太行山生物多樣性保護優先區（北京區域）急需保護物種的空間分布、熱點識別及保護成效評價

陳 龍，劉春蘭，馬明睿，喬 青，裴 廈，劉曉娜 （北京市環境保護科學研究院/國家城市環境污染控制工程技術研究中心，北京 100037）

生物多樣性是人類賴以生存的條件，是經濟社會可持續發展的基礎［1］。然而，隨著生境的消失和退化，自然資源的不合理利用、環境污染、外來物種入侵和氣候變化等原因，人類活動對生物多樣性的壓力日益加劇，生物多樣性急劇喪失［2-3］，已經引起國際社會、各國政府和科學界的廣泛關注［4］。實踐表明，建立自然保護區是生物多樣性就地保護的主要形式，也是最直接、最有效的措施，是衡量生物多樣性保護工作的重要指標［5-7］。根據《2016年中國環境狀況公報》公布的數據，截至2016年底，中國共建立各種類型、不同級別的自然保護區2 750個，總面積14 733萬hm2，其中自然保護區陸地面積約14 288萬hm2，占全國陸地面積的14.88%，有效保護了珍稀動植物及其生境。但早期自然保護區多屬于搶救性劃建，缺乏統一規劃，存在布局不均衡和關鍵地區生物多樣性就地保護力度不夠等很多問題，孤島與破碎化現象嚴重，影響自然保護區效果發揮［8-9］。因此，識別急需保護物種的熱點區域及其保護空缺，將關鍵地區納入自然保護區，同時對自然保護區的保護效果進行評估，提升現有自然保護區的管理水平，對于提升自然保護區的保護效率和宏觀規劃具有重要意義［10］，這也是目前生物多樣性研究的熱點領域之一［4，11］。

生物多樣性保護優先區是《中國生物多樣性保護戰略與行動計劃（2011—2030年）》的重要內容，是落實《生物多樣性公約》的重要措施。這些區域生物多樣性豐富，集中分布著中國絕大多數的生態系統和物種，如何保護好這些區域的生態環境和生物多樣性，實現可持續發展，是這些區域急需解決的重要問題［12-13］。太行山生物多樣性保護優先區是35個生物多樣性保護優先區域之一，地跨北京市、天津市、河北省、山西省、河南省5個省（市），總面積為62 568 km2，保護重點為原生暖溫帶落葉闊葉林生態系統以及華北落葉松（Larix gmeliniivar.principis?ruppre?chtii）、青杄（Picea wilsonii）、白杄（Picea meyeri）、褐馬雞（Crossoptilon mantchuricum）、獼猴（Macaca mulat?ta）等重要物種及其棲息地。筆者以太行山生物多樣性保護優先區域北京部分為案例區，篩選最急需保護的目標物種，旨在識別研究區目標物種的空間分布及其熱點分布區域，分析現有自然保護區對于目標物種的保護效果，識別目標物種尚未得到有效保護的空缺區域。研究成果有助于優化現有保護網絡體系，提升急需保護物種的保護效果，同時也有助于將自然保護區外值得保護的生物多樣性關鍵區域劃入生態保護紅線，起到重要的補充作用。

1 研究區概況

太行山生物多樣性保護優先區北京境內部分位于該優先區最北端（圖1），涵蓋了北京市西部和北部山區，面積為9 305 km2，占優先區總面積的15%。研究區西面、北面和東北面分別為太行山系和燕山山脈，處于山地向平原的過渡地帶，屬于半濕潤向半干旱氣候過渡的區域。地形復雜，高差大，坡向變化多，地貌類型豐富，分布有中山、低山、丘陵、臺地和平原等多種地貌類型，以海拔200～500 m的低山丘陵和海拔800～1 500 m的中山占據優勢，最高峰東靈山海拔2 303 m。生態系統類型多樣，從西北到東南逐漸由森林、灌叢、草叢向農田過渡［14-15］。復雜的地形和過渡性質的區位決定了研究區豐富的生物多樣性，涵蓋了北京市所有14個森林類自然保護區，其中包括2個國家級自然保護區（百花山和松山）。同時，研究區還處于北京市水源的上游和上風向，是首都的水源地和生態屏障，具有重要的生態價值。

圖1 研究區位置示意圖Fig.1 The location map of the study area

2 研究方法

2.1 目標物種篩選與賦值

通過文獻調研和專家咨詢結合的方式，篩選研究區內的急需保護的目標物種，參考《生物多樣性保護優先區域規劃編制指南》（環辦生態函［2016］1030號）推薦方法對目標物種進行分級分類，并利用賦分法對不同物種進行賦值（表1）。最終篩選得到48個待保護的目標物種，包含31種植物和17種動物。鑒于研究區資料的可獲得性和空間識別的準確性，動物主要考慮獸類。

