東洞庭湖濕地優(yōu)勢(shì)鷸類物種棲息地適宜性研究

劉 偉 孫富云高 翔

(1.湖南葆華環(huán)保有限公司，長(zhǎng)沙，410004；2.湘潭市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，湘潭，411100；3.湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙，410082)

東洞庭湖濕地優(yōu)勢(shì)鷸類物種棲息地適宜性研究

劉 偉1*孫富云1高 翔3

(1.湖南葆華環(huán)保有限公司，長(zhǎng)沙，410004；2.湘潭市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，湘潭，411100；3.湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙，410082)

Maxent；鸻鷸類；東洞庭湖

鸻鷸類涉禽是目前比較珍稀的一類遷徙鳥類。預(yù)測(cè)遷徙鳥類的棲息地適宜性與其他物種不完全相同，人類影響、土地類型等因素在其中起到主導(dǎo)作用。本文利用Maxent模型，結(jié)合2006～2013年?yáng)|洞庭湖區(qū)鳥類調(diào)查數(shù)據(jù)和環(huán)境影響因子，對(duì)東洞庭湖區(qū)3種優(yōu)勢(shì)種鸻鷸類涉禽的棲息地適宜性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：環(huán)境因子的選擇在棲息地適宜性模型建立過(guò)程中至關(guān)重要，對(duì)于東洞庭湖的候鳥來(lái)說(shuō)，土地利用是影響其棲息地質(zhì)量的重要環(huán)境因子；模型的評(píng)價(jià)效果優(yōu)秀；2006～2009年?yáng)|洞庭湖區(qū)適宜性區(qū)域約占總面積的25%，2010～2013年適宜性區(qū)域占17%，主要分布在丁字堤和春風(fēng)湖一帶。

人類活動(dòng)的影響導(dǎo)致氣候、土地利用等發(fā)生變化，影響了遷徙鳥類棲息地的選擇[1-3]。研究表明，受人類活動(dòng)影響，近年來(lái)濕地區(qū)域由于人口增多，資源被開發(fā)，環(huán)境被改變，導(dǎo)致澇、漬災(zāi)害加劇，濕地面積減少[4-5]。濕地是鳥類棲息的重要場(chǎng)所，棲息地質(zhì)量下降對(duì)濕地鳥類減少的影響最為突出[6-7]。因此，保護(hù)濕地鳥類棲息地的研究是制定鳥類整體保護(hù)措施的重要前提和依據(jù)。

鸻鷸類棲息于水邊、沼澤地以及泥灘附近，屬于中小型涉禽，是濕地和湖泊自然生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的有機(jī)組成[8]，其數(shù)量的多少是衡量濕地重要性的重要標(biāo)準(zhǔn)之一[9]。近年來(lái)，分布于東洞庭湖區(qū)域的鸻鷸類種群數(shù)量波動(dòng)比較大，在洞庭湖記錄到黑腹濱鷸(Calidrisalpina)最大數(shù)量為25 687(2008～2009年越冬期)，最小數(shù)量為7 388 (2006～2007年越冬期)，歷年平均數(shù)量為8 711，棲息地的變化影響在其中起到了關(guān)鍵性的作用[10-11]。

以遙感影像為載體的3S技術(shù)是21世紀(jì)以來(lái)評(píng)價(jià)生物棲息地適宜性的主流技術(shù)。其中的最大熵模型(Maxent)模型已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于研究鳥類的物種分布以及棲息地質(zhì)量，是一種預(yù)測(cè)棲息地質(zhì)量的較好模型[12]。本文基于Maxent，以黑腹濱鷸、鶴鷸(Tringaerythropus)及反嘴鷸(Recurvirostraavosetta)這3種優(yōu)勢(shì)種作為代表性水鳥，通過(guò)選擇對(duì)鸻鷸類影響大的環(huán)境因子，建立東洞庭湖區(qū)的棲息地適宜性模型。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

東洞庭湖濕地(N 28°59′～29°38′，E 112°43′～113°15′)位于長(zhǎng)江中下游，是東亞-澳大利亞候鳥遷徙的棲息地之一[13]。面積為19×104km2，水域面積6.54×104km2，地處亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)。由于汛期降水和地表徑流，湖區(qū)水位變化巨大，12月至次年3月為枯水期，7～8月水位達(dá)到峰值。水位波動(dòng)對(duì)水陸交界區(qū)域的影響較為明顯，導(dǎo)致湖泊水域和洲灘之間的轉(zhuǎn)化，能夠短時(shí)間內(nèi)改變洲灘的土地類型。東洞庭湖于1992年被BirdLife International選為重要鳥類分布區(qū)，并被列入國(guó)際重要濕地名錄。

