北京市房山區(qū)自然保護(hù)地生境質(zhì)量評估*

楊映，胡理樂

(1.甘肅洮河國家級自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心，甘肅 甘南 767600；2.國家林業(yè)和草原局 林草調(diào)查規(guī)劃院，北京 100714)

自然保護(hù)地是生態(tài)建設(shè)的核心載體、中華民族的寶貴財富、美麗中國的重要象征，在維護(hù)生態(tài)安全中居于首要地位。過去幾十年里，城市迅速擴張導(dǎo)致了大范圍的生態(tài)環(huán)境破碎化，威脅著生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響了人類福祉[1-3]。尤其是土地利用變化強烈影響著區(qū)域物種及其生境[4]，這種情況在大城市邊緣格外明顯。城市生態(tài)安全依賴于良好的生態(tài)環(huán)境以及各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[5]，一直以來，為解決生境破碎化和生物多樣性喪失的問題，國家和地方政府建立了自然保護(hù)區(qū)、森林公園、濕地公園等各類自然保護(hù)地來保護(hù)和維持生態(tài)系統(tǒng)功能，維護(hù)城市生態(tài)安全。研究表明，自然保護(hù)地的建立對生物多樣性保護(hù)的效果明顯高于非自然保護(hù)地[6]，但現(xiàn)有的自然保護(hù)地不足以保護(hù)當(dāng)前生存的物種及其生境[7]。目前，在構(gòu)建我國新時代自然保護(hù)地體系的緊要關(guān)頭，明確自然保護(hù)地是否有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境對于自然保護(hù)地規(guī)劃和管理至關(guān)重要。

在環(huán)境指標(biāo)難以準(zhǔn)確監(jiān)測的情況下，一般通過環(huán)境替代指標(biāo)來反映生態(tài)環(huán)境[8]，生境質(zhì)量作為這樣一種替代指標(biāo)可以用來評估生態(tài)環(huán)境保護(hù)狀況。生境質(zhì)量指生境為個體或種群的生存提供適宜條件的能力，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是某種土地利用類型自身的適宜程度，二是該生境受到威脅后的退化程度。國外學(xué)者針對使用生境質(zhì)量指標(biāo)評估生態(tài)環(huán)境狀況作了相關(guān)研究，研究尺度包括洲尺度[9]、國家尺度[10]以及區(qū)域尺度[11]，研究結(jié)果均表明生境質(zhì)量作為一種環(huán)境替代指標(biāo)，可以有效評估生態(tài)環(huán)境狀況。國內(nèi)學(xué)者對生境質(zhì)量的研究也包括自然保護(hù)區(qū)[12]、流域[13]、區(qū)域[14-16]等尺度，大部分研究側(cè)重于分析生境質(zhì)量的時空變化特征，鮮有對生境質(zhì)量及其與自然保護(hù)地關(guān)系的研究。在生境質(zhì)量研究中，為有效地識別出正在受到嚴(yán)重威脅的生物多樣性特殊區(qū)域，“熱點”分析是一種直觀有效的方法，可確定物種豐富度高、特有性強或具有威脅性的區(qū)域[17]。熱點方法已經(jīng)被證明能在空間上對生物多樣性保護(hù)的規(guī)劃和管理進(jìn)行有效改進(jìn)[18]。該方法也被國內(nèi)學(xué)者用于進(jìn)行省級尺度的生境質(zhì)量評估[19]。

房山區(qū)已經(jīng)實施了一些政策和條例來加強對物種和生境的保護(hù)，例如建立自然保護(hù)區(qū)、森林公園、地質(zhì)公園等自然保護(hù)地，但是這些保護(hù)地在生態(tài)環(huán)境質(zhì)量保護(hù)方面的成效卻沒有得到很好評估，不同保護(hù)地類別的優(yōu)劣勢尚未得到充分認(rèn)識，也沒有將生境異質(zhì)性以及相關(guān)威脅與地方管理戰(zhàn)略和保護(hù)地規(guī)劃聯(lián)系起來。為了評估房山區(qū)自然保護(hù)地對生態(tài)環(huán)境的影響，本研究使用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評估(InVEST)模型對房山區(qū)生境質(zhì)量和退化風(fēng)險空間特征進(jìn)行分析，使用莫蘭指數(shù)(Moran index)明確生境冷熱點區(qū)域，以探討生境質(zhì)量和生境退化及其熱點和冷點與各類自然保護(hù)地之間的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

