基于SCP理论的山地区域自然保护地体系优化研究述评*

彭 琳 陈 烨 赵智聪 张 引 杜春兰

0 引言

山地作为全球陆地生物多样性保护的核心和关键区域，其生态系统及生物多样性的可持续管理已被视为全球优先事项①。2015年发布的《联合国2030可持续发展议程》中的“目标15.4”明确提出，“到2030年，保护山地生态系统，包括其生物多样性，使其能更好为可持续发展带来必不可少的益处”。自然保护地建设作为山地生物多样性就地保护的关键途径尤为受到重视。2004年，《生物多样性公约》缔约方大会第7次会议提出，加大审查山地区域自然保护地系统，确保其具有全面性、充分性和代表性[1]。截至2016年，全球山地区域（除南极洲以外）自然保护地面积占比已达19%[2]，但普遍存在空间分布不够合理、保护效率不高的问题，严重制约了山地生物多样性保护进程。据统计，全球山地区域的6109个生物多样性关键区（Key Biodiversity Areas, KBA）中，52%的KBA受保护面积不到30%，其中40.4%完全不受保护[3]。在此背景下，自然保护地体系空间效率提升已成为山地生物多样性保护与可持续发展的关键议题之一。

空缺分析法、KBA识别等传统自然保护地体系优化思路重点关注保护价值与效益，对合理配置有限保护资源这一问题回应不足。2000年马居尔（Margules）等在《自然（Nature）》上发表《系统性保护规划》（Systematic Conservation Planning，SCP）一文，正式提出了SCP理论的概念、框架和方法，为提高自然保护地的空间效率提供了一种新思路[4]。近年来，SCP相关研究发展较为迅速，并已应用于一些自然保护地体系规划实践中[5]。

本文旨在综述SCP在山地领域内研究的时空分布特征、研究现状及关注热点。主要基于Web of Science核心合集数据库，于2021年11月10日按照“主题=systematic conservation planning AND 主题=mountain”“主题=mountain biodiversity AND 主题=planning”进行首次检索，并于2021年11月12日按照“主题=spatial prioritization AND主题=conservation planning AND 主题=mountain”“主题=protected area AND主题=mountain AND 主题=planning”进行补充检索。剔除重复以及相关性不大的文献，筛选得到基于SCP理论的山地区域自然保护地体系优化研究共计88篇，分布时间跨度为2003—2021年，其中41篇在山地区域系统运用了SCP理论框架（下文简称“系统性应用研究”），其余为局部应用研究。本文在厘清SCP理论产生发展及核心特点的基础上，从文献时间及地区、研究对象、研究内容及热点等方面进行梳理和评析，以发现目前研究存在的不足及未来发展趋势。

1 SCP理论：应对自然保护地体系空间效率问题的一种新思路

1.1 SCP理论的缘起与发展

SCP理论萌芽于20世纪80年代[6]。1983年，澳大利亚地理学家、保护生态学家杰米·柯克帕特里克（Jamie Kirkpatrick）在对塔斯马尼亚州中东海岸地区进行濒危和特有植物丰度评级时发现，高丰度区域通常有类似的保护物种，仅保护这些区域难以满足全面、充分的保护需求。针对此问题，柯克帕特里克提出了互补性（Complementarity)原则，并通过空间赋值、多轮筛选的方法来优化自然保护地体系（图1）[7]。由于全面的生物多样性评价过于复杂，1986年后采用生物多样性替代物（Surrogates）来作为生物多样性衡量的简化标准[8]。替代物通常是指筛选出的若干物种子集、物种组合和生境类型[4]。此后至2000年期间，关于决策支持的算法不断得以优化，并开发了C-plan等计算软件。

