近20年國外系統保護規劃研究進展及啟示

王婧 歐小楊 吳佳霖 鄭曦

生物多樣性資源和其提供的生態系統服務功能具有重要的保護價值。建立保護地是世界各國保護自然的通行做法[1]。合理選擇保護區域對于維持生物多樣性和生態系統服務功能具有重要意義。在中國，由于保護價值的多元性和管理體系的復雜性，單純依據保護對象而設立的保護地無法保證其保護價值的發揮，當前需要更有效的方法對此類自然區域的劃分進行規范和指導。

在保護規劃研究領域中，系統保護規劃（Systematic Conservation Planning，簡稱 SCP）是一種循序漸進推進保護地規劃的方法，當前保護規劃已形成了以系統保護規劃方法為主導的相對完整的體系。傳統保護方法以專家決策為主導，而SCP則系統地考慮了保護區尺度、連通性、邊界長度以及建立保護區所需的經濟和社會成本[2]。量化的保護目標、保護成本及邊界緊密度等在保護生物學領域研究發展迅速，并在近年來呈現了除生物多樣性之外的其他保護價值與保護目標，如生態系統服務功能的研究趨勢。筆者通過系統梳理SCP的研究進展，希望為中國具有多重保護價值的區域提供保護地分區劃界提供方法的指導和工具的借鑒。

1 系統保護規劃方法的發展脈絡

系統保護規劃的產生來源于傳統保護規劃思想并在其基礎上經歷了體系和方法的優化。依據SCP經歷的4次主要變革—互補性選址原則提出、系統保護規劃確立、多重保護目標制定以及動態過程方法應用可以將SCP劃分為4個主要研究階段。

1.1 系統保護規劃萌芽時期（1980—2000年）

20世紀60年代初到80年代的保護規劃建立在單一的評分系統的基礎上[3-5]，如分別依據多樣性、稀有性、自然性、區域和人類干擾的威脅制定評分標準。1983年，Kirkpatrick等首次將“互補性”作為確立優先保護地區的原則，標志著“系統保護規劃”的思想在保護生物學領域的出現[6]。隨著生物—地理信息和選址算法逐漸普及[7]，保護規劃領域的技術手段取得了快速的發展。這一時期的保護規劃側重于生物多樣性的空間分布，缺乏對影響保護區規劃和實施的生態、經濟、社會因素的系統性整合，保護地迫于土地利用的壓力而選擇偏遠的、經濟價值較低的區域[8]，導致經濟價值高、土地利用強度大區域的生物多樣性無法得到有效的保護。

1.2 以生物多樣性保護為主要目標的成熟期（2000—2005年）

2000年，保護生物學家C.R.Margules和R.L.Pressey首次闡述了SCP的概念和方法，認為保護規劃應當以減緩生物多樣性喪失的趨勢為目標，正視保護和發展之間的沖突，將有限的保護資源用于關鍵區域[9]。與傳統保護規劃側重生物多樣性的空間分布不同，SCP通過量化的保護目標，納入保護成本，綜合考慮保護體系連通性、人為干擾因素，使用優化算法計算，從而獲得空間明晰的生物多樣性保護體系。自此，系統保護規劃形成“六步法”[10]核心工作流程，成為國際上普遍認可的保護規劃方法，開始影響陸地、海洋環境保護的政策和立法。

1.3 納入生態系統服務的多重目標探索期（2005—2010年）

隨著系統保護規劃方法在全球范圍內的應用，以生物多樣性保護為核心目標的保護規劃體現出一定的局限性。最大化生物多樣性的保護這一原則會帶來社會、經濟方面的負面影響[11]。在千年生態系統評估[12]報告完成的背景下，研究者逐漸意識到生態系統可提供的服務之間存在的緊密聯系，對生物多樣性、生態系統健康、人類福祉都至關重要[13]。大量研究在證明生物多樣性保護與特定生態系統服務之間的協同與權衡關系的基礎上[14-17]，提出在保護規劃中整合生物多樣性和生態系統服務的框架[18]。同時，一些研究開始探討促進保護規劃實施有效性的跨學科方法[19]，將實際經濟成本[20-21]、土地管理者實施有效保護行動的機會[22]等非生態數據整合到優先保護區域選址中。