2.2 物種重要性空間分布評估

影響物種生存的環境因子很多，有些環境因子對物種生存起著關鍵作用，如果該因子不存在，將直接影響到物種的生存和繁衍。根據此原理，基于生境適宜性模型，采用賦值求積的方法對篩選的目標物種進行物種生境適宜性評價。其流程主要包括：（1）分析對象物種的生境需求，明確影響其種群及行為的限制因素或主導因素；（2）建立各項因素相應的評價準則，并進行單項因素的適宜性評價；（3）根據一定的準則進行生境綜合分析與評價，以明確研究區各空間單元對象物種的適宜性特征。

表1 不同類別目標物種的賦值Table1 Valuationofthetargetspeciesindifferentcategories

考慮到目標物種較多，同時所在研究區范圍較小，海拔和人為干擾是影響區域內大部分物種分布的主要因子。因此，首先明確各目標物種分布的區縣，然后結合海拔數據和生態系統分布數據綜合提取各目標物種的適宜生境分布范圍，并根據表1進行賦值，疊加得到整個研究區的物種重要性空間分布。詳細流程如下：（1）通過查閱《北京植物志》［16］、中國植物志全文電子版網站（http：//frps.eflora.cn/）、《北京獸類志》［17］、北京市區縣級物種分布數據［18］以及北京市其他物種調查成果［19-20］確定每個物種的分布區縣、海拔分布范圍及適宜生境；（2）利用數字高程模型（DEM）提取每個物種的海拔分布范圍；（3）利用研究區生態系統分布數據提取每個物種的適宜生態系統類型，數據來源于原環境保護部衛星環境應用中心提供的《全國生態狀況變化（2010—2015年）調查與評估》成果；（4）提取每個物種分布的區縣；（5）對提取的每個物種分布的區縣、海拔范圍及生境類型進行疊加分析，公共區域即為每個物種的適宜生境分布范圍；（6）根據表1對每個物種的重要性進行賦值，并對其適宜生境分布范圍進行疊加，最終獲取整個研究區的物種重要性空間分布信息?？臻g分析工具為ArcGIS 10.2軟件。

2.3 物種重要性熱點區域識別

空間自相關分析可以在一定程度上反映空間事物的分布是否具有顯著集聚性。其中，Moran′sI指數可表征研究區內相似屬性值的平均集聚程度［21］，是常用的空間自相關分析方法。通過計算研究區內物種重要性分布的Moran′sI指數，判斷急需保護物種分布的總體聚集情況。除了判斷物種重要性的總體分布狀況外，還需識別研究區中物種重要性程度顯著高于其他區域的熱點地區作為最急需保護的區域，從而分配更多資源用于生物多樣性保護。采用Gi*系數來識別物種重要性分布的熱點地區，該方法是空間統計中常用的一種基于距離全矩陣的局部空間自相關指標［22］，用以探查研究區物種重要性在局部地區是否存在統計顯著的高值以及在空間上發生聚類的位置［23］。Gi*的統計意義可以通過標準化Z值來檢驗，Z得分≥1.65表示顯著熱點聚集，即不但要素本身的數值很高，而且被同樣高值的要素包圍，是高值和高值的聚集區，相反，Z得分＜-1.65則表示顯著冷點聚集，詳細計算方法見文獻［24］。與其他分析方法相比，Gi*系數在自然科學領域更具優勢［25］，特別是在探測局部空間集聚尤其是高值集聚時更準確［26］。以上分析采用ArcGIS 10.2軟件中空間統計工具箱的Spatial Autocorrela?tion（Global Moran′sI）和 Hot Spot Analysis（Getis?OrdGi*）工具完成。

2.4 保護效果分析

把各目標物種的分布范圍與自然保護區進行疊加，將每個目標物種在研究區所有自然保護區內的面積占其分布總面積的比例視為自然保護區對該物種的保護效率，同時統計每個物種所在自然保護區的數量來衡量自然保護區對該物種的保護效果。對每個自然保護區擁有的目標物種數量進行統計，用來反映各自然保護區的保護現狀。

2.5 目標物種的保護空缺識別

目標物種的保護空缺區識別主要考慮2個方面：一是考慮所有物種重要性，基于疊加后的熱點區域識別結果和自然保護區分布現狀，將尚未得到自然保護區保護的熱點區域作為保護空缺區；二是基于單個目標物種，將受保護面積占總分布面積5%以下的目標物種作為欠保護物種，這些物種需要加大保護力度，將這些物種尚未得到保護的分布區域作為保護空缺區。最后將兩者疊加得到目標物種保護空缺區。

