王朗自然保護(hù)區(qū)大熊貓生境適宜性及潛在活動(dòng)區(qū)域1)

林玲 王衛(wèi)紅 冉茂瑩 耿詩(shī)畫(huà) 楊元繼

(西南科技大學(xué)，綿陽(yáng)，621010)

大熊貓是我國(guó)獨(dú)有的古老珍稀動(dòng)物，是世界生物多樣性保護(hù)的旗艦物種，被稱(chēng)為“國(guó)寶”和“活化石”[1-2]。大量研究表明，頻繁的地質(zhì)災(zāi)害和人類(lèi)活動(dòng)是造成大熊貓數(shù)量減少和棲息地退縮、破碎化的主要原因[3-4]。目前，大熊貓主要分布在我國(guó)四川、陜西、甘肅三省，涉及四川境內(nèi)的岷山、邛崍山、大小相嶺及涼山山系，陜西秦嶺和甘肅白水江片區(qū)[5]。

自然災(zāi)害和人類(lèi)活動(dòng)的干擾是棲息地退縮和破碎化加劇的主要原因，研究其對(duì)大熊貓生境的影響對(duì)保護(hù)大熊貓及其棲息地具有重要意義[6-7]。早期生境研究技術(shù)手段不成熟，主要是定性分析；隨3s技術(shù)和數(shù)理模型的引入，研究大熊貓生境的方法、方向、技術(shù)手段層出不窮[8-10]。目前，較常用的生境評(píng)價(jià)模型主要分為3類(lèi)：機(jī)理模型、回歸模型、生態(tài)位模型[11-12]。其中層次分析法(AHP)、邏輯回歸模型結(jié)合GIS技術(shù)從環(huán)境角度綜合評(píng)價(jià)生境運(yùn)用較成熟，單獨(dú)使用AHP較單一，部分研究者采用邏輯回歸結(jié)合其他數(shù)學(xué)模型綜合評(píng)價(jià)生境更有優(yōu)勢(shì)[13-15]。近年來(lái)，Maxent模型是最具有代表、結(jié)果精度較高、最常用的生態(tài)位模型，根據(jù)少量物種分布點(diǎn)和環(huán)境變量就可以較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)物種分布概率，但其結(jié)果受物種分布限制[16-18]。良好的預(yù)測(cè)能力使其廣泛的運(yùn)用在瀕危珍惜物種、物種入侵、植物病蟲(chóng)害的潛在分布區(qū)域預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，在地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)中也有較好的運(yùn)用[19-21]。

王朗位于斷裂地層之上，其外圍地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地震活動(dòng)頻繁發(fā)生。境內(nèi)動(dòng)植物豐富，屬于岷山山系九寨—白馬局域種群的核心組成部分，也是大熊貓國(guó)家公園的重要組成部分[22]。本文考慮地質(zhì)災(zāi)害影響，引入災(zāi)害點(diǎn)密度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，完善王朗大熊貓生境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；克服單一使用AHP評(píng)價(jià)生境缺陷，采用AHP-PCA熵權(quán)法評(píng)價(jià)生境，評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害影響下大熊貓生境適宜性，同時(shí)結(jié)合Maxent模型預(yù)測(cè)生境適宜性結(jié)果，探討AHP-PCA熵權(quán)法準(zhǔn)確性和實(shí)用性；基于兩種方法所得結(jié)果分析大熊貓棲息地可能的擴(kuò)張區(qū)域，以期為大熊貓生境評(píng)價(jià)和棲息地建設(shè)提供新思路，為大熊貓等珍稀動(dòng)物的保護(hù)提供數(shù)據(jù)參考和相關(guān)建議。

