孫艷芝，何紫云，張同升，蔡文婷，賈茵

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

自然生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性是人類生存發(fā)展的物質(zhì)環(huán)境基礎(chǔ)，是世界生態(tài)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(hù)地被公認(rèn)為是保護(hù)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(tài)代表性的自然保護(hù)地體系對物種保護(hù)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(jù)2019年國家林業(yè)和草原局網(wǎng)站[2]發(fā)布的數(shù)據(jù)，我國各級各類自然保護(hù)地有1.18萬處，面積約為186.6萬km2，有效地保護(hù)了各類珍稀動植物及其生境。但保護(hù)地存在破碎化等問題導(dǎo)致保護(hù)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(hù)，受到威脅的物種未被保護(hù)地覆蓋[3-4]。識別物種潛在適宜生境和熱點(diǎn)分布區(qū)域，將有限的保護(hù)資源分配到最值得保護(hù)的地區(qū)，是實現(xiàn)區(qū)域生物多樣性保護(hù)的有效途徑，可為自然保護(hù)地整合優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)[5-8]。

作為首個提出減量化發(fā)展的城市，北京近年來生態(tài)保護(hù)力度不斷加強(qiáng)，野生動植物種類逐漸增加，其中，國家重點(diǎn)保護(hù)野生動植物有100種，較多種類也是世界保護(hù)聯(lián)盟瀕危物種，自然保護(hù)地整合優(yōu)化為提升生物多樣性保護(hù)能力提供重要契機(jī)。本研究以北京市內(nèi)34種國家一、二級保護(hù)動植物為研究對象，采取MaxEnt模型對每個物種進(jìn)行建模，預(yù)測各物種的適生概率與影響因素；結(jié)合ArcGIS技術(shù)識別自然保護(hù)空間，為自然保護(hù)地整體優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

北京市下轄16個區(qū)，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(nèi)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(yùn)河、潮白河和薊運(yùn)河水系。屬暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)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(qū)降雨最多的地區(qū)之一。北京有自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、森林公園、濕地公園、地質(zhì)公園和自然遺產(chǎn)六大類自然保護(hù)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(jù)數(shù)據(jù)的可獲得性，本研究選擇北京市34種重點(diǎn)保護(hù)野生動植物為指示物種進(jìn)行信息提取，得到保護(hù)物種分布概況，如圖1。

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

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 保護(hù)物種數(shù)據(jù) 保護(hù)物種的分布數(shù)據(jù)來源于GBIF（Global Biodiversity Information Facility）和中國珍稀瀕危植物信息系統(tǒng)（https://www.gbif.org/occurrence/search;http://www.iplant.cn/rep/protlist）。數(shù)據(jù)為北京市34種有監(jiān)測記錄的重點(diǎn)保護(hù)野生動植物實際分布經(jīng)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(jīng)度、第三列為緯度，便于MaxEnt模型參數(shù)的輸入。北京市34種重點(diǎn)保護(hù)野生動植物的名稱和保護(hù)級別如表1。

