棘胸蛙種群分布和景觀生態(tài)穩(wěn)定性相關(guān)性研究

廖常樂，張平，陳冬洋，胡建平，華華，蘇勇

（1.株洲市林業(yè)科學(xué)研究所，湖南株洲 412000；2.株洲市林業(yè)局，湖南株洲 412000；3.海南新綠神熱帶生物工程有限責(zé)任公司，海南?？?570203）

棘胸蛙（Quasipaa spinosa）隸屬兩棲綱無尾目叉舌蛙科棘胸蛙屬，其對水質(zhì)、地質(zhì)、氣候等環(huán)境因子的要求較高，是環(huán)境監(jiān)測的重要指示物種，已被列入《中國瀕危物種紅皮書》《中國物種紅色名錄》“易?！狈N和IUCN“VU”等級，其野生種群數(shù)量較少。對其的研究主要集中于生物學(xué)特征、生態(tài)學(xué)以及人工養(yǎng)殖與利用等方面，而對野生種群分布與景觀生態(tài)格局的關(guān)系研究較少。對景觀生態(tài)格局的研究，能夠直接反映社會形態(tài)下的人類活動、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，同時景觀生態(tài)格局也與區(qū)域社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)，生態(tài)脆弱化不但會引起自身生態(tài)功能的衰退，還會導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化，引發(fā)生物多樣性喪失。為此項(xiàng)目組在2017年9月至2018年9月，對炎陵縣棘胸蛙的分布和種群數(shù)量進(jìn)行了調(diào)查，并結(jié)合炎陵縣景觀生態(tài)穩(wěn)定情況，初步研究了棘胸蛙野生種群分布和景觀生態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)系，分析了棘胸蛙受威脅原因，旨在為評估野外棘胸蛙種群數(shù)量、保護(hù)等級，以及科學(xué)保護(hù)棘胸蛙野生種群提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

炎陵縣地處湖南省東南部，坐標(biāo)為26°03～26°39′30″N，113°34′54″～114°07′15″E。地形東南高，西北平緩，境內(nèi)最高峰為酃峰，海拔2115m；最低處海拔為116m，高差達(dá)1949m。地貌以山地為主，占全境的86.9%。屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫為12.1～17.2℃，太陽輻射為86.6～105.1kcal/cm，平均降雨量 1761.5mm，無霜期為288d，其特殊的地形地貌與氣候條件，為棘胸蛙提供了合適的棲息與繁殖生境，是棘胸蛙野外種群的重要分布地。

2 研究方法

2.1 景觀生態(tài)穩(wěn)定性分析

2.1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

主要選取森林資源二類清查數(shù)據(jù)、區(qū)劃數(shù)據(jù)、流域森林分布圖、衛(wèi)星遙感影像圖。利用景觀相關(guān)研究成果和湖南省二類調(diào)查技術(shù)規(guī)程，將區(qū)域土地利用景觀類型分為耕地、林地、草地、園地、水域、建設(shè)用地和未利用地7類。利用ArcGIS10.5將小班數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，以確保符合景觀指數(shù)計算要求。將柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)入景觀軟件Fragstas4.2中進(jìn)行計算，得出景觀指數(shù)，最后將景觀指數(shù)帶入改進(jìn)型穩(wěn)定性評價模型進(jìn)行景觀穩(wěn)定性評價。

