基于MaxEnt模型的武漢市鳥類生境識別與特征

陳大安 潘玉蓮 吳雪飛

摘要： 文章以武漢市分布的6種代表性“保護(hù)鳥類”為研究對象，基于2018年鳥類觀測數(shù)據(jù)，通過最大熵（MaxEnt）模型識別其生境空間分布，分析目前武漢市鳥類生境的分布特征與存在的問題，從生境結(jié)構(gòu)與生境質(zhì)量2方面提出優(yōu)化建議。研究結(jié)果表明：在武漢市中心城區(qū)，“保護(hù)鳥類”豐富度較高的區(qū)域是緊臨河流、湖泊等綠地;在遠(yuǎn)城區(qū)，其豐富度較高的則是一些濕地保護(hù)區(qū)和天然林地區(qū)域;此外，部分耕地的“保護(hù)鳥類”豐富度也較高，并且是這些“保護(hù)鳥類”的重要棲息地。

關(guān)鍵詞： MaxEnt模型，保護(hù)鳥類，生境識別，特征分析，武漢

DOI： 10.12169/zgcsly.2020.01.06.0006

Recognition and Characteristics of Bird Habitat in Wuhan Based on MaxEnt Model

Chen Daan Pan Yulian Wu Xuefei

（College of Horticulture and Forestry Sciences， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China）

Abstract： Six representative species of “protected birds” in Wuhan are taken to identify their spatial distribution using the MaxEnt model based on the birds observation data in 2018， and the characteristics and existing problems of the current bird habitat distribution in Wuhan are analyzed. Then， the optimization suggestions are proposed from two aspects of habitat structure and habitat quality. The study finds that in the core area of Wuhan， there are more “protected birds” in green spaces next to rivers and lakes， while in non-core urban areas they are more found in wetland reserves and natural woodlands. In addition， it is also found that some cultivated lands also have high richness of “protected birds”， which are the important habitat.

Keywords：MaxEnt model， bird protection， habitat recognition， characteristics analysis， Wuhan

城市生物多樣性是城市人居環(huán)境的重要組成部分，可滿足城市居民接觸完整自然的需求。鳥類在食物鏈中處于較高等級，在一定程度上，鳥類的種類及數(shù)量決定了其他等級的生物狀態(tài)，鳥類的豐富度代表了生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性及生態(tài)系統(tǒng)的健康程度[1-3] ，也常被用作評價城市生物多樣性水平的指標(biāo)之一。“保護(hù)鳥類”是城市鳥類中極度敏感的物種，其分布容易受到生境條件和人類活動的雙重影響，更能表現(xiàn)其棲息地環(huán)境所具有的特征。因此，本文以“保護(hù)鳥類”豐富度反映城市鳥類生境的優(yōu)劣。

目前，我國的城市鳥類研究主要集中在3方面：一是動物學(xué)背景的學(xué)者以鳥類群落結(jié)構(gòu)為核心，研究城市鳥類生存發(fā)展過程;二是生態(tài)學(xué)背景的學(xué)者研究在城市化背景下城市環(huán)境因子對鳥類的影響;三是園林規(guī)劃設(shè)計背景的學(xué)者主要研究城市園林植物群落營造對城市鳥類的影響[4] 。雖然研究方向多樣，但學(xué)科界限明顯，缺少動物學(xué)、生態(tài)學(xué)、園林規(guī)劃設(shè)計等多學(xué)科融合。本文在一定程度上彌補(bǔ)了當(dāng)前研究在學(xué)科交叉上的不足，在“鳥類生境識別”方法上結(jié)合動物學(xué)最大熵模型和地理學(xué)Arcgis軟件進(jìn)行建模分析，在鳥類生境策略研究上，融合生態(tài)學(xué)與園林規(guī)劃學(xué)科理論提出保護(hù)建議。

