松嫩平原苍鹭秋季栖息地选择及适宜性分布

孙雪莹,李祎斌,吴庆明, *,徐 卓,2,高晓冬,李玉春,柳 旭,邹红菲,李晓民

1 东北林业大学野生动物与自然保护地学院,哈尔滨 150040

2 黑龙江扎龙国家级自然保护区管理局,齐齐哈尔 161000

3 曲阜师范大学生命科学学院,曲阜 273165

4 烟台市森林资源监测保护服务中心,烟台 264001

5 黑龙江省宝清东升自然保护区管理局,宝清 155600

栖息地是指野生动物的生存环境空间,这一空间可为野生动物提供完成生活史过程所需要的所有生物与非生物需求,所有这些需求都关系着野生动物的生存繁衍与种群延续,不仅有宏生境层面数量的配置供给,更有微生境层面质量的精细需要[1-4]。这种情况下,适宜野生动物生存的栖息地则显得尤为重要,这是野生动物生存的必要条件,对野生动物的生存起决定性作用,鸟类也不例外,对候鸟最为关键[4-6]。因此,基于野生动物现存的栖息地环境特征,分析其潜在的栖息地并对适宜性分布进行分析,有助于对特定区域野生动物及其栖息地资源开展针对性的科学保护[7-8]。

松嫩平原是东北平原的重要组成部分,不仅是我国及世界重要的黑土带分布区,更是世界九条鸟类迁徙路线中最为重要的东亚-澳大利西亚鸟类迁徙路线的重要组成[9-10]。苍鹭(Ardeacinerea)是该区域最为常见的大型湿地鸟类,但繁殖种群数量远低于历史规模,历史上的大规模繁殖群现在已很难再现[11-12]。为了避免苍鹭这一常见鸟种出现青头潜鸭(Aythyabaeri)种群骤减且科学研究资料缺乏的现象,非常有必要对苍鹭的保护生物学进行密切关注和深入思考[13-14]。

而关于野生动物潜在栖息地分析及栖息地适宜性评价方面的研究,已被众多学者认为是开展濒危物种保护工作极为重要的生物学信息,不仅能指导开展具体的栖息地资源管理与保护,而且能有针对性地挖掘潜在栖息地并进行栖息地资源质量的管理预警[15-17]。目前,已有众多学者对丹顶鹤(Grusjapoenesis)、白头鹤(Grusmonacha)、白鹤(Grusleucogeranus)、白枕鹤(Grusvipio)、灰鹤(Grusgrus)、黑颈鹤(Grusnigricollis)、朱鹮(Nipponianippon)、小鸨(Tetraxtetrax)、鹬类(Scolopacidae)、啄木鸟(Picidae)等鸟类栖息地适宜性开展了一系列的评价研究[1-2,18-27]。而关于苍鹭栖息地适宜性评价方面,关注较少,仅有学者通过经典的生境适合度指数模型(Habitat suitability index, HSI)对扎龙保护区苍鹭营巢最适生境进行了分析[12]。为了了解松嫩平原苍鹭秋迁期停歇地的适宜性分布信息,本文采用最新的GPS/GSM卫星跟踪技术,并结合遥感影像和地理信息系统及Maxent模型,对该区域苍鹭秋季潜在停歇地进行了分析,并对其适宜性进行了评价,以期为松嫩平原苍鹭栖息地未来的管理和保护提供科学依据。

