黄河三角洲自然保护区水禽生境适宜性模糊综合评价

朱明畅， 曹铭昌， 汪正祥， 徐海根， 雷军成， 吴 翼， 赵 军

(1.湖北大学资源环境学院， 武汉 430062； 2.环境保护部 南京环境科学研究所， 南京 210042；3.东营市人民政府办公室， 山东 东营 257091)



黄河三角洲自然保护区水禽生境适宜性模糊综合评价

朱明畅1，2， 曹铭昌2*①， 汪正祥1*②， 徐海根2， 雷军成2， 吴 翼2， 赵 军3

(1.湖北大学资源环境学院， 武汉 430062； 2.环境保护部 南京环境科学研究所， 南京 210042；3.东营市人民政府办公室， 山东 东营 257091)

基于地理信息系统(GIS)、MaxEnt模型和模糊综合评价法，在2013年～2014年水禽野外调查的基础上，以丹顶鹤(Grusjaponensis)、东方白鹳(Ciconiaboyciana)、大天鹅(Cygnuscygnus)作为指示物种，开展黄河三角洲自然保护区水禽生境适宜性模糊综合评价.MaxEnt模型结果表明：到翅碱蓬滩涂距离、到柽柳-翅碱蓬滩涂距离是影响丹顶鹤越冬生境选择的主要环境变量， 其综合贡献率分别为63.5%和23.3%；到芦苇沼泽距离、到黄河距离是影响东方白鹳繁殖生境选择的主要环境变量，其综合贡献率分别为68.8% 和18.0%；到水源距离、到盐田-虾池距离、到芦苇沼泽距离3个环境变量对大天鹅越冬生境选择有重要影响，其综合贡献率分别为48.4%、21.1%和15.6%.模糊综合评价结果表明：水禽生境“适宜”面积为20 291 hm2，“较适宜”面积为6 103 hm2，分别占保护区陆域面积的17.8%和5.3%，主要集中分布在保护区南部的大汶流管理站和黄河口管理站.空缺分析表明：保护区内存在2个比较明显的保护空缺，即大汶流管理站人工湿地恢复区域、黄河口管理站东南部区域.为有效保护水禽生境，建议加强保护区湿地生境监测、评价和规划，以及对人为干扰活动进行监督和管理.

模糊综合评价； GIS； MaxEnt模型； 生境适宜性； 黄河三角洲自然保护区

湿地是地球上具有重要功能的生态系统和人类最重要的生存环境之一，它不仅为人类的生产、生活提供多种资源，而且有巨大的环境功能和效益，被誉为“地球之肾”[1].同时湿地也是众多野生动植物的重要栖息地之一，鸟类尤其是水鸟是湿地特有的高等生物类群，为湿地中主要的顶级消费者，对湿地环境变化尤为敏感，湿地环境的优劣直接关系到水鸟的繁衍和生存[2-3].近年来，选择鸟类作为指示物种开展湿地生态环境监测和评价逐渐引起了国内外学者的高度重视，并应用到湿地植被评价、湿地生境适宜性评价、湿地生态系统健康评价、湿地生物多样性评价等方面的研究中[4-7].

