應(yīng)用GIS對(duì)野生動(dòng)物生境適宜性的評(píng)價(jià)1)
——以大興安嶺盤(pán)古林場(chǎng)紫貂為例1)

盛琪 董靈波 劉兆剛

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，而野生動(dòng)植物資源是森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的一部分。森林生態(tài)系統(tǒng)與野生動(dòng)植物資源之間有著密切的聯(lián)系，森林為野生動(dòng)植物提供棲息地、水源和食物等[1]；而對(duì)瀕危野生動(dòng)物的保護(hù)可以有效控制有害和外來(lái)物種，對(duì)保持自然生態(tài)平衡有一定的作用。野生動(dòng)植物資源可以顯示森林生態(tài)系統(tǒng)的狀況，從生態(tài)角度分析隨著瀕危和珍稀物種的減少，生物多樣性下降的同時(shí)生態(tài)系統(tǒng)其他功能也會(huì)受到影響[2]；從經(jīng)濟(jì)角度分析根據(jù)邊際效用價(jià)值理論，瀕危和珍稀物種的“價(jià)值”會(huì)隨著它們稀缺性的增加而增大[3]。野生動(dòng)植物資源與森林生態(tài)系統(tǒng)之間相互依賴(lài)、相互制約同時(shí)進(jìn)行著物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化，達(dá)到一種自然地生態(tài)平衡。因此對(duì)野生動(dòng)物的生境進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，對(duì)于森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)保持森林生態(tài)系統(tǒng)物種和生物多樣性具有一定意義。

大興安嶺地區(qū)擁有豐富的森林資源和野生動(dòng)物資源，該地區(qū)是以針葉林和針闊混交林為主的原始林區(qū)。其中鳥(niǎo)類(lèi)241種，獸類(lèi)52種，而紫貂作為大興安嶺地區(qū)最具代表性動(dòng)物之一，其在大興安嶺地區(qū)分布較為廣泛，數(shù)量較多[4]。紫貂(Marteszibellina)是一種貂屬動(dòng)物，在我國(guó)東北地區(qū)和新疆地區(qū)較多，屬于中國(guó)瀕危及受威脅物種和國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)保護(hù)動(dòng)物。其主要分布在氣候寒冷的亞寒帶針葉林與針闊混交林地區(qū)。紫貂屬于大興安嶺地區(qū)的毛皮獸及具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的獸類(lèi)，與“人參、鹿茸”并稱(chēng)為東北三寶。然而大興安嶺地區(qū)氣候嚴(yán)寒并且環(huán)境較為惡劣，屬于脆弱生態(tài)帶，其一旦遭到破壞很難修復(fù)，所以對(duì)瀕危和珍稀物種生態(tài)環(huán)境的保護(hù)十分重要[5]。

野生動(dòng)物生境適宜性評(píng)價(jià)的方法有模糊綜合評(píng)價(jià)法、數(shù)學(xué)建模、最大熵模型和生境適宜性指數(shù)(HSI)模型等，其中生境適宜性指數(shù)模型使用較為廣泛。生境適宜性指數(shù)模型(habitat suitability index model)最初由美國(guó)漁業(yè)與野生動(dòng)物局開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[6-7]，逐漸成為野生動(dòng)物生境選擇和評(píng)價(jià)的重要研究方法之一。我國(guó)學(xué)者淑萍等[8]以天津地區(qū)水鳥(niǎo)棲息地為研究對(duì)象，用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)水鳥(niǎo)棲息地進(jìn)行評(píng)估。賈非等[9]運(yùn)用數(shù)學(xué)建模的方法對(duì)白馬雞繁殖早期棲息地選擇和空間分布進(jìn)行預(yù)測(cè)。孟慶林等[10]以吉林省東部地區(qū)為研究對(duì)象，選取水源狀況、遮蔽物、干擾因子及食物來(lái)源作為評(píng)價(jià)因子構(gòu)建HSI模型，進(jìn)行生境質(zhì)量動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。外國(guó)學(xué)者Ozkan et al.[11]使用最大熵(MaxEnt)方法對(duì)生活在兩種不同生境類(lèi)型中的狍，創(chuàng)建了兩個(gè)棲息地適宜性模型進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。Crawdord et al.[12]運(yùn)用GIS對(duì)美國(guó)東南部皮德蒙特高原的白尾鹿構(gòu)建HSI模型。Chowdhury et al.[13]針對(duì)潮間帶牡蠣選取水溫、鹽度、溶解氧、顆粒無(wú)機(jī)物、pH=7、葉綠素a和水流速度等7個(gè)棲息地因素作為HSI模型的變量，構(gòu)建HSI模型作為評(píng)估牡蠣恢復(fù)和養(yǎng)殖場(chǎng)所質(zhì)量的定量工具。Dussault et al.[14]構(gòu)建不同空間尺度的HSI模型，通過(guò)構(gòu)建HSI模型來(lái)分析和評(píng)價(jià)駝鹿的生境選擇。

