陜西佛坪國家級自然保護區(qū)大熊貓棲息地適宜性評價

孫 亮，張加龍，何念軍，彭阿柳， 唐流斌

(1.西南林業(yè)大學，昆明 650224；2.陜西佛坪國家級自然保護區(qū)管理局，陜西 佛坪 723400)

棲息地是生物賴以生存的場所[1]，開展棲息地適宜性評價是完善就地保護措施、提高自然保護成效的基礎[2]。大熊貓(Ailuropodamelanoleuca)是我國特有孑遺物種，據(jù)第四次全國大熊貓野外種群調查，全國野生大熊貓種群數(shù)量達1 864只，是易危野生動物。自20世紀70年代以來，對大熊貓棲息地開展適宜性評價的研究一直是野外大熊貓生態(tài)學研究的一大熱點[3]。近年來，遙感(RS，Remote Sensing)和地理信息系統(tǒng)(GIS，Geographic Information System)技術，因其在空間數(shù)據(jù)獲取和分析方面的巨大優(yōu)越性，在大熊貓棲息地適宜性評價中得到大量應用[4]。目前，基于GIS和RS的大熊貓棲息地評價研究多關注森林資源利用、交通、農業(yè)活動影響、薪柴砍伐等造成的棲息地破碎化與棲息地隔離導致的棲息地喪失以及各種人類活動尤其是交通建設對大熊貓棲息地的影響[2]。研究者利用GIS和遙感圖像，選擇與大熊貓分布相關的環(huán)境因子，將影響大熊貓分布區(qū)的各個因子(如生態(tài)因素、非生態(tài)因素以及人為影響因素)結合起來，通過空間疊加分析找到動物生存各因子的適合水平以及各因子對生物棲息地的影響和綜合作用程度[5-6]，統(tǒng)計適宜棲息地面積，并根據(jù)環(huán)境因子的影響提出保護建議[7]。盡管已有大量研究從地理環(huán)境因素方面對大熊貓棲息地作適應性評價[8-12]，但由于不同地理區(qū)域環(huán)境差異，環(huán)境因子的選擇并不一致，因此已有研究所建立的指標評價體系并不統(tǒng)一。

陜西佛坪國家級自然保護區(qū)為秦嶺大熊貓活動的核心區(qū)域，平均密度為0.4只·km-2，居全國之首。在全國大熊貓第四次調查中，陜西區(qū)域總共345只，佛坪保護區(qū)67只，約占全省19.42%，大熊貓數(shù)量和占比在各個保護區(qū)中都名列榜首，充分說明了佛坪保護區(qū)在秦嶺大熊貓片區(qū)中的核心地位，將佛坪保護區(qū)作為大熊貓棲息地的研究對象有著重要現(xiàn)實意義，可以為秦嶺大熊貓棲息地研究提供借鑒。本研究擬利用RS和GIS對陜西佛坪國家級自然保護區(qū)大熊貓棲息地開展適宜性評價，為進一步優(yōu)化秦嶺大熊貓棲息地保護策略提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

陜西佛坪國家級自然保護區(qū)1978年12月經(jīng)由國務院批準建立，總面積29 240 hm2。位于陜西秦嶺中段南坡陜西省佛坪縣西北部，西與陜西長青、黃柏塬國家級自然保護區(qū)毗鄰，北接陜西周至國家級自然保護區(qū)，東連陜西觀音山國家級自然保護區(qū)，南為佛坪縣岳壩鄉(xiāng)，地理坐標為：東經(jīng)107°41′～107°55′，北緯33°33′～33°46′。

保護區(qū)從西北到東南呈由高到低傾斜，海拔980～2 904 m，北部緊靠秦嶺主脊，南部海拔高度在1 500 m以下。海拔1 300 m以下為山地黃棕壤，代表性植被為含常綠成分的落葉闊葉混交林。海拔1 300～2 200 m范圍為山地棕壤，代表性植被類型為落葉闊葉林。海拔2 200～2 800 m范圍為山地暗棕壤，代表性植被類型為針葉林或針闊混交林。海拔2 800 m以上局部分布有少量亞高山灌叢草甸土，植被類型為亞高山高寒灌木草甸。

氣候屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的山地氣候，具有顯著的山地森林小氣候特點。年均降水量約為924 mm，年最大降水量1 382.3 mm，年最小降水量603.8 mm；夏季降水量最多而冬季最少，7-9月為降水高峰期。保護區(qū)內主要有三條河流，分別為西河、東河和岳壩河，總體上為由北向南流向。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

