太行山生物多样性保护优先区（北京区域）急需保护物种的空间分布、热点识别及保护成效评价

陈 龙，刘春兰，马明睿，乔 青，裴 厦，刘晓娜 （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）

生物多样性是人类赖以生存的条件，是经济社会可持续发展的基础［1］。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，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［2-3］，已经引起国际社会、各国政府和科学界的广泛关注［4］。实践表明，建立自然保护区是生物多样性就地保护的主要形式，也是最直接、最有效的措施，是衡量生物多样性保护工作的重要指标［5-7］。根据《2016年中国环境状况公报》公布的数据，截至2016年底，中国共建立各种类型、不同级别的自然保护区2 750个，总面积14 733万hm2，其中自然保护区陆地面积约14 288万hm2，占全国陆地面积的14.88%，有效保护了珍稀动植物及其生境。但早期自然保护区多属于抢救性划建，缺乏统一规划，存在布局不均衡和关键地区生物多样性就地保护力度不够等很多问题，孤岛与破碎化现象严重，影响自然保护区效果发挥［8-9］。因此，识别急需保护物种的热点区域及其保护空缺，将关键地区纳入自然保护区，同时对自然保护区的保护效果进行评估，提升现有自然保护区的管理水平，对于提升自然保护区的保护效率和宏观规划具有重要意义［10］，这也是目前生物多样性研究的热点领域之一［4，11］。

生物多样性保护优先区是《中国生物多样性保护战略与行动计划（2011—2030年）》的重要内容，是落实《生物多样性公约》的重要措施。这些区域生物多样性丰富，集中分布着中国绝大多数的生态系统和物种，如何保护好这些区域的生态环境和生物多样性，实现可持续发展，是这些区域急需解决的重要问题［12-13］。太行山生物多样性保护优先区是35个生物多样性保护优先区域之一，地跨北京市、天津市、河北省、山西省、河南省5个省（市），总面积为62 568 km2，保护重点为原生暖温带落叶阔叶林生态系统以及华北落叶松（Larix gmeliniivar.principis‑ruppre‑chtii）、青杄（Picea wilsonii）、白杄（Picea meyeri）、褐马鸡（Crossoptilon mantchuricum）、猕猴（Macaca mulat‑ta）等重要物种及其栖息地。笔者以太行山生物多样性保护优先区域北京部分为案例区，筛选最急需保护的目标物种，旨在识别研究区目标物种的空间分布及其热点分布区域，分析现有自然保护区对于目标物种的保护效果，识别目标物种尚未得到有效保护的空缺区域。研究成果有助于优化现有保护网络体系，提升急需保护物种的保护效果，同时也有助于将自然保护区外值得保护的生物多样性关键区域划入生态保护红线，起到重要的补充作用。

1 研究区概况

太行山生物多样性保护优先区北京境内部分位于该优先区最北端（图1），涵盖了北京市西部和北部山区，面积为9 305 km2，占优先区总面积的15%。研究区西面、北面和东北面分别为太行山系和燕山山脉，处于山地向平原的过渡地带，属于半湿润向半干旱气候过渡的区域。地形复杂，高差大，坡向变化多，地貌类型丰富，分布有中山、低山、丘陵、台地和平原等多种地貌类型，以海拔200～500 m的低山丘陵和海拔800～1 500 m的中山占据优势，最高峰东灵山海拔2 303 m。生态系统类型多样，从西北到东南逐渐由森林、灌丛、草丛向农田过渡［14-15］。复杂的地形和过渡性质的区位决定了研究区丰富的生物多样性，涵盖了北京市所有14个森林类自然保护区，其中包括2个国家级自然保护区（百花山和松山）。同时，研究区还处于北京市水源的上游和上风向，是首都的水源地和生态屏障，具有重要的生态价值。

图1 研究区位置示意图Fig.1 The location map of the study area

2 研究方法

2.1 目标物种筛选与赋值

通过文献调研和专家咨询结合的方式，筛选研究区内的急需保护的目标物种，参考《生物多样性保护优先区域规划编制指南》（环办生态函［2016］1030号）推荐方法对目标物种进行分级分类，并利用赋分法对不同物种进行赋值（表1）。最终筛选得到48个待保护的目标物种，包含31种植物和17种动物。鉴于研究区资料的可获得性和空间识别的准确性，动物主要考虑兽类。

