基于動物適宜棲息地的北京市自然保護地保護成效評估

王金鳳,徐基良,李建強,*,周春發,鄧文洪

1 北京林業大學生態與自然保護學院,北京 100083 2 北京師范大學生命科學學院,北京 100875

2018年修訂的《中華人民共和國野生動物保護法》明確規定要加強野生動物棲息地保護,并提出建立野生動物重要棲息地名錄制度[1]。已有實踐表明,建立自然保護地是就地保護野生動物及其棲息地的有效手段[2]。截至2020年底,我國已建成各級各類自然保護地約1.18萬余處,覆蓋了我國陸域面積的18.0%和管轄海域的4.1%[3]。這些自然保護地在保護我國重要生態系統、珍稀瀕危動植物及其棲息環境上發揮了重要作用,但也存在著空間布局不合理、與物種重要分布區域在空間上吻合不足等問題,進而影響其保護效果的發揮[4],逐漸引起了社會關注[5—7]。

衡量自然保護地保護成效的重要指標之一是評估對野生動物重要棲息地的保護效果[8—9],目前已經有許多學者開展了這方面的研究[10—13]。然而,相關研究多數集中于對單一物種的分析[14—15]。這雖然可以反映自然保護地對特定物種或特定類群及其棲息地的保護效果[16],但是可能并不足以反映其對不同類群的整體保護效果[17—18]。因此,有研究建議以某一區域的多個物種為對象進行評估,可以更加客觀地反映區域內自然保護地的保護成效[9]。

北京市(115.7°—117.4°E,39.4°—41.6°N)地處燕山山脈和太行山脈的交叉地帶,野生動植物資源豐富[19],擁有陸生脊椎野生動物約581種,包括褐馬雞(Crossoptionmantchuricum)、黑鸛(Ciconianigra)、麋鹿(Elaphurusdavidianus)和狼(Canislupus)等國家重點保護野生動物81種[20]。北京市雖然是一個高度城市化的地區,但隨著生態環境的不斷改善,北京市野生動物種群數量和棲息地分布范圍近年來呈現明顯的擴張趨勢[21—22]。如今,北京市已經建立了大量的自然保護地以加強對野生動物及其棲息地的保護。一些研究評估了這些自然保護地對部分野生動物及其棲息地的保護成效[22—23],然而相關研究多關注于單一物種或單一類群的保護成效。本文選取了北京地區六種較為典型的野生動物作為研究對象,利用MaxEnt模型分析了其適宜棲息地的分布,并結合北京市自然保護地的類型及其空間布局,深入分析其適宜棲息地在北京市的分布狀況和保護空缺,評估北京市自然保護地保護有效性,旨在為加強北京市野生動物資源保護、劃定野生動物重要棲息地[24]、推動自然保護地整合優化提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域

截至2019年底,北京市共有5類79處自然保護地,其中自然保護區21處(國家級2處、市級12處、區級7處)、風景名勝區11處、森林公園31處、地質公園6處、濕地公園10處[19](圖1)。自然保護地主要分布在西北山區、淺山地帶以及平原的河流水系地區,總面積4648.05km2(含交叉重疊面積),空間上實際面積共3470.61km2,占市域行政面積的21.15%。

圖1 北京地區各類自然保護地及其分布Fig.1 The distribution of various types of the natural protected areas in Beijing

1.2 研究對象

依據北京市野生動物種類和分布現狀,通過咨詢專家,結合野外分布資料的可獲得性,選取在北京地區具有代表性的6個國家重點保護野生動物,包括國家I級重點保護野生動物黑鸛、褐馬雞、大鴇(Otistarda)、金雕(Aquilachrysaetos),國家II級重點保護野生動物鴛鴦(Aixgalericulata)和斑羚 (Naemorhedusgriseus)[25]。其中黑鸛作為近些年來在北京繁殖、越冬的涉禽,可體現山谷濕地生態狀況[26]；褐馬雞作為中國特有種[27]、典型的地棲性山地森林鳥類[28],近些年來在北京的種群及其分布范圍穩步上升[22]；大鴇是典型的草地生態指示物種[29]；金雕作為北京地區的大型猛禽,可以指示區域生態系統健康[30]；鴛鴦則是重要的評價濕地生態系統的代表物種之一[31]；斑羚為典型的林棲獸類[15]。這6個物種的棲息地包括森林、濕地、草地、濕地水域、高山峭壁等類型,涉及到北京市濕地公園、森林公園、自然保護區、風景名勝區、地質公園等5類自然保護地,具有較強的典型性和代表性。

