赵晓冏,汪桂生,孟浩贤,孙旭伟
(1.甘肃省环境科学设计研究院,甘肃兰州 730020;2.安徽理工大学测绘学院,安徽淮南 232001)
甘肃省博峪河自然保护区大熊猫潜在生境适宜性评价
赵晓冏1,汪桂生2,孟浩贤1,孙旭伟1
(1.甘肃省环境科学设计研究院,甘肃兰州 730020;2.安徽理工大学测绘学院,安徽淮南 232001)
以博峪河省级自然保护区为研究对象,根据2011年、2012年两期遥感影像数据,结合野外调查数据,在GIS和RS技术支持下,选取与大熊猫生境相关的7个影响因子,从大熊猫潜在生境和人类活动影响下的生境等方面分析了生境的变化特征,探讨该自然保护区的大熊猫生境适宜性.结果表明,在不考虑人类活动的情况下,保护区内大熊猫生境不适宜区域面积比例为23.22%,适宜区域面积比例为19.02%,较适宜区域面积比例为46.69%;考虑人类活动的影响,保护区内大熊猫生境不适宜区域面积比例为23.63%,适宜区域面积比例为19%,较适宜区域面积比例为46.67%.与不考虑人类活动的影响相比,不适宜区域面积比例从23.22%上升到23.63%,适宜区域面积比例从19.02%下降到19.00%,受人类活动影响后转变为不适宜生境的面积达到36.96 km2,人类活动对大熊猫生境的影响比较明显.
GIS;生境适宜性;大熊猫;自然保护区;人类活动
动物生境通常由生物因子和非生物因子决定,换句话说,生境是动物物种所必须的所有环境因子的总和,包括海拔高度、坡度、坡向、食物资源、水源等.这些因子的相互作用对大熊猫的生存产生很大影响,因此也可作为有效保护和管理大熊猫种群的一种生境评价方法[1].此外,大熊猫生境评价的关键是讨论大熊猫种群是如何快速减少的,以及从生境特征、破碎度和分离度等方面解释其减少的原因[2].
早在20世纪60年代末,国内学者就通过野外定点观测和模型模拟等方法获取了野生动物的生境适宜性数据,但上述方法得到的数据在时效性和结果的可靠性上都有很大的局限[3].近年来,国内外学者逐渐采用3S技术研究动物生境,主要研究动物栖息地生态环境状况、有效保护和开发动植物资源等[4-7].大熊猫是我国特有的珍稀野生动物,20世纪70年代以来,学者们采用野外调查方法,对大熊猫生境的选择和恢复进行了广泛研究[8-12].随着3S技术的推广应用,利用其进行大熊猫生境评价已经成为新的研究热点,不同学者利用GIS空间分析方法研究了大熊猫生境质量、布局与功能区优化,并评价了生境的适宜性,研究区域集中在秦岭和卧龙保护区一带的大熊猫重要栖息地[13-16].然而,针对博峪河自然保护区大熊猫生境的研究还是空白.
博峪河自然保护区是岷山山系大熊猫至关重要的栖息地带,它位于岷山北部和中部的过渡地带,将这两个区域的大熊猫栖息地和潜在栖息地以及彼此不连通的大熊猫分布区连接成为一体.文中结合博峪河自然保护区遥感影像和野外调查数据,研究了该保护区大熊猫潜在生境以及受人类活动影响下的生境适宜性变化特征,可为今后该保护区乃至其他大熊猫生存区域的生境研究和保护提供参考.
1.1 研究区概况
博峪河省级自然保护区地处甘肃省南部的甘南藏族自治州舟曲县博峪乡,东北与舟曲林业局的沙滩林场、茶岗林场、铁坝林场接壤,南与中路河林场相接,西与四川省九寨沟相邻,地理坐标为东经104° 09′ 23″~104°29′36″,北纬33°20′10″~33°34′50″(图1).该保护区面积为443.30 km2,其中核心区面积为204.87 km2,缓冲区面积为200.36 km2,实验区面积为210.24 km2.
