北京市房山区自然保护地生境质量评估*

杨映，胡理乐

(1.甘肃洮河国家级自然保护区管护中心，甘肃 甘南 767600；2.国家林业和草原局 林草调查规划院，北京 100714)

自然保护地是生态建设的核心载体、中华民族的宝贵财富、美丽中国的重要象征，在维护生态安全中居于首要地位。过去几十年里，城市迅速扩张导致了大范围的生态环境破碎化，威胁着生态系统稳定性，严重影响了人类福祉[1-3]。尤其是土地利用变化强烈影响着区域物种及其生境[4]，这种情况在大城市边缘格外明显。城市生态安全依赖于良好的生态环境以及各项生态系统服务[5]，一直以来，为解决生境破碎化和生物多样性丧失的问题，国家和地方政府建立了自然保护区、森林公园、湿地公园等各类自然保护地来保护和维持生态系统功能，维护城市生态安全。研究表明，自然保护地的建立对生物多样性保护的效果明显高于非自然保护地[6]，但现有的自然保护地不足以保护当前生存的物种及其生境[7]。目前，在构建我国新时代自然保护地体系的紧要关头，明确自然保护地是否有效保护生态环境对于自然保护地规划和管理至关重要。

在环境指标难以准确监测的情况下，一般通过环境替代指标来反映生态环境[8]，生境质量作为这样一种替代指标可以用来评估生态环境保护状况。生境质量指生境为个体或种群的生存提供适宜条件的能力，主要体现在两个方面：一是某种土地利用类型自身的适宜程度，二是该生境受到威胁后的退化程度。国外学者针对使用生境质量指标评估生态环境状况作了相关研究，研究尺度包括洲尺度[9]、国家尺度[10]以及区域尺度[11]，研究结果均表明生境质量作为一种环境替代指标，可以有效评估生态环境状况。国内学者对生境质量的研究也包括自然保护区[12]、流域[13]、区域[14-16]等尺度，大部分研究侧重于分析生境质量的时空变化特征，鲜有对生境质量及其与自然保护地关系的研究。在生境质量研究中，为有效地识别出正在受到严重威胁的生物多样性特殊区域，“热点”分析是一种直观有效的方法，可确定物种丰富度高、特有性强或具有威胁性的区域[17]。热点方法已经被证明能在空间上对生物多样性保护的规划和管理进行有效改进[18]。该方法也被国内学者用于进行省级尺度的生境质量评估[19]。

房山区已经实施了一些政策和条例来加强对物种和生境的保护，例如建立自然保护区、森林公园、地质公园等自然保护地，但是这些保护地在生态环境质量保护方面的成效却没有得到很好评估，不同保护地类别的优劣势尚未得到充分认识，也没有将生境异质性以及相关威胁与地方管理战略和保护地规划联系起来。为了评估房山区自然保护地对生态环境的影响，本研究使用生态系统服务和权衡的综合评估(InVEST)模型对房山区生境质量和退化风险空间特征进行分析，使用莫兰指数(Moran index)明确生境冷热点区域，以探讨生境质量和生境退化及其热点和冷点与各类自然保护地之间的关系。

1 数据与方法

1.1 研究区自然概况

房山区位于北京市西南(39°30′～39°55′N、115°25′～116°15′E)，地处华北平原与太行山脉的过渡地带。区内地形地貌条件复杂，西北部多为山地、丘陵，海拔较高(最高2 046 m)，东南部多为平原，海拔较低(最低26 m)。属暖温带湿润大陆性季风气候，春季干燥多风，夏季高温多雨，秋季秋高气爽，冬季寒冷干燥，并且春、秋短促。年平均气温11 ℃，年平均降水量587 mm，夏季占全年降水量的85%[20]。

房山区植被覆盖率较高，植物种类丰富，林草繁茂，生态环境良好。截至2021年初，房山区共有5类13处自然保护地，其中自然保护区3处、森林公园3处、湿地公园1处、地质公园3处、风景名胜区3处，总面积约73 488.9 hm2，占全区面积比例的36.8%，远远高于北京市自然保护地面积占比(27.9%)。