1.2 研究方法

1.2.1 鳥類分布調(diào)查

2006～2013年的冬季(12月至翌年2月)分別對(duì)東洞庭湖水鳥采用全面調(diào)查方法進(jìn)行調(diào)查，使用儀器為單筒望遠(yuǎn)鏡(Nikula10×42黑鷹充氮防水望遠(yuǎn)鏡)、雙筒望遠(yuǎn)鏡(Swarovski，奧地利)和手持式GPS(Vista，臺(tái)灣)，對(duì)鳥類出現(xiàn)的數(shù)量和位置進(jìn)行調(diào)查[14]，每年分別調(diào)查2到3次，共對(duì)東洞庭湖區(qū)域調(diào)查了十余次。鳥類觀察和統(tǒng)計(jì)工作主要在船上進(jìn)行，調(diào)查員不會(huì)登上附近洲灘以免構(gòu)成干擾。本研究使用了其中黑腹濱鷸、鶴鷸及反嘴鷸的地理分布數(shù)據(jù)。本研究中，將鳥類分布數(shù)據(jù)分為2批(2006～2009年，2010～2013年)，分別建立棲息地適宜性模型。

1.2.2 環(huán)境因子

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，選取土地利用類型、到道路距離、到居民點(diǎn)距離、NDVI、斑塊密度以及植被種類數(shù)作為環(huán)境因子。土地類型數(shù)據(jù)來(lái)源于NASA發(fā)射的Landsat-7和Landsat-8衛(wèi)星，選取時(shí)間段為冬季，且云量較少或云區(qū)不在洞庭湖區(qū)域的衛(wèi)星圖片，先通過(guò)ArcGIS軟件對(duì)影響進(jìn)行幾何校正，然后用ENVI的監(jiān)督分類功能對(duì)衛(wèi)星圖片進(jìn)行解譯，得到土地類型數(shù)據(jù)。Landsat-7衛(wèi)星因存在條帶故障，解譯時(shí)采用去條帶工具補(bǔ)正，并根據(jù)實(shí)地考察進(jìn)行校正。道路和居民點(diǎn)的數(shù)據(jù)來(lái)源于東洞庭湖自然保護(hù)區(qū)1∶200 000的矢量化地圖，用ArcGIS的緩沖分析功能，得出到道路和居民點(diǎn)的距離。NDVI采用的是MODIS數(shù)據(jù)，來(lái)源于LP DAAC(Land Processes Distributed Active Archive Center)的16 d最大合成的植被指數(shù)MOD13Q1數(shù)據(jù)產(chǎn)品。斑塊密度和植被類型數(shù)利用Fragstats 3.3軟件，將上述土地利用分類數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算得到。所有環(huán)境變量均通過(guò)ArcGIS轉(zhuǎn)化為Maxent軟件要求的asc格式。

1.2.3 模型建立

將黑腹濱鷸、鶴鷸及反嘴鷸的物種分布數(shù)據(jù)和環(huán)境因子數(shù)據(jù)導(dǎo)入Maxent 3.3中。隨機(jī)選取25%的物種分布數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)點(diǎn)，75%的數(shù)據(jù)用于建立模型。然后采用AUC(ROC(Receiver Operating Characteristic Curv)曲線下方的面積大小)來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確度[15]。一般AUC值大于0.8，則模型表現(xiàn)良好。

1.2.4 棲息地適宜性計(jì)算

通常情況下，棲息地適宜性根據(jù)模型結(jié)果直接評(píng)價(jià)。有研究指出，對(duì)于多個(gè)目標(biāo)的棲息地適宜性模型，通過(guò)加權(quán)求和的方法可以起到更好的效果[16]。假設(shè)目標(biāo)物種數(shù)為N，計(jì)算公式如下：

其中，Sik是單一物種的棲息地適宜性指數(shù)；wi是該物種所占的權(quán)重?cái)?shù)，取值為調(diào)查統(tǒng)計(jì)時(shí)該物種數(shù)目百分比；Sk為最終的棲息地適宜性值。

之后，需要將棲息地適宜性格局轉(zhuǎn)換為是否為適宜棲息地的二元格局。為了使保護(hù)區(qū)的位置能夠有一個(gè)較高的棲息地適宜性值，本研究這樣設(shè)定概率切斷點(diǎn)：對(duì)于每一個(gè)物種出現(xiàn)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)其所有點(diǎn)位對(duì)應(yīng)單元的棲息地適宜性值，去除棲息地適宜性最小的20%的出現(xiàn)點(diǎn)之后，剩余出現(xiàn)點(diǎn)位中最小的對(duì)應(yīng)棲息地適宜性值被用作概率切斷點(diǎn)，將東洞庭湖區(qū)劃分為適宜性區(qū)域和非適宜性區(qū)域[17]。

