松嫩平原蒼鷺秋季棲息地選擇及適宜性分布

孫雪瑩,李祎斌,吳慶明, *,徐 卓,2,高曉冬,李玉春,柳 旭,鄒紅菲,李曉民

1 東北林業大學野生動物與自然保護地學院,哈爾濱 150040

2 黑龍江扎龍國家級自然保護區管理局,齊齊哈爾 161000

3 曲阜師范大學生命科學學院,曲阜 273165

4 煙臺市森林資源監測保護服務中心,煙臺 264001

5 黑龍江省寶清東升自然保護區管理局,寶清 155600

棲息地是指野生動物的生存環境空間,這一空間可為野生動物提供完成生活史過程所需要的所有生物與非生物需求,所有這些需求都關系著野生動物的生存繁衍與種群延續,不僅有宏生境層面數量的配置供給,更有微生境層面質量的精細需要[1-4]。這種情況下,適宜野生動物生存的棲息地則顯得尤為重要,這是野生動物生存的必要條件,對野生動物的生存起決定性作用,鳥類也不例外,對候鳥最為關鍵[4-6]。因此,基于野生動物現存的棲息地環境特征,分析其潛在的棲息地并對適宜性分布進行分析,有助于對特定區域野生動物及其棲息地資源開展針對性的科學保護[7-8]。

松嫩平原是東北平原的重要組成部分,不僅是我國及世界重要的黑土帶分布區,更是世界九條鳥類遷徙路線中最為重要的東亞-澳大利西亞鳥類遷徙路線的重要組成[9-10]。蒼鷺(Ardeacinerea)是該區域最為常見的大型濕地鳥類,但繁殖種群數量遠低于歷史規模,歷史上的大規模繁殖群現在已很難再現[11-12]。為了避免蒼鷺這一常見鳥種出現青頭潛鴨(Aythyabaeri)種群驟減且科學研究資料缺乏的現象,非常有必要對蒼鷺的保護生物學進行密切關注和深入思考[13-14]。

而關于野生動物潛在棲息地分析及棲息地適宜性評價方面的研究,已被眾多學者認為是開展瀕危物種保護工作極為重要的生物學信息,不僅能指導開展具體的棲息地資源管理與保護,而且能有針對性地挖掘潛在棲息地并進行棲息地資源質量的管理預警[15-17]。目前,已有眾多學者對丹頂鶴(Grusjapoenesis)、白頭鶴(Grusmonacha)、白鶴(Grusleucogeranus)、白枕鶴(Grusvipio)、灰鶴(Grusgrus)、黑頸鶴(Grusnigricollis)、朱鹮(Nipponianippon)、小鴇(Tetraxtetrax)、鷸類(Scolopacidae)、啄木鳥(Picidae)等鳥類棲息地適宜性開展了一系列的評價研究[1-2,18-27]。而關于蒼鷺棲息地適宜性評價方面,關注較少,僅有學者通過經典的生境適合度指數模型(Habitat suitability index, HSI)對扎龍保護區蒼鷺營巢最適生境進行了分析[12]。為了了解松嫩平原蒼鷺秋遷期停歇地的適宜性分布信息,本文采用最新的GPS/GSM衛星跟蹤技術,并結合遙感影像和地理信息系統及Maxent模型,對該區域蒼鷺秋季潛在停歇地進行了分析,并對其適宜性進行了評價,以期為松嫩平原蒼鷺棲息地未來的管理和保護提供科學依據。