目前，我國(guó)學(xué)者研究的內(nèi)容主要集中在對(duì)大興安嶺地區(qū)紫貂生境的特征分析及其選擇，而關(guān)于紫貂的生境適宜性評(píng)價(jià)較少。本文通過(guò)從地理環(huán)境因素、生物因素和人類(lèi)干擾因素3個(gè)方面選取評(píng)價(jià)因子，構(gòu)建HSI模型對(duì)大興安嶺盤(pán)古林場(chǎng)的紫貂生境適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

大興安嶺盤(pán)古林場(chǎng)，位于黑龍江省大興安嶺地區(qū)塔河縣城西北部。林場(chǎng)的營(yíng)林面積為152 127 hm2，森林覆蓋率高達(dá)88.9%。氣候?qū)俸疁貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)寒冷,夏熱期短；年平均氣溫-3 ℃，最高氣溫37.9 ℃，最低氣溫-50.1 ℃，為我國(guó)最寒冷的地區(qū)之一。其積雪期長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月左右，林內(nèi)雪深30～50 cm。該地區(qū)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為興安落葉松，主要的針葉樹(shù)種有：興安落葉松(Larixgmelinii(Rupr.) Kuzen)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和云杉(Piceakoraiensis)。主要的闊葉樹(shù)種有：白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)和鉆天柳(Choseniaarbutifolia)等。該地區(qū)動(dòng)物資源豐富：獸類(lèi)主要有馴鹿(Rangifertarandus)、紫貂(Marteszibellina)、駝鹿(Alcesalces)、馬鹿(Cervuselaphus)、狍(Capreoluscapreolus)、原麝(Moschusmoschiferus)、棕熊(Ur-susarctos)、雪兔(Lepustimidus)、東北鼠兔(Ochotonahyper-borea)等。其中紫貂、棕熊、水獺、馬鹿、駝鹿和雪兔屬于中國(guó)瀕危及受威脅物種。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

收集2012年大興安嶺盤(pán)古林場(chǎng)森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)，共有小班6 421個(gè)，其中有林地為6 132個(gè)。小班調(diào)查因子包括海拔、坡位、坡度、坡向、林分年齡、優(yōu)勢(shì)樹(shù)種、郁閉度、平均胸徑和平均樹(shù)高等。主要林分類(lèi)型有：天然落葉松林、天然白樺林、針葉混交林和針闊混交林。圖1為盤(pán)古林場(chǎng)1∶50 000地形林相圖。

