黃河三角洲東方白鸛的巢址選擇預(yù)測(cè)分析

王新建， 劉新， 戴昭鑫

(1. 山東科技大學(xué)，山東青島266590； 2. 中國測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100102)

東方白鸛是一種大型遷徙水鳥，CITES附錄Ⅰ物種，被世界自然保護(hù)聯(lián)盟(IUCN)瀕危物種紅色物種名錄列為EN，國家一級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生動(dòng)物。受人類活動(dòng)影響，東方白鸛在過去幾十年中數(shù)量急劇減少，目前全球野生數(shù)量僅 3 000只左右，主要分布在俄羅斯、日本、韓國以及中國的東北、長江流域及黃河三角洲(Wei.，2016)、內(nèi)蒙古(張國鋼等，2016)等區(qū)域。其中，黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)作為東北亞鳥類遷徙路線咽喉要道，是東方白鸛重要的遷徙停歇地和越冬地，并自2003年后逐漸演變?yōu)闁|方白鸛北方繁殖區(qū)外的最大繁殖地(Shimazaki，2004)。近年來，區(qū)域內(nèi)種群數(shù)量不斷增加，保護(hù)區(qū)管理站提供的營巢位點(diǎn)逐漸飽和。巢穴作為東方白鸛棲息、繁殖的重要場(chǎng)所，其質(zhì)量直接影響繁殖成功率。尤其面對(duì)黃河三角洲區(qū)域東方白鸛種群數(shù)量不斷增加、巢穴點(diǎn)逐漸飽和的問題，開展黃河三角洲東方白鸛巢穴選擇及空間預(yù)測(cè)對(duì)于未來保護(hù)該物種生存和繁殖具有重要現(xiàn)實(shí)意義(Cox.，2019)。

東方白鸛的巢址選擇已有部分研究，包括巢址的定性及描述性研究(吳建東等，2001)，結(jié)合生境適宜性模型和GIS技術(shù)等對(duì)東方白鸛的巢址選擇開展定量研究，如鄱陽湖區(qū)域(Wei.，2016)、日本區(qū)域(Yamada.，2019)。不同的區(qū)域及生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)東方白鸛巢址的選擇模式不同(Cheng.，2020)。朱明暢等(2015)在黃河三角洲開展了東方白鸛巢址預(yù)測(cè)研究，但主要聚焦在黃河三角洲的3個(gè)管理站附近。隨著黃河三角洲東方白鸛種群數(shù)量增多，其巢穴點(diǎn)不再局限于3個(gè)管理站附近，亟需對(duì)管理站范圍外的其他區(qū)域進(jìn)行選址研究。

因此，本文擬通過二項(xiàng)Logistic回歸模型對(duì)黃河三角洲(生態(tài)旅游區(qū)除外)東方白鸛巢址選擇的生境因子進(jìn)行分析，揭示不同生境因子對(duì)東方白鸛巢址選擇的影響，繪制研究區(qū)東方白鸛巢址選擇的空間分布預(yù)測(cè)圖，并對(duì)研究區(qū)東方白鸛巢址選擇的適宜性進(jìn)行多等級(jí)劃分。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)性地進(jìn)行濕地的恢復(fù)與保護(hù)，建立棲息地保護(hù)區(qū)，為瀕危物種的保護(hù)和科學(xué)管理提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河三角洲位于山東省東營市(118°24′～119°20′E，37°29′～38°12′N)，北臨渤海，東臨萊州灣；選擇位于黃河三角洲范圍內(nèi)的東營市陸地區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，面積4 264.33 km(圖1)。屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年均氣溫12～13 ℃，年均降水量550～600 mm，年均無霜期200 d左右，平均海拔11.2 m(陳浩等，2019)。地勢(shì)平坦，擁有豐富的濕地、植被、水生動(dòng)物等資源，為東方白鸛提供了充足的食物資源；其中水田 214.51 km，坑塘水面473.20 km，內(nèi)陸灘涂282.27 km；植被主要有蘆葦、鹽地堿蓬、檉柳、白茅等；水生動(dòng)物主要有中國毛蝦、三疣梭子蟹、黃姑魚、泥鰍、黃鱔等。

圖1 黃河三角洲東方白鸛巢址分布和研究區(qū)Fig. 1 Study area and nest sites of Ciconia boyciana in the Yellow River Delta