图1 博峪河自然保护区地理位置
该保护区建立时间为2006年11月21日,2008年12月31日对保护区进行了调整.保护区现由博峪河自然保护区管理局管理,隶属于甘肃省林业厅.博峪河自然保护区主要保护对象为大熊猫及其生境.
1.2 数据来源
1.2.1 大熊猫分布数据 数据为2012年7月、10月在博峪河保护区的大熊猫野外观测数据,并参考了白水江林业局对大熊猫的调查数据.文中对大熊猫的野外观测以路线调查为主,定点观测为辅.研究期间课题组对核心区、缓冲区和实验区内大熊猫可能的活动区域进行了线路调查,收集大熊猫粪便、毛发、足迹等活动痕迹数据,经综合分析上述数据后,整合得到保护区内大熊猫栖息地的点状分布图(图2).
图2 博峪河自然保护区大熊猫活动足迹分布
1.2.2 地理环境数据 本研究中所用到的遥感影像有Landsat TM和SPOT影像.其中Landsat TM影像从中国科学院地理空间数据云网站下载得到,选取2011年8月5日的影像.从商业网站购买2012年9月7日的SPOT-5影像.数字高程数据(DEM)从中国科学院地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/)下载得到,像元大小30 m×30 m,高程精度为20 m,水平精度30 m(置信度95%).保护区边界根据2010年该保护区区划图数字化获得,数字化面积误差控制在6%以下.
1.3 数据处理
利用遥感影像提取相关环境因子信息.① 对Landsat TM和SPOT影像进行几何校正,校正误差满足研究需要.② 对影像进行解译,以野外调查资料为基础,在ENVI软件支持下,采用监督分类辅助以目视解译修正的方法,对Landsat TM影像进行解译,获得了保护区植被类型图、土地利用图.同时参照保护区SPOT-5影像、1∶50 000地形图,获取了反映保护区内与人类活动相关的道路、居民点数据.③ 利用DEM 计算保护区内的坡度并提取坡向.
2.1 生境因子选择
在实际研究工作中,基于一系列步骤[17]的生境评价方法会随着评价目的和数据集的不同而有很大的差异[2,18-19].目前相关研究选择影响大熊猫生境适宜性指标,通常都以大熊猫的生境条件、区域自然条件与人类活动特征为依据.事实上,大熊猫的生境受自然条件、人类活动的多种要素共同交错作用,全面选取生境指标有一定难度.一般而言,大熊猫的生境与坡度、海拔以及其主要食物来源竹子分布密切相关[18].本研究在考虑海拔、坡度和竹子分布3个因子的基础上,还考虑了坡向、水源,以此来定义博峪河保护区的潜在生境.
在众多的生境因子中,海拔高度极大程度上限制了大熊猫的活动范围和觅食能力.对于同一区域而言,大熊猫活动海拔下限随人为活动类型和扰动强度的变化而变化[20-21].由于大熊猫行动迟缓,对地形和坡度较为敏感,坡度也是制约大熊猫活动范围的重要地形因子[22].随着坡度的增加,大熊猫行动和觅食将会越来越困难.从坡度来看,大熊猫适宜生活在坡度小于45°的地区.而坡向对大熊猫的影响相对较小.大熊猫多活动于阳坡或半阴半阳坡面上,不适宜生存于西北坡和北坡,其他坡向均适宜大熊猫生存[23-24].由于竹子(本研究中采用植被类型的分布)是大熊猫的食物基础,故它是大熊猫的生存必须的因子.众所周知,水源对大熊猫是不可或缺的,大熊猫多生活于水源地周边,适宜栖息地一般在距水源地100 m内,而不适宜栖息地在600 m外[18].
2.2 单一因子的评价
本研究中选择了海拔、坡度、坡向、植被类型和水源等因子来评价博峪河省级自然保护区大熊猫的潜在生境,建立如表1的生境评价因子.根据适宜性的不同,将海拔、坡度、坡向、距离水源的距离以及植被类型重分类为4类:适宜、较适宜、一般、不适宜.并分别赋值为1,3,5,10(表1).