1 研究地概況

松嫩平原是中國東北三大平原之一,地理位置119°45′—129°36′E,42°50′—49°18′N,西連大興安嶺東麓,北部和東部與小興安嶺和長白山外緣山麓臺地相鄰,南以松遼分水嶺為界,跨黑龍江和吉林兩省,行政區域涵蓋哈爾濱、大慶、白城、齊齊哈爾、綏化、扶余、長春、四平9個地級行政區內的55個縣級行政區[28-29]。松嫩平原地處溫帶半濕潤、半干旱的森林草甸與草甸草原地帶,大陸性季風氣候明顯,四季分明,年均溫2—6℃,年均降水量可達400—600mm,降水多集中在6—9月[28-29]。松嫩平原源于松花江和嫩江兩大河流,其間分布的湖泡等濕地分布廣泛,這些成為丹頂鶴、白枕鶴、白頭鶴、白鶴、蒼鷺等許多大型水鳥的繁殖地和停歇地[9,11-13],也因此建立了吉林莫莫格國家級自然保護區(下文簡稱莫莫格保護區)、黑龍江扎龍國家級自然保護區(下文簡稱扎龍保護區)、吉林向海國家級自然保護區(下文簡稱向海保護區)、吉林查干湖國家級自然保護區(下文簡稱查干湖保護區)、吉林大布蘇國家級自然保護區(下文簡稱大布蘇保護區)、黑龍江烏裕爾河國家級自然保護區(下文簡稱烏裕爾河保護區)等重要保護地,并成為東亞-澳大利西亞鳥類遷徙路線的重要組成[13]。

2 研究方法

2.1 數據收集與篩選

2018年6月下旬,在黑龍江省齊齊哈市泰來縣泰湖國家濕地公園為五只蒼鷺雛鳥佩戴了衛星跟蹤器(黑林護許準[2018]32號)。衛星跟蹤器生產于湖南環球信士科技有限公司,型號為鳥類背負式追蹤器HQBG3527,重量為40g,體積為65mm×35mm×50mm。跟蹤器佩戴個體的選擇原則上選取蒼鷺雛鳥各個器官基本發育完善的體型較大的個體,該階段雛鳥已能短距離飛行,能獨立覓食但捕食能力不強,每日早晚仍需親鳥喂食。通過網捕對捕捉到的符合體重要求的蒼鷺雛鳥個體佩戴衛星跟蹤器。

關于本文分析所使用的數據,選取的是蒼鷺在松嫩平原區域內離開繁殖地后的活動位點數據。利用GPS/GSM衛星跟蹤技術結合實地調查的方法獲取了2018年7月17日—10月24日間蒼鷺的空間位點數據。數據每小時采集一組,每組數據包括時間、溫度、定位精度(最高5m)、經緯度、飛行速度、飛行高度等信息。為了真正反映蒼鷺對空間的棲息利用情況并提升數據精度,對采集的5976組數據進行了篩選,通過剔除重復位點、選取定位精度為5m且連續停留時間大于1h的棲息位點作為蒼鷺選擇的棲息位點,共獲得棲息位點231個(圖1)。這些棲息位點被認為是被蒼鷺選擇有繼續利用概率的棲息點。其中,重復位點的考慮原則以距離超過10km為準。

圖1 蒼鷺在松嫩平原的棲息位點

2.2 環境變量數據

棲息地環境變量包括人為環境變量和自然環境變量兩大類。其中,人為環境變量通過距道路距離(Distance to road,Dr)、人類足跡指數(Human footprint index,Hf)進行體現；而自然環境變量通過距水體距離(Distance to water body,Dw)、土地覆蓋類型(Land cover type,Lc)、亮度指數(Brightness index,Bi)、濕度指數(Wetness index,Wi)和綠度指數(Greenness index,Gi)等進行體現。

其中,人為環境變量中的道路矢量數據、人類足跡指數數據來源于哥倫比亞大學社會經濟數據和應用中心數據庫(http://sedac.ciesin.columbia.edu/data)的Global Roads Open Access Data Set(Version 1)和Last of the Wild Data Version 3模塊。

水體、土地覆蓋類型數據來自國家綜合地球觀測數據共享平臺(http://www.chinageoss.org/dsp/home/index.jsp)中空間分辨率為30m×30m的Landsat8和國產高分衛星,下載于LandCover_China2017數據集,通過ArcGIS 10.6平臺提取土地覆蓋類型柵格數據中的水體,并用空間分析工具(Spatial Analyst Tools)對提取的道路和水體的矢量數據通過歐式距離分析方法進行柵格化處理。

