基于生態系統服務功能的自然保護區優先保護與保護空缺分析
——以北京市密云區為例

劉陽 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張背景下，加強生物多樣性保護以及提升生態系統服務功能成為自然保護區建設的主要目標（Mace G M，2014）。目前，關于生態空間優先保護與保護空缺分析方法包括生物地理區劃法（Biogeographic Regionalization，BD；劉焱序 等，2017）、熱點地區分析法（Hotspot analysis，HA；張殷波 等，2014）以及系統保護規劃法（Systematic Conservation Planning，SCP；曲藝 等，2014）。前兩者研究主要集中在物種分布、棲息地環境保護等方面，但無法解決在何地保護、如何保護的問題。保護空缺法結合了熱點地區與保護對策，是目前國外應用較為廣泛的研究方法，我國SCP分析在研究技術和分析模式方面尚不成熟。以上方法為完善自然保護區規劃提供了一定科學基礎，但生態系統服務功能作為核心保護目標并沒有得到充分考慮（李霄宇 等，2010）。如何在兼顧生物物種保護和生態系統服務功能保護需求的前提下，確定關鍵保護區位、彌補保護空缺是生態保護領域的熱點問題?；谏鷳B系統服務功能評估的保護區優先保護與保護空缺分析，突破了單純以生物多樣性保護為目的的規劃框架，重視生態系統服務功能綜合發揮，更加貼近保護區設立目標，成為保護區保護規劃的新途徑。

北京市密云區不僅是重要的水源保護地，還分布了云蒙山、霧靈山及云峰山市級自然保護區以及不老湖、黑龍潭等眾多風景名勝區，匯集多種生態系統服務功能。2017年北京林業大學自然保護區學院正式啟動密云區自然保護區總體規劃編制及綜合科學考察，目前對三大保護區生態系統服務功能的保護成效并不明晰。本研究基于生態系統服務功能評估，識別密云區現有自然保護區保護空缺，劃分保護等級明確重點保護位置，以期為密云區自然保護區總體規劃提供一定參考。

1 研究區域與數據來源

密云區山水兼備，位于北京市東北部，境內總面積2229.45km2，是燕山山脈與華北平原交匯處。其東、北、西三面環山，中部密云水庫是北京市重要水源保證地，水面面積194.30km2。區域西南是村鎮發展的沖積平原，屬溫帶大陸性季風氣候，年降水量661.3mm，林木覆蓋率達72.5%。分布有云蒙山、云峰山、霧靈山3個自然保護區和密云水庫一級水源保護區，總面積326.93km2，占密云區面積的14.6%。

研究所需的土地利用數據源、30mDEM數據采集于地理空間數據云平臺2018衛星遙感數據影像。土地利用數據通過EBVI5.0軟件進行人機交互解譯得到，并參考北京市《土地利用現狀分類》（GB/T 21010－2017）進行較準，準確率達到90%以上。各保護區、國家公園以及道路數據來源于各保護區官方網站以及國家基礎地理信息系統網站。土壤類型數據來自于地理國情檢測云平臺；區域降水數據來源于北京市氣象局。

2 研究內容與方法

2.1 指標體系構建

構建自然保護區生態功能評估體系有助于為自然保護區健康發展提供科學依據（陳艷梅，2010）。目前國內尚無統一的指標設置標準，本研究依據MA提出的分類體系（谷縉 等，2017），結合密云自然保護區以山地森林、水資源保護為主的實際情況，吸收采納相關研究評估較多的指標類型（陳艷霞 等，2012），構建以下指標體系（表1），采取專家意見與層次分析對指標權重進行分配并進行一致性檢驗。

表1 生態系統服務功能指標體系

2.2 生態系統服務功能指標量化方法

2.2.1 水源涵養

采取徑流系數法，即用徑流系數反映區域不同植被類型作為響應單元對降雨的截流能力和轉化分配情況。通過戴維樹木專家公司（Davey Tree Expert）開發的國家樹木效益計算模型（National Tree Benefit Calculator），結合相關文獻數據，得到不同植被類型單位面積攔截雨水量的經驗值（表2），分析區域水源涵養服務功能的空間分布情況（公式1、2；劉艷艷，2011）。

