基于保護物種適宜生境的北京自然保護空間識別

孫艷芝，何紫云，張同升，蔡文婷，賈茵

（1.中國城市建設研究院有限公司，北京 100120；2.深圳大學，深圳 518060）

自然生態系統和生物多樣性是人類生存發展的物質環境基礎，是世界生態安全的保障。氣候變化和人類活動的不斷加劇，深刻影響著生物多樣性及其分布變遷。自然保護地被公認為是保護自然棲息地、減緩生物多樣性喪失的有效措施之一[1]。建立具有良好生態代表性的自然保護地體系對物種保護具有重要意義，得到國際社會和世界各國的普遍支持和高度重視。據2019年國家林業和草原局網站[2]發布的數據，我國各級各類自然保護地有1.18萬處，面積約為186.6萬km2，有效地保護了各類珍稀動植物及其生境。但保護地存在破碎化等問題導致保護空缺，致使很多具有生物多樣性的重要生物地理單元未受到足夠保護，受到威脅的物種未被保護地覆蓋[3-4]。識別物種潛在適宜生境和熱點分布區域，將有限的保護資源分配到最值得保護的地區，是實現區域生物多樣性保護的有效途徑，可為自然保護地整合優化提供科學依據[5-8]。

作為首個提出減量化發展的城市，北京近年來生態保護力度不斷加強，野生動植物種類逐漸增加，其中，國家重點保護野生動植物有100種，較多種類也是世界保護聯盟瀕危物種，自然保護地整合優化為提升生物多樣性保護能力提供重要契機。本研究以北京市內34種國家一、二級保護動植物為研究對象，采取MaxEnt模型對每個物種進行建模，預測各物種的適生概率與影響因素；結合ArcGIS技術識別自然保護空間，為自然保護地整體優化提供科學依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

北京市下轄16個區，總面積有16 410.54 km2，截至2019年末，常住人口有2 153.6萬人。北京地勢西北高、東南低，境內水系全部屬于海河流域，天然河道自西向東有五大水系，分別為拒馬河、永定河、北運河、潮白河和薊運河水系。屬暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候，冬、春干旱少雨雪，降雨集中于夏季，多年平均降水量為585 mm，為華北地區降雨最多的地區之一。北京有自然保護區、風景名勝區、森林公園、濕地公園、地質公園和自然遺產六大類自然保護地，共計83個，總面積約為45萬 hm2，占北京市國土面積的27%。根據數據的可獲得性，本研究選擇北京市34種重點保護野生動植物為指示物種進行信息提取，得到保護物種分布概況，如圖1。

圖1 北京市保護物種與自然保護地分布Figure 1 Distribution of protected species and protected areas in Beijing

1.2 數據來源

1.2.1 保護物種數據 保護物種的分布數據來源于GBIF（Global Biodiversity Information Facility）和中國珍稀瀕危植物信息系統（https://www.gbif.org/occurrence/search;http://www.iplant.cn/rep/protlist）。數據為北京市34種有監測記錄的重點保護野生動植物實際分布經緯度，將其保存成.csv格式，其中第一列為物種名稱、第二列為經度、第三列為緯度，便于MaxEnt模型參數的輸入。北京市34種重點保護野生動植物的名稱和保護級別如表1。

表1 模型預測物種統計Table 1 List of predicted species

1.2.2 環境數據 MaxEnt模型運行需要的環境變量數據選擇基于實地環境、專家知識、模型特征以及數據的可得性[18-23]，主要包括氣象數據、地形數據、生態數據、社會經濟與人類活動數據，共33個環境變量因子：①氣候數據主要包括與生物相關的氣溫和降水量在年、季度、月等不同時間尺度上的數據，共21個變量，數據來源于WorldClim 1.4數據庫（www.worldclim.org/）和資源環境數據云平臺（http://www.resdc.cn/）；②地形因子包括海拔和坡度，數據來源于地理空間數據云的“SRTMDEMUTM90M 分辨率數字高程數據產品”；③生態數據包括地被類型、植被指數（NDVI）和植被凈初級生產力（NPP），前兩者來源于資源環境數據云平臺，NPP采用全球變化科學研究數據出版系統下載的“北緯18°以北中國陸地生態系統逐月凈初級生產力1 km柵格數據集”[24]；④社會經濟與人類活動數據包括人口、GDP、到水體的距離、到道路的距離、到居民點的距離、到森林的距離、到農田的距離，前兩者采用全球變化科學研究數據出版系統下載的“中國公里網格GDP分布數據集”和“中國公里網格人口分布數據集”[25-26]；后5個距離因子通過ArcGIS從土地利用數據提取的各類用地進行歐氏距離計算得到。