1.4 應對不確定性的規劃方法完善期（2010年至今）

此前的系統保護規劃中，靜態的觀點占主要地位，絕大部分研究未涉及氣候變化等動態過程。隨著氣候變化對生物多樣性、棲息地質量的負面影響得到印證，應對各種不確定性的動態方法開始被應用于系統保護規劃中。大量研究開始應用基于最大熵的分布模型[23]，將環境數據與物種分布數據進行聯系，在不同的未來氣候情景下，對未來的生物多樣性、生態系統服務熱點區域進行預測，以最大限度地覆蓋當前和未來的優先區域[24]，提升系統保護規劃應對未來氣候變化的有效性。

2 系統保護規劃研究進展

為了系統地反映SCP方法確立后該領域的研究動態，筆者通過文獻檢索和關鍵詞共現、突發性檢測等方法梳理近20年來最受研究者關注的內容，通過問題歸類的方法，結合六步法的每一個步驟的內涵對其中涉及的理念更新、內容擴充、工具拓展進行詳細梳理，從而提供具有高度針對性、時效性的研究動向。

2.1 文獻概況

筆者以Web of Science核心合集數據庫為基礎，以“主題=protected area planning AND主題=biodiversity OR ecosystem service”“ 主 題=conservation area planning AND主題=biodiversity OR ecosystem service”“ 主 題 =systematic conservation planning AND主題=biodiversity OR ecosystem service”為關鍵詞，時間跨度從2010—2018年進行文獻檢索。為盡可能保證文獻分析的相關性與有效性，將研究領域主要限定在環境生態科學、保護生物學、動物學、植物學、林學、城市研究、水資源管理等相關學科。

通過使用CiteSpace計量分析軟件對檢索得到的相關文獻進行關鍵詞共現網絡分析，在所研究時間段內，出現頻率較高且中心性較強的是保護地管理、氣候變化、土地利用變化、多樣性等關鍵詞（表1）。

為了保證研究內容的中心性和先進性，對研究文獻進行突發性檢測，獲得研究領域中在某一個較短時期內具有顯著研究特征的研究內容（圖1）。在2010年之后，生態系統服務等研究熱點突發性較強。根據研究的突發性和中心性以及被引次數，從已有文獻中獲取含有聚類中心的文獻并剔除海洋保護地相關文獻，得到用于分析保護規劃研究進展的122篇文獻。

2.2 影響系統保護規劃的兩大關鍵背景

系統梳理122篇分析文獻的研究內容、方法與結論后，得到2個對當前研究帶來挑戰的關鍵性研究背景：受全球氣候變化影響的生物多樣性喪失問題為保護規劃帶來了新的思考和挑戰；與人類福祉相關的價值決策也對當前的保護規劃框架產生了深刻的影響。

2.2.1 全球氣候變化—動態視角引入

氣候變化正在影響全球的物種和生態系統，并將在21世紀末產生巨大影響[25]，威脅物種和生態系統的持久性[26-28]。許多保護規劃方法確定了當前在全球范圍內保護生物多樣性的最重要領域，卻忽視了氣候變化的未來影響[29]，而不穩定的氣候條件將破壞自然保護規劃的有效性。隨著研究者對氣候變化觀測和潛在影響的了解不斷深入，針對生態系統管理提出的氣候適應戰略也相應增加，這為保護規劃的研究引入動態的視角和方法。

表1 文獻關鍵詞共現頻率Tab.1 Frequency of literature keywords co-occurrence

1 被引文獻突發性和時間分布Burstness and time distribution of cited literature

2.2.2 生態系統服務功能—規劃框架擴充

隨著經濟和社會發展，生態系統和自然資源經歷著持續的利用、退化和破壞。為了阻止生態系統質量的進一步惡化，生態系統服務的概念成為保護規劃和環境影響評價的核心問題。2010年聯合國《生物多樣性公約》制定的目標是到2020年使17%的陸地和10%的海洋區域屬于保護地。這些區域必須對生物多樣性和生態系統服務具有特別重要的意義，必須得到有效和公平的管理、具有生態代表性和密切的聯系[30]。將生態系統服務納入大尺度的規劃[31]，并將其與生物多樣性保護目標的權衡和協同關系納入規劃框架是未來的趨勢。