2.2 物种重要性空间分布评估

影响物种生存的环境因子很多，有些环境因子对物种生存起着关键作用，如果该因子不存在，将直接影响到物种的生存和繁衍。根据此原理，基于生境适宜性模型，采用赋值求积的方法对筛选的目标物种进行物种生境适宜性评价。其流程主要包括：（1）分析对象物种的生境需求，明确影响其种群及行为的限制因素或主导因素；（2）建立各项因素相应的评价准则，并进行单项因素的适宜性评价；（3）根据一定的准则进行生境综合分析与评价，以明确研究区各空间单元对象物种的适宜性特征。

表1 不同类别目标物种的赋值Table1 Valuationofthetargetspeciesindifferentcategories

考虑到目标物种较多，同时所在研究区范围较小，海拔和人为干扰是影响区域内大部分物种分布的主要因子。因此，首先明确各目标物种分布的区县，然后结合海拔数据和生态系统分布数据综合提取各目标物种的适宜生境分布范围，并根据表1进行赋值，叠加得到整个研究区的物种重要性空间分布。详细流程如下：（1）通过查阅《北京植物志》［16］、中国植物志全文电子版网站（http：//frps.eflora.cn/）、《北京兽类志》［17］、北京市区县级物种分布数据［18］以及北京市其他物种调查成果［19-20］确定每个物种的分布区县、海拔分布范围及适宜生境；（2）利用数字高程模型（DEM）提取每个物种的海拔分布范围；（3）利用研究区生态系统分布数据提取每个物种的适宜生态系统类型，数据来源于原环境保护部卫星环境应用中心提供的《全国生态状况变化（2010—2015年）调查与评估》成果；（4）提取每个物种分布的区县；（5）对提取的每个物种分布的区县、海拔范围及生境类型进行叠加分析，公共区域即为每个物种的适宜生境分布范围；（6）根据表1对每个物种的重要性进行赋值，并对其适宜生境分布范围进行叠加，最终获取整个研究区的物种重要性空间分布信息。空间分析工具为ArcGIS 10.2软件。

2.3 物种重要性热点区域识别

空间自相关分析可以在一定程度上反映空间事物的分布是否具有显著集聚性。其中，Moran′sI指数可表征研究区内相似属性值的平均集聚程度［21］，是常用的空间自相关分析方法。通过计算研究区内物种重要性分布的Moran′sI指数，判断急需保护物种分布的总体聚集情况。除了判断物种重要性的总体分布状况外，还需识别研究区中物种重要性程度显著高于其他区域的热点地区作为最急需保护的区域，从而分配更多资源用于生物多样性保护。采用Gi*系数来识别物种重要性分布的热点地区，该方法是空间统计中常用的一种基于距离全矩阵的局部空间自相关指标［22］，用以探查研究区物种重要性在局部地区是否存在统计显著的高值以及在空间上发生聚类的位置［23］。Gi*的统计意义可以通过标准化Z值来检验，Z得分≥1.65表示显著热点聚集，即不但要素本身的数值很高，而且被同样高值的要素包围，是高值和高值的聚集区，相反，Z得分＜-1.65则表示显著冷点聚集，详细计算方法见文献［24］。与其他分析方法相比，Gi*系数在自然科学领域更具优势［25］，特别是在探测局部空间集聚尤其是高值集聚时更准确［26］。以上分析采用ArcGIS 10.2软件中空间统计工具箱的Spatial Autocorrela⁃tion（Global Moran′sI）和 Hot Spot Analysis（Getis⁃OrdGi*）工具完成。

2.4 保护效果分析

把各目标物种的分布范围与自然保护区进行叠加，将每个目标物种在研究区所有自然保护区内的面积占其分布总面积的比例视为自然保护区对该物种的保护效率，同时统计每个物种所在自然保护区的数量来衡量自然保护区对该物种的保护效果。对每个自然保护区拥有的目标物种数量进行统计，用来反映各自然保护区的保护现状。

2.5 目标物种的保护空缺识别

目标物种的保护空缺区识别主要考虑2个方面：一是考虑所有物种重要性，基于叠加后的热点区域识别结果和自然保护区分布现状，将尚未得到自然保护区保护的热点区域作为保护空缺区；二是基于单个目标物种，将受保护面积占总分布面积5%以下的目标物种作为欠保护物种，这些物种需要加大保护力度，将这些物种尚未得到保护的分布区域作为保护空缺区。最后将两者叠加得到目标物种保护空缺区。