2000年，澳大利亚学者马居尔（Margules）等延续柯克帕特里克的思想，正式提出SCP是指以代表性和持久性为原则来确定与自然地理和生物模式相关的自然保护地位置，并考虑面积大小、连通性、边界等因素的自然保护地规划方法[4]。此后，SCP在理念和原则、应用框架和计算方法等多方面得到了全面拓展。在理念与原则方面，结合诸位代表学者对SCP的概念定义中可以看出（表1），主要呈现以下三方面变化趋势：第一，保护目标从单一到多元化，从物种多样性保护扩展到对生态过程、生态系统服务功能的保护；第二，基本原则从强调互补性、充分性、代表性、持久性等扩展到强调综合的最小成本最大效益；第三，保护成本从单一的土地规模成本扩展到人为干扰、社会可接受性等社会经济因素类成本。

表1 代表学者对SCP的定义Tab.1 definition of SCP by representative scholars

应用框架方面，马居尔最早提出了应用SCP的“六步法”[4]，之后逐渐发展形成了更为细致的“九步法”[13]、“十一步法”[14,15]、“十三步法”[16]等。总体上，SCP的基本思路是确定量化的保护目标，识别保护成本，以及基于现状自然保护地的保护成效评估来提出自然保护地体系优化方案。

在计算方法方面，SCP强调全过程量化分析。通过对每一项保护目标和成本的量化赋值，进行效率前缘的搜寻和迭代运算，得出满足保护目标的最低成本备选区集合[5]。其中，生物多样性替代物和成本指标的选择至关重要。目前，计算方法主要有基于C-Plan软件的不可替代性分析[17]，基于Maxran软件的模拟退火算法[18]，基于Zonation软件的核心区域移除法[19]，以及基于Sites软件的自然保护站点选择法等[20]。

1.2 SCP的核心特点及与其他方法的比较

除了SCP之外，自然保护地体系优化方法还有KBA识别、生态区划法、空缺分析法等[5]。KBA主要基于生物多样性保护对象分布的密集程度来划定保护优先区，生态区划法是指将自然生态系统划分成为生态区域或生态单元来为自然保护地网络建设提供科学依据[21]。空缺分析法主要通过在空间上快速分析保护物种或生境的分布及保护状态，并与现有自然保护地进行叠加识别空缺区域[22]。总体上均为从保护效益角度识别应保护的自然区域，指导保护行动，但存在忽视社会经济因素及保护成本、理想方案难以实施的问题。

相较而言，SCP为提高自然保护地体系的空间效率提供了一种新的规划决策思路，在协调保护与发展的空间冲突方面具有优势[5]。其核心特点在于：在目标层面，关注如何通过尽量少的土地资源实现全面、充分的物种多样性保护；在框架层面，综合考虑了保护效益和保护成本两方面因素，来构建目标区域内保护资源配置优先级；在方法层面，提供了一种搜寻能达到保护目标的最小成本规划单元集合的多轮筛选思路和计算方法。

2 基于SCP理论的山地区域自然保护地体系优化研究概述

目前SCP理论在陆地生态系统领域的应用主要集中在山地区域。主要原因在于：首先，山地区域通常物种多样性丰富且现有自然保护地分布数量相对较多，SCP能够在考虑现状分布情况的前提下搜寻最优方案；其次，山地区域自然保护体系的优化尤其需要考虑社会经济发展的需求，SCP综合了保护效益和保护成本因素。以下对该领域的88篇文献的时间及地区分布、研究对象地域及尺度进行基础性梳理。以下对该领域的88篇文献的时间及地区分布、研究对象地域及尺度进行基础性梳理。

2.1 文献时间及地区分布

根据对各年发表的文献数量的统计（图2），自2003年以来山地区域自然保护地体系优化领域SCP相关研究总体呈增长趋势，且近年来增长速度明显增加，但总体上研究数量仍然偏少。尤其在山地区域SCP的系统性应用研究方面，研究增长相对比较缓慢。根据文献主要作者的地域分布统计，山地区域SCP相关研究已经在25个国家开展（图3）。其中，美国的环保局、美国野生动物保护协会、加州大学，以及中国科学院等机构开展研究数量相对较多。