房山區(qū)位于北京市西南(39°30′～39°55′N、115°25′～116°15′E)，地處華北平原與太行山脈的過渡地帶。區(qū)內(nèi)地形地貌條件復(fù)雜，西北部多為山地、丘陵，海拔較高(最高2 046 m)，東南部多為平原，海拔較低(最低26 m)。屬暖溫帶濕潤大陸性季風(fēng)氣候，春季干燥多風(fēng)，夏季高溫多雨，秋季秋高氣爽，冬季寒冷干燥，并且春、秋短促。年平均氣溫11 ℃，年平均降水量587 mm，夏季占全年降水量的85%[20]。

房山區(qū)植被覆蓋率較高，植物種類豐富，林草繁茂，生態(tài)環(huán)境良好。截至2021年初，房山區(qū)共有5類13處自然保護(hù)地，其中自然保護(hù)區(qū)3處、森林公園3處、濕地公園1處、地質(zhì)公園3處、風(fēng)景名勝區(qū)3處，總面積約73 488.9 hm2，占全區(qū)面積比例的36.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于北京市自然保護(hù)地面積占比(27.9%)。

圖1 房山區(qū)土地利用類型和自然保護(hù)地的空間分布

圖2 房山區(qū)生境質(zhì)量主要威脅因子的空間分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用的土地利用類型數(shù)據(jù)來源于中科院空天信息創(chuàng)新研究院(http://data.casearth.cn/)[21]，分辨率為30 m，時間為2020年，據(jù)北京市實際情況和研究需要，將研究區(qū)土地利用類型整合為6個類型(林地、草地、耕地、水域、建設(shè)用地和未利用土地)。公路和鐵路數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)(http://www.webmap.cn)中的1︰25萬全國基礎(chǔ)地理信息庫。自然保護(hù)地數(shù)據(jù)包括房山區(qū)內(nèi)所有自然保護(hù)地的邊界、級別、類型，數(shù)據(jù)來源于北京市園林綠化局。

1.3 研究方法

1.3.1 生境質(zhì)量評估

本研究采用生境質(zhì)量指數(shù)和生境退化風(fēng)險指數(shù)兩個指標(biāo)對房山區(qū)生境質(zhì)量進(jìn)行評估，兩個指數(shù)均采用InVEST模型計算[19,22]。具體計算過程如下。

式中：Qxj表示第j種地類下柵格x的生境質(zhì)量；Hj為第j種地類的生境適宜度；k為半飽和常數(shù)，在生境質(zhì)量分析中一般設(shè)為0.5[23]。

式中：Dxj為生境類型j中x柵格的生境退化風(fēng)險指數(shù)；y為威脅因子r下的柵格；ry用于判斷柵格y是否提供威脅源r；Wr為威脅因子r具有的威脅權(quán)重[24-26]，具體取值見表1；βx為柵格x在社會、法律和物理保護(hù)水平下，威脅因子的可達(dá)性，取值在0～1之間，取值越大表明可達(dá)性越高，將自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)的威脅可達(dá)性值設(shè)為0.2，緩沖區(qū)為0.5，實驗區(qū)設(shè)為0.8，森林公園、濕地公園、地質(zhì)公園和風(fēng)景名勝區(qū)的可達(dá)性均設(shè)為0.8，其余地區(qū)可達(dá)性均為1[27]；Sjr為地類j對威脅因子r的敏感系數(shù)，取值介于0和1，取值越接近1表示越敏感[26-27]，具體取值見表2；irxy為來源于柵格x的威脅因子r對柵格y的影響。由于不同威脅因子產(chǎn)生的威脅影響不同，irxy的空間衰減變化存在線性和指數(shù)兩種情況，公式如下。

表1 威脅因子參數(shù)

表2 不同土地類型對威脅因子的敏感度參數(shù)