本文基于城市鳥類生活習(xí)性選擇6種“保護(hù)鳥類”作為研究對象，通過MaxEnt模型和Arcgis軟件識別其空間分布并總結(jié)其分布特征;然后分析影響其分布特征的主要因素，最后從生境結(jié)構(gòu)與生境質(zhì)量2方面提出優(yōu)化建議。研究城市“保護(hù)鳥類”的地理空間分布格局既能對武漢市鳥類的保護(hù)提供空間參考，又能為城市生物資源可持續(xù)發(fā)展和生物多樣性保護(hù)提供管理建議。

1 研究區(qū)域

武漢市地處長江中下游平原，北部主要以地山丘陵為主，南部主要分布大型湖群，構(gòu)成北山南湖的空間格局。全市下轄13個行政區(qū)，3個國家級開發(fā)區(qū)，總面積8 569.15 km2 ，水域面積占全市面積的近1/4，構(gòu)成了極具特色的濱江、濱湖水生態(tài)環(huán)境與豐富的動植物資源。武漢市擁有良好的水資源條件和濕地環(huán)境，為鳥類的取食及營巢奠定了基礎(chǔ)。

2 研究方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

“保護(hù)鳥類”名錄來自《國家重點(diǎn)保護(hù)野生動物名錄》結(jié)合《武漢市市區(qū)及市郊鳥類多樣性初步調(diào)查》[5] 篩選出的武漢市市域國家級保護(hù)鳥類6種、省級保護(hù)鳥類44種;依據(jù)《中國動物志·鳥綱》[6] 和《中國鳥類野外手冊》[7] 等鳥類學(xué)文獻(xiàn)，參考城市區(qū)域的用地特性和“中國土地資源分類系統(tǒng)”[8] ，為每種典型鳥類判定生境類型;基于生境的分類最終選定6種武漢市代表性的保護(hù)鳥類（表1）。本研究從武漢市觀鳥協(xié)會和公眾觀鳥大數(shù)據(jù)平臺獲取武漢市分布的6種保護(hù)鳥類點(diǎn)位分布數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和坐標(biāo)糾偏。

為獲取武漢市2018年生境分類信息，需要對遙感影像進(jìn)行處理。本研究采用地理空間數(shù)據(jù)云和Landsat-8 OLI 影像選取云量少的數(shù)據(jù)，空間分辨率均為30 m。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 遙感解譯

在ENVI5.0中對遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、去云等預(yù)處理，并進(jìn)行影像拼接，使用武漢市行政邊界進(jìn)行裁剪，得到研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)。參照《生態(tài)十年環(huán)境遙感監(jiān)測土地覆蓋分類系統(tǒng)》，根據(jù)武漢市的實際情況，采用監(jiān)督分類與人工目視解譯結(jié)合的方法，得出研究區(qū)土地覆被分類為一級6類、二級19類。

2.2.2 使用MaxEnt進(jìn)行物種分布建模

每個物種都有其獨(dú)特的生態(tài)位，通常比較穩(wěn)定，這也是生態(tài)位模型能夠預(yù)測物種潛在分布范圍的基礎(chǔ)條件[9] 。生態(tài)位模型的基本原理是根據(jù)研究物種特有的生存環(huán)境，從目標(biāo)物種已知的分布區(qū)“出現(xiàn)點(diǎn)”數(shù)據(jù)出發(fā)，利用數(shù)理統(tǒng)計模型或機(jī)器學(xué)習(xí)理論分析處理、歸納或模擬其生態(tài)需求，在研究區(qū)域內(nèi)，基于一系列環(huán)境變量將運(yùn)算結(jié)果投射至不同的空間，產(chǎn)生1個連續(xù)柵格的預(yù)測分布圖。生境越適宜，物種出現(xiàn)的概率相對越高，最后依據(jù)物種出現(xiàn)概率預(yù)測物種的潛在空間分布[10] （圖1）。