总体上，对于基于SCP的山地区域自然保护地体系优化研究仍处于探索性阶段，也反映出目前对于山地区域自然保护地体系空间效率提升的问题的关注仍然不足。

2.2 研究对象地域及尺度

已有研究区域主要位于生物多样性保护价值较高的大型山脉地区（表2）。其中，欧洲的阿尔卑斯山脉、亚洲的喜马拉雅山脉、南美洲的安第斯山脉、北美洲的落基山脉等大型、跨境山脉的自然保护地体系优化研究相对较多,但主要以局部区域的研究为主，全局、整体性的研究较少。目前仅有美国、加拿大联合在落基山脉、大黄石生态系统以及黄石公园至育空地区等开展了系统性的自然保护地体系优化研究。除了大型、跨境山脉，诸多国家也对其国内的主要山脉开展了研究，如澳大利亚的大蓝山山脉、阿根廷的圣达菲山脉等。值得关注的是在“千山之国”卢旺达，在国土尺度运用SCP理论开展了鸟类保护目标下的现有自然保护体系优化研究。目前在国内，长白山、秦岭地区受关注相对较多，但作为多山且拥有诸多大型山脉的国家，我国对于基于SCP的山地区域自然保护地空间效率提升和体系优化的研究仍然十分欠缺。

表2 既有研究中涉及的主要山脉及次数统计Tab.2 statistics of the main mountain ranges and the numbers involved in the existing studies

在尺度方面，基于SCP理论的自然保护地体系优化研究主要聚焦在具有高复杂性的区域尺度，更为宏观的全球和国土尺度、微观的自然保护地单元尺度的研究相对较少。据统计显示，研究区域范围以10—100万平方公里为主（占研究总数比48.2%），其次依次为1—10万平方公里（占比23.5%）、1 000—10 000 km2（占比15.3%）、100—1 000 km2（占比8.2%）、100—1 000万平方公里（占比4.7%）（图4）。其中，福尔克曼（Volkmann）等开展研究的区域面积最大，运用了SCP为美国的斑点猫头鹰这一特有物种确定其保护优先级[23]。林德（Lindh）等（2004）在加拿大惠斯勒地区的惠斯勒山和布莱克姆山的研究区域范围面积最小（126.3 km2）[24]，但他同时也发现由于小规模尺度的场地复杂性较低，且要求数据精度更高，因此应用SCP的必要性不强，且通常仅能提供初步的规划方案。

3 基于SCP理论的山地区域自然保护地体系优化研究热点问题

反映保护效益的生物多样性替代物的选择及权重设定、社会经济因素的考量及保护成本项的确定一直是该领域的热点问题。对如何在建设自然保护地体系时整合纳入生态系统服务目标，以及更好地应对气候变化等问题的关注度也与日俱增。此外，学者们也关注SCP理论在应用于山地区域时，规划技术和程序方面的优化和调整问题。

3.1 生物多样性替代物的选择及权重设定

生物多样性替代物的选择及各类替代物的权重赋值将直接影响自然保护地体系的充分性和代表性[25]。因此，明确生物多样性替代物选择的科学依据至关重要。已有研究普遍认可将旗舰物种、伞护种、濒危物种、特有物种作为优先考虑的生物多样性替代物，尤其是食肉动物和大型有蹄动物[26]。具体选择时目前主流的做法可分为3类。其一是考虑不同物种所属类群之间的互补性[27-28]，尤其应关注爬行动物[29]、种子植物[28]等容易被人忽视的物种。不少研究中的替代物选择以多种濒危和特有动植物的组合为主，且尽可能覆盖哺乳动物、鸟类、昆虫、两栖与爬行动物、裸子和被子植物等不同类群，数量十分庞大（表3）。其二是根据不同物种的生物地理模式来进行选择。如里瓦斯（Rivas）等提出爬行动物和两栖动物的生物地理模式相似，两者可相互替代[30]。米日依（Mizsei）等进一步提出在对生物地理模式相似的替代物进行筛选时，应优先选择数据充足的替代物[31]。其三是将环境梯度作为在山地区域进行替代物选择时的重要因素[32]。总体上，生物多样性替代物的选择依据越来越综合，考虑了保护价值、生物地理模式互补性、数据充分性等多方面因素。