2.2 生境適宜性評(píng)價(jià)因子的確定

生境適宜性評(píng)價(jià)中主要是選擇影響物種潛在分布的生態(tài)因子作為評(píng)價(jià)因子，在對(duì)野生動(dòng)物進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)主要考慮地理環(huán)境因子(溫度、光照、水源、海拔、坡度、坡向等)；(生物環(huán)境因子(植被類(lèi)型、水源等)和人類(lèi)干擾因子(居民、交通、采伐等)[15]。本文通過(guò)選取海拔、坡度、坡位、坡向及與水源距離5個(gè)地理環(huán)境因子；植被類(lèi)型、林分年齡、郁閉度、平均胸徑和平均樹(shù)高5個(gè)生物環(huán)境因子；人類(lèi)干擾因子中的與道路距離等共11個(gè)因子，對(duì)大興安嶺盤(pán)古林場(chǎng)紫貂的生境適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)因子等級(jí)及類(lèi)型劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1。

表1 盤(pán)古林場(chǎng)紫貂生境適宜性評(píng)價(jià)因子等級(jí)及類(lèi)型劃分標(biāo)準(zhǔn)

選定的評(píng)價(jià)因子中，海拔、坡位、植被類(lèi)型、林分年齡、郁閉度、平均胸徑和平均樹(shù)高、與水源距離和與道路距離可以直接按照表1賦值；其中與水源和道路距離是通過(guò)近鄰分析計(jì)算每個(gè)小班與地理環(huán)境因素中水源和人類(lèi)干擾因素中道路的距離得到的；坡度、坡向需要按照表2、表3歸類(lèi)和劃分。

表2 坡向的劃分標(biāo)準(zhǔn)

表3 坡度的劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.3 生境適宜性評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定

層次分析法(AHP)，是20世紀(jì)70年代提出的一種將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解成多個(gè)因素，定性和定量分析的決策方法[16]。其基本原理是：根據(jù)評(píng)價(jià)體系中各因子的邏輯及相互作用關(guān)系的重要性，得到各因子的權(quán)重。層次分析法在評(píng)價(jià)體系中被作為確定權(quán)重的重要方法之一。本文通過(guò)層次分析法得到各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重(表4)。

2.4 生境適宜性指數(shù)計(jì)算

(1)

表4 各因子權(quán)重表

采用ArcGIS10.5分別對(duì)地理環(huán)境因素、生物因素和人類(lèi)干擾因素進(jìn)行空間分析；通過(guò)分析單因素適宜性特征來(lái)確定這些因素對(duì)紫貂生境選擇的影響，多因素加權(quán)疊加最終得出盤(pán)古林場(chǎng)紫貂生境適宜性綜合分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素的適宜性特征

通過(guò)上述方法得到地理環(huán)境因素、生物因素和人類(lèi)干擾因素適宜性等級(jí)分布圖(圖2)。地理環(huán)境因素的適宜性特征為：根據(jù)前人對(duì)紫貂實(shí)際分布情況的觀察來(lái)看，紫貂更偏愛(ài)選擇海拔較高的地區(qū)，距水源距離較近，溫暖的陽(yáng)坡，坡度平緩的中下坡位。從圖2得知盤(pán)古林場(chǎng)的地理環(huán)境因素適宜區(qū)域分布較為分散，其主要特征為海拔在800～1 300 m，坡向?yàn)殛?yáng)坡，坡度平緩且坡位為中下坡，距水源距離在0～500 m，總面積約為109.11 km2。地理環(huán)境因素較適宜區(qū)域面積較大，總面積約為1 071.31 km2。

生物因素的適宜性特征為：前人對(duì)紫貂生境選擇的研究成果表明，紫貂喜歡選擇以落葉松為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的成、過(guò)熟針葉林或針闊混交林；中等蓋度且平均胸徑和平均樹(shù)高較大的林地回避無(wú)林地，這樣既有利于捕食獵物，又可以降低被捕食的風(fēng)險(xiǎn)。從圖2得知盤(pán)古林場(chǎng)生物因素適宜區(qū)域主要分布在西南部，總面積約27.63 km2；其主要特征為：郁閉度在0.4～0.8，優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為落葉松的成、過(guò)熟針葉林，平均胸徑大于等于20 cm且平均樹(shù)高不小于20 m。而不適宜區(qū)域分布較為集中，主要在北部和西北部區(qū)域，總面積約為79.84 km2。

