钱江源国家公园生物多样性监测体系研究

余建平 陈小南 陈声文

(钱江源国家公园管理局，浙江衢州 300824)

生物多样性监测是制定生物多样性保护和管理对策的基础[1]，也是国家公园等自然保护地管理工作的重要内容。例如，美国国家公园管理局自1992年起，开展国家公园本底清查和监测项目，也称 “生命体征监测”。正如人们监测血压和脉搏等人类生命体征一样，国家公园监测特定的生命体征，以帮助人们了解其自然资源的状况和变化趋势，并有针对性的采取保护管理措施。截至目前，美国国家公园管理局已在超过280个国家公园开展了生命体征监测项目，建立了包括气象、水文水质、土地类型分类和利用、植被初级生产力、兽类、鸟类、昆虫等31类监测指标体系。中国的国家公园和自然保护区的生物多样性监测工作也在最近十年里快速发展。以动物监测为例，目前，全国80%的国家级保护区均开展了红外相机调查，用于收集保护区内的大中型兽类和鸟类本底和种群动态[2]。一些大型区域性的生物多样性监测网络建立起来，如中国森林生物多样性监测网络[3]、东北虎豹生物多样性红外相机监测平台[4]、西南山地红外相机监测网络等[5]。这些网络平台大多数是以自然保护区为依托，在规范和统一监测方法，推动自然保护区的监测和管理方面发挥了重要作用。

通过建立生物多样性监测和研究平台，摸清钱江源国家公园生物多样性具体有什么、在哪里、有多少和怎么变化，了解生物多样性维持机制和受威胁因素，建立国家公园生物多样性监测、评估、预警和保护体系，为国家公园生物多样性的保护和管理提供重要的科学信息支撑。与其他国家公园或自然保护区生物多样性监测平台相比，钱江源国家公园体制试点区（以下简称“钱江源国家公园”）生物多样性综合监测体系在动植物类群覆盖和自动化技术应用方面具有一定的代表性。该体系在建设初期以系统的地面观测（如样地、红外相机监测）为主，在最近几年里，整合了近地面遥感、自动录音等新的技术手段，并结合卫星遥感技术，建立起全域的、天空地一体化的动植物监测平台，收集了大量的反映生物多样性组成、空间分布和时间变化的数据。本文详细地介绍了钱江源国家公园监测体系的内容、方法、初步成果和存在的问题，为其他自然保护地的生物多样性的监测和管理工作提供借鉴。

1 研究区概况

钱江源国家公园位于浙江省开化县西北部，浙、皖、赣三省交界的白际山脉南段，地处中国东部中亚热带常绿阔叶林植被区，由原古田山国家级自然保护区、钱江源国家森林公园、钱江源省级风景名胜区以及连接上述自然保护地的生态区域整合而成，总面积为252 km2，是浙江人民的母亲河——钱塘江的重要发源地之一[6]。钱江源国家公园属于浙皖中、小起伏低山，海拔跨度为110～1 261.5 m，属于温暖湿润的亚热带季风气候，根据古田山片区历年气象数据统计，古田山的年平均降水天数为142.5天，年降水总量为1 963.7 mm，年平均气温为15.3 ℃[7]。

根据《钱江源国家公园体制试点区总体规划 （2016−2025年）》，钱江源国家公园划分为核心保护区、生态保育区、传统利用区和游憩展示区4个功能区，进行差别化管控[8]。其中，核心保护区面积为72.33 km2，占钱江源国家公园总面积的28.66%；生态保育区面积为135.80 km2，占钱江源国家公园总面积的53.81%；传统利用区面积为36.13 km2，占钱江源国家公园总面积的14.31%；游憩展示区面积为8.12 km2，占钱江源国家公园总面积的3.22%。钱江源国家公园涉及苏庄、长虹、何田、齐溪共4个乡镇21个行政村72个自然村，户籍人口9 744人，常住人口8 355人（图1）。

