研究

评估和限制美国纽约Marcellus页岩开采累积生态退化的地理模型

• 摘要
• 简介
• 方法
  • GIS模型
  • 排除过程
  • 保护脆弱性模型的选择标准
  • 策略选项的选择标准
  • 分析工具
• 结果
  • 排除过程
  • 选拔程序
• 讨论
  • 我们方法的一般性质
• 结论和潜在应用
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

土地使用的变化往往超过了追踪对土地覆盖的影响和随后的生态影响的能力。于是，生态学家只剩下了损害评估的任务，而对土地使用规划的贡献很少或根本没有。因此，失去了保护和保存重要生态系统服务和生物多样性的机会(例如，Miller等，2009年，Nelson等，2009年)。与此同时，在处理土地使用的快速变化时，社会政治制度也有其不足之处，这在一个常见的环境困境中很明显:监管成本和收益缺乏平衡(Kraft 2004)。在后一种情况下，较早进入开发阶段的企业获得直接利益，而较晚进入的企业则要承受大量的监管负担。政治家和政策制定者对这种不平衡非常敏感，不愿意限制后来者的机会(Olson 1996)，特别是在地方政府层面，许多私人土地使用的决策都是由地方政府做出的(Briffault 1990)。生态系统退化累积的部分原因是没有预先设定的限制，这将需要基于生态的先进规划，以及可以被视为公平的政策(路德维希等人，1993年)。

随着使用水力压裂技术的石油和气井的大量出现，北美的景观发生了新一轮突然而广泛的变化，这使得以前无法开采的化石燃料成为可能。在美国，许多州处于不同的开发阶段，它们的乡村景观被工业活动所破坏，通常没有全面规划。有针对性的立法已使大部分此类活动免于联邦监管(USEPA 2011年);因此，规划和管理这些设施的政策就留给了州和地方政府。开发这些能源的经济动力与评估环境影响的能力之间的差距越来越大(Considine et al. 2009, Entrekin et al. 2011)。社会文化影响，包括法律纠纷，也需要评估(Jacquet和Stedman 2009);从媒体报道来看，许多地方政府似乎没有做好准备，不知所措(例如，2011年Tavernise, 2011年Urbinaa, b, c)．

在宾夕法尼亚州，Marcellus页岩气的钻探许可数量从2009年的768份增加到2010年的1366份，几乎翻了一番，2011年的许可数量还将进一步翻一番(宾夕法尼亚环境保护部门，Marcellus页岩，http://www.portal.state.pa.us/portal/server.pt/community/marcellus_shale/20296)．据估计，到2030年，累计将有60,000口新井到位，环境科学家一直在努力获得概述，并进入全州规划，目标是限制未来对宾夕法尼亚州重要自然栖息地的退化(Johnson 2010)。在其北部，纽约州的Marcellus页岩地层中有大量未开发的天然气储量，覆盖了超过一半的县(Coleman 2011)。在纽约环境保护部(NYSDEC 2011)的全面审查之前，新钻探的暂停已经实施了两年。

到目前为止，政治上对页岩开采对环境影响的关注大多集中在保护含水层上，这是由于明显需要对纽约市饮用水的地表流域的工业进行监管(NYSDEC 2011)，以及水力压裂对整个Marcellus地层地下水供应的潜在影响存在很大的不确定性(Soeder和Kappel 2009)。新的报告表明，在纽约和宾夕法尼亚的钻井作业中，地下水含水层受到直接污染(Osborn et al. 2011)，饮用水质量似乎仍将是未来研究的重点。然而，更广泛的环境后果可能也需要解决，如其他形式的污染(例如，Cole 2010, Entrekin et al. 2011)和地质不稳定(Fountain 2012)。

深层页岩气开采的规模相对较小，与散布在美国大陆的许多小型、低产量的油井相比有些相似。钻井场地及其地下延伸区域的占地面积分别为公顷和平方公里(USEPA 2011;宾夕法尼亚环境保护部门，马塞勒斯·页岩，http://www.portal.state.pa.us/portal/server.pt/community/marcellus_shale/20296)，因此一般适合个人拥有的单一农村房产。利用使用权协议往往是与单个家庭签订的，而资源本身是广泛分配的。借鉴Leach等人(1999)的自然资源共享框架，广泛分布养老(天然气)成为一种能源权利对于那些可以直接访问的人，由能力由资本化承包商介绍。相比之下，广泛分布的生态资源，即所有公民的禀赋和权利的退化是平等分担的，但预防或修复退化的共同能力有限。在当地社区内，天然气开采的一些生态影响可能看起来微不足道，但出于对全体公众的公平考虑，需要对累积的负担进行评估。

对单个油井选址的管辖权是一个灰色地带。纽约州环境保护法第23-0303条第2条规定，环境保护部“应取代所有与石油、天然气和溶液采矿业监管有关的地方法律和条例;但不得取代地方政府对地方道路的管辖权和房地产税法赋予地方政府的权利。”在《政策宣言》(23-2703)第23条《石油、天然气和溶液开采法》第27篇第1节中，规定地方政府有权制定和执行相关的分区条例，但州政府负责“保护和加强野生动物和水生资源”。地方政府权力和土地所有者权利的不确定性刺激了土地所有者联盟的形成(Jacquet和Stedman 2009)。然而，环境影响将在整个州共享，一个透明和公平的方法对Marcellus页岩的开发可以帮助平衡累积成本和个人收益。

