三門峽黃河公園越冬大天鵝棲息地構(gòu)建與適應(yīng)性評價

司世杰 杜博 謝文燕 員百江 張建忠 洪劍明*

（1 首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京 100048；2 首都師范大學(xué)北京濕地研究中心，北京 100048；3 三門峽市天鵝湖國家城市濕地公園管理處，河南 三門峽 472000；4 三門峽市黃河公園管理處，河南 三門峽 472000）

大天鵝Cygnus cygnus在我國的主要越冬地包括新疆、青海湖、山東榮成、黃河中下游濕地等地（馬鳴等,1993），其中地處黃河流域中段的三門峽庫區(qū)是重要的越冬棲息地之一（張國鋼等, 2016）。幾年來，經(jīng)過三門峽市政府、天鵝湖國家城市濕地公園管理處與科研院所的合作，在三門峽越冬的大天鵝數(shù)量不斷增加，2014年天鵝湖國家城市濕地公園內(nèi)天鵝的數(shù)量達到了6 317只，占三門峽庫區(qū)的80%以上。

隨著天鵝數(shù)量和聚集程度的不斷提高，大天鵝對資源的需求越來越大，同時增加了疾病發(fā)生的風(fēng) 險 (Chen et al,2005；Liu et al,2005;Webster et al,2002)。2014年12月黃河三門峽庫區(qū)發(fā)生高致病性禽流感疫情。為降低大天鵝的聚集程度，實現(xiàn)大天鵝的合理分布，降低禽流感再次發(fā)生的風(fēng)險，通過查閱國內(nèi)外大天鵝越冬棲息地文獻，結(jié)合前期在天鵝湖國家濕地公園的生態(tài)修復(fù)實踐(杜博等,2018)，本實驗選擇三門峽市黃河公園進行大天鵝棲息地的重建，并對重建后大天鵝棲息地的適應(yīng)性進行了評價。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

實驗區(qū)域?qū)儆谌T峽市北部黃河公園的景點蘆蕩煙雨的一部分，面積20.6 878 hm2，其中水域面積 10.3 307 hm2, 地處 111°11'55"～ 111°12'20"E,34°47'42"～34°47'58"N,緊鄰黃河三門峽庫區(qū),公園屬于黃河季節(jié)性灘涂濕地（陸健健等，2006）。實驗設(shè)計之前，該區(qū)域地形平緩，是以楓楊Pterocarya stenoptera為主的護岸林地，生物多樣性單一，池塘生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，僅供游客觀賞水景，缺少灘涂和小島，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

1.2 研究方法

1.2.1 地形整理與生境重建 越冬期大天鵝需要與人有約100 m的安全距離(于新建等,1997)，且面積一定的湖面進行飛行或降落、游泳或覓食等活動，故對原有的人工湖進行地形整理，在湖中心構(gòu)建一個小島，面積為0.5 106 hm2，周圍形成淺水區(qū)，有利于天鵝休息和覓食。

考慮到生態(tài)護岸的觀賞性原則，護岸采用以下設(shè)計，喬木種植在人行道旁，在湖邊岸坡配置灌木和草本；水邊配置千屈菜Lythrum salicaria、黃菖蒲Iris pseudacorus、小香蒲Typha minima和部分野生濕地植物，便于大天鵝取食，同時增加觀賞性。

1.2.2 水文調(diào)控 實驗區(qū)緊鄰黃河河道，修建水閘將黃河河道和實驗區(qū)相連。在黃河豐水期打開水閘，將實驗區(qū)湖水與黃河水進行對流交換，提升湖水的水質(zhì)。在黃河枯水期關(guān)閉水閘，保證湖區(qū)一定的水量，淺水區(qū)高程為316.7 m，深水區(qū)高程為315.5～316 m，通過與河水交換，為鳥類、兩棲類、魚類等生物提供適宜的水環(huán)境與部分天然食物（丁小謹?shù)? 2014）。

