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天目山保护区地处浙江省西北部杭州市临安区境内的西天目山。其东部、南部与临安区西天目乡毗邻，西部与临安区千洪乡和安徽省宁国市接壤，北部与浙江安吉县境内的安吉小鲵国家级自然保护区交界，总面积为4284 hm 2 。主峰仙人顶海拔为1506 m，为浙江西北部主要高峰之一。
西天目山的主峰仙人顶与东天目山的主峰大仙顶的峰巅各有一池，池水长年不枯。两池遥相呼应，宛若巨目仰望苍天，故得“天目山”之名。天目山亦为历代宗教名山，自汉代以来，僧侣们相继在此择地建寺。由于历代僧侣的巡山护林，有效地保护了天目山原生森林植被。其间，因遭受战火袭扰，山麓部分森林曾遭到破坏。新中国成立后，在政府和当地人数十年的努力下，山麓植被逐渐恢复。
天目山保护区属亚热带季风气候区，具有中亚热带向北亚热带过渡的特征，并受海洋暖湿气候的影响较深，形成了季风强盛、四季分明、气候温和、雨水充沛、光照适宜、复杂多变的森林生态气候。根据多年观测资料分析，保护区自山麓至山顶，年平均气温为8.1～19.1℃；最冷月平均气温为—2.6～3.4℃；极端最低气温为—20.6℃（1958年）；最热月平均气温为19.9～28.1℃，极端最高气温为34.4℃（2008年7月）；≥10℃有效积温为2529～5085℃；无霜期为194～284天；年雨日为156～196天；年雾日为27.1～255.3天；年降雪日数为84.0～151.7天；年降水量为1200～2000 mm；年太阳辐射为3770～4500 MJ/m；相对湿度为76%～82%。按气温指标衡量，春秋季较短，冬夏季偏长。
天目山保护区的大地构造位置处在江山—绍兴深断裂西北侧，所处的一至三级大地构造单元依次为扬子准地台、钱塘台褶带、安吉—长兴褶皱带。
保护区的地质建造以中生代早白垩世早期大规模的陆相火山爆发、岩浆喷溢及后期的岩浆侵入为主。早白垩世早期，保护区范围内发生了一次强度较大的火山作用，初期为规模较大的火山爆发，形成厚度超过900 m的酸性、中酸性熔结凝灰岩类，在火山爆发间隙形成了沉凝灰岩和凝灰质砂砾岩；之后为大规模的岩浆喷溢，形成厚度大于1400 m的流纹岩、流纹斑岩；在火山作用后期，形成超浅成的次火山岩。
早白垩世晚期以后，区内地壳运动以间歇性抬升为主，并存在明显的抬升幅度的地域差异。挽近期的新构造运动和外力地质作用形成了地形陡峭的中山、夷平面、崩塌、阶地等地貌。
天目山保护区及周边地区出露的地层主要是寒武纪、奥陶纪形成的海相沉积岩和早白垩世形成的陆相火山岩。
天目山保护区植物资源十分丰富。因区内地势较为陡峭，海拔上升快，气候差异大，植被的分布呈现明显的垂直界限。根据天目山植物群落的种类组成、外貌结构和生态地理分布，区内森林植被类型可分为7个植被型、22个群系组、50个群系。7个植被型分别为常绿针叶林、落叶针阔叶混交林、常绿针阔叶混交林、常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、落叶阔叶林和竹林。
常绿针叶林可以分为3个群系组，分别是杉木暖性常绿针叶林、柳杉暖性常绿针叶林和黄山松温性常绿针叶林。
