基于生态系统服务功能的自然保护区优先保护与保护空缺分析——以北京市密云区为例

刘阳 梁淑榆 邹天娇 蔡怡然 郑曦 / LIU Yang, LIANG Shuyu, ZOU Tianjiao, CAI Yiran, ZHENG Xi

引言

全球气候变化以及城市扩张背景下，加强生物多样性保护以及提升生态系统服务功能成为自然保护区建设的主要目标（Mace G M，2014）。目前，关于生态空间优先保护与保护空缺分析方法包括生物地理区划法（Biogeographic Regionalization，BD；刘焱序 等，2017）、热点地区分析法（Hotspot analysis，HA；张殷波 等，2014）以及系统保护规划法（Systematic Conservation Planning，SCP；曲艺 等，2014）。前两者研究主要集中在物种分布、栖息地环境保护等方面，但无法解决在何地保护、如何保护的问题。保护空缺法结合了热点地区与保护对策，是目前国外应用较为广泛的研究方法，我国SCP分析在研究技术和分析模式方面尚不成熟。以上方法为完善自然保护区规划提供了一定科学基础，但生态系统服务功能作为核心保护目标并没有得到充分考虑（李霄宇 等，2010）。如何在兼顾生物物种保护和生态系统服务功能保护需求的前提下，确定关键保护区位、弥补保护空缺是生态保护领域的热点问题。基于生态系统服务功能评估的保护区优先保护与保护空缺分析，突破了单纯以生物多样性保护为目的的规划框架，重视生态系统服务功能综合发挥，更加贴近保护区设立目标，成为保护区保护规划的新途径。

北京市密云区不仅是重要的水源保护地，还分布了云蒙山、雾灵山及云峰山市级自然保护区以及不老湖、黑龙潭等众多风景名胜区，汇集多种生态系统服务功能。2017年北京林业大学自然保护区学院正式启动密云区自然保护区总体规划编制及综合科学考察，目前对三大保护区生态系统服务功能的保护成效并不明晰。本研究基于生态系统服务功能评估，识别密云区现有自然保护区保护空缺，划分保护等级明确重点保护位置，以期为密云区自然保护区总体规划提供一定参考。

1 研究区域与数据来源

密云区山水兼备，位于北京市东北部，境内总面积2229.45km2，是燕山山脉与华北平原交汇处。其东、北、西三面环山，中部密云水库是北京市重要水源保证地，水面面积194.30km2。区域西南是村镇发展的冲积平原，属温带大陆性季风气候，年降水量661.3mm，林木覆盖率达72.5%。分布有云蒙山、云峰山、雾灵山3个自然保护区和密云水库一级水源保护区，总面积326.93km2，占密云区面积的14.6%。

研究所需的土地利用数据源、30mDEM数据采集于地理空间数据云平台2018卫星遥感数据影像。土地利用数据通过EBVI5.0软件进行人机交互解译得到，并参考北京市《土地利用现状分类》（GB/T 21010－2017）进行较准，准确率达到90%以上。各保护区、国家公园以及道路数据来源于各保护区官方网站以及国家基础地理信息系统网站。土壤类型数据来自于地理国情检测云平台；区域降水数据来源于北京市气象局。

2 研究内容与方法

2.1 指标体系构建

构建自然保护区生态功能评估体系有助于为自然保护区健康发展提供科学依据（陈艳梅，2010）。目前国内尚无统一的指标设置标准，本研究依据MA提出的分类体系（谷缙 等，2017），结合密云自然保护区以山地森林、水资源保护为主的实际情况，吸收采纳相关研究评估较多的指标类型（陈艳霞 等，2012），构建以下指标体系（表1），采取专家意见与层次分析对指标权重进行分配并进行一致性检验。

表1 生态系统服务功能指标体系

2.2 生态系统服务功能指标量化方法

2.2.1 水源涵养

采取径流系数法，即用径流系数反映区域不同植被类型作为响应单元对降雨的截流能力和转化分配情况。通过戴维树木专家公司（Davey Tree Expert）开发的国家树木效益计算模型（National Tree Benefit Calculator），结合相关文献数据，得到不同植被类型单位面积拦截雨水量的经验值（表2），分析区域水源涵养服务功能的空间分布情况（公式1、2；刘艳艳，2011）。

式中，Q为雨水拦截总量（m3）；Si为某种植被覆盖类型面积（m2）；Ti为某种植被类型单位面积年平均雨水截留量（m3/m2）；α为径流系数；V为年平均降雨总量。

表2 不同植被覆盖类型单位面积雨水拦截量

2.2.2 固碳释氧与空气净化

通过上文提及的国家树木效益计算模型，结合相关文献研究（马长欣 等，2009）实现效益量化，得到不同植被类型单位面积固碳释氧量、吸收NO2、SO2的经验值（表3），分析区域固碳释氧服务功能的空间分布情况（公式3）。

式中，C为浅山区固碳量/释氧/气体吸收总量，Rij为j类型植被第i个斑块地上部分单位面积固碳量/释氧量/气体吸收量，Si为第i个斑块面积。

2.2.3 维持生物多样性

鸟类种类及数量在一定程度上能够反映生态系统的物种多样性及健康程度（赵人镜等，2018）。采用MaxEnt（Maximum Entropy Model，最大熵模型）进行生境适宜性评价，根据相关研究文献选取影响鸟类生境的环境因子（张路，2015）并进行一定相关性分析（表4），用于模拟鸟类生境潜在位置。