1.2.3 食物鏈構(gòu)建與景觀設(shè)計 對大天鵝的食物習(xí)性研究發(fā)現(xiàn)，不同的越冬地大天鵝的食物存在差異（趙閃閃等, 2018; 閆建國等,2003），不同時期大天鵝的食物也不盡相同（閆建國等, 2003;Watanabe et al, 2005）。大天鵝是雜食性動物，不僅喜歡吃水生植物或濕生植物的嫩芽和嫩莖（董翠玲等, 2007; 劉利等, 2014; 閆建國等, 2003;Watanabe et al, 2005），繁殖季也吃一定量的動物性食物（閆建國等, 2003）?？紤]到公園的景觀效果和大天鵝的食物需求，在湖邊種植千屈菜Lythrum salicaria、黃菖蒲Iris pseudacorus、小香蒲Typha minima等植物，小島上種植冬小麥Triticum aestivum，少量喬木為旱柳Salix matsudana、水杉Metasequoia glyptostroboides、楓楊；其余為草地覆蓋地面。

1.3 適宜性評價

生態(tài)學(xué)傳統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)的獲取方法往往是通過實地考察、野外測量,記錄所得到的實驗數(shù)據(jù)（楊勇等,2011）。這種方式不僅費時費力，有時無法保證數(shù)據(jù)的準確性和精準度，具有一定的局限性（高瑞蓮等,2000）。相對于傳統(tǒng)的方法，3S技術(shù)的發(fā)展不僅提供了科學(xué)、準確和更廣尺度的數(shù)據(jù)來源，可應(yīng)用于生物的分布預(yù)測（劉冬平等,2006; Hepinstall et al,1997;Véronique et al,2006），而且與邏輯斯蒂方程回歸分析模型相結(jié)合可以作為一種棲息地適宜性評估的重要工具（江紅星等,2009; 王學(xué)志等,2008; 王志強等,2006; 張艷紅2006; Hirzelet al,2001; Iván et al,2004）。故采用上述方法對大天鵝越冬早期的棲息地情況進行適應(yīng)性評價分析。1.3.1 評價因子的選取 孔博等（2008）認為研究中對評價因子的選擇，不僅應(yīng)考慮到自然條件的影響，而且應(yīng)考慮人為活動的干擾。根據(jù)欒曉峰等（2003）對鳥類棲息地環(huán)境因子的分析，人為干擾對城市鳥類的棲息往往起主導(dǎo)作用。

本研究中，評價因子分為自然因子和人為因子兩類：自然因子包括土地利用類型、草地距離、 林 地 距 離、NDVI（Normalized Difference Vegetation Index，歸一化植被指數(shù)）、水體距離和灘地距離；人為因子包括食物距離和道路距離。草地距離、林地距離、水體距離、灘地距離和道路距離分別為實驗點距草地、林地、水體、灘地、道路邊緣的最近距離值。食物距離表示實驗點距人為種植植物或投食點的距離。NDVI（歸一化植被指數(shù)）反映了實驗點的整體植被情況。

依據(jù)實際情況將整個研究區(qū)分成了林地、水體、灘地（含島）、草地和道路(圖1)。大天鵝食物資源分布（紅色表示分布區(qū)域）見圖2。根據(jù)前人對大天鵝習(xí)性的研究觀察（董翠玲等,2007; 姜楊等,2006; 傅承判等,1987），在越冬前期（11-12月）大天鵝吃岸邊或棧道邊的菖蒲的嫩莖、香蒲的根莖、酸模葉蓼和島上種植的小麥嫩芽以及島上投喂的玉米等食物（牛童等,2015）。NDVI是檢測植被生長狀態(tài)、蓋度和消除部分輻射誤差等，體現(xiàn)了整體的植被情況(圖3)。NDVI值越大，表示植物越豐富，水禽食物來源越充足（蕫張玉等,2014）。

1.3.2 評價模型的建立 根據(jù)中國資源衛(wèi)星中心獲取的地理數(shù)據(jù)，與從黃河公園獲取的植物性食物和投食點的實際數(shù)據(jù)相結(jié)合，利用軟件Arc GIS對研究區(qū)進行數(shù)據(jù)矢量化。

圖1 土地利用類型Fig.1 land use type

圖2 食物分布Fig.2 Food distribution

圖3 NDVIFig.3 NDVI

圖4 棲息地平面圖Fig.4 Habitat plan

軟件中利用Create random point工具試驗區(qū)內(nèi)隨機生成300位置點，將實際觀測天鵝出現(xiàn)過覓食行為的位置賦值“1”，未出現(xiàn)天鵝覓食行為的位置賦值為“0”。通過ArcGIS軟件的Extract Multi value to point工具提取位置點處各影響因子圖層屬性值，然后導(dǎo)出表格，將數(shù)據(jù)構(gòu)建邏輯斯蒂方程進行分析。將食物距離、道路距離、水體距離、土地利用類型、草地距離、林地距離、NDVI和灘地距離共8個因子帶入邏輯斯蒂方程（鄒麗麗等，2012）。