1.3 研究方法

1.3.1 利用MaxEnt模型評估國家重點保護野生動植物適宜生境 物種分布模型可估測每個計算單元的物種分布概率。MaxEnt模型根據物種現實分布點的環境變量特征得出約束條件，在此約束條件下探尋最大熵的可能分布，據此來預測物種的適宜生境分布[27-30]。將北京市34種國家重點保護野生動植物分布點數據和環境變量數據導入MaxEnt模型中，建立適宜生境模型，預測結果為物種在區域的適宜生存概率（p），p值（0≤p≤1）越高，表明該區域物種生存的適宜性越高。將MaxEnt模型輸出的每一種物種適宜生境布局導入ArcGIS，進行空間疊加分析，得到綜合的物種棲息地空間分布格局，其結果表示棲息地上物種生存適宜性的高低程度[31]。

1.3.2 自然保護空間識別分析 基于MaxEnt模型預測結果，提取物種適宜生境為自然保護空間。MaxEnt模型輸出結果除物種生境分布外，還有受試者工作特征曲線（ROC曲線）和環境變量響應曲線（即物種存在概率與環境變量值的關系，Response curves）。ROC曲線是以靈敏度（acuity）為縱坐標，特異度（specificity）為橫坐標繪制的曲線，靈敏度即為模型能正確預測適宜分布點的個數與實際所有適宜分布點的個數比值，特異度即為模型能正確預測非適宜分布點的個數與實際所有非適宜分布點個數的比值。根據ROC曲線，以最大約登指數（Youden’s index）為最佳臨界點作為是否為適宜生境的閾值。約登指數=（靈敏度+特異度）－1。利用模型輸出的ROC曲線確定最大約登指數作為閾值（一般位于ROC曲線最靠近左上角位置），根據該閾值利用ArcGIS對預測的物種生境分布重分類，大于該閾值為適宜生境分布區，小于該閾值為非適宜分布區[28,32]。

利用34種保護物種的模擬分布數據，疊加得到綜合適宜生境分布區，識別為自然保護空間。保護物種熱點分布區是適宜生境中物種聚集度最高的區域，將其作為自然保護空間中的重點保護區域，熱點區利用ArcGIS核密度工具（自然斷點分級）實現。

2 結果與分析

2.1 保護物種分布分析

2.1.1 保護物種適宜生境 基于MaxEnt模擬的北京保護物種潛在適宜棲息地結果如圖2，密云水庫、延慶野鴨湖濕地周邊、門頭溝北部永定河地區、房山平原與山區過渡區、豐臺永定河流域、昌平北部過渡區和中心城區是保護物種主要的潛在適宜生境，這些地區均為水體周邊或位于平原與山區的過渡區，距人類聚集區距離適中，提供了保護物種生存所需物質，適宜生存，且適宜生境多為線性棲息地，確保了動物遷徙活動的正常進行。

圖2 MaxEnt模型保護物種生境預測結果Figure 2 Prediction of protected species habitat by MaxEnt modeling

2.1.2 保護物種熱點分布區 國家重點保護野生動物的熱點分布區多而分散，分散于房山、門頭溝、延慶、懷柔、海淀、密云和豐臺七個區，其中，房山的集聚度最高，約47%的保護物種記錄出現于此，主要是黑鸛和金雕；密云、延慶地區保護物種豐富度較高，有黑鸛、東方白鸛、白頭鶴等。相對于動物分布，國家重點保護野生植物的熱點分布區相對少且集中，分布于昌平、延慶、密云、房山四個區，其中，昌平的保護植物數量最多，并以綬草為主，其數量占該區保護植物總數量的50%，房山的保護植物物種豐富度最高，常見的有手參、角盤蘭、狗棗獼猴桃、綬草、軟棗獼猴桃等（圖3）。