我们的目标是建立一个全州范围内的模型，以评估纽约各地Marcellus页岩开采的累积生态影响，并在公平分担成本和收益的框架内将结果作为政策选项显示出来。在此，我们描述了一种评估累积生态退化的方法，并测试一个合理、有序的选址系统是否能在公平和平衡分配资源准入的框架下减少生态影响。我们依赖于公开的信息，但我们的研究可能是独特的前瞻性视角和方法。

方法

GIS模型

我们的方法的核心元素是一个地理信息系统(GIS)模型，包括生态和政治特征。研究区域由纽约州内的Marcellus页岩地层边界定义，数据来自美国地质调查局(Coleman 2011)，包括纽约62个县中的33个和932个镇(副县政府)中的478个。自然特征和政治边界的分布都是不均匀的，没有密切的联系，因此拟合一个模型来估计各自的气井足迹需要一个网格系统可以容纳两者。

Spence和White(1992)为美国环境保护署的环境监测和评估计划(EPA-EMAP)绘制了美国周边地区的六角形景观镶嵌图。六边形阵列是各向同性的，提供了均匀的空间覆盖，不太可能与人为特征(如司法管辖区边界或道路)一致。可以相对容易地生成大小尺度的嵌套六边形网格。原始基础网格中每个六边形的大小约为635平方公里。其他作者随后使用了不同大小的嵌套六边形(例如，Schindler等人2008,Gould和Solórzano 2009, Nelson等人2009)。我们从2.57平方公里的六边形覆盖网格开始，嵌套在EMAP系统中，作为分析单元，原因如下所述。

2008年修订的纽约州环境保护法第23条第5篇规定了井场密度和井距的法定要求。垂直井的最小允许间距为每40英亩(17公顷)1口。然而，在水平钻井中，当多口井安装在同一个钻井平台上时，需要640英亩(259公顷)的空间来避免与相邻作业重叠(纽约州环境保护部门下载的井数据，http://www.dec.ny.gov/energy/1603.html)．在该间距单元内可能会钻更多的填充井，但预计井密度将小于16口井。这与宾夕法尼亚州的研究结果一致(宾夕法尼亚州环境保护部门，马塞勒斯页岩，http://www.portal.state.pa.us/portal/server.pt/community/marcellus_shale/20296)，其间距单位由105至251公顷不等。我们从最大的估计钻井面积(2.59平方公里)开始，使用EMAP算法构建网格。为了保持六边形嵌套在EMAP基础网格中，最接近的可行尺寸是2.57 km²。

研究区域共有19,318个六边形，分两个阶段进行评估。首先，包含被认为特别容易受到天然气开发影响的自然特征的六边形，或那些位于由于实际原因不太可能进行钻探的地区的六边形，被排除在进一步的分析之外。其次，评估了其余六边形的共享属性，这些属性表明天然气资源开发可能导致生态退化。通过全面的、公开的、全州范围的数据集确定了三个合适的参数。利用这些数据集，我们模拟了森林覆盖的损失和破碎、河流的污染以及对具有保护意义的野生动物的干扰。

排除过程

具有以下任何一个特征的六边形被排除在进一步的分析之外，因为它们对能源开发过于敏感:> 50%的地图淡水湿地覆盖，> 50%的湖泊和主要河流覆盖，> 50%的保护区覆盖，> 50%的斜坡地形> 15%，≥1公里的优质河流覆盖，或0%的地图道路覆盖。我们使用开放获取的空间数据集，并包括来自宾夕法尼亚州的数据，以应用跨越两州边界的六边形的一致评估。以下是对六个排除标准的解释。

淡水湿地

矢量特征来源于《环境保护法》第24-0301条中描述的纽约州淡水湿地地图(纽约州环境保护部的地图位于康奈尔大学地理空间信息库，http://cugir.mannlib.cornell.edu/datatheme.jsp?id=111)或来自宾夕法尼亚州的国家湿地名录(NWI) (USFWS 2009)。纽约Marcellus页岩地区的NWI覆盖不完整，因此无法在该州使用。在纽约，湿地≥5公顷是受监管的，我们将其作为所有湿地特征的一般纳入规则，包括那些与宾夕法尼亚州重叠的湿地。在研究区域内，约有1525平方公里的湿地符合这些条件。自然湿地是美国东北部退化最严重的土地形态之一(Gibbs 2000)，而且对与天然气开采相关的物理干扰和化学污染也可能非常敏感。

区域水文学

收集了诸如湖泊、池塘、水库和主要河流等水文特征的矢量文件(PSIE 2008，纽约州GIS信息交换所库存数据集，http://gis.ny.gov/gisdata/inventories/details.cfm?dsid=49&nysgis=)．之所以设置50%的覆盖率阈值，是因为在这一水平上，大多数像素位于或邻近地表水体。

保护区

美国保护区数据库(USGS 2009)包括公共土地所有权的地理边界和自愿提供的私人保护土地的边界。我们使用这些数据集来确定页岩气钻探与典型的保护生物、地质、文化、风景和休闲资源的资源管理目标存在冲突的区域。我们不能排除一些公共或私人管理实体可能选择允许页岩气开采的可能性。然而，我们的目标是探索乡镇政府层面的场景，因此我们认为这一排除规则更加合理，因为对保护区的监督通常超出了乡镇的权限。此外，在不受保护的土地上进行开发给地方政府带来的潜在经济利益(例如费用和特许权使用费)可能不会从大多数保护区的开发中获得。

