基于累積阻力的野生動物適宜生境斑塊探測
——以滇金絲猴為例

劉 璐,錢天陸,席唱白,遲 瑤,王結臣, 2,*

1 南京大學地理與海洋科學學院,自然資源部國土衛星遙感應用重點實驗室,江蘇省地理信息技術重點實驗室,南京 210023 2 江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心,南京 210023

野生動物是自然環境的組成部分[1],是實現生態系統服務功能中不可或缺的環節[2]。工業時代以來,人類很大程度上是以犧牲環境來換取社會經濟的發展[1],這也使得野生動物生境遭受嚴重破壞,野生動物生存面臨嚴峻挑戰[3-4]。野生動物生存受多方面因素影響,包括食物資源分布[5]、地形因素[6]、氣候條件變化[7]、人類活動干擾[8]等。自然環境的惡化和人類干擾強度的增加明顯限制了野生動物在生境中的活動[9],降低了野生動物棲息地的適宜度。在現有生境中識別適宜斑塊可為野生動物保護提供一定的理論支持,有助于促進動物種群發展[10]。

由于地理信息系統(Geographic Information System,簡稱GIS)技術在時空數據收集、整理、存儲及展示方面有極大優勢,且能夠支持復雜的空間分析,打破了傳統研究手段在人力資源、物力資源或者自然環境等方面的局限性[11],因此本文基于環境空間數據并結合GIS技術來探測野生動物的適宜斑塊。目前,利用GIS來分析野生動物適宜生境的研究方法主要有兩種,其一是直接對土地覆蓋數據分類,依據動物生存的適宜植被劃定適宜生境[12-13]。但是由于生境適宜性通常比簡單的土地覆蓋更為復雜,還需要考慮人類活動等其他因素對適宜性產生的影響,一些學者統計分析物種和環境之間的關系,建立棲息地適宜性模型(Habitat Suitability Models,簡稱HSM),HSM是描述物種對環境要求的統計模型,使用該模型計算整個研究區域的棲息地適宜性指數(Habitat Suitability Index,簡稱 HSI),推測研究物種可能的地理分布,由此產生的HSI地圖可用于定義適合生境規劃的棲息地斑塊,這些斑塊通常是需要優先保護或可重新引導物種遷入的區域[14- 18]。但是現有研究較少考慮到周圍環境對動物在某點處活動的影響[13,16- 19],忽視了水系等明顯地物對動物擴散活動的阻隔作用,如何科學有效地探測動物的適宜生境斑塊仍有待進一步研究。

滇金絲猴(Rhinopithecusbieti)是中國特有的瀕危野生動物之一,現存的自然種群約17個,共3000只左右[20],自20世紀50年代以來,滇金絲猴的適宜植被類型(暗針葉林、針闊葉混交林等)減少了30%以上[21-22]。由于適宜植被類型的減少,猴群在種群間進行移動變得尤為困難,種群間的遺傳交換受到阻礙,加快了物種的滅絕速度[23],因此有效地進行生境保護對于促進滇金絲猴的生存繁衍具有重要意義[24]。目前,圍繞滇金絲猴生境的研究主要集中在滇金絲猴的分布調查[25-26]、生境景觀連通性[13,27]以及潛在棲息地走廊和優先恢復區域的分析[28]等方面,但對不同生態因子影響下猴群運動的適宜生境還有待進一步討論。本文以滇金絲猴為例,基于阻力面,結合GIS技術探測多因子影響作用下滇金絲猴的適宜生境斑塊,建立一種考慮擴散阻力的生境適宜性評價方法,旨在探究區域內猴群的生境適宜度差異,識別猴群的適宜生境,幫助科學指導確定猴群生境保護的優先級,為保護區的規劃或生態恢復提供理論支持,以期實現對滇金絲猴的有效保護。

1 研究區域概況

我國的滇金絲猴基本分布在位于橫斷山脈的從青藏高原北部向南延伸的一條狹長地帶[29],本文確定的研究區域即為該地帶——北緯25°34′至30°21′,東經97°59′至100°33′之間(圖1),大約有17個滇金絲猴猴群聚居于此[20],涉及的行政區域有西藏藏族自治區境內的芒康縣、鹽井縣和云南省境內的德欽縣、維西傈僳族自治縣、蘭坪白族普米族自治縣、云龍縣、麗江納西族自治縣和劍川縣,總占地面積約34424.7 km2,海拔在1200 m到5500 m之間,相對高差達4300 m左右,植被類型主要有針闊葉混交林、針葉林、闊葉林、草甸及灌叢等。

圖1 研究區及其地形Fig.1 Study area and its topography

2 研究方法

本文提出一種基于阻力面和確定的累積阻力閾值計算可達面積,以此探測適宜生境斑塊的方法,其中,層次分析法用于阻力面的構建,可考慮到各因素對猴群運動造成的不同程度影響。

2.1 影響滇金絲猴棲息地質量的因子選取

本文通過收集已有文獻資料[30- 33],分析滇金絲猴對生境的要求,確定了7個影響滇金絲猴棲息地質量的因子,分別為地形地貌因素,包括海拔、坡度、坡向、水系,水系會對猴群擴散產生隔離作用；生物因素即植被類型,植被既可以作為食物,也可以提供隱蔽環境；干擾因素包括道路以及居民點。