1 研究區(qū)概況

王朗國(guó)家自然保護(hù)區(qū)位于四川省綿陽(yáng)市平武縣西北部，總面積322.97 km2，地處東經(jīng)103°50′～104°58′，北緯32°49′～33°2′，西南臨松潘縣黃龍寺，東南接壤于平武縣白馬藏族鄉(xiāng)，東北臨九寨溝縣，北臨勿角。位于橫斷山北緣的川西高山峽谷地區(qū)，青藏高原與四川盆地的接合部。保護(hù)區(qū)地勢(shì)由西北向東南傾斜，海拔高度為2 300～4 980 m。境內(nèi)氣候呈垂直分布趨勢(shì)，隨海拔升高依次表現(xiàn)為暖溫帶、溫帶、寒溫帶、亞寒帶、冰凍帶。保護(hù)區(qū)內(nèi)水資源豐富，動(dòng)植物資源豐富，主要有大熊貓、金絲猴等珍稀保護(hù)動(dòng)物。保護(hù)區(qū)內(nèi)森林面積約169.40 km2，約占保護(hù)區(qū)總面積的52.1%。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

整理搜集相關(guān)研究資料及圖件資料，基于ArcGIS10.2得到相關(guān)矢量化成果，統(tǒng)一所有數(shù)據(jù)坐標(biāo)系。(1)利用王朗矢量圖裁剪出境內(nèi)的河流、道路矢量數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行緩沖區(qū)分析和依據(jù)表1重分類(lèi)；(2)基于歷史資料和Google Earth解譯獲取保護(hù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)共24個(gè)，對(duì)其進(jìn)行核密度分析，獲得災(zāi)害點(diǎn)密度并重分類(lèi)；(3)大熊貓蹤跡分布和竹子分布數(shù)據(jù)主要來(lái)源于全國(guó)大熊貓第三次調(diào)查報(bào)告和張巍巍[14]資料；(4)數(shù)字高程模型為SRTM 30m的DEM數(shù)據(jù)，拼接、裁剪出王朗的DEM數(shù)據(jù)，提取研究區(qū)海拔、坡度、坡向柵格圖層，根據(jù)表1對(duì)其重分類(lèi)；(5)植被分布：結(jié)合Google影像，采用最大似然法對(duì)2014年6月的landsat8遙感影像監(jiān)督分類(lèi)，采用混淆矩陣對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)定，總體分類(lèi)精度達(dá)到97.16%，其中Kappa系數(shù)值為96.34%。

2.2 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

對(duì)大熊貓生境質(zhì)量評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度取決于評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取，評(píng)價(jià)指標(biāo)越具有代表性，生境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果越好。參考相關(guān)大熊貓歷史記載和調(diào)查資料[23-24]，結(jié)合王朗實(shí)際生態(tài)地質(zhì)環(huán)境情況，最后確定海拔、坡度、坡向、距河流距離、植被類(lèi)型、竹子分布、距道路距離、自然災(zāi)害點(diǎn)密度共8類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)。參考張巍巍[14]等指標(biāo)分級(jí)原則和王朗實(shí)際情況，劃分各評(píng)價(jià)因子分級(jí)原則，依據(jù)不同分級(jí)范圍，將各因子劃分為最適宜、適宜、次適宜、不適宜4類(lèi)，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及分級(jí)原則見(jiàn)表1。評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)圖見(jiàn)圖1。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分級(jí)范圍及準(zhǔn)則

