自然保护区生态安全设计的理论与方法

导读:自然保护区是指为了自然保护的目的,把包含保护对象的一定面积的陆地和水体划分出来,进行特殊的保护和管理的区域(中国自然保护纲要》编写委员会,自然保护区的建设是生物多样性就地保护的主要措施,在维持生态平衡、保持水土、涵养水源、调节气候、改善人们的生活环境、促进国民经济发,自然保护区是保护生物多样性的基地,亦是就地保护生物多样性的最有效手段,中国70%的陆地生态系统、80%的野生动物和60%的高等植

自然保护区生态安全设计的理论与方法

第一章 绪 论

自然保护区是指为了自然保护的目的,把包含保护对象的一定面积的陆地和水体划分出来,进行特殊的保护和管理的区域(中国自然保护纲要》编写委员会,1987)。自然保护区的建设是生物多样性就地保护的主要措施,在维持生态平衡、保持水土、涵养水源、调节气候、改善人们的生活环境、促进国民经济发展等方面发挥着重要的作用。自然保护区是保护生物多样性的基地,亦是就地保护生物多样性的最有效手段。目前,中国70%的陆地生态系统、80%的野生动物和60%的高等植物,特别是国家重点保护的珍稀濒危动植物绝大多数都在自然保护区里得到较好的保护。完整的生态系统、丰富的物种和生物群落及其赖以生存的环境,为开展生物多样性监测与编目、生态过程研究、生态系统管理、珍稀濒危物种保护、遗传资源保存等方面的科学研究提供了得天独厚的基地和天然实验室。必须指出,建立自然保护区的目的,并不是单纯的消极保护,而是为了在实现有效保护的前提下,发挥自然保护区的资源优势和科技优势,合理开发利用自然资源,促进自然保护区与社区的协调发展。 1.1 国内外自然保护区建设研究

1872年,美国建立世界上第一个国家公园——黄石公园。从此,自然保护区事业受到许多国家和国际组织的重视。到20年纪20年代,世界各大洲都相继建立了国家公园。本世纪中叶以来,由于人类掠夺式地开发自然资源,出现丁严重的环境问题。1972年,联合国教科文组织(UNESCO)启动了人与生物圈(MAB)计划。到1997年底,已经在87个国家建立了352个生物圈保护区(李文华,1998)。

中国系统地建立自然保护区是从20世纪50年代开始的。1956年建立第一个自然保护区——广东鼎湖山自然保护区。以后,在云南西双版纳、内蒙古大兴安岭、吉林长白山、广西花坪、四川王朗等地建立了一批自然保护区。20世纪80年代,中国的自然保护区飞速发展。到109年底,中国已建立不同级别、各种类型的自然保护区1146个,总面积8815.2万阶(其中陆地面积8450.9万阶,海域面积364.3万附),占陆地国土面积的8.8%(国家环保总局,2000)。

国际上主要在分类标准、监测、战略和政策等方面研究自然保护区的建设问题。国际自然保护联盟(IUCN)于1978年提出了保护区分类标准,1994年修改了这一标准,分为严格自然保护区/荒野地、国家公园、自然纪念地、生境/物种管理区、保护性陆地/海洋景观区、资源经营管理保护区(Phillips,1998)。INCN的分类标准正在被世界上越来越多的国家采用。

保护区监测趋向于网络化和国际化,成立了一些区域性或专门针对某一生物类群的监测网络。例如,1996成立了“东亚一澳大利亚涉禽保护区网络”,中国、日本、俄罗斯、韩国、澳大利亚、新西兰等9国的21个保护区组成,该网络每年都要进行一些监测和信息交流活动。1997年成立了由东北亚18个保护区组成的“东北亚鹤类保护区网络”。

生态评价已应用于不同的层次,从整个保护区系统到单个保护区。生态评价一般涉及三个方面:(1)生物评价,如植被和鸟类评价;(2)非生物脆弱性评价,如土壤评价;(3)生态敏感度评价,它是由生物和非生物的多准则加权来评价的。生态敏感度指标结出了保护区内生物和非生物因素的主要变化趋势,可以改进监测样地的抽样设计,指导保护区的管理。

