基于森林资源清查数据的区域生物多样性评价方法：以北京市为例

刘春兰，陈 龙，乔 青，马明睿，裴 厦，王海华，宁杨翠，张继平

(北京市环境保护科学研究院/ 国家城市环境污染控制工程技术研究中心，北京 100037)

基于森林资源清查数据的区域生物多样性评价方法：以北京市为例

刘春兰，陈 龙①，乔 青，马明睿，裴 厦，王海华，宁杨翠，张继平

(北京市环境保护科学研究院/ 国家城市环境污染控制工程技术研究中心，北京 100037)

随着人类活动影响的加剧，生物多样性急剧丧失，如何遏制生物多样性的持续下降成为可持续发展所面临的严峻挑战，实际工作中迫切需要准确而快速地对区域生物多样性进行评估。以森林资源清查数据为基础，构建一套区域尺度陆地生物多样性的评价指标体系，并以北京市为案例区进行评价。依据生物多样性的评价结果，坚持连续性和完整性原则，以小班为单元，以高分辨率遥感影像为辅助，人工识别得到8个生物多样性热点区。热点区面积共计约3 791 km2，约占北京市国土面积的23%，全部位于北部和西部山区。结果表明，评价结果较好地反映了北京市生物多样性状况，所识别的热点区与物种调查结果相吻合，也涵盖了现有自然保护区。同时利用现有保护地和遥感影像，识别生物多样性空缺区和生态廊道的潜在分布区，形成生物多样性一张图。该方法简单成熟，无需复杂的专业背景，所用数据为各地基础调查数据，可为区域尺度的生物多样性评估，特别是缺乏生物多样性专业人才和物种调查数据的区域提供方法借鉴，在生物多样性保护工作中具有实际应用意义；同时以小班为单元的划界方法解决了一般规划落实难的问题，也可为政府部门的决策提供依据。

生物多样性；热点区；空缺区；指标体系；生态廊道

生物多样性是地球生命支持系统的重要组成部分，是人类赖以生存的条件，是经济社会可持续发展的基础[1-2]。然而，随着生境的消失和退化，自然资源的不合理利用、环境污染、外来物种入侵和气候变化等原因，使得人类活动对生物多样性的压力日益加剧，生物多样性急剧丧失[3-4]，直接影响生物多样性提供给人类的产品和服务，间接影响人类福祉和社会经济发展[5]。如何遏制生物多样性的持续下降成为可持续发展所面临的严峻挑战，早已引起各国政府的关注，成为衡量一个国家生态文明水平和可持续发展能力的重要标志。近年来，我国政府批准成立了中国生物多样性保护国家委员会，发布了《中国生物多样性保护战略与行动计划(2011—2030年)》，明确了生物多样性保护的基本原则、战略目标、优先领域和优先行动，将生物多样性保护上升为国家战略。目前开展的生物多样性优先区保护规划、生态保护红线划定、生态安全格局构建和生态功能评价等一系列工作都将生物多样性作为重点内容，迫切需要从大尺度上快速、准确、有效地对生物多样性进行整体评估，从而为生物多样性的保育和决策提供依据[6]。因此，如何快速而精确地获取区域尺度陆域生物多样性的状况已成为地方政府相关部门的主要工作之一。

由于时间、资金、人力等投入的有限性，生物多样性存在空间异质性以及受威胁程度存在差异性等，生物多样性保护工作有轻重缓急之分[7]。因此，识别区域内生物多样性的热点地区和潜在空缺地区，集中力量优先进行保护，是生物多样性保护较为现实和高效的途径[8]，也是目前较为通用的做法[9-11]，有助于明确最急需保护的区域，为政府部门更有效地利用保护资源提供依据[12]。