2.3 基于AHP-PCA確定指標(biāo)權(quán)重

權(quán)重值大小體現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)生境的影響程度，權(quán)重值越大，說(shuō)明影響越大，反之越小。考慮到指標(biāo)的復(fù)雜多樣和自相關(guān)性，首先采用層次分析法(AHP)和主成分分析法(PCA)確定各自權(quán)重值，然后建立最小信息熵權(quán)模型計(jì)算綜合權(quán)重。其一，利用AHP確定權(quán)重，基于上述評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和指標(biāo)分級(jí)原則，構(gòu)造判斷矩陣，采用1～9的標(biāo)度來(lái)表示指標(biāo)重要性，對(duì)同層次因子兩兩比較賦值，得到各層次比較矩陣。采用方根法[14]，結(jié)合MATLAB計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算出一致性比例(RC)值均小于0.1，均滿足要求。AHP評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表2。其二，利用PCA確定權(quán)重，基于ArcGIS和指標(biāo)分級(jí)處理的基礎(chǔ)，提取各指標(biāo)的柵格值，在SPSS中進(jìn)行主成分分析，最后選擇特征值大于1(累計(jì)貢獻(xiàn)率≥80%)的3個(gè)代表主成分，將其作為影響王朗生境質(zhì)量的主導(dǎo)因素，利用Excel統(tǒng)計(jì)功能，結(jié)合特征值和成分矩陣計(jì)算出各指標(biāo)的歸一化權(quán)重。其初始特征值、各主成分得分系數(shù)矩陣如表3、4所示。通過(guò)表4可知，第一主成分結(jié)果體現(xiàn)出竹子分布、植被分布、海拔以及距河流距離和距道路距離的貢獻(xiàn)率較大；第二主成分中體現(xiàn)了災(zāi)害點(diǎn)密度和坡向貢獻(xiàn)率較大；第三主成分中體現(xiàn)了坡度貢獻(xiàn)率較大。

最后，基于最小信息熵原理將AHP和PCA得到的組合權(quán)重作為最終權(quán)重，利用最終權(quán)重在ArcGIS中對(duì)各指標(biāo)圖層進(jìn)行線性加權(quán)疊加，得到基于AHP-PCA熵權(quán)法的大熊貓生境適宜度結(jié)果。該方法克服了AHP的主觀影響，又避免了單一方法計(jì)算權(quán)重的弊端。最小相對(duì)信息熵原理模型[25]為：

(1)

(2)

式中：W1i為AHP計(jì)算權(quán)重值；W2i為PCA計(jì)算權(quán)重值；Wi為各指標(biāo)組合權(quán)重。

圖1 各指標(biāo)分級(jí)圖

2.4 最大熵模型(Maxent)

將大熊貓足跡分布數(shù)據(jù)和上述8個(gè)環(huán)境變量因子按照Maxent要求格式導(dǎo)入，隨機(jī)選取75%的足跡分布點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)集，25%的足跡分布點(diǎn)作為驗(yàn)證集，采用刀切法，受試者工作特征曲線(ROC)下的面積(AUC)值曲線下面積為結(jié)果精度，以10次重復(fù)模擬平均值作為最終結(jié)果。通過(guò)模型計(jì)算，得到訓(xùn)練集AUC值為0.896，驗(yàn)證集AUC值為0.872，說(shuō)明模型對(duì)大熊貓生境適宜性的預(yù)測(cè)結(jié)果良好。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重值

表3 各成分初始特征值

表4 指標(biāo)成分矩陣及權(quán)重

通過(guò)Maxent模型自帶刀切法檢驗(yàn)各單一環(huán)境指標(biāo)對(duì)物種分布的重要性。通過(guò)逐一剔除環(huán)境變量，利用剩余的變量參與運(yùn)算，以柱狀圖(圖3)形式表示各變量對(duì)模型的貢獻(xiàn)。可知，海拔、竹子、植被對(duì)模型的影響較大，其中海拔表現(xiàn)出了最大的增益，說(shuō)明海拔獨(dú)立使用時(shí)比其他因子體現(xiàn)出更多有用的信息，對(duì)大熊貓生境的影響最大；其次，竹子分布、植被分布也提供了較大的增益，其對(duì)大熊貓生境的影響較大。距道路距離、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度、坡度對(duì)模型的影響一般，有適度增益，單獨(dú)使用時(shí)包含信息一般；坡向、距河流距離單獨(dú)使用時(shí)提供增益最低，對(duì)生境的影響最小?？芍Ｗo(hù)區(qū)內(nèi)的海拔、竹子分布、植被分布是影響大熊貓生境質(zhì)量的主要影響因子，道路、地質(zhì)災(zāi)害、坡度對(duì)生境質(zhì)量有一定影響。

