錢江源國家公園生物多樣性監測體系研究

余建平 陳小南 陳聲文

(錢江源國家公園管理局，浙江衢州 300824)

生物多樣性監測是制定生物多樣性保護和管理對策的基礎[1]，也是國家公園等自然保護地管理工作的重要內容。例如，美國國家公園管理局自1992年起，開展國家公園本底清查和監測項目，也稱 “生命體征監測”。正如人們監測血壓和脈搏等人類生命體征一樣，國家公園監測特定的生命體征，以幫助人們了解其自然資源的狀況和變化趨勢，并有針對性的采取保護管理措施。截至目前，美國國家公園管理局已在超過280個國家公園開展了生命體征監測項目，建立了包括氣象、水文水質、土地類型分類和利用、植被初級生產力、獸類、鳥類、昆蟲等31類監測指標體系。中國的國家公園和自然保護區的生物多樣性監測工作也在最近十年里快速發展。以動物監測為例，目前，全國80%的國家級保護區均開展了紅外相機調查，用于收集保護區內的大中型獸類和鳥類本底和種群動態[2]。一些大型區域性的生物多樣性監測網絡建立起來，如中國森林生物多樣性監測網絡[3]、東北虎豹生物多樣性紅外相機監測平臺[4]、西南山地紅外相機監測網絡等[5]。這些網絡平臺大多數是以自然保護區為依托，在規范和統一監測方法，推動自然保護區的監測和管理方面發揮了重要作用。

通過建立生物多樣性監測和研究平臺，摸清錢江源國家公園生物多樣性具體有什么、在哪里、有多少和怎么變化，了解生物多樣性維持機制和受威脅因素，建立國家公園生物多樣性監測、評估、預警和保護體系，為國家公園生物多樣性的保護和管理提供重要的科學信息支撐。與其他國家公園或自然保護區生物多樣性監測平臺相比，錢江源國家公園體制試點區（以下簡稱“錢江源國家公園”）生物多樣性綜合監測體系在動植物類群覆蓋和自動化技術應用方面具有一定的代表性。該體系在建設初期以系統的地面觀測（如樣地、紅外相機監測）為主，在最近幾年里，整合了近地面遙感、自動錄音等新的技術手段，并結合衛星遙感技術，建立起全域的、天空地一體化的動植物監測平臺，收集了大量的反映生物多樣性組成、空間分布和時間變化的數據。本文詳細地介紹了錢江源國家公園監測體系的內容、方法、初步成果和存在的問題，為其他自然保護地的生物多樣性的監測和管理工作提供借鑒。

1 研究區概況

錢江源國家公園位于浙江省開化縣西北部，浙、皖、贛三省交界的白際山脈南段，地處中國東部中亞熱帶常綠闊葉林植被區，由原古田山國家級自然保護區、錢江源國家森林公園、錢江源省級風景名勝區以及連接上述自然保護地的生態區域整合而成，總面積為252 km2，是浙江人民的母親河——錢塘江的重要發源地之一[6]。錢江源國家公園屬于浙皖中、小起伏低山，海拔跨度為110～1 261.5 m，屬于溫暖濕潤的亞熱帶季風氣候，根據古田山片區歷年氣象數據統計，古田山的年平均降水天數為142.5天，年降水總量為1 963.7 mm，年平均氣溫為15.3 ℃[7]。

根據《錢江源國家公園體制試點區總體規劃 （2016?2025年）》，錢江源國家公園劃分為核心保護區、生態保育區、傳統利用區和游憩展示區4個功能區，進行差別化管控[8]。其中，核心保護區面積為72.33 km2，占錢江源國家公園總面積的28.66%；生態保育區面積為135.80 km2，占錢江源國家公園總面積的53.81%；傳統利用區面積為36.13 km2，占錢江源國家公園總面積的14.31%；游憩展示區面積為8.12 km2，占錢江源國家公園總面積的3.22%。錢江源國家公園涉及蘇莊、長虹、何田、齊溪共4個鄉鎮21個行政村72個自然村，戶籍人口9 744人，常住人口8 355人（圖1）。