1 研究地概况

松嫩平原是中国东北三大平原之一,地理位置119°45′—129°36′E,42°50′—49°18′N,西连大兴安岭东麓,北部和东部与小兴安岭和长白山外缘山麓台地相邻,南以松辽分水岭为界,跨黑龙江和吉林两省,行政区域涵盖哈尔滨、大庆、白城、齐齐哈尔、绥化、扶余、长春、四平9个地级行政区内的55个县级行政区[28-29]。松嫩平原地处温带半湿润、半干旱的森林草甸与草甸草原地带,大陆性季风气候明显,四季分明,年均温2—6℃,年均降水量可达400—600mm,降水多集中在6—9月[28-29]。松嫩平原源于松花江和嫩江两大河流,其间分布的湖泡等湿地分布广泛,这些成为丹顶鹤、白枕鹤、白头鹤、白鹤、苍鹭等许多大型水鸟的繁殖地和停歇地[9,11-13],也因此建立了吉林莫莫格国家级自然保护区(下文简称莫莫格保护区)、黑龙江扎龙国家级自然保护区(下文简称扎龙保护区)、吉林向海国家级自然保护区(下文简称向海保护区)、吉林查干湖国家级自然保护区(下文简称查干湖保护区)、吉林大布苏国家级自然保护区(下文简称大布苏保护区)、黑龙江乌裕尔河国家级自然保护区(下文简称乌裕尔河保护区)等重要保护地,并成为东亚-澳大利西亚鸟类迁徙路线的重要组成[13]。

2 研究方法

2.1 数据收集与筛选

2018年6月下旬,在黑龙江省齐齐哈市泰来县泰湖国家湿地公园为五只苍鹭雏鸟佩戴了卫星跟踪器(黑林护许准[2018]32号)。卫星跟踪器生产于湖南环球信士科技有限公司,型号为鸟类背负式追踪器HQBG3527,重量为40g,体积为65mm×35mm×50mm。跟踪器佩戴个体的选择原则上选取苍鹭雏鸟各个器官基本发育完善的体型较大的个体,该阶段雏鸟已能短距离飞行,能独立觅食但捕食能力不强,每日早晚仍需亲鸟喂食。通过网捕对捕捉到的符合体重要求的苍鹭雏鸟个体佩戴卫星跟踪器。

关于本文分析所使用的数据,选取的是苍鹭在松嫩平原区域内离开繁殖地后的活动位点数据。利用GPS/GSM卫星跟踪技术结合实地调查的方法获取了2018年7月17日—10月24日间苍鹭的空间位点数据。数据每小时采集一组,每组数据包括时间、温度、定位精度(最高5m)、经纬度、飞行速度、飞行高度等信息。为了真正反映苍鹭对空间的栖息利用情况并提升数据精度,对采集的5976组数据进行了筛选,通过剔除重复位点、选取定位精度为5m且连续停留时间大于1h的栖息位点作为苍鹭选择的栖息位点,共获得栖息位点231个(图1)。这些栖息位点被认为是被苍鹭选择有继续利用概率的栖息点。其中,重复位点的考虑原则以距离超过10km为准。

图1 苍鹭在松嫩平原的栖息位点

2.2 环境变量数据

栖息地环境变量包括人为环境变量和自然环境变量两大类。其中,人为环境变量通过距道路距离(Distance to road,Dr)、人类足迹指数(Human footprint index,Hf)进行体现；而自然环境变量通过距水体距离(Distance to water body,Dw)、土地覆盖类型(Land cover type,Lc)、亮度指数(Brightness index,Bi)、湿度指数(Wetness index,Wi)和绿度指数(Greenness index,Gi)等进行体现。

其中,人为环境变量中的道路矢量数据、人类足迹指数数据来源于哥伦比亚大学社会经济数据和应用中心数据库(http://sedac.ciesin.columbia.edu/data)的Global Roads Open Access Data Set(Version 1)和Last of the Wild Data Version 3模块。

水体、土地覆盖类型数据来自国家综合地球观测数据共享平台(http://www.chinageoss.org/dsp/home/index.jsp)中空间分辨率为30m×30m的Landsat8和国产高分卫星,下载于LandCover_China2017数据集,通过ArcGIS 10.6平台提取土地覆盖类型栅格数据中的水体,并用空间分析工具(Spatial Analyst Tools)对提取的道路和水体的矢量数据通过欧式距离分析方法进行栅格化处理。