目前对区域生物多样性进行评价，进而获取热点区和空缺区的空间分布尚存在诸多困难[13]，通常表现为无法兼顾区域尺度的全覆盖和数据在小尺度上的精确性。如基于样点的物种调查是最常用的方法，是表征区域生物多样性的理想手段，然而经典生物多样性调查和编目依赖小尺度上的大量野外调查[14]，耗时耗力且要求调查者具备一定采样技术[15]，同时受分类知识和技术条件限制，不少生物门类的物种鉴定还无法实现[16]，因此，该方法在大尺度区域很难实现全覆盖。环境保护部发行的区域生物多样性评价标准通过若干替代指标计算出评价区域的生物多样性指数来评定其生物多样性状况[17]，该标准同样依赖于完备的物种调查数据，且无法获取区域内部生物多样性的空间异质性状况。若要获取乡镇、县或省的不同尺度上的物种数据，则还需对区域内所有物种样方数据根据其采样地点重新统计科、属、种的编目工作，数据获取困难且工作繁琐。遥感技术能提供区域尺度的诸多信息[18]，但在生物多样性领域的应用也存在一定制约[19]。首先在技术层面，遥感在生物多样性方面的应用处于探索阶段，尚无得到广泛认可的成熟方法；其次遥感监测同样需要大量的地面调查结果进行验证才能提高其精度；另外，许多生态学家和保护生物学家对遥感方法表示怀疑也是限制其应用的一个重要因素[20]。

因此，全面、准确、可靠地掌握区域内生物多样性信息是识别生物多样性热点区和空缺区的前提和难点，需要非常详细的普查数据。森林资源清查数据具有调查范围广、精确度高、连续监测等特点，既具有小尺度的精确度，又做到了大尺度上的全覆盖，是各地林业部门都具备的基础性数据。该数据不但包含森林的详实数据，而且包含对灌木和草地的详细记录，是我国目前生态系统方面最详细的调查数据，其中隐含着很多与生物多样性直接或间接相关的指标。因此，充分利用森林清查数据，从中筛选与生物多样性有关的指标，辅以物种调查结果进行补充和验证，完全可以快速、准确、直观、全面反映区域尺度陆地生物多样性的状况[21]。

综上，基于森林资源清查数据，笔者试图借助表征生物多样性的关键指标，构建区域尺度陆地生物多样性的评价指标体系；在空间上表现生物多样性的相对重要程度，从而快速识别评价区域生物多样性的热点区以及生态廊道、空缺区的潜在分布区域。该结果可以根据研究尺度和研究范围进行任意裁切和统计，简单快捷，适用于生物多样性保护优先区规划、生态安全格局构建以及生态保护红线划定等相关工作的前期研究。

1 评价方法

1.1 评价流程

生物多样性评价流程详见图1。首先,基于森林资源清查数据以及专家综合评判，筛选相关指标构建生物多样性评价指标体系，得到评价区域小班尺度的生物多样性状况。然后,结合该区域最新的遥感影像以及历史物种调查记录，得到区域生物多样性的热点区和连接热点区的生态廊道的潜在分布区。最后,结合现有保护地的分布状况，得到区域生物多样性的潜在空缺区。

图1 生物多样性评价技术路线Fig.1 Technical route of biodiversity evaluation

1.2 指标体系构建

区域生物多样性评估一般涉及物种和生态系统的丰富性、特有性、受威胁性和稀有性等指标。其中，丰富性是最重要的内容，也是最普适的属性，任何区域的物种和生态系统都具有一定的丰富性，而特有性、受威胁性和稀有性等则是部分区域物种和生态系统所特有的属性。基于以上分析，考虑到区域尺度生物多样性评价的全覆盖性和空间可视化，首先,可通过表征替代指标建立指标体系，对丰富性进行全覆盖评价和空间可视化表达；继而根据需要，利用评价区域内保护物种或濒危物种的分布调查数据识别其空间分布，归一化后对丰富性评估结果实现后期矫正和补充，来表征特有性、受威胁性和稀有性。

森林清查数据记录中与生物多样性有关的包括群落结构、林层结构、树种结构、森林健康、林木起源、郁闭度等级、森林自然度、灌草覆盖度、枯枝落叶厚度和腐殖质层厚度等十余个指标。首先,基于科学性、代表性、层次性和互补性原则，形成了由8个指标构成的用于反映乔木、灌木、草本和土壤4个层次生物多样性的一套评价体系。然后,经过生态学、生物多样性、林学、地理学等多学科的30位专家的经验分析和综合判断，对各指标进行权重赋值，满分为100分。每一指标的得分等距分为5级(0.2、0.4、0.6、0.8、1)，并给出了评分依据。其中,定性指标根据其意义和经验直接归类赋值(如群落结构、树种结构和自然度)；定量指标中盖度和郁闭度为等距分级后赋值，腐殖质厚度和枯枝落叶厚度则根据所有小班记录数据的分布情况，采用自然间断点分级(natural breaks)方法分级赋值，该方法可对相似值进行最恰当地分组，并可使各个类之间的差异最大化(表1)。据此可以计算得到每个小班的生物多样性得分，表征其生物多样性状况。