人類(lèi)干擾因素的適宜性特征：本文的人類(lèi)干擾因素主要選擇的是距道路和鐵路的距離，原因在于盤(pán)古林場(chǎng)內(nèi)居民點(diǎn)等人類(lèi)活動(dòng)區(qū)域較少，干擾強(qiáng)度較小。從以往的研究來(lái)看紫貂更喜歡選擇距道路和居民距離較遠(yuǎn)的區(qū)域，也就是遠(yuǎn)離人類(lèi)活動(dòng)的區(qū)域；距道路距離大于1 500 m為適宜區(qū)域，總面積約為160.1 km2，距離在600～1 500 m為較適宜區(qū)域。

3.2 多因素的適宜性特征

根據(jù)單因素適宜性分析的結(jié)果結(jié)合相對(duì)應(yīng)的權(quán)重，進(jìn)行加權(quán)疊加分析，并參考相應(yīng)的文獻(xiàn)得出其適宜區(qū)域特征為：海拔在800～1 300 m，坡向?yàn)殛?yáng)坡，坡度小于15°的中下坡，可以保證充足的陽(yáng)光且避風(fēng)；與水源距離在0～500 m可以保證充足的水源；與道路距離大于1 500 m遠(yuǎn)離人類(lèi)活動(dòng)；郁閉度在0.4～0.8，優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為落葉松的成、過(guò)熟針葉林且平均胸徑大于等于20 cm，平均樹(shù)高不小于20 m，滿(mǎn)足其對(duì)捕食環(huán)境的需求(圖3)。

3.3 紫貂生境適宜性評(píng)價(jià)

為了更為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)大興安嶺盤(pán)古林場(chǎng)紫貂的生境適宜性，本研究將分區(qū)的臨界值做出相對(duì)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。具體劃分標(biāo)準(zhǔn)為：IHS的取值在[1.6～2.0]，[1.0～1.6)，[0～1)分別對(duì)應(yīng)的適宜性等級(jí)為適宜、較適宜和不適宜。根據(jù)上述等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出盤(pán)古林場(chǎng)紫貂生境適宜區(qū)域的面積為28.31 km2，占總面積的2.46%；較適宜區(qū)域的面積為867.98 km2，占總面積的72.74%；不適宜區(qū)域的面積為296.9 km2，占總面積的24.8%(圖4)。

4 結(jié)論與討論

長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)野生動(dòng)物生境選擇的研究都是以生境3要素食物、水和隱蔽為中心展開(kāi)的[17]，而生境適宜性評(píng)價(jià)則是通過(guò)分析物種對(duì)環(huán)境中關(guān)鍵因子(食物、水和隱蔽等)的需求,構(gòu)建出物種生境選擇模型來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。但本文的評(píng)價(jià)因子中并沒(méi)有選取類(lèi)似食物資源豐富度等與食物有關(guān)的因子。因?yàn)橥ㄟ^(guò)包新康等[18]人對(duì)大興安嶺紫貂食物組成的分析認(rèn)為：紫貂對(duì)食物選擇性較為廣泛，許多植物性和動(dòng)物性食物都可以成為其食物來(lái)源，紫貂常見(jiàn)的食譜包括小型嚙齒類(lèi)、松籽、鳥(niǎo)類(lèi)和漿果，所以紫貂被稱(chēng)為廣食性捕食者。本文從地理環(huán)境因素、生物環(huán)境因素和人類(lèi)干擾因素3個(gè)方面選取11個(gè)因子，通過(guò)計(jì)算生境適宜性指數(shù)，從而對(duì)盤(pán)古林場(chǎng)紫貂的生境適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，運(yùn)用GIS進(jìn)行分析使分析結(jié)果更準(zhǔn)確直觀。

