基于Maxent的山西鐵橋山省級自然保護區(qū)華北豹生境適宜性分析

弓曉敏

(山西沃成生態(tài)環(huán)境研究所，山西 太原 030006)

生境指生物的個體、種群或群落生活地域的環(huán)境，生境為野生動物提供了生存、繁衍及種群發(fā)展所需的資源。生境適宜性是指物種所處環(huán)境條件能夠支持并滿足其生存的潛在能力。開展生境適宜性評價對野生動物保護和管理具有重要意義。

華北豹(Pantherapardusfontanierii)，即金錢豹，屬華北亞種，我國特有的大型貓科動物，是我國分布的3個豹亞種之一。因棲息地破碎化嚴重、連片森林減少、生境連通性較差、阻隔基因交流不利于生存繁殖及保護管理等原因，華北豹分布范圍及數(shù)量急劇減少，已成為高度瀕危的國家Ⅰ級重點保護動物。被中國生物多樣性紅色名錄-脊椎動物卷列為瀕危(EN)等級，中國瀕危動物紅皮書列為瀕危(E)等級，被IUCN從2008年的易危(VT)調(diào)至近危(NT)等級，被CITES列入附錄Ⅰ.

近年來，隨著3S技術(shù)的發(fā)展，從大尺度上對野生動物的生境進行研究成為熱點。Maxent是一種已被廣泛應(yīng)用于野生動物生境適宜性分析的生態(tài)位模型，該模型應(yīng)用一定數(shù)量物種的出現(xiàn)點位和環(huán)境變量數(shù)據(jù)預(yù)測物種的生境分布。筆者運用Maxent模型對鐵橋山省級自然保護區(qū)華北豹的生境適宜性進行了評價。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山西鐵橋山省級自然保護區(qū)成立于2002年，位于山西省太行山中段和順縣境內(nèi)，地理坐標為113°05′～113°35′E，37°13′～37°34′N，總面積35 351.7 hm2.海拔多在1 400 m～1 700 m之間，最高海拔1 827 m.主要植被類型有：天然次生油松林、油松—遼東櫟—白樺—山楊林等。經(jīng)初步調(diào)查，野生動物約有149種，其中，國家Ⅰ級重點保護野生動物1種，即華北豹；Ⅱ級重點保護野生動物16種。

1.2 模型介紹

由Jaynes提出的最大熵原理(Maxent)起源于信息科學，在許多學科中被廣泛應(yīng)用，近年來引起生態(tài)學家的關(guān)注。Maxent是一種基于生態(tài)位原理的模型，根據(jù)物種“出現(xiàn)點”的環(huán)境特征變量，運算出目標物種分布的約束條件，探尋此約束條件下最大熵的可能分布，據(jù)此來預(yù)測目標物種在區(qū)域內(nèi)的生境分布及適宜性。2004年，Phillips等人開發(fā)了Maxent軟件，被廣泛用于物種生境適宜性的預(yù)測和評價，表現(xiàn)出了良好的預(yù)測能力。該模型可自動生成ROC曲線對模型進行預(yù)測自檢。在對動物生境進行評價與預(yù)測時，只需要動物“出現(xiàn)點”的數(shù)據(jù)，并且具有較高的精度。

1.3 數(shù)據(jù)準備及預(yù)處理

華北豹生境適宜性評價需要華北豹地理分布點和環(huán)境變量2方面數(shù)據(jù)。其中，華北豹分布點數(shù)據(jù)來源于2017年鐵橋山華北豹野外監(jiān)測數(shù)據(jù)，涵蓋48個點位。環(huán)境變量數(shù)據(jù)包括：

1) 地形因子：包括海拔、坡度和坡向，由中國科學院科學數(shù)據(jù)庫30 m分辨率的DEM提取得到。

2) 植被因子：利用保護區(qū)最新林保調(diào)查數(shù)據(jù)。

3) 其它因子：包括耕地、河流、道路、村莊等因子，通過保護區(qū)高分二號衛(wèi)星影像結(jié)合1∶50 000矢量化地圖獲取，利用ArcGIS 10.3求算各因子柵格距離。