为了保护生物多样性和生物资源,大部分国家都制定了自然保护区的政策,如保护区投资政策、信贷政策、保护政策和资源利用政策。加拿大国家公园局制定了系统的国家公园规划政策、资源保护政策和经费使用政策,并且每一国家公园都有一个由议会批准的法律。世界资源研究所、INCN和联合国环境规划署(UNEP)于1992年共同制定了《全球生物多样性策略》,提出了全球自然保护区发展的优生重点以及行动计划(WRI/IUCN/UNEP,1993)o

针对人类活动和气候变化引起的生境退化和破碎化,国际上自然保护区建设开始把注意力转向自然保护区系统规划(保护区网络设计相功能分区)上,试图在保护区系统的设计阶段就注意生物多样性保护的有效性和代表性。

1.1.2国内自然保护区建设研究

中国的自然保护区建设主要侧重于自然保护区分类标准、规划、有效管理和政策研究。我国于1993年发布了(自然保护区类型与级别划分原则》(GB/T 14529-93),将自然保护区划分为自然生态系统、野生生物和自然遗迹3个类别及9个类型。我国也发布了一系列保护区的发展规划,如《中国自然保护纲要》、《中国生物多样性保护行动计划》和《中国自然保护区发展规划纲要(1996一2010年)》,也制定了有关条例,如《自然保护区条例》、《风景名胜区管理暂行条例》和《森林和野生动物类型自然保护区管理办法》。为了改变保护

区与当地社区日益尖锐的矛盾,保护区的管理已经从封闭式走向开放式,注重社区发展,强调社区参与或社区共管。

我国自然保护区事业起步较晚,已取得了很大成绩,但对保护区系统规划重视不够,造成保护区分布不平衡、发展重数量、内部功能分区不合理等问题。针对这种情况,我国开展了保护区栖息地评价,以重新划分功能区,如卧龙自然保护区(欧阳志云等,1995)、盐城自然保护区(Li等,1997;Ma等,1998,1999)、西双版纳勐养自然保护区(李芝喜等,1996)和陕西洋县自然保护区(李欣海等,1999)。我国还提出了自然保护区生态评价指标和评价标准(郑允文等,1994)。 1.2 国内外自然保护区设计研究

自然保护区建设是生物多样性就地保护的主要措施,而自然保护区设计是自然保护区建设与管理的关键性基础工作。如果一个保护区系统的设计出现问题,就很难维护一个生态系统的完整性,难于维持生态过程,以保护珍稀濒危物种赖以生存的栖息环境。

自然保护区设汁的主要问题,是自然保护区系统包括核心区、缓冲区、保护区网络和廊道的合理布置,以有效地影响生态过程,保护生态系统的完整性和代表性,实现生物多样性保护的目的。这些问题对自然保护区的建设具有战略意义,在国际上引起广泛重视。

1.2.1 国外自然保护区设计理论

(1)岛屿生物地理学假说

岛屿有许多显著特点,如地理隔离,生物类群简单。这些特点为重复性研究和统计分析奠定了基础,从而有利于许多深入而细致的生物学研究。因此,岛屿为发展和检验自然选择、物种形成及演化,以及生物地理学和生态学诸领域的理论和假说,提供了重要的自然实验室。MacArthur和Wilson(1963,1967)认为,岛屿生物种类的丰富程度完全取决于两个过程,即新物种的迁入和原来占据岛屿物种的灭绝。当迁入率和灭绝率相等时,岛屿物种数达到动态的平衡状态,即物种的数目相对稳定,但物种的组成却不断变化和更新,这是岛屿生物地理学理论的核心,所以岛屿生物地理学理论也称为“平衡理论”。达到平衡状态的物种数主要取决于岛屿的大小和岛屿离种源的距离,物种数随岛屿面积的增加而增加,这是所谓的“面积效应”;岛屿离陆地和其它岛屿越远,其上的物种数目就越少,这称为“距离效应”。