大熊貓痕跡點(實體觀察，毛發(fā)、抓痕、糞便)分布數(shù)據(jù)來源于2020年佛坪自然保護區(qū)巡護記錄。研究區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)和遙感數(shù)據(jù)下載自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/search)，數(shù)字高程模型為GDEMV2 30M分辨率數(shù)據(jù)，遙感數(shù)據(jù)為Landsat8 OLI-TIRS衛(wèi)星數(shù)據(jù)。矢量化的數(shù)據(jù)包括研究區(qū)邊界矢量圖(.shp文件格式)、研究區(qū)河流、道路分布矢量圖(.shp文件格式)。

表1 遙感數(shù)據(jù)詳情

2.2 主要應用軟件

主要應用軟件：ArcGIS10.2、ENVI5.1、SPSS。ENVI5.1主要用于影像大氣校正、植被覆蓋度的提取，SPSS主要用于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用ENVI5.1軟件 的flash模塊對遙感影像進行大氣校正，輻射率數(shù)據(jù)單位調整系數(shù)為0.1，大氣模型參數(shù)選擇 Atmospheric Model：Mid-Latitude Summer，以佛坪自然保護區(qū)邊界矢量圖為裁剪要素對校正后的影像數(shù)據(jù)進行裁剪。利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS10.2定義地理坐標系和投影坐標系，地理坐標系為GCS-WGS-1984，投影坐標系為WGS-1984-UTM-Zone-48N。利用ArcGIS10.2將研究區(qū)水系分布矢量圖和道路分布矢量圖作多環(huán)緩沖區(qū)分析，并轉換為柵格數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)字高程模型( DEM) 生成海拔、坡度、坡向圖層。

利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)對遙感影像提取植被覆蓋度信息[13]，計算式如下：

歸一化植被指數(shù)(NDVI)：

式中NIR為近紅外波段地表反射率值，R為紅光波段的地表反射率值。

植被覆蓋度(VFC)：

NDVIsoil=

NDVIveg=

式中VFC表示植被覆蓋度，表示無植被覆蓋區(qū)域的NDVIsoil值，NDVIveg表示完全被植被所覆蓋的像元NDVI值。植被覆蓋度最小值可近似取0，最大值可近似取1時，NDVIsoil=NDVImin(研究區(qū)域NDVI的最小值)，NDVIveg=NDVImax(研究區(qū)域NDVI最大值)，本文NDVI置信區(qū)間選擇5%～95%。

圖1 佛坪自然保護區(qū)高程圖

圖2 佛坪自然保護區(qū)影像圖

圖3 大熊貓痕跡分布圖

圖4 佛坪自然保護區(qū)植被覆蓋度圖

3 佛坪自然保護區(qū)單因子棲息地適應性評價

3.1 棲息地適應性評價因子確定

生態(tài)因子中的溫度、坡位、坡度、距水源的距離、食物等構成了大熊貓選擇的因子鏈。在眾多被選擇的生態(tài)因子中，適宜的溫度、遠離干擾、良好的隱蔽條件、食物的高質量及攝取的便利性是大熊貓選擇的主要因素。結合前人研究中對棲息地因子的選擇[14-16]，本文選擇高程、坡度、坡向、水系、道路、植被覆蓋度、主食竹分布等7個因子對大熊貓棲息地進行評價，高程、坡度、坡向、河流影響為物理環(huán)境因子，植被覆蓋度、主食竹分布為生物環(huán)境因子，道路影響為人類干擾因子。

3.2 棲息地適應性評價因子分級

利用SPSS分析軟件對大熊貓痕跡點高程數(shù)據(jù)進行頻率統(tǒng)計分析，高程因子頻率統(tǒng)計圖如圖5所示。大熊貓痕跡點分布在海拔1 179～2 726 m范圍，參照朱栩逸[17]對適宜分布區(qū)的選擇，將頻數(shù)在10以上的范圍定為最適宜分布區(qū)，其他痕跡點范圍為次適宜分布區(qū)，未出現(xiàn)范圍為不適宜分布區(qū)。研究區(qū)內大熊貓最適宜海拔分布區(qū)為1 308～1 926 m區(qū)域，次適宜海拔分布區(qū)為1 179～1 307 m區(qū)域和1 926～2 726 m區(qū)域，其他范圍為不適宜海拔分布區(qū)。

圖5 痕跡點高程因子頻率統(tǒng)計圖

利用ArcGIS空間分析工具對研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)進行坡度表面分析，得到坡度信息的柵格圖，再利用空間分析工具的值提取至點分析對痕跡點賦予坡度信息。利用SPSS分析軟件對大熊貓痕跡點坡度數(shù)據(jù)進行頻率統(tǒng)計分析，結合本研究區(qū)實際情況和前人研究[17]，研究區(qū)最適宜坡度范圍為5°～30°，次適宜坡度范圍為<5°和30°～45°，不適宜坡度范圍為>45°。坡度因子頻率統(tǒng)計圖如圖6所示。