表1 模型預(yù)測物種統(tǒng)計Table 1 List of predicted species

1.2.2 環(huán)境數(shù)據(jù) MaxEnt模型運(yùn)行需要的環(huán)境變量數(shù)據(jù)選擇基于實地環(huán)境、專家知識、模型特征以及數(shù)據(jù)的可得性[18-23]，主要包括氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、生態(tài)數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)與人類活動數(shù)據(jù)，共33個環(huán)境變量因子：①氣候數(shù)據(jù)主要包括與生物相關(guān)的氣溫和降水量在年、季度、月等不同時間尺度上的數(shù)據(jù)，共21個變量，數(shù)據(jù)來源于WorldClim 1.4數(shù)據(jù)庫（www.worldclim.org/）和資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺（http://www.resdc.cn/）；②地形因子包括海拔和坡度，數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云的“SRTMDEMUTM90M 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品”；③生態(tài)數(shù)據(jù)包括地被類型、植被指數(shù)（NDVI）和植被凈初級生產(chǎn)力（NPP），前兩者來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺，NPP采用全球變化科學(xué)研究數(shù)據(jù)出版系統(tǒng)下載的“北緯18°以北中國陸地生態(tài)系統(tǒng)逐月凈初級生產(chǎn)力1 km柵格數(shù)據(jù)集”[24]；④社會經(jīng)濟(jì)與人類活動數(shù)據(jù)包括人口、GDP、到水體的距離、到道路的距離、到居民點(diǎn)的距離、到森林的距離、到農(nóng)田的距離，前兩者采用全球變化科學(xué)研究數(shù)據(jù)出版系統(tǒng)下載的“中國公里網(wǎng)格GDP分布數(shù)據(jù)集”和“中國公里網(wǎng)格人口分布數(shù)據(jù)集”[25-26]；后5個距離因子通過ArcGIS從土地利用數(shù)據(jù)提取的各類用地進(jìn)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(diǎn)保護(hù)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(jù)物種現(xiàn)實分布點(diǎn)的環(huán)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(jù)此來預(yù)測物種的適宜生境分布[27-30]。將北京市34種國家重點(diǎn)保護(hù)野生動植物分布點(diǎn)數(shù)據(jù)和環(huán)境變量數(shù)據(jù)導(dǎo)入MaxEnt模型中，建立適宜生境模型，預(yù)測結(jié)果為物種在區(qū)域的適宜生存概率（p），p值（0≤p≤1）越高，表明該區(qū)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(dǎo)入ArcGIS，進(jìn)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(jié)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(hù)空間識別分析 基于MaxEnt模型預(yù)測結(jié)果，提取物種適宜生境為自然保護(hù)空間。MaxEnt模型輸出結(jié)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(huán)境變量響應(yīng)曲線（即物種存在概率與環(huán)境變量值的關(guān)系，Response curves）。ROC曲線是以靈敏度（acuity）為縱坐標(biāo)，特異度（specificity）為橫坐標(biāo)繪制的曲線，靈敏度即為模型能正確預(yù)測適宜分布點(diǎn)的個數(shù)與實際所有適宜分布點(diǎn)的個數(shù)比值，特異度即為模型能正確預(yù)測非適宜分布點(diǎn)的個數(shù)與實際所有非適宜分布點(diǎn)個數(shù)的比值。根據(jù)ROC曲線，以最大約登指數(shù)（Youden’s index）為最佳臨界點(diǎn)作為是否為適宜生境的閾值。約登指數(shù)=（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(shù)作為閾值（一般位于ROC曲線最靠近左上角位置），根據(jù)該閾值利用ArcGIS對預(yù)測的物種生境分布重分類，大于該閾值為適宜生境分布區(qū)，小于該閾值為非適宜分布區(qū)[28,32]。

利用34種保護(hù)物種的模擬分布數(shù)據(jù)，疊加得到綜合適宜生境分布區(qū)，識別為自然保護(hù)空間。保護(hù)物種熱點(diǎn)分布區(qū)是適宜生境中物種聚集度最高的區(qū)域，將其作為自然保護(hù)空間中的重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域，熱點(diǎn)區(qū)利用ArcGIS核密度工具（自然斷點(diǎn)分級）實現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 保護(hù)物種分布分析

2.1.1 保護(hù)物種適宜生境 基于MaxEnt模擬的北京保護(hù)物種潛在適宜棲息地結(jié)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(qū)、房山平原與山區(qū)過渡區(qū)、豐臺永定河流域、昌平北部過渡區(qū)和中心城區(qū)是保護(hù)物種主要的潛在適宜生境，這些地區(qū)均為水體周邊或位于平原與山區(qū)的過渡區(qū)，距人類聚集區(qū)距離適中，提供了保護(hù)物種生存所需物質(zhì)，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(jìn)行。

圖2 MaxEnt模型保護(hù)物種生境預(yù)測結(jié)果Figure 2 Prediction of protected species habitat by MaxEnt modeling