亮度指數、濕度指數和綠度指數數據來自美國地質勘探局官方網站(https://earthexplorer.usgs.gov/)上Landsat 8 OLI/TIRS C1 Level-1數據集中17景云量低的多波段衛星影像數據(2018/9/26,LC81200262018269LGN00,LC81200272018269LGN00,LC81200282018269LGN00,LC81200292018269LGN00；2018/9/19,LC81190272018262LGN00；2018/8/18,LC81190262018230LGN00；2018/8/2,LC81190292018214LGN00,LC81190302018214LGN00；2018/7/1,LC81190282018182LGN00；2018/6/24,LC81180262018175LGN00,LC81180302018175LGN00；2018/6/2,LC81170282018152LGN00；2018/6/1,LC81170292018152LGN00,LC81170272018152LGN00；2017/9/25,LC81180272017268LGN00,LC81180282017268LGN00, LC81180292017268LGN00),利用ENVI 5.3對松嫩平原邊界裁剪后的拼接矢量數據進行纓帽變換(Kauth-Thomas Transformation),提取亮度指數、綠度指數、濕度指數,這些分別反映了地物目標總輻射能量水平的亮度信息、影像中植被覆蓋葉面積指數和生物量等綠色植被、影像的濕度信息[30]。

2.3 模型構建與檢驗

用ArcGIS 10.6將所有柵格數據變量的行列數、像元大小進行一致化處理,轉換為模型所需的ASC格式,導入Maxent 3.3.3k軟件中[18,24-25,27,31]。在模型設置中,隨機選取70%的蒼鷺棲息位點用于模型建立,其余30%的棲息位點用于模型驗證。在模型檢驗過程中,利用刀切法(Jackknife test)AUC值對模型進行評價。AUC值為模型自帶的受試者工作特征曲線ROC(Receiver Operator Characteristic)下的面積(Area Under Curve,簡稱AUC)。AUC值越大,表示環境變量與模型的相關性越大,模型的預測結果就越準確：當AUC值為介于0.5—0.6之間時,意味著所建模型的預測效果不及格；當AUC值為介于0.6—0.7之間時,意味著所建模型的預測效果較差；當AUC值為介于0.7—0.8之間時,意味著所建模型的預測效果一般；當AUC值為介于0.8—0.9之間時,意味著所建模型的預測效果良好；當AUC值為介于0.9—1.0之間時,意味著所建模型的預測效果優秀。

2.4 適宜棲息地分布

模型預測的棲息地適宜性分級標準值為0—1,值為0意味著棲息地適宜性最低,值為1意味著棲息地適宜性最高。本研究中,將值介于0.0—0.2之間的棲息地定義為不適宜棲息地,將值介于0.2—0.5之間的棲息地定義為低適宜棲息地,將值介于0.5—0.7之間的棲息地定義為較適宜棲息地,將值介于0.7—1.0之間的棲息地定義為適宜棲息地。通過ArcGIS 10.6將模型預測的結果進行重分類,用空間分析工具中的區域分析提取松嫩平原55個縣區和6個國家級自然保護區內蒼鷺秋季適宜棲息地面積,分析和統計各縣區的分布情況及受保護情況。

3 結果與分析

3.1 Maxent模型預測結果檢測

ROC曲線評價結果顯示(圖2)：訓練數據集(Training data)AUC值為0.946,測試數據集(Test data)AUC值為0.933,預測結果達到優秀水平,表明建立Maxent模型對松嫩平原蒼鷺秋季棲息地適宜性預測的結果可信度高。

圖2 蒼鷺秋季棲息地適宜性評價模型的ROC曲線

3.2 蒼鷺秋季棲息地環境變量分析

從刀切法測定的蒼鷺秋季棲息地變量的貢獻率可以看出(圖3)：距水體距離(Dw)和綠度指數(Gi)是影響蒼鷺秋季棲息地利用的重要環境變量,亮度指數(Bi)、人類足跡指數(Hf)、土地覆蓋類型(Lc)、濕度指數(Wi)、距離道路的距離(Dr)等環境變量對蒼鷺秋季棲息地利用的影響較小。