黄河三角洲自然保护区地处东北亚鸟类迁徙路线喉咽要道，是鸟类重要的迁徙停歇地和越冬地[8].由于地理位置优越、生态环境独特，保护区内的鸟类资源丰富，珍稀濒危鸟类众多，每年吸引丹顶鹤(Grusjaponensis)、灰鹤(Grusgrus)、东方白鹳(Ciconiaboyciana)、大天鹅(Cygnuscygnus)等珍稀濒危鸟类来此繁殖、迁徙和越冬.近年来，随着人工湿地生态恢复工程的实施，保护区已成为我国东方白鹳的主要繁殖地之一，到2011年8月，共有89对东方白鹳成功繁育幼鸟235只[9].同时，黄河三角洲也是我国的重要油气与农业开发基地，我国第二大油田——胜利油田就位于区内.保护区内石油和农业开发活动日益加剧，对区内的水禽及珍稀濒危鸟类的生存和繁衍造成了严重威胁.近年来，国内学者围绕保护区的水禽生境保护开展了诸多研究，例如舒莹等[10]以丹顶鹤为研究对象，对黄河三角洲地区1986年～2001年期间丹顶鹤生境适宜性变化进行了分析和研究，曹铭昌等[11]从多尺度的角度出发，利用生境适宜性模型和GIS技术对保护区丹顶鹤生境适宜性进行了定量评价，段玉宝等[12]则开展了保护区东方白鹳繁殖期巢址选择的研究工作.不难发现，大多数研究均是从单物种保护角度出发，还没有相关研究从多物种角度开展水禽生境保护.保护区内分布有涉禽、游禽、滨海鸟类等多个生态类群，单一物种显然难以反映各生态类群的生境需求，以及保护区湿地生境综合状况及其变化.为此，本研究拟以水禽生境保护为出发点，选择丹顶鹤、东方白鹳、天鹅作为指示物种，利用物种分布预测模型——MaxEnt模型和模糊综合评价方法，并结合GIS 和遥感技术，开展基于多物种的水禽生境适宜性综合评价研究，希冀为保护区水禽生境保护以及功能规划提供指导和基础资料.

1 研究区概况

黄河三角洲国家自然保护区位于中国山东省东营市的黄河入海口，北临渤海，东靠莱州湾.地理坐标为118°33′～119°20′E， 37°35′～38°12′N之间，是以保护黄河口新生湿地生态系统和珍稀、濒危鸟类为主体的国家级自然保护区.下辖黄河口、一千二、大汶流 3 个管理站.据统计，保护区总面积为15.3万hm2，其中核心区面积7.9万hm2，缓冲区1.1万hm2，实验区6.3万hm2.现行黄河入海口在保护区境内，由于黄河每年携带大量泥沙入海，使黄河口每年向海延伸平均达2.2 hm2，年造陆约 32.4 hm2.从而也使黄河三角洲自然保护区的面积在逐年增大，是世界上土地面积自然增长最快的自然保护区之一.保护区内还坐落着我国第二大油田——胜利油田，区域资源的开发(干扰)强度逐年增大，再加上近年来黄河流量锐减，对保护区内的水禽生境影响很大.

2 材料与方法

2.1 指示物种选取

在综合考虑数据的可获取性和专家咨询的基础上，依据李晓文等[13]的指示种标准，选取丹顶鹤、东方白鹳、大天鹅作为指示物种.这3个物种均是保护区主要的保护物种，对湿地环境变化和植被演替较为敏感.同时，3个物种的生物学特征及对生境的需求也不相同，丹顶鹤为大型涉禽，主要生境类型为沿海滩涂湿地和芦苇沼泽，且偏好选择植被覆盖率低、人类干扰较小、有浅水水域分布的地点觅食或栖息[10-11].东方白鹳虽也为大型涉禽，但更偏好选择在芦苇沼泽湿地和宽阔明水面中觅食或栖息，繁殖期则选择在芦苇沼泽中的电线杆上筑巢[12].大天鹅为游禽，主要生境类型为大型深水区域，且喜欢选择植被种类较少、水较深、所在水域面积较大、隐蔽和安全等级较高的水域活动[14].

2.2 水禽分布数据

2014年3～7月，保护区管理人员对保护区3个管理站的东方白鹳繁殖巢址分布及周边觅食生境状况进行了全面调查，共采集到49个东方白鹳繁殖巢址分布点.2013年1月及2014年1月、3月作者对保护区丹顶鹤和天鹅越冬期的觅食生境进行了3次调查.调查采用路线调查法和定点观察法，共采集到75个丹顶鹤觅食分布点，46个天鹅觅食分布点.

2.3 环境数据

2.3.1 环境变量的选择 参照前人对丹顶鹤[10-11]，东方白鹳[9，12]和大天鹅[14]的研究，综合考虑3个指示物种的生境需求和野外观测的实际情况，分别选择到翅碱蓬滩涂距离、到柽柳-翅碱蓬滩涂距离、到芦苇沼泽、到农田距离、到潮沟距离、到水源距离、到道路距离、到油井距离作为丹顶鹤MaxEnt模型的环境变量；到芦苇沼泽距离、到翅碱蓬滩涂距离、到农田距离、到芦苇草甸距离、到水源距离、到黄河距离、到道路距离、到油井距离作为东方白鹳MaxEnt模型的环境变量；到芦苇沼泽距离、到盐田虾池距离、到黄河距离、到农田距离、到潮沟距离、到水源距离、到道路距离、到油井距离作为大天鹅MaxEnt模型的环境变量.