圖1 錢江源國家公園功能分區圖Fig. 1 Functional zoning map of Qianjiangyuan National Park

錢江源國家公園地處中亞熱帶中心地帶，有著明顯的植被垂直帶譜，從低海拔到高海拔涵蓋了常綠闊葉林、山地和溝谷常綠落葉闊葉混交林、溫性針闊葉混交林和溫性針葉林。中亞熱帶常綠闊葉林是該區域植被的主體，廣泛分布于海拔800 m以下的低海拔地區，具有典型的中亞熱帶常綠闊葉林區系、結構和類型特征，其景觀在中國乃至全世界都較為罕見，具有全球保護價值[9]。同時，錢江源國家公園也是我國特有物種和國家一級保護動物黑麂和白頸長尾雉的集中分布區。尤其是黑麂在我國的分布非常有限，僅在我國浙、皖、贛、閩四省有記錄[10]。以皖南黃山及浙贛交界的白際山脈的分布區，即錢江源國家公園所在地，是黑麂分布的核心區域，經評估錢江源國家公園黑麂的數量約為200～300頭，約占全球黑麂種群數量的10%，對其全球種群的保護有重要意義。

2 研究方法

錢江源國家公園通過建立不同面積的森林生物多樣性監測樣地和紅外相機全境網格化布設，建立了全球首個自然保護地的網格化森林生態系統動植物多樣性綜合監測平臺，并結合林冠塔吊、衛星和近地面遙感監測技術，建立起“空、天、地”一體化生物多樣性監測體系，實現了對錢江源國家公園全境、重要生態系統以及關鍵物種的長期動態監測（圖2）。

圖2 錢江源國家公園綜合監測體系總技術路線Fig. 2 General technical route of comprehensive monitoring system of Qianjiangyuan National Park

2.1 衛星和近地面遙感監測平臺

采用衛星和近地面遙感技術，實現了對錢江源國家公園全境重要生態系統的長期動態監測[11]。利用衛星遙感影像，對錢江源國家公園全域及毗鄰合作保護區進行多時相遙感監測；通過機載高清晰度影像相機、激光雷達和高光譜傳感器，獲取森林冠層表面的高精度照片，森林的三維立體結構信息，以及氮、磷、鉀、水分等重要生理生化指標[11]（圖3）。

圖3 錢江源國家公園全境近地面遙感航跡及影像 （由中國科學研究院植物研究所提供）Fig. 3 Remote sensing traces and images near the ground of Qianjiangyuan National Park (provided by Institute of Botany, The Chinese Academy of Sciences)

在近地面遙感獲得數據的基礎上，采用地面樣方（共有708個20 m×20 m樣方）作為校正，獲取植被三維可視化以及高精度數字高程模型、植被群系圖和多樣性分布圖；通過計算森林蓄積量和樹高分布，并通過遙感影像獲取次生林的干擾等級，制作森林質量分級分布圖、生態系統服務功能圖；結合紅外相機的監測和植物樣地，制作主要保護動/植物分布圖、廊道圖和分布變化預測圖；通過高光譜影像與地面葉水分測量的反演，獲取森林水分含量，并識別部分易燃物種，結合人為活動干擾的分布，制作火警警情分級圖。

2.2 森林冠層生物多樣性監測平臺

森林冠層，作為森林生物多樣性的重要組成部分，是目前生物多樣性知識最薄弱的3種生境類型之一。為此，2020年中科院植物研究所在古田山建立起了森林冠層生物多樣性研究平臺。該平臺由獨立高度60 m和半徑60 m的塔吊系統組成，吊臂可360度旋轉，覆蓋1.13×104m2典型中亞熱帶低海拔常綠闊葉林。以塔式起重機的位置為中心，按照中國森林生物多樣性監測網格的監測規范，建成了一個140 m×160 m的永久樣地，便于觀察和研究森林冠層的生物多樣性，形成了由“森林冠層生物多樣性監測系統”和“森林三維激光掃描系統”組成的森林冠層生物多樣性監測體系。

2.2.1 森林冠層生物多樣性監測系統

主要包括塔式起重機系統的塔基、塔體、吊臂、起升機構、回轉機構、變幅機構、工作平臺、吊籃和動力系統等其他相關附屬設備。整個塔基由15 m×15 m×8 m混凝土澆筑而成，起重機系統由中聯重工承建，塔高60 m，吊臂60 m （可360度旋轉、可上下升降、可內外伸縮5～60 m），即半徑60 m，塔臂吊鉤安裝具有防雨結構的正方形工作平臺（吊籃）。該系統可以使觀測人員快速便捷地到達森林冠層；可以迅速地將大型觀測儀器運送到高空，對森林冠層動植物進行即時觀測和研究，從而實現森林冠層的實時立體監測；可以順利地開展林冠生物多樣性、動植物相互關系以及生態過程對環境變化的響應的研究；同時，也可以開展高大喬木的生理生態研究。