岛屿生物地理学(MacArthur-Wilson学说)的研究对象是海洋岛和陆桥岛。然而其理论被广泛地应用到岛屿状生境的研究中。岛屿生物地理学认为,岛屿化是生物地理学的普遍现象,岛屿生物地理学理论也适用于陆地“生境岛”。自20世纪70年代以来,这方面的研究已颇为广泛。岛屿生物地理学一时成为自然保护区设计的主要理论基础。此学说认为:

①保护区面积越大,物种灭绝率越小,生境多样性越大,物种丰富度亦越大; ②隔离程度越高,物种迁入率越小,物种丰富度越低;

③面积大而隔离度又低的自然保护区具有较高的平衡物种丰富度功能;

④面积小或隔离程度低的生境岛具有较高的物种周转率(邬建国,1989,19如)。 因此,自然保护区设计应遵循下列原则: ①保护区面积愈大愈好;

②一个大保护区比具有相同总面积的几个小保护区为好;

③对某些特殊生境和生物类群,最好设计几个保护区,且相互距离愈近愈好; ④自然保护区间最好用通道相连,以增加物种迁入率; ⑤为避免边缘效应,保护区以圆形为佳。

这些原则已被国际自然保护联盟纳入《世界自然保护策略》。 然而,对于麦克阿瑟一威尔逊理论在自然保护区中的应用争议很大,其中“保护区以圆形为佳”这一准则存在许多不同的观点(韩兴国,1994)。保护区的形状并非总是圆形最佳,保护区的形状对真正的岛屿可能不重要。Blouin等(1985)检验了33个海洋岛屿上物种丰富度与岛屿形状的数据,在考虑了岛屿面积效应后,岛屿形状并不能说明岛屿上物种丰富度的差异。因此,如果控制海洋岛屿物种丰富度的机制与陆地生境岛屿的相同,那么形状不是保护区设计的主要因素。保护区彼此越接近越好这一准则是与保护区圆形的准则不一致的(Game,1980)。保护区间的通道可以增加种的迁入率,并可通过种群互补效应减少局部绝灭率,但传播疾病和扩散干扰源的弊端也不容忽视。

大保护区建立常会受到社会、经济以及管理方面因素的限制,因此以上设计准则中(2)成为争论的焦点,也称为“SLLOSS之争” 即一个大保护区好还是几个小保护区。几个小保护区中物种的重叠程度是决定物种丰富度的一个关键因素。

许多研究和分析表明,几个分散的小保护区通常比一个具有相同总面积的大保护区有更多的物种丰富度。因为每个小保护区含有不同的地方性物种、不同的小生境。

岛屿生物地理学理论实际上还没有得到实证,仅仅是一种假说,因此应用于保护区设计是危险的。但该理论对异质环境中种群动态模型(如反应—扩散模型)的发展有着明显的促进作用,对于景观生态学的发展有一定的贡献。

(2)异质种群理论、种群生存力分析与自然保护区的设计

在MacArthur和Wilson探索岛屿生物地理学的同时,Levins(1970)提出了异质种群的思想。由于生态破坏和环境污染,形成了在空间上具有一定距离的生境斑块。同时由于栖息地的破碎化而使得一个较大的生物种群被分割成许多小的局域种群。异质种群指的是在空间上具有一定距离,但彼此间通过扩散个体相互联系在一起的许多小种群或局域种群的集合。这些小局域种群呈斑块状分布,很不稳定,经常面临灭绝。因此,异质种群在时间、空间和功能上均是一个生态单元。异质种群理论着重研究局域种群灭绝、再定居规律及异质种群的生存力,这是近年来保护生物学研究重点的一个重要转移。岛屿生物学从群落水平上研究物种数的变化规律,而异质种群理论则从种群水平上研究局域种群消失灭绝规律。

异质种群理论在保护区设置原则上与岛屿生物地理学理论所倡导的观点有很大不同。它认为建立若干个小保护区,要比建立具有相同总面积的—个大保护区好。由于人类的干扰,栖息地破碎化已成事实,在世界各地,建立一个大的完整的保护区已很困难,异质种群理论在保护区设计上更具有现实意义。将分散的栖息地碎片用廊道连接起来,是异质种群理论在自然保护区设计上所着重强调的,它巧妙地解决了相关性灭绝和扩散问题之间的矛盾,既保护了局域种群之间的独立性,又能实现局域种群之间的再定居。