圖3 蒼鷺秋季棲息地環境變量刀切法檢驗

3.3 蒼鷺秋季棲息地適宜性分布

松嫩平原蒼鷺秋季棲息地適宜性分布結果顯示(圖4)：蒼鷺在松嫩平原秋季的適宜棲息地面積為2761.06 km2,僅占研究區總面積的1.24%；較適宜棲息地7049.57 km2,占比為3.16%；低適宜棲息地36125.15 km2,占比16.19%；不適宜棲息地177129.60 km2,占比79.41%。

圖4 松嫩平原蒼鷺秋季棲息地適宜分布

其中,適宜棲息地在松嫩平原9個地/州的分布各不相同,大慶、白城、齊齊哈爾3個行政區是主要的分布區(占適宜棲息地面積的62.78%),其次是哈爾濱和綏化(20.23%),黑河、扶余、長春、四平區域內的適宜棲息地面積較少(16.99%)。適宜棲息地在松嫩平原55個縣/區的分布也各不相同,杜爾伯特蒙古族自治縣區域內適宜棲息地面積最多(429.90km2,占研究區適宜棲息地總面積的15.57%),其次是鎮賚縣(334.92km2,12.13%)和肇源縣(185.54km2,6.72%),五常縣、德都縣、大安市區域內蒼鷺適宜棲息地面積均超過100 km2,這些是蒼鷺秋季適宜棲息地面積較多的行政區域。

3.4 蒼鷺秋季適宜棲息地的保護現狀

由上述分析可以看出,松嫩平原蒼鷺秋季適宜棲息地面積(圖5)的15.79%受到保護,分布在6個國家級自然保護區內,分別為莫莫格保護區(285.62 km2,占秋季適宜棲息地面積的10.34%)、扎龍保護區(95.80 km2,3.47%)、向海保護區(18.57 km2,0.67%)、查干湖保護區(14.89 km2,0.54%)、大布蘇保護區(11.26 km2,0.41%)、烏裕爾河保護區(9.95 km2,0.36%)；而五大連池山口湖水庫、綏化東北部、五常縣龍鳳山國家森林公園是處于未保護狀態的、面積連續分布較大的區域。

圖5 蒼鷺適宜棲息地的保護性分布及主要潛在棲息地

4 討論

4.1 蒼鷺秋季棲息地環境變量

關于蒼鷺棲息地環境特征方面的分析,僅有7篇零星的研究報道,分別分散在中國、俄羅斯、日本、波蘭、法國、希臘,在蒼鷺最適營巢生境、蒼鷺生境與仔魚群落關系、生境特征和不同空間尺度下蒼鷺繁殖力、蒼鷺對村園區域的季節性利用、水文網絡特征與蒼鷺群體大小及空間分布的關系、針對棲息地蒼鷺形成的覓食策略等方面進行了分析研究[11-12,32-36]。

本文關于蒼鷺秋季棲息地環境變量方面的研究,Maxent模型得出影響蒼鷺秋季棲息地的主要環境變量是距水體距離和綠度指數。這與蒼鷺生活史期間的食物需求和行為相符合[11-12,35],蒼鷺主要捕食魚類,是典型的濕地鳥類,水域是其偏好的主要生境類型；同時,該研究結果也與同域分布的其他大型水鳥如白琵鷺(Platalealeucorodia)、丹頂鶴的結果一致[27,37],蘆葦塘和開闊水面及綠度是其偏好的生境及主要環境特征。這種既配置有充足食物的水體、也配置有大尺度開闊空間而利于隱蔽警戒逃逸的環境,不僅能保證蒼鷺棲息所需要的的食物、水、隱蔽等生境需求,也能為其提供警戒、逃逸等安全的空間保障。

4.2 蒼鷺秋季棲息地適宜分布

關于松嫩平原水禽棲息地適宜性評價方面,已有學者通過目視解譯、監督分類、層次分析等方法結合遙感影像和GIS系統對松嫩平原水禽棲息地進行了適宜性分析[38-39],也有學者通過最大熵模型對松嫩平原丹頂鶴秋季生境適宜性進行了評價,分析了適宜性分布的環境影響因素、適宜性空間分布及景觀格局[40]。本文蒼鷺秋季棲息地適宜性分布的內容與丹頂鶴有些類似。

