黑龍江小興安嶺地區西伯利亞狍棲息地適宜性評價

王嘉文 龍澤旭 梁 鑫 李詩喆 姜廣順

(國家林業和草原局貓科動物研究中心，東北林業大學野生動物與自然保護地學院，哈爾濱，150040)

野生動物棲息地選擇和評價，對物種保護和恢復具有重要的指導意義[1]。應用物種分布模型或資源選擇函數對物種的棲息地適宜性進行評估，可以得到對物種棲息地影響較大的環境及人為干擾等因素。這些獲得的物種棲息地適宜性及對其造成影響的生境因子，可以為物種的種群管理、保護及恢復提供重要的理論依據，有助于相關管理部門對于該物種保護管理舉措的制定和實施。

西伯利亞狍(Capreoluspygargus)隸屬于鹿科(Cervidae)，狍屬，是國家Ⅰ級重點保護動物東北虎(Pantheratigrisaltaica)的獵物之一[2]。近年來，隨著人類活動范圍的增加，如林區內道路數量的增多，會造成棲息地破碎化及適宜棲息地減少[3]。對西伯利亞狍開展棲息地適宜性研究，對維持小興安嶺地區森林生態系統食物網絡完整性起重要作用[4]，為相關管理部門制定保護管理措施提供理論依據。

在對西伯利亞狍棲息地選擇(棲息地適宜性評價)的研究方法上，研究人員利用不同物種分布模型對野生動物的棲息地適宜性進行評價[5-8]，如廣義線性模型、廣義可加模型、決策樹及隨機森林等分類回歸方法[9]。隨機森林模型(random forest model)是基于集成理論展開的一種機器學習方法，近年來廣泛應用于不同區域多樣的物種的棲息地適宜性預測[10]。

本文選取黑龍江小興安嶺地區，探索環境因子(人為干擾因子也是環境因子的組成部分)特別是人為干擾因子對西伯利亞狍棲息地適宜性的影響并預測其適宜分布區域，為該地區東北虎的保護提供基礎數據。

1 研究區域概況

小興安嶺位于松花江以北、黑龍江以南、三江平原以西的大片山林地區，一般海拔300—1 100 m。小興安嶺屬北溫帶大陸季風氣候區，四季分明，冬季嚴寒、干燥而漫長，夏季溫熱而短暫[11]。年平均氣溫-1—1 ℃，最冷為1月，-20—-25 ℃，最熱為7月，氣溫20—21 ℃，極端最高氣溫為35 ℃。全年≥10 ℃活動積溫1 800—2 400 ℃，無霜期90—120 d。年平均日照數2 355—2 400 h。年降雨量550—670 mm，降雨集中在夏季。干濕指數1.13—0.92，屬濕潤地區[12]。

植物生長期每年可達120 d，植物種類較多，有部分以紅松(Pinuskoraiensis)為主的針葉林，其余大面積為針闊混交林。小興安嶺分布有種類豐富的脊椎動物，不乏多種珍稀瀕危，且對整個棲息地功能具有重要意義的大型獸類，其中包括東北虎、紫貂(Marteszibellina)等國家Ⅰ級保護動物；黑熊(Ursusthibetanus)、馬鹿(Cervuselaphus)、猞猁(Lynxlynx)、青鼬(Martesflavigula)、雪兔(Lepustimidus)等國家Ⅱ級重點保護動物[13]。

2 研究方法

2.1 數據采集

根據目前黑龍江省有蹄類分布情況，本次調查采用三階抽樣方法：

一級階元：小興安嶺；

二級階元：以國有林業局為抽樣單位，在小興安嶺抽樣單元內的國有林業局中抽取二級抽樣單元；

三級階元：以國有林場為抽樣單位，在所選擇二級單元中，抽取三級抽樣單元，在三級抽樣單元中以3 km的間隔布設長6 km的樣線。考慮到每個林場面積大小不一，參照“全國第二次陸生野生動物資源調查技術規程——北方森林生態系統陸生野生動物資源調查技術細則”，每個三級抽樣單元調查的基準面積確定為144 km2。