图1 钱江源国家公园功能分区图Fig. 1 Functional zoning map of Qianjiangyuan National Park

钱江源国家公园地处中亚热带中心地带，有着明显的植被垂直带谱，从低海拔到高海拔涵盖了常绿阔叶林、山地和沟谷常绿落叶阔叶混交林、温性针阔叶混交林和温性针叶林。中亚热带常绿阔叶林是该区域植被的主体，广泛分布于海拔800 m以下的低海拔地区，具有典型的中亚热带常绿阔叶林区系、结构和类型特征，其景观在中国乃至全世界都较为罕见，具有全球保护价值[9]。同时，钱江源国家公园也是我国特有物种和国家一级保护动物黑麂和白颈长尾雉的集中分布区。尤其是黑麂在我国的分布非常有限，仅在我国浙、皖、赣、闽四省有记录[10]。以皖南黄山及浙赣交界的白际山脉的分布区，即钱江源国家公园所在地，是黑麂分布的核心区域，经评估钱江源国家公园黑麂的数量约为200～300头，约占全球黑麂种群数量的10%，对其全球种群的保护有重要意义。

2 研究方法

钱江源国家公园通过建立不同面积的森林生物多样性监测样地和红外相机全境网格化布设，建立了全球首个自然保护地的网格化森林生态系统动植物多样性综合监测平台，并结合林冠塔吊、卫星和近地面遥感监测技术，建立起“空、天、地”一体化生物多样性监测体系，实现了对钱江源国家公园全境、重要生态系统以及关键物种的长期动态监测（图2）。

图2 钱江源国家公园综合监测体系总技术路线Fig. 2 General technical route of comprehensive monitoring system of Qianjiangyuan National Park

2.1 卫星和近地面遥感监测平台

采用卫星和近地面遥感技术，实现了对钱江源国家公园全境重要生态系统的长期动态监测[11]。利用卫星遥感影像，对钱江源国家公园全域及毗邻合作保护区进行多时相遥感监测；通过机载高清晰度影像相机、激光雷达和高光谱传感器，获取森林冠层表面的高精度照片，森林的三维立体结构信息，以及氮、磷、钾、水分等重要生理生化指标[11]（图3）。

图3 钱江源国家公园全境近地面遥感航迹及影像 （由中国科学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)

在近地面遥感获得数据的基础上，采用地面样方（共有708个20 m×20 m样方）作为校正，获取植被三维可视化以及高精度数字高程模型、植被群系图和多样性分布图；通过计算森林蓄积量和树高分布，并通过遥感影像获取次生林的干扰等级，制作森林质量分级分布图、生态系统服务功能图；结合红外相机的监测和植物样地，制作主要保护动/植物分布图、廊道图和分布变化预测图；通过高光谱影像与地面叶水分测量的反演，获取森林水分含量，并识别部分易燃物种，结合人为活动干扰的分布，制作火警警情分级图。

2.2 森林冠层生物多样性监测平台

森林冠层，作为森林生物多样性的重要组成部分，是目前生物多样性知识最薄弱的3种生境类型之一。为此，2020年中科院植物研究所在古田山建立起了森林冠层生物多样性研究平台。该平台由独立高度60 m和半径60 m的塔吊系统组成，吊臂可360度旋转，覆盖1.13×104m2典型中亚热带低海拔常绿阔叶林。以塔式起重机的位置为中心，按照中国森林生物多样性监测网格的监测规范，建成了一个140 m×160 m的永久样地，便于观察和研究森林冠层的生物多样性，形成了由“森林冠层生物多样性监测系统”和“森林三维激光扫描系统”组成的森林冠层生物多样性监测体系。

2.2.1 森林冠层生物多样性监测系统

主要包括塔式起重机系统的塔基、塔体、吊臂、起升机构、回转机构、变幅机构、工作平台、吊篮和动力系统等其他相关附属设备。整个塔基由15 m×15 m×8 m混凝土浇筑而成，起重机系统由中联重工承建，塔高60 m，吊臂60 m （可360度旋转、可上下升降、可内外伸缩5～60 m），即半径60 m，塔臂吊钩安装具有防雨结构的正方形工作平台（吊篮）。该系统可以使观测人员快速便捷地到达森林冠层；可以迅速地将大型观测仪器运送到高空，对森林冠层动植物进行即时观测和研究，从而实现森林冠层的实时立体监测；可以顺利地开展林冠生物多样性、动植物相互关系以及生态过程对环境变化的响应的研究；同时，也可以开展高大乔木的生理生态研究。