1.2 數(shù)據(jù)搜集與預(yù)處理

為了確定東方白鸛巢址選擇的影響因素，研究中使用黃河三角洲高精度的土地利用數(shù)據(jù)、高壓塔分布數(shù)據(jù)以及2019年3—6月統(tǒng)計(jì)的研究區(qū)內(nèi) 57個(gè)東方白鸛巢址分布數(shù)據(jù)。為了獲取對(duì)照樣方，將研究區(qū)劃分為20×20的格網(wǎng)，剔除含有東方白鸛巢址的格網(wǎng)后，隨機(jī)選擇57個(gè)點(diǎn)為對(duì)照樣方。

通過中國測(cè)繪科學(xué)研究院WJ-Ⅲ工作站對(duì)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行圖斑融合，融合前地類圖斑相對(duì)比較零散，個(gè)別小面積的地類圖斑會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集過程帶來一定程度的影響，融合后的土地利用圖斑整體具有一定的連續(xù)性。

1.3 模型選擇

利用單個(gè)樣本的Kolmogorov-Smirnov Test檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布。若數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，使用獨(dú)立樣本的檢驗(yàn)，反之使用Spearman秩相關(guān)性檢驗(yàn)各因子間的相關(guān)性。2個(gè)因子相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大，說明其相關(guān)性越強(qiáng)；為了保證因子之間的相互獨(dú)立性，需要將相關(guān)系數(shù)達(dá)到一定值的因子進(jìn)行選擇性剔除，選擇將2個(gè)因子之間相關(guān)性系數(shù)的絕對(duì)值>0.5的因子進(jìn)行選擇性剔除；將相互獨(dú)立的變量采用“向前”條件(以假定參數(shù)為基礎(chǔ)作似然比概率檢驗(yàn)，向前逐步選擇自變量)二項(xiàng)Logistic回歸，得到資源選擇函數(shù)，其模型為：()=exp(++……+)，式中，為相互獨(dú)立的生境因子，為生境因子的系數(shù)，為獨(dú)立生境因子個(gè)數(shù)。資源選擇函數(shù)模型能夠很好地體現(xiàn)東方白鸛巢址選擇時(shí)對(duì)各因子偏好的正負(fù)相關(guān)性以及偏好程度。

本實(shí)驗(yàn)需要使用Ig M抗D血型定型試劑、單克隆抗體抗A抗血型定型試劑、不規(guī)則抗體篩選試劑、抗人球蛋白(抗IgG)檢測(cè)卡等,由上海血液生物醫(yī)藥公司、江蘇力博醫(yī)藥生物技術(shù)股份有限公司等提供。需要注意的是,在使用各種試劑時(shí)需要注意試劑的使用期限,還應(yīng)避免不同批次混用,防止對(duì)實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果產(chǎn)生不良影響。

1.4 空間分辨率與等級(jí)劃分

基于現(xiàn)存的每個(gè)巢址樣方獨(dú)立于每個(gè)單獨(dú)的格網(wǎng)之中為原則，統(tǒng)計(jì)東方白鸛巢址之間的最近距離來確定格網(wǎng)分辨率。為了驗(yàn)證空間分辨率選擇的有效性，適當(dāng)對(duì)其他分辨率的格網(wǎng)進(jìn)行空間預(yù)測(cè)，將其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。通過資源選擇函數(shù)和資源選擇概率，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行空間格網(wǎng)化概率預(yù)測(cè)，求取每個(gè)格網(wǎng)中心點(diǎn)的概率值，通過自然斷點(diǎn)法將獲取的格網(wǎng)中心點(diǎn)的資源選擇概率值分成 12類，依次以間斷點(diǎn)將數(shù)據(jù)分成2個(gè)概率區(qū)間，分別統(tǒng)計(jì)在該間斷點(diǎn)處的驗(yàn)證概率()=[+(-)]，式中，為第個(gè)間斷點(diǎn)處對(duì)照樣方的個(gè)數(shù)，為巢址樣方的個(gè)數(shù)，為第個(gè)間斷點(diǎn)處巢址樣方的個(gè)數(shù)，為對(duì)照樣方和巢址樣方的總數(shù)。

通過驗(yàn)證概率將研究區(qū)進(jìn)行多等級(jí)劃分。通過反距離權(quán)重法進(jìn)行插值，得到東方白鸛巢址選擇的適宜區(qū)空間分布。