加強體制建設。加強自身隊伍建設，提高管理水平，完善水資源管理體制，積極溝通協調，更新我市的水資源管理體制。

圖3 保護物種集聚熱點分布Figure 3 Aggregation distribution of protected species

2.2 保護物種分布影響因素分析

動物與植物的適宜生境存在差異性。動物的適宜生境較多分布于水體周邊，植物的適宜生境除分布于過渡區、水域周邊外，中心城區也有分布。以出現活動記錄較多的黑鸛和五味子為例，分析動植物適宜生境受環境變量的影響（圖4），從而為保護空間劃定提供參考。

圖4 黑鸛和五味子適宜生境分布Figure 4 Suitable habitat for C.nigra and S.chinensis

黑鸛的適宜生境主要集中在密云水庫、延慶野鴨湖濕地公園、房山拒馬河和珍珠湖區域及豐臺永定河流域。基于對黑鸛適宜生境的環境變量影響分析，年均NPP、等溫線、年降水量等因子超過一定范圍，隨著變量值的變大，黑鸛的存在概率降低；黑鸛生境的適宜溫度在13℃左右，氣候變量多是通過作為食物或庇護所的植被來影響動物。地形因素直接影響動物的運動，海拔越高、坡度越大，越不適宜動物生存，黑鸛適宜生存在坡度25°以下區域。距道路1 000 m左右為最適宜范圍，超過或低于該距離物種的存在概率降低。從土地利用類型上看，濕地、水體是黑鸛存在概率最高的地區。

氣候變量對植物來說尤為重要，植物無法為躲避惡劣天氣而去尋找庇護場所或遷徙。地形主要通過其與溫度和降水的相關性間接影響植物生境，如高程、坡度、坡向等對當地的光照、濕度等產生影響，進而作用于植物棲息地。例如：年均氣溫越大，五味子的存在概率小幅降低，降水量越高越適宜生存，符合其喜陰、耐濕的特征。五味子等植物適宜在距道路、水體1 000 m以內的區域生存。

從動植物適宜生境的影響因素看，保護物種重點生境保護區分布主要有三個特征：（1）年降水量在500 mm以上；（2）海拔在1 000 m以下，坡度在25°以內；（3）濕地和水體周邊。物種在具有這些特征區域的存在概率較高，可加強對這些區域的保護與監管，促進生物多樣性保護。

2.3 自然保護空間識別

2.3.1 基于保護物種適宜生境的自然保護空間識別 基于綜合保護物種生境分布圖，根據ROC曲線最大約登指數提取出適生區，北京各區適宜生境面積如表2，其中，房山、密云、昌平、門頭溝等區域的保護物種適宜棲息地面積較大，多是成片連續的保護空間，如圖5。

表2 北京各區保護物種適宜生境面積Table 2 Suitable habitat area for protected species in Beijing

圖5 保護物種適宜生境和熱點空間分布Figure 5 Spatial distribution of suitable habitats and aggregation of protected species

通過對適宜生境空間分布的分析，結合保護物種適宜生境的影響因素，其保護空間主要有三類：第一類是山區與平原過渡地帶，是保護物種賴以生存的最重要區域，形成了連續保護空間，包括房山、昌平和密云等地的過渡區。過渡區距離人類聚集區遠近適中，提供了保護物種尤其是動物豐富的食物來源，故加強過渡區自然保護地建設對物種多樣性保護具有重要意義；第二類是海拔在400～ 700 m的山谷區，這些地區的坡度、溫度適宜，為動植物創造了良好的生境；第三類是水源充足的平原地區，包括密云水庫、中心城區、通州大運河流域以及大興區南部地區。

在三類自然保護空間中，自然保護地存在面積少、生態系統連通性差等問題，如房山過渡地帶存在亟需保護的線性空間，但保護地卻是散點狀分布，不利于動物遷徙與活動；大興南部、通州區的適宜生境基本無保護地覆蓋，屬于保護空缺區，自然保護地整合優化需加強連通性、擴大保護地面積等。