表1 博峪河自然保护区生境评价影响因子准则
2.3 大熊猫潜在生境评价
本研究首先利用层次分析法软件YAAHP,对影响生境评价的5个影响因子进行评分、计算权重,然后在ArcGIS支持下对5个因子加权叠加计算,对计算所得的图层重分类,分为4类:适宜、较适宜、一般、不适宜.最后获得该区域大熊猫潜在生境适宜性分布图.
生境评价单元是动物生境适宜性评价的基本单位,潜在生境适宜性评价结果是以每个评价单元生境适宜性综合计算来体现生境综合适宜性的空间分布[25].研究所选取的遥感数据像元分辨率决定了评价单元大小,因此,文中通过确定的评价30 m×30 m的单元大小,对该保护区大熊猫潜适宜生境做定量研究.大熊猫潜在生境评价基于表2中的每个单因子的评价结果,本研究中,博峪河保护区大熊猫潜在生境的适宜性计算根据文中建立的评价矩阵运算规则通过IDL语言编程获得.
博峪河保护区大熊猫潜在生境适宜性评价矩阵为
其中,A为海拔-坡度适宜性矩阵;B为坡向-海拔-坡度适宜性矩阵;C为河流-坡向-海拔-坡度适宜性矩阵;D为潜在生境适宜性矩阵.
2.4 人类活动影响下的生境评价
人类活动对大熊猫潜在生境影响较大.在本研究中以居民点和道路作为博峪河保护区的关键人类活动因子.文中以潜在生境与道路和居民点的不同距离,基于表2评价人类活动的影响程度,包括居民点的影响(J)、道路的影响(R).
表2 生境评价影响因子准则
人类活动的影响(H)评价计算公式为[26]115
H=Max{J,R},
其中,H为人类活动对大熊猫潜在生境的影响;J为居民点的影响;R为道路的影响.
基于人类活动影响评价结果和潜在生境评价结果,本研究通过表3所示的规则计算在人类活动影响下大熊猫潜在生境的评价结果.
表3 人类活动影响下的潜在生境适宜性准则分值
3.1 单因子生境评价结果
3.1.1 海拔 从本研究区大熊猫生境海拔来看,大熊猫活动的下限是1 567 m,上限是3 100 m.从生境适宜性分布区域上来看,适宜区域主要分布在保护区南段,北段分布较少;不适宜区域主要分布在保护区北段.由表4可知,从生境适宜性面积上看,除不适宜生境外,适宜生境面积占该保护区面积的73%以上,其中较适宜区域分布面积最大,面积比例达到48.90%;其次是适宜区域,面积比例为20.51%;一般区域面积比例仅为3.84%.
表4 研究区海拔因子分级
3.1.2 坡向 大熊猫多喜好生活在阳坡,而不喜欢生活于阴坡(北坡、西北坡),除此之外,东坡、西坡、东北坡也都是大熊猫喜好生活之地.从表5可知,该区域内东坡、西坡、东北坡所占面积比例最大,其次为东南坡、西南坡,而南坡、平地所占面积比例最小.扣除不适宜区域,该区域适宜大熊猫生存的总面积比例达到76.52%.其中一般区域面积最大,面积比例达到35.83%;其次是较适宜区域,面积比例为26.10%;适宜区所占区面积最小,比例为14.60%.
表5 研究区坡向因子分级
3.1.3 坡度 大熊猫主要在中、缓坡上活动,从坡度因子评价结果看,博峪河保护区适合大熊猫生存的区域分布很广泛,主要分布在保护区北段,南段适宜大熊猫生存的区域面积较小.从表6可以看出,从坡度因子考虑,研究区大熊猫不适宜生存的面积较小,面积比例仅为1.22%;适合大熊猫生存的总面积比例达到98.78%,其中较适宜区域所占面积最大,比例达到64.31%;其次是一般适宜区域,面积比例为14.95%;适宜区域面积比例为19.52%.
表6 研究区坡度因子分级
3.1.4 河流 水是维持大熊猫生存不可或缺的物质之一.因此,大熊猫趋于生活于距离水源近的生境.该保护区河流水系相对较发达,适宜大熊猫生存的区域也较大.其中不适宜区域所占面积比例最大,为62.43%;其次是一般适宜区域,面积比例为19.45%;较适宜区域面积比例为12.81%;适宜区域面积所占比例很小,仅为6.33%.