2.1.2 景觀指數(shù)的選擇

該次景觀穩(wěn)定性研究主要按照景觀類型選取了具有代表性的8個指數(shù)，分別為斑塊密度（PD）、平均分維數(shù)（MPFRAC）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、蔓延度(CONTAG)、相似鄰接比例(PLADJ)、聚合度（AI）、香農(nóng)指數(shù)（SHDI）、分離度（DIVISION）。改進(jìn)型景觀穩(wěn)定性評價模型，標(biāo)準(zhǔn)為景觀指數(shù)是否有利于景觀格局穩(wěn)定性，將景觀指數(shù)分為正負(fù)指標(biāo)，有利于景觀格局穩(wěn)定性為正指標(biāo)，不利于景觀格局穩(wěn)定性則為負(fù)指標(biāo)。該文選取8個景觀指標(biāo)，分別對其進(jìn)行無量綱化處理，消除量綱影響，公式為：正指標(biāo)；負(fù)指標(biāo)其中 是無量綱標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值，Xi是原指標(biāo)值，Ximax為原指標(biāo)最大值，Ximin為原指標(biāo)最小值。Xi值越大，景觀格局穩(wěn)定性越好，該指標(biāo)為正指標(biāo)；Xi值越大，景觀格局穩(wěn)定性越差時，該指標(biāo)為負(fù)指標(biāo)。景觀指數(shù)無量綱化后，利用主成分分析法計算景觀指標(biāo)權(quán)重，并加權(quán)求和得出網(wǎng)格景觀穩(wěn)定性評價指數(shù)。由主成分分析可得出各景觀指數(shù)權(quán)重，λi為主成分i的貢獻(xiàn)率，m為主成分個數(shù)，由各主成分方差貢獻(xiàn)率計算權(quán)重，其中F為區(qū)域j j景觀格局穩(wěn)定性指數(shù)，Zi為穩(wěn)定性評價景觀指標(biāo)無量綱值。

景觀穩(wěn)定性分析：基于80m的土地景觀柵格數(shù)據(jù)，選取8個主要指數(shù)，構(gòu)建炎陵縣景觀生態(tài)穩(wěn)定性評價模型，基于主成份分析法計算8項(xiàng)景觀指標(biāo)權(quán)重，分別為斑塊密度X1、景觀形狀指數(shù)X2、平均分維數(shù) X3、蔓延度 X4、相似鄰接比例 X5、香農(nóng)指數(shù) X6、聚合度X7、分離度X8。將8項(xiàng)景觀指數(shù)進(jìn)行無量綱化處理，再用SPSS20.0進(jìn)行主成分分析，得到相應(yīng)的景觀穩(wěn)定性指數(shù)。

利用ArcGIS10.6克里金插值法創(chuàng)建4.32km×4.32km漁網(wǎng)，剔除漁網(wǎng)邊緣單元面積小于完整單元格面積50%不可靠漁網(wǎng)格，并提取相應(yīng)質(zhì)心。將8項(xiàng)景觀指數(shù)無量綱值進(jìn)行加權(quán)求和的景觀穩(wěn)定性指數(shù)賦值給對應(yīng)質(zhì)心，通過對質(zhì)心景觀穩(wěn)定指數(shù)進(jìn)行正態(tài)QQ分布，檢測景觀穩(wěn)定性指數(shù)是否符合正態(tài)分布，再進(jìn)行普通克里金插值，從而得到土地利用景觀穩(wěn)定性空間分布圖。

2.2 種群調(diào)查與估計

2.2.1 樣帶和樣方設(shè)置

通過景觀生態(tài)穩(wěn)定性分析，將炎陵縣的景觀生態(tài)穩(wěn)定性分為5個級別區(qū)域，利用ArcGIS10.6軟件統(tǒng)計出各個級別景觀生態(tài)穩(wěn)定區(qū)域的面積，再利用統(tǒng)計出的景觀生態(tài)穩(wěn)定區(qū)域以及結(jié)合調(diào)查區(qū)域的地形，設(shè)置單側(cè)寬度為20m樣帶、面積為50m×50m的樣方。該次調(diào)查共設(shè)置樣帶26條、樣方36個。樣帶調(diào)查時，按3～5人/組，沿路以2km/h的速度前進(jìn)，記錄其種群數(shù)量、海拔和坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。由于棘胸蛙隱蔽性很強(qiáng)，聞其鳴聲，但未發(fā)現(xiàn)實(shí)體的也算做記錄。