式中：dxy是柵格x和y之間的線性距離；drmax是威脅r的最大作用距離。

1.3.2 生境熱點與冷點分析

熱點是指以特定指標(biāo)的高密度簇(本研究中是生境質(zhì)量或生境退化風(fēng)險指數(shù))為特征的區(qū)域，冷點指以特定指標(biāo)的低密度簇為特征的區(qū)域[28]。本研究采用基于空間分析和空間關(guān)聯(lián)的局部莫蘭指數(shù)(local Moran’s I)方法[29]對房山區(qū)生境質(zhì)量和生態(tài)退化風(fēng)險進(jìn)行冷熱點分析。利用ArcGIS 軟件中的“聚類和異常值分析”工具實現(xiàn)local Moran’s I算法。該工具通過根據(jù)每個像素的簇/離群點類型對其進(jìn)行分類來表示空間相似性(空間聚類)或差異性(空間離群點)。最后，聚類算法將分析的生境質(zhì)量和生境退化風(fēng)險分為5種類型：“N”為無顯著異常值，“HH”為由高值包圍的更高值區(qū)域，“HL”為由低值包圍的高值區(qū)域；“LH”為由高值包圍的低值區(qū)域，“LL”為由低值包圍的更低值區(qū)域。在本研究中，“HH”和“HL”為熱點區(qū)域，“LH”和“LL”為冷點區(qū)域；生境質(zhì)量熱點區(qū)域為生態(tài)環(huán)境良好的區(qū)域，冷點區(qū)域為生態(tài)環(huán)境受到威脅的區(qū)域；生境退化風(fēng)險熱點區(qū)域為生態(tài)環(huán)境易發(fā)生退化的區(qū)域，冷點區(qū)域為生態(tài)環(huán)境較為健康穩(wěn)定，退化風(fēng)險低的區(qū)域。

2 結(jié)果與分析

2.1 生境質(zhì)量和生境退化風(fēng)險指數(shù)空間格局

房山區(qū)全區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)平均值為0.722 8，呈現(xiàn)東西向階梯分布格局，高值區(qū)主要集中在西北部山區(qū)，這些區(qū)域海拔高，人口密度低，自然生態(tài)條件較好，植被覆蓋度高，土地利用類型以森林為主；但在高值區(qū)的道路附近，生境質(zhì)量指數(shù)較低。中值區(qū)集中分布于房山區(qū)中部的城鄉(xiāng)過渡地帶，該區(qū)域地勢起伏較為平緩，土地利用類型主要以草地和耕地為主。低值區(qū)廣泛分布于東部城區(qū)，該地區(qū)人口密集，土地利用類型以建設(shè)用地為主。全區(qū)生境退化風(fēng)險指數(shù)平均值為0.073 6，從西到東逐漸升高。高值區(qū)集中分布于房山區(qū)中東部的主要城區(qū)，該區(qū)域人口密度大，人類活動頻繁，各種威脅(如高密度道路網(wǎng)和城鎮(zhèn))密集。低值區(qū)主要分布在西南部植被豐富、自然保護(hù)地集中的地區(qū)?？傮w來看，房山區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)均值高于0.7，生境退化風(fēng)險指數(shù)均值低于0.1，整體上其生態(tài)環(huán)境較好。

房山區(qū)非保護(hù)地區(qū)域生境退化風(fēng)險指數(shù)(0.554 9)明顯低于全區(qū)均值，大部分自然保護(hù)地的生境質(zhì)量較高，不同類型的保護(hù)地之間有一定差異。自然保護(hù)區(qū)、森林公園、地質(zhì)公園的生境質(zhì)量指數(shù)均高于0.9，其中森林公園最高(0.958 8)；風(fēng)景名勝區(qū)的生境質(zhì)量指數(shù)略低(0.883 6)；濕地公園的生境質(zhì)量指數(shù)(0.402 3)低于全區(qū)平均水平。

房山區(qū)非保護(hù)地區(qū)域生境退化風(fēng)險指數(shù)(0.116 7)明顯高于全區(qū)均值，大部分自然保護(hù)地的生境退化風(fēng)險指數(shù)較低，但不同類型的保護(hù)地之間有明顯差異。森林公園的生境退化風(fēng)險指數(shù)(0.009 1)最低；地質(zhì)公園(0.017 8)和自然保護(hù)區(qū)(0.020 0)接近，略高于森林公園；風(fēng)景名勝區(qū)(0.034 1)明顯高于森林公園；濕地公園(0.157 3)在所有保護(hù)地類型中最高，且高于全區(qū)平均水平。

圖3 房山區(qū)生境質(zhì)量和生境退化風(fēng)險指數(shù)的空間分布

表3 不同類型自然保護(hù)地生境質(zhì)量和生境退化風(fēng)險指數(shù)均值

2.2 生境質(zhì)量和生境退化風(fēng)險指數(shù)冷、熱點分析

房山區(qū)生境質(zhì)量熱點區(qū)域較少(0.36%)，零星分布在城區(qū)；冷點覆蓋率(22.27%)高于熱點，在東部城區(qū)連片分布，在西部山地道路網(wǎng)密集的地區(qū)零星分布。生境退化風(fēng)險冷熱點區(qū)域以中部山地和平原的分界線為界，東部集中分布著熱點區(qū)域，西部集中分布著冷點區(qū)域；熱點區(qū)域占比(38.68%)低于冷點區(qū)域(51.08%)。