坡角

我们使用了10 × 10 m的复合数字高程模型(DEM)来识别不适合进行气井选址的陡坡区域。单个7.5分钟DEM贴图(USGS 2000;纽约州环境保护部的数字高程模型，可从康奈尔大学地理空间信息库获得，http://cugir.mannlib.cornell.edu/datatheme.jsp?id=23)转换为栅格格式并合并。使用ArcGIS空间分析工具对生成的马赛克进行处理，计算坡度百分比。通过将数字高程模型与2000年以来钻井的现有气井进行比较，对斜坡进行了分类(纽约州环境保护部门可下载的井数据，http://www.dec.ny.gov/energy/1603.html)．超过95%的纽约现有气井位于坡度< 15%的场地。我们认为，表面覆盖率为> 50%、坡度≥15%的六边形通常不适合钻井作业。

水质分类

纽约州的所有地表水都有水质分类，以说明其最佳用途。如果处理得当，A、AA、A- s和AA- s类被认为是适宜的饮用水来源，是地表淡水的最高分类(纽约州地理信息系统信息交换所库存数据集，http://gis.ny.gov/gisdata/inventories/details.cfm?dsid=49&nysgis=)．在宾夕法尼亚州，相应的数据集被称为指定用途(PSIE 2008);最高品质的鱼类被指定为超值(EV)或高品质冷水鱼类(HQ-CWF)。研究区域内的纽约和宾夕法尼亚数据集被合并。选择质量最高的流并与六边形相交，并在每个六边形内将其总长度制成表格。排除了总长度≥1公里的六边形优质流。在这个密度下，大多数进入或穿过一个六边形的路径都有很大的概率遇到高质量的水流;因此，无论井位如何，都可能发生可测量的降解。

道路密度

在纽约州和宾夕法尼亚州，公共和私人道路和街道的数字矢量文件由州交通部维护(纽约州网络安全办公室，NYS街道，http://gis.ny.gov/gisdata/inventories/details.cfm?dsid=932&nysgis=PADOT 2011a、b)．我们从研究区域内的这些数据集中选择所有道路，合并特征，并与六边形相交。每个六边形内所有道路的总长度被制成表格。没有数字地图道路的六边形被认为是无路的，这是我们排除的阈值。

保护脆弱性模型的选择标准

其余六边形根据三个与生物保护直接或间接相关的生态参数进行评估:核心森林面积、河流密度和草地鸟类丰度，计算所有非排除的六边形。

核心的森林覆盖

通过计算海岸变化分析项目2006年代土地覆盖数据集森林破碎化层中属于核心森林类别的每个六边形的像素总数来估算核心森林http://www.csc.noaa.gov/digitalcoast/data/forestfrag/index.html)．森林碎片化层是一个栅格数据集(30 × 30 m像素)，由海岸服务中心对土地覆盖数据集进行的重新分类派生而来。落叶林、混交林、常绿林和湖沼林分类编码为森林，其余分类编码为非森林。然后使用康涅狄格大学的景观碎片化工具2.0版本对重新分类的数据集进行处理http://clear.uconn.edu/tools/lft/lft2/index.htm)．分析的最终结果是一个五类层:背景、斑块林、穿孔林、边缘林和核心林。在碎片工具分析中，边缘宽度为30 m。因此，核心森林包括距离最近的非森林像素30米的>森林像素。

流密度

使用上面分析的相同的合并流数据集计算流密度，以确定最高质量流的长度，在这种情况下，不限制质量。对每个六边形计算所有类别的流的总长度，并将其归一化为六边形的面积(km/km²)。在所使用的数据集中，流顺序不能直接获得，因此我们在此基础上不做区分。

草原鸟类丰富

为了绘制草原鸟类的丰度，我们使用了北美繁殖鸟类调查(BBS)，路径水平数据总结1966-2003，版本2004.1 (Patuxent野生动物研究中心2004)。该BBS是唯一一个在纽约的整个地理范围内持续应用的野生动物调查。调查是在筑巢季节的高峰期进行的，主要是在六月。每条线路长45公里，沿途每0.9公里有50个站点。在每一站进行3分钟的点数计数，在此期间，观察者记录在该站0.45公里内听到或看到的所有鸟类。数据在每一站都被记录下来，然后在整个50站的路线上进行合计。该调查产生了一个筑巢对相对丰度的指数，而不是一个完整的人口普查。在每个六边形内计算了纽约州受保护的草地物种的平均丰度(表1)。每个物种的丰度是通过在研究区域内100 × 100米网格点上的附近调查路线计数的反距离加权平均值来估计的。对丰度网格进行求和，并计算每个六边形的平均值。

整体保护脆弱性排名

我们使用了核心森林覆盖、河流密度和草地鸟类数量的表格值的分布，以对非排除的六边形进行脆弱性排序。这三个参数使用不同的度量，遵循不同的分布模式(图1)，因此不能相加处理。因此，使用百分位数独立确定每个参数的等级。然后将这三个独立的等级相加，以确定每个非排除的六边形的唯一总体等级，我们在接下来描述的选择方法中将其作为一个潜在的井位。