种群生存力分析(Population viability analysis,简称PVA)是研究物种以一定概率存活一定时间的过程。PVA得出的主要结论是最小可存活种群(MVP),它是维护保护对象长期安全的重要标志。根据最小可存活种群可确定保护区面积的大小,岛屿生物地理学理论只能给出保护区越大越好的原则,并不能得出具体的保护区面积。在本世纪初建立的保护区,只排除了人为活动对物种的影响,并末考虑随机因素对物种灭绝的作用,而PVA就是研究随机因子对物种的影响,分别计算一定面积或一定大小的种群在一定时间内的存活概率,因此它是自然保护区设计的重要依据。PVA已在世界上得到广泛应用(表1—1)。PVA是一种新的、正在发展的、涉及到复杂问题,而且其经验、实验和理论知识还不完备的技术。尽管MVP实际应用存在较多困难,但它对于确定保护区有效面积是一个有用的概念。

(3)景观生态学、生物多样性保护与自然保护区的设计

景观生态学是一门新兴的正在深入开拓和迅速发展的学科,与传统生态学相比,景观生态学明确强调空间异质性、等级结构和尺度在研究生态格局和过程中的重要性以及人类活动对生态系统的影响,尤其突出空间结构和生态过程在多个尺度上的相互作用。就生物多样性保护而言,景观生态学注重景观多样性与生物个体行为、功能、群落动态及生态系统在不同时空尺度上的作用。

按照景观生态学的观点,一个自然保护区即是一个由生态系统组成的景观。在该景观上存在着狭长的廊道,如山岭、河流;非线性的斑块,如森林、湖泊、草地;以及基质,如地带性植被等景观组分。这些景观要素本身在大小、形状、数目、类型和外貌上的变化,直接影响自然保护区景观的结构。上述自然保护区景观的差异导致了景观功能的差异。因此,按照网络结构和景观功能的原理,在设计保护区时,应使景观组分间的连接度尽可能大,以防止种群的隔离,增加种群内变异和遗传多样性。景观生态学认为,自然保护区的最佳形状应为一个大的核心区域加上弯曲的边界和狭窄的裂开形延伸,其延伸方向与周围生态流的方向一致。其中,紧凑或圆形斑块有利于保护内部资源;弯曲的边界有利于多栖息地的物种生存和动物逃避被捕食;狭窄的裂开形延伸有利于斑块内物种灭绝后的再定居,或物种向其它斑块的扩散过程;斑块的长轴方向是几种生态的关键,如林地班块的延伸方向与迁移鸟类有关。

表1-1 种群生存力分析在世界各地的应用 物种 大灰熊(Ursus arctos horribilis) 啄木鸟(Picoides borealis) 佛罗里达豹(Felis concolor coryi) 波多黎各鹦鹉(Anazona vittata) 苏门犀牛(Dicerorhimnus sumutrensis) 地理范围 北美西北部 美国东南部 美国佛罗里达南部 美国波多黎各 东南亚 主要威胁因素 生境丧失 由伐木引起的生境丧失 修路、近亲繁殖、生境缺乏 出生率低、飓风 木材砍伐 爪哇犀牛(Rhimoceras sondaicus) 袋狸(Perameles gunnii) 猎头鹰(strix occidentalis caurina) 蛱蝶(Euphydryas editha bayensis) 礁鹿(Odocoileus virgiruianus clavium) 黑足鼬(Mustela nigripes) 大角羊(Ovis canademsis) 弗比氏先蒿(Pedicularis furbishae) 沙龟(Gopherus polyphemus) 负鼠(Gymnobelideus leadbeateri) 鹦鹉(Neophema chrysogaster) 袋鼠(Potorous longipes) 印度尼西亚的爪哇和越南 澳大利亚维多利亚州 美国西北部 美国加利福尼亚 美国佛罗里达 偷猎、疾病、近亲繁殖 修路 生境丧失 生境丧失 修路、飓风、生境丧失 美国中部 美国西部 美国东北部、加拿大东南部 美国东南部 澳大利亚维多利亚州中部 澳大利亚的维多利亚和塔斯马尼亚 澳大利亚维多利亚州东北部 澳大利亚维多利亚州中部 缺乏事物 生境丧失、竞争牧草 生境丧失、流域的土地利用矛盾 生境丧失 伐木、生境丧失 生境丧失、沿海开发 刀耕火种、伐木和生境破碎化 生境丧失、竞争 吸蜜鸟(Lichemostomus melanopscassidix) 矮负鼠(Burramys parvus) 澳大利亚维多利亚州中部、新南威尔士北部 修建滑雪场 鳕鱼(Gadus morhua) 白脸猴(Cercocebus galeritus galeritus) 大西洋 非洲肯尼亚 过度利用 生境丧失、农业开发