2 研究結(jié)果

2.1 土地類型變化

洞庭湖越冬鸻鷸類主要生境是淺水水域和水陸過(guò)渡區(qū)的泥灘和沼澤。這些生境在洞庭湖的主要分布見表1。

表1 洞庭湖鸻鷸類適宜生境

Tab.1 Suitable habitat for shorebirds

圖1 2013年12月東洞庭湖區(qū)域土地類型分類Fig.1 Land use type of East Dongting Lake in December 2013

根據(jù)解譯分析，得到各年土地利用分類圖(圖1)。將研究區(qū)域分為水域、泥灘、苔草、蒿草、蘆葦。分類結(jié)果中，適宜作為鸻鷸類棲息地的水域和泥灘占所有面積的23.5%。不同年份土地類型也不一樣，因?yàn)槌霈F(xiàn)干旱，2007年、2012年的水域和泥灘面積相對(duì)較少，與此同時(shí)，鳥類調(diào)查中，鸻鷸類有相比于其他物種數(shù)量下降更快的趨勢(shì)(圖2)。

圖2 東洞庭湖鸻鷸類優(yōu)勢(shì)種數(shù)量Fig.2 Domain population numbers of shorebirds in East Dongting Lake

2.2 Maxent模型預(yù)測(cè)結(jié)果檢測(cè)

黑腹濱鷸、鶴鷸及反嘴鷸的Maxent模型中，2006～2009年模型的AUC值分別為0.870、0.856、0.860；2010～2013年模型的AUC值分別為0.844、0.890、0.915。表明Maxent的預(yù)測(cè)結(jié)果精確度極高。各個(gè)環(huán)境變量中，土地類型對(duì)結(jié)果影響最大，其次是到居民點(diǎn)的距離和到道路的距離。這說(shuō)明該物種對(duì)生境的要求較高，生境發(fā)生變化對(duì)物種的影響十分顯著，人類的活動(dòng)對(duì)物種也有很大的影響。

2.3 鸻鷸類適宜棲息地分布

將3種優(yōu)勢(shì)種鸻鷸類候鳥的Maxent模型輸出結(jié)果進(jìn)行加權(quán)求和，結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS并用概率切斷點(diǎn)處理得到鸻鷸類適宜性棲息地分布圖(圖3)。適宜性區(qū)域大部分都分布在春風(fēng)湖以及丁字堤，兩個(gè)階段適宜性區(qū)域分別占總面積的25%、17%，適宜性區(qū)域在2010～2013年階段相比前一階段衰減了32%。大部分適宜性區(qū)域都分布在水域和泥灘區(qū)域，尤其是2010～2013年階段，棲息地總面積減少且向水域和泥灘地區(qū)退縮。其次是苔草區(qū)域，蘆葦和蒿草區(qū)域的棲息地適宜性值比較低。

圖3 鸻鷸類棲息地適宜性分布(a) 2006～2009年，(b) 2010～2013年Fig.3 Habitat suitability map of shorebirds(a) 2006～2009，(b) 2010～2013

3 討論

3.1 棲息地適宜性影響因子分析

鸻鷸類對(duì)棲息地環(huán)境的要求不同于其他物種，水文、人類活動(dòng)、土地類型的變化對(duì)棲息地環(huán)境的影響很大。袁玉潔等[1]指出土地利用類型、到道路距離、到居民點(diǎn)距離、NDVI、斑塊密度以及植被種類數(shù)對(duì)東洞庭湖區(qū)域的水鳥有顯著影響。因此本文以東洞庭湖3種優(yōu)勢(shì)鸻鷸類水鳥為例，選取這已被證明與其棲息地質(zhì)量有關(guān)的6個(gè)環(huán)境因子作為環(huán)境變量。結(jié)果表明，鸻鷸類的棲息地環(huán)境質(zhì)量主要受土地利用類型、到道路和居民點(diǎn)的距離的影響，這與Zeng等[18]的研究結(jié)果一致。

研究結(jié)果表明，2010～2013年適宜性棲息地面積比2006～2009年小。這與Li、Yi等[19-20]的結(jié)果相反，區(qū)別在于他們采用的是WorldClim (www.worldclim.org) 的氣候數(shù)據(jù)，在全球變暖的背景條件下，溫度、蒸發(fā)這類氣候因子在數(shù)值上是增大的，使得棲息地適宜性值增加。對(duì)于遷徙鳥類這種特殊物種來(lái)說(shuō)，由于經(jīng)常移動(dòng)的緣故，溫度、蒸發(fā)這類氣候因子直接反應(yīng)的候鳥棲息地信息比較少，不足以作為研究棲息地質(zhì)量的環(huán)境因子。