表7 研究区河流因子分级
3.1.5 植被类型 大熊猫选择栖息地的植被类型以针阔混交林和针叶林最多,其次是常绿阔叶林、落叶阔叶林,而很少喜欢活动于灌丛中,不适宜生存于草甸、耕地等处.从植被类型因子评价结果得知,保护区西段绝大部分地区不适宜大熊猫生存,中段和东段大熊猫栖息地的适宜性较好.从表8可以看出,整个保护区适合大熊猫生存植被类型面积比例为65.35%,其中一般适宜区域面积所占比例最大,为46.88%;其次为适宜区域,面积比例为19.04%;较适宜区域面积比例为0.01%.
表8 研究区的植被类型分级
3.2 潜在生境评价结果
从层次分析法获得的各指标权重可知,按照重要影响因子的程度排序为植被类型(0.347 8)、海拔(0.151 6)、水源(0.102 8)、坡向(0.064 6)、坡度(0.0302).
从大熊猫潜在生境适宜性评价结果可以看出,该区域大部分地方适宜大熊猫生存.从生境适宜性空间分布来看(图3),适宜大熊猫生存的区域主要分布在保护区中段和北段,不适宜大熊猫生存的区域主要分布在保护区南段,这些区域适合大熊猫的食物较少,再加上坡度、坡向的限制,其潜在适宜生境面积必然较小.评价结果表明,保护区内大熊猫生境不适宜区域面积为149.664 km2,面积比例为23.22%;适宜区域面积为71.352 9 km2,面积比例为19.02%;较适宜区域面积最大,达到300.87 km2,面积比例为46.69%;而一般适宜区域面积最小,为71.35 km2,面积比例仅为11.07%.
图3 研究区大熊猫潜在生境适宜性评价
3.3 人类活动对生境的影响
图4和表9是居民点和道路对生境的影响评价结果.从图4(a)可以看出,保护区内道路分布较广,大多为东西走向.从表9可以看出,道路对生境没有影响的区域占到保护区面积的59.01%;而而保护区中居民点相对较小,多集中在保护区南部,居民点对生境没有影响的区域占到保护区面积的91.92%.在总的影响中,对生境没有影响的区域所占比例下降到57.87%.
图4 博峪河自然保护区人类活动的影响分布
适宜性影响强烈影响一般影响较弱没有影响道路距离/m<100100~500500~1000>1000面积/km22976111351275238676百分比/%454169919465901居民点距离/m<500500~800800~1000>1000面积/km21408402087901802406028190百分比/%2153182759192道路和居民点的总影响面积/km2404271112784012231803785450百分比/%618172418705787
图5是在居民点和道路等人类活动影响下的大熊猫潜在生境评价结果.从图5可以看出,适宜大熊猫生存的区域主要分布在保护区中段和北段,结合保护区的功能区划,可以明显看出适宜生境多位于核心区地带;不适宜大熊猫生存的区域主要分布在保护区南段,面积较大,且呈连片状,这些区域人类活动较频繁,对大熊猫的生境干扰较大,生境破碎度较大.结果表明,保护区内大熊猫生境不适宜区域面积为152.272 km2,比例为23.63%;适宜区域面积为122.48 km2,比例为19%;较适宜区域占保护区总面积的46.67%.与不考虑人类活动的影响相比,不适宜区域面积从149.664 km2增加到152.272 km2,比例从23.22%上升到23.63%,适宜区域面积从71.352 9 km2减少到68.987 km2,比例从19.02%下降到了19.0%.为了清楚地看出叠加了人类活动后的生境的变化范围,将人类活动影响前后的生境适宜性图叠加(图6),图中颜色表示生境转变为不适宜的区域.南段由于受人类活动的影响较明显,生境受影响范围较大,经过统计,受人类活动影响后转变为不适宜生境的面积为36.96 km2.从生境受影响范围和面积来看,人类活动对大熊猫生境的影响比较大.