生物多样性保护分为两种途径:以物种为中心的途径和以生态系统为中心的途径(俞孔坚等,1998)。前

者强调濒危物种本身的保护,而后者则强调景观系统和自然栖息地的整体保护,力图通过保护景观的多样性来实现生物多样性的保护。随着生物多样性保护战略由目标物种途径转向区域景观途径,景观规划在生物多样性保护中的意义日益得到重视(李晓文等,1999)。Wilson(1992)认为,作为一个发展中的专业,景观设计将在生物多样性保护中起决定性作用、在环境日益人工化情况下,仍然可以通过林地、绿化、水系、水库和人工池塘及湖泊的巧妙布置来使生物多样性保持很高程度,总体规划不但考虑经济效益和美学价值,同时考虑生物种类的保护。

景观规划从景观要素保护出发提出了一些有利于生物多样性保护的空间战略,为自然保护区的设计提供了有效的指导。多种空间战略被认为有利于生物多样性的保护,包括保护核心栖息地,建立缓冲区,构筑廊道,增加景观异质性和引入或恢复栖息地。国内外学者相继提出了一些关于生物多样性保护景观规划的途径和方法,如“集中与分散相结合”及“必要的格局”的原则。俞孔坚(1999)提出景观生态安全格局。这一方法对于确定保护区设计的生态安全水平具有重要指导意义。

综上所述,自然保护区设计还没有形成自己的理论体系和方法,无论是岛屿生物地理学、异质种群理论、种群生存力分析,还是景观生态学,单独应用于自然保护区的设计都是有局限性的。因此,吸取异质种群理论、种群生存力分析和景观生态学理论的精华,建立自然保护区设计的理论与方法体系,是今后发展的重要方向。

1.2.2 国外自然保护区设计实践

UNESCO的人与生物圈(MAB)计划,经过近30年的发展,已经在世界上建立了涵盖不同生态系统类型的生物圈保护区网络。通过这一网络,地球上所有具有代表性的、重要的陆地、沿海或海域的生物地理区域都将受到保护。它的建立是为了解决我们当今世界所面临的最重要的问题之一,即如何才能使生物多样性和生物资源的保护同它们的可持续利用很好地结合起来。MAB从全球角度提出了保护区网络的重要性,拟定了《生物圈保护区行动计划》(UNESCO,1984)。但是该指南政治性太强,涉及的技术问题并不多,也没有提出网络设计的科学方法,无法用于景观层次特别是国家范围内的保护区网络设计。一个网络是—个具有节点和联接通道的、具有内部相似特性的相互联接或联系的系统。因此,生物因保护区网络在成员间必须有相同性。把一些单个地区随意组成一个网络是有问题的,如用于保护山地景观的生物圈保护区不能与一个用于保护沿海湿地的生物圈保护区组成一个网络。

在管理模式上,生物圈保护区内部划分为:严格保护的核心区、可以进行与保护目的相一致的活动的缓

冲区和开展可持续资源利用的过渡区:但如何划分核心区、缓冲区和过渡区,MAB没有提出一套定量化的方法。

加拿大于197l完成国家公园系统规划。该规划根据加拿大地质、自然地理和植被特点,分成39个自然区域,从区域的宏观角度确定国家公园系统的空间布局,强调保护自然生态系统的代表性,应在每一个自然区域建立国家公园,目前,已在24个自然区域中建立了38个国家公园,面积达22.23km2,占加拿大国土面积的2.25%。加拿大国家公园局正在完善国家公园系统以及国家公园与其它类型保护区之间的联系。