策略选项的选择标准

在资源共享的政治中，通过使用透明、公正和基于可衡量标准的分配方法，可以加强对公平的看法。我们的脆弱性排名涉及公共共享资源，但对特定天然气资源的访问许可取决于政治决策。使用脆弱性排序的六边形，我们测试了一种有组织的、基于规则的方法是否会比目前Marcellus页岩开采中使用的相对随意的授权访问方法有所改进。可用的地点按顺序选择，每次迭代允许每个城镇选择一个，并根据核心森林损失的脆弱性、河流长度和草原鸟类繁殖对对六边形进行排名。在这个过程中，非排除六边形以两种方式排序:按脆弱性顺序排列每个城镇，随机排列每个城镇;后者是为了模仿相对随意的选址决策过程，这似乎是目前的常态。将这两种选择方法的结果与仅按全州脆弱性顺序绘制的站点进行比较，而不考虑位置，这是建模的最保守方法。

乡镇的选择

如果页岩气开采的经济效益是公开分享的，那么受益者很可能是纽约州的城镇或同等级别的政府。在这种假设下，我们的第一个分布规则是，Marcellus页岩带内的所有城镇从天然气开采中受益的概率应与其潜在可达性成比例，定义为每个城镇的非排除六边形的数量。频率分布有点倾斜，少数城镇占了一个478个地方政府管辖区中有11个被归类为城市(纽约州网络安全办公室、纽约州民事边界、http://gis.ny.gov/gisdata/inventories/details.cfm?dsid=927&nysgis=)．它们的数量最少，总的来说，只包含一小部分可用的站点(图2)。因此，我们不做进一步的区分，而是用镇(以下，镇是指小于县级的地方政府单位，包括城市和镇)来分组。

我们设计了一种选择算法，在累积过程的每一步为每个城镇选择一个地点，计算估算损失的核心森林数量、退化的河流密度和草地鸟类繁殖对。在每次迭代中，从每个城镇剩余的非排除的六边形中，为478个城镇添加一个六边形。在随机分配法下，我们使用了10个不同试验的平均数。在有序分配方法下，我们从每个城镇受影响最小的站点(脆弱性等级最低的六边形)开始，以每个城镇受影响最大的站点结束。为了便于显示和解释，我们以所选井位的十分位数为单位绘制了结果，评估了所有潜在井位中每增加10%的累积影响。

选择方法的比较

在10个间隔中，每个间隔的估计结果被定义为(1)全州核心森林受干扰总面积的百分比，(2)全州河流总长度受干扰的百分比，以及(3)草地鸟类繁殖对损失的百分比(解释为栖息地受干扰总数的百分比，所有物种集合)。将两种城镇选择方法和全州范围(最保守)方法的结果值制成表格进行比较。这样，在三种资源分配模型下估算了生态累积成本。此外，在城镇层面的有序选择结果被映射到50%的阈值(保护非排除六边形中最脆弱的一半)，以查看结果的地理模式。

分析工具

所有的地图开发和输出都使用ArcGIS v9.3.1软件(ESRI, Redlands, CA, USA)完成。漏洞排名和算法使用MS Access Version 14(微软公司，Redmond, WA, USA)编制。使用SYSTAT 12 (SYSTAT Software, Chicago, IL, USA)制作的统计图。

结果

排除过程

基于6个敏感性属性(表2)，总共有5268个六边形被排除在考虑范围之外，约占研究总面积的27%。剩下14,050个六边形供进一步分析。被排除的六边形分布在整个研究区域，但有两个较大的集中分布在卡茨基尔山脉和西南部周围的阿勒格尼州立公园(图3)。另外一组102个六边形主要落在宾夕法尼亚州，因此从考虑中删除，为我们的政策模型留下13948个六边形。

选拔程序

使用按城镇排序的选择，在50%保护值(CV)阈值(保护6972个更脆弱的六边形)的映射结果会产生两种一般的地理模式(图3)。首先，被认为不那么脆弱的6976个六边形(CV值较低的50%)在研究区域内分布良好，因此所有县都包含不排除的不那么脆弱的六边形类别。第二，它们在县间的相对分布是不均匀的，部分原因是一些县的排斥六边形比例更多，部分原因是更脆弱的CV六边形分布不均匀。

对于所有这三个生态标准，纯粹根据全州范围内的脆弱性等级选择潜在井位，比在城镇一级随机选择导致更低的累积退化水平。然而，在每种情况下，相对差异是不同的。例如，如果所有潜在井位的一半采用随机选择的方式进行开发，模型估计核心森林退化将额外增加6%，河流退化将额外增加17%，草原鸟类栖息地退化将额外增加7.5%(图4)。从政治角度来看，在镇一级进行有序选择更有趣，其目的是在公平和平衡的过程中分配资源。密切跟踪全州范围内核心森林和溪流的有序选择结果(图4a,b)。然而，就草原鸟类而言，无论选址是随机的还是根据脆弱性排序的，城镇层面的结果都是相似的(图4c)。

讨论

随着Marcellus页岩气开采的暂停期即将结束，纽约州政府面临着如何应对不同选区相互竞争的需求的多个层面的政策决定。我们的研究涉及三个层面:第一，开采的环境成本是否得到充分解决;二是经济利益是否公平分享;第三，能否利用这些好处来减少或减轻成本。我们的三类生态成本并不是完全全面的，也不是最好的选择;它们只是基于与问题的地理范围相匹配的现有信息。