數(shù)據(jù)處理在SPSS 20.0和ArcGIS 10.7中完成。

2 結(jié)果分析

2.1 生境因子的相關(guān)性

對(duì)初選的10個(gè)生境因子進(jìn)行Kolmogorov-Smirnov Test檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各生境因子并不完全符合正態(tài)分布，因此選擇Spearman相關(guān)檢驗(yàn)分析因子之間的相關(guān)性；兩者之間相關(guān)性系數(shù)的絕對(duì)值>0.5的因子有距港口距離與距水田距離、距內(nèi)陸灘涂距離(圖2)；為了保證因子之間的相互獨(dú)立性，剔除距港口距離的生境因子。

圖2 生境因子間的相關(guān)性分析Fig. 2 Correlation analysis among habitat factors

2.2 回歸建模

通過Spearman相關(guān)性分析篩選的生境因子并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，采用“向前”條件進(jìn)行二項(xiàng)Logistic回歸(表1)，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的變量包括距水田距離、距廣場(chǎng)和商業(yè)服務(wù)用地距離、距內(nèi)陸灘涂距離、距坑塘水面距離和距高壓塔距離；東方白鸛巢址選擇的資源選擇函數(shù)為：logist()=-1.715+0.810-1117-2511-constant；東方白鸛巢址選擇的概率為：=elogist()/[1+elogist()]；模型的正確率為87.7%，擬合優(yōu)度為0.663。東方白鸛巢址選擇與距水田、內(nèi)陸灘涂、坑塘水面、高壓塔距離呈負(fù)相關(guān)，其中，距高壓塔距離對(duì)東方白鸛巢址選擇的影響最大；與距廣場(chǎng)和商業(yè)服務(wù)用地距離呈正相關(guān)。結(jié)果表明：東方白鸛巢址的選擇偏好距水田、內(nèi)陸灘涂、坑塘水面、高壓塔較近，而距廣場(chǎng)和商業(yè)服務(wù)用地較遠(yuǎn)的地方。

表1 函數(shù)模型的變量Table 1 Variables of the function model among habitat factors

2.3 巢址統(tǒng)計(jì)分析

黃河三角洲研究區(qū)采集的57個(gè)巢址樣方中，36個(gè)位于高壓塔上，21個(gè)位于地面上。分別統(tǒng)計(jì)2類巢址到函數(shù)模型中的5個(gè)因子的平均距離發(fā)現(xiàn)：巢址與水田、高壓塔、坑塘水面、內(nèi)陸灘涂的距離相對(duì)較近，與廣場(chǎng)和商業(yè)服務(wù)用地的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，與資源選擇函數(shù)的結(jié)果一致(表2)。

表2 巢址到生境因子的平均距離Table 2 Average distance of nest sites to habitat factors

2.4 空間預(yù)測(cè)

研究區(qū)東方白鸛巢址之間的最近距離為123.80 m，由此確定格網(wǎng)分辨率為 80 m，以80 m×80 m分辨率的格網(wǎng)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行規(guī)則格網(wǎng)化，分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)格網(wǎng)中心點(diǎn)到模型中生境因子的距離，根據(jù)資源選擇函數(shù)和資源選擇概率求得每個(gè)格網(wǎng)中心點(diǎn)的生境選擇概率值，根據(jù)自然斷點(diǎn)法將研究區(qū)生境選擇概率分為12類(0.04、0.13、0.22、0.31、0.41、0.50、0.60、0.70、0.78、0.87、0.93、1.00)，分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)間斷點(diǎn)的驗(yàn)證概率，以0.60[(0.60)=66.67%]、0.87[(0.87)=72.81%]、0.93[(0.93)=76.32%]為間斷點(diǎn)將研究區(qū)分為4個(gè)等級(jí)(表3)。

表3 巢址選擇適宜性劃分Table 3 Suitability division of nest site selection

東方白鸛巢址主要分布在黃河三角洲的東、東北、北部區(qū)域，整體呈環(huán)繞趨勢(shì)；根據(jù)空間預(yù)測(cè)分布圖，東方白鸛巢址選擇以最佳適宜區(qū)為核心區(qū)依次向外擴(kuò)散，分別為比較適宜區(qū)、一般適宜區(qū)、不太適宜區(qū)，其中，比較適宜區(qū)的輻射距離約1 000 m，一般適宜區(qū)的輻射距離約1 500 m。最佳適宜區(qū)的面積783.02 km，比較適宜區(qū)486.62 km，一般適宜區(qū)750.74 km，不太適宜區(qū) 2 243.95 km(圖3)。