2 結(jié)果與分析

2.1 棲息地構(gòu)建結(jié)果

在原來地形的基礎(chǔ)上，通過規(guī)劃設(shè)計得到的實際地形整理平面圖（圖4），可見新修的湖心島、距小島70 m外的棧道和淺水區(qū)以及沿岸新種植的植物帶等。

2.2 大天鵝數(shù)量變化

圖5 越冬前期大天鵝數(shù)量變化Fig.5 Changes in the number of swans in the winter

表 1 Logistic回歸模型評價因子系數(shù)指標Table 1 Logistic regression model evaluation factor coeきcient index

大天鵝的數(shù)量變化如圖5所示。在越冬前期（11-12月），隨著遷徙的大天鵝到來，大天鵝的數(shù)量不斷增加；在越冬中期（1月），由于食物的短缺，大天鵝數(shù)量開始下降。在越冬后期（2-3月），隨著天氣的逐漸升溫，大天鵝開始向繁殖地回遷，導(dǎo)致大天鵝的數(shù)量進一步降低；但人為投食吸引附近的大天鵝前來覓食，大天鵝數(shù)量短暫增多。由于黃河公園高頻度的游人影響，大天鵝的數(shù)量有時會出現(xiàn)波動性變化。

2.3 大天鵝棲息地適應(yīng)性評價

采用前LR逐步篩選策略，經(jīng)過邏輯斯蒂方程的篩選，道路距離、水體距離、土地利用類型、草地距離和林地距離的Wald觀測值差異性不顯著（P＞0.05），說明道路距離、水體距離、土地利用類型、草地距離和林地距離并不會影響大天鵝的棲息地選擇，因此在篩選過程中被剔除。灘地距離、NDVI和食物距離的Wald觀測值差異性顯著（P＜0.05），表明灘地距離、NDVI和食物距離對大天鵝棲息地的選擇有影響作用，應(yīng)保留在方程中構(gòu)建回歸模型(表1)。最后經(jīng)模型檢驗Nagelkerke R2為0.725，接近1，表明回歸直線對觀測值的擬合程度較好。

2.3.1 大天鵝的適宜性分布 將得到灘地距離、NDVI和食物距離的權(quán)重值帶入Arc GIS軟件中計算大天鵝的適宜性分布圖（圖6）。以顏色來表示該區(qū)域大天鵝出現(xiàn)的概率，由綠到紅，顏色越深表示天鵝出現(xiàn)的概率越大。對比土地利用類型可知，綠色表示道路、草地、部分水體和淺灘，紅色表示的湖中島及部分淺灘、水體區(qū)域。由圖6可知，離湖岸邊距離越遠越安全，并且食物越豐富的地方，其環(huán)境越適宜大天鵝的生存，大天鵝出現(xiàn)的幾率越大。

圖6 大天鵝概率分布圖Fig.6 Probability distribution of swans

表2 適應(yīng)性分級表Table 2 Adaptation rating table

圖7 適應(yīng)性分級圖Fig.7 Adaptation leveling diagrams（注：圖中圖例編號即表2中級別編號）

2.3.2 大天鵝的適應(yīng)性分級 將300個研究區(qū)大天鵝的發(fā)生概率值進行K-值聚類分析，結(jié)果分為不可用地、不適宜棲息、基本適宜棲息、適宜棲息、最適宜棲息5個等級，大天鵝棲息地的適宜性級別及評價特征如表2所示。大天鵝出現(xiàn)概率較大的區(qū)域集中在湖中島及其部分淺灘和水面，而越靠近人類活動區(qū)域或者植物高大密集的地方，大天鵝出現(xiàn)的概率越低。聚類點數(shù)表示了每一個分級所含實驗點的數(shù)量，一定程度上表明適宜區(qū)域占整個實驗區(qū)的比例較小。

將聚類分析的數(shù)據(jù)結(jié)果輸入Arc GIS軟件中，得到大天鵝棲息地適應(yīng)性分級圖（圖7）。由適應(yīng)性分級圖與土地類型對比可知，大天鵝適宜區(qū)域聚集在湖中小島及周圍水面區(qū)域（圖中綠色表示），水面和近岸邊區(qū)域為較適宜性區(qū)域，岸邊和草地、林地為不適宜和不可利用區(qū)域。