我们关注的是生态标准，但底层地图层可以与其他空间排列的数据集一起使用，例如潜在的土壤和水污染区域。它们还可以修改，以纳入页岩气生产潜力的新估计，作为考虑经济潜力变化的一种手段。然而，使用我们的方法无法预测具体的本地影响，因为我们的方法并非为个别选址而设计的工具;然而，与随意的规划模式相比，它有两个优点。首先，我们能够展示根据分配策略而不同的潜在累积影响;其次，可以监测这些影响或相关参数，以支持适应性生态系统管理(Vogt et al. 1997)。另一个优点是采用的六边形网格掩盖了潜在的敏感细节，如所有权或管辖权边界，这可能会引起超出模型范围或意图的政治关注。

在排除一个六边形子集不合适的时候，我们做了几个可能需要重新考虑的假设。例如，我们的受保护土地类别包括公共财产和私人保护区，在这些地方最终可能会进行钻探，要么是自愿的，要么是默认的，例如地表采矿权是单独持有的情况。然而，我们没有包括受保护地役权或类似文书保护的私人土地，所以受保护的类别可能适用于更大的六边形集合。我们只排除100%无路六边形的规则可能会被挑战为不充分的，因为一个不那么严格的规则可能会排除更多的六边形;例如，将阈值放宽到0.25 km/km²将使被排除的六边形的数量几乎翻倍，从619个增加到1097个。然而，在这种情况下，数据集可能遗漏了一些未铺设的道路，并且放松我们的任何排除标准也会导致冗余增加(表2)。

用于确定脆弱性排名的标准仅限于以相对最新和全面的格式提供的三个独立参数。核心森林是一个成熟的概念，基于几十年来对栖息地碎片化影响的研究(Harrison和Bruna 1999, Fischer和Lindenmayer 2007, Collinge 2009)，保持森林连续性是许多土地利用变化生态评估的核心(例如，Heilman等人2002,Hawbaker等人2006,Jantz和Goetz 2008, Robles等人2008)。在宾夕法尼亚州进行的一项类似研究得出的更惊人的结果之一是，由于不受监管的马塞勒斯页岩(Marcellus Shale)开采，预计在不久的将来核心森林将大量消失(Johnson 2010)。我们没有区分森林覆盖类型，但是，与排除标准一样，我们的目标是描述广泛的景观模式，而不是详细的、特定于生态系统的后果。

第二个参数是河流密度，它反映了自然景观模式，在某些情况下，也反映了人工过程。在这三个参数中，它可能是最不适合直接生态学解释的，但我们认为它是一个有用的度量。从最简单的意义上说，更多的河流代表着更复杂的景观，这是栖息地多样性的代表。因此，更多的河流意味着更多可能需要保护的水生和陆生物种。它也是将自然系统与人类系统联系最为紧密的变量。尽管农村居民更有可能从地下水源取水，但小型河流系统对农业做出了重要贡献，并支持了被开发为食物和娱乐的野生动物。较高的河流密度也为工业污染在流域内部和流域之间的运输提供了更大的机会。

草原鸟类是第三个参数，是纽约州大部分农村地区生物保护的主要重点(Norment 2002, Morgan和Burger 2008)，尽管它们更多地与中部草原州有关(Herkert 1994, Veech 2006)。它们在纽约剩下的大部分栖息地都与私人农业用地有关(Morgan和Burger 2008年)，这些土地也更有可能成为新的页岩气开采项目(NYSDEC 2011年)。在这种情况下，应用全州范围内的关注物种清单提供了代表资源管理的新信息，尽管只适用于一小部分野生物种。有关于受保护的内陆森林鸟类的可比数据，但它们的加入不太可能给模型带来实质性的改进。首先，考虑到它们与核心森林栖息地的紧密联系，很多信息都是多余的;其次，大多数更敏感的森林内部物种都在研究区域以外的纬度(Schlesinger et al. 2011)或高于页岩地层的海拔。

许多可能与生态影响相关的措施没有被包括在内，主要是因为它们没有始终如一地映射为全州范围的数据集。但是，可以在决策过程的局部级别引入其他参数。例如，稀有和濒危物种的记录是用地理空间坐标保存的(纽约自然遗产计划，http://www.dec.ny.gov/animals/65148.html)，供个别环境许可证及分区计划检讨时使用。此外，尽管我们选择放弃栖息地模型，而选择地面记录，全州范围内的栖息地模型可用于草原鸟类或其他敏感物种。

我们方法的一般性质

Marcellus页岩的开采是新资源开采形式在科学严密审查之前迅速扩散的一个例子(见Schindler 2010)。我们的应用重点是州政府层面，原因有二。首先，在共享资源的背景下，地方治理在支持可持续利用方面的记录好坏参半，特别是在解决资源开发带来的生态退化问题时(Olson 1996, Leach等人1999,Brown和Purcell 2005, Miller等人2009,Ostrom 2009)。其次，在马塞勒斯页岩资源的案例中，宾夕法尼亚州的教训表明，镇政府的监管权力可能有限。此外，根据公共信托原则(Public Trust Doctrine)，州政府有更好的法律责任保护公共共享资源(Johnson and Galloway 1996, Bruskotter et al. 2011)。然而，似乎没有内在的原因可以解释为什么我们的方法不能在国家级别治理之外使用。

我们的模型的一些一般性质可能使它适合于评估其他具有非对称成本和收益的自然资源政策。首先，所有使用的数据都是公开的，没有成本或限制。其次，底层的六边形网格可以在几乎任何空间尺度上进行修改。第三，脆弱性排名和选择过程是透明的，可以重新配置，以满足其他环境影响评估的需要。此外，累积结果以一种相对简单、直接的图形格式进行总结，从而可以检查边际成本。