落叶针阔叶混交林仅有1个群系组，即金钱松类温性针阔叶混交林。乔木层的优势种是金钱松和银杏，伴生的物种有灯台树、青钱柳、黄山松、橉木等。灌木层优势种是水竹、白檀，伴生的有日本紫珠、海州常山、中国绣球、荚蒾等常见种，也有天目槭、天目木兰等天目山特色物种。草本层主要物种有牛膝、金线草、冷水花属、箐姑草等，伴生的有求米草、微毛血见愁、紫花堇菜、奇蒿等。层间植物丰富，有大芽南蛇藤、鸡屎藤、大血藤等。
常绿针阔叶混交林可以分为4个群系组，分别是柳杉暖性针阔叶混交林、榧树类林、杉木暖性针阔叶混交林、马尾松暖性针阔叶混交林。其中柳杉暖性针阔叶混交林分布面积较大，是天目山特色类林地，榧树类林的分布面积很小。
常绿阔叶林仅有1个群系组，即润楠楠木类林，主要分布在低海拔地区。
常绿落叶阔叶混交林是天目山的主要植被，主要分布于海拔450～1100 m的地段上。植物种类丰富，群落结构复杂多样，呈现复层林，可以分为5个群系组，分别是润楠楠木类常绿落叶阔叶混交林、漆树类常绿落叶阔叶混交林、石栎类常绿落叶阔叶混交林、枫香类常绿落叶阔叶混交林和交让木常绿落叶阔叶混交林。
落叶阔叶林可以分为7个群系组，分别是银杏落叶阔叶林、栎类落叶阔叶林、雷公鹅耳枥类落叶阔叶林、水青冈类落叶阔叶林、小叶白辛树落叶阔叶林、青钱柳落叶阔叶林、毛山荆子落叶林。天目山的落叶阔叶林主要分布在高海拔地带，为天目山的高海拔植被类型。落叶阔叶林主要分布在海拔为950～1380 m的地段，低海拔地区以银杏、麻栎为主的落叶阔叶林也不少见。
竹林仅有1个群系组，即刚竹类林，包括毛竹林和高节竹林2个群系。多为人工纯林，主要分布于海拔为350～900 m的地段，与阔叶林混生。
天目山保护区的动物资源十分丰富。保护区在中国动物地理区划上，属于东洋界中印亚界华中区的东部丘陵平原亚区，在浙江动物地理区划上，属浙西丘陵山地区。由于地理位置特殊，自然环境优越，加上长期以来当地人的爱林护林传统，为野生动物和昆虫生存及栖息创造了良好的条件。
据不完全统计，目前区内共有各种动物7173种，被列为国家重点保护的动物有74种，其中国家一级重点保护野生动物有华南梅花鹿、黑麂、穿山甲、豹、大灵猫、小灵猫、云豹、金猫、白颈长尾雉、黄胸鹀、豺、安吉小鲵12种；国家二级重点保护野生动物有猕猴、黄喉貂、水獭、中华鬣羚、狼、貉、赤狐、豹猫、毛冠鹿、中华斑羚、鸳鸯、凤头鹰、赤腹鹰、苍鹰、雀鹰、松雀鹰、白腹鹞、普通鵟、林雕、灰脸鵟鹰、蛇雕、鹰雕、白腹隼雕、黑冠鹃隼、黑鸢、凤头蜂鹰、红隼、灰背隼、燕隼、勺鸡、白鹇、褐翅鸦鹃、小鸦鹃、东方草鸮、褐林鸮、鹰鸮、斑头鸺鹠、领鸺鹠、雕鸮、红角鸮、领角鸮、北领角鸮、仙八色鸫、短尾鸦雀、红嘴相思鸟、画眉、棕噪鹛、白喉林鹟、蓝鹀、中国瘰螈、中华虎凤蝶、扭尾曦春蜓、拉步甲、硕步甲、阳彩臂金龟、黑紫蛱蝶等62种。
此外，天目山保护区作为一个植被茂盛、资源富足、自然生态相对稳定的自然保护区，蕴藏着极其丰富的昆虫资源，是世界著名的模式标本产地之一。据不完全统计，天目山是700余种昆虫的模式产地。因此，天目山是昆虫研究的重要基地，也是大专院校师生教学实习的理想场所。