在兩大關鍵背景的影響下，以SCP為主流方法的保護規劃從理論到實施的各個階段產生了概念更新、內涵擴充與工具發展（圖2）。SCP方法在空間保護價值的選擇和權衡、生態空間分區上對具有多重保護價值的保護地分區劃界提供了重要的方法參考和工具依托。

2.3 系統保護規劃六步法及研究進展

受到全球氣候變化和生態系統服務理念的影響，原有的方法局限性和操作流程中的問題逐漸被納入研究視野，研究者們在大背景影響下開始應對更為復雜多元的價值權衡和適應于氣候變化的動態規劃。根據最新的研究，對“六步法”的每一步驟在近年來產生的研究進展進行具體綜述。

2.3.1 編制規劃區域數據集—模型與工具更新

作為整個規劃流程的基礎，需要編制與規劃區域地理空間具有明確對應關系的數據集，此數據集應包括規劃單元和特征2個方面。

規劃單元依據規劃所在的區域、尺度的差異而不同，通常包括方格網單元、土地利用單元、自然植被斑塊等。

規劃單元的特征方面，需要通過選擇一系列具有明確空間定位的綜合性替代物[32]代表規劃區域的生物多樣性、生態系統服務等特征。在以生物多樣性為核心價值的系統保護規劃中，替代物分為生物因素和環境因素2種類型（表2），不同類型的生物多樣性替代物在整體生物多樣性評估中存在著互補的關系[33]，因此推薦采取生物因素與環境因素結合的方法。

在近年來的研究中，物種分布模型成為生物多樣性保護數據編制和數據優化的熱點方法。應用較多的包括Maxent最大熵模型[34]、Biomod廣義加性模型，分類樹分析，人工神經網絡等，與此同時，越來越多研究在數據集的編制中考慮氣候變化對物種分布的影響。在對當今氣候條件下的物種分布進行預測的基礎上，研究者利用政府間氣候變化專門委員會等機構提供的未來氣候情景和大氣環流模型，將物種分布數據投射到未來氣候的條件下，形成多個情景下的物種分布模型，為具有氣候變化敏感性的生物多樣性熱點區域提供選址依據。一些研究認為保護地表類型[35-36]等非生物條件對于氣候變化背景下的物種分布和生態過程的代表性更為有效，并提出以非生物因子的組合[37]作為生物多樣性替代物的數據集編制方法—粗過濾器分類法[38]，該方法在淡水保護地的系統保護規劃中已有較為普遍的應用[39-40]。

由于許多研究致力于通過SCP方法，實現生態系統服務與生物多樣性的協同與平衡[41]，生態系統服務空間描述和評估是推動生物多樣性保護目標實現的關鍵行動[42]，J.Maes等提出了生態系統服務空間描述和評估的框架，并總結了評估生態系統服務功能所使用的因子。

2.3.2 設立保護目標和指標—目標與指標的科學性論證

依據保護價值完成了數據集編制后，需要將系統保護規劃的代表性和持久性目標轉化為確切的、定量的指標，為現有保護區的評價和新增保護地選址提供依據。

大量研究論證了以“保護區域占目標區域的百分比”為例的無數據指標的局限性，該類型指標難以將保護地的規模與獨立性、形狀在斑塊和景觀尺度的特征納入考慮范疇。應根據生物多樣性替代物的特征設定特定的規劃指標，如根據滿足物種生活、緩解自然干擾、保持生態過程的需求，確定最小的保護地面積，定義保護區域的尺度、位置和功能[43]。Watson等對比了多種形式的指標的適用性，強調選擇復合代表性指標的優勢，它可以提升保護地應對災難、人為干擾的韌性，同時提出為干旱避難所和進化避難所設置一定的指標，并選取沿著連接水體的規劃單元[44]，增強其在空間和時間上維持生物多樣性、進化過程[45]的能力。與連接度相關的指標是淡水保護規劃[46-47]中至關重要的因素。

2 氣候變化和生態系統服務影響下的保護規劃框架Protection planning framework under the influence of climate change and ecosystem services