结论和潜在应用

页岩气开采是一种经济效益共享狭窄、累积生态成本广泛分配的资源开采形式;到目前为止，这些费用尚未在规划或政策中得到充分处理。我们提出了一个系统，用来估计如果和当开发开始时纽约州将积累的一些较明显的生态代价，包括一个以政治上公平和透明的方式重新分配成本评估的框架。如何以及何时分摊费用是政治决策，但我们的结果为合理的决策过程开辟了一条新道路。

目前适用于纽约州Marcellus页岩开采的许可证制度旨在解决当地的影响，并依赖于土地使用分区和环境影响评估(NYSDEC 2011年)。它们的设计并不是为了评估和计算由公众承担的更广泛的生态成本，目前公众还没有要求从目标天然气储备中获得经济效益。然而，通过应用我们的方法，每个潜在的钻井地点可以根据其对累积生态成本的估计贡献进行评估。关于生态价值的损失(对核心森林、自然溪流、草原鸟类或任何其他可测量参数的估计)，可以根据替代价值、生态系统服务价值(Farber et al. 2002)或其他方法计算金额，并根据估计的生态影响按滑动收费标准对许可证进行评估。使用我们的选择方法将确保两个层次的公平分配。首先，将在对其对全州生态退化的相对贡献进行无偏估计的基础上评估场地许可。其次，在科学证据的支持下，可以以开放的方式在全州范围内按比例分享城镇层面的经济利益。一旦在此基础上进行评估，许可证(或类似的工具)就可以买卖，其价值至少反映出一些较大的生态成本，否则分配就不那么公平。

文献引用

Briffault, r . 1990。我们的地方主义:第一部分——地方政府法的结构。哥伦比亚大学法律评论90(1): 1 - 115。

布朗，J. C.和M.珀塞尔，2005。在巴西亚马逊地区，没有什么固有的规模:政治生态、地方陷阱和发展政治。Geoforum36:607 - 624。http://dx.doi.org/10.1016/j.geoforum.2004.09.001

Bruskotter, J. T. S. A. Enzler和A. Treves. 2011。从政治中拯救狼:野生动物作为公共信任资源。科学333:1828 - 1829。http://dx.doi.org/10.1126/science.1207803

科尔:2010。盐度增加对硅藻多样性和丰度的影响。未出版的报告。宾夕法尼亚州立大学，大学公园，宾夕法尼亚，美国。(在线)网址:http://www.marcellus.psu.edu/resources/PDFs/salinity.pdf．

科尔曼，J. L.， R. C.米利奇，T. A.库克，R. R.夏彭蒂埃，M.基尔施鲍姆，T. R.克莱特，R. M.波拉斯特罗，C. J.申克。2011。2011年阿巴拉契亚盆地泥盆系Marcellus页岩未发现油气资源评价简报2011 - 3092。美国地质调查局，莱斯顿，弗吉尼亚州，美国。(在线)网址:http://pubs.usgs.gov/fs/2011/3092/．

克林奇，s.k . 2009。破碎景观的生态学。约翰霍普金斯大学出版社，巴尔的摩，马里兰州，美国。

康斯丁，T. R.沃森，R.恩特勒，J.斯帕克斯。2009。新兴巨头:开发Marcellus页岩气田的前景和经济影响未出版的报告。宾夕法尼亚州立大学，大学公园，宾夕法尼亚，美国。(在线)网址:http://marcelluscoalition.org/wp-content/uploads/2010/05/EconomicImpactsofDevelopingMarcellus.pdf．

恩特金，S.， M.埃文斯-怀特，B.约翰逊和E.哈根布奇，2011。天然气开发的快速扩张对地表水构成了威胁。生态学与环境前沿“，9(9): 503 - 511。http://dx.doi.org/10.1890/110053

法伯，S. C.科斯坦扎，M. A.威尔逊，2002。评价生态系统服务的经济和生态概念。生态经济学41(3): 375 - 392。http://dx.doi.org/10.1016/s0921 - 8009 (02) 00088 - 5

菲舍尔，J.和D. B.林登梅尔。2007。景观改造与生境破碎化:综合研究。全球生态学与生物地理学“，16(3): 265 - 280。http://dx.doi.org/10.1111/j.1466-8238.2007.00287.x

喷泉,h . 2012。俄亥俄州发生新地震后，油井的处置停止。纽约时报2012年1月1日，A11(在线)网址:http://www.nytimes.com/2012/01/02/science/earth/youngstown-injection-well-stays-shut-after-earthquake.html?_r=1．

吉布斯，2000年。湿地流失与生物多样性保护。保护生物学14(1): 314 - 317。http://dx.doi.org/10.1046/j.1523-1739.2000.98608.x

古尔德和M. Solórzano。2009.多比例尺综合范围图用于模拟预测美属维尔京群岛脊椎动物物种分布。差距分析报告16:9-20。

哈里森，S.和E.布鲁纳，1999。栖息地碎片化与大规模保护:我们能确定什么?描述生态学22(3): 225 - 232。http://dx.doi.org/10.1111/j.1600-0587.1999.tb00496.x