圖1 研究區域地理位置Fig.1 A geographical map of the study area

以三級抽樣單元為相對獨立的地域來布設樣線，黑龍江省天然林總面積約194 118 km2，本次調查中小興安嶺林區面積約為73 440 km2，按照約30%的抽樣強度設計和實施，調查150個三級單元，抽樣面積共21 600 km2。共計完成樣線599條。實際調查中根據道路分布及地形條件對所布設的樣線進行適當調整。調查過程中的調查人員應用GPS準確記錄其行進線路，對行進過程中遇到的有蹄類蹤跡信息(包括取食痕跡、臥跡、足跡、糞便尿跡及尸體)詳細記錄其地理坐標、物種、數量、蹤跡類型和新鮮程度(小于或等于24 h、大于24 h)。

2.2 變量獲取

從2018年12月至2019年3月，開展為期3個月的實地抽樣調查，完成了599條樣線。根據狍發生信息的調查記錄，統計整理，獲取狍出現位點。使用ArcGIS軟件從矢量及柵格數據獲得相應的生境因子，具體見表1。其中地形因子(坡度、坡向和海拔)由來自中科院地理空間數據云的GDEM V2 DEM 30 m數據獲取；林型及土地利用類型來自2015年MODIS的100 m全球覆蓋數據；道路和居民點信息來自1∶25萬國家基礎地理數據庫。

表1 狍棲息地中的生境因子描述Tab.1 The habitat factors in the habitat of roe deer

2.3 隨機森林模型的建立和驗證

通過建立隨機森林模型對小興安嶺區域西伯利亞狍的棲息地適宜性進行預測。隨機森林是一種組成式的，有監督和學習的方法，算法涉及對樣本單元和變量進行抽樣，生成大量決策樹，依據所有決策樹進行分類。我們利用R軟件中random forest包對狍的出現—缺失信息及環境變量進行建模。數據被劃分為訓練集和測試集，使用訓練集建立模型，利用測試集評估模型預測能力，并利用AUC和TSS對建立的隨機森林模型的預測性能進行評估。

3 研究結果

3.1 模型預測結果及變量重要性

本次調查為期3個月，共計發現記錄狍出現點5 677個，通過建立隨機森林模型對小興安嶺區域西伯利亞狍的棲息地適宜性進行預測，并利用AUC和TSS對建立的隨機森林模型的預測性能進行評估。將數據分為訓練集和測試集，使用測試集評估模型的預測性能。其中AUC為0.868，TSS為0.736(圖2)。這兩個指數表明隨機森林模型預測性能良好。

圖2 隨機森林模型AUCFig.2 The AUC of random forest model

通過隨機森林進行建模，可以得到各生境因子對狍棲息地適宜性概率影響的重要性(表2)。只保留了基尼系數在200以上的生境因子。可以看到對狍棲息地適宜性影響較大的環境因子中，人為干擾因子有5個包括到高速、二級道路、礦產、農田以及村莊的最近距離；其他環境因子包括NDVI、到草地。混交林以及河流的最近距離其中對狍棲息地適宜性概率影響最大的變量是NDVI和到農田的最近距離。

表2 變量重要性(基尼系數表)Tab.2 The importance of factors(the mean Gini)

3.2 狍棲息地適宜性概率

利用有蹄類出現及未出現信息，結合地形因子、雪深、林型和人為干擾等因素，使用R軟件中random forest函數進行隨機森林建模，并預測在小興安嶺區域內狍的棲息地適宜性概率。得到有蹄類棲息地適宜等級評價圖(圖3)。如圖所示，狍在小興安嶺區域內均廣泛分布且在所有林區均有分布，包括人類定居地附近的林區。

圖3 小興安嶺狍棲息地適宜性概率Fig.3 The habitat suitability probability of roe deer in the Lesser Xing’an Mountains