所有環(huán)境變量收集均選取ArcGIS 10.3平臺，圖層邊界統(tǒng)一，坐標系統(tǒng)一，柵格大小設(shè)定為30 m×30 m，并轉(zhuǎn)化為.ASC文件格式。

1.4 分析方法

將華北豹地理分布點數(shù)據(jù)與環(huán)境變量導(dǎo)入Maxent模型中，隨機選取75%點位建立模型。其余作為檢驗數(shù)據(jù)，進行Jackknife檢驗，檢測環(huán)境變量的重要性，并對各因子進行敏感性分析，其它參數(shù)選擇默認，輸出運算結(jié)果。利用ROC曲線下面積對模型的精度進行評價。AUC值越大，表示環(huán)境變量與預(yù)測物種地理分布模型間的相關(guān)性越大，預(yù)測結(jié)果也就越好。評價標準為：AUC值為0.5～0.6，失??；0.6～0.7，較差；0.7～0.8，一般；0.8～0.9，良好；0.9～1.0，優(yōu)秀。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)測結(jié)果

通過Maxent模型進行運算后，ROC曲線評價結(jié)果見圖1.

圖1 鐵橋山保護區(qū)華北豹生境ROC曲線評價結(jié)果

由圖1可以看出，訓練數(shù)據(jù)AUC值為0.904，檢驗數(shù)據(jù)AUC值為0.898，該模型模擬檢驗結(jié)果達到良好水平。

2.2 生境與環(huán)境因子的關(guān)系

Jackknife檢驗結(jié)果顯示，影響華北豹分布的主要環(huán)境特征變量的模型貢獻率為：距村莊距離26.5%，坡度25.3%，距河流距離23.6%.3個環(huán)境變量累積貢獻率達到75.4%，對華北豹生境選擇具有重要影響。其余因子的貢獻值由大到小為：坡向、距道路距離、距耕地距離、植被類型、海拔。各因子敏感性分析表明，隨著距村莊距離、距道路距離、距耕地距離及海拔的增大，生境適宜度增加；隨著坡度增大，生境適宜度減小。表明華北豹偏愛海拔較高、坡度較小，遠離人為干擾的區(qū)域。距離河流2 500 m左右，生境適宜度最佳。

2.3 生境適宜性分析

將模型分析結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS 10.3中，進行文件轉(zhuǎn)化，按照之前專家的經(jīng)驗將生境適宜性分為3個等級：0.0～0.1為不適宜，0.1～0.5為較適宜，0.5～1.0為最適宜，最終得到保護區(qū)華北豹生境適宜性分布圖，見圖2.

圖2 華北豹生境適宜性分布圖

由圖2可以看出，在保護區(qū)內(nèi)華北豹生境中，最適宜面積為2 419.24 hm2，占總面積的7%；較適宜面積為13 521.60 hm2，占總面積的38%；不適宜面積為19 410.86 hm2，占總面積的55%.華北豹生境適宜區(qū)主要分布在保護區(qū)西部，但是目前該區(qū)人類活動頻繁，生境破碎化現(xiàn)象較為嚴重。

3 建議

筆者采用Maxent模型進行華北豹生境適宜性預(yù)測，檢驗結(jié)果表明該模型預(yù)測效果較好，且模型預(yù)測結(jié)果與目前的野外調(diào)查結(jié)果基本相符。通過分析發(fā)現(xiàn)，保護區(qū)內(nèi)存在以往沒有記錄的華北豹生境適宜區(qū)(腰家坡村東南—北課—村東北農(nóng)田—鴿平村西口，戀思—紫羅—后紅堡溝)，建議今后對這些區(qū)域給予較多關(guān)注。