2.2.2 種群數(shù)量統(tǒng)計

種群估計利用景觀生態(tài)穩(wěn)定區(qū)域樣方樣帶結(jié)合法進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計，即按照景觀生態(tài)穩(wěn)定區(qū)域不同，估算出每個級別穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的種群密度，再根據(jù)每個級別穩(wěn)定區(qū)域面積計算各區(qū)域中棘胸蛙種群數(shù)量，從而估算出整個炎陵縣內(nèi)棘胸蛙的種群數(shù)量。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所得數(shù)據(jù)利用相關(guān)性分析法，對不同區(qū)域小班景觀穩(wěn)定性數(shù)值與棘胸蛙在該小班種群數(shù)量進(jìn)行相關(guān)性分析，所有數(shù)據(jù)用SPSS20.0軟件進(jìn)行處理，顯著水平設(shè)為α=0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀生態(tài)穩(wěn)定性分析

炎陵縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣在景觀穩(wěn)定性研究分析中得以體現(xiàn)，通過主成份分析可知前3個指標(biāo)累計貢獻(xiàn)率高達(dá)91.803%，滿足85%的要求，因此選取前3個指標(biāo)作為主成分，能夠反映景觀類型信息，且能夠滿足景觀穩(wěn)定性評價的要求（表1）。

表1 特征值與主成分貢獻(xiàn)率Tab.1 Characteristic value and the contribution rate of principal components

依據(jù)主成分分析可知各景觀因子的權(quán)重（見表2），其中8項(xiàng)指標(biāo)中分離度的權(quán)重最高，對炎陵景觀生態(tài)穩(wěn)定性的影響最為顯著；而景觀形態(tài)指數(shù)的權(quán)重值最低，對景觀生態(tài)穩(wěn)定性的影響較小。

表2 景觀穩(wěn)定性指數(shù)權(quán)重Tab.2 Landscape stability index weightings

通過對質(zhì)心景觀穩(wěn)定指數(shù)進(jìn)行正態(tài)QQ分布可知，景觀生態(tài)穩(wěn)定性指數(shù)符合正態(tài)分布（圖1），適合進(jìn)行普通克里金插值。通過普通克里金插值，得到土地利用景觀生態(tài)穩(wěn)定性空間分布（圖2）。根據(jù)普通克里金插值結(jié)果，以自然斷裂法為基礎(chǔ)，確定景觀生態(tài)穩(wěn)定性分級標(biāo)準(zhǔn)：Ⅰ級區(qū)域 (0.5061～0.5581)、Ⅱ級區(qū)域 (0.5581～0.6011)、Ⅲ級區(qū)域(0.6011～0.6410)、Ⅳ級區(qū)域(0.6410～0.6735)、Ⅴ級區(qū)域(0.6735～0.7109），級別越低表明景觀生態(tài)穩(wěn)定性越差，級別越高景觀生態(tài)穩(wěn)定性越強(qiáng)。

圖1 景觀生態(tài)穩(wěn)定性質(zhì)心點(diǎn)正態(tài)QQ分布Fig.1 Normal QQ polt of landscape stability centroid

圖2 景觀生態(tài)穩(wěn)定性分布Fig.2 Landscape stability distribution

通過圖2可知，炎陵生態(tài)穩(wěn)定性總體呈現(xiàn)出從東到西逐漸變?nèi)醯倪^程，Ⅲ級以上穩(wěn)定區(qū)共1403.35km2，占炎陵縣面積的69%，大部分地區(qū)處于穩(wěn)定或一般穩(wěn)定狀況，炎陵縣整體景觀生態(tài)特征呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境良好。穩(wěn)定區(qū)域(Ⅴ級穩(wěn)定區(qū))集中分布在東南部，即策源鄉(xiāng)、神農(nóng)谷國家森林公園、大院農(nóng)場等地；中度穩(wěn)定區(qū)（Ⅳ級穩(wěn)定區(qū)）主要分布于炎陵中部，即十都鎮(zhèn)、壟溪鄉(xiāng)、中村鄉(xiāng)、下村鄉(xiāng)、平樂鄉(xiāng)、龍?jiān)幾遴l(xiāng)等地區(qū)；一般穩(wěn)定區(qū)（Ⅲ級穩(wěn)定區(qū)）為帶狀分布，自西南向東北貫穿于炎陵縣，如中村鄉(xiāng)；一般不穩(wěn)定區(qū)（Ⅱ級穩(wěn)定區(qū)）主要分布于炎陵縣城、水口鎮(zhèn)、三河鎮(zhèn)以及霞陽鎮(zhèn)，以建設(shè)用地為主，受到人類活動的影響較大；十分不穩(wěn)定區(qū)（Ⅰ級穩(wěn)定區(qū)）主要分布在炎陵西面與北面部分區(qū)域。