土地利用變化是棲息地質(zhì)量降低的主要原因。東洞庭湖區(qū)位于三峽大壩的下游，受三峽工程秋季蓄水作用的影響，洞庭湖水位發(fā)生改變，湖區(qū)水域面積和裸露灘地形成時(shí)間發(fā)生改變，水位升高后形成的水域水深較深，鳥類無(wú)法取食到水草，導(dǎo)致棲息地質(zhì)量下降，這對(duì)鸻鷸類候鳥在此棲息不利。同時(shí)其他人為因素如人工種植等也會(huì)引起土地類型發(fā)生變化，劉云珠等[21]調(diào)查發(fā)現(xiàn)人工楊樹林和蘆葦?shù)夭贿m宜水鳥棲息，兩種生境內(nèi)水鳥多樣性極低，說(shuō)明濕地向蘆葦?shù)鼗驐顦淞值霓D(zhuǎn)變不利于東洞庭湖水鳥的保護(hù)，東洞庭湖南部以及西北區(qū)域蘆葦?shù)睾蜅顦淞謱?duì)濕地面積的侵占是東洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)退化的主要原因，也是東洞庭湖區(qū)域水鳥物種數(shù)和種群豐富度降低的主要原因[22]。

3.2 棲息地分布差異分析

分析結(jié)果看出，適宜棲息地分布隨時(shí)間推移呈集中化趨勢(shì)；春風(fēng)湖至君山一帶的適宜棲息地面積有所增加，但是中部以及西部的一些適宜性棲息地已經(jīng)逐漸消失，棲息地整體面積銳減。這一方面是由于自然和人力的雙重破壞，尤其是極端氣候的影響。比如2011年、2013年干旱導(dǎo)致大量的洲灘干枯，連續(xù)的雨、雪天氣致使河水淹沒大量洲灘等。另一方面，外來(lái)物種楊樹的引進(jìn)，也是棲息地面積減少的一個(gè)重要原因。候鳥降落時(shí)有一個(gè)滑翔過(guò)程，而楊樹擋住了其滑翔的空間，候鳥找不到降落處，且遮擋了從地上覓食的視線，就會(huì)另覓去處，導(dǎo)致棲息地的轉(zhuǎn)移。

3.3 東洞庭湖水鳥棲息地保護(hù)與管理的對(duì)策建議

東洞庭湖是長(zhǎng)江中下游江湖復(fù)合濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，受到湖區(qū)圍墾、上游三峽大壩運(yùn)行、氣候變化等原因，東洞庭湖區(qū)水鳥的棲息地已遭到一定程度的破壞，適宜的棲息地面積已經(jīng)明顯減少，本研究的結(jié)果也印證了這一點(diǎn)。目前應(yīng)該密切監(jiān)測(cè)東洞庭湖水鳥種群數(shù)量的變化趨勢(shì)，盡早發(fā)現(xiàn)不利因素并制定相應(yīng)措施。對(duì)現(xiàn)存水鳥棲息地應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格保護(hù)，限制人為開發(fā)活動(dòng)，避免現(xiàn)存水鳥棲息地被開發(fā)和破壞。

鳥類調(diào)查和相關(guān)研究可能會(huì)更多地選擇物種豐富度較高的地方進(jìn)行研究，但是由于鳥類調(diào)查具有一定的時(shí)效性和不確定性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不完整。Maxent模型結(jié)果提供了一些可能屬于鸻鷸類棲息地的一些區(qū)域，比如漉湖、君山等。這些區(qū)域都應(yīng)作為潛在棲息地保護(hù)，執(zhí)行有針對(duì)性的保護(hù)措施，防止鸻鷸類種群數(shù)量繼續(xù)下降。

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Maxent；Shorebirds；East Dongting Lake

Habitat Suitability for Dominant Species of Shorebirds in East Dongting Lake

Liu Wei1*Sun Fuyun2Gao Xiang3

(1.Hunan Baohua Environment Co.，Ltd，Changsha，410004，China；2.Xiangtan Research Academy of Environmental Sciences，Xiangtan，411100，China；3.College of Environmental Science and Engineering，Hunan University，Changsha，410082，China)

Some shorebirds are rare migratory birds.Some variables like human influence and land use type play a key role in predicting habitat suitability of migratory birds.We used Maxent modeling，coupled with bird survey records from 2006 to 2013 and environmental variables related to shorebirds to analyze habitat suitability of three dominant species of shorebirds in East Dongting Lake.The results showed that environmental variables played a key role in building Maxent modeling，and land use type was the most important factor influencing habitat quality for shorebirds.Maxent modeling had excellent evaluation effectiveness.Highly suitable area accounted for 25% of East Dongting Lake area during 2006 to 2009，and 17% during 2010 to 2013，and was mainly distributed in Dingzidi and Chunfenghu.

稿件運(yùn)行過(guò)程

2017-04-10

修回日期：2017-04-24

發(fā)表日期：2017-11-10

Q958.1

A

2310-1490(2017)04-603-05

劉偉，男，34歲，碩士，工程師；主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作。

*通訊作者：劉偉，E-mail：157334668@qq.com