2.2.3 MaxEnt模型指標(biāo)選取

鳥類生境因子的選擇將會直接影響模型的最終預(yù)測結(jié)果，目前在物種分布模擬中生境因子的選取尚無統(tǒng)一的規(guī)定，根據(jù)研究目的的不同所選取的生境因子也存在一定差異。本文以文獻(xiàn)研究為基礎(chǔ)，結(jié)合武漢鳥類習(xí)性的調(diào)研，從鳥類生存的生境因子與干擾因子2個方面選出10個主要影響鳥類分布的指標(biāo)[11] 。這些指標(biāo)包括土地利用類型、鳥類生境結(jié)構(gòu)、植被覆蓋度、與水源的距離、海拔、坡度、坡向7個環(huán)境因子，以及與建設(shè)用地的距離、與城市主干道距離、與城市次干道的距離3個干擾因子。在上述6種典型鳥類中，紅隼、畫眉、星頭啄木鳥是陸生鳥類，灰胸竹雞、水雉、紅頭潛鴨是水生鳥類，因此，在計算其生境結(jié)構(gòu)上有所區(qū)別，陸生鳥類的生境結(jié)構(gòu)以鳥類活動范圍內(nèi)植被所占百分比體現(xiàn)，水生鳥類生境結(jié)構(gòu)則以鳥類活動范圍內(nèi)水域所占百分比體現(xiàn)。最后，根據(jù)前面收集的各種遙感數(shù)據(jù)、林業(yè)調(diào)查、國土數(shù)據(jù)以及道路交通數(shù)據(jù)，在地理信息系統(tǒng)（Arcgis）平臺上分析得到一系列鳥類生存環(huán)境因子（圖2）。

2.2.4 鳥類空間分布特征分析

基于6種武漢市典型“保護(hù)鳥類”豐富度空間分布格局，采用Arcgis平臺中地理加權(quán)求和的方法，疊加計算出鳥類豐富度最高的斑塊，并作為評價現(xiàn)有鳥類生境保護(hù)行動優(yōu)先級的指標(biāo)[12] ，斑塊評分越高，表明該區(qū)域鳥類的豐富度越高，其生境重要性越高。此外，根據(jù)鳥類豐富度空間分布格局分析影響鳥類空間分布的主要驅(qū)動因素，為城市鳥類保護(hù)提供理論依據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 “保護(hù)鳥類”空間分布特征

通過研究分析分別獲取6種“保護(hù)鳥類”豐富度空間分布格局，再以等權(quán)疊加的方式得出綜合鳥類豐富度空間分布格局（圖3）。從6種典型的“保護(hù)鳥類”的空間分布圖以及疊加后的“保護(hù)鳥類”豐富度分布格局可以發(fā)現(xiàn)，長江武惠堤沿線、漢口江灘公園沿線、長江紗帽堤沿線，以及漢水、府河、灄水、朱家河、通石河、東荊河等河渠棲息地，天興洲、沉湖、后官湖、魯湖，官蓮湖、東湖、牛山湖、漲渡湖、武湖、陶家湖、梁子湖、院基寺水庫等湖泊棲息地，青龍山、八分山、木蘭山、木蘭天池、龍泉山、九峰山、磨山等森林公園棲息地是“保護(hù)鳥類”空間分布豐富度高的區(qū)域。同時，位于江夏區(qū)、新洲區(qū)和蔡甸區(qū)的水田也是“保護(hù)鳥類”空間分布豐富度較高的區(qū)域，然而位于城市中心的中山公園、解放公園、沙湖公園、堤角公園，以及青山公園等城區(qū)綠地“保護(hù)鳥類”豐富度并不高。由此可見，水域棲息地和城市森林公園支持了較高的“保護(hù)鳥類”空間分布豐富度。