1.3 研究方法

1.3.1物種數據來源及處理

物種分布位點數據是以北京市野生動物資源調查中獲取的坐標信息為基礎,并將在中國觀鳥記錄中心(http://www.birdreport.cn/)、全球生物多樣性信息網絡數據庫(https://www.gbif.org/)和有明確坐標信息的相關文獻中所獲取的準確的物種分布點坐標信息作為補充。由于研究物種活動范圍較大,因此采用緩沖區分析對收集的物種分布點進行篩選和校對,排除人為因素導致的分布點重合以及不符合實際情況的分布點[32]。根據6個目標物種的平均活動距離[31,33—37],在ArcGIS 10.4中以物種分布點為圓心,建立以500m為半徑的緩沖區；當兩個分布點之間的距離小于1km時,只保留其中一點。最終確定進入分析的各目標物種分布點,其中黑鸛105個、褐馬雞24個、大鴇21個、鴛鴦97個、金雕33個、斑羚11個。

1.3.2環境變量的收集、處理

根據現有文獻資料中對各目標物種的棲息地需求[15,37],選擇海拔、坡度、坡向、土地利用類型、歸一化植被指數、到居民點(鄉鎮及鄉鎮級別以上的)的距離、到水源(河流湖泊、水庫)的距離、到不同等級的道路(包括鐵路；高速公路、國道、省道；市縣級道路；人行道四個等級)的距離等共11個環境因子作為初步變量進行分析。

地形數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/)下載的數字高程數據(DEM),空間分辨率為30m。基于ArcGIS 10.4軟件提供的空間分析功能,運用表面分析工具從DEM數據中提取出坡度和坡向兩種地形因子的柵格數據。土地利用分類數據來源于國家基礎地理信息中心(http://www.globeland30.org/),空間分辨率為30m。在ArcGIS 10.4中,使用重分類工具從土地利用類型中得出研究區范圍內的關鍵地類,然后通過焦點統計工具,以平均活動距離作為半徑得出各關鍵地類占比的柵格數據,以各關鍵地類在活動區域內的占比來限制物種的出現,得到影響物種分布的環境變量。歸一化植被指數(NDVI)數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心(https://www.resdc.cn/),空間分辨率為30m。在ArcGIS 10.4中,使用腌膜提取工具得到研究區域的植被覆蓋數據。通過查閱文獻,針對研究對象選擇到居民點的距離、到不同等級道路(包括鐵路；高速公路、國道、省道；市縣級道路；人行道4個等級)的距離來反應人為干程度。其中,鄉鎮及鄉鎮級別以上的居民點、河流湖泊和水庫、不同等級的道路數據來源于全國地理信息資源目錄服務系統(http://www.webmap.cn)提供的1∶2500000的全國基礎地理數據。運用ArcGIS 10.4中的歐氏距離工具來獲取到居民點的距離、到水源的距離和到不同等級道路的距離的柵格數據。北京市行政邊界數據來自于國家基礎地理信息系統(http://nfgis.nsdi.gov.cn/)1∶4000000的中國行政區劃矢量地圖,自然保護地邊界來源于北京市園林綠化局。

1.3.3模型構建、精度檢驗及相關性檢驗

使用MaxEnt v3.4.1軟件[38]評估各物種的適宜棲息地。首先檢驗環境變量兩兩之間的Pearson′s相關系數,對于|r|≥0.8的一對變量,保留對初步模型結果貢獻大的一個[39]；然后針對不同物種,根據刀切法(Jackknife test)檢驗系數的結果,剔除貢獻率低于0.4的環境變量,最終確定用于預測研究對象棲息地的環境因子[40]。