2.2.2 森林三維激光掃描系統

主要包括三維激光掃描儀和溫濕度測量儀。三維激光掃描儀包括三維激光成像儀主機、激光成像后的處理軟件以及成像點云數據處理的移動工作站。該系統主要用于森林大樣地森林生物多樣性三維結構的研究。三維激光掃描儀能夠詳細記錄三維森林空間結構，分析樹木的密度、高度、周長，監測森林的三維空間結構以及其動態變化、葉面積指數，尤其是林窗的三維空間結構變化。溫度測量儀包括多個數據采集器以及相應的溫濕度傳感器。

2.3 全境森林樣地動態監測平臺

根據研究目的和要求不同，自2002年至今，錢江源國家公園全境植被先后建立了750個固定監測樣地，組成了錢江源國家公園全境森林樣地動態監測平臺。其中，包括24×104m2和5×104m2固定樣地各1個、1×104m2固定樣地13個、30 m×30 m參考樣地27個，以及遍布國家公園全境的20 m×20 m監測樣方708個等，共標記了59萬個固定監測樣地（圖4）。

2.3.1 樣地選擇

將整個錢江源國家公園252 km2劃分為267個1 km×1 km網格（圖4）；每個網格內隨機選擇3個監測樣點，所有樣點之間距離大于300 m；根據網格內的植物群落的異質性狀況，每個網格內選擇1～3個點作為最終監測樣點（群落類型單一，則選1個樣點；類型復雜，則選擇3個樣點），建立20 m×20 m的植物樣方，最終建立了708個調查樣方。外業調查時，用地理信息系統導航，找到監測樣點后，以監測樣點為中心50 m范圍內，選擇符合以下條件典型的植物群落設置監測20 m×20 m樣方：有動物路徑（獸徑）；無明顯人為干擾；無強烈自然干擾（如因風、滑坡等形成的巨大林窗）；避開裸地；距離道路、農田、大型自然裸地30 m以上。

圖4 錢江源國家公園樣地分布圖（由中國科學院植物研究所提供）Fig. 4 Distribution map of Qianjiangyuan National Park(provided by Institute of Botany, The Chinese Academy of Sciences)

2.3.2 樣地標定

利用羅盤、激光測距儀等標定水平距離為20 m×20 m的樣方，并將樣方劃分為5 m×5 m的小樣方，用于群落調查作業；用高精度GPS準確定位樣方對角線兩個角的經緯度坐標，用于進行生物多樣性，生態系統服務功能空間分布分析，以及與遙感數據相結合；在監測樣方的四角埋磁鐵和鋁管用于永久標記監測樣地。

2.3.3 樣地調查

對樣地內每棵胸徑大于1 cm的個體標記胸徑測量位置，并掛牌用于植物群落動態監測；測量所用胸徑大于1 cm的個體的胸徑和坐標，并將所有植物個體鑒定到物種；不能現場鑒定到物種的個體，拍照和采集標本，請分類專家進行鑒定。所有的群落調查方法均依據環保部頒布的《生物多樣性觀測技術導則-維管植物》中生物多樣性監測規范和中國森林生物多樣性監測網絡調查監測規范進行。

2.4 全境網格化動物多樣性監測平臺

采用紅外相機技術，在錢江源國家公園全境及其跨區共建區域內，開展以獸類和雉類為主的大中型地棲動物的本底調查（圖5），并長期監測獸類和鳥類的物種組成、空間分布和數量變化，為錢江源國家公園的功能分區、跨區共建區域的設置以及錢江源國家公園保護成效評估提供科學支撐。

圖5 錢江源國家公園紅外相機探測物種數的空間分布（由中國科學院植物研究所提供）Fig. 5 Spatial distribution of species detected by the infrared camera in Qianjiangyuan National Park(provided by Institute of Botany, The Chinese Academy of Sciences)