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

表2 不同植被覆蓋類型單位面積雨水攔截量

2.2.2 固碳釋氧與空氣凈化

通過上文提及的國家樹木效益計算模型，結合相關文獻研究（馬長欣 等，2009）實現效益量化，得到不同植被類型單位面積固碳釋氧量、吸收NO2、SO2的經驗值（表3），分析區域固碳釋氧服務功能的空間分布情況（公式3）。

式中，C為淺山區固碳量/釋氧/氣體吸收總量，Rij為j類型植被第i個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個斑塊面積。

2.2.3 維持生物多樣性

鳥類種類及數量在一定程度上能夠反映生態系統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）進行生境適宜性評價，根據相關研究文獻選取影響鳥類生境的環境因子（張路，2015）并進行一定相關性分析（表4），用于模擬鳥類生境潛在位置。

2.2.4 土壤保持

采用通用土壤侵蝕方程（Universal Soil Loss Equation，USLE）進行評價，通過DEM、土地利用/覆蓋、土壤類型、降雨等五類數據評土壤保持功能的強弱（公式4），具體方法參見基于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[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

游憩娛樂服務功能與道路可達性以及景觀資源（森林公園、風景名勝區等）分布密切相關。采取核密度分析法（Kernel Density Estimation，KDA）對提取路網數據進行可達性分析；采取歐式距離計算方法，以各類景觀資源為像源中心，以5km為服務半徑（侯亞鳳 等，2014），分析景觀資源分布情況。

2.3 優先保護與保護空缺識別方法

加權疊加各生態系統服務功能評價結果，得到區域綜合生態系統服務功能空間分布，并采取自然斷點法劃分為5個等級。選取綜合生態系統服務價值高、生態服務功能較為良好、面積大于20km2的斑塊作為優先保護區域，對比已有保護區范圍識別保護空缺區域（房媛，2010）。

表3 不同植被類型固碳釋氧量

表4 生態系統服務功能指標體系

3 研究結果

3.1 單一生態系統服務功能評價

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

3.2 優先保護與保護空缺識別

目前，密云區已建立云蒙山、云峰山、霧靈山自然保護區和密云水庫一級水源保護區，占密云區總面積的14.6%，90.0%以上自然保護區位于優先保護范圍內?；谏鷳B系統服務重要性評估結果（圖2，表5），通過新建和擴建生態保護空間，以完善現有保護體系（圖3）。

西部生態功能保護區，天然原始次生林保護區已建有云蒙山自然保護區，仍有部分優先保護區位于自然保護區外。建議以云蒙山自然保護區為基礎聯合桃源仙谷、云蒙三峪自然風景區，擴建生態保護空間或緩沖區，避免西南部城鎮擴張導致生境破碎化問題。同時該區域游憩娛樂服務功能較高，建議適當發展生態旅游，達到生態保護與社會經濟協調發展目標。

西北部生態功能保護區，具備良好的森林資源基礎，連接平原與山區，海拔較高，人類活動影響較低，是密云水庫水源涵養以及土壤保持的重要區域。目前建有云峰山自然保護區，但深山區域尚缺乏相應的保護措施，建議新建生態功能保護區，加強西北部生態空間保護力度。

東北部生態功能保護區，是珍稀動植物，天然次生林及典型森林生態系統重要分布區，小部分生境位于優先保護范圍之外，建議擴建生態保護空間保障區域生物多樣性。

東部生態功能保護區，分布著白龍潭風景區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價值。建議加強生態保護基礎上發展區域的歷史科普文化功能。

4 討論

在考慮生物多樣性基礎上結合生態系統服務是未來保護地規劃的發展方向（Chan K M A 等，2011）。但目前鮮有以生態系統服務功能為研究對象來進行保護區規劃建設，建立生態系統服務功能保護區不僅是生物多樣性保護的基礎，同時對于完善現有保護地體系有很大的潛力。本研究提出的基于生態系統服務功能的保護地優先保護與保護空缺分析方法，為密云區保護地體系規劃與建設明確方向，提高了保護效率，對其他地區保護地體系和國家公園建設有一定借鑒意義。本研究也具有一定局限性，由于不同生態系統服務功能之間存在的一定相互作用，如何權衡不同功能之間的協同與權衡作用，避免重復和遺漏是未來需要深入研究的方向。

表5 生態系統服務重要性等級面積比例

圖1 單一生態系統服務功能空間分布

圖2 生態系統服務功能重要性空間分布等級

圖3 保護地體系優化與完善