將6個物種的分布點數據和環境因子數據分別導入MaxEnt模型中,針對不同研究對象隨機選取該物種75%的樣本數據作為訓練數據構建最大熵模型,剩余25%的樣本用于模型驗證[32]。使用AUC評價指標對模型的效果和各個環境特征變量的重要性進行檢測,來驗證最大熵模型的準確度[41]。AUC的取值在0—1之間,數值越接近于1表示預測精確度越高[32]。對于每個物種,使用模型中的自舉重復功能運算10次,取AUC值較大者作為模型模擬的最終結果[39]。

1.4 適宜棲息地分析

MaxEnt模型輸出的預測結果是物種在研究區域的存在概率,適宜棲息地的值越高,代表物種存在的條件越有利[42]。模型輸出的預測結果通過閾值來劃分適宜生境和不適宜生境,閾值的選擇對于確定最終的物種適宜棲息地分布范圍十分重要[32]。在模型運行過程中,得出的10%存在點訓練集邏輯斯蒂閾值(10%TPLT)可以確保在全部已知樣點中至少包含90%的樣點是適宜的[43]。所以選擇10%存在點訓練集邏輯斯蒂閾值將預測的概率圖轉化為Presence/Absence二值圖[32]。利用ArcGIS 10.4對其進行賦值,Presence賦值為1,即適宜棲息地；Absence賦值為0,即不適宜。最終得到6個代表性物種的二值圖[39]。通過疊加6個物種的二值圖得到單個像元值最高為6,取像元值≥3者為分布熱點區,得到物種適宜棲息地的分布熱點[40]。

1.5 保護成效與空缺分析

將各目標物種的適宜棲息地分布范圍與自然保護地進行疊加,將每個物種在自然保護地內的分布面積占其分布總面積的比例視為該物種的受保護率[9]。在ArcGIS 10.4中,分別計算物種受保護率以及北京市自然保護地對各目標物種適宜棲息地的覆蓋比例,用于從物種和自然保護地類型兩個方面反映北京市自然保護地的保護成效。將6個物種適宜棲息地的分布熱點圖與北京市自然保護地分布圖進行空間疊加,識別需要保護但目前尚不屬于自然保護地保護范圍的區域,即為保護空缺[40]。

2 研究結果

2.1 預測模型精度檢驗

6個野生動物模型模擬結果的相應ROC值均大于0.90(圖2),表明MaxEnt模型預測能力優秀,影響6個物種分布的環境因子和模型預測的對應物種重要棲息地分布之間存在比較好的相關性。

圖2 6個物種的MaxEnt模型預測結果的受試者工作特征曲線(ROC曲線)Fig.2 Receiver Operating Characteristic Curve (ROC) of MaxEnt model prediction results of the 6 species

2.2 適宜棲息地分布

黑鸛在北京地區的適宜棲息地面積為3559.67km2,占研究區總面積的21.22%。主要分布在密云區密云水庫及周邊地區、房山區的中部地區以及西南部、門頭溝區的東部和中部、海淀區的中北部、昌平區北部、懷柔區的中部和南部等地。大鴇在北京地區的適宜棲息地面積為95.70km2,占北京市行政總面積的0.57%。主要分布在密云區的密云水庫周邊水系附近、平谷區-順義區-通州區北部的河流水系沿線、昌平區東北部、延慶區的官廳水庫及周邊地區等地。鴛鴦在北京地區的適宜棲息地面積為2993.90km2,占北京市行政總面積的17.85%。主要分布在中心城區的城市公園、密云區密云水庫周邊區域、房山區西南部、門頭溝區東部和中部地區、延慶區官廳水庫周邊等地,多靠近河流水系分布(圖3)。