3.1.1 主城區(qū)鳥類分布特征

武漢市核心發(fā)展區(qū)中，河流湖泊兩側(cè)的棲息地中“保護(hù)鳥類”的豐富度最高，其次是城市中心的公園綠地，最后是城市住宅旁的附屬綠地。多數(shù)文獻(xiàn)研究表明，面積是影響物種豐富的重要因子[13] ，面積相對比較大的城市中心公園綠地，其“保護(hù)鳥類”的豐富度應(yīng)該大于河流湖泊兩旁的帶狀綠地，而本研究的結(jié)果卻不完全一致。究其原因可能有以下幾點(diǎn)：一是城市中心公園各種人員活動比較多，對鳥類生存繁殖產(chǎn)生較大干擾。二是在設(shè)計時，設(shè)計師對城市公園的藝術(shù)性追求大于其生態(tài)性，放棄鄉(xiāng)土樹種，引入大量外來植物，造成公園內(nèi)部植物生長狀況欠佳，生境過于單一，不利于公園鳥類生存。三是城市中心公園周邊大多高樓林立，形成一個綠色孤島與周邊的綠地缺乏聯(lián)系，外來的物種難以跨域?qū)訉诱系K來到公園內(nèi)部，公園內(nèi)的物種難以突破這種無形的“囚牢”與外面的物種產(chǎn)生基因交流，久而久之，公園內(nèi)部物種豐富度就逐漸降低。與之相反，漢水沿線、府河周邊的棲息地“保護(hù)鳥類”豐富度高，雖然它只是帶狀綠地，單位長度內(nèi)生境面積小，但其植物群落的豐富度、植物多樣性和生境多樣性都較高，而且與其他較大的生境斑塊聯(lián)系性也較強(qiáng)。

3.1.2 遠(yuǎn)城區(qū)鳥類分布特征

城市遠(yuǎn)城區(qū)“保護(hù)鳥類”豐富度遠(yuǎn)大于城市核心區(qū)，其中“保護(hù)鳥類”豐富度最高的是城市森林公園和濕地保護(hù)區(qū)，其次是遠(yuǎn)城區(qū)的耕地，豐富性最低的是城鎮(zhèn)周邊與內(nèi)部的綠地。遠(yuǎn)城區(qū)的森林公園規(guī)模大且干擾相對較小，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，因此其“保護(hù)鳥類”豐富度較高。武漢良好的水資源條件和濕地環(huán)境為水生鳥類創(chuàng)造了良好的生境條件，加上大量北方候鳥在此越冬，因此濕地保護(hù)區(qū)及周邊“保護(hù)鳥類”豐富度比較高。耕地中水田的生境條件比旱地好，武漢耕地面積中水田所占比重較大，能為許多水生“保護(hù)鳥類”提供棲息環(huán)境，因此耕地中鳥類豐富度也比較高。

3.2 保護(hù)空缺分析

將武漢市現(xiàn)有的省、市級別的自然保護(hù)區(qū)（表2）與鳥類綜合分布圖疊加得到保護(hù)空缺圖（圖4）。從圖4中可知，武漢市現(xiàn)狀自然保護(hù)區(qū)大都位于遠(yuǎn)城區(qū)的濕地自然保護(hù)區(qū)。這些自然保護(hù)區(qū)對于武漢市“保護(hù)鳥類”存在較大的缺口， 尤其是位于城市核心區(qū)的“保護(hù)鳥類”，它們在城市內(nèi)部僅存生境是城市中為數(shù)不多的公園綠地與湖泊濕地，保護(hù)好這些生境則是對城市內(nèi)部鳥類最好的庇護(hù)。城市內(nèi)部用地緊張，大面積增加城市綠地已不可能，如何優(yōu)化這些棲息地生境質(zhì)量、生境格局已成為要重點(diǎn)研究的問題。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文引入MaxEnt模型，為鳥類生境的預(yù)測提供了一個可靠的方法，預(yù)測效果與該物種的已知生態(tài)擬合良好，為政府野生動物保護(hù)部門與規(guī)劃部門在規(guī)劃決策方面提供參考與建議，有利于對城市生物多樣性進(jìn)行精準(zhǔn)保護(hù)，加強(qiáng)公眾在城市生物多樣性保護(hù)方面的參與度。本文基于MaxEnt模型，通過對武漢市6種典型“保護(hù)鳥類”豐富度的研究可知：武漢市“保護(hù)鳥類”豐富度較高的是湖泊、河流等水域棲息地和林地棲息地;其次是草地、耕地等棲息地;而人類活動較多的建設(shè)用地區(qū)域則是“保護(hù)鳥類”豐富度較低區(qū)域。因此，武漢市豐富的湖泊、河流等濕地環(huán)境是這些“保護(hù)鳥類”的主要生存資源條件和活動的核心區(qū)域。

