基于珲春市国道(G331)的东北虎豹廊道区域识别

周 勇,苗润泽,任 毅,杨秀冬,黎 勇,刘 庚

(1.吉林省林业科学研究院,吉林 长春 130033;2.野生生物保护学会(美国)北京代表处,北京 100012;3.吉林龙湾国家级自然保护区管理局,吉林 通化 135102;4.柳河县八里哨林场,吉林 通化 135321)

生境是野生动物进行繁衍和生命活动的场所,是物种生存和发展所需生物和非生物因子的集合[1].随着环境变化和人类活动干扰的加强,日益严重的物种生境破碎化问题[2-3]导致物种栖息地适宜生境面积减少、质量下降,影响物种的扩散和迁移,干扰物种种群间的基因交流,减少物种多样性[4-5].东北虎(Pantheratigrisaltaica)和东北豹(Pantheraparduaorientalis)是全球生物多样性保护的旗舰物种,在维持健康生态系统功能中占据不可替代的重要地位.近年来,人类活动对东北虎豹天然生态廊道产生严重干扰,天然生态廊道消失殆尽,保护东北虎豹首先就要加强栖息地生境保护与生境连通[6-7],连接岛状分布的适宜、潜在生境,识别东北虎豹潜在的栖息、繁衍、迁徙和扩散的重要生境廊道[8],这对保障种群向内陆扩散、增加基因交流、扩大种群数量、维持和提高物种多样性具有重要意义[9-10].

目前,有关生境廊道的研究、定义有很多,于成龙等、戴璐等[11-12]基于最小累积阻力模型,将提取的最小成本路径视为生态廊道;李瑾等[13]利用水文分析原理,将累积耗费距离最短的山谷线称为生态廊道;Wang Chenxu等[14]运用ArcGIS中的Linkage Mapper插件提取生态廊道,并给出了廊道范围内起关键作用的生态节点;张远景等[15]通过“斑块-廊道-基质”理论,分析了哈尔滨市生态网络连接度强弱的空间分布.

在吉林省东北虎豹主要分布区珲春市,国道(G331)穿境而过,是东北虎豹栖息地阻隔最重要的干扰因子,也对栖息地、居民点和有蹄类分布产生持续影响.但是,有关这种干扰因子是如何影响东北虎豹生境整体连通性的研究尚未见报道,因此,本文以珲春市东北虎豹分布区域为实例,运用廊道设计模型(Linkage Mapper)提取生态廊道和生态夹点,分析识别了珲春市国道周边东北虎豹的廊道区域,以为东北虎豹栖息地生境恢复和种群西迁提供科学依据.

1 研究方法

1.1 研究区域

吉林省珲春市(130°03′21″～130°18′33″E,42°25′20″～43°30′18″N)位于吉林省东南部图们江下游地区的延边朝鲜族自治州境内(见图1),地处中、朝、俄三国交界地带,辖区面积5 145 km2,主要包括中山、低山和丘陵河谷地貌3种地貌类型.林地面积为4 370 km2,森林覆盖率达85%,以针叶林、阔叶林和阔叶混交林为主;气候温和湿润,属于温带海洋性气候,冬暖夏凉,年均气温5.65 ℃,平均降水量617.9 mm,无霜期140～160 d,8月份平均气温21.2 ℃.境内的东北虎豹国家公园以珲春林业局青龙台林场东部为起点,向吉林省汪清县和黑龙江东宁市辐射,是东北虎豹种群向内陆扩散的主要通道;辖区内国道(G331)穿境而过,全长188 km,北通黑龙江东宁市、南抵中朝俄边界的防川村,沿途分布市区、乡镇和农村等人类活动区..

1.2 数据来源

土地利用数据来源于国家基础地理信息中心(http:∥www.ngcc.cn/ngcc/)2020年全球30 m地表覆盖数据,根据珲春市行政边界矢量裁剪获取的森林、水体、耕地、建设用地、草本沼泽等6类土地利用数据;DEM数据来源于地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)ASTERGDEM 30 m分辨率数字高程数据;河流、道路、居民点、珲春市行政边界矢量数据来自国家地理信息中心的1∶250 000基础地理信息数据;郁闭度数据来自珲春市森林资源档案;有蹄类数据为2021年有蹄类野生动物野外调查发现的点位数据,调查对象为狍(Capreoluspygargus)和野猪(Susscrofa).

1.3 研究方法

研究方法包括4部分:生态源地筛选、阻力面构建、生态廊道综合识别和夹点、障碍点识别.

1.3.1 生态源地的筛选

根据珲春市森林资源生境类型和面积将生态源地斑块进行处理整合.一是斑块生境类型的选择:根据东北虎豹生存活动适宜生境选择针叶林、阔叶林和针阔混交林3种生境类型;二是国道单侧生态源地选取:根据研究目的,并考虑居民点、道路和河流对源地的影响进行选取;三是细碎斑块和独立斑块选取:删除邻近市区且相隔距离较远的独立斑块,选取相隔距离近且适宜野生动物迁徙的细碎斑块.