3.2 分布及種群數(shù)量

調(diào)查發(fā)現(xiàn)棘胸蛙主要出現(xiàn)在4至9月，5月份是棘胸蛙活動高峰期，其主要棲息在山間小溪石縫中，夜間出來覓食繁殖。根據(jù)景觀生態(tài)穩(wěn)定性分析得出，Ⅰ級穩(wěn)定區(qū)264.40km2、Ⅱ級穩(wěn)定區(qū)366.09km2、Ⅲ級穩(wěn)定區(qū)386.43km2、Ⅳ級穩(wěn)定區(qū)610.15km2、Ⅴ級穩(wěn)定區(qū)406.77km2，各級穩(wěn)定區(qū)域調(diào)查強(qiáng)度如表3所示。調(diào)查共發(fā)現(xiàn)棘胸蛙180只，主要分布在炎陵縣東部景觀生態(tài)穩(wěn)定性較好地區(qū)，在5種景觀生態(tài)穩(wěn)定性等級中均有分布，Ⅰ級穩(wěn)定區(qū)發(fā)現(xiàn)棘胸蛙數(shù)量2只、Ⅱ級穩(wěn)定區(qū)發(fā)現(xiàn)5只、Ⅲ級穩(wěn)定區(qū)發(fā)現(xiàn)26只、Ⅳ級穩(wěn)定區(qū)發(fā)現(xiàn)45只、Ⅴ級穩(wěn)定區(qū)發(fā)現(xiàn)102只（表4）。

根據(jù)該次調(diào)查，估算出在炎陵縣分布的棘胸蛙種群數(shù)量為82811只±26279只（表5）。其中Ⅰ級穩(wěn)定區(qū)估計棘胸蛙種群數(shù)量1065只±1660只、Ⅱ級穩(wěn)定區(qū)估計棘胸蛙種群數(shù)量2649只±2621只、Ⅲ級穩(wěn)定區(qū)估計棘胸蛙種群數(shù)量12431±7516只、Ⅳ級穩(wěn)定區(qū)估計棘胸蛙種群數(shù)量32026±6485只、Ⅴ級穩(wěn)定區(qū)估計棘胸蛙種群數(shù)量34595±7997只。Ⅴ級穩(wěn)定區(qū)棘胸蛙種群估計數(shù)量最多，該區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)棘胸蛙個體數(shù)量最多，種群密度大；Ⅳ級穩(wěn)定區(qū)棘胸蛙種群估計數(shù)量次之，該區(qū)域內(nèi)棘胸蛙種群密度不大，為52.49只/km2，但該穩(wěn)定區(qū)所占面積最大，所以該穩(wěn)定區(qū)棘胸蛙估計種群數(shù)量與Ⅴ級穩(wěn)定區(qū)棘胸蛙估計種群數(shù)量相差不大。Ⅴ級穩(wěn)定區(qū)與Ⅳ級穩(wěn)定區(qū)內(nèi)棘胸蛙種群估計數(shù)量占炎陵縣全部棘胸蛙種群估計數(shù)量的80.45%，是棘胸蛙在炎陵縣重點(diǎn)分布區(qū)域。

表3 樣方樣帶信息Tab.3 Information of line transect and squares

表4 調(diào)查樣帶和樣方中發(fā)現(xiàn)棘胸蛙的數(shù)量Tab.4 Q.spinosa found in transect and sample squares

表5 不同穩(wěn)定性等級種群密度與種群數(shù)量估計Tab.5 Population density and population size estimation in different Stability level

