基于保护物种适宜生境的北京自然保护空间识别

孙艳芝，何紫云，张同升，蔡文婷，贾茵

（1.中国城市建设研究院有限公司，北京 100120；2.深圳大学，深圳 518060）

自然生态系统和生物多样性是人类生存发展的物质环境基础，是世界生态安全的保障。气候变化和人类活动的不断加剧，深刻影响着生物多样性及其分布变迁。自然保护地被公认为是保护自然栖息地、减缓生物多样性丧失的有效措施之一[1]。建立具有良好生态代表性的自然保护地体系对物种保护具有重要意义，得到国际社会和世界各国的普遍支持和高度重视。据2019年国家林业和草原局网站[2]发布的数据，我国各级各类自然保护地有1.18万处，面积约为186.6万km2，有效地保护了各类珍稀动植物及其生境。但保护地存在破碎化等问题导致保护空缺，致使很多具有生物多样性的重要生物地理单元未受到足够保护，受到威胁的物种未被保护地覆盖[3-4]。识别物种潜在适宜生境和热点分布区域，将有限的保护资源分配到最值得保护的地区，是实现区域生物多样性保护的有效途径，可为自然保护地整合优化提供科学依据[5-8]。

作为首个提出减量化发展的城市，北京近年来生态保护力度不断加强，野生动植物种类逐渐增加，其中，国家重点保护野生动植物有100种，较多种类也是世界保护联盟濒危物种，自然保护地整合优化为提升生物多样性保护能力提供重要契机。本研究以北京市内34种国家一、二级保护动植物为研究对象，采取MaxEnt模型对每个物种进行建模，预测各物种的适生概率与影响因素；结合ArcGIS技术识别自然保护空间，为自然保护地整体优化提供科学依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

北京市下辖16个区，总面积有16 410.54 km2，截至2019年末，常住人口有2 153.6万人。北京地势西北高、东南低，境内水系全部属于海河流域，天然河道自西向东有五大水系，分别为拒马河、永定河、北运河、潮白河和蓟运河水系。属暖温带半湿润半干旱季风气候，冬、春干旱少雨雪，降雨集中于夏季，多年平均降水量为585 mm，为华北地区降雨最多的地区之一。北京有自然保护区、风景名胜区、森林公园、湿地公园、地质公园和自然遗产六大类自然保护地，共计83个，总面积约为45万 hm2，占北京市国土面积的27%。根据数据的可获得性，本研究选择北京市34种重点保护野生动植物为指示物种进行信息提取，得到保护物种分布概况，如图1。

图1 北京市保护物种与自然保护地分布Figure 1 Distribution of protected species and protected areas in Beijing

1.2 数据来源

1.2.1 保护物种数据 保护物种的分布数据来源于GBIF（Global Biodiversity Information Facility）和中国珍稀濒危植物信息系统（https://www.gbif.org/occurrence/search;http://www.iplant.cn/rep/protlist）。数据为北京市34种有监测记录的重点保护野生动植物实际分布经纬度，将其保存成.csv格式，其中第一列为物种名称、第二列为经度、第三列为纬度，便于MaxEnt模型参数的输入。北京市34种重点保护野生动植物的名称和保护级别如表1。

表1 模型预测物种统计Table 1 List of predicted species

1.2.2 环境数据 MaxEnt模型运行需要的环境变量数据选择基于实地环境、专家知识、模型特征以及数据的可得性[18-23]，主要包括气象数据、地形数据、生态数据、社会经济与人类活动数据，共33个环境变量因子：①气候数据主要包括与生物相关的气温和降水量在年、季度、月等不同时间尺度上的数据，共21个变量，数据来源于WorldClim 1.4数据库（www.worldclim.org/）和资源环境数据云平台（http://www.resdc.cn/）；②地形因子包括海拔和坡度，数据来源于地理空间数据云的“SRTMDEMUTM90M 分辨率数字高程数据产品”；③生态数据包括地被类型、植被指数（NDVI）和植被净初级生产力（NPP），前两者来源于资源环境数据云平台，NPP采用全球变化科学研究数据出版系统下载的“北纬18°以北中国陆地生态系统逐月净初级生产力1 km栅格数据集”[24]；④社会经济与人类活动数据包括人口、GDP、到水体的距离、到道路的距离、到居民点的距离、到森林的距离、到农田的距离，前两者采用全球变化科学研究数据出版系统下载的“中国公里网格GDP分布数据集”和“中国公里网格人口分布数据集”[25-26]；后5个距离因子通过ArcGIS从土地利用数据提取的各类用地进行欧氏距离计算得到。