1.3.2 阻力面构建

(1) 阻力因子选取.根据珲春市自然资源状况、人为主导的景观分布情况,通过考察东北虎豹适宜生境,与相关研究、保护人员开展访谈、调查,选定土地利用类型、森林郁闭度、坡度、海拔、道路、河流、居民点和有蹄类距离等8类阻力因子,并构建各因子生态阻力基面.

(2) 阻力值确定及综合阻力面构建.利用ArcGis软件对阻力因子进行分级和相关性分析,结合研究区域实际,运用“邻域分析”工具对道路、河流和有蹄类距离3类阻力因子做缓冲区确定分析,最后设定道路中林间土路、一般硬化路面、主要公路和国道(G331)缓冲区距离分别为10,15,25和25 m;河流中山涧溪流、村边河流、支流和主要河流缓冲区距离分别为3,10,30和50 m;有蹄类距离中近、较近和较远缓冲区距离分别为500,1 000和2 000 m.

参考已有的研究[16],确定8类阻力因子的分级标准及各级别阻力值.为更好满足Linkage Mapper插件数据要求,将栖息地因子中各阻力值限定在1～100区间,其中1代表最适宜、100代表不适宜;将食源因子、有蹄类缓冲区距离设定为-100～-1区间,其中-100代表最适宜、-1代表不适宜.阻力因子与阻力值设定结果见表1.为避免各阻力因子之间高度的自相关对模型分析产生干扰,运用ArcGis软件中的“波段集统计”分析工具,对8类阻力因子进行相关性分析.

表1 阻力因子与阻力值

依据专家打分法,通过相关研究专家和保护管理人员的评分,确定各阻力因子权重,结果见表2.利用“地图代数”分析工具对8类阻力因子阻力面加权叠加构建综合阻力面.各阻力基面栅格数据输出过程中,各栅格数据的波段数位为1、像素深度为8位;除道路中林间土路、一般硬化路面和主要公路栅格数据像元大小为10 m×10 m,其余阻力因子栅格数据像元大小均为30 m×30 m.

表2 阻力因子权重

1.3.3 生态廊道综合识别

利用Linkage Pathways Tool工具,通过导入的东北虎豹生态源地和综合阻力面数据,计算东北虎豹在源地间迁徙经过各阻力基层面所克服的累积阻力值,迁移扩散的最小成本路径(Least-cost path method,LCP)即为生态廊道路径.本研究中截断生态走廊的成本加权距离阈值设置为200 000[17].

1.3.4 夹点、障碍点识别

Linkage Mapper插件通过电路理论和障碍分析来检测最小成本路径中的夹点和障碍点,以确定重要的核心区域和走廊;Circuitscape程序是基于电路理论对不同景观进行连接建模[18],从而将电路理论与运动生态学相联系.本文运用Pinchpoint Mapper工具识别生态夹点,在综合阻力基栅格数据输出过程中,栅格数据的波段数位为1、像素深度为32位、像元大小为10 m×10 m;选择“all-to-one”迭代运算模式,调用Circuitscape程序将23个东北虎豹生态源地斑块之间的电流进行组合,识别廊道内生态夹点位置.鉴于廊道宽度不会影响夹点位置与区域的连通性,本文设置廊道宽度加权成本距离为300,以电流值评估夹点对于维持整个景观连接性的重要性[19],提取的高电流强度区域即为夹点区域.

本文运用Barrier Mapper工具识别生态障碍点.在综合阻力基栅格数据输出时,栅格数据的波段数位为1、像素深度为32位、像元大小为10 m×10 m,此时最小检测半径为20 m、最大检测半径为80 m、半径步长值为20 m.不勾选“改进得分相对于最小成本路径百分比选项”,得到最大改进分数,以改进分数评估修复障碍点对整个景观连通性的重要性,提取的高改进分数区域即为障碍点区域.

1.3.5 廊道宽度识别

国道(G331)上的廊道宽度通常定义为有一定障碍但具有较好景观连通性的道道的宽度[20].运用Barrier Mapper工具,在检测半径20,40,60和80 m条件下,计算耗费累计阻力值最小的廊道宽度,利用SPSS 19.0软件对4类检测半径下的12个廊道宽度进行成对样本T检验.

2 结果与分析

2.1 生态源地与阻力面

依据生境类型及斑块分布,将研究区域内的针叶林、阔叶林和针阔混交林划分为23个生态源地,结果见图2,生态源地总面积4 462.32 km2.