表1生物多样性评价指标体系
Table1Theindicatorsystemofbiodiversityevaluation

得分乔木灌木草本土壤群落结构树种结构郁闭度自然度灌木盖度/%草本盖度/%腐殖质厚度/cm枯枝落叶厚度/cm1 完整结构类型6、7gt;0 8Ⅰgt;80gt;80gt;5gt;50 8完整结构类型5gt;0 6～0 8Ⅱgt;60～80gt;60～80 3～5 3～50 6复杂结构类型4gt;0 4～0 6Ⅲgt;40～60gt;40～60 1～3 1～30 4复杂结构类型3gt;0 2～0 4Ⅳgt;20～40gt;20～400 5～10 5～10 2简单结构类型1、2≤0 2Ⅴ≤20≤20≤0 5≤0 5

群落结构、树种结构、郁闭度、自然度、灌木盖度、草本盖度、腐殖质厚度和枯枝落叶厚度的权重分别为21.6、15.0、7.9、14.0、14.3、10.6、8.5和8.1。

1.3 指标解释

群落结构用于表征森林层次的丰富情况，森林层次越多表示其生物多样性越丰富,分为完整结构、复杂结构、简单结构3类：完整结构指具有乔木层、下木层、草本层和地被物层4个植被层的森林群落结构类型；复杂结构指具有乔木层和其他1～2个植被层；简单结构指只有乔木1个植被层。

树种结构表征森林群落树种的丰富程度，主要包括以下几种类型：类型1—针叶纯林；类型2—阔叶纯林；类型3—针叶相对纯林；类型4—阔叶相对纯林；类型5—针叶混交林；类型6—针阔混交林；类型7—阔叶混交林。

郁闭度指林木树冠覆盖林地的程度，以树冠垂直投影面积与林地面积之比表示。

森林自然度按照现实森林类型地带性与原始顶极森林类型的差异，或次生森林类型位于演替中的阶段来划分，也反映了人为干扰的情况。Ⅰ级：原始或受人为影响很小而处于基本原始状态的植被。Ⅱ级：有明显人为干扰的天然森林类型或处于演替后期的次生森林类型，以地带性顶极适应值较高的树种为主，顶极树种明显可见。Ⅲ级：人为干扰很大的次生森林类型，处于次生演替的后期阶段，除先锋树种外，也可预见顶极树种出现。Ⅳ级：人为干扰很大，演替逆行，处于极为残次的次生林阶段，以地带性先锋树种为主。Ⅴ级：人为干扰强度极大且持续，地带性森林类型几乎破坏殆尽，处于难以恢复的逆行演替后期，包括各种人工森林类型。

灌木盖度指灌木植被覆盖小班的程度，以小班内灌木植被垂直投影面积与小班面积之比表示，用于反映灌木层的生物多样性。

草本盖度指草本层覆盖小班的程度，以小班内草本植被垂直投影面积与小班面积之比表示，用于反映草本层的生物多样性。

腐殖质厚度为土壤生物提供有机物和栖息地等支持，用于反映土壤层的生物多样性。

枯枝落叶为土壤提供有机物、水分和养分支持，并为昆虫和菌类等提供丰富的食物来源，枯枝落叶厚度也是反映土壤表层生物多样性的重要指标。

2 案例应用

2.1 研究区概况

北京市位于华北平原西北隅，北纬39°26～41°03′，东经115°25′～117°30′，面积为16 410 km2。由西北山地(61.29%) 和东南平原(38.71%) 两大地貌单元组成，处于平原与高原、山地过渡的地带，生境类型多样，具有丰富的植被类型和复杂的生物群落，野生动植物资源非常丰富[22]。目前，北京市共建成各类自然保护区20个，总面积约13万km2，约占国土面积8%。然而近年来快速城市化导致生物栖息地丧失、退化和破碎化[23]，使得生物多样性保护工作面临着严峻挑战。有必要在区域尺度对其进行整体评价，为生物多样性的保育和决策提供依据，从而开展下一步工作。