2.2 數據來源及處理

為了消除邊緣效應的影響,對研究區域向外做5km的緩沖區,研究區域和緩沖區共同作為數據預處理區域。研究中涉及到的植被分布數據來源于國家科技基礎條件平臺——國家地球系統科學數據中心(http://www.geodata.cn)的2015年全球30 m精細地表覆蓋產品數據集[34],數據格式為GEOTIFF(圖2)；DEM數據來源于NASA在2011年發放的全球Aster G-DEM數據,分辨率為30m；水系、道路、居民點來源于全國導航電子地圖,數據格式為SHP矢量數據。

圖2 研究區植被類型分布Fig.2 The distribution of vegetation types in the study area

2.3 單因子棲息地質量評價

之前的研究表明[30- 33],滇金絲猴群主要分布在海拔高度為3000—4500m的區域,且猴群的活動能力較強,喜歡在向陽坡區域活動[31],受坡度影響的作用不明顯,主要是受其適宜植被分布的影響。滇金絲猴會表現出明顯的避開有高度人類活動區域的行為,水系會對滇金絲猴的運動造成較強阻隔作用,但是王小明的研究[33]表明猴群更喜歡在靠近水系的地方棲息。參考已有文獻資料數據[28,30- 33],建立各影響因子的成本評價準則,進行單因子棲息地質量分析,如表1所示,成本越高,對猴群運動的阻礙越大。其中,道路要素選取國道、省道、縣道以及鐵路。

表1 各因子棲息地質量評價準則

2.4 確定因子權重

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,簡稱AHP)是用于從成對比較的矩陣中推導出優先級向量,對影響層次結構的因素進行權重排序的方法。由于它的簡單性、易用性以及極大的靈活性,已被廣泛應用到科學研究及實際工作中[35]。在單因子質量評價的基礎上,本文運用AHP方法,確定7個生態因子的影響權重[36]。從已有文獻資料中分析獲取各生態因子對滇金絲猴生境質量的影響程度[30- 33],借鑒1—9的標度方法[37](表2),且層次分析中涉及因素較少,采用單層次模型結構,一次性構造判斷矩陣[36](表3),計算得出各因子影響權重賦值如表4所示,對應的隨機一致性指標為0.0529<0.1,判斷矩陣有效。

表2 判斷矩陣中各因子取值標準與含義

表3 判斷矩陣

表4 各因子權重系數

2.5 構建阻力面

一些研究[27,38]基于專家經驗來分配與土地利用類型相對應的阻力值,這種方法忽視了同一土地類型的內部差異,需要將人類活動等其他因素納入評估體系。本文對各生態因子的成本值進行加權求和來構建多因子影響下滇金絲猴在生境中移動的阻力面,如式(1)。

(1)

式中,R表示滇金絲猴移動時的阻力值,Vali表示第i個因子的成本值,Wi為各因子對應的權重。其中,水系有較強的阻隔作用,設為空值。

2.6 確定累積阻力閾值

從已有文獻調查中確定17個現有滇金猴猴群的地理分布[20],滇金絲猴的日移動距離在350m到3km之間[39],選擇最大日移動距離3km,計算17個猴群在此范圍內運動的最大累積阻力值,并求得平均值為99183,取整到100000,作為本實驗的累計阻力閾值。

2.7 計算可達面積

在基于構建的阻力面上,以最大日移動距離3km[39]作為采樣間隔,計算成本距離在小于累積阻力閾值100000的情況下,每點的可達面積,可達面積大意味著當滇金絲猴向其他區域移動時受到的阻力較弱,因此更適宜猴群生存。

3 結果與分析

3.1 單因子棲息地質量分析及阻力面評價

研究區域內最適宜植被較少,分布稀疏,南北部水系較多,會對猴群運動造成較大的阻隔,南部道路以及農村居民點數量多,密度大,猴群受到的人類干擾較強,北部及中部區域的海拔更適宜猴群生存,南北兩端的地形較為平坦,中部地形起伏較大。圖3為構建的阻力面,整體來看,南部區域阻力高,北部次之,中部最低,反映出滇金絲猴在中部更容易進行移動。

圖3 研究區域內滇金絲猴移動阻力面Fig.3 Resistance surface of monkeys in the study area

3.2 多因子綜合下生境適宜性評價

采用自然間斷點分級法將研究區域劃分為4類(表5),即最適宜生境斑塊、次適宜生境斑塊、一般適宜生境斑塊以及不適宜生境斑塊。

分析生境適宜性評價結果(圖4),排除三個面積小于1.5km2的斑塊后,滇金絲猴的最適宜生境斑塊共有7個,編號為P1—P7(圖5),最大斑塊面積約384.3km2,最小斑塊面積14.0km2左右,總面積約為1009km2,僅占研究區域面積的2.9%。最適宜生境斑塊在中部呈現出較強的聚集趨勢,且斑塊面積較大,南北部的最適宜斑塊數目少、面積小。次適宜生境面積共2506km2,占研究區域的7.3%,一般適宜生境面積總和為8120 km2,約研究區域總面積的23.6%,總體來說,不同等級的生境在空間上呈現出層層包圍的形態,生境適宜性由最適宜生境斑塊開始,向外擴展的過程中逐級降低,不適宜生境面積為22042km2,占研究區域的絕大比例。

