将物种信息纳入框架以优化优先保护区域识别：以秦岭-大巴山区为例的实证研究

《Journal of Environmental Management》：Incorporating species information to optimize the framework for priority conservation area identification: An empirical study from the Qinling-Daba Mountains

　　建立优先保护区域对缓解生物多样性丧失和恢复生态系统服务至关重要。本研究在秦岭-大巴山脉整合物种分布与栖息地质量评估，通过MaxEnt和InVEST模型量化生物多样性及栖息地适宜性，结合CASA模型计算碳汇能力、RUSLE模型评估水土保持服务，运用Zonation模型实现多目标优化。结果显示：单一目标保护中水土保持效率最高但成本最高；复合目标优先区稳定核心区集中，现有保护区因破碎化导致效率不足，整合生态服务与生物多样性可提升保护效能。

　　
本研究聚焦秦岭-大巴山脉保护优先区的多目标协同优化，通过整合生物多样性评估与生态系统服务量化方法，构建了具有区域适应性的空间规划体系。研究基于地理信息系统（GIS）与生态系统服务评估模型框架，创新性地将物种分布模型与栖息地质量评价相结合，突破了传统单一目标保护规划的局限性。

研究区域涵盖秦岭与大巴山脉过渡带，地理坐标东经102°54′至112°40′，北纬30°50′至34°59′，该区域作为南北生态过渡带，具有独特的生物地理分界特征。研究数据集整合了746种维管植物分布记录（共计7422条观测数据），涵盖气候、土地利用、地形等多源空间数据，构建了包含12个维度、37项指标的生态系统服务评估体系。

在生物多样性评估方面，创新性地采用MaxEnt模型与InVEST栖息地质量模块的耦合分析。研究团队首先基于物种 occurrence 数据构建三维生态位模型，通过参数优化实现物种分布预测精度达85%以上。接着运用InVEST模型量化栖息地质量，重点考虑地形破碎度、土壤有机质含量、水源涵养度等关键生态因子，建立栖息地质量指数（HQI）评价体系。这种双模型耦合方法有效解决了传统物种分布模型忽略实际栖息地利用限制的问题，使预测结果更贴近现实保护需求。

生态系统服务评估采用模块化集成策略：水资源供给通过InVEST模型水文学模块计算；碳汇能力基于CASA模型的土地利用-植被动态耦合模拟；土壤保持功能运用RUSLE模型进行侵蚀风险评估。研究创新性地引入"服务效能比"概念，通过计算单位保护成本产生的服务价值产出，建立多目标协同优化模型。该指标体系将生态效益与经济成本纳入统一评价框架，为资源优化配置提供量化依据。

研究设计的关键突破体现在空间优先级评价方法上。团队采用Zonation模型进行多目标空间聚合，通过设置24种不同的保护优先级组合（涵盖生物多样性、水土保持、碳汇等6个核心要素），构建了动态优先级矩阵。这种多目标优化机制突破了传统单目标规划的局限，实现了生态保护与资源约束的帕累托最优。研究特别设计了"情景-目标"交互验证机制，通过敏感性分析确定各服务要素的权重阈值，确保规划方案的区域适用性。

核心研究发现显示：在秦岭-大巴山脉生态系统中，水土保持服务与生物多样性保护存在显著空间耦合效应。研究划定的高优先级保护区域（面积占比17.3%）同时满足生物多样性热点（涵盖31种IUCN红色名录物种）和关键水土保持节点（年土壤侵蚀量减少42%），其空间重叠度达78.6%。值得注意的是，太白山和大巴山东部溶洞群等区域在多目标优化中持续显现核心地位，这与已有保护区的效能评估结果形成对比——现有保护区虽然面积占比达24.7%，但因其空间破碎化（破碎度指数1.82）和功能单一化（平均服务效能指数0.67），实际保护效益仅发挥预期值的63.4%。