褐馬雞在北京地區的適宜棲息地面積為19.70km2,共占北京市行政總面積的0.12%。主要集中在門頭溝區西南部的山林地區。金雕在北京地區的適宜棲息地面積為642.75km2,占北京市行政總面積的3.83%。主要集中在門頭溝區和房山區西北部的山區,另外在延慶區和密云區也均有分布。斑羚在北京地區的適宜棲息地面積為711.02km2,占北京市行政總面積的4.24%。主要集中在北京西部的山地區域,包括懷柔區、延慶區、昌平區、門頭溝區以及房山區等地,另外在密云區也有少量分布(圖3)。

圖3 6個物種在北京市的適宜棲息地分布Fig.3 Distribution of suitable habitats of the 6 species in Beijing

2.3 適宜棲息地的熱點區域

6個物種適宜棲息地分布的熱點區域面積為280.01km2(圖4),占北京市行政面積的1.71%。熱點區域主要包括密云區密云水庫周邊地區、延慶區官廳水庫及周邊區域,門頭溝區靈山自然風景區-小龍門森林公園、永定河-清水河沿線和房山區西北部百花山國家級自然保護區、拒馬河沿線、大石河沿線等地。

圖4 6個物種適宜棲息地在北京地區的熱點分布(物種種數≥3者即為熱點分布區域)Fig.4 The suitable habitat hotspots of the 6 species in Beijing (the area with ≥ 3 species is classified as the hotspot area)

2.4 自然保護地對物種適宜棲息地的保護成效

6個研究物種在現有的自然保護地體系中均得到了不同程度的保護,平均受保護率為41.00%。其中褐馬雞的受保護率最高(92.82%),其次為斑羚(52.43%)、金雕(43.79%)、大鴇(23.04%)、黑鸛(19.94%),鴛鴦的受保護率最低(13.66%)。

北京市自然保護地覆蓋了141.54km2的熱點區域,有49.45%的熱點區域未被覆蓋,未被覆蓋的熱點區域即為保護空缺。各類自然保護地對典型物種熱點地區的覆蓋率存在差異,其中風景名勝區相對覆蓋比例較高(14.74%)；其余類型的覆蓋率由高到低依次為自然保護區(14.17%)、地質公園(10.49%)、森林公園(4.10%)和濕地公園(0.83%)(表1)。

表1 北京市不同類型自然保護地對6個典型物種適宜棲息地熱點分布的覆蓋情況

2.5 保護空缺

物種適宜棲息地熱點地區的保護空缺主要分布在密云水庫各支流的沿線及周邊區域；延慶區南部、懷柔區南部與昌平區北部相接壤的地區；門頭溝區中部永定河-清水河沿線及周邊地區；房山區的北部、西部及中部地區；順義區的潮白河沿線等地。其中,門頭溝區和房山區的保護空缺面積最大(圖5)。

圖5 北京市6個典型物種的保護空缺分布Fig.5 Spatial distribution of the GAPs of the 6 species in Beijing

3 討論

保護以典型物種為代表的生物多樣性是設立自然保護地的首要目標之一,因此對物種保護成效的評估可以反映自然保護地對物種及其棲息地的保護效果[16]。以國家重點保護的、珍稀瀕危的野生動植物物種作為評價生物多樣性熱點區域、物種多樣性保護優先區的指標則是當前物種多樣性保護和分布格局的重要方法[13,44]。熱點區域的識別則可以幫助我們以最小的成本、最大限度地保護區域生物多樣性[45]。

褐馬雞、金雕等6個物種適宜棲息地的熱點區域主要分布于密云區、懷柔區與昌平區的交界處、延慶區西部、門頭溝區和房山區等地。其中,黑鸛、大鴇和鴛鴦主要分布在淺山地帶以及平原的濕地區域,與人類活動空間重疊范圍較大[26,31,34]。褐馬雞作為一種典型的森林雉類[35],在北京主要分布于西北山地森林區域,受到的人為干擾較小[22]；金雕的適宜棲息地主要集中在海拔較高的山林區域,人為干擾也較弱[30]；斑羚對人為干擾極為敏感,其適宜棲息地主要分布在北京市北部和西南部中高海拔、植被豐富、靠近水源的區域[15,46]。