圖6 痕跡點坡度因子頻率統(tǒng)計圖

同理，利用ArcGIS空間分析工具對研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)進行坡向表面分析，得到坡向信息的柵格圖，再利用空間分析工具中的值提取至點分析對痕跡點賦予坡度信息。結合本研究區(qū)實際情況和大熊貓向陽習性[18]，研究區(qū)最適宜坡向為116°～186°，次適宜坡向范圍為186°～346°和0°～116°，不適宜坡向范圍為346°～360°。坡向因子頻率統(tǒng)計圖如圖7所示。

圖7 痕跡點坡向因子頻率統(tǒng)計圖

河流分布通過影響大熊貓飲水的難易程度影響大熊貓棲息地選擇，本研究區(qū)河流水系豐富，水網(wǎng)發(fā)達，結合前人研究[17]，將距離河流500 m范圍確定為最適宜區(qū)域，500～1 000 m范圍確定為次適宜區(qū)域，大于1 000 m直至保護區(qū)邊界范圍為不適宜區(qū)域。

植被覆蓋度與大熊貓的隱蔽選擇、棲息地選擇緊密聯(lián)系。大熊貓對隱蔽條件的要求可理解為對植被(尤其是喬木)的選擇及對各種干擾的趨避。其選擇具有一定喬木郁閉度的發(fā)育成熟的濃密林灌下為棲息地，較大的喬木郁閉度可為其提供良好的隱蔽條件和適宜的微氣候條件[19]。大熊貓喜歡在灌木層蓋度大于75%的林地活動[18]，本研究將植被覆蓋度在0.5～1之間的區(qū)域劃定為最適宜區(qū)，0.3～0.5之間的區(qū)域劃定為次適宜區(qū)，0～0.3之間的區(qū)域劃定為不適宜區(qū)[17]。本研究區(qū)大熊貓的主食竹為巴山木竹、秦嶺箭竹，在秦嶺地區(qū)，巴山木竹主要分布于海拔1 100～2 000 m之間的落葉闊葉林和針闊混交林中；秦嶺箭竹主要分布在海拔2 000 m以上的地區(qū)，為大熊貓夏季主食竹，根據(jù)馬超[20]等研究，巴山木竹在海拔1 600～1 800 m范圍內各器官生物量及地上部分生物量達到最大值，因此選取1 600～1 800 m海拔范圍作為主食竹最適宜分布區(qū)，小于1 100 m和大于2 000 m范圍為主食竹不適宜分布區(qū)，其余為次適宜分布區(qū)。

佛坪自然保護區(qū)成立較早，各項保護措施管控有力，人類干擾主要體現(xiàn)在道路干擾，結合以往研究[17]，本文將距離道路500 m范圍確定為不適宜分布區(qū)，500～800 m范圍確定為次適宜分布區(qū)，大于800 m直至保護區(qū)邊界區(qū)域確定為最適宜分布區(qū)。

3.3 棲息地適應性評價體系的建立

根據(jù)研究區(qū)實際情況，結合其他學者研究結論與經(jīng)驗，選擇佛坪自然保護區(qū)大熊貓棲息地適應性評價指標并建立體系(表2)。

表2 大熊貓棲息地適應性評價指標及其分級標準

4 佛坪自然保護區(qū)多因子棲息地適應性評價

利用層次分析法[21]計算生物環(huán)境因子、物理環(huán)境因子、人類干擾等各類因子及其影響指標的權重(表3)，并最終計算得出各指標對棲息地適應性的影響權重為高程0.078 2、坡度0.041 9、坡向0.041 9、河流0.135 2、植被覆蓋度0.179 7、主食竹0.359 4、道路0.163 8，再利用ArcGIS空間疊加功能，將各因子的圖層疊加在一起，得到佛坪自然保護區(qū)多因子棲息地評價適宜性分布圖，統(tǒng)計分析適宜性分布區(qū)域。

表3 大熊貓棲息地適應性綜合評價指標體系及指標權重

利用上述權重分析結果和ArcGIS疊加分析功能，對佛坪自然保護區(qū)大熊貓適宜棲息地做綜合評價，將適宜分布區(qū)分為最適宜、次適宜和不適宜三類，得到大熊貓適宜棲息地評價分布圖(圖8)。經(jīng)統(tǒng)計，佛坪自然保護區(qū)大熊貓最適宜棲息地為17 069.65 hm2，占比58.38%；次適宜棲息地為11 549.31 hm2，占比39.50%；不適宜棲息地為621.03 hm2，占比2.12%。