2.1.2 保護(hù)物種熱點(diǎn)分布區(qū) 國家重點(diǎn)保護(hù)野生動物的熱點(diǎn)分布區(qū)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(qū)，其中，房山的集聚度最高，約47%的保護(hù)物種記錄出現(xiàn)于此，主要是黑鸛和金雕；密云、延慶地區(qū)保護(hù)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(diǎn)保護(hù)野生植物的熱點(diǎn)分布區(qū)相對少且集中，分布于昌平、延慶、密云、房山四個區(qū)，其中，昌平的保護(hù)植物數(shù)量最多，并以綬草為主，其數(shù)量占該區(qū)保護(hù)植物總數(shù)量的50%，房山的保護(hù)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(qiáng)體制建設(shè)。加強(qiáng)自身隊伍建設(shè)，提高管理水平，完善水資源管理體制，積極溝通協(xié)調(diào)，更新我市的水資源管理體制。

圖3 保護(hù)物種集聚熱點(diǎn)分布Figure 3 Aggregation distribution of protected species

2.2 保護(hù)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(qū)、水域周邊外，中心城區(qū)也有分布。以出現(xiàn)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(huán)境變量的影響（圖4），從而為保護(hù)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(qū)域及豐臺永定河流域?；趯邴X適宜生境的環(huán)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(hù)所的植被來影響動物。地形因素直接影響動物的運(yùn)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(qū)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(qū)。

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(hù)場所或遷徙。地形主要通過其與溫度和降水的相關(guān)性間接影響植物生境，如高程、坡度、坡向等對當(dāng)?shù)氐墓庹?、濕度等產(chǎn)生影響，進(jìn)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(nèi)的區(qū)域生存。

從動植物適宜生境的影響因素看，保護(hù)物種重點(diǎn)生境保護(hù)區(qū)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(nèi)；（3）濕地和水體周邊。物種在具有這些特征區(qū)域的存在概率較高，可加強(qiáng)對這些區(qū)域的保護(hù)與監(jiān)管，促進(jìn)生物多樣性保護(hù)。

2.3 自然保護(hù)空間識別

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

表2 北京各區(qū)保護(hù)物種適宜生境面積Table 2 Suitable habitat area for protected species in Beijing

圖5 保護(hù)物種適宜生境和熱點(diǎn)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(jié)合保護(hù)物種適宜生境的影響因素，其保護(hù)空間主要有三類：第一類是山區(qū)與平原過渡地帶，是保護(hù)物種賴以生存的最重要區(qū)域，形成了連續(xù)保護(hù)空間，包括房山、昌平和密云等地的過渡區(qū)。過渡區(qū)距離人類聚集區(qū)遠(yuǎn)近適中，提供了保護(hù)物種尤其是動物豐富的食物來源，故加強(qiáng)過渡區(qū)自然保護(hù)地建設(shè)對物種多樣性保護(hù)具有重要意義；第二類是海拔在400～ 700 m的山谷區(qū)，這些地區(qū)的坡度、溫度適宜，為動植物創(chuàng)造了良好的生境；第三類是水源充足的平原地區(qū)，包括密云水庫、中心城區(qū)、通州大運(yùn)河流域以及大興區(qū)南部地區(qū)。

在三類自然保護(hù)空間中，自然保護(hù)地存在面積少、生態(tài)系統(tǒng)連通性差等問題，如房山過渡地帶存在亟需保護(hù)的線性空間，但保護(hù)地卻是散點(diǎn)狀分布，不利于動物遷徙與活動；大興南部、通州區(qū)的適宜生境基本無保護(hù)地覆蓋，屬于保護(hù)空缺區(qū)，自然保護(hù)地整合優(yōu)化需加強(qiáng)連通性、擴(kuò)大保護(hù)地面積等。