2.2.2 森林三维激光扫描系统

主要包括三维激光扫描仪和温湿度测量仪。三维激光扫描仪包括三维激光成像仪主机、激光成像后的处理软件以及成像点云数据处理的移动工作站。该系统主要用于森林大样地森林生物多样性三维结构的研究。三维激光扫描仪能够详细记录三维森林空间结构，分析树木的密度、高度、周长，监测森林的三维空间结构以及其动态变化、叶面积指数，尤其是林窗的三维空间结构变化。温度测量仪包括多个数据采集器以及相应的温湿度传感器。

2.3 全境森林样地动态监测平台

根据研究目的和要求不同，自2002年至今，钱江源国家公园全境植被先后建立了750个固定监测样地，组成了钱江源国家公园全境森林样地动态监测平台。其中，包括24×104m2和5×104m2固定样地各1个、1×104m2固定样地13个、30 m×30 m参考样地27个，以及遍布国家公园全境的20 m×20 m监测样方708个等，共标记了59万个固定监测样地（图4）。

2.3.1 样地选择

将整个钱江源国家公园252 km2划分为267个1 km×1 km网格（图4）；每个网格内随机选择3个监测样点，所有样点之间距离大于300 m；根据网格内的植物群落的异质性状况，每个网格内选择1～3个点作为最终监测样点（群落类型单一，则选1个样点；类型复杂，则选择3个样点），建立20 m×20 m的植物样方，最终建立了708个调查样方。外业调查时，用地理信息系统导航，找到监测样点后，以监测样点为中心50 m范围内，选择符合以下条件典型的植物群落设置监测20 m×20 m样方：有动物路径（兽径）；无明显人为干扰；无强烈自然干扰（如因风、滑坡等形成的巨大林窗）；避开裸地；距离道路、农田、大型自然裸地30 m以上。

图4 钱江源国家公园样地分布图（由中国科学院植物研究所提供）Fig. 4 Distribution map of Qianjiangyuan National Park(provided by Institute of Botany, The Chinese Academy of Sciences)

2.3.2 样地标定

利用罗盘、激光测距仪等标定水平距离为20 m×20 m的样方，并将样方划分为5 m×5 m的小样方，用于群落调查作业；用高精度GPS准确定位样方对角线两个角的经纬度坐标，用于进行生物多样性，生态系统服务功能空间分布分析，以及与遥感数据相结合；在监测样方的四角埋磁铁和铝管用于永久标记监测样地。

2.3.3 样地调查

对样地内每棵胸径大于1 cm的个体标记胸径测量位置，并挂牌用于植物群落动态监测；测量所用胸径大于1 cm的个体的胸径和坐标，并将所有植物个体鉴定到物种；不能现场鉴定到物种的个体，拍照和采集标本，请分类专家进行鉴定。所有的群落调查方法均依据环保部颁布的《生物多样性观测技术导则-维管植物》中生物多样性监测规范和中国森林生物多样性监测网络调查监测规范进行。

2.4 全境网格化动物多样性监测平台

采用红外相机技术，在钱江源国家公园全境及其跨区共建区域内，开展以兽类和雉类为主的大中型地栖动物的本底调查（图5），并长期监测兽类和鸟类的物种组成、空间分布和数量变化，为钱江源国家公园的功能分区、跨区共建区域的设置以及钱江源国家公园保护成效评估提供科学支撑。

图5 钱江源国家公园红外相机探测物种数的空间分布（由中国科学院植物研究所提供）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 监测方法