图1 房山区土地利用类型和自然保护地的空间分布

图2 房山区生境质量主要威胁因子的空间分布

1.2 数据来源

本研究所用的土地利用类型数据来源于中科院空天信息创新研究院(http://data.casearth.cn/)[21]，分辨率为30 m，时间为2020年，据北京市实际情况和研究需要，将研究区土地利用类型整合为6个类型(林地、草地、耕地、水域、建设用地和未利用土地)。公路和铁路数据来源于全国地理信息资源目录服务系统(http://www.webmap.cn)中的1︰25万全国基础地理信息库。自然保护地数据包括房山区内所有自然保护地的边界、级别、类型，数据来源于北京市园林绿化局。

1.3 研究方法

1.3.1 生境质量评估

本研究采用生境质量指数和生境退化风险指数两个指标对房山区生境质量进行评估，两个指数均采用InVEST模型计算[19,22]。具体计算过程如下。

式中：Qxj表示第j种地类下栅格x的生境质量；Hj为第j种地类的生境适宜度；k为半饱和常数，在生境质量分析中一般设为0.5[23]。

式中：Dxj为生境类型j中x栅格的生境退化风险指数；y为威胁因子r下的栅格；ry用于判断栅格y是否提供威胁源r；Wr为威胁因子r具有的威胁权重[24-26]，具体取值见表1；βx为栅格x在社会、法律和物理保护水平下，威胁因子的可达性，取值在0～1之间，取值越大表明可达性越高，将自然保护区核心区的威胁可达性值设为0.2，缓冲区为0.5，实验区设为0.8，森林公园、湿地公园、地质公园和风景名胜区的可达性均设为0.8，其余地区可达性均为1[27]；Sjr为地类j对威胁因子r的敏感系数，取值介于0和1，取值越接近1表示越敏感[26-27]，具体取值见表2；irxy为来源于栅格x的威胁因子r对栅格y的影响。由于不同威胁因子产生的威胁影响不同，irxy的空间衰减变化存在线性和指数两种情况，公式如下。

表1 威胁因子参数

表2 不同土地类型对威胁因子的敏感度参数

式中：dxy是栅格x和y之间的线性距离；drmax是威胁r的最大作用距离。

1.3.2 生境热点与冷点分析

热点是指以特定指标的高密度簇(本研究中是生境质量或生境退化风险指数)为特征的区域，冷点指以特定指标的低密度簇为特征的区域[28]。本研究采用基于空间分析和空间关联的局部莫兰指数(local Moran’s I)方法[29]对房山区生境质量和生态退化风险进行冷热点分析。利用ArcGIS 软件中的“聚类和异常值分析”工具实现local Moran’s I算法。该工具通过根据每个像素的簇/离群点类型对其进行分类来表示空间相似性(空间聚类)或差异性(空间离群点)。最后，聚类算法将分析的生境质量和生境退化风险分为5种类型：“N”为无显著异常值，“HH”为由高值包围的更高值区域，“HL”为由低值包围的高值区域；“LH”为由高值包围的低值区域，“LL”为由低值包围的更低值区域。在本研究中，“HH”和“HL”为热点区域，“LH”和“LL”为冷点区域；生境质量热点区域为生态环境良好的区域，冷点区域为生态环境受到威胁的区域；生境退化风险热点区域为生态环境易发生退化的区域，冷点区域为生态环境较为健康稳定，退化风险低的区域。

2 结果与分析

2.1 生境质量和生境退化风险指数空间格局

房山区全区生境质量指数平均值为0.722 8，呈现东西向阶梯分布格局，高值区主要集中在西北部山区，这些区域海拔高，人口密度低，自然生态条件较好，植被覆盖度高，土地利用类型以森林为主；但在高值区的道路附近，生境质量指数较低。中值区集中分布于房山区中部的城乡过渡地带，该区域地势起伏较为平缓，土地利用类型主要以草地和耕地为主。低值区广泛分布于东部城区，该地区人口密集，土地利用类型以建设用地为主。全区生境退化风险指数平均值为0.073 6，从西到东逐渐升高。高值区集中分布于房山区中东部的主要城区，该区域人口密度大，人类活动频繁，各种威胁(如高密度道路网和城镇)密集。低值区主要分布在西南部植被丰富、自然保护地集中的地区。总体来看，房山区生境质量指数均值高于0.7，生境退化风险指数均值低于0.1，整体上其生态环境较好。

房山区非保护地区域生境退化风险指数(0.554 9)明显低于全区均值，大部分自然保护地的生境质量较高，不同类型的保护地之间有一定差异。自然保护区、森林公园、地质公园的生境质量指数均高于0.9，其中森林公园最高(0.958 8)；风景名胜区的生境质量指数略低(0.883 6)；湿地公园的生境质量指数(0.402 3)低于全区平均水平。