圖3 黃河三角洲研究區(qū)東方白鸛的適宜生境Fig. 3 Distribution of suitable habitats of Ciconia boyciana in the Yellow River Delta Research Area

3 結(jié)果與討論

巢址是東方白鸛生存和繁殖的重要場(chǎng)所，對(duì)東方白鸛種群的繁衍具有重要意義。本文利用資源選擇函數(shù)等模型，分析了生境因子對(duì)東方白鸛巢址選擇的影響，并進(jìn)行了空間巢址選擇適宜性預(yù)測(cè)與等級(jí)劃分。

巢址預(yù)測(cè)模型：研究根據(jù)優(yōu)選的生境因子，創(chuàng)建了東方白鸛巢址選擇預(yù)測(cè)模型(模型準(zhǔn)確率達(dá)到87.7%)；分析發(fā)現(xiàn)，東方白鸛巢址的選擇傾向于距水田、內(nèi)陸灘涂、坑塘、高壓塔較近，而距廣場(chǎng)和商業(yè)服務(wù)用地較遠(yuǎn)的地方。

適宜性分級(jí)劃分：基于預(yù)測(cè)模型，采用自然斷點(diǎn)法和驗(yàn)證概率對(duì)東方白鸛巢址適宜性區(qū)間劃分為最佳適宜區(qū)、比較適宜區(qū)、一般適宜區(qū)、不太適宜區(qū)。

空間分布：基于空間預(yù)測(cè)結(jié)果，現(xiàn)存的巢址中的75.44%分布在最佳適宜區(qū)，占整個(gè)研究區(qū)面積的18.36%；空間分布格局主要以最佳適宜區(qū)為核心，按適宜性的等級(jí)向四周擴(kuò)散。

本文對(duì)東方白鸛巢址選擇時(shí)的生境因子的選擇研究結(jié)果與現(xiàn)有的研究結(jié)果具有一致性(段玉寶等，2011；Zhou.，2013)，主要表現(xiàn)在：巢址選擇均受水資源(水田、坑塘)、人為因素(廣場(chǎng)和商業(yè)服務(wù)用地)的影響，東方白鸛傾向于在距水資源豐富、距人為因素影響較小的區(qū)域筑巢；根據(jù)東方白鸛巢址選擇空間預(yù)測(cè)分布圖，可以發(fā)現(xiàn)，東方白鸛在一千二管理站附近選擇筑巢的概率較低，而在大汶流管理站附近的概率較高，與朱明暢等(2015)對(duì)于自然保護(hù)區(qū)東方白鸛巢址的選擇預(yù)測(cè)具有一致性。此外，研究發(fā)現(xiàn)黃河三角洲生態(tài)系統(tǒng)中東方白鸛的筑巢方式和其他生態(tài)系統(tǒng)存在一定的差異性。

3.1 不同生態(tài)系統(tǒng)的筑巢方式

目前對(duì)于東方白鸛巢址選擇適宜性的研究中，不同的生態(tài)系統(tǒng)中影響東方白鸛巢址選擇的生境因子也有所不同。如本研究發(fā)現(xiàn)在黃河三角洲區(qū)域，1排高壓電線塔貫穿于蘆葦沼澤中，東方白鸛集中在高壓塔上營巢繁殖，但這與東方白鸛歷史繁殖地——三江平原地區(qū)以及洪河自然保護(hù)區(qū)(王健，李曉民，2006)在高大喬木和人工招引的三腳架上筑巢明顯不同(張希國，2011)，也與日本福井縣東方白鸛筑巢點(diǎn)傾向于選擇稻田(Yamada.，2019)存在一定的差異性，這表明不同的生態(tài)系統(tǒng)導(dǎo)致東方白鸛筑巢點(diǎn)的選擇存在一定的差異性。黃河三角洲多鹽堿地，少高大喬木，不能為東方白鸛提供充足的筑巢點(diǎn)，而區(qū)域內(nèi)高壓塔多分布在沼澤中，便于東方白鸛近距離隱蔽覓食。東方白鸛目前分布在歐洲、韓國、日本及中國東部不同地區(qū)，未來在進(jìn)行東方白鸛巢址選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特征進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)。