1.3 研究方法

1.3.1 利用MaxEnt模型评估国家重点保护野生动植物适宜生境 物种分布模型可估测每个计算单元的物种分布概率。MaxEnt模型根据物种现实分布点的环境变量特征得出约束条件，在此约束条件下探寻最大熵的可能分布，据此来预测物种的适宜生境分布[27-30]。将北京市34种国家重点保护野生动植物分布点数据和环境变量数据导入MaxEnt模型中，建立适宜生境模型，预测结果为物种在区域的适宜生存概率（p），p值（0≤p≤1）越高，表明该区域物种生存的适宜性越高。将MaxEnt模型输出的每一种物种适宜生境布局导入ArcGIS，进行空间叠加分析，得到综合的物种栖息地空间分布格局，其结果表示栖息地上物种生存适宜性的高低程度[31]。

1.3.2 自然保护空间识别分析 基于MaxEnt模型预测结果，提取物种适宜生境为自然保护空间。MaxEnt模型输出结果除物种生境分布外，还有受试者工作特征曲线（ROC曲线）和环境变量响应曲线（即物种存在概率与环境变量值的关系，Response curves）。ROC曲线是以灵敏度（acuity）为纵坐标，特异度（specificity）为横坐标绘制的曲线，灵敏度即为模型能正确预测适宜分布点的个数与实际所有适宜分布点的个数比值，特异度即为模型能正确预测非适宜分布点的个数与实际所有非适宜分布点个数的比值。根据ROC曲线，以最大约登指数（Youden’s index）为最佳临界点作为是否为适宜生境的阈值。约登指数=（灵敏度+特异度）－1。利用模型输出的ROC曲线确定最大约登指数作为阈值（一般位于ROC曲线最靠近左上角位置），根据该阈值利用ArcGIS对预测的物种生境分布重分类，大于该阈值为适宜生境分布区，小于该阈值为非适宜分布区[28,32]。

利用34种保护物种的模拟分布数据，叠加得到综合适宜生境分布区，识别为自然保护空间。保护物种热点分布区是适宜生境中物种聚集度最高的区域，将其作为自然保护空间中的重点保护区域，热点区利用ArcGIS核密度工具（自然断点分级）实现。

2 结果与分析

2.1 保护物种分布分析

2.1.1 保护物种适宜生境 基于MaxEnt模拟的北京保护物种潜在适宜栖息地结果如图2，密云水库、延庆野鸭湖湿地周边、门头沟北部永定河地区、房山平原与山区过渡区、丰台永定河流域、昌平北部过渡区和中心城区是保护物种主要的潜在适宜生境，这些地区均为水体周边或位于平原与山区的过渡区，距人类聚集区距离适中，提供了保护物种生存所需物质，适宜生存，且适宜生境多为线性栖息地，确保了动物迁徙活动的正常进行。

图2 MaxEnt模型保护物种生境预测结果Figure 2 Prediction of protected species habitat by MaxEnt modeling

2.1.2 保护物种热点分布区 国家重点保护野生动物的热点分布区多而分散，分散于房山、门头沟、延庆、怀柔、海淀、密云和丰台七个区，其中，房山的集聚度最高，约47%的保护物种记录出现于此，主要是黑鹳和金雕；密云、延庆地区保护物种丰富度较高，有黑鹳、东方白鹳、白头鹤等。相对于动物分布，国家重点保护野生植物的热点分布区相对少且集中，分布于昌平、延庆、密云、房山四个区，其中，昌平的保护植物数量最多，并以绶草为主，其数量占该区保护植物总数量的50%，房山的保护植物物种丰富度最高，常见的有手参、角盘兰、狗枣猕猴桃、绶草、软枣猕猴桃等（图3）。