3.3 狍適宜棲息地的位置和面積

根據已經預測獲得小興安嶺狍棲息地適宜性概率等級圖，為了進一步明確小興安嶺區域狍的適宜棲息地范圍及面積，利用小興安嶺狍棲息地適宜性概率的最佳概率切斷點，并利用最佳概率切斷點劃分狍適宜與非適宜棲息地范圍，得到的結果見圖4。小興安嶺區域，狍的適宜棲息地面積為34 726.6 km2，約占整個小興安嶺林區面積的47.28%。

圖4 小興安嶺狍適宜棲息地范圍Fig.4 The habitat suitability area of roe deer in Lesser Xing’an Mountians

4 討論

本研究表明，小興安嶺地區西伯利亞狍適宜棲息地面積為34 726.6 km2，約占整個小興安嶺林區面積的47.28%。這表明狍在小興安嶺區域分布廣泛且具有較大的適宜棲息地。小興安嶺區域的林地狀況良好，可以承擔足夠多的狍的生存繁衍。而考慮到西伯利亞狍作為東北虎的主要獵物之一[14]，這也意味著小興安嶺地區可以承擔東北虎種群的恢復和棲息。

隨機森林模型得到的變量重要性(平均基尼系數)顯示，對狍棲息地適宜性影響較大的環境因子中，人為干擾因子有5個包括到高速、二級道路、礦產、農田以及村莊的最近距離；其他環境因子包括NDVI、到草地。混交林以及河流的最近距離。其中對狍棲息地適宜性概率影響最大的變量是NDVI和到農田的最近距離。可以看到，在影響小興安嶺地區狍棲息地適宜性的主要因子中，人為干擾占據了很大一部分。

在本次研究發現小興安嶺地區狍的分布區雖然廣泛，但該地區的人為干擾(農田、礦產、村莊、高速和二級道路)會明顯影響狍的棲息地質量(棲息地適宜性)。這些人為干擾因子也是造成狍棲息地適宜性下降、適宜棲息地面積損失的重要原因。葛志勇等[15]在2012年的研究證明狍在地形選擇上，更喜歡平緩的陽坡；而在棲息地綜合選擇的研究上，周紹春等[4]認為狍受坡位、食物和干擾距離的綜合影響。這些案例提供了狍對生境選擇的一些關鍵因素，有助于狍的種群管理和恢復。然而，最近的研究證明不同的區域，動物對生境資源的選擇有所不同[16]。

人為干擾，如道路等因素的出現，會迫使動物的生境選擇和活動范圍的改變[17-18]。有研究表明，在人為活動頻繁的區域，人類在某種意義上代替了頂級捕食者[19]，從而為獵物(如狍等)提供了庇護[20]。這些因素直接或間接地導致棲息地的喪失，這是受影響的野生動物逃避行為的結果[3]。基于此，這些人為干擾可能會導致野生動物改變棲息地的使用，降低飼料質量[21]，從而也可能通過捕食或其他物種的空間分布改變種間相互作用[22]。

人類與野生動物的沖突是全球關注的問題，人類行為在預防和緩解沖突方面也很重要[23]。然而，這些都需要對不同地區影響棲息地適宜性的因子進行研究。本次研究對小興安嶺地區狍的棲息地適宜性進行了評價，得到了狍適宜棲息地的范圍及影響狍棲息地適宜性的主要因素，對解釋狍的生境選擇以及該地狍種群的管理和恢復提供了針對性的信息。減少人為干擾對于狍棲息地質量的影響，對于狍種群的生存繁衍意義重大。而作為東北虎的獵物，狍種群的發展，有助于東北虎種群的恢復。

致謝：感謝國家自然科學基金(31872241)、中央高校基礎研究基金(2572017PZ14)和基于自動相機監測技術的動物行為譜編寫及恐懼行為學研究項目(201810225022)對本研究項目的資助。感謝野外調查工作得到了項目區各林業局和保護區工作人員的支持和幫助，在這里一同表示感謝。