viablepopulation,reservesize,andfederallandsmanagement:Acritique.ConserBiol,4:127~1358HanskiI.1994.Metapopulationdynamicsandconservation:aspa2tiallyexplicitmodelappliedtobutterflies.BiolConser,68:167~1809HanskiIandSimberloffD.1997.Themetapopulationapproach,itshistory,conceptualdomainandapplicationtoconservation.In:Han2skiIandGilpinME.eds.MetapopulationBiology:Ecology,Genet2icsandEvolution.SanDiego:AcademicPress.10KirkpatrickJB.1983.Aniterativem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