2.2.4 土壤保持

采用通用土壤侵蚀方程（Universal Soil Loss Equation，USLE）进行评价，通过DEM、土地利用/覆盖、土壤类型、降雨等五类数据评土壤保持功能的强弱（公式4），具体方法参见基于DEM的USLE地形因子获取与分析（隋欣 等，2010）。

式中，A为土壤流失模数[t/（hm2·a）]；R为降雨侵蚀因子[MJ·mm/（hm2·h·a）]；K为土壤可蚀性因子 [t·hm2·h /（MJ·hm2·mm）]；L为坡长因子；S为坡度因子；C为植被覆盖与作物管理因子；P为水土保持措施因子。

2.2.5 游憩娱乐

游憩娱乐服务功能与道路可达性以及景观资源（森林公园、风景名胜区等）分布密切相关。采取核密度分析法（Kernel Density Estimation，KDA）对提取路网数据进行可达性分析；采取欧式距离计算方法，以各类景观资源为像源中心，以5km为服务半径（侯亚凤 等，2014），分析景观资源分布情况。

2.3 优先保护与保护空缺识别方法

加权叠加各生态系统服务功能评价结果，得到区域综合生态系统服务功能空间分布，并采取自然断点法划分为5个等级。选取综合生态系统服务价值高、生态服务功能较为良好、面积大于20km2的斑块作为优先保护区域，对比已有保护区范围识别保护空缺区域（房媛，2010）。

表3 不同植被类型固碳释氧量

表4 生态系统服务功能指标体系

3 研究结果

3.1 单一生态系统服务功能评价

密云区单一生态服务功能的空间格局反映不同生态系统服务分布的空间异质性。水源涵养能力最高区域分布于中部密云水库以及西北部、东部森林覆盖率较高的区域，面积796.00km2，占比35.7%。固碳释氧、空气净化服务功能较高的区域分布在森林资源丰富的西北部与东部，包括云蒙山国家森林公园、五座楼森林公园等，面积分别为865.80km2、828.16km2，占比38.80%、37.10%。生境适宜性较高区域分布于东部丘陵山地区以及中部密云水库，面积228.2km2，占比10.23%，具有良好的森林以及水域生态基底，生物资源储量丰富；土壤保持功能整体呈现出随海拔高度提高而增加的趋势，能力较高区域集中分布于海拔较高、植被覆盖较好的西北山区，面积211.90km2，占比9.50%。游憩娱乐服务方面，南部以及密云水库北部道路交通可达性较高，水库东部与西部以及区域东北部风景游憩资源丰富（图1）。

3.2 优先保护与保护空缺识别

目前，密云区已建立云蒙山、云峰山、雾灵山自然保护区和密云水库一级水源保护区，占密云区总面积的14.6%，90.0%以上自然保护区位于优先保护范围内。基于生态系统服务重要性评估结果（图2，表5），通过新建和扩建生态保护空间，以完善现有保护体系（图3）。

西部生态功能保护区，天然原始次生林保护区已建有云蒙山自然保护区，仍有部分优先保护区位于自然保护区外。建议以云蒙山自然保护区为基础联合桃源仙谷、云蒙三峪自然风景区，扩建生态保护空间或缓冲区，避免西南部城镇扩张导致生境破碎化问题。同时该区域游憩娱乐服务功能较高，建议适当发展生态旅游，达到生态保护与社会经济协调发展目标。

西北部生态功能保护区，具备良好的森林资源基础，连接平原与山区，海拔较高，人类活动影响较低，是密云水库水源涵养以及土壤保持的重要区域。目前建有云峰山自然保护区，但深山区域尚缺乏相应的保护措施，建议新建生态功能保护区，加强西北部生态空间保护力度。

东北部生态功能保护区，是珍稀动植物，天然次生林及典型森林生态系统重要分布区，小部分生境位于优先保护范围之外，建议扩建生态保护空间保障区域生物多样性。

东部生态功能保护区，分布着白龙潭风景区以及四棱山森林公园，集人文与自然景观为一体，具有一定的历史保护价值。建议加强生态保护基础上发展区域的历史科普文化功能。

4 讨论

在考虑生物多样性基础上结合生态系统服务是未来保护地规划的发展方向（Chan K M A 等，2011）。但目前鲜有以生态系统服务功能为研究对象来进行保护区规划建设，建立生态系统服务功能保护区不仅是生物多样性保护的基础，同时对于完善现有保护地体系有很大的潜力。本研究提出的基于生态系统服务功能的保护地优先保护与保护空缺分析方法，为密云区保护地体系规划与建设明确方向，提高了保护效率，对其他地区保护地体系和国家公园建设有一定借鉴意义。本研究也具有一定局限性，由于不同生态系统服务功能之间存在的一定相互作用，如何权衡不同功能之间的协同与权衡作用，避免重复和遗漏是未来需要深入研究的方向。

表5 生态系统服务重要性等级面积比例

图1 单一生态系统服务功能空间分布

图2 生态系统服务功能重要性空间分布等级

图3 保护地体系优化与完善