加强体制建设。加强自身队伍建设，提高管理水平，完善水资源管理体制，积极沟通协调，更新我市的水资源管理体制。

图3 保护物种集聚热点分布Figure 3 Aggregation distribution of protected species

2.2 保护物种分布影响因素分析

动物与植物的适宜生境存在差异性。动物的适宜生境较多分布于水体周边，植物的适宜生境除分布于过渡区、水域周边外，中心城区也有分布。以出现活动记录较多的黑鹳和五味子为例，分析动植物适宜生境受环境变量的影响（图4），从而为保护空间划定提供参考。

图4 黑鹳和五味子适宜生境分布Figure 4 Suitable habitat for C.nigra and S.chinensis

黑鹳的适宜生境主要集中在密云水库、延庆野鸭湖湿地公园、房山拒马河和珍珠湖区域及丰台永定河流域。基于对黑鹳适宜生境的环境变量影响分析，年均NPP、等温线、年降水量等因子超过一定范围，随着变量值的变大，黑鹳的存在概率降低；黑鹳生境的适宜温度在13℃左右，气候变量多是通过作为食物或庇护所的植被来影响动物。地形因素直接影响动物的运动，海拔越高、坡度越大，越不适宜动物生存，黑鹳适宜生存在坡度25°以下区域。距道路1 000 m左右为最适宜范围，超过或低于该距离物种的存在概率降低。从土地利用类型上看，湿地、水体是黑鹳存在概率最高的地区。

气候变量对植物来说尤为重要，植物无法为躲避恶劣天气而去寻找庇护场所或迁徙。地形主要通过其与温度和降水的相关性间接影响植物生境，如高程、坡度、坡向等对当地的光照、湿度等产生影响，进而作用于植物栖息地。例如：年均气温越大，五味子的存在概率小幅降低，降水量越高越适宜生存，符合其喜阴、耐湿的特征。五味子等植物适宜在距道路、水体1 000 m以内的区域生存。

从动植物适宜生境的影响因素看，保护物种重点生境保护区分布主要有三个特征：（1）年降水量在500 mm以上；（2）海拔在1 000 m以下，坡度在25°以内；（3）湿地和水体周边。物种在具有这些特征区域的存在概率较高，可加强对这些区域的保护与监管，促进生物多样性保护。

2.3 自然保护空间识别

2.3.1 基于保护物种适宜生境的自然保护空间识别 基于综合保护物种生境分布图，根据ROC曲线最大约登指数提取出适生区，北京各区适宜生境面积如表2，其中，房山、密云、昌平、门头沟等区域的保护物种适宜栖息地面积较大，多是成片连续的保护空间，如图5。

表2 北京各区保护物种适宜生境面积Table 2 Suitable habitat area for protected species in Beijing

图5 保护物种适宜生境和热点空间分布Figure 5 Spatial distribution of suitable habitats and aggregation of protected species

通过对适宜生境空间分布的分析，结合保护物种适宜生境的影响因素，其保护空间主要有三类：第一类是山区与平原过渡地带，是保护物种赖以生存的最重要区域，形成了连续保护空间，包括房山、昌平和密云等地的过渡区。过渡区距离人类聚集区远近适中，提供了保护物种尤其是动物丰富的食物来源，故加强过渡区自然保护地建设对物种多样性保护具有重要意义；第二类是海拔在400～ 700 m的山谷区，这些地区的坡度、温度适宜，为动植物创造了良好的生境；第三类是水源充足的平原地区，包括密云水库、中心城区、通州大运河流域以及大兴区南部地区。

在三类自然保护空间中，自然保护地存在面积少、生态系统连通性差等问题，如房山过渡地带存在亟需保护的线性空间，但保护地却是散点状分布，不利于动物迁徙与活动；大兴南部、通州区的适宜生境基本无保护地覆盖，属于保护空缺区，自然保护地整合优化需加强连通性、扩大保护地面积等。