2.3.2 基于保護(hù)物種熱點(diǎn)分布區(qū)的自然保護(hù)重點(diǎn)空間識別 保護(hù)物種熱點(diǎn)分布區(qū)是適宜生境中物種聚集度最高的地方，也是重點(diǎn)保護(hù)的空間。保護(hù)物種熱點(diǎn)區(qū)聚集了北京約75%的國家重點(diǎn)保護(hù)野生動植物，其中，房山熱點(diǎn)區(qū)是以十渡風(fēng)景區(qū)、過渡區(qū)為核心，保護(hù)物種的豐富度最高，為42.6%；門頭溝保護(hù)物種熱點(diǎn)區(qū)在西北部，保護(hù)物種的豐富度約為15.8%；密云區(qū)重點(diǎn)保護(hù)空間位于密云水庫周邊，保護(hù)物種的豐富度約為10%（表3）。大興、通州、豐臺和朝陽四區(qū)交匯處也是保護(hù)物種熱點(diǎn)分布空間，可建立跨區(qū)保護(hù)地類型，加強(qiáng)跨區(qū)協(xié)同管護(hù)，保持物種保護(hù)生境的完整性。

表3 保護(hù)物種熱點(diǎn)區(qū)分布Table 3 Distribution of protected species

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本文通過MaxEnt模型和ArcGIS空間分析技術(shù)，研究預(yù)測了北京市國家重點(diǎn)保護(hù)野生動植物的適宜生境和熱點(diǎn)分布區(qū)，識別自然保護(hù)重點(diǎn)區(qū)域空間，為自然保護(hù)地整合優(yōu)化提供參考。

（1）北京市保護(hù)物種適宜生境區(qū)面積有9 821.45 km2，可分為山區(qū)與平原過渡地帶、海拔在400～ 700 m的山谷區(qū)和水體周邊三類，多為連續(xù)的線性棲息地。保護(hù)物種熱點(diǎn)分布區(qū)面積為2 248.43 km2，聚集了北京約75%的國家重點(diǎn)保護(hù)野生動植物，其中，房山區(qū)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(qū)域。保護(hù)物種適宜生境與熱點(diǎn)區(qū)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(qū)域、海拔1 000 m以下、坡度25°以內(nèi)或者濕地、水體周邊保護(hù)物種存在的概率較大。

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

3.2 討論

北京市自然保護(hù)地分布特點(diǎn)存在空間差異性，整合優(yōu)化應(yīng)因地制宜，分區(qū)來看，可采取兩類優(yōu)化方式。

（1）整合歸并。房山區(qū)應(yīng)加強(qiáng)過渡地帶保護(hù)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(hù)地打造為生態(tài)保護(hù)帶；延慶區(qū)重點(diǎn)考慮白河堡自然保護(hù)區(qū)與朝陽寺木化石自然保護(hù)區(qū)、大灘自然保護(hù)區(qū)的整體連通性；昌平北部地區(qū)可依托八達(dá)嶺十三陵風(fēng)景名勝區(qū)，將周邊小型景區(qū)納入整體保護(hù)，建設(shè)生態(tài)控制區(qū)；密云區(qū)可將云蒙山風(fēng)景區(qū)、云蒙山森林公園、云蒙山自然保護(hù)區(qū)、五座樓森林公園整體整合為自然保護(hù)區(qū)。

（2）擴(kuò)建補(bǔ)缺。懷柔水庫、紅螺湖、雁棲湖附近適宜生境存在保護(hù)空缺，應(yīng)促進(jìn)懷沙河、懷九河自然保護(hù)區(qū)與懷柔水庫的連通，強(qiáng)化懷九河生態(tài)綠廊建設(shè)；平谷金海湖及周邊保護(hù)物種豐富度高，應(yīng)加強(qiáng)周邊整體保護(hù)，維護(hù)生物多樣性；通州和順義區(qū)需增建流域型自然保護(hù)地。

MaxEnt模型預(yù)測結(jié)果是基于北京市野生動植物實際分布數(shù)據(jù)，具有一定借鑒參考意義。但由于建模時未充分考慮實地調(diào)查，不能驗證預(yù)測結(jié)果與真實情況的差距，因此，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，宜進(jìn)一步結(jié)合實地調(diào)查結(jié)果，全面開展物種分布調(diào)研工作，驗證模型對北京地區(qū)的預(yù)測效果，彌補(bǔ)模型預(yù)測偏差，提高研究的精確度。