亮度指数、湿度指数和绿度指数数据来自美国地质勘探局官方网站(https://earthexplorer.usgs.gov/)上Landsat 8 OLI/TIRS C1 Level-1数据集中17景云量低的多波段卫星影像数据(2018/9/26,LC81200262018269LGN00,LC81200272018269LGN00,LC81200282018269LGN00,LC81200292018269LGN00；2018/9/19,LC81190272018262LGN00；2018/8/18,LC81190262018230LGN00；2018/8/2,LC81190292018214LGN00,LC81190302018214LGN00；2018/7/1,LC81190282018182LGN00；2018/6/24,LC81180262018175LGN00,LC81180302018175LGN00；2018/6/2,LC81170282018152LGN00；2018/6/1,LC81170292018152LGN00,LC81170272018152LGN00；2017/9/25,LC81180272017268LGN00,LC81180282017268LGN00, LC81180292017268LGN00),利用ENVI 5.3对松嫩平原边界裁剪后的拼接矢量数据进行缨帽变换(Kauth-Thomas Transformation),提取亮度指数、绿度指数、湿度指数,这些分别反映了地物目标总辐射能量水平的亮度信息、影像中植被覆盖叶面积指数和生物量等绿色植被、影像的湿度信息[30]。

2.3 模型构建与检验

用ArcGIS 10.6将所有栅格数据变量的行列数、像元大小进行一致化处理,转换为模型所需的ASC格式,导入Maxent 3.3.3k软件中[18,24-25,27,31]。在模型设置中,随机选取70%的苍鹭栖息位点用于模型建立,其余30%的栖息位点用于模型验证。在模型检验过程中,利用刀切法(Jackknife test)AUC值对模型进行评价。AUC值为模型自带的受试者工作特征曲线ROC(Receiver Operator Characteristic)下的面积(Area Under Curve,简称AUC)。AUC值越大,表示环境变量与模型的相关性越大,模型的预测结果就越准确：当AUC值为介于0.5—0.6之间时,意味着所建模型的预测效果不及格；当AUC值为介于0.6—0.7之间时,意味着所建模型的预测效果较差；当AUC值为介于0.7—0.8之间时,意味着所建模型的预测效果一般；当AUC值为介于0.8—0.9之间时,意味着所建模型的预测效果良好；当AUC值为介于0.9—1.0之间时,意味着所建模型的预测效果优秀。

2.4 适宜栖息地分布

模型预测的栖息地适宜性分级标准值为0—1,值为0意味着栖息地适宜性最低,值为1意味着栖息地适宜性最高。本研究中,将值介于0.0—0.2之间的栖息地定义为不适宜栖息地,将值介于0.2—0.5之间的栖息地定义为低适宜栖息地,将值介于0.5—0.7之间的栖息地定义为较适宜栖息地,将值介于0.7—1.0之间的栖息地定义为适宜栖息地。通过ArcGIS 10.6将模型预测的结果进行重分类,用空间分析工具中的区域分析提取松嫩平原55个县区和6个国家级自然保护区内苍鹭秋季适宜栖息地面积,分析和统计各县区的分布情况及受保护情况。

3 结果与分析

3.1 Maxent模型预测结果检测

ROC曲线评价结果显示(图2)：训练数据集(Training data)AUC值为0.946,测试数据集(Test data)AUC值为0.933,预测结果达到优秀水平,表明建立Maxent模型对松嫩平原苍鹭秋季栖息地适宜性预测的结果可信度高。

图2 苍鹭秋季栖息地适宜性评价模型的ROC曲线

3.2 苍鹭秋季栖息地环境变量分析

从刀切法测定的苍鹭秋季栖息地变量的贡献率可以看出(图3)：距水体距离(Dw)和绿度指数(Gi)是影响苍鹭秋季栖息地利用的重要环境变量,亮度指数(Bi)、人类足迹指数(Hf)、土地覆盖类型(Lc)、湿度指数(Wi)、距离道路的距离(Dr)等环境变量对苍鹭秋季栖息地利用的影响较小。