2.3.2 环境变量的筛选 由于变量之间多重共线性会影响到MaxEnt模型预测结果的准确性，需对预测变量进行筛选.本研究选用SPSS软件对环境变量进行相关性检验，Fielding[15]建议两个环境变量之间的Spearman秩相关系数不超过0.7.我们应用更为严格的标准， 将此值设为0.5.如果超过0.5， 则去除对水禽分布影响较小的环境变量.例如，到潮沟距离和到黄河距离之间的Spearman秩相关系数大于0.5，考虑到潮沟是丹顶鹤主要利用的生境类型， 则去除到黄河距离.经过筛选，进入3个指示物种MaxEnt模型的环境变量选取如下(表1).

表1 进入MaxEnt模型的环境变量

2.3.2 数据来源及处理 利用遥感影像来提取相关环境变量信息，所用遥感影像为1景2013年5月30日的Landsat 8数据，经过影像融合处理后，分辨率为15m×15m.在实地调查的基础上，采用监督分类和非监督分类相结合的方法，辅以人工目视解译，对保护区进行植被分类，生成2013年保护区植被分布图，经实地验证，解译准确率在90%以上，能够满足研究需求.主要植被类型包括：林地、柽柳灌丛、芦苇草甸、互花米草草甸、芦苇沼泽、翅碱蓬滩涂、柽柳-翅碱蓬滩涂、光滩、盐田虾池、农田等10类.水分变量包括：到水源的距离、到黄河的距离、到潮沟的距离.水源在Erdas9.2中进行监督分类提取，黄河、潮沟在ArcMap 9.3中进行目视解译并结合实地调查提取.干扰变量：包括到油井的距离、到道路的距离.干扰变量在ArcMap9.3中进行目视解译并结合实地调查提取.所有信息提取完毕后， 均转化为15 m×15 m的ASCII数据统一存储和管理.

2.4 MaxEnt模型

MaxEnt模型是一种基于最大熵理论的生态位预测模型，预测结果优于其他预测模型[16-17].为此，本研究采用MaxEnt模型来预测物种在研究区的潜在适宜生境，采用Jackknife法检验环境变量对物种分布的重要性，该方法依次忽略1个环境变量，重建基于剩余环境变量的模型来检验该环境变量在生成物种潜在分布区时的作用大小.MaxEnt模型用ROC曲线(受试者工作特征曲线)下面积(Area Under Curve， AUC)对MaxEnt模型的精度进行评价，AUC值越大，表示模型预测精度越高[18].

将丹顶鹤、东方白鹳和大天鹅分布数据和环境数据分别导入MaxEnt模型，随机选取25%的分布点作为测试集(test data)，剩余的作为训练集(training data)，其他参数为模型默认值，输出结果为0～1之间的连续栅格数据.采取自然断点方法[19]将适宜性等级分为3级(不适宜、较适宜、适宜).将分级结果导入ArcMap9.3后可分别得到丹顶鹤、东方白鹳、大天鹅在保护区内的生境适宜性分布图.

2.5 水禽生境的模糊综合评价方法

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法，是目前多指标综合评价实践中应用最广的方法之一.近年来，该方法已经在环境评价、生境评价、地质评价等众多领域得到大量应用[20-24].本研究选用此方法并结合GIS技术进行基于多物种的水禽生境适宜性综合评价.

2.5.1 建立评价指标集 建立评价指标集U={u1，u2，u3，…，ui}，本研究是对丹顶鹤、东方白鹳、大天鹅3种水禽的生境适宜性进行模糊综合评价，因此评价指标是MaxEnt模型计算得到3种水禽的生境适宜性值.