3.3 種群數(shù)量與景觀生態(tài)穩(wěn)定性相關(guān)性分析

通過相關(guān)性分析得出，顯著性水平P=0.024（P＜0.05）,炎陵縣棘胸蛙分布與景觀生態(tài)穩(wěn)定性關(guān)系密切，即景觀生態(tài)穩(wěn)定性越高，棘胸蛙種群數(shù)量則越多，結(jié)果顯示棘胸蛙主要分布于景觀生態(tài)穩(wěn)定性較強(qiáng)的東部山區(qū)，即策源鄉(xiāng)、神農(nóng)谷森林公園、大院農(nóng)場等地，該區(qū)域?yàn)樯止珗@、國有林場、生態(tài)保存完好，管理相對完善，人為干擾較小。而炎陵西部地區(qū)，離縣城較近的水口鎮(zhèn)、三河鎮(zhèn)景觀生態(tài)穩(wěn)定性較差，該區(qū)域植被結(jié)構(gòu)單一，建設(shè)用地和其他用地所占面積大，且農(nóng)戶種植黃桃、李等經(jīng)濟(jì)作物較多，人為影響較大，棘胸蛙則沒有分布。

圖3 不同景觀生態(tài)穩(wěn)定性棘胸蛙分布點(diǎn)Fig.3 Distribution of Q.spinosa in different landscape stability

4 保護(hù)建議

野生棘胸蛙對環(huán)境要求高，多分布在海拔300～900m的深山大溝中，有小股溪流的平緩水流處或小瀑布，周圍林木昌茂，郁閉度高，陰涼潮濕，水溫與氣溫較低，陰涼、流速緩慢景觀溪流的巖石洞穴或亂石堆內(nèi)。研究得知，棘胸蛙在炎陵縣大部分區(qū)域均有分布，但其種群數(shù)量主要集中于東部山區(qū)景觀生態(tài)穩(wěn)定性交好的地區(qū)，隨著生態(tài)穩(wěn)定性的下降，棘胸蛙的野外種群數(shù)量隨之減少，景觀生態(tài)穩(wěn)定性對棘胸蛙的野外種群數(shù)量影響顯著。因此，為保護(hù)好炎陵棘胸蛙野外種群資源，提出如下建議：1)在炎陵西部景觀生態(tài)穩(wěn)定性較弱的地區(qū)，合理規(guī)劃造林、封山育林，逐步提高森林覆蓋率，從而提高該地區(qū)景觀生態(tài)穩(wěn)定性，為棘胸蛙提供更多適宜生存的棲息環(huán)境；2)由于經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使，村民為提高經(jīng)濟(jì)效益，擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)作物的種植面積，特別是棘胸蛙賴以生存的高海拔溪流生境，大面積種植茶葉、黃桃、李子等單一經(jīng)濟(jì)作物，既破壞了該地區(qū)的景觀生態(tài)穩(wěn)定性，又由于人類活動及化肥農(nóng)藥的使用，直接破壞了棘胸蛙賴以生存的棲息地環(huán)境，建議加強(qiáng)棘胸蛙棲息地保護(hù)，減少對溪流、小瀑布、平緩水洼等適宜棘胸蛙棲息的自然生境的破壞，減少在棘胸蛙重點(diǎn)棲息生境附近種植經(jīng)濟(jì)作物，從而減少人類活動、農(nóng)藥化學(xué)物對生境的影響；3)在炎陵縣沔度鎮(zhèn)附近發(fā)現(xiàn)有村民沿溪流用電捕捉棘胸蛙，且在4～8月棘胸蛙繁殖季節(jié)，縣城及下屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)市場趕集時，時常有村民販賣野生棘胸蛙的現(xiàn)象，建議加強(qiáng)執(zhí)法，嚴(yán)厲打擊非法捕捉棘胸蛙的盜獵行為，開展專項(xiàng)打擊市場販賣野生棘胸蛙資源的行動，減少人類對棘胸蛙野生種群的破壞。