图3 苍鹭秋季栖息地环境变量刀切法检验

3.3 苍鹭秋季栖息地适宜性分布

松嫩平原苍鹭秋季栖息地适宜性分布结果显示(图4)：苍鹭在松嫩平原秋季的适宜栖息地面积为2761.06 km2,仅占研究区总面积的1.24%；较适宜栖息地7049.57 km2,占比为3.16%；低适宜栖息地36125.15 km2,占比16.19%；不适宜栖息地177129.60 km2,占比79.41%。

图4 松嫩平原苍鹭秋季栖息地适宜分布

其中,适宜栖息地在松嫩平原9个地/州的分布各不相同,大庆、白城、齐齐哈尔3个行政区是主要的分布区(占适宜栖息地面积的62.78%),其次是哈尔滨和绥化(20.23%),黑河、扶余、长春、四平区域内的适宜栖息地面积较少(16.99%)。适宜栖息地在松嫩平原55个县/区的分布也各不相同,杜尔伯特蒙古族自治县区域内适宜栖息地面积最多(429.90km2,占研究区适宜栖息地总面积的15.57%),其次是镇赉县(334.92km2,12.13%)和肇源县(185.54km2,6.72%),五常县、德都县、大安市区域内苍鹭适宜栖息地面积均超过100 km2,这些是苍鹭秋季适宜栖息地面积较多的行政区域。

3.4 苍鹭秋季适宜栖息地的保护现状

由上述分析可以看出,松嫩平原苍鹭秋季适宜栖息地面积(图5)的15.79%受到保护,分布在6个国家级自然保护区内,分别为莫莫格保护区(285.62 km2,占秋季适宜栖息地面积的10.34%)、扎龙保护区(95.80 km2,3.47%)、向海保护区(18.57 km2,0.67%)、查干湖保护区(14.89 km2,0.54%)、大布苏保护区(11.26 km2,0.41%)、乌裕尔河保护区(9.95 km2,0.36%)；而五大连池山口湖水库、绥化东北部、五常县龙凤山国家森林公园是处于未保护状态的、面积连续分布较大的区域。

图5 苍鹭适宜栖息地的保护性分布及主要潜在栖息地

4 讨论

4.1 苍鹭秋季栖息地环境变量

关于苍鹭栖息地环境特征方面的分析,仅有7篇零星的研究报道,分别分散在中国、俄罗斯、日本、波兰、法国、希腊,在苍鹭最适营巢生境、苍鹭生境与仔鱼群落关系、生境特征和不同空间尺度下苍鹭繁殖力、苍鹭对村园区域的季节性利用、水文网络特征与苍鹭群体大小及空间分布的关系、针对栖息地苍鹭形成的觅食策略等方面进行了分析研究[11-12,32-36]。

本文关于苍鹭秋季栖息地环境变量方面的研究,Maxent模型得出影响苍鹭秋季栖息地的主要环境变量是距水体距离和绿度指数。这与苍鹭生活史期间的食物需求和行为相符合[11-12,35],苍鹭主要捕食鱼类,是典型的湿地鸟类,水域是其偏好的主要生境类型；同时,该研究结果也与同域分布的其他大型水鸟如白琵鹭(Platalealeucorodia)、丹顶鹤的结果一致[27,37],芦苇塘和开阔水面及绿度是其偏好的生境及主要环境特征。这种既配置有充足食物的水体、也配置有大尺度开阔空间而利于隐蔽警戒逃逸的环境,不仅能保证苍鹭栖息所需要的的食物、水、隐蔽等生境需求,也能为其提供警戒、逃逸等安全的空间保障。

4.2 苍鹭秋季栖息地适宜分布

关于松嫩平原水禽栖息地适宜性评价方面,已有学者通过目视解译、监督分类、层次分析等方法结合遥感影像和GIS系统对松嫩平原水禽栖息地进行了适宜性分析[38-39],也有学者通过最大熵模型对松嫩平原丹顶鹤秋季生境适宜性进行了评价,分析了适宜性分布的环境影响因素、适宜性空间分布及景观格局[40]。本文苍鹭秋季栖息地适宜性分布的内容与丹顶鹤有些类似。