2.5.2 建立评价指标隶属函数 模糊综合评价的关键是隶属度的计算，本研究采用分级法来评定隶属度模糊矩阵，将丹顶鹤、东方白鹳、大天鹅生境适宜性分为3级：即{不适宜(V1)、较适宜(V2)、适宜(V3)}，通过统计各栅格数据层的标准差与平均值来确定等级划分间隔值，取标准差与均值的最小值作为栅格数据模糊子集分级的间隔值[25](表2)，采用降半梯形隶属函数计算隶属度[26-27].设uiVj表示评价指标ui对评语等级Vj的隶属程度，则隶属度函数如公式(1)，(2)，(3)所示，其中d1、d2、d3表示生境适宜性分级间隔点.

表2 间隔点设置

(1)

(2)

(3)

2.5.3 确定评价指标权重 根据阎传海的权重确定方法[28]，比较每一植被类型与大型水域对任意两个物种的重要性大小，当某个植被类型相对一个物种来说，其重要程度远大于另一个物种时，给3分；相对重要者给2分；不重要者给1分.每一物种得分之和与各物种得分之和的比值即为该物种的权重.权重值设置方法如表3所示，权重确定结果如表4所示.

表3 权重值设置——以翅碱蓬滩涂为例

表4 评价指标权重值

2.5.4 模糊综合评价 采用徐明德等[29]模糊综合评价方法，在ArcMap9.3的栅格计算器里编程计算每个评价指标相对于不同级别评价标准的隶属度函数，然后加权叠加得到不适宜、较适宜、适宜3个级别的隶属度图层.根据模糊综合评价的最大隶属度原则，通过编程在栅格计算器中确定各栅格单元的最大隶属度，最后得到各栅格单元标记的等级即为该单元的生境适宜性的等级.

3 研究结果

3.1 MaxEnt模型预测结果

3.1.1 丹顶鹤预测结果 训练集和验证集的AUC值分别为0.983和0.987，表明MaxEnt模型预测结果非常好.Jackknife检验结果显示：到翅碱蓬距离、到柽柳-翅碱蓬距离、到潮沟距离是影响丹顶鹤生境选择的主要环境变量.环境变量对模型综合贡献值表明，到翅碱蓬距离、到柽柳-翅碱蓬距离2个环境变量对丹顶鹤生境选择有重要影响， 其综合贡献值分别为63.5%和23.3%.到潮沟距离、到农田距离、到道路距离、到油井距离对丹顶鹤生境选择的影响相对较小(表5).

根据自然断点法，丹顶鹤适宜生境分级标准为：适生值<0.127(不适宜)；0.127≤适生值≤0.304(较适宜)；适生值>0.304(适宜).结果表明：丹顶鹤在保护区的“适宜”生境面积为15 341hm2，“较适宜”生境面积为11 300hm2，分别占保护区陆域面积的13.4%和9.9%.“适宜”和“较适宜”生境大部分分布在保护区大汶流管理站以及黄河口管理站的黄河两岸区域，部分分布在一千二管理站南部区域(图1).

表5 环境变量对指示物种生境适宜性的贡献率

3.1.2 东方白鹳预测结果 训练集和验证集的AUC值分别为0.996和0.995，表明MaxEnt模型预测结果非常好.Jackknife检验结果显示：到芦苇沼泽距离、到芦苇草甸距离、到黄河距离是影响东方白鹳繁殖生境选择的主要环境变量.环境变量对模型综合贡献值表明， 到芦苇沼泽距离、到黄河距离对东方白鹳生境选择有重要影响，其综合贡献值分别为68.8%、18.0%，到芦苇草甸距离，到翅碱蓬滩涂距离、到道路距离、到油井距离等变量对东方白鹳生境选择的影响相对较小(表5).根据自然断点法，东方白鹳适宜生境分级标准为：适生值<0.110(不适宜)；0.110≤适生值≤0.302(较适宜)；适生值>0.302(适宜).结果表明：东方白鹳繁殖期在保护区的“适宜”生境面积为2 735hm2，“较适宜”生境面积为2 822hm2，分别占保护区陆域面积的2.4%和2.5%.“适宜”和“较适宜”生境大部分分布在保护区大汶流管理站的核心区以及黄河口管理站的黄河北岸区域，而北边的一千二管理站则没有分布(图2).