3 研究结果

3.1 物种重要性空间分布

如图2～4所示，物种重要性得分较高的区域多位于北京与河北交界的山区，如西部太行山区的百花山、北部燕山山区的松山、喇叭沟门以及雾灵山等区域；得分较低的区域多位于人类活动影响较大的平原与山区交界的部分、山区海拔较低的河谷地带；其他山区得分中等。其中，植物物种受海拔影响较为明显，重要性得分高的区域多位于海拔1 000 m以上的山区，动物则活动性较强，物种分布范围更广，但受人为干扰的影响也更为明显，重要性得分较高的区域均位于与河北交界的山区，而海拔在100～300 m的浅山丘陵地区重要性得分较低。

图2 植物物种重要性空间分布Fig.2 The spatial distribution of importance of plant species

图3 动物物种重要性空间分布Fig.3 The spatial distribution of importance of animal species

图4 所有目标物种重要性空间分布Fig.4 The spatial distribution of importance of all target species

3.2 热点区域识别

空间自相关分析结果显示，植物、动物及所有物种总体重要性分布的全局Moran′sI指数都接近于1（植物Moran′sI指数为0.83，P=0；动物Moran′sI指数为0.85，P=0；所有物种Moran′sI指数为0.87，P=0），说明各类群和所有物种的重要性分布在空间上均呈显著聚集性。

热点分析（Getis⁃OrdGi*）结果见图5。

图5 目标物种热点区域分布Fig.5 The spatial distribution of hot spots of all target species

图5显示，物种重要性得分呈显著热点分布的区域总面积为466 km2，占研究区面积的5%，占北京市域面积的2.84%，主要分布于门头沟区的百花山和东灵山区域、延庆区的松山区域、怀柔区的喇叭沟门区域以及密云区的雾灵山和云蒙山区域，此外在怀柔和延庆交界的山区也有零星分布。

3.3 保护效果

将目标物种在自然保护区内的面积占其分布总面积的比例视为该物种的保护效率，总体而言，48个目标物种中除十字兰（Habenaria schindleri）和刺楸（Kalopanax septemlobus）外，都得到了不同程度保护（图6）。所有目标物种平均保护效率为37.75%，31种植物平均保护效率为47.61%，17种动物平均保护效率为19.78%。其中，十字兰、刺楸、大花杓兰（Cypripedium macranthum）和紫点杓兰（C.guttatum）的保护效率较低，不足5%，扇羽阴地蕨（Botrychium lunaria）、梧桐杨（Populus pseudomaxi‑mowiczii）、轮叶贝母（Fritillaria maximowiczii）、岩生报春（Primula saxatilis）和珊瑚兰（Corallorhiza trifi‑da）的保护效率较高，达90%以上。

对所有物种来说，近六成目标物种受保护面积在30%以下（图7），受保护面积在50%以上的目标物种仅占1/3，且近一半目标物种所在保护区数量在3个以下（图8），表明虽然大多数目标物种得到了保护，但保护效率仍有待提升。

图6 目标物种保护效率Fig.6 The conservation efficiency of target species

从自然保护区角度来看，所有保护区拥有的目标物种都在10种以上（图9），其中百花山是拥有目标物种最多的保护区，超过了30种，其次是松山和雾灵山，也都在25种以上，这些都是北京生物多样性最丰富的区域。云峰山拥有目标物种最少，仅为11种。

图7 目标物种保护面积比例频数Fig.7 The frequency diagram of ratio of protection area with target species

图8 目标物种所在自然保护区数量频数图Fig.8 The frequency diagram of ratio of nature reserve with target species

3.4 目标物种的空缺区

3.4.1 热点分析的空缺区

如图10所示，基于物种重要性得分的热点分析所识别的热点区域与自然保护区的空间分布较为一致，2/3的热点区已受到自然保护区保护，另有1/3仍未得到有效保护，面积较大的空缺区主要分布于百花山保护区周边、喇叭沟门保护区与大滩和水头保护区之间的山区，面积约158 km2。

图9 各自然保护区拥有目标物种数Fig.9 The number of target species in each nature reserve

图10 目标物种热点分布空缺区Fig.10 Protection gap areas of hot spots distribution of target species

3.4.2 欠保护物种的空缺区

受保护面积在5%以下的欠保护物种包括十字兰、刺楸、大花杓兰和紫点杓兰4种植物，将其未得到保护的分布区作为欠保护物种空缺区（图11）。该区主要分布于门头沟百花山保护区南边山区、妙峰山周边区域以及怀柔区黑坨山周边区域，面积共计191 km2。

3.4.3 综合空缺区识别

将热点分析的空缺以及欠保护物种的空缺叠加，得到研究区目前急需保护的空缺区（图12），面积共计339 km2，占研究区面积的3.64%。这些区域将是下一步生物多样性保护工作的重点区域。