霍贝克，t.j.， V. C.拉德罗夫，M. K.克莱顿，R. B.哈默，C. E.冈萨雷斯-亚伯拉罕。2006.威斯康辛州北部的道路发展、住房增长和景观破碎:1937-1999。生态应用程序16(3): 1222 - 1237。http://dx.doi.org/10.1890/1051 - 0761 (2006) 016 (1222: RDHGAL) 2.0.CO; 2

海尔曼，G. E.， J. R. Strittholt, N. C. Slosser和D. A. Dellasala. 2002。美国相邻地区的森林破碎化:通过道路密度和空间特征评估森林的完整性。生物科学52(5): 411 - 422。http://dx.doi.org/10.1641/0006 - 3568 (2002) 052 (0411: FFOTCU) 2.0.CO; 2

赫科特，1994。生境破碎化对中西部草原鸟类群落的影响。生态应用程序4(3): 461 - 471。http://dx.doi.org/10.2307/1941950

Jacquet, J.和R. Stedman. 2009。Marcellus页岩的新趋势。研究与政策概要汇编30。康奈尔大学，伊萨卡，纽约，美国。(在线)网址:http://devsoc.cals.cornell.edu/cals/devsoc/outreach/cardi/publications/upload/07-2009-RPB.pdf．

詹茨，P.和S.戈茨，2008。利用广泛可得的地理空间数据集，评估道路和缓冲区对生境核心区域和连通性的影响。自然区域杂志28(3): 261 - 274。http://dx.doi.org/10.3375/0885 - 8608 (2008) 28 [261: UWAGDS] 2.0.CO; 2

约翰逊:2010。宾夕法尼亚州能源影响评估。报告1:Marcellus页岩天然气和风能。未出版的报告。美国宾夕法尼亚州哈里斯堡自然保护协会宾夕法尼亚分会。(在线)网址:http://www.nature.org/media/pa/pa_energy_assessment_report.pdf．

约翰逊，R. W.和W. C.加洛韦，1996。公共信托原则能防止物种灭绝吗?157 - 164页在w·j·斯内普三世，编辑。生物多样性和法律。岛屿出版社，华盛顿特区，美国。

克拉夫特，m.e 2004。环境政策和政治。第三版。皮尔逊朗文，纽约，纽约，美国。

M.里奇，R.米尔斯和I.斯库恩斯，1999。环境权利:社区自然资源管理的动力和体制。世界发展27(2): 225 - 247。http://dx.doi.org/10.1016/s0305 - 750 x (98) 00141 - 7

路德维希，D. R.希尔本和C.沃尔特斯1993。不确定性、资源开发和保护:历史的教训。科学260:17, 36。http://dx.doi.org/10.1126/science.260.5104.17

米勒，J. R. M.格鲁姆，G. R.赫斯，T.斯蒂尔曼，D. L.斯托克斯，J.汤普森，T.鲍曼，L.弗里克，B.金，和R.马夸特。2009。地方规划中的生物多样性保护。保护生物学23(1): 53 - 63。http://dx.doi.org/10.1111/j.1523-1739.2008.01110.x

摩根，M.和M.伯格，2008。保护纽约草原鸟类的计划。根据合同C005137向纽约州环境保护署提交的最后报告。奥杜邦纽约，伊萨卡，纽约，美国。(在线)网址:http://www.docstoc.com/docs/41837645/A-Plan-for-Conserving-Grassland-Birds-in-New-York．

纳尔逊，E.， G.门多萨，J.雷盖兹，S.波拉斯基，H.塔利斯，D. R.卡梅伦，K. M. A.陈，G. C.戴利，J.戈尔茨坦，P. M.卡里瓦，E.朗斯多夫，R.奈都，T. H.里基茨，M. R.肖。2009。在景观尺度上建模多种生态系统服务、生物多样性保护、商品生产和权衡。生态学与环境前沿“，7(1): 4。http://dx.doi.org/10.1890/080023

纽约州环境保护署。2011.关于石油、天然气和溶液开采监管计划的通用环境影响补充声明:签发用于开发Marcellus页岩和其他低渗透气藏的水平钻井和大容量水力压裂的油井许可证。修订草案。纽约州环境保护署，纽约州奥尔巴尼，美国。(在线)网址:http://www.dec.ny.gov/data/dmn/rdsgeisfull0911.pdf．

Norment, c . 2002。论东北草原鸟类保护。雀119(1): 271 - 279。http://dx.doi.org/10.1642/0004 - 8038 (2002) 119 (0271: OGBCIT) 2.0.CO; 2

奥尔森，T. G. 1996。生物多样性与私有财产:冲突还是机遇?67 - 79页在w·j·斯内普三世，编辑。生物多样性和法律。岛屿出版社，华盛顿特区，美国。

奥斯本，S. G.， A. Vengosh, N. R. Warner, R. B. Jackson. 2011。气井钻井和水力压裂过程中饮用水的甲烷污染。美国国家科学院院刊108(20): 8172 - 8176。http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1100682108

奥斯特罗姆,e . 2009。分析社会生态系统可持续性的一般框架。科学325:419 - 422。http://dx.doi.org/10.1126/science.1172133

帕塔克森特野生动物研究中心2004。来自北美繁殖鸟类调查版本2004.1的地理信息产品:路线级和多边形覆盖。美国地质调查局，劳雷尔，马里兰州，美国。(在线)网址:http://137.227.242.23/bbs/geographic_information/geographic_information_products_.htm．