图5 人类活动影响下的大熊猫潜在生境评价
图6 人类活动影响下的大熊猫生境变化
文中基于遥感方法得出的大熊猫潜在生境状况与实际调查的生境状况有一定的偏差,究其原因在于:
1)影响大熊猫生境质量的各类环境因子较多,文中为了便于遥感技术的应用,仅仅将海拔、坡度、坡向、河流等地理环境因子和植被类型等生物因子纳入了评价体系,而像阐述大熊猫食物资源的竹子等的群落结构的生物因子,无法通过遥感的手段描绘出来,因而在本研究中不予考虑.
2)食物资源的分布是决定大熊猫生境评价结果的关键因子,但由于该保护区成立时间较短,且保护区技术人员不足,导致对保护区内大熊猫食物资源分布状况的全面研究尚未展开,因而文中采用植被类型中的针叶林、针阔叶混交林的分布作为大熊猫食物资源的大致分布范围,这样可能会使大熊猫生境范围扩大.
3)遥感数据的精度对评价大熊猫生境有一定的影响,如一些较小范围的林木砍伐、农业活动等人类活动在影像上无法有效地辨识出来.
在不考虑人类活动影响的情况下,保护区内大熊猫生境不适宜区域面积比例为23.22%;适宜区域占保护区总面积的19.02%;较适宜区域面积最大,达到300.875 km2,比例为46.69%;而一般适宜区域面积最小,仅为71.35 km2,比例为11.07%.在考虑人类活动影响的情况下,保护区内大熊猫生境不适宜区域面积比例为23.63%;适宜区域面积比例为19.0%;较适宜区域面积比例为46.67%.与不考虑人类活动的影响相比,不适宜区域面积比例从23.22%上升到23.63%,而适宜区域面积比例从19.02%下降到19.0%.受人类活动影响后转变为不适宜生境的面积为36.96 km2.从生境受影响范围和面积来看,今后大熊猫生境和种群的保护和管理中,在巩固已有生态环境保护成果的基础上,应尽可能降低人类活动的影响.
为加强对保护区大熊猫的保护,建议从以下方面对大熊猫生境进行合理有效的建设与保护:① 加大保护区资金投入力度和相关技术人员的配备,根据大熊猫生境合理划定保护区范围,将大熊猫生境集中分布区都纳入到保护区范围内,进行有效保护;② 恢复人类活动干扰较严重的区域,将受人类活动破坏而阻隔的生境连通起来,加强不同生境间大熊猫种群的交流;③ 建立和完善保护区相关法规制度,严格控制海拔1 567~3 100 m的人类活动对大熊猫生境的影响.
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(责任编辑 惠松骐)
The potential habitat assessment of giant pandas at the Boyu River Nature Reserve,Gansu Province
ZHAO Xiao-jiong1,WANG Gui-sheng2,MENG Hao-xian1,SUN Xu-wei1
(1.Gansu Academy of Environmental Sceince,Lanzhou 730020,Gansu,China;2.School of Geodesy and Geomatics,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,Anhui,China)
Nature reserve information of Boyu River is extracted from Landsat TM(2011) and SPOT(2012) images with supervised classification.In this research,using GIS and RS technology,and combining with field investigation results,we choose seven impact factors.Then the habitat suitability in Boyu River is analyzed and assessed.The results show that without considering the human activities the“unsuitable”potential habitat only occupy 23.22% of the total area.The area of“suitable”habitat occupy 19.02% of the whole reserve.The area of“more suitable area”occupy 46.69% of the total area.When we consider the impact of residences and roads,the proportion of“unsuitable”area increases to 23.63%.The percentage of“suitable”habitat decreases from 19.02% to 19.0% of the total area.In the future,one way of protecting the habitat and the giant panda population is to reduce human activities as much as possible.
GIS;habitat suitability;giant panda;nuture reserve;human activity
10.16783/j.cnki.nwnuz.2016.06.019
2015-09-21;修改稿收到日期:2015-11-12
甘肃省青年科技基金资助项目(1506RJYA154);环保部环保公益类项目(2012015)
赵晓冏(1986—),男,甘肃武威人,工程师,硕士.主要研究方向为生态环境遥感.
E-mail:379458923@qq.com
Q 16
A
1001-988Ⅹ(2016)06-0103-08