2.3.2 基于保护物种热点分布区的自然保护重点空间识别 保护物种热点分布区是适宜生境中物种聚集度最高的地方，也是重点保护的空间。保护物种热点区聚集了北京约75%的国家重点保护野生动植物，其中，房山热点区是以十渡风景区、过渡区为核心，保护物种的丰富度最高，为42.6%；门头沟保护物种热点区在西北部，保护物种的丰富度约为15.8%；密云区重点保护空间位于密云水库周边，保护物种的丰富度约为10%（表3）。大兴、通州、丰台和朝阳四区交汇处也是保护物种热点分布空间，可建立跨区保护地类型，加强跨区协同管护，保持物种保护生境的完整性。

表3 保护物种热点区分布Table 3 Distribution of protected species

3 结论与讨论

3.1 结论

本文通过MaxEnt模型和ArcGIS空间分析技术，研究预测了北京市国家重点保护野生动植物的适宜生境和热点分布区，识别自然保护重点区域空间，为自然保护地整合优化提供参考。

（1）北京市保护物种适宜生境区面积有9 821.45 km2，可分为山区与平原过渡地带、海拔在400～ 700 m的山谷区和水体周边三类，多为连续的线性栖息地。保护物种热点分布区面积为2 248.43 km2，聚集了北京约75%的国家重点保护野生动植物，其中，房山区的聚度最高，其次为门头沟西北部、密云水库周边以及大兴南部等区域。保护物种适宜生境与热点区分布主要受降水量、地形和土地利用类型的影响，年降水量500 mm以上的区域、海拔1 000 m以下、坡度25°以内或者湿地、水体周边保护物种存在的概率较大。

（2）北京市保护物种的分布空间与自然保护地的空间分布不吻合，对保护物种的有效保护存在空缺；基于山区与平原过渡地带、海拔在400～ 700 m的山谷区和水体周边三类保护物种适宜生境的分布特征，北京自然保护地整合优化重点可通过“归并、整合、补缺”等方式，强化整体保护，维护生态系统完整性与连通性。山区与平原过渡地带、流域需通过“补缺”形式新建或扩建保护地形成廊道式区域来加强物种保护，例如通州大运河、丰台永定河等流域无保护地，存在保护空缺，应沿河构建带状保护地；海拔适中的山谷区，通过“整合、归并”将相邻以及周边生态价值高的区域整合为连片保护地，打通物种行为廊道，维护物种正常生活。

3.2 讨论

北京市自然保护地分布特点存在空间差异性，整合优化应因地制宜，分区来看，可采取两类优化方式。

（1）整合归并。房山区应加强过渡地带保护地的整体连通性，如将十渡、云居寺、上方山、龙山、白水寺、石花洞等保护地打造为生态保护带；延庆区重点考虑白河堡自然保护区与朝阳寺木化石自然保护区、大滩自然保护区的整体连通性；昌平北部地区可依托八达岭十三陵风景名胜区，将周边小型景区纳入整体保护，建设生态控制区；密云区可将云蒙山风景区、云蒙山森林公园、云蒙山自然保护区、五座楼森林公园整体整合为自然保护区。

（2）扩建补缺。怀柔水库、红螺湖、雁栖湖附近适宜生境存在保护空缺，应促进怀沙河、怀九河自然保护区与怀柔水库的连通，强化怀九河生态绿廊建设；平谷金海湖及周边保护物种丰富度高，应加强周边整体保护，维护生物多样性；通州和顺义区需增建流域型自然保护地。

MaxEnt模型预测结果是基于北京市野生动植物实际分布数据，具有一定借鉴参考意义。但由于建模时未充分考虑实地调查，不能验证预测结果与真实情况的差距，因此，在现有研究基础上，宜进一步结合实地调查结果，全面开展物种分布调研工作，验证模型对北京地区的预测效果，弥补模型预测偏差，提高研究的精确度。