2.4.1 監測方法

將整個錢江源國家公園劃分為1 km×1 km的網格，共計267格。2014年5月?2020年4月期間，在每個網格內設置了3個固定監測位點，使用1臺紅外相機（先后使用獵科6 210與易安衛士L710兩個型號的紅外相機）在3個位點之間依次輪換布設，每4個月為一輪監測周期。監測位點主要選擇獸徑和動物活動痕跡（如糞便、足跡、食跡、毛發遺落等）豐富處，兩個位點間距不小于300 m。紅外相機主要固定在樹干50～80 cm處 （避開陽光直射），正前略朝地面向下傾斜，與獸徑和動物活動痕跡成45°夾角。相機設置為每連續拍3張照片后，再拍1張10秒視頻，全天24 h持續工作。野外工作人員在布設紅外相機時，重點詳細記錄監測位點編號、紅外相機編號、日期、經緯度、海拔、坡向、道路、水源和生境信息情況等信息。

2.4.2 數據整理

在每一輪野外調查、采集和收回數據后，匯總和備份原始數據，再按照拍攝對象的類別，將照片、視頻歸分為6類：獸類、鳥類、家畜或家禽、工作人員、空拍以及其他，并標記獨立有效探測對應的首張照片或者視頻。按網格編號和相機編號進行歸納、存檔。

2.4.3 物種鑒定

物種鑒定由專業人員或者經過培訓的志愿者完成。獸類物種名稱和分類體系參照《中國哺乳動物多樣性（第2版）》[12]，鳥類物種名稱和分類體系參照《中國鳥類分類與分布名錄（第三版）》[13]，中國物種紅色名錄等級參照《中國脊椎動物紅色名錄》[14]，世界自然保護聯盟（International Union for Conservation of Nature, IUCN）物種紅色名錄等級參照IUCN受威脅物種名錄。

從2018年8月?2020年4月底，采用千米網格的抽樣方法，覆蓋錢江源國家公園全境，共安裝有267臺紅外相機，監測累計有效工作時長約為19.7萬個工作日，獲得獸類、鳥類的照片和視頻296 836份，有效探測數96 582次。記錄到野生獸類屬6目14科22種，野生鳥類屬7目25科73種。

2.5 環境要素監測平臺

在齊溪、何田、長虹和蘇莊四個片區，均建立了氣象、水文、土壤等環境要素監測平臺。其中，主要監測的氣象因子包括降雨量、大氣溫度、濕度、二氧化碳和氧氣含量、負氧離子濃度、PM 2.5濃度等；水文監測，主要包括在4個片區出境的水量及含沙量等水土流失情況；土壤監測，在全境20 m×20 m植物樣地里，每5年監測一次土壤的氮、磷、鉀的含量及碳儲量，以及常規的土壤溫度、濕度、電導度的監測等。

3 結果與分析

自2002年以來，中國科學院植物研究所古田山森林生物多樣性與氣候變化研究站以平臺數據為基礎，先后在Science、Nature Communications、Ecology Letters等國內外生態學主流期刊發表論文316篇，其中244篇被SCI收錄；發布生物多樣性監測行業標準1項；榮獲國家科技進步一等獎1項，梁希獎二等獎1項，浙江省科技興林一、二、三等獎分別為1項、2項、1項；2014年，在錢江源發現蛛蜂新物種“蟻墻蜂”，被美國《時代》雜志評為2015全球十大新發現物種。2019年9月26日，在聯合國可持續發展峰會上，中國政府代表團團長王毅正式發布了《地球大數據可持續發展研究報告》，該報告介紹了中科院研究團隊利用地球大數據在中國開展案例研究的情況，其中生物多樣性保護以錢江源國家公園為例。錢江源國家公園生物多樣性評估案例成為中國生物多樣性保護的典型代表，向世界展示了中國保護生物多樣性的經驗。

基于錢江源國家公園生物多樣性綜合監測體系的監測和研究成果，為錢江源國家公園的建設和管理提供了重要的科學信息和支撐。例如，根據錢江源國家公園網格化綜合監測數據，評估了重點保護的原生地帶性植被分布、重點保護的野生動物黑麂和白頸長尾雉的分布及種群變化。結合物種分布模型，評估了錢江源國家公園功能分區對黑麂保護的有效性。