表3 部分研究选择的生物多样性替代物一览表Tab.3 a list of biodiversity surrogates selected in some studies

对于生物多样性替代物的分类及权重赋值，目前有两种解决思路。第一种是完善评价技术体系，如沙玛（Sharma）等[26]提出了“保护优先指数”的概念，根据物种的经济价值、是否本地特有、濒危程度等因素综合计算。替代物保护优先指数值越高，其所在规划单元的赋值以及设定的保护目标也越高。第二种是引用适应性管理的概念，纳入利益相关者共同决策并不断学习反馈。例如在开普植物区的案例中，利益相关者共同参与确定了保护目标，并根据规划实施效果，每5年会进行一次回顾和调整[27]。世界野生动物保护基金会也强调根据需求进行不定期的更新和调整[28]。未来的研究与实践将应走向两种思路的结合。

3.2 社会经济因素的考量及保护成本项的确定

相较于其他分析方法，考虑社会经济因素并纳入保护成本分析是SCP理论的核心特点。不少研究提出了识别保护成本的重要性。奈杜等人系统整理归纳了社会经济方面的保护成本的类型[9]（表4）。其中，经济方面的成本包括土地成本、管理成本以及机会成本。土地成本主要是指土地价格、土地利用及其变化、人口密度等带来的保护成本。管理成本是指由于新增保护区域的规模、与现有自然保护地之间管理资源共享程度等决定的保护成本，包括面积成本和距离成本2类。由于山地区域地形复杂、交通不便，因此与已建自然保护地之间的距离成本较非山地区域更高。机会成本是指由于保护与经济价值之间存在冲突，在该区域受保护后可能损失的经济效益。在山地区域通常需考虑由于开展保护导致的畜牧业、木材砍伐、药品采集、矿产开采、农业等方面损失的经济价值。

表4 保护成本类型Tab.4 type of protection costs

在实际操作层面，一些学者开展了颇具探索性的研究。如拉梅尔等将社会成本纳入考量，采用公民投票反对率指标，对公众对生物多样性保护区域的反对程度进行衡量[42]。但多数研究对保护成本进行了简化。马琳等采用了人为干扰指数进行初步计算，并提出未来要进一步考虑更多的土地成本因子[38]。纳亚（Naia）等通过人类足迹这一综合性指标来计算土地成本[44]。还有学者认为由于土地成本会因各区域的环境和社会经济条件而不同，土地成本较难确定，采用了各县的人均GDP作为土地成本[45]。总体上，对于各项保护成本的量化途径及成本图绘制的探索性研究仍然不足。

3.3 生态系统服务功能保护目标的纳入与整合

山地区域具有多样且重要的生态系统服务功能，通常包括食物供应、水源供应、新鲜空气供应、木材供应等供应服务，气温调控、碳封存等调节服务，支持文化特性、森林休闲旅游、狩猎活动等文化服务。因而山地区域生态系统服务功能的维续及其与生物多样性保护目标的整合也逐渐受到关注。

在进行整合时，应选择受到高度威胁的生态系统服务功能，例如碳封存、预防雪崩和木材生产[46]。部分学者开始尝试将反映生态系统服务功能的指标纳入到生物多样性替代物中，如张路（Zhang）等认为水土保持能力等调节服务类生态系统服务功能普遍受到较大干扰，因此将其作为生物多样性替代物的补充[47]。拉梅尔等提出了一种基于多种情景的优先排序和决策分析方法[42]，将生态系统服务整合入阿尔卑斯山区域生物多样性空间保护优先事项中；并通过研究发现，在十种不同的情景下（选取从0%至100%中的10个梯度值作为生态系统服务目标项的比重），筛选出的自然保护区域结果差异较大。因此有必要考虑生物多样性和生态系统服务功能双重目标的兼容，但如何合理确定两者的权重占比仍有待深入研究。其他一些学者开展了基于SCP的生态系统服务保护空间优先级研究[48-49]。但这类研究尚未考虑与现有自然保护地分布以及生物多样性保护目标之间的关系。