紫貂的最優(yōu)生境特征與張洪海等[19-21]人對(duì)大興安嶺地區(qū)紫貂分布及對(duì)生境選擇的研究結(jié)果相似。海拔較高，坡向?yàn)殛?yáng)坡，坡度平緩的中下坡，距水源距離較近，遠(yuǎn)離人類(lèi)活動(dòng)的干擾；以落葉松為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種中等蓋度且平均胸徑和平均樹(shù)高較大的成、過(guò)熟針葉林。

為了進(jìn)一步保護(hù)紫貂的生存環(huán)境，提高紫貂的生境適宜性，適宜和較適宜區(qū)域應(yīng)該成為重點(diǎn)保護(hù)的生境。通過(guò)對(duì)適宜區(qū)域和較適宜區(qū)域小班生境特征的分析，結(jié)合上述多因素分析和評(píng)價(jià)結(jié)果，針對(duì)較適宜的小班提出合理的經(jīng)營(yíng)建議。本文中當(dāng)?shù)乩憝h(huán)境因素和人類(lèi)干擾因素適宜時(shí)，較適宜的小班個(gè)數(shù)也就是可經(jīng)營(yíng)小班的個(gè)數(shù)共635個(gè)，面積為121.63 km2，占總面積12.16%。從優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的角度：紫貂的適宜生境以興安落葉松為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的針葉林，對(duì)于闊葉林應(yīng)先進(jìn)行低強(qiáng)度上層木撫育間伐，伐除無(wú)培育前途的、低質(zhì)低效的、生長(zhǎng)落后的林木，后采取林冠下補(bǔ)植大興安嶺地帶性頂級(jí)植被興安落葉松的經(jīng)營(yíng)措施。從郁閉度的角度：紫貂的適宜生境郁閉度在0.4～0.8之間，對(duì)于郁閉度大于0.8的林分進(jìn)行撫育采伐，并結(jié)合《森林撫育規(guī)程(GB/T 15781—2015)》[22]中采伐后林分郁閉度不低于0.6的要求，確定合理的采伐強(qiáng)度，使其郁閉度達(dá)到適宜生境區(qū)域同時(shí)符合撫育規(guī)程的要求。對(duì)于郁閉度小于0.4的稀疏林分，結(jié)合人工促進(jìn)天然更新等經(jīng)營(yíng)措施，營(yíng)造適宜生境。而對(duì)于林況較差，林相殘破的中幼齡林分，采取封山保育，盡量減少人為干擾因素影響。

由于人類(lèi)活動(dòng)的干擾，可導(dǎo)致野生動(dòng)物生境破碎化。本文的人類(lèi)干擾因素只選擇了與道路之間的距離，而國(guó)內(nèi)學(xué)者李月輝等[23]在研究采伐對(duì)大興安嶺呼中區(qū)紫貂生境格局的影響中表示：不合理的采伐量和采伐格局會(huì)影響林分年齡、郁閉度等生物因子。從而損害紫貂的適宜生境，導(dǎo)致其種群數(shù)量下降。國(guó)外學(xué)者Fuller et al.[24]等在對(duì)美洲豹研究時(shí)，證明了在采伐影響下美洲豹減少了對(duì)生境的利用率。李義明[25]認(rèn)為采伐時(shí)和采伐后均會(huì)對(duì)野生動(dòng)物的生境產(chǎn)生一定影響。同時(shí)考慮數(shù)據(jù)的實(shí)際情況，本文在對(duì)紫貂的生境適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)沒(méi)有考慮氣候、物種內(nèi)和種間的捕食和競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的影響。只選取了對(duì)紫貂生境適宜性影響較大的因子，所以得到的適宜生境區(qū)域的面積與實(shí)際適宜生境面積會(huì)存在一定差異?？梢栽诤罄m(xù)的研究中彌補(bǔ)該方面的不足。而通過(guò)對(duì)瀕危和珍稀物種生境適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以更好更有效的了解使其至危的因素，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，對(duì)野生動(dòng)物的保護(hù)具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。