3.2 同一生態(tài)系統(tǒng)的筑巢方式

處于同一生態(tài)系統(tǒng)的筑巢方式存在一定的差異：相對(duì)于在高壓塔上的巢址，地面上的巢址距水田的距離更近；在滿足東方白鸛筑巢條件的區(qū)域，距水田較近的區(qū)域，東方白鸛選擇在地面上筑巢。2類巢址到內(nèi)陸灘涂和坑塘水面距離的平均值相差較小，表明東方白鸛筑巢受2個(gè)生境因子的影響較小。由2類巢址到距廣場(chǎng)和商業(yè)服務(wù)用地距離的平均值可以發(fā)現(xiàn)，距廣場(chǎng)和商業(yè)服務(wù)用地較近的巢址主要在高壓塔上，而較遠(yuǎn)的巢址在地面上；距廣場(chǎng)和商業(yè)服務(wù)用地距離較近，人為影響因素較大，高壓塔上能夠避免人為因素對(duì)東方白鸛的生存繁殖帶來的影響，綜上，人為因素是影響東方白鸛巢址選擇方式的因素之一。

3.3 空間分辨率的選擇

對(duì)于目前東方白鸛巢址選擇空間預(yù)測(cè)的格網(wǎng)分辨率的研究中，Wei等(2016)以0.05°×0.05°的柵格對(duì)鄱陽湖東方白鸛種群的空間分布進(jìn)行了預(yù)測(cè)；Yamada等(2019)以東方白鸛棲息地的半徑為依據(jù)，采用1 km×1 km分辨率的格網(wǎng)進(jìn)行空間分布預(yù)測(cè)。本文確定的格網(wǎng)分辨率為80 m；為了驗(yàn)證空間分辨率選擇的有效性，分別以250 m、500 m分辨率對(duì)研究區(qū)進(jìn)行空間分布預(yù)測(cè)，并統(tǒng)計(jì) 80 m、250 m、500 m分辨率下不同等級(jí)適宜區(qū)的巢址樣方占比、面積占比(表4):巢址樣方在不同等級(jí)適宜區(qū)的分布個(gè)數(shù)是一致的，不同等級(jí)適宜區(qū)的面積占比存在一定的差異，但差異較小，因此，在對(duì)東方白鸛巢址選擇空間適宜性預(yù)測(cè)時(shí)，可適當(dāng)減小分辨率以提高工作效率。

表4 不同分辨率的各適宜區(qū)的面積和樣方占比Table 4 Area and quadrat proportion of each suitable area with different resolution

本研究中生境因子的選擇是基于東營市第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)，以土地利用類型命名生境因子的名稱；統(tǒng)計(jì)57個(gè)巢址到高壓塔的平均距離為74.815 m，其中21個(gè)地面上的巢址到高壓塔的平均距離為203.07 m，36個(gè)在高壓塔上，由此可以發(fā)現(xiàn)巢址選擇與高壓塔存在一定的相關(guān)性，因此，加入了距高壓塔距離的生境因子；由回歸模型可知，與距高壓塔距離因子的相關(guān)系數(shù)為-2.511，顯著性較強(qiáng)(=0.011)，由此可知，高壓塔對(duì)東方白鸛巢址選擇存在一定程度的影響。

通過二項(xiàng)Logistic回歸建模，研究了東方白鸛巢址選擇對(duì)生境因子的偏好性，通過反距離權(quán)重法對(duì)研究區(qū)東方白鸛巢址選擇的適宜性進(jìn)行多等級(jí)劃分，能夠篩選出不同質(zhì)量的巢址選擇棲息地(Chalfoun & Schmidt，2012)，對(duì)黃河三角洲東方白鸛的保護(hù)和管理具有重要的意義。但是對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，本研究沒有考慮東方白鸛種群內(nèi)及與其他物種種群間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系；研究受生境因子的選擇、樣本數(shù)量的限制，預(yù)測(cè)結(jié)果可能存在一定的差異。本文對(duì)研究區(qū)進(jìn)行多等級(jí)適宜性區(qū)域劃分，缺少種群密度和環(huán)境容納量分析，接下來可根據(jù)種群數(shù)量，針對(duì)不同等級(jí)適宜性區(qū)域進(jìn)行濕地恢復(fù)與保護(hù)。

山東省東營市自然資源局提供的相關(guān)巢址數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理和論文寫作得到中國測(cè)繪科學(xué)研究院李成名研究員、吳政博士，山東科技大學(xué)劉新副教授的支持和幫助，在此表示感謝。