宾夕法尼亚州立环境研究所(PSIE)。2008.溪流第93章指定用途。宾夕法尼亚空间数据访问(PASDA)，宾夕法尼亚州立大学，学院公园，宾夕法尼亚州，美国。宾夕法尼亚空间数据访问[在线]网址:http://www.pasda.psu.edu/uci/MetadataDisplay.aspx?entry=PASDA&file=StreamsCH93DesignatedUse2010_12.xml&dataset=1098．

宾夕法尼亚州交通部。2011一个。 当地的道路。宾夕法尼亚州运输部，哈里斯堡，宾夕法尼亚州，美国。宾夕法尼亚空间数据访问[在线]网址:http://www.pasda.psu.edu/uci/MetadataDisplay.aspx?entry=PASDA&file=PaLocalRoads2011_01.xml&dataset=1038．

宾夕法尼亚州交通部。2011b。 国家道路。宾夕法尼亚州运输部，哈里斯堡，宾夕法尼亚州，美国。宾夕法尼亚空间数据访问[在线]网址:http://www.pasda.psu.edu/uci/MetadataDisplay.aspx?entry=PASDA&file=PaStateRoads2011_01.xml&dataset=54．

罗伯斯，C. H.弗莱瑟，S. M.斯坦，M. D.纳尔逊，A.卡特科，2008。美国周边地区支持濒危物种的私人森林的地理位置。生态学与环境前沿“，6(6): 301 - 307。http://dx.doi.org/10.1890/070106

辛德勒,d . 2010。沥青砂需要坚实的科学。自然468:499 - 501。http://dx.doi.org/10.1038/468499a

Schindler, S. K. Poirazidis和T. Wrbka. 2008。为生物多样性评估建立一套核心景观指标:希腊达迪亚国家公园的案例研究。生态指标8(5): 502 - 514。http://dx.doi.org/10.1016/j.ecolind.2007.06.001

施莱辛格，J. D.科瑟，K. A.珀金斯和E. L.怀特，2011。纽约濒危物种对气候变化的脆弱性。beplay竞技纽约自然遗产项目，奥尔巴尼，纽约，美国。(在线)网址:http://www.natureserve.org/prodServices/climatechange/pdfs/ccvi_report_ny.pdf．

苏德，D. J.和W. M. Kappel. 2009。Marcellus页岩的水资源和天然气产量。美国地质调查概况2009-3032。美国地质调查局，巴尔的摩，马里兰州，美国。(在线)网址:http://www.svnva.org/ass/library/42/marcellus_usgsreport.pdf．

斯宾塞，M. H.和D.怀特，1992。EMAP采样网格技术报告。ManTech环境技术，美国环保局环境研究实验室，美国俄勒冈州科瓦利斯。

Tavernise, s . 2011。随着天然气开采的普及，城镇在控制问题上出现了分歧。纽约时报2011年12月15日A20。(在线)网址:http://www.nytimes.com/2011/12/15/us/towns-fighting-to-stand-ground-against-gas-drillers.html?pagewanted=all．

Urbina),即2011一个。由于气井污染水流入河流，监管松懈。纽约时报2011年2月27日，A1(在线)网址:http://www.nytimes.com/2011/02/27/us/27gas.html?_r=1&pagewanted=all

Urbina),即2011b。压力限制了监管天然气钻探的努力。纽约时报2011年3月4日，A1;(在线)网址:http://www.nytimes.com/2011/03/04/us/04gas.html?pagewanted=all．

Urbina),即2011c。美国环境保护局加强了对宾夕法尼亚州河流污染的审查。纽约时报2011年3月8日，A12。(在线)网址:http://www.nytimes.com/2011/03/08/science/earth/08water.html

美国环境保护署。2011.研究水力压裂对饮用水资源潜在影响的计划草案。EPA / 600 / D-11/001。美国环境保护局，华盛顿特区，美国(在线)网址:http://www.epa.gov/hfstudy/HFStudyPlanDraft_SAB_020711.pdf．

美国鱼类和野生动物管理局。2009.国家湿地名录-宾夕法尼亚州。美国鱼类和野生动物局，华盛顿特区，美国。宾夕法尼亚空间数据访问[在线]网址:http://www.pasda.psu.edu/uci/MetadataDisplay.aspx?entry=PASDA&file=NWI_PA.xml&dataset=1457．

美国地质调查局(USGS)。2000.宾夕法尼亚10米7.5分钟数字高程模型(DEM)。美国地质调查局，莱斯顿，弗吉尼亚州，美国。宾夕法尼亚空间数据访问[在线]网址:http://www.pasda.psu.edu/uci/MetadataDisplay.aspx?entry=PASDA&file=dem10meter.xml&dataset=99．

美国地质调查局(USGS)。2009.美国保护区数据库(PAD-US v1)。美国地质调查局国家差距分析计划。美国地质调查局，莱斯顿，弗吉尼亚州，美国。(在线)网址:ftp://ftp.gap.uidaho.edu/outgoing/PADUS_v1．

韦奇。2006。草原鸟类数量增加和减少的景观比较。保护生物学20(5): 1422 - 1432。http://dx.doi.org/10.1111/j.1523-1739.2006.00487.x

沃格特，K. J. C.戈登，J. P.华戈，D. J.沃格特，H. Asbjornse, P. A. Palmiotto, H. J.克拉克，J. L.奥哈拉，W. S.基顿，T. Patel-Weyn和E.威腾。1997。生态系统:科学与管理的平衡。Springer-Verlag，纽约，纽约，美国。