本文分析的苍鹭秋季适宜栖息地在松嫩平原不同区域的分布与受保护情况各不相同。其中,西部区域分布的适宜栖息地较多,集中于嫩江中下游地区,这也是松嫩平原生物多样性保护优先区,受保护性和受关注度也较高,连片面积较大的区域主要分布在莫莫格保护区(占适宜栖息地面积的10.34%)、扎龙保护区(3.47%)、向海保护区(0.67%)、查干湖保护区(0.54%)、大布苏保护区(0.41%)、乌裕尔河保护区(0.36%)等国家级自然保护区中。

其中,莫莫格保护区内分布的适宜栖息地面积最大、连通性最好。保护好莫莫格保护区苍鹭的栖息地对于松嫩平原的苍鹭种群而言至关重要,应该进一步摸清莫莫格保护区内苍鹭的种群数量和时空分布,这不仅能提前预警苍鹭种群的动态,更能有助于深入认识苍鹭栖息的湿地资源质量情况,利于进而开展及时的资源管护工作。

扎龙保护区苍鹭适宜栖息地相对莫莫格保护区较分散。关于扎龙保护区的苍鹭种群与分布,零星的研究记载显示出,不仅种群数量较历史上有所下降,曾经常见的成千上万只群体已下降为不足千只,甚至几百只也很难见,而且分布区斑块也变少,由原来的成片相连变为目前的斑块状分布[12,14]。而土地覆盖类型方面的研究表明,扎龙保护区内水体发生了明显的空间分布转移[41],随之而来的环境特征等信息也必然会发生变化,这是否是苍鹭群体发生时空变化的根本原因,非常有必要进行深入的大尺度相关性分析。

向海保护区苍鹭适宜栖息地分布相对其他保护区较少。众所周知,由于降水量等自然驱动力和农业开垦、过度放牧等人为驱动力的影响,向海保护区的湿地面积呈现出年度间波动较大的下降趋势,时空均发生了变化、湿地破碎化增加[42],这些因素极大程度地限制了以湿地资源为生活史需求的各种鸟类的时空分布,苍鹭也不例外。

松嫩平原东部区域面积较大的苍鹭适宜栖息地主要分布在五大连池市的山口湖水库、绥化地区东北部的湿地、五常龙凤山国家森林公园及阿什河流域,此外还有一些零星的适宜栖息地分布在松嫩平原的中东部地区,所有这些区域均缺少苍鹭的分布信息报道和管护关注,如何对这些分布小区进行科学管理和积极的必要关注,对苍鹭种群的迁徙管理极为必要,应加强对这些区域的关注和监测。

4.3 GPS/GSM技术

GSM是全球移动通信系统(Global System for Mobile communications)的简称,是数字制式移动通信(2G)网络的主导技术,其与GPS结合,用以传输目标动物目标位置的系列信息,具有信号覆盖范围广、定位精度高、传输效率高的特点,这弥补了原来仅通过卫星进行信号传播、导致部分地区信号弱的缺点。结合GPS/GSM技术和Manent模型对野生动物栖息地适宜性、空间扩散、停留规律等大尺度空间生态学进行研究,这种研究融合了卫星跟踪器采集的最为精准的GPS分布位点、卫星拍摄的最为真实的遥感影像、不受样本点数量限制的Maxent模型,相对于传统方法,这种耦合多种先进方法的科学研究提供的数据更为精准、分析的结果更为科学,其研究结果不仅有利于评价濒危物种栖息地适宜性、发现潜在栖息地、制定科学的保护对策,更有助于更为深入地了解濒危物种的生物学规律,这已经成为众多学者认可的最先进的研究技术[43-45]。本文用该技术研究了松嫩平原苍鹭秋季栖息地的适宜性分布,更为深入地掌握了松嫩平原秋季苍鹭适宜栖息地的空间分布及受保护情况,将能推动我们制定进一步地科学保护对策,更能促进未受保护的小区采取相应的保护措施和科学规划。