将整个钱江源国家公园划分为1 km×1 km的网格，共计267格。2014年5月−2020年4月期间，在每个网格内设置了3个固定监测位点，使用1台红外相机（先后使用猎科6 210与易安卫士L710两个型号的红外相机）在3个位点之间依次轮换布设，每4个月为一轮监测周期。监测位点主要选择兽径和动物活动痕迹（如粪便、足迹、食迹、毛发遗落等）丰富处，两个位点间距不小于300 m。红外相机主要固定在树干50～80 cm处 （避开阳光直射），正前略朝地面向下倾斜，与兽径和动物活动痕迹成45°夹角。相机设置为每连续拍3张照片后，再拍1张10秒视频，全天24 h持续工作。野外工作人员在布设红外相机时，重点详细记录监测位点编号、红外相机编号、日期、经纬度、海拔、坡向、道路、水源和生境信息情况等信息。

2.4.2 数据整理

在每一轮野外调查、采集和收回数据后，汇总和备份原始数据，再按照拍摄对象的类别，将照片、视频归分为6类：兽类、鸟类、家畜或家禽、工作人员、空拍以及其他，并标记独立有效探测对应的首张照片或者视频。按网格编号和相机编号进行归纳、存档。

2.4.3 物种鉴定

物种鉴定由专业人员或者经过培训的志愿者完成。兽类物种名称和分类体系参照《中国哺乳动物多样性（第2版）》[12]，鸟类物种名称和分类体系参照《中国鸟类分类与分布名录（第三版）》[13]，中国物种红色名录等级参照《中国脊椎动物红色名录》[14]，世界自然保护联盟（International Union for Conservation of Nature, IUCN）物种红色名录等级参照IUCN受威胁物种名录。

从2018年8月−2020年4月底，采用千米网格的抽样方法，覆盖钱江源国家公园全境，共安装有267台红外相机，监测累计有效工作时长约为19.7万个工作日，获得兽类、鸟类的照片和视频296 836份，有效探测数96 582次。记录到野生兽类属6目14科22种，野生鸟类属7目25科73种。

2.5 环境要素监测平台

在齐溪、何田、长虹和苏庄四个片区，均建立了气象、水文、土壤等环境要素监测平台。其中，主要监测的气象因子包括降雨量、大气温度、湿度、二氧化碳和氧气含量、负氧离子浓度、PM 2.5浓度等；水文监测，主要包括在4个片区出境的水量及含沙量等水土流失情况；土壤监测，在全境20 m×20 m植物样地里，每5年监测一次土壤的氮、磷、钾的含量及碳储量，以及常规的土壤温度、湿度、电导度的监测等。

3 结果与分析

自2002年以来，中国科学院植物研究所古田山森林生物多样性与气候变化研究站以平台数据为基础，先后在Science、Nature Communications、Ecology Letters等国内外生态学主流期刊发表论文316篇，其中244篇被SCI收录；发布生物多样性监测行业标准1项；荣获国家科技进步一等奖1项，梁希奖二等奖1项，浙江省科技兴林一、二、三等奖分别为1项、2项、1项；2014年，在钱江源发现蛛蜂新物种“蚁墙蜂”，被美国《时代》杂志评为2015全球十大新发现物种。2019年9月26日，在联合国可持续发展峰会上，中国政府代表团团长王毅正式发布了《地球大数据可持续发展研究报告》，该报告介绍了中科院研究团队利用地球大数据在中国开展案例研究的情况，其中生物多样性保护以钱江源国家公园为例。钱江源国家公园生物多样性评估案例成为中国生物多样性保护的典型代表，向世界展示了中国保护生物多样性的经验。

基于钱江源国家公园生物多样性综合监测体系的监测和研究成果，为钱江源国家公园的建设和管理提供了重要的科学信息和支撑。例如，根据钱江源国家公园网格化综合监测数据，评估了重点保护的原生地带性植被分布、重点保护的野生动物黑麂和白颈长尾雉的分布及种群变化。结合物种分布模型，评估了钱江源国家公园功能分区对黑麂保护的有效性。

