将阈值效应纳入国家公园保护规划:生物多样性保护与生态系统服务之间的协同作用与权衡

《Journal of Environmental Management》:Integrating threshold effects into national park conservation planning: Synergies and trade-offs between biodiversity conservation and ecosystem services

【字体: 时间:2026年03月20日 来源:Journal of Environmental Management 8.4

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  本研究基于物种分布建模(MaxEnt)、系统保护规划(Marxan)和生态系统服务评估,优化了Ailao-Wuliang Mountain国家公园的空间保护布局,揭示生态系统服务与物种栖息地间的非线性阈值关系,划分一级功能区(核心保护区1041.48km2,占比57.97%)和二级功能区,为多目标协同管理提供科学依据。

  
葛梦晓|刘俊泽|陈燕|齐军
中国昆明市西南林业大学景观建筑与园艺学院,650224

摘要

合理且基于科学的边界划分和功能分区是实现国家公园多目标管理和差异化控制的关键方法。然而,现有的规划方法往往忽视了各种生态功能之间的非线性关系和相互作用,限制了它们支持精细管理的能力。为了响应国家公园在维持生态系统功能和保护生物多样性方面的核心目标,本研究开发了一个综合框架,结合了物种分布建模、系统保护规划和生态系统服务评估,以优化哀牢山和五梁山国家公园(AWNP)的空间保护布局。使用MaxEnt算法对四种关键物种的栖息地适宜性进行了建模,显示出较高的预测准确性(AUC>0.97)。通过Marxan方法确定了408个优先保护单元,揭示了302.10平方公里的保护缺口。优化后的公园面积为1796.51平方公里,显著提高了保护覆盖率和空间效率。包括水产量、碳储存、栖息地质量、沉积物输送比和休闲潜力在内的生态系统服务表现出强烈的空间异质性,总生态系统服务(TES)形成了“中间高、两端低”的分布模式。受限立方样条(RCS)模型揭示了TES与物种栖息地适宜性之间的非线性关系和关键阈值。基于这些发现,划分了一级功能区,包括核心保护区(1041.48平方公里,占57.97%)和一般控制区(755.03平方公里,占42.03%)。此外,K-means++聚类将公园进一步划分为四个二级功能区:生态脆弱区、生态恢复区、生态控制区和休闲潜力区。这种分层功能分区方法实现了精细管理和多目标协调。本研究提出的分区方法为将生物多样性保护与生态系统服务提供整合提供了坚实的科学基础,为国家公园规划和山区生态系统的适应性管理提供了一个可复制的框架。