圖2 各環(huán)境變量預(yù)測(cè)結(jié)果ROC曲線驗(yàn)證

圖3 刀切法檢驗(yàn)的8個(gè)環(huán)境變量的重要性

3 結(jié)果與分析

3.1 生境適宜性分析

在ArcGIS中對(duì)AHP-PCA熵權(quán)法評(píng)價(jià)結(jié)果按照自然間斷點(diǎn)分級(jí)法(Jenks)進(jìn)行重分類(lèi)，將適宜度劃分為不適宜、次適宜、適宜、最適宜4類(lèi)，并通過(guò)SPSS進(jìn)行結(jié)果精度驗(yàn)證，其ROC曲線值為0.765，說(shuō)明其預(yù)測(cè)結(jié)果良好，將大熊貓足跡分布點(diǎn)與適宜度分布結(jié)果疊置分析，得到大熊貓的生境適宜度分布(圖4)。將Maxent模型輸出結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS，轉(zhuǎn)化為可處理的柵格數(shù)據(jù)，根據(jù)Maxent模型輸出的最低存在閾值(TH)、最大測(cè)試靈敏度和特異性的邏輯閾值及平衡訓(xùn)練遺漏率、預(yù)測(cè)面積和閾值的邏輯閾值對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行重分類(lèi)[19，26]，將王朗大熊貓生境適宜性劃分為不適宜、次適宜、適宜、最適宜(圖5)。經(jīng)計(jì)算，得到兩種方法生境適宜性相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表5)。

圖4 AHP-PCA生境適宜性結(jié)果

圖5 Maxent生境適宜性結(jié)果

表5 各生境適宜區(qū)面積及占研究區(qū)總面積統(tǒng)計(jì)

從上述圖表可知兩種方法得到的生境適宜性分布、面積及所占比例。Maxent模型在小樣本量下的優(yōu)秀預(yù)測(cè)能力基本保證了大熊貓棲息地適宜性模型的準(zhǔn)確性和可靠性。AHP-PCA得到的最適宜、適宜區(qū)域與Maxent模型所預(yù)測(cè)的面積及占比相近，說(shuō)明AHP-PCA也能夠較好、較準(zhǔn)確評(píng)價(jià)王朗大熊貓生境適宜分布狀況。整體來(lái)說(shuō)，兩種方法得到的適宜、最適宜區(qū)域重疊度較高，主要位于王朗東部、東北部及大窩函、竹根岔、長(zhǎng)白溝區(qū)域，該區(qū)域植被覆蓋度較高、林下植被豐富，靠近水源，受干擾較小，是大熊貓等珍稀動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)聚集地；AHP-PCA與Maxent模型得到的次適宜區(qū)域面積大小接近，但分布范圍有一定差異，主要是AHP-PCA預(yù)測(cè)得到在西南地區(qū)有部分次適宜區(qū)域，次適宜區(qū)域主要分布在三大主溝往上的中高海拔處，分布著少數(shù)針葉林、亞高山灌叢和草地，大熊貓等動(dòng)物分布較少；不適宜區(qū)域主要在西、南部高海拔區(qū)域，主要分布冰川、高山流石灘、草甸等，是極為不適合大熊貓生存之地，既無(wú)食物，也無(wú)躲避敵害的容身之所，沒(méi)有大熊貓的存在。

3.2 大熊貓潛在活動(dòng)區(qū)域

AHP-PCA得到的結(jié)果僅與該區(qū)域的環(huán)境指標(biāo)相關(guān)，與該區(qū)域是否有大熊貓無(wú)關(guān)，是從環(huán)境角度評(píng)價(jià)可能適宜大熊貓分布區(qū)域；Maxent模型結(jié)果受大熊貓分布影響，預(yù)測(cè)大熊貓的分布概率更加準(zhǔn)確。