2.2 数据来源及评价方法

研究数据：北京市森林资源清查数据(2009年)，2015年SPOT遥感影像数据(分辨率5 m)，北京市现有保护地分布数据(包括自然保护区、森林公园和风景名胜区)，对李景文等[24]基于乡镇尺度的北京市野生维管植物调查结果进行空间化生成的矢量数据。

生物多样性评估：首先基于森林资源清查数据，利用所建指标体系对案例区生物多样性状况进行评价，采用自然间断点分级(Jenks)分类方法对评价结果进行分级，该方法可使组间方差最大、组内方差最小，从而使各组之间的差异达到最大化，结果较为客观。将评价结果分为生物多样性丰富区、较丰富区、一般区、较低区和低区5级。由于北京缺乏具有重要意义的保护种和濒危种，因此案例评估重点考虑生物多样性的丰富程度。

热点区识别：为保持生物多样性热点区的连续性、完整性和可行性，以调查小班为单元，对生物多样性丰富区和较丰富区集中分布的区域进行人工边界识别，并叠加最新高分辨率遥感影像作为辅助，目视扣除人为干扰剧烈的区域。

空缺区识别：生物多样性热点区中除去现有保护地则为空缺区的潜在分布区。

生态廊道：构建原则以生物多样性热点区为依托，选择植被现状条件较好且远离人为干扰的地块，而边界则尽量最小化。实际操作时基于小班边界，以生物多样性评估结果为依据，选择得分较高的地块，同时叠加最新高分辨率遥感影像以避开人为干扰剧烈的区域。

采用ArcGIS 10.2软件对以上所有数据进行处理、空间分析和可视化。

2.3 结果与分析

2.3.1生物多样性热点区识别

依据上述指标体系和评价方法，利用森林清查数据对北京市生物多样性状况进行评价，得到生物多样性丰富程度不同的5个级别(图2)。基于连续性和完整性原则，识别得到8个生物多样性热点区，并根据其所在地对热点区进行命名。同时在热点区之间识别出生态廊道的潜在分布区。热点区面积共计约3 791 km2，约占北京市国土面积的23%，全部位于北部和西部山区。

由于指标体系的评价结果带有一定的主观性，为保证结果与实际情况相符，其结果必须进行验证和修订。将热点区识别结果与物种调查结果和自然保护区现状分别进行对比，以保证结果的准确性。

与基于乡镇尺度物种调查结果(图3)进行对比发现，热点区基本包含了具有150种以上维管植物的乡镇。由于物种调查存在很多空白区域，以及由点(样点)到面(乡镇)的统计无法精确识别乡镇区域内生物多样性丰富区，该结果还可以与物种调查结果进行相互验证和补充。与现有自然保护区位置(图4)进行对比发现，除了水域类型和地质类型保护区外，热点区涵盖了其他所有自然保护区。综合结果表明，该研究识别的热点区与现实情况基本相符，同时对物种调查结果和自然保护区的分布也可起到补充作用。

2.3.2生物多样性潜在空缺区识别

如图5所示,根据热点区的分布结果和北京市现有保护地的分布(包括自然保护区、森林公园和风景名胜区)，参考最新的遥感影像，识别生物多样性潜在空缺区(图5)，其主要分布于八达岭—四海—千家店区域、云蒙山区域、百花山—东灵山区域和雾灵山区域，面积约1 068 km2，结果可为下一步生物多样性保护工作提供依据。

结合实地调查验证，最终划定生物多样性空缺区，通过自然保护区、森林公园、风景名胜区或国家公园等多种形式予以保护。

图2 北京市生物多样性热点区及生态廊道Fig.2 Biodiveristy hotspots and ecological corridors in Beijing

根据李景文等[24]数据绘制。

3 讨论

区域尺度生物多样性的评估是目前的研究热点之一，在地方政府的工作中有很大需求。而森林资源清查数据是各地都具备的，既覆盖大尺度，又能保证小尺度精度的重要基础数据，且长期进行监测可用于分析变化情况。

图4 热点区分布与现有自然保护区Fig.4 Distribution of hotspots and existing nature reserves

图5 生物多样性潜在空缺区Fig.5 Potential distribution of biodiversity protection absent areas