房山区非保护地区域生境退化风险指数(0.116 7)明显高于全区均值，大部分自然保护地的生境退化风险指数较低，但不同类型的保护地之间有明显差异。森林公园的生境退化风险指数(0.009 1)最低；地质公园(0.017 8)和自然保护区(0.020 0)接近，略高于森林公园；风景名胜区(0.034 1)明显高于森林公园；湿地公园(0.157 3)在所有保护地类型中最高，且高于全区平均水平。

图3 房山区生境质量和生境退化风险指数的空间分布

表3 不同类型自然保护地生境质量和生境退化风险指数均值

2.2 生境质量和生境退化风险指数冷、热点分析

房山区生境质量热点区域较少(0.36%)，零星分布在城区；冷点覆盖率(22.27%)高于热点，在东部城区连片分布，在西部山地道路网密集的地区零星分布。生境退化风险冷热点区域以中部山地和平原的分界线为界，东部集中分布着热点区域，西部集中分布着冷点区域；热点区域占比(38.68%)低于冷点区域(51.08%)。

对于各类保护地的生境质量冷热点覆盖率，非保护地区域的冷热点覆盖率均高于全区平均水平。各类保护地的生境质量冷热点覆盖率有一定差异，湿地公园的热点覆盖率(1.52%)最高，自然保护区和森林公园的热点覆盖率最低(0.02%)。各类保护地的冷点覆盖率的排序与热点覆盖率相同。

对于各类保护地的生境退化风险冷热点覆盖率，非保护地区域的热点覆盖率(56.06%)高于全区均值，冷点覆盖率(33.00%)低于全区均值。各类保护地的生境退化风险冷热点覆盖率有明显差异，湿地公园热点覆盖率(81.80%)明显高于其他区域，冷点覆盖率(11.71%)明显低于其它区域。自然保护区、森林公园、地质公园和风景名胜区中冷热点覆盖率相近，热点覆盖率均低于12%，其中森林公园最低(2.01%)；冷点覆盖率均高于73%，其中森林公园最高(96.73%)。

图4 房山区生境质量和生境退化风险指数冷及热点空间分布

表4 不同保护地类型生境质量和生境退化度及其热点、冷点覆盖率

3 讨论与结论

房山区生境质量和生态退化风险均呈现东西向阶梯分布格局。房山区西部生态环境好，生境质量指数高、生境退化风险指数低，这是因为该区域植被丰富，自然保护地集中，人口密度低，自然生态条件较好，威胁因子较少。房山区由西向东生境质量逐渐下降，生境退化风险指数逐渐提高，这是因为东部是主要城区，人口密度大，人类活动频繁，道路网密集，分散着各种威胁，对自然植被干扰大，生境退化风险高。

房山区生态环境好的区域与自然保护地范围高度重合。究其原因，自然保护地有严格的管理措施，从而使其可达性低于其它地区，为植物营造良好的生存空间，这使得大部分自然保护地的生境质量指数明显高于非保护地和全区均值，生境退化风险明显低于其他地区。然而，各类保护地中生境质量有一定差异，其中森林公园和自然保护区的生态环境最好，湿地公园的生态环境最差。自然保护区中核心区和缓冲区限制游客进入，可达性低，威胁因子少，森林公园以森林生态系统为主，植被丰富，生态环境好，所以这两类自然保护地的生境质量最好。湿地公园的生态环境问题较为突出，其生境质量指数不仅在各类保护地中最低，也低于非保护地区域，且生境退化风险指数高于非保护地，其原因可能有两点：(1)湿地公园成立时间较晚，土地利用格局不合理，其中的耕地和建设用地的所占比例要远大于其他类型的保护地[30]，导致生态环境较差；(2)湿地公园分布于东部城区附近，周围威胁因子分布较多，且湿地公园面积较小，易受威胁因子影响导致生态退化风险高。房山区应优化湿地公园内的土地利用格局，限制保护地内农业生产规模、生产强度，将不必要的耕地和建设用地转化为林地等生态用地，同时发展生态农业，减轻农业活动对生态环境的威胁。

本研究基于土地利用数据、道路数据等基础地理数据，使用InVEST模型分析了房山区生境质量和退化风险空间特征，使用莫兰指数分析了房山区生境冷热点区域分布，但缺乏时间尺度的分析。获取多个时间点的数据进行长时间序列评估，分析生境变化及其影响因素是后续研究的一个关注点。