研究結果表明，黑麂傾向于出現在森林較為原始和道路密度較低的區域，其適宜棲息地面積為42.5 km2，占錢江源國家公園總面積的16.9%。其中，99.7%的黑麂適宜棲息地位于核心保護區和生態保育區，這表明錢江源國家公園現有功能分區能夠較好地滿足黑麂棲息地保護的需求，也證明黑麂可以作為其分布范圍內保存較好的亞熱帶森林生態系統的指示性物種[8]。

除此之外，錢江源國家公園管理局委托科研院所依托監測平臺開展了系列的專題研究。例如，委托中科院植物研究所開展《錢江源國家公園生態修復專項規劃》。該項目利用中科院植物研究所在生物多樣性與生態系統功能實驗平臺研究成果，參考借鑒BEF-China大型實驗、24×104m2固定樣地以及30 m×30 m樣地等研究成果，為國家公園的生態修復提供科學方法的指導。委托生態環保部南京環境科學研究所開展《錢江源國家公園及周邊區域生態廊道建設專項規劃》，利用紅外相機網格化監測數據，重點分析主要保護對象黑麂和白頸長尾雉的種群分布及棲息地情況，提出與生態修復相結合的重要生態廊道設計和規劃對策。將已取得的科研成果在科普館內展示，提高公眾對錢江源國家公園內低海拔中熱帶常綠闊葉林生態系統重要性的認識。

4 討論與結論

在中國科學院植物研究所等科研院所的長期努力下，錢江源國家公園已經建立起較為完備的 “空、天、地”一體化生物多樣性的監測體系，覆蓋了生態系統、物種和非生物環境不同的對象，也包括了植物、獸類、鳥類等多個類群，可為國家公園的建設提供強有力的科學支撐。國家公園為百年之計，監測也應當持續開展。根據不同類群的特點制定監測周期，定時開展重復調查。例如，近地面遙感和植物樣方以3～5年的周期重復調查，獸類和鳥類因采用自動化設備進行監測，可以提供近乎實時的數據。監測收集的數據信息應及時處理和分析，并將分析結果反饋給有關管理部門，以支撐管理決策。

黑麂是錢江源國家公園內保存較好的亞熱帶常綠闊葉林的指示性物種，主要分布在核心保護區內，而白頸長尾雉的活動范圍與人為活動的范圍重疊較大，主要分布在傳統利用區、游憩展示區等內，可作為國家公園內反映人與動物和諧共處的代表性動物。因此，錢江源國家公園內不同的功能區有不同的代表性物種，需要制定相應的保護管理措施。例如，核心保護區的人為活動干擾應降至最低，保證原生植被不受干擾和破壞；在存在人為活動干擾的一般控制區內，需監測人為活動對白頸長尾雉及其他物種種群的影響。對錢江源國家公園的兩個重點保護對象黑麂和白頸長尾雉的保護而言，傳統利用區、游憩展示區與核心保護區同等重要。

錢江源國家公園與江西、安徽毗鄰的區域同處白際山脈南段，國家公園區內的森林與江西、安徽境內的森林連接成片。野生動物的分布不受行政邊界的限制，必然存在跨省界的擴散和移動。因此，區外森林和動物的保護對于錢江源國家公園內動物的保護有重要意義。需加強與江西省、安徽省等地毗鄰的7個行政村以及安徽嶺南省級自然保護區的合作保護，共建區域生物多樣性監測平臺，創建聯合保護站，探索與毗鄰區域的聯合保護機制。

現有研究結果表明，錢江源國家公園內有黑麂適宜棲息地面積為42.5 km2，共有斑塊412塊，面積為0.25×104～2 395 ×104m2，平均斑塊面積為13.7 ×104m2，小于單只黑麂的家域面積[8]，棲息地破碎化嚴重。需要采取自然恢復和人工干預的手段，恢復以常綠闊葉林生境為主的黑麂適宜棲息地，改造和提升人工杉林的物種多樣性，增加生境的連通性和完整性[15]，促進斑塊間種群的基因交流。

致謝：錢江源國家公園生物多樣性綜合監測體系由中國科學院植物研究所馬克平團隊、浙江大學于明堅團隊和北京大學李晟團隊等科研院所團隊與錢江源國家公園管理局長期合作共同建立，感謝他們為此文提供的相關研究資料。