3 研究結果

3.1 物種重要性空間分布

如圖2～4所示，物種重要性得分較高的區域多位于北京與河北交界的山區，如西部太行山區的百花山、北部燕山山區的松山、喇叭溝門以及霧靈山等區域；得分較低的區域多位于人類活動影響較大的平原與山區交界的部分、山區海拔較低的河谷地帶；其他山區得分中等。其中，植物物種受海拔影響較為明顯，重要性得分高的區域多位于海拔1 000 m以上的山區，動物則活動性較強，物種分布范圍更廣，但受人為干擾的影響也更為明顯，重要性得分較高的區域均位于與河北交界的山區，而海拔在100～300 m的淺山丘陵地區重要性得分較低。

圖2 植物物種重要性空間分布Fig.2 The spatial distribution of importance of plant species

圖3 動物物種重要性空間分布Fig.3 The spatial distribution of importance of animal species

圖4 所有目標物種重要性空間分布Fig.4 The spatial distribution of importance of all target species

3.2 熱點區域識別

空間自相關分析結果顯示，植物、動物及所有物種總體重要性分布的全局Moran′sI指數都接近于1（植物Moran′sI指數為0.83，P=0；動物Moran′sI指數為0.85，P=0；所有物種Moran′sI指數為0.87，P=0），說明各類群和所有物種的重要性分布在空間上均呈顯著聚集性。

熱點分析（Getis?OrdGi*）結果見圖5。

圖5 目標物種熱點區域分布Fig.5 The spatial distribution of hot spots of all target species

圖5顯示，物種重要性得分呈顯著熱點分布的區域總面積為466 km2，占研究區面積的5%，占北京市域面積的2.84%，主要分布于門頭溝區的百花山和東靈山區域、延慶區的松山區域、懷柔區的喇叭溝門區域以及密云區的霧靈山和云蒙山區域，此外在懷柔和延慶交界的山區也有零星分布。

3.3 保護效果

將目標物種在自然保護區內的面積占其分布總面積的比例視為該物種的保護效率，總體而言，48個目標物種中除十字蘭（Habenaria schindleri）和刺楸（Kalopanax septemlobus）外，都得到了不同程度保護（圖6）。所有目標物種平均保護效率為37.75%，31種植物平均保護效率為47.61%，17種動物平均保護效率為19.78%。其中，十字蘭、刺楸、大花杓蘭（Cypripedium macranthum）和紫點杓蘭（C.guttatum）的保護效率較低，不足5%，扇羽陰地蕨（Botrychium lunaria）、梧桐楊（Populus pseudomaxi?mowiczii）、輪葉貝母（Fritillaria maximowiczii）、巖生報春（Primula saxatilis）和珊瑚蘭（Corallorhiza trifi?da）的保護效率較高，達90%以上。

對所有物種來說，近六成目標物種受保護面積在30%以下（圖7），受保護面積在50%以上的目標物種僅占1/3，且近一半目標物種所在保護區數量在3個以下（圖8），表明雖然大多數目標物種得到了保護，但保護效率仍有待提升。

圖6 目標物種保護效率Fig.6 The conservation efficiency of target species

從自然保護區角度來看，所有保護區擁有的目標物種都在10種以上（圖9），其中百花山是擁有目標物種最多的保護區，超過了30種，其次是松山和霧靈山，也都在25種以上，這些都是北京生物多樣性最豐富的區域。云峰山擁有目標物種最少，僅為11種。

圖7 目標物種保護面積比例頻數Fig.7 The frequency diagram of ratio of protection area with target species

圖8 目標物種所在自然保護區數量頻數圖Fig.8 The frequency diagram of ratio of nature reserve with target species

3.4 目標物種的空缺區

3.4.1 熱點分析的空缺區

如圖10所示，基于物種重要性得分的熱點分析所識別的熱點區域與自然保護區的空間分布較為一致，2/3的熱點區已受到自然保護區保護，另有1/3仍未得到有效保護，面積較大的空缺區主要分布于百花山保護區周邊、喇叭溝門保護區與大灘和水頭保護區之間的山區，面積約158 km2。

圖9 各自然保護區擁有目標物種數Fig.9 The number of target species in each nature reserve

圖10 目標物種熱點分布空缺區Fig.10 Protection gap areas of hot spots distribution of target species

3.4.2 欠保護物種的空缺區

受保護面積在5%以下的欠保護物種包括十字蘭、刺楸、大花杓蘭和紫點杓蘭4種植物，將其未得到保護的分布區作為欠保護物種空缺區（圖11）。該區主要分布于門頭溝百花山保護區南邊山區、妙峰山周邊區域以及懷柔區黑坨山周邊區域，面積共計191 km2。

3.4.3 綜合空缺區識別

將熱點分析的空缺以及欠保護物種的空缺疊加，得到研究區目前急需保護的空缺區（圖12），面積共計339 km2，占研究區面積的3.64%。這些區域將是下一步生物多樣性保護工作的重點區域。