笔者基于森林资源清查数据，构建了区域尺度陆地生物多样性评估指标体系，并以北京市为案例进行了评估，结果与物种调查数据基本相符，且涵盖了目前已有的自然保护区，较好地表征了北京市区域尺度生物多样性状况，并基于遥感影像的辅助，形成了生物多样性热点区、生态廊道潜在分布区和空缺区的一张图(图6)。所用方法简单成熟，无需复杂的专业背景，可为区域尺度的生物多样性评估，特别是缺乏生物多样性专业人才和物种调查数据的区域提供方法借鉴。在实际应用时，可根据区域实际情况调整指标及其权重，快速而准确地得到评价区域的生物多样性状况，且基于小班尺度识别的热点区和空缺区分布结果非常精细，可直接规划到地块，解决了一般规划落实难的问题。

图6 生物多样性评价结果Fig.6 Biodiversity evaluation map

4 结论

基于森林资源清查数据，构建了一套区域尺度陆地生物多样性的评价指标体系，并以北京市为例，评价识别了生物多样性的热点区以及生态廊道、空缺区的潜在分布区域，其结果与北京市生物多样性状况较为吻合，有助于生物多样性保护优先区规划以及生态保护红线划定等相关工作的前期研究。该方法在缺乏生物多样性专业人才或物种基础调查数据的区域具有良好的应用前景。

然而，指标体系的评价方法本质仍属于替代指标评价，在森林小班调查质量较高和一致性良好的区域效果较好，若调查质量不高或调查人员对指标的理解和记录差别较大则容易出现误差。因此，评价结果若有当地物种调查资料辅助验证或请有经验的专家进行判断则结果会更为准确。下一步笔者拟借助物种分布模型，对评价区有重要意义的物种分布区域进行提取，结合该方法在评价生物多样性状况的基础上，识别重要物种的分布区，使生物多样性保护工作有的放矢，更具实际意义。

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刘春兰(1978—)，女，河北唐山人，副研究员,博士，研究方向为生态系统评估与生物多样性保护。E-mail：liuchunlan@cee.cn

(责任编辑：陈 昕)

EvaluationMethodofRegionalBiodiversityBasedonForestInventoryData：ACaseStudyofBeijing.

LIU Chun-lan,CHEN Long,QIAO Qing,MA Ming-rui,PEI Sha,WANG Hai-hua,NING Yang-cui,ZHANG Ji-ping

(Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection/ National Urban Environmental Pollution Control Engineering Research Center,Beijing 100037,China)

With the increasing impact of human activities and the rapid loss of biodiversity,how to prevent the continued decline in biodiversity has become a serious challenge we are facing in sustainable development. Thus,there is an urgent need for accurate and efficient assessment of regional biodiversity in practical work. Based on the forest inventory data,we designed a set of indicating system which had been used to evaluate the regional biodiversity of Beijing City. We manually identified eight biodiversity hotspots consisted of forest sublots by utilizing the established biodiversity evaluation results and high-resolution remote sensing images. The evaluation complied with the principle of consecutiveness and comprehensiveness. All hot spots were located in the northern and western mountain areas of Beijing,with a total area of about 3 791 km2,taking account for 23% of Beijing′s land area approximately. The results well reflected the biodiversity status of Beijing city. These hotspots areas identified which covered the existing nature reserves are consistent with the findings of field surveys. Meanwhile,we also identified the potential distribution of the protection gap areas and ecological corridors by using existing protected areas and remote sensing images. The system is simple and stable and requires very little professional backgrounds and data. It could be used as a reference for assessments of biodiversity at the regional level,especially useful for those lacking biodiversity expertise and field survey data. Therefore,the system is significantly practical in biodiversity conservation work. At the same time,the demarcation method solved the problem of operation planning difficulties by using boundaries of forest sublots. It also provided the theory evidences which could help and support government decisions.

biodiversity; hotspot; gap area; indicator system; ecological corridor

2017-02-17

国家自然科学基金(41501607)；北京市自然科学基金(5164031)；北京市科技计划(Z161100001116017)；北京市环境保护科学研究院基金(2017-A-03,2016-B-01)

① 通信作者E-mail：bryum@163.com

X826；X176

A

1673-4831(2017)11-1042-07

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.11.012