對于各類保護(hù)地的生境質(zhì)量冷熱點覆蓋率，非保護(hù)地區(qū)域的冷熱點覆蓋率均高于全區(qū)平均水平。各類保護(hù)地的生境質(zhì)量冷熱點覆蓋率有一定差異，濕地公園的熱點覆蓋率(1.52%)最高，自然保護(hù)區(qū)和森林公園的熱點覆蓋率最低(0.02%)。各類保護(hù)地的冷點覆蓋率的排序與熱點覆蓋率相同。

對于各類保護(hù)地的生境退化風(fēng)險冷熱點覆蓋率，非保護(hù)地區(qū)域的熱點覆蓋率(56.06%)高于全區(qū)均值，冷點覆蓋率(33.00%)低于全區(qū)均值。各類保護(hù)地的生境退化風(fēng)險冷熱點覆蓋率有明顯差異，濕地公園熱點覆蓋率(81.80%)明顯高于其他區(qū)域，冷點覆蓋率(11.71%)明顯低于其它區(qū)域。自然保護(hù)區(qū)、森林公園、地質(zhì)公園和風(fēng)景名勝區(qū)中冷熱點覆蓋率相近，熱點覆蓋率均低于12%，其中森林公園最低(2.01%)；冷點覆蓋率均高于73%，其中森林公園最高(96.73%)。

圖4 房山區(qū)生境質(zhì)量和生境退化風(fēng)險指數(shù)冷及熱點空間分布

表4 不同保護(hù)地類型生境質(zhì)量和生境退化度及其熱點、冷點覆蓋率

3 討論與結(jié)論

房山區(qū)生境質(zhì)量和生態(tài)退化風(fēng)險均呈現(xiàn)東西向階梯分布格局。房山區(qū)西部生態(tài)環(huán)境好，生境質(zhì)量指數(shù)高、生境退化風(fēng)險指數(shù)低，這是因為該區(qū)域植被豐富，自然保護(hù)地集中，人口密度低，自然生態(tài)條件較好，威脅因子較少。房山區(qū)由西向東生境質(zhì)量逐漸下降，生境退化風(fēng)險指數(shù)逐漸提高，這是因為東部是主要城區(qū)，人口密度大，人類活動頻繁，道路網(wǎng)密集，分散著各種威脅，對自然植被干擾大，生境退化風(fēng)險高。

房山區(qū)生態(tài)環(huán)境好的區(qū)域與自然保護(hù)地范圍高度重合。究其原因，自然保護(hù)地有嚴(yán)格的管理措施，從而使其可達(dá)性低于其它地區(qū)，為植物營造良好的生存空間，這使得大部分自然保護(hù)地的生境質(zhì)量指數(shù)明顯高于非保護(hù)地和全區(qū)均值，生境退化風(fēng)險明顯低于其他地區(qū)。然而，各類保護(hù)地中生境質(zhì)量有一定差異，其中森林公園和自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境最好，濕地公園的生態(tài)環(huán)境最差。自然保護(hù)區(qū)中核心區(qū)和緩沖區(qū)限制游客進(jìn)入，可達(dá)性低，威脅因子少，森林公園以森林生態(tài)系統(tǒng)為主，植被豐富，生態(tài)環(huán)境好，所以這兩類自然保護(hù)地的生境質(zhì)量最好。濕地公園的生態(tài)環(huán)境問題較為突出，其生境質(zhì)量指數(shù)不僅在各類保護(hù)地中最低，也低于非保護(hù)地區(qū)域，且生境退化風(fēng)險指數(shù)高于非保護(hù)地，其原因可能有兩點：(1)濕地公園成立時間較晚，土地利用格局不合理，其中的耕地和建設(shè)用地的所占比例要遠(yuǎn)大于其他類型的保護(hù)地[30]，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境較差；(2)濕地公園分布于東部城區(qū)附近，周圍威脅因子分布較多，且濕地公園面積較小，易受威脅因子影響導(dǎo)致生態(tài)退化風(fēng)險高。房山區(qū)應(yīng)優(yōu)化濕地公園內(nèi)的土地利用格局，限制保護(hù)地內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)強度，將不必要的耕地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為林地等生態(tài)用地，同時發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，減輕農(nóng)業(yè)活動對生態(tài)環(huán)境的威脅。

本研究基于土地利用數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，使用InVEST模型分析了房山區(qū)生境質(zhì)量和退化風(fēng)險空間特征，使用莫蘭指數(shù)分析了房山區(qū)生境冷熱點區(qū)域分布，但缺乏時間尺度的分析。獲取多個時間點的數(shù)據(jù)進(jìn)行長時間序列評估，分析生境變化及其影響因素是后續(xù)研究的一個關(guān)注點。