4.2 鳥類生境優(yōu)化建議

4.2.1 鳥類生境格局優(yōu)化

從現(xiàn)狀的城市鳥類生境分布格局可以看出，鳥類棲息地之間的連通性弱，尤其是在城市中心發(fā)展區(qū)域，在城市尺度下應(yīng)增加鳥類生境間的連通性。城市公園綠地是分布在城市中心的鳥類核心棲息地，但卻被商業(yè)、住宅、辦公等用地類型包圍形成了孤島，因此，提出以下3點(diǎn)建議：

1） 在城市中心綠地周邊結(jié)合道路、水系等帶狀防護(hù)綠地預(yù)留出一條綠色廊道供鳥類遷徙。解放公園雖然綠地面積很大但被各種住宅小區(qū)和辦公寫字樓包圍，導(dǎo)致與其他生境連通性弱，應(yīng)該在蘆溝橋路通往沿江大道的道路兩側(cè)，適當(dāng)增加綠化覆蓋率，設(shè)置一條供鳥類遷徙的綠色廊道，增加解放公園綠地與江灘公園綠地2個棲息地的連通性。

2） 限制中心綠地旁邊的高層建筑數(shù)量，給鳥類遷徙讓出飛行空間，增加不同生境斑塊鳥類間基因交流。漢陽墨水湖公園在周邊房地產(chǎn)還沒有完全開發(fā)之前，是一個良好的鳥類棲息地，但隨著周邊土地開發(fā)強(qiáng)度增加，許多超高層湖景住宅小區(qū)拔地而起，整個墨水湖公園被一排排住宅包圍起來，許多原本在墨水湖越冬候鳥就無法遷徙至此，在本地棲息的鳥類難以與其他棲息地鳥類繁殖進(jìn)行基因交流。因此，應(yīng)限制周邊建筑的高度，尤其是在鳥類遷徙路線上建筑的高度。

3） 在距離較遠(yuǎn)的生境斑塊之間增加鳥類遷徙“腳踏石”，為鳥類長距離遷徙創(chuàng)造條件。在漢口城市發(fā)展核心區(qū)域，人口與建筑密度均較集中，解放公園、中山公園、后襄河等城市公園已成為鳥類最重要的棲息地，但這種核心棲息地之間距離較遠(yuǎn)。因此，應(yīng)適當(dāng)在2個距離較遠(yuǎn)的生境斑塊之間增加遷徙“腳踏石”，為鳥類長距離遷徙創(chuàng)造條件，城市中的口袋公園、建筑附屬綠地、屋頂綠化等恰好可以扮演鳥類遷徙“腳踏石”角色，在規(guī)劃設(shè)計時可以綜合考慮其潛在價值。

4.2.2 鳥類生境質(zhì)量優(yōu)化

目前，在城市核心發(fā)展區(qū)用地緊張，大量增加綠地的可能性較小，如何提高這些綠地生境質(zhì)量，增加其生態(tài)效應(yīng)是關(guān)鍵。

1） 優(yōu)化城市綠地的植物配置，尤其是道路防護(hù)綠地。應(yīng)選用鄉(xiāng)土樹種，采用喬-灌-草種植方式，讓鳥類在豎向上也有更多的生存空間，減少道路交通等干擾因素對鳥類生境的影響。

2） 為鳥類的生存繁殖提供相對干擾較小的環(huán)境。在大型公園綠地內(nèi)部適當(dāng)增加一些生態(tài)密林區(qū)，適當(dāng)增加微地形增加其豎向變化，增加公園內(nèi)部生境多樣性，并限制游覽人員的進(jìn)入。

3） 在城市遠(yuǎn)城區(qū)，增加水生農(nóng)作物的多樣性種植。水田也是鳥類豐富度較高的生境之一，應(yīng)避免水田干涸，增加多樣性種植，這也是提升城市鳥類豐富度的重要舉措[14-15] 。

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