研究结果表明，黑麂倾向于出现在森林较为原始和道路密度较低的区域，其适宜栖息地面积为42.5 km2，占钱江源国家公园总面积的16.9%。其中，99.7%的黑麂适宜栖息地位于核心保护区和生态保育区，这表明钱江源国家公园现有功能分区能够较好地满足黑麂栖息地保护的需求，也证明黑麂可以作为其分布范围内保存较好的亚热带森林生态系统的指示性物种[8]。

除此之外，钱江源国家公园管理局委托科研院所依托监测平台开展了系列的专题研究。例如，委托中科院植物研究所开展《钱江源国家公园生态修复专项规划》。该项目利用中科院植物研究所在生物多样性与生态系统功能实验平台研究成果，参考借鉴BEF-China大型实验、24×104m2固定样地以及30 m×30 m样地等研究成果，为国家公园的生态修复提供科学方法的指导。委托生态环保部南京环境科学研究所开展《钱江源国家公园及周边区域生态廊道建设专项规划》，利用红外相机网格化监测数据，重点分析主要保护对象黑麂和白颈长尾雉的种群分布及栖息地情况，提出与生态修复相结合的重要生态廊道设计和规划对策。将已取得的科研成果在科普馆内展示，提高公众对钱江源国家公园内低海拔中热带常绿阔叶林生态系统重要性的认识。

4 讨论与结论

在中国科学院植物研究所等科研院所的长期努力下，钱江源国家公园已经建立起较为完备的 “空、天、地”一体化生物多样性的监测体系，覆盖了生态系统、物种和非生物环境不同的对象，也包括了植物、兽类、鸟类等多个类群，可为国家公园的建设提供强有力的科学支撑。国家公园为百年之计，监测也应当持续开展。根据不同类群的特点制定监测周期，定时开展重复调查。例如，近地面遥感和植物样方以3～5年的周期重复调查，兽类和鸟类因采用自动化设备进行监测，可以提供近乎实时的数据。监测收集的数据信息应及时处理和分析，并将分析结果反馈给有关管理部门，以支撑管理决策。

黑麂是钱江源国家公园内保存较好的亚热带常绿阔叶林的指示性物种，主要分布在核心保护区内，而白颈长尾雉的活动范围与人为活动的范围重叠较大，主要分布在传统利用区、游憩展示区等内，可作为国家公园内反映人与动物和谐共处的代表性动物。因此，钱江源国家公园内不同的功能区有不同的代表性物种，需要制定相应的保护管理措施。例如，核心保护区的人为活动干扰应降至最低，保证原生植被不受干扰和破坏；在存在人为活动干扰的一般控制区内，需监测人为活动对白颈长尾雉及其他物种种群的影响。对钱江源国家公园的两个重点保护对象黑麂和白颈长尾雉的保护而言，传统利用区、游憩展示区与核心保护区同等重要。

钱江源国家公园与江西、安徽毗邻的区域同处白际山脉南段，国家公园区内的森林与江西、安徽境内的森林连接成片。野生动物的分布不受行政边界的限制，必然存在跨省界的扩散和移动。因此，区外森林和动物的保护对于钱江源国家公园内动物的保护有重要意义。需加强与江西省、安徽省等地毗邻的7个行政村以及安徽岭南省级自然保护区的合作保护，共建区域生物多样性监测平台，创建联合保护站，探索与毗邻区域的联合保护机制。

现有研究结果表明，钱江源国家公园内有黑麂适宜栖息地面积为42.5 km2，共有斑块412块，面积为0.25×104～2 395 ×104m2，平均斑块面积为13.7 ×104m2，小于单只黑麂的家域面积[8]，栖息地破碎化严重。需要采取自然恢复和人工干预的手段，恢复以常绿阔叶林生境为主的黑麂适宜栖息地，改造和提升人工杉林的物种多样性，增加生境的连通性和完整性[15]，促进斑块间种群的基因交流。

致谢：钱江源国家公园生物多样性综合监测体系由中国科学院植物研究所马克平团队、浙江大学于明坚团队和北京大学李晟团队等科研院所团队与钱江源国家公园管理局长期合作共同建立，感谢他们为此文提供的相关研究资料。