圖4 生境適宜性評價結果Fig.4 Habitat suitability evaluation results

3.3 模型結果驗證

Zhao等人的研究[40]中記錄了滇金絲猴在以自然保護區為主的區域內出現的位置,共計75個位點,本文利用該文獻中實地收集的滇金絲猴出現位點數據,對模型結果進行驗證。分析表明,有12個位點落在最適宜生境內,14個位點落在次適宜生境中,33個位點落在一般適宜生境內,共約79%的位點位于適宜生境,僅有16個位點位于不適宜生境,且不適宜生境內的位點絕大多數都十分接近一般適宜生境區域,其中,有11個位點落在適宜生境的3km緩沖區帶內。

表 5 滇金絲猴生境適宜性劃分

3.4 現有猴群所在地及保護區生境適宜性分析

從全球保護區數據(數據生成時間為2015年9月)中獲取研究區域內的保護區,17個猴群的編號為Q1—Q17(圖5),其所在地中,除Q4、Q5、Q14外,其余基本都在芒康、白馬雪山、云嶺保護區范圍內,其中Q4接近芒康保護區,Q5接近白馬雪山保護區,Q11離保護區距離相對較遠。Q6、Q7、Q8、Q12、Q14共5個猴群在最適宜生境內；4個在次適宜生境的猴群是Q4、Q9、Q10、Q13；其余8個猴群均在一般適宜生境內,總之,17個猴群所在地全部分布在適宜生境中。

圖5 現有猴群棲息地和自然保護區分布概況Fig.5 The distribution of monkey habitats and nature reservesQ1—Q17表示現有猴群分布點；P1—P7表示猴群的最適宜生境斑塊

最適宜生境斑塊P3—P6集中分布在中部區域的白馬雪山保護區中,面積相對較小的P1、P2、P7斑塊位于保護區范圍之外,其中P2、P7斑塊內有滇金絲猴出現。研究區域內保護區面積共7329km2,有4409 km2屬于適宜生境,約占適宜生境總面積的38%,其中最適宜生境為846 km2,次適宜生境為975 km2,一般適宜生境為2588 km2。

4 結論與討論

本文提出一種基于累積阻力探測滇金絲猴適宜生境斑塊的方法,包括六個步驟,依次是影響因子的選取,各因子評價準則的建立,因子權重的確定,阻力面的構建,累積阻力閾值的確定以及生境適宜性評價,評價結果顯示研究區域內的生境適宜度呈中部優于北部、北部優于南部的特點,適宜生境共占總面積的33.8%,整體占比較低,生境受到的破壞較為嚴重,適宜生境斑塊的空間分布主要聚集在中部區域,南部區域受到人類活動的影響較強,居民點、道路等會對滇金絲猴造成較大干擾,且水系、湖泊也會阻止猴群擴散,由此造成南部區域的適宜生境最少,且適宜生境分布分散,相互孤立,連通性差,需要采取保護措施,比如設立保護區、退耕還林等,加強對南部區域的保護。

將生境適宜性評價結果與滇金絲猴現存17個孤立種群的分布位置進行比較,發現將近一半的種群其生境質量一般；與設立的保護區進行比較,有些適宜猴群生存的生境斑塊并未在保護區內,優先在最適宜和次適宜生境適當建立保護區,作為滇金絲猴的潛在棲息地,可為滇金絲猴的保護帶來積極的作用。

本文選定的影響滇金絲猴生存的因素是通過已有文獻資料收集得來的,目前,有關降水與氣溫對滇金絲猴的直接影響的研究較少,吳建國等人[41]指出滇金絲猴活動與氣溫和降水之間的關系可能是非線性的且較為復雜的,因此量化氣侯要素對滇金絲猴的影響較為困難,且滇金絲猴能夠適應低溫、低降雨量等惡劣環境條件[42],隨著季節變換,滇金絲猴活動范圍的變化主要受食物影響而非氣候[30],因此本文暫不考慮氣候要素。

在過去的二十多年間,滇金絲猴的數量增長近1000,自然保護區的設立有效促進了猴群的生存繁衍[20],然而水系和道路會阻礙猴群的移動,雖然猴群在數量上明顯增加,但是之前的種群卻有消失的,其實際的地理分布范圍有所縮小,猴群可能無法遷徙到已經恢復的、重新適宜棲息的區域,最終可能導致猴群的局部滅絕[23]。本文的斑塊劃分結果顧及了空間連續性、斑塊的完整性和多因素影響下猴群移動受到的阻力。本文提出的方法是對HSM模型的進一步補充,也從側面反映出生境的隔離程度,在今后的研究中可以結合相關的遙感數據、動物觀測數據等做進一步分析,有助于恢復野生動物生境,為保護區的設立提供一定的參考價值。