表2 系統保護規劃常用的生物多樣性替代物[9,10,33]Tab.2 Biodiversity alternatives commonly used in SCP[9,10,33]

2.3.3 評價現有保護區—研究必要性論證

開展現有保護地評價的必要性在于，保護地退化、縮小、解體成為全球范圍保護地的共同危機。其中退化主要由人類在保護地中的活動程度變強而引起，需要切實認識到保護地退化帶來的損失并量化保護地所能提供的效益。現有保護地評價的內容包括：衡量現有的保護地對于保護目標的實現程度，地區的生境條件對于維持保護地網絡的有效性。當下主要是通過幾種方式來計算維持生物多樣性或某些生態過程所需要的最小生態面積，其中包括島嶼—生物地理學理論等方法。這一步驟的另一意義在于通過結合物種分布模型（SDM）獲得的植被類型和動物物種分布的信息，評價保護地之間的缺口，以及基于環境變量來實現環境缺口分析[48]，從而提高生物多樣性的代表性[49]，為新增保護地和擴充保護地網絡提供重要的指導意義。

2.3.4 選擇新增保護區域—理念更新和算法擴充

系統保護規劃中新增區域的選取工具包括保護區選擇算法或決策支持軟件。對于新增保護地的選址劃界，當前已有一系列的算法和工具被應用于系統保護規劃中（表3）。大多數的工具基于優化算法，以期最大限度地獲取物種或其他保護特征的覆蓋區域。決策支持軟件則運用于劃界過程中的限制因素，如邊界長度、保護成本、連接度等。其中，最常用的算法軟件之一為采用模擬退火算法的MARXAN軟件，通過調整連接性成本，能夠選擇優先保護地區，增加保護實施和管理的可行性，也可通過調整邊界長度懲罰因子，避免選擇孤立的規劃單元，以及使用LUPOlib和MARXAN結合，將景觀特征納入目標物種棲息地環境的建立[50]；另一應用逐漸增多的軟件Zonation在確定優先保護區域方面具有更好的優勢[51]，通過缺口分析的方法提高保護優先等級劃分的適用性，并能結合空間關聯的本地指標算法制定多個保護熱點情景下的保護策略[52]。在眾多的規劃案例中，沒有一套絕對的標準來指導規劃工具的選擇，對于規劃對象和管理問題，決策者需要根據保護規劃中的價值衡量和限制因素對工具進行選取。

2.3.5 實施規劃行動—實踐與管理框架變更

步驟4中的新增保護區選址雖然考慮了諸如土地征用成本等現實保護成本因素，所選擇出的優先保護區域在規劃落實的過程中仍會面臨復雜的土地所有權、植被退化和更替等問題。為了在實施階段最小化保護目標的讓步，應充分評價所選區域對該區域保護目標的貢獻，衡量不可代替性和脆弱性2個維度，以靈活對應規劃實施方案。規劃實施須解決的關鍵問題包括：為每一個保護地塊制定切實可行的規劃實施措施；如果區域處于嚴重退化狀態或保護難度較大，則須返回選址階段識別其他替代區域；當資源對于整個保護地網絡的保護而言相對有限時，需制定分期保護的規劃，允許規劃和實施之間存在短期時差以增加實施方案的靈活性。

在近20年的發展過程中，系統保護規劃研究與實施行動之間的差距仍然普遍存在[53]。Adams等回顧規劃實施中的資源投入、過程、實施主體3個組成要素的關系及其對諸多保護規劃有效性的影響，指出保護規劃的實施方案須針對規劃本身的特點提升針對性，并應保證投資預算、人力資源、學術支持等多方面的投入以彌合規劃與實施之間的缺口。考慮到氣候變化對生物多樣性和生態系統的影響，一些研究將氣候模擬、敏感性分析和脆弱性評估納入系統保護規劃的適應性管理框架[54]，構建了保護規劃實施的動態調節機制（圖3）。