本文利用兩方法各自的優(yōu)勢(shì)性，考慮將Maxent模型預(yù)測(cè)結(jié)果以外的AHP-PCA預(yù)測(cè)的最適宜、適宜區(qū)域作為大熊貓的潛在活動(dòng)區(qū)域，該范圍存在大熊貓出現(xiàn)的可能，在該區(qū)域做一定保護(hù)工作和相關(guān)措施是非常有必要的。在ArcGIS中分別提取出AHP-PCA和Maxent模型預(yù)測(cè)的最適宜和適宜結(jié)果，經(jīng)柵格計(jì)算器對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行差值運(yùn)算，得到圖6淺黃色區(qū)域，面積約為30.36 km2，主要是大窩函及竹根岔溝的西南方向延伸區(qū)域，該區(qū)域海拔較低，植被豐富、靠近水源；其次，少數(shù)區(qū)域分布在東北部的道路、河流附近，可能存在熊貓下山喝水的情況。故從環(huán)境角度出發(fā)，淺黃色區(qū)域也是適合大熊貓的生存活動(dòng)，大熊貓存在一定的出現(xiàn)概率，該區(qū)域在棲息地?cái)U(kuò)張劃定、大熊貓保護(hù)方面具有一定參考價(jià)值。

圖6 潛在擴(kuò)張區(qū)域范圍

4 結(jié)論與討論

大熊貓數(shù)量、棲息環(huán)境、活動(dòng)區(qū)域的研究相對(duì)成熟，在保護(hù)大熊貓安全的同時(shí)研究其生存環(huán)境對(duì)大熊貓的影響也不容忽視[27]。近年來(lái)，對(duì)大熊貓的研究逐漸轉(zhuǎn)向生境質(zhì)量、生境適宜性、氣候、其他物種等對(duì)大熊貓生存活動(dòng)的影響[28-29]。目前，關(guān)于生境研究體系中，考慮地質(zhì)災(zāi)害對(duì)大熊貓的生存活動(dòng)影響類(lèi)研究相對(duì)缺乏，本文以王朗自然保護(hù)區(qū)為例，在生境評(píng)價(jià)模型中引入地質(zhì)災(zāi)害潛在影響，確定海拔、坡度、坡向、距河流距離、植被、竹子分布、道路干擾、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)8類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)王朗大熊貓生境適宜性。其結(jié)論如下：

其一，引入地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度的AHP-PCA法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重，考慮因素更全面，完善了已有的王朗生境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。通過(guò)AHP-PCA法和Maxent模型所得結(jié)果對(duì)比分析，可知AHP-PCA法能夠較好、較準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)王朗大熊貓生境適宜性。其二，結(jié)合大熊貓分布和上述環(huán)境指標(biāo)，利用Maxent模型預(yù)測(cè)大熊貓分布概率和生境適宜性。結(jié)果表明：受海拔、竹子、植被分布的影響，大熊貓主要分布在王朗東北部海拔較低、食物充足的林下竹叢。該預(yù)測(cè)結(jié)果與歷史調(diào)查中大熊貓喜歡在海拔較低、植被豐富郁閉度較高的林下竹林生活相吻合[30]。其中地質(zhì)災(zāi)害和道路對(duì)大熊貓活動(dòng)有一定影響，大熊貓會(huì)主動(dòng)遠(yuǎn)離人類(lèi)活動(dòng)頻繁區(qū)域和地質(zhì)災(zāi)害較多區(qū)域[31]。其三，ArcGIS差值分析得到了潛在可能的大熊貓活動(dòng)區(qū)域，主要為大窩函及竹根岔溝的西南方向延伸區(qū)域。此外，鑒于上述成果，從方法應(yīng)用適宜性的角度考慮，AHP-PCA法評(píng)價(jià)生境適宜度不受物種限制，只與環(huán)境指標(biāo)相關(guān)，若考慮棲息地的監(jiān)測(cè)、保護(hù)以及棲息地的擴(kuò)張方面，運(yùn)用AHP-PCA法評(píng)估研究區(qū)的生境適宜度不失為一種好方法。