引言

人类活动正在导致全球生物多样性的下降,许多物种濒临灭绝。这对生态系统和人类社会都产生了重大影响(Tollefson, 2019)。这一紧迫问题不仅威胁到野生动物的生存和繁殖,也对全球社会和经济发展构成了重大风险(Smith et al., 2023)。生物多样性的丧失破坏了生态平衡,导致生态系统更加不稳定,加剧了物种濒危和灭绝的循环(Andermann et al., 2020)。同时,由人类活动引起的生态系统退化不仅削弱了生态系统对外部干扰的抵抗力,还导致关键生态系统服务的丧失——如水资源保护、碳储存和土壤保持——从而进一步威胁到人类福祉和可持续发展(Díaz et al., 2018; Cardinale et al., 2012)。因此,在应对全球生物多样性危机的同时,关注生态系统服务的变化和维持同样重要。在此背景下,《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》(CBD, 2022)设定了到2030年的“30×30”目标和四个长期愿景,强调生物多样性保护、生态系统服务、气候缓解和人类福祉之间的协同作用(Mendez Angarita et al., 2025)。该框架呼吁各国通过科学规划和基于自然的解决方案来增强生态系统的完整性、韧性和可持续利用。因此,探索生物多样性和生态系统服务之间的协同作用和权衡,并将这些考虑因素纳入国家公园等关键区域的空间规划中,对于实现《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》的目标和支持中国及全球的生物多样性治理实践具有重要的科学和政策意义(Leclère et al., 2020)。
作为保护区框架中的最高层级,国家公园在维护物种多样性和提供关键生态系统服务方面发挥着核心作用(Rule et al., 2022)。它们为野生动物提供了安全的栖息地,有助于全球生态系统的恢复,并增强了其稳定性和韧性(Jiang et al., 2022; He et al., 2018)。此外,国家公园通过生态旅游和环境教育促进了社区经济的振兴和社会发展(O'Meara, 2021; Liang et al., 2024; Guo et al., 2024)。因此,采取有效的管理和保护措施对于减少人类对野生动物和生态系统的影响、长期保护生物多样性以及促进人类与自然的和谐共存至关重要(Tang et al., 2024)。边界划分和功能分区是国家公园建设、管理和保护的基本组成部分。它们在平衡保护和利用目标的同时,提高了整体管理效率(Ouyang et al., 2024)。近年来,国内外学者广泛应用了MaxEnt、InVEST、Marxan和Fragstats等生态模型来优化国家公园的边界和功能区(Kuo and Qu, 2025; Ye and Zhang, 2023)。这些模型基于多功能评估方法,从生物多样性保护、生态系统服务、景观结构、物种保护、环境教育、休闲和社区发展等多个角度促进空间优化(Jiang et al., 2024; Ma et al., 2022)。国际最佳实践强调,分区策略应嵌入长期制度框架中,纳入利益相关者参与和适应性治理,以确保有效结果(Gallon Kalifi et al., 2021)。此外,最近的系统评价强调了需要超越单纯扩大保护区的做法,提倡严格评估其在缓解生物多样性威胁方面的有效性(Pulido-Chadid et al., 2023)。然而,许多现有研究仍然严重依赖空间叠加和多种功能的加性评估(Wang et al., 2021),对功能要素之间的耦合机制和非线性相互作用关注不足。这往往导致对生态复杂性的简化表示。随着保护优先事项向基于结果的管理转变,迫切需要更加精细和综合的空间分区策略(Bax and Francesconi, 2019)。
在这种背景下,阈值效应理论为国家公园的功能分区研究提供了新的视角。阈值效应是指生态系统在外部干扰下发生突然变化的临界点(Peng et al., 2017)。识别关键生态阈值有助于在动态环境条件下确定保护和恢复的优先区域(Liu et al., 2022; Agol et al., 2021)。尽管阈值效应在城市生态学中得到了广泛研究(Martin, 2017),涵盖了各种方面,如权衡(Jessica et al., 2022)、驱动机制、时空比较(Doan et al., 2025; Hu et al., 2024)和尺度效应(Cui et al., 2019; Liu et al., 2017),但在国家公园管理和保护方面的应用仍不充分。一些近期研究开始将这一理论应用于生态空间分区。例如,洪歌等人识别了生态系统服务和气候韧性之间的非线性权衡关系和关键阈值,划分了生态恢复区以支持气候适应性管理(Hong et al., 2024)。李德龙等人使用受限立方样条(RCS)模型阐明了自然和人为因素对生态系统服务的影响,并确定了在该战略重要城市聚集区内划分生态保护和恢复优先区域的关键阈值(Li et al., 2022)。在另一个案例中,白娟等人提出了秦巴山脉的分区策略,基于生态系统服务与潜在气候和地形驱动因素之间的非线性相互作用,为适应性国家公园管理提供了新的见解(Bai et al., 2025)。这些研究表明,将阈值效应理论纳入功能分区研究有助于识别生态保护和恢复的关键转折点。此外,它为差异化的分区管理提供了科学依据,从而提高了国家公园生态系统的适应能力和管理效率(Guan et al., 2025)。
尽管国家公园的边界划分和功能分区方法变得越来越多样化,但粗略分区的现象仍然普遍存在。大多数研究仍然只关注一级功能区,未能充分考虑空间异质性、人类活动和生态系统服务之间的复杂关系(Fu et al., 2019; Ma et al., 2022)。例如,在大熊猫国家公园、海南热带雨林国家公园和云南亚洲象国家公园,社区生产和居住区之间的边界仍然不明确。这种模糊性导致了对野生动物的频繁干扰,并对社区参与共同管理构成了重大挑战。相比之下,三江源国家公园根据其主要控制区建立了二级功能区——如轮牧区和建设用地控制区。这些更具体的空间管理目标和有针对性的措施在生态保护和恢复方面取得了显著成功。因此,探索更加精细和基于科学的方法来划分二级功能区对于改善生态保护结果和国家公园的治理能力具有相当大的实际价值。
基于上述背景,本研究聚焦于哀牢山和五梁山国家公园(AWNP),旨在整合生物多样性保护和生态系统服务提供,建立一种新的国家公园保护规划方法。从区域角度来看,哀牢-五梁山脉不仅保存了广阔的亚热带常绿阔叶林,栖息着稀有、濒危和特有物种,还在提供关键生态系统服务(如水资源保护、土壤保持和碳封存)方面发挥着重要作用。然而,在土地利用变化和气候干扰的共同压力下,这两个生态系统和物种群落面临着跨越关键阈值并达到不可逆临界点的风险。因此,在国家公园边界划分和功能分区过程中,应同时评估生物多样性和生态系统服务,并将阈值效应纳入保护规划中,以实现多目标、适应性和有韧性的空间管理。

研究区域

所提出的哀牢山和五梁山国家公园(AWNP)位于三个重要自然地理区域的交汇处:云南-贵州高原、横断山脉和青藏高原。它既是中央云南高原与南部横断山脉系统的边界,也是西部云南的纵向山谷区域,同时也是元江和墨江河流的分水岭,凸显了其重要的生态地位

关键物种适宜栖息地的预测结果

使用MaxEnt 3.4.4模型对每个物种进行了10次Jackknife测试,并计算了平均值以评估模型的稳健性。接收者操作特征(ROC)曲线下的面积(AUC)是评估模型预测准确性的关键指标。根据AUC值,预测准确性分为三个等级:优秀(0.9 ≤ AUC < 1.0)、良好(0.8 ≤ AUC < 0.9)和较差(0.7 ≤ AUC < 0.8)。AUC值

影响国家公园边界划分的因素

国家公园边界的划分需要考虑目标物种的保护需求、栖息地连通性、生态功能、物理和地质特征以及社会经济因素(Min, 2021; Reside et al., 2018)。在此过程中,应优先考虑优先物种的适宜栖息地、迁徙走廊和繁殖环境,以维持生态连通性和遗传多样性(Du et al., 2023; Newmark et al., 2023; Peng et al., 2020)。

结论

本研究提出了一个综合框架,结合了物种分布建模、系统保护规划和生态系统服务评估,以优化AWNP的空间保护模式。结果表明,总生态系统服务和物种栖息地适宜性之间存在显著的非线性关系和阈值,强调了协调生态管理的必要性。划分的核心保护区覆盖了一级功能区的57.97%

CRediT作者贡献声明

葛梦晓:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 原稿,验证,软件,方法论,调查,数据管理,概念化。刘俊泽:撰写 – 原稿,可视化,验证,软件,方法论,调查,数据管理。陈燕:撰写 – 审稿与编辑,可视化,验证,调查,形式分析,概念化。齐军:撰写 – 原稿,监督,资源,项目管理,方法论,资金获取

资助

本研究由中国国家自然科学基金(项目编号42571295)和中国国家自然科学基金(项目编号32460419)资助。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系:报告了与之相关的关系;如果有其他作者,他们声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
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