图1 黄河三角洲自然保护区丹顶鹤生境适宜性分布图Fig.1 Habitat suitability map of Grus japonensis in the Yellow River Delta Nature Reserve

图2 黄河三角洲自然保护区东方白鹳生境适宜性分布图Fig.2 Habitat suitability map of Ciconia boyciana in the Yellow River Delta Nature Reserve

3.1.3 大天鹅预测结果 训练集和验证集的AUC值分别为0.984和0.973，表明MaxEnt模型预测结果非常好.Jackknife检验结果显示：到水源距离、到盐田虾池距离、到芦苇沼泽距离是影响大天鹅生境选择的主要环境变量.环境变量对模型综合贡献值表明(图5)，到水源距离、到盐田虾池距离、到芦苇沼泽距离3个环境变量对大天鹅生境选择有重要影响， 其综合贡献值分别为48.4%、21.1%和15.6%，到道路距离、到黄河距离、到油井距离对大天鹅生境选择的影响相对较小(表5).根据自然断点法，东方白鹳适宜生境分级标准为：适生值<0.130(不适宜)；0.130≤适生值≤0.317(较适宜)；适生值>0.317(适宜).结果表明(图3)：大天鹅在保护区的“适宜”生境面积为12 786hm2，“较适宜”生境面积为9 627hm2，分别占保护区陆域面积的11.2%和8.4%.“适宜”和“较适宜”生境大部分分布在大水面区域，尤其是一千二管理站的黄河故道及周边区域，以及大汶流管理站核心区的人工湿地恢复水域.

图3 黄河三角洲自然保护区大天鹅生境适宜性分布图Fig.3 Habitat suitability map of Cygnus cygnus in the Yellow River Delta Nature Reserve

3.2 模糊综合评价结果

根据每个栅格单元标记的生境适宜性等级，可以得到保护区丹顶鹤、东方白鹳、大天鹅生境适宜性模糊综合评价结果(图4).结果表明：保护区内水禽 “适宜”生境的面积是20 291hm2，“较适宜”生境的面积是6 103hm2，分别占保护区陆域面积的17.8%和5.3%.水禽“适宜”与“较适宜”生境面积大部分集中在保护区南部，其中南部“适宜”生境面积为15 042hm2，占保护区“适宜”生境面积的74.1%；南部“较适宜”生境面积为4 629hm2，占保护区“较适宜”生境面积的75.8%.

将水禽生境适宜性模糊综合评价图与保护区功能区划图叠加，通过ArcMap9.3栅格计算器计算，结果表明：核心区内水禽“适宜”与“较适宜”生境面积达到3 640hm2，占保护区“适宜”与“较适宜” 生境面积的13.7%，占核心区总面积的10.1%.缓冲区内水禽“适宜”与“较适宜”生境面积达到4 273hm2，占保护区“适宜”与“较适宜”生境面积的16.1%，占缓冲区总面积的48.1%.大部分水禽“适宜”与“较适宜”生境分布在核心区外.从图4中可以看出，保护区内存在2个明显的保护空缺，即大汶流管理站人工湿地生态恢复区、黄河口管理站东南部区域.

图4 黄河三角洲自然保护区水禽生境适宜性模糊综合评价图Fig.4 Fuzzy synthetic evaluation map of the waterfowl habitat suitability in the Yellow River Delta Nature Reserve

4 讨论与建议

湿地水禽生境保护研究是近年来研究的热点之一，学者们运用不同方法开展了黄河三角洲自然保护区内单物种的水禽生境保护研究，曹铭昌等[11]基于多尺度模型对保护区内丹顶鹤生境进行适宜性评价，结果表明丹顶鹤适宜生境占保护区陆域面积的25%以上，且大部分集中在保护区南部.王立冬[9]通过对保护区内繁殖期东方白鹳的研究发现，东方白鹳喜好食物丰富而且生态环境比较优越的芦苇沼泽，且巢址主要集中在大汶流管理站人工湿地恢复区.本研究MaxEnt模型预测结果与上述研究结果基本一致.同时，MaxEnt模型结果显示3种指示物种的AUC值都超过了0.970，因此预测结果具有较高的可信度与参考价值.