2.3.2 基于保護物種熱點分布區的自然保護重點空間識別 保護物種熱點分布區是適宜生境中物種聚集度最高的地方，也是重點保護的空間。保護物種熱點區聚集了北京約75%的國家重點保護野生動植物，其中，房山熱點區是以十渡風景區、過渡區為核心，保護物種的豐富度最高，為42.6%；門頭溝保護物種熱點區在西北部，保護物種的豐富度約為15.8%；密云區重點保護空間位于密云水庫周邊，保護物種的豐富度約為10%（表3）。大興、通州、豐臺和朝陽四區交匯處也是保護物種熱點分布空間，可建立跨區保護地類型，加強跨區協同管護，保持物種保護生境的完整性。

表3 保護物種熱點區分布Table 3 Distribution of protected species

3 結論與討論

3.1 結論

本文通過MaxEnt模型和ArcGIS空間分析技術，研究預測了北京市國家重點保護野生動植物的適宜生境和熱點分布區，識別自然保護重點區域空間，為自然保護地整合優化提供參考。

（1）北京市保護物種適宜生境區面積有9 821.45 km2，可分為山區與平原過渡地帶、海拔在400～ 700 m的山谷區和水體周邊三類，多為連續的線性棲息地。保護物種熱點分布區面積為2 248.43 km2，聚集了北京約75%的國家重點保護野生動植物，其中，房山區的聚度最高，其次為門頭溝西北部、密云水庫周邊以及大興南部等區域。保護物種適宜生境與熱點區分布主要受降水量、地形和土地利用類型的影響，年降水量500 mm以上的區域、海拔1 000 m以下、坡度25°以內或者濕地、水體周邊保護物種存在的概率較大。

（2）北京市保護物種的分布空間與自然保護地的空間分布不吻合，對保護物種的有效保護存在空缺；基于山區與平原過渡地帶、海拔在400～ 700 m的山谷區和水體周邊三類保護物種適宜生境的分布特征，北京自然保護地整合優化重點可通過“歸并、整合、補缺”等方式，強化整體保護，維護生態系統完整性與連通性。山區與平原過渡地帶、流域需通過“補缺”形式新建或擴建保護地形成廊道式區域來加強物種保護，例如通州大運河、豐臺永定河等流域無保護地，存在保護空缺，應沿河構建帶狀保護地；海拔適中的山谷區，通過“整合、歸并”將相鄰以及周邊生態價值高的區域整合為連片保護地，打通物種行為廊道，維護物種正常生活。

3.2 討論

北京市自然保護地分布特點存在空間差異性，整合優化應因地制宜，分區來看，可采取兩類優化方式。

（1）整合歸并。房山區應加強過渡地帶保護地的整體連通性，如將十渡、云居寺、上方山、龍山、白水寺、石花洞等保護地打造為生態保護帶；延慶區重點考慮白河堡自然保護區與朝陽寺木化石自然保護區、大灘自然保護區的整體連通性；昌平北部地區可依托八達嶺十三陵風景名勝區，將周邊小型景區納入整體保護，建設生態控制區；密云區可將云蒙山風景區、云蒙山森林公園、云蒙山自然保護區、五座樓森林公園整體整合為自然保護區。

（2）擴建補缺。懷柔水庫、紅螺湖、雁棲湖附近適宜生境存在保護空缺，應促進懷沙河、懷九河自然保護區與懷柔水庫的連通，強化懷九河生態綠廊建設；平谷金海湖及周邊保護物種豐富度高，應加強周邊整體保護，維護生物多樣性；通州和順義區需增建流域型自然保護地。

MaxEnt模型預測結果是基于北京市野生動植物實際分布數據，具有一定借鑒參考意義。但由于建模時未充分考慮實地調查，不能驗證預測結果與真實情況的差距，因此，在現有研究基礎上，宜進一步結合實地調查結果，全面開展物種分布調研工作，驗證模型對北京地區的預測效果，彌補模型預測偏差，提高研究的精確度。