本文分析的蒼鷺秋季適宜棲息地在松嫩平原不同區域的分布與受保護情況各不相同。其中,西部區域分布的適宜棲息地較多,集中于嫩江中下游地區,這也是松嫩平原生物多樣性保護優先區,受保護性和受關注度也較高,連片面積較大的區域主要分布在莫莫格保護區(占適宜棲息地面積的10.34%)、扎龍保護區(3.47%)、向海保護區(0.67%)、查干湖保護區(0.54%)、大布蘇保護區(0.41%)、烏裕爾河保護區(0.36%)等國家級自然保護區中。

其中,莫莫格保護區內分布的適宜棲息地面積最大、連通性最好。保護好莫莫格保護區蒼鷺的棲息地對于松嫩平原的蒼鷺種群而言至關重要,應該進一步摸清莫莫格保護區內蒼鷺的種群數量和時空分布,這不僅能提前預警蒼鷺種群的動態,更能有助于深入認識蒼鷺棲息的濕地資源質量情況,利于進而開展及時的資源管護工作。

扎龍保護區蒼鷺適宜棲息地相對莫莫格保護區較分散。關于扎龍保護區的蒼鷺種群與分布,零星的研究記載顯示出,不僅種群數量較歷史上有所下降,曾經常見的成千上萬只群體已下降為不足千只,甚至幾百只也很難見,而且分布區斑塊也變少,由原來的成片相連變為目前的斑塊狀分布[12,14]。而土地覆蓋類型方面的研究表明,扎龍保護區內水體發生了明顯的空間分布轉移[41],隨之而來的環境特征等信息也必然會發生變化,這是否是蒼鷺群體發生時空變化的根本原因,非常有必要進行深入的大尺度相關性分析。

向海保護區蒼鷺適宜棲息地分布相對其他保護區較少。眾所周知,由于降水量等自然驅動力和農業開墾、過度放牧等人為驅動力的影響,向海保護區的濕地面積呈現出年度間波動較大的下降趨勢,時空均發生了變化、濕地破碎化增加[42],這些因素極大程度地限制了以濕地資源為生活史需求的各種鳥類的時空分布,蒼鷺也不例外。

松嫩平原東部區域面積較大的蒼鷺適宜棲息地主要分布在五大連池市的山口湖水庫、綏化地區東北部的濕地、五常龍鳳山國家森林公園及阿什河流域,此外還有一些零星的適宜棲息地分布在松嫩平原的中東部地區,所有這些區域均缺少蒼鷺的分布信息報道和管護關注,如何對這些分布小區進行科學管理和積極的必要關注,對蒼鷺種群的遷徙管理極為必要,應加強對這些區域的關注和監測。

4.3 GPS/GSM技術

GSM是全球移動通信系統(Global System for Mobile communications)的簡稱,是數字制式移動通信(2G)網絡的主導技術,其與GPS結合,用以傳輸目標動物目標位置的系列信息,具有信號覆蓋范圍廣、定位精度高、傳輸效率高的特點,這彌補了原來僅通過衛星進行信號傳播、導致部分地區信號弱的缺點。結合GPS/GSM技術和Manent模型對野生動物棲息地適宜性、空間擴散、停留規律等大尺度空間生態學進行研究,這種研究融合了衛星跟蹤器采集的最為精準的GPS分布位點、衛星拍攝的最為真實的遙感影像、不受樣本點數量限制的Maxent模型,相對于傳統方法,這種耦合多種先進方法的科學研究提供的數據更為精準、分析的結果更為科學,其研究結果不僅有利于評價瀕危物種棲息地適宜性、發現潛在棲息地、制定科學的保護對策,更有助于更為深入地了解瀕危物種的生物學規律,這已經成為眾多學者認可的最先進的研究技術[43-45]。本文用該技術研究了松嫩平原蒼鷺秋季棲息地的適宜性分布,更為深入地掌握了松嫩平原秋季蒼鷺適宜棲息地的空間分布及受保護情況,將能推動我們制定進一步地科學保護對策,更能促進未受保護的小區采取相應的保護措施和科學規劃。