美国国家公园的设计很少考虑保护区的大小和形状,而机遇、管理费用、土地利用、经济和政治等因素对美国国家公园建立的影响较大,国家公园的边界很难与保护生态过程所必需的景观要素相一致。美国国家公园和其它保护区没有对生物多样性提供有效的保护。

世界自然基金会(WWF)已经确定200个对保护全球生物多样性具有重要意义的生态区域。生态区域是进行全球生物多样性保护分析、规划和实施的单元。它的最终目标是在生态区域内建立基因、物种、群落和生态过程之间的联系,并加以保护。“全球生态区域200”为区域层次建立保护区和保护区系统提供了一个思路。

综上所述,虽然世界上已建立了大量保护区,并在就地保护方面取得了显著的成效。但大部分国家仅凭经验、政治需要和主观认识建立保护区;自然保护区的设计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。因此,保护区系统在保护生态系统的完整性、代表性和维持生态过程方面存在较多问题。针对保护区设计中存在的问题,国外在保护区设计的理论与方法方面进行了大量探索。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;由于《濒危物种法》的需要,美国开始评估现有保护区保护珍稀濒危物种的有效性,改善保护区缓冲区和廊道的设计 1.2.3 国内自然保护区设计现状

长期以来,我国自然保护区的设计缺乏理论基础。1987年国务院环委会发布的《中国自然保护纲要》,提出了选择自然保护区的条件、自然保护区评价标准、自然保护区网络建立的步骤以及自然保护区的结构(《中国自然保护纲要》编辑委员会,1987)。1994年由国务院发布的《自然保护区条例》,规定在代表性的自然生态系统区域,珍稀濒危动植物的天然集中分布区,具有持殊保护价值的海域、海岸、岛屿、湿地、内陆水域、森林、草原和荒漠,有特殊意义的地质建造、地质剖面和化石产地建立自然保护区,并提出自然保护区功能分区的原则。但所提出的原则针对性、可操作性不强,难于应用于实际工作。我国一些学者借鉴国外保护区早期设计思想,提出了保护区选划的依据和标准,但由于国外早期设计思想本身存在的问题,已不适用当今保护区设计的要求。

由于没有从区域生态系统高度出发选划保护区,只注重保护区数量的快速增加,目前我国的自然保护区存在分布不平衡、内部功能分区不合理等问题。由于缺少国家层次的保护区网络设计规划,在一些地区形成了国家级自然保护区群,如陕西秦岭中部的太白山、长青、周至金丝猴、佛坪5个国家级自然保护区紧挨在一起,内蒙古和吉林交界处的科尔沁、莫莫格、向海等相距很近,且主要保护对象基本相同,这种情况不利于国家级自然保护区的合理布局和有序发展。

一些地区资源开发与保护的矛盾日益加剧,为了使开发保护区的资源合理化,随意变更保护区的边界和功能分区。如云南怒江自然保护区,当地为了脱贫,把保护区近10万阶森林划出采伐;有的把保护区核心区肆意变更为实验区,开展所谓的生态旅游活动。

对此,国内开展了一些保护区栖息地评价,对保护区功能分区进行重新评估,也提出了保护区功能分区的一些方法。但总体上,还没有对保护区网络有足够的认识,没有从区域生态系统高度研究保护区系统的合理布局;保护区功能分区缺乏科学、实用的方法;保护区往往成为孤立的岛屿,保护区间缺少物种迁移和基因交换的通道;如何使保护区系统有效地保护生态系统的完整性、代表性和生态过程还是空白。

1.3本研究的目的和意义 1.3.1履行国际公约的需要

我国政府于1992年6月11日在联合国环发大会上签署了《生物多样性公约》,并于1993年1月5日批准了该公约,成为世界亡率先批准《生物多样性公约》的少数几个国家之一。《生物多样性公约》第8条(a)款规定,“建立保护区系统或需要采取特殊措施以保护生物多样性地区”;(b)款规定:“于必要时,制定难则据以选定、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。”

我国政府对国际公约的履行采取积极认真的态度;履行国际公约需要有科学技术的支持。《生物多样性公

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