模糊综合评价方法在湿地鸟类生境适宜性评价中也取得了比较好的结果.杞银凤等[30]选用游禽、涉禽及保护物种作为评价指标，运用模糊综合评价法对拉市海湿地恢复效益进行综合评判.邱观华等[31]根据甘肃敦煌西湖国家自然保护区的湿地鸟类调查种类和数量数据，运用模糊综合评判法对敦煌西湖湿地鸟类栖息地重要性进行评价.但这些研究没有实现评价结果空间化.本研究利用GIS的空间运算，将评价结果落实到每个栅格，清晰展示评价结果的空间差异，使评价结果较为合理可信.

在本研究的MaxEnt模型结果中可以看出，距道路距离和距油井距离对水禽生境分布起负面影响，一定程度上验证了油田开发所带来的道路建设、油井建设等人为干扰活动已影响到水禽的生境选择.为有效保护水禽栖息地，建议在保护过程中做好以下几点：1)加强湿地和水禽生境监测.利用地面调查、定点观测和遥感等多种手段对保护区内的湿地进行动态监测，为保护区的湿地规划和管理提供科学依据.2)加强对保护区现有湿地和水禽生境的规划和管理.本研究模糊综合评价结果显示大部分水禽适宜生境分布在核心区外，建议及时调整保护区规划，重新划分核心区、缓冲区和实验区.3)封闭管理，降低干扰.在水禽觅食和繁殖的区域加强管理，尤其是大汶流管理站人工湿地恢复等核心区域，尽可能实行封闭管理，减少人为干扰的影响.

致谢： 野外工作中得到了黄河三角洲国家级自然保护区刘月良总工、单凯老师以及辽宁大学李东来老师的大力支持与帮助，谨致谢意!

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Fuzzy evaluation of waterfowl habitat suitability at the Yellow River Delta Nature Reserve

ZHU Mingchang1，2， CAO Mingchang2， WANG Zhengxiang1， XU Haigen2，LEI Juncheng2， WU Yi2， ZHAO Jun3

(1.School of Resources and Environment， Hubei University， Wuhan 430062；2. Nanjing Institute of Environmental Sciences， Ministry of Environmental Protection， Nanjing 210042；3.Office of Dongying Municipal Government， Dongying， Shandong 257091)Abstract: MaxEnt model method， fuzzy evaluation method， and geographic information systems (GIS) were employed to perform a fuzzy evaluation of the waterfowl habitat suitability at Yellow River Delta Nature Reserve(YRDNR) on the basis of 2013-2014 waterfowl field investigation. Red-crowned crane(Grusjaponensis)，oriental white stork(Ciconiaboyciana) and whooper swan(Cygnuscygnus) were selected as indicator species. Results of MaxEnt analysis showed that the distance to saline seepweed tidal flats and distance to Chinese tamarisk-saline seepweed tidal flats were the main factors influencing habitat selection of red-crowned crane， with a contribution of 63.5% and 23.3%， respectively. The distance to reed swamp and distance to Yellow River had the greatest effect on habitat selection of Oriental White Stork， with a contribution of 68.8% and 18.0%， respectively. The distance to water sources， distance to salt pan-shrimp pond and distance to reed swamp had the greatest effects on habitat selection of Whooper Swan， with a contribution of 48.4%， 21.1% and 15.6%， respectively. Results of fuzzy evaluation showed that waterfowl suitable habitat area and subordinate suitable habitat area were 20 291 hm2and 6 103 hm2， which occupied 17.8% and 5.3% of the reserve land area， mainly distributed in Dawenliu and Huanghekou Station. Gap analysis showed that the wetland restoration region of the Dawenliu Station and southeast of the Huanghekou Station were two main gap areas for waterfowl protection in YRDNR. For effective protection of waterfowl habitats in YRDNR， we suggest that wetland monitoring， assessment， planning should be strengthened and human disturbance should be under surveillance．

fuzzy evaluation; GIS; MaxEnt model; habitat suitability; the Yellow River Delta Nature Reserve

2014-11-14.

国家自然科学基金项目(41101424,41471041)；江苏省自然科学基金项目(BK2011083).

1000-1190(2015)02-0287-08

F205; X826

A

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