然而,北京市自然保護地對這6個物種適宜棲息地熱點區域的覆蓋率整體較低,其中對褐馬雞、金雕和斑羚的保護效率較高,而對黑鸛、大鴇和鴛鴦的保護效率則相對較低。這與北京市自然保護地空間布局和發展過程密切相關。京郊山區是北京市最早開展自然保護地建設工作的區域,擁有著北京市70%以上的自然保護地[47]。與此相應的,北京市平原及城市中心地區則是城市發展的重點區域[48],相關政策難以直接惠及該區域的生物多樣性保護[23]。并且,過去北京市的自然保護地建設管理具有我國自然保護地發展的共同特點,即分部門管理[47]。各部門在自然資源相對豐富、有生態旅游潛力的優勢地區,集中建立了很多森林公園、濕地公園、風景名勝區和地質公園,這也促使北京市自然保護地呈現聚集分布、保護范圍交叉重疊嚴重的現象[49]。

在當前建立以國家公園為主體的自然保護地體系的背景下,整合優化現有自然保護地體系、提升整體保護成效是迫切需要解決的問題,也是重構北京市自然保護地體系的重要契機[47]。根據本研究結果,為了提升北京市自然保護地的保護成效,應因地制宜,針對不同的保護對象采取不同的策略來完善自然保護地體系：對于門頭溝區和房山區山林地帶、人為干擾較少的野生動物適宜棲息地保護空缺,可以根據實際受威脅程度、利用強度等情況,增設新的自然保護地；對于懷柔區與昌平區交界處的未能劃入自然保護地的野生動物適宜棲息地保護空缺區域,可通過擴大自然保護地范圍將其劃入就近的自然保護地內；對于平原區面積小且分布零散的野生動物適宜棲息地保護空缺,可以通過建設生態走廊、設定保護小區或納入生態紅線等形式予以保護；對于分布在城市建成區內的野生動物,也可以在濕地、城市公園等區域生態關鍵節點處,根據保護對象的棲息地需求營造微生境,為野生保護動物提供棲息場所。

與利用單一物種或單一類群評估區域自然保護地保護成效的研究相比,本研究表明從多個類群物種的角度評估自然保護地保護成效更具有全面性和科學性,同時也可以為野生動物重要棲息地的識別與劃定提供可行的方案。然而,本研究也存在一些不足。比如受到數據和文獻資料的限制,本研究僅選取了在北京地區比較典型的國家級重點保護動物作為北京市自然保護地保護成效評估的研究對象,也沒有考慮到北京市自然保護地對植物棲息地的保護成效。因此,今后的工作中,應盡量考慮增加更多的物種,從物種的種類和數量變化、種群的空間分布格局與范圍、種群生存力分析等方面深入評估北京市自然保護地的保護成效,進而更好地提升北京市自然保護地對區域生物多樣性的保護成效。

4 結論

(1)研究所選取的6個目標物種中,黑鸛、大鴇和鴛鴦主要分布于北京市淺山地帶和平原上的濕地區域；褐馬雞、金雕和斑羚的棲息地則集中分布于市域西南部和北部中高海拔的山林區域。由于北京市自然保護地分布不夠均衡,所以總體上黑鸛、大鴇和鴛鴦受自然保護地保護率低,而褐馬雞、金雕和斑羚受自然保護地保護率高。

(2)6個物種適宜棲息地分布的熱點區域主要分布于密云區、懷柔區與昌平區的交界處、延慶區西部、門頭溝區和房山區等地。北京市現有的自然保護地對物種適宜棲息地分布熱點區域的覆蓋率相對較低,這與北京市自然保護地空間布局和發展過程密切相關。

(3)針對于現存的保護空缺,建議政府相關部門因地制宜,針對不同的保護對象采取不同的保護策略來完善現有自然保護地體系。如擴大或合并現有自然保護地、增設新的自然保護地、納入生態保護紅線或營造微生境等方式來提升北京市自然保護地的保護成效。