图2 珲春市主要生态源地分布

在选定的土地利用类型、森林郁闭度、坡度类型、海拔类型、道路类型、河流类型、居民点类型和有蹄类距离8类阻力因子中,栖息地因子为东北虎豹迁移扩散的重要阻碍.土地利用类型中针阔混交林、阔叶林相对于针叶林更适宜东北虎豹的生存,大水域阻隔了有蹄类动物的迁徙,耕地、建设用地对东北虎豹迁徙造成强烈的人为干扰,草本沼泽对东北虎豹的迁徙耗能、食源丰富度均有影响.森林郁闭度影响东北虎豹自身的隐藏、对食物的追踪.适宜的坡度可减少东北虎豹能量的消耗.东北虎豹在中山区域的生存阻碍小于低山和丘陵区域.硬化路面对生境斑块的阻隔作用要强于林间土路,属极大的人为干扰.村边河流阻碍迁徙主要因为较大的人为干扰,支流、山涧溪流则是迁徙过程中的重要水源.居民点是居民的生产生活区,存在较大的人为干扰,远离居民点则更有利于东北虎豹的扩散[21].食源因子可促进迁徙扩散,与有蹄类野生动物位置越近则更利于东北虎豹的栖息、迁徙.

根据阻力因子的阻力值及权重,对全部因子进行相关性分析,结果见表3.由表3可见,各阻力因子相关系数均小于0.553,所以各因子之间不存在相关性[22].

表3 阻力因子相关性分析

综合阻力面计算结果中,栅格颜色越深表示阻力越大,即东北虎豹种群扩散消耗的能量越多,越不利于种群扩散.由研究区综合阻力面计算结果(见图3)可见,东北虎种群扩散阻力主要分布在国道及两侧的连接部分;此外城区及周边区域颜色最深,表示该区域对东北虎豹扩散影响最大.

图3 综合阻力面分布

2.2 潜在通道与生态节点

在国道(G331)上,东北虎豹的潜在通道主要由廊道宽度和最短路径长度两部分标识.本文通过Linkage Pathways Tool工具识别廊道12条(见表4);基于Pinchpoint Mapper和Barrier Mapper工具识别生态节点13个,包括6个夹点区域,此区域对防止栖息地退化有关键作用,应重点保护或优先修复;识别7个障碍点区域,结合土地利用类型应对此区域进行一定的修复以增强区域内景观的连通性.对4类检测半径下12个廊道宽度进行的成对样本T检验结果表明,60和80 m步长情况下长度差异显著(t=-2.448,P=0.032);排除80 m步长情况,分别比较20,40 和60 m步长类别下,距离与平均距离(16 317 m)间的差异为1 698,153 和1 545 m.以基于40 m步长的距离为廊道宽度,识别廊道宽度12个.生境廊道、夹点和障碍点示意图见图4—6.

表4 廊道基本信息

图4 生境廊道影像示意图

图5 夹点示意图

图6 障碍点示意图

3 讨论与结论

3.1 讨论

(1) 本研究主要是基于贯穿珲春市域的国道(G331)进行生态廊道的提取,在生态源地的识别中,考虑到研究区域的高森林覆盖率及森林资源的连续性,以国道为界将东北虎豹栖息地分为东西两部分,分别合并生境类型相同或相似的斑块,从而在南北方向上将本来连通的区域划分为多处源地,这在一定程度上对生态廊道的提取存在影响,但这种影响也仅是表现在提取廊道的重要性方面.

(2) 本研究在考虑东北虎豹的食源时,一是以狍和野猪代表东北虎豹的有蹄类食物,对于主要猎物的马鹿(Cervuscanadensis)和梅花鹿(Cervusnippon)没有进行全面调查[23];二是通过距有蹄类距离替代不同区域内有蹄类野生动物的种群密度以表征食物对东北虎豹的吸引,这两点有待加强.

(3) 本研究基于国道(G331)的生态廊道、夹点、障碍点的研究思路和方法,可为人造工程与野生动物迁徙保护之间的矛盾找出科学的解决办法;同时,也可为其他物种迁徙及保护提供科学参考.

(4) Hodgson等[24]的研究表明,很少有哺乳动物在穿越栖息地斑块中使用预测的廊道,因此,为使预测的廊道结果更为准确,可通过在预测廊道区域架设红外相机进行验证.

3.2 结论

本文在结合了珲春市自然及社会资源情况下,基于国道(G331)开展了东北虎豹生境廊道的研究,结果识别东北虎豹潜在生境廊道12条、夹点6个和障碍点7个,这对促进东北虎豹在国道两侧的迁徙连通,并进一步优化提升东北虎豹的生存空间具有一定的现实意义.在主要阻力因子中,土地利用类型、森林郁闭度、有蹄类距离和坡度对综合阻力面有较大影响;对于提取的生态节点、夹点区域对防止栖息地退化有关键作用,应重点保护或优先修复,对障碍点区域要结合土地利用类型进行修复以增强区域内景观的连通性.本文选定40 m步长距离为廊道宽度,只是在最低程度上保障东北虎豹的迁徙,随着选定步长的变化,夹点区域要保护或修复的面积可能会随之改变.