圖11 欠保護物種分布空缺區Fig.11 Protection gap areas of distribution of less protected species

圖12 目標物種空缺區Fig.12 Protection gap areas of distribution of target species

4 討論與建議

4.1 提升自然保護區保護效果

基于目標物種生境分布提取的物種重要性的熱點地區主要分布在北京與河北交界的山區。目前已設立了多個自然保護區，對野生動植物及其生境進行了良好的保護，但同時也可以看到，現有保護區多呈零散化、片段化分布，孤島化現象較為嚴重，不利于物種的遷徙擴散，保護效果仍有待提升。針對此，可以從以下幾方面進行改進。一是完全相鄰的自然保護區統一規劃，統一管理。一方面是北京市內相鄰保護區，如延慶區幾個區縣級保護區統一管理，條件成熟后可以合并管理，特別是玉渡山區級自然保護區與松山國家級自然保護區相鄰，生物多樣性較豐富，目標物種數目較多，物種重要性得分也較高，可以考慮由松山保護區管理部門代管，實行統一規劃和監管。另一方面是北京與河北邊界相鄰的保護區，如北京的松山國家級自然保護區與河北的大海陀國家級自然保護區，北京的霧靈山市級自然保護區與河北的霧靈山國家級自然保護區，這些保護區在分布上屬同一地理單元，保護對象近似，應積極發揮太行山生物多樣性保護優先區的整體保護作用，加強與河北、天津、山西等?。ㄊ校┑穆摵弦巹澓捅O管，有助于物種遷徙擴散，顯著提高保護效果，這也是生態保護在京津冀一體化方面的重要措施。二是建議在鄰近的自然保護區之間選擇典型物種進行分析，在考慮土地利用現狀和權屬的情況下，建立生物廊道供野生生物遷徙。此外，由于各方面原因，很多自然保護區在設立時比較倉促，存在機構不健全、專業人員缺乏、保護級別低等問題，同時缺乏完備的物種調查等基礎資料，有些還存在邊界問題，導致監管困難重重。在目前自然保護區已統一歸國家林業和草原局管理的情況下，可借此契機對現有自然保護區進行統一確權定界，將每個自然保護區邊界都落實到地塊上；對于具有較高保護價值、保護級別較低的保護區，應加強保護區配套建設，在達到更高標準后提高保護級別。同時制定自然保護區發展規劃，對自然保護區實行統一管理。而生態環境部門則負責對其進行監管，相互協調，共同提高自然保護區的保護效率。

4.2 加強空缺區內目標物種及其生境的保護

針對分布于現有自然保護區周邊的空缺區，在明確土地權屬的情況下，可以考慮對現有保護區進行擴建，將其納入保護區范圍予以保護，如百花山自然保護區周邊區域。與現有自然保護區相隔較遠、周邊無保護區分布的，在明確土地權屬的情況下，可規劃新建保護區。目前建設自然保護區存在困難的，可以考慮通過生態保護紅線等其他形式予以保護，待條件成熟時再新建保護區，如西北部與河北交界的區域。對于物種重要性得分高但面積較小、零散分布的熱點區域或某些急需保護物種的分布區，可由當地政府設定保護小區予以保護，如刺楸和十字蘭等欠保護物種的分布區。

5 結論

基于待保護的目標物種分布范圍提取的方法，獲取了太行山生物多樣性保護優先區北京境內的物種重要性空間分布，識別了熱點區域和空缺區，并對目標物種的保護現狀和保護效果進行了評估，主要得出以下結論：

（1）研究區物種重要性得分在空間上呈顯著聚集分布，熱點區主要分布于北京與河北交界的門頭溝區百花山和東靈山區域、延慶區的松山區域、懷柔區的喇叭溝門區域以及密云區的霧靈山區域。

（2）除十字蘭和刺楸外的其余46種目標物種已受到不同程度保護，所有目標物種平均保護效率為37.75%。但近六成的目標物種受保護面積在30%以下，同時近一半的目標物種所在保護區數量在3個以下，保護效率仍有待提升。

（3）目前急需得到保護但尚未劃入自然保護區的空缺區域約339 km2，建議針對實際情況，通過新建、擴建保護區以及保護小區和生態保護紅線等不同方式提升現有保護效果。

考慮到不同生物類群的分布范圍識別的難度，研究僅考慮了植物和動物中的獸類，其他類群的物種未包含在此次評估中，今后有待加強。部分急需保護的野生植物，如丁香葉忍冬（Lonicera oblata）等，也限于分布條件的缺乏，未能進行生境的準確提取。下一步需加大這些物種的調查力度，明確其準確分布范圍并予以保護。