图11 欠保护物种分布空缺区Fig.11 Protection gap areas of distribution of less protected species

图12 目标物种空缺区Fig.12 Protection gap areas of distribution of target species

4 讨论与建议

4.1 提升自然保护区保护效果

基于目标物种生境分布提取的物种重要性的热点地区主要分布在北京与河北交界的山区。目前已设立了多个自然保护区，对野生动植物及其生境进行了良好的保护，但同时也可以看到，现有保护区多呈零散化、片段化分布，孤岛化现象较为严重，不利于物种的迁徙扩散，保护效果仍有待提升。针对此，可以从以下几方面进行改进。一是完全相邻的自然保护区统一规划，统一管理。一方面是北京市内相邻保护区，如延庆区几个区县级保护区统一管理，条件成熟后可以合并管理，特别是玉渡山区级自然保护区与松山国家级自然保护区相邻，生物多样性较丰富，目标物种数目较多，物种重要性得分也较高，可以考虑由松山保护区管理部门代管，实行统一规划和监管。另一方面是北京与河北边界相邻的保护区，如北京的松山国家级自然保护区与河北的大海陀国家级自然保护区，北京的雾灵山市级自然保护区与河北的雾灵山国家级自然保护区，这些保护区在分布上属同一地理单元，保护对象近似，应积极发挥太行山生物多样性保护优先区的整体保护作用，加强与河北、天津、山西等省（市）的联合规划和监管，有助于物种迁徙扩散，显著提高保护效果，这也是生态保护在京津冀一体化方面的重要措施。二是建议在邻近的自然保护区之间选择典型物种进行分析，在考虑土地利用现状和权属的情况下，建立生物廊道供野生生物迁徙。此外，由于各方面原因，很多自然保护区在设立时比较仓促，存在机构不健全、专业人员缺乏、保护级别低等问题，同时缺乏完备的物种调查等基础资料，有些还存在边界问题，导致监管困难重重。在目前自然保护区已统一归国家林业和草原局管理的情况下，可借此契机对现有自然保护区进行统一确权定界，将每个自然保护区边界都落实到地块上；对于具有较高保护价值、保护级别较低的保护区，应加强保护区配套建设，在达到更高标准后提高保护级别。同时制定自然保护区发展规划，对自然保护区实行统一管理。而生态环境部门则负责对其进行监管，相互协调，共同提高自然保护区的保护效率。

4.2 加强空缺区内目标物种及其生境的保护

针对分布于现有自然保护区周边的空缺区，在明确土地权属的情况下，可以考虑对现有保护区进行扩建，将其纳入保护区范围予以保护，如百花山自然保护区周边区域。与现有自然保护区相隔较远、周边无保护区分布的，在明确土地权属的情况下，可规划新建保护区。目前建设自然保护区存在困难的，可以考虑通过生态保护红线等其他形式予以保护，待条件成熟时再新建保护区，如西北部与河北交界的区域。对于物种重要性得分高但面积较小、零散分布的热点区域或某些急需保护物种的分布区，可由当地政府设定保护小区予以保护，如刺楸和十字兰等欠保护物种的分布区。

5 结论

基于待保护的目标物种分布范围提取的方法，获取了太行山生物多样性保护优先区北京境内的物种重要性空间分布，识别了热点区域和空缺区，并对目标物种的保护现状和保护效果进行了评估，主要得出以下结论：

（1）研究区物种重要性得分在空间上呈显著聚集分布，热点区主要分布于北京与河北交界的门头沟区百花山和东灵山区域、延庆区的松山区域、怀柔区的喇叭沟门区域以及密云区的雾灵山区域。

（2）除十字兰和刺楸外的其余46种目标物种已受到不同程度保护，所有目标物种平均保护效率为37.75%。但近六成的目标物种受保护面积在30%以下，同时近一半的目标物种所在保护区数量在3个以下，保护效率仍有待提升。

（3）目前急需得到保护但尚未划入自然保护区的空缺区域约339 km2，建议针对实际情况，通过新建、扩建保护区以及保护小区和生态保护红线等不同方式提升现有保护效果。

考虑到不同生物类群的分布范围识别的难度，研究仅考虑了植物和动物中的兽类，其他类群的物种未包含在此次评估中，今后有待加强。部分急需保护的野生植物，如丁香叶忍冬（Lonicera oblata）等，也限于分布条件的缺乏，未能进行生境的准确提取。下一步需加大这些物种的调查力度，明确其准确分布范围并予以保护。