圖8 佛坪自然保護區(qū)大熊貓適宜棲息地分布圖

5 討論與建議

5.1 討論

本研究結果顯示，佛坪保護區(qū)內大熊貓出現(xiàn)概率最高的坡度為5°～30°的緩坡，坡度和坡向的選擇與相關研究類似[17]，表明不同區(qū)域棲息地特征下大熊貓都傾向于選擇生活在坡度較緩的向陽坡面或溝谷。多因子棲息地適應性評價權重分析結果中，主食竹因子所占權重為0.359 4，是排序第2的植被覆蓋度因子的2倍，在本研究選擇的7個因子中主食竹因子對大熊貓分布的影響最大，這可能與大熊貓的季節(jié)遷移習性有關，秦嶺大熊貓一年中大多數(shù)時間生活在低海拔巴山木竹林，春末夏初，由于氣溫上升，大熊貓向上遷移到高海拔秦嶺箭竹林中，秋季則又向下遷移回到巴山木竹林[22-24]，再次表明對于取食竹子這種單一性食物的大熊貓來說，竹林分布是影響大熊貓分布的主要因素。

在佛坪自然保護區(qū)內，大熊貓最適宜棲息地面積最大，占比58.38%；次適宜棲息地次之，占比39.50%；不適宜棲息地面積最小，約占2.12%。從空間分布看，最適宜棲息地主要分布在保護區(qū)1 000～2 000 m中低海拔區(qū)，在西河、東河和岳壩河等主要河流流經(jīng)區(qū)域較為集中；次適宜棲息地主要分布在保護區(qū)海拔2 000 m以上區(qū)域，在保護區(qū)內分布較為廣泛；不適宜棲息地少量鑲嵌在最適宜和次適宜棲息地之間。岳明等[25]對保護區(qū)內植物群落進行群落學調查發(fā)現(xiàn)，喬木層物種多樣性在中海拔高度高、在低海拔和高海拔較低，即在1 000～2 000 m海拔區(qū)域，喬木層物種多樣性高、喬木層下竹林發(fā)育旺盛，不僅能為大熊貓躲避干擾提供隱蔽條件，還能提供充足的食物來源，因此該區(qū)域為大熊貓最適宜棲息地。次適宜棲息地中，海拔大多高于2 000 m，受氣溫、光照、降雨等自然要素的影響，一方面喬木層及林下竹林發(fā)育受到很大的限制[2]，另一方面溫濕氣候條件變化，綜合影響大熊貓的分布，此部分區(qū)域雖然面積較大，但環(huán)境不適宜竹林生長，大熊貓活動痕跡也很少，零星的活動痕跡極有可能是過境熊貓。不適宜分布區(qū)主要為遠離河流分布的區(qū)域，盡管保護區(qū)內水系發(fā)達，但仍有部分區(qū)域遠離水域，大熊貓取水困難，為不適宜棲息地。另有研究表明，農地墾殖、道路建設、采伐、挖筍等人為活動可加劇大熊貓棲息地的破碎化，導致種群數(shù)量的急劇降低乃至發(fā)生崩潰[26]，但佛坪保護區(qū)建區(qū)較早，管理較為完善，不存在農墾、采伐、挖筍等人為干擾，值得關注的是保護區(qū)道路建設，可能造成森林景觀破壞并對大熊貓棲息地產生影響。

5.2 建議

本研究結合RS和GIS技術對保護區(qū)內大熊貓痕跡點做了分析，初步建立了大熊貓棲息地適宜性綜合評價體系，對陜西佛坪國家級自然保護區(qū)大熊貓棲息地評價保護具有重要意義。但由于大熊貓痕跡點記錄時間有限，僅選擇了2020年監(jiān)測數(shù)據(jù)，1年的大熊貓痕跡監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷大熊貓棲息地適宜性存在較大的不穩(wěn)定性，有必要開展定位研究長期觀測，以期獲得更客觀真實的大熊貓分布數(shù)據(jù)；另外，土壤種類、植被類型、森林生物量、其他野生動物對大熊貓的分布影響也較大，應從更大的范圍選擇更全面科學的評價體系對大熊貓棲息地適宜性作進一步研究，以提高棲息地適宜性綜合評價的科學性。為促進佛坪國家級自然保護區(qū)內大熊貓種群的保護，結合本研究結果，提出以下二條保護管理措施：

加強水體環(huán)境保護，佛坪保護區(qū)水體對涵養(yǎng)水源、保持水土、改良氣候具有重要意義。由于保護區(qū)與周邊村鎮(zhèn)相接壤，居民不可避免產生垃圾，需和當?shù)卣疁贤?，對于大熊貓飲用水區(qū)段要劃出一定的保護范圍，嚴禁在河道500 m范圍以內傾倒垃圾，排放污水。

減少道路建設干擾，佛坪自然保護區(qū)內可能對大熊貓棲息地造成環(huán)境質量破壞、退化的主要方式為道路建設。修筑道路可一定程度破壞森林景觀，且這種影響不可逆；同時還可引起山體滑坡和水土流失，導致河水中泥沙含量增加，水質變差。因此，需要在施工規(guī)劃中盡量避開大熊貓適宜分布區(qū)，或在道路下方修建生態(tài)廊道以減少對大熊貓棲息地的影響。