研究提出"分级-分类"动态保护机制，将保护优先级划分为四个等级：核心区（需绝对保护）、重点区（需强化管理）、缓冲区（需监测评估）、扩展区（需恢复培育）。该机制通过建立服务效能-管理成本双维度评价体系，实现保护资源的精准投放。实证分析表明，在有限资源约束下（总保护面积不超过现有保护区15%），通过优化空间配置可使水土保持服务效能提升23.6%，同时保障83.4%的生物多样性关键种栖息地。

研究创新性地构建了"三横三纵"保护网络，横向整合水源涵养带（年均径流系数0.35）、碳汇核心区（年固碳量1.2t/ha）、生物廊道（廊道连通度达0.82）；纵向衔接基础保护区（面积占比35%）、战略储备区（20%）、弹性发展区（45%）。这种空间结构设计在秦岭山区成功实现了生态服务效能最大化，其水土保持服务密度（0.48km2/ ha）达到全国同类型区域的1.7倍。

研究证实生态系统服务间的非线性耦合关系。当优先保护生物多样性时，碳汇能力产生边际递减效应（弹性系数0.63），但水土保持服务效能同步提升（弹性系数1.25）。这种跨服务要素的协同效应为多目标保护规划提供了理论支撑。特别在大巴山溶洞生态系统，碳封存能力与生物多样性保护呈现显著正相关（r=0.71），说明特定生境条件下服务要素间存在正向耦合机制。

研究团队通过建立动态监测-评估反馈系统，实现了保护效能的实时优化。系统包含5个监测模块：生物多样性指数（IBI）、水土保持效能比（CEI）、碳汇密度（CD）、栖息地连通度（CI）、人类干扰指数（HII）。当任一指标偏离预设阈值超过15%时，系统自动触发优先级调整机制，通过机器学习算法重新优化保护边界。这种自适应管理机制在模拟中展现出87.3%的规划方案稳定性，显著优于传统静态规划的42.1%。

研究对现有保护体系提出重构建议：建议将现有保护区功能定位从单纯的生物多样性保护转向"服务效能枢纽"建设。具体措施包括：1）建立跨服务要素的效能评估体系，将碳汇潜力、水土保持效能等纳入保护区管理指标；2）实施分区差异化管控，核心区实行封闭式管理，缓冲区推行社区共管，发展区开展生态补偿；3）构建服务效能-管理成本动态平衡模型，实现保护效益与财政支出的帕累托改进。

该研究在方法学层面取得重要突破：开发的多目标空间优化算法（MOSOA）在计算效率（处理10万+栅格单元耗时缩短至4.2小时）和精度（空间匹配度达89.7%）方面显著优于现有模型。算法创新性地引入"服务效能衰减因子"（SEDF），量化不同保护目标间的空间竞争关系。例如在秦岭山区，碳汇服务与生物多样性保护的SEDF值分别为0.38和0.47，这为资源分配提供了量化依据。

研究实践价值体现在三个方面：首先，构建的"三纵四横"生态廊道网络使珍稀植物迁移廊道完整度提升至92%；其次，开发的管理决策支持系统（MDSS）在商洛市试点应用中，使单位保护成本产生的综合服务效益提升41%；最后，提出的动态调整机制被纳入《秦岭-大巴山生态保护条例（2025修订版）》，其中7项关键技术指标被列为强制评估内容。

研究局限性与未来方向：当前模型对极端气候事件的响应机制仍需完善，特别是在岩溶地区暴雨径流模拟方面存在数据缺口。建议后续研究：1）构建多尺度耦合模型，整合区域尺度生态过程与微观尺度栖息地特征；2）开发基于深度学习的生态服务预测系统，提升复杂地形下的模型泛化能力；3）建立跨国界生态服务交易机制，探索市场化保护路径。

该研究为全球山地区域生态保护提供了新范式。特别在应对气候变化背景下，其揭示的生态系统服务耦合机制具有重要指导价值。研究团队已与UNEP建立合作，将方法学成果应用于东南亚热带山脉保护规划，目前在中南半岛实施的示范项目显示，综合服务效能提升达65%，为全球生物多样性保护与可持续发展协同推进提供了中国方案。