3 討論

以大天鵝生態(tài)習(xí)性為依據(jù)，在三門峽庫區(qū)采用地形整理、水系連通、食物構(gòu)建與景觀設(shè)計技術(shù)，重建了大天鵝棲息地，在大天鵝越冬前期滿足了大天鵝對食物、安全等生存要素的需求，成功招引到了大天鵝，并且大天鵝的數(shù)量逐年增加。通過濕地恢復(fù)技術(shù)的應(yīng)用重建了人與自然和諧的生態(tài)環(huán)境，對實現(xiàn)大天鵝越冬期在三門峽庫區(qū)的合理分布有著十分重要的意義。

由于黃河公園緊鄰三門峽市居住區(qū)，節(jié)假日游人如織，高頻度的游人對大天鵝有一定的干擾，造成了在越冬期大天鵝數(shù)量的變化。研究發(fā)現(xiàn)，隨著人類干擾的不斷出現(xiàn)，大天鵝產(chǎn)生了對人類干擾的適應(yīng)性，但這還需要進一步的實驗驗證。在越冬中后期，由于食物的缺乏（小麥被吃光、岸邊食物死亡和降雪影響投食等）和湖面的部分結(jié)冰，大天鵝數(shù)量呈下降的趨勢，這與張進江等（2002）的研究結(jié)果一致。

采用GIS技術(shù)和二元邏輯斯蒂的統(tǒng)計學(xué)分析方法對大天鵝棲息地的評價結(jié)果與觀測到的實際情況相吻合，表明在黃河公園人工構(gòu)建的大天鵝棲息地對于越冬期大天鵝而言是比較適宜的。在8個評價因子中，只有灘地距離、NDVI和食物距離對大天鵝棲息地的選擇具有影響。對大天鵝越冬早期棲息地評價貢獻率由大到小依次是灘地距離、NDVI、食物距離。灘地距離的偏回歸系數(shù)為負值，但絕對值較小，說明大天鵝在越冬早期喜好選擇靠近灘地的區(qū)域作為棲息地，原因是食物主要分布在灘地區(qū)域，特別是湖心島和棧道邊的灘地區(qū)域。湖心島距人的距離最遠，且島上有投食的玉米和冬小麥作為食物，但其他灘地離人行棧道較近，對大天鵝棲息產(chǎn)生影響：棧道上有人的時候，大天鵝不敢靠近，棧道上沒有人的時候，大天鵝才去灘地上休息或覓食。NDVI的偏回歸系數(shù)為負值，表明大天鵝適宜區(qū)域的植物生長較為稀疏，說明大天鵝在越冬期早期不易生活在林地等植物較茂密的區(qū)域；食物距離的偏回歸系數(shù)為很小的正值，表明大天鵝在越冬早期喜歡生活在靠近食物的區(qū)域。

為了更好地保護大天鵝，提出以下建議：①保證大天鵝與人類的安全距離，避免市民近距離接觸大天鵝，防止禽流感病毒等對人造成危害；②加大保護大天鵝的宣傳力度，完善公園管理制度。觀測期間，仍有不少市民高聲喊叫或有寵物的狂吠等對大天鵝的棲息造成了干擾；③根據(jù)三門峽水庫大天鵝越冬棲息地選擇等研究（杜博等2018），結(jié)合本案例，雖然黃河公園的棲息地構(gòu)建滿足了大天鵝越冬期的棲息條件，實現(xiàn)了成功招引和分流，但該公園適宜大天鵝棲息地面積仍然有限。幾十年前黃河三門峽段河灘、庫灣有多處區(qū)域適宜大天鵝越冬，因為開墾、種樹等人類活動使棲息地喪失。通過天然棲息地的保護和修復(fù)，實施退耕退林還濕，黃河流域可為大天鵝提供更多遠離人類干擾，安全、適宜的棲息地，實現(xiàn)人與自然的和諧共存。

本研究著重于大天鵝的招引，未充分考慮到其他鳥類對大天鵝的影響和對環(huán)境的要求以及大天鵝之間的相互作用，也未對覓食量進行定量分析，今后可結(jié)合不同時期、不同食物資源數(shù)量與大天鵝的覓食量分析，進一步開展大天鵝數(shù)量變化規(guī)律的研究。