2.3.6 維持保護區的價值—評價體系優化

Margules和Pressey強調，規劃是一個迭代過程。通過監測保護地的關鍵指標，可以在一定程度上反映保護的有效性是否實現。同時，有效性評價的結果也用于指導決策保護地網絡擴大的必要性[55]。對于保護地管理的有效性，當前仍然沒有一種實際的、連續的框架用于實施。評價框架也需要更多的工具支持和更新以適應于多種類型的保護地。在當前的研究中，保護地整體評價體系成為綜合評估考核制度有效性的新工具[56]。它具有模塊化、層次化、數字化的特征，可以通過跨學科的方式提供一種綜合評估框架，保證了評價的有效性和可操作性。David Rodríguez等研究了保護狀況、規劃、管理、社會和經濟背景、社會看法和評價以及對保護的威脅等相關因子及指標，得到了綜合評價保護地有效性的一套方法。在氣候變化的大背景下，對保護地的保護價值的評估是適應性管理和預警策略制定的優先考慮事項，同時也是回應保護目標的必要選擇。

表3 保護區域選擇工具及軟件Tab.3 Tools and softwares applied in conservation area selection

3 氣候變化背景下的保護規劃適應性管理框架Adaptive management framework of conservation planning in the context of climate change

3 對中國保護地規劃研究的啟示

黨的十九大報告指出：構建國土空間開發保護制度，完善主體功能區配套政策，建立以國家公園為主體的自然保護地體系，設立自然保護地是為了維持自然生態系統的正常運作，為物種生存提供庇護所，具有持續利用自然生態系統內的資源等多重目的。這與國際上設立自然保護地強調的理念在內容和目標上具有高度的重合性。借鑒系統保護規劃的理念和方法，中國的保護地體系規劃應重點關注以下4個方面。

1）加強生態系統服務和生物多樣性的空間格局的權衡與統籌研究。中國廣泛的自然、半自然區域面臨嚴峻的城市擴張威脅和土地利用的競爭壓力，亟須權衡包括生態系統服務在內的多種保護價值以適應當前的生態規劃需求。但在具體的保護價值選取與保護目標的制定上仍因資金投入、土地政策等因素而留有較大的探討和研究空間。保護目標的設定如何真正減緩生物多樣性下降有待探討[57]。此后需要結合多種場景如保護、發展對保護目標的制定進行研究，構建多標準決策框架，完善保護地規劃框架，補充保護空缺，形成綜合完善的保護地網絡體系。

2）納入氣候變化的適應性規劃決策。面對中國豐富的氣候與棲息地類型以及覆蓋面積廣泛的氣候變化敏感區域，生物多樣性熱點地區的保護規劃易受到氣候變化的復雜動態影響，需要將氣候變化的影響納入保護規劃，對開發保護資源進行優化配置以提高物種生存的可持續性，幫助物種和生態系統適應潛在或已發生的氣候變化影響，制定有效策略與管理機制以降低其對氣候變化的脆弱性，提高生態系統穩定性。

3）開展保護地規劃的監測與評估研究。既定范圍的保護地能否真正保障保護物種多樣性、棲息地完整性這些目標的實現在中國復雜的保護地類型和管理中具有高度的實施困難。中國的保護地規劃首先應梳理當前已有的各類保護地如自然保護區、森林公園等類型中具有生物多樣性代表性的區域，明確規劃目標與定位，開展相關評價后確定保護規劃的實施范圍界線。

4）落實保護地規劃實施和科學的管理框架。由于中國保護地類別多樣、管理體系之間關系尚未理順，實際的保護效果和規劃預期存在一定差距。在豐富的研究熱點和更新的研究方法的驅動下，需要借鑒國外保護規劃評價體系的框架，對不同區域的關鍵指標開展有效性評價，制定預警措施，回應保護目標。

注釋(Notes)：

① 傘護種：是保護生物學中的一個概念，指那些生存環境需求能夠涵蓋許多其他物種生存環境需求的物種。Bruce A.Wilcox最早于1984年提出這一概念。它可用來確定應被保護的生存環境的類型與面積，常用于自然保護區的規劃。

② 指示種：是指對環境的影響與其生物量不成比例的物種。這些物種對保持生態群落的結構起著重要的作用，它們影響著生態系統中其他許多生物，并決定了群落中各種物種的種類與數量。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

本文中所有圖表均由作者繪制。其中表2根據參考文獻[9]、[10]、[33]繪制。