综上，因地制宜地探究生物多样性保护与生态系统服务功能之间的关系，并确定合理的权重分配是未来研究的重点。

3.4 应对气候变化的自然保护地弹性保护网络建设

气候变化对于山地区域的生态系统和生物多样性有着显著影响。气候变化在山地区域主要表现为高于全球水平的温度上升、降水模式改变、积雪时间减少、冰川融化以及相对湿度和云量的变化[50]。此外，气候变化会导致物种分布、生态群落和生态系统发生改变，许多物种可能会随着海拔梯度而上移，导致栖息地面积减少和进一步破碎化[51]。因此十分有必要在山地区域建立气候适应型的弹性保护网络。目前，已有研究开始考虑将气候变化的影响纳入到基于SCP的山地区域自然保护地体系优化过程中，具体主要有两种方式。

第一种是在规划前期纳入气候变化因素进行物种分布模拟。如文森特等人将气候变化背景下的物种分布预测模型纳入阿尔卑斯山脉系统性保护规划的分析中，并使用了分布交互变量来表示物种扩散能力，强调建立动态的保护网络[27]。另有学者采用气候变化影响下受威胁物种的扩散方式来预测物种的分布[52]。

第二种是在规划后期，对已得出的自然保护地体系空间方案进行气候威胁程度的评估，确定自然保护地建设的优先级。尤其在保护计划和现有保护区面积差距过大时，优先级评估是十分必要的[37]。如瓦伊西（Vaissi）针对提出的伊朗西部和伊拉克东北部扎格罗斯山脉的保护规划方案，评估其在气候变化下栖息地的适宜性[53]。加夫鲁滕克（Gavrutenk）在针对马达加斯加啮齿动物物种进行保护规划时，进一步通过气候脆弱性评估进行自然保护地建设优先级优先级的确定[54]。

3.5 适应山地区域特点的自然保护地体系规划技术及程序

山地区域具有地貌单元相对独立、地形条件复杂、空间异质性强、生态敏感度较高、社会经济差异大等特点。在将SCP理论应用于山地区域的自然保护地体系进行优化时，学者们也对SCP应用的技术框架和程序进行了调整。

在支撑性的规划技术方面，部分研究对山地环境下的规划区域和规划单元划定的依据上进行了探讨。第一种思路是重点考虑地理环境，即基于地形、海拔、流域等地理环境因素，结合行政边界来划定规划[28]。该方法普适性强、应用最为广泛。第二种思路是以目标保护物种的潜在分布范围为依据，适用于以旗舰或濒危物种主要保护目标的山地区域[43，31]。第三种思路是采用物种生境和生态系统边界为依据，通常适用于主要保护目标为某一生境或生态系统的情况[44]。此外，由于山地区域地形复杂、空间异质性程度高，一些学者特别强调了规划区域边界的灵活性，在后续利益相关方商讨以及数据收集过程中可适当调整[14]。在规划单元划分方面，张路等提出在山地区域以微集水区作为细分的规划单元[47]，通过调整集水量来灵活反映该单元的水文及地貌特征。由于山地区域空间异质性程度高，山地区域规划单元划分通常较平原地区更为精细，面积大多小于100 hm2，在加拿大惠斯勒山和布莱克姆山案例甚至采用了1～25 hm2不等的细小的规划单元。

在规划程序方面，越来越重视系统性科学研究和利益相关者参与相结合。首先，由于SCP每个阶段所需的专业知识不同，专家团队的组成需要动态性改变，以开展全面、系统性的科研研究[36]。在利益相关者参与方面，由于山地区域通常交通不便，社会经济落后，社区资源依赖程度高，旅游业发展与生态保护之间的冲突十分明显。因此将自然资源依赖型社区以及旅游发展型利益相关者纳入保护规划是十分必要的[55]。在具体的参与方式方面，莫里森等提出有2种利益相关者参与方面，一种是让利益相关者绘制手绘图，以形成各种专业信息以及意愿的汇总；另一种是通过利益相关者与专家一起讨论制定目标的方式，总体上均要形成利于利益相关者理解的规划流程[35]。

4 讨论与展望

SCP理论综合了保护效益和保护成本两方面因素，是应对自然保护地体系空间效率问题的一种较好的思路。目前基于SCP理论的山地区域自然保护地体系优化研究总体呈现出以下发展趋势。从研究对象的地域和尺度来看，国内外在大型、跨境山脉地区开展的研究正陆续涌现，研究尺度以具有高生物多样性保护价值、高复杂性的区域尺度为主。从研究内容来看，第一，对于反映保护效益指标的生物多样性替代物的选择及其权重确定的研究已具有一定深度，并逐渐走向专家评估体系和不断反馈调整的适应性管理两种方式的结合。第二，对于社会经济因素及保护成本的重视逐渐增加，并已对土地成本、社会成本等的量化进行了初步探索。第三，生态系统服务功能目标融入下的保护资源配置问题也逐渐成为当下关注的热点，其中碳封存、预防雪崩、降温等调节功能受到关注最多。第四，越来越多的研究开始关注气候变化对山地区域的影响，并通过在规划前期的栖息分布模拟、规划后期进行气候脆弱性和保护区域建设优先级评估等方式来构建应对气候变化的自然保护地弹性保护网络。最后，SCP作为一般性理论在应用山地区域时也呈现出规划技术和程序方面的适应性调整。

然而，目前研究仍存在以下方面的不足和问题：第一，数据准确性的问题。在生物多样性保护的全面性和充分性的目标下，SCP应用时存在着数据获取较难，操作较为复杂且耗时较长。由于某些物种或生境的实际分布数据较难采集，尤其在高海拔地区监测站点普遍缺乏，目前研究主要采用地形、气候等相关环境变量来预测物种或生境的分布，可能会影响最终结果的准确性[56]。第二，研究对象方面，目前对大型、跨境山脉的整体性、系统性研究仍然不足，其他诸多山脉的研究也尚处于起步阶段。第三，对于保护成本的系统性识别、量化、成本图绘制的探索性研究尤为不足。第四，目前各地开展的研究显示生物多样性保护和生态系统服务功能之间可能存在冲突，需要进行双重目标下的权衡，但如何权衡仍有待进一步研究。

随着2021年《2020年后全球生物多样性框架》“30×30”计划（到2030年全球30%的陆地和海洋地区实现有效保护）的提出，山地区域自然保护地体系的空间效率问题及其优化将持续具有全球重要意义。目前我国正处自然保护体系整合优化的关键期。由于我国山脉众多，广义的山区（包括高原、丘陵）约占全国总面积的2/3以上，未来针对山地区域自然保护地体系的空间效率这一问题，基于SCP理论的自然保护地体系优化研究具有良好的应用前景。在实际应用中，应建立保护生物学、生态学、社会学、土地管理学、风景园林学、城乡规划学等多学科的专家团队，鼓励利益相关者的参与，并结合我国各地自然地理条件和社会经济的特点，共同确定具体的保护目标、保护对象和保护成本，因地制宜地开展山地区域的自然保护地空间效率评估和优化提升的研究与实践。

感谢华中农业大学钟乐副教授对本文提出的指导和修正。

注释：

① 引自联合国生物多样性公约执行秘书伊丽莎白（Elizabeth）在2020年国际山岳节上发表的题为《山地生物多样性（Mountain biodiversity）》的报告。