陜西洋縣朱鹮生境適宜性評價

孔曉霞，鄭 偉，高煥霖，徐儀瑋，張明浩，張青峰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊陵 712100)

生境是野生動物賴以生存的環(huán)境[1]，生境適宜性評價是通過分析研究各環(huán)境因子與適宜動物生存的環(huán)境之間的關(guān)系，進(jìn)而明確研究范圍內(nèi)適合動物生存分布的區(qū)域。朱鹮(Nipponianippon)屬于鸛形目(Ciconiiformes)鹮科(Threskio-rnithidae)動物，是國家一級重點(diǎn)保護(hù)動物，曾遍布中國東部、日本、俄羅斯、朝鮮和韓國等地[2]。20世紀(jì)中期，由于生境惡化導(dǎo)致野生朱鹮種群數(shù)量急劇下降，幾乎絕滅[3]。至20世紀(jì)80年代僅在陜西省洋縣秦嶺南麓發(fā)現(xiàn)7只野生種群，后經(jīng)近40 a的保護(hù)和拯救工作，目前種群數(shù)量已擴(kuò)展到5 000余只，其中中國境內(nèi)4 400只，陜西境內(nèi)4 100只，朱鹮受危等級由極危降為瀕危，棲息地由最初發(fā)現(xiàn)時的陜西洋縣姚家溝逐步向東亞歷史分布地恢復(fù)，呈現(xiàn)出以秦嶺為中心向四周擴(kuò)散的趨勢[4]。地處秦嶺南麓漢中盆地東緣，北依秦嶺、南靠巴山的洋縣，因具有獨(dú)特的地理、氣候條件，森林覆蓋率較高，成為野生朱鹮生長的自然樂園。21世紀(jì)以來，隨著全面保護(hù)和生態(tài)修復(fù)，秦嶺生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善，朱鹮種群進(jìn)入加速復(fù)壯階段，然而朱鹮的棲息地分布范圍依舊有限[5]，許多學(xué)者從巢穴點(diǎn)分布、氣候變化、人類干擾、道路、食物等角度出發(fā)對朱鹮的生境選擇進(jìn)行了較多的定量化研究[6-13]，但從地理空間位置角度出發(fā)，尚未有關(guān)于朱鹮生境適宜性與環(huán)境因子之間在生態(tài)學(xué)上所具有的數(shù)量關(guān)系報道。

本研究以陜西省洋縣為研究區(qū)，選取海拔、坡度、坡向、距水源距離、距水體距離、距濕地距離、植被類型、距道路距離及人口密度9個環(huán)境因子，基于層次分析法(AHP)構(gòu)建生境適宜指數(shù)(HSI)模型，并結(jié)合地理探測器，對朱鹮生境適宜性進(jìn)行評價分析，以期評估陜西洋縣朱鹮生境適宜性現(xiàn)狀，探究環(huán)境因子如何影響朱鹮生境適宜性以及這些環(huán)境因子的重要性，為陜西洋縣的朱鹮保護(hù)和棲息地管理提供合理化建議。

1 研究區(qū)概況

洋縣(33°02′-33°43′N，107°11′-108°33′E)，位于陜西省漢中市，總面積3 206 km2。全境地勢呈東、北高陡，南部低緩，中部低平，平均海拔1 500 m以上。區(qū)內(nèi)四季分明，光照充足，氣候溫和濕潤，年平均氣溫14 ℃左右，年平均降水量840 mm，屬北亞熱帶內(nèi)陸性季風(fēng)氣候。境內(nèi)河流水系發(fā)達(dá)，屬于長江流域漢江水系，水資源豐富。植被類型主要包括落葉闊葉林和常綠闊葉林，為朱鹮覓食活動提供了良好的條件。

2 研究方法

2.1 指標(biāo)選取和量化

生境適宜性評價的關(guān)鍵在于評價指標(biāo)的確定，影響朱鹮生境適宜性的因素歸納起來包括自然因素和人為因素2個方面，區(qū)域本身的自然地理狀況構(gòu)成生境適宜性的基礎(chǔ)條件，加之一系列的人為活動來影響生境適宜性的進(jìn)程[14]。根據(jù)以往的研究成果，結(jié)合實地考察并參考專家意見，本研究選取自然因素、生物因素、人為因素3個一級因素，海拔、坡度、坡向、距水源距離、距水體距離、距濕地距離、植被類型、距公路距離、人口密度9個二級因子，構(gòu)建朱鹮生境適宜性評價指標(biāo)體系。其中，自然因素以地形因子為主，生物因素以植被類型為主，人為因素主要是距道路距離和人口密度。

因各評價指標(biāo)性質(zhì)不同，無法直接進(jìn)行生境適宜性評價，因此，需對各評價指標(biāo)進(jìn)行量化處理。借鑒相關(guān)研究成果[6-12]，按照分等級賦值法對評價指標(biāo)因子進(jìn)行量化，具體評價準(zhǔn)則見表1。

表1 評價指標(biāo)因子量化準(zhǔn)則

2.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

對原始數(shù)據(jù)通過ArcGIS10.5軟件進(jìn)行相關(guān)處理。最后，需要統(tǒng)一邊界和坐標(biāo)系統(tǒng)(WGS_1984_UTM_Zone_48N)，并對所有柵格數(shù)據(jù)重采樣為30 m×30 m。所使用的數(shù)據(jù)來源見表2。

表2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)特征

2.3 生境適宜性評價方法

2.3.1 層次分析法(AHP) 層次分析法(AHP)是一種決策方法。該方法原理是將評價體系表示為有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，通過兩兩判斷比較并計算出各要素的權(quán)重，再根據(jù)綜合權(quán)重按最大權(quán)重原則，對決策方案的優(yōu)劣進(jìn)行排序，從而進(jìn)行定量決策分析。其具體步驟如下[16-17]：

2.3.1.1 構(gòu)造判斷矩陣 邀請相關(guān)專家進(jìn)行指標(biāo)間兩兩重要性的評判，構(gòu)建判斷矩陣A見表3。矩陣A的最大特征根λmax和其對應(yīng)的特征向量為W，滿足CW=λmaxW。特征向量W的分量就是各環(huán)境因子的權(quán)重。

表3 朱鹮生境適宜性判斷矩陣A

矩陣A的最大特征根λmax和其對應(yīng)的特征向量為W，滿足CW=maxW。特征向量W的分量就是各環(huán)境因子的權(quán)重。經(jīng)計算矩陣A的特征向量W見表4。

表4 各評價指標(biāo)的權(quán)重值

2.3.1.2 一致性檢驗 衡量一致程度的指標(biāo)C.I.(公式中用CI表示)，CI=(λmax)/(n-1)，n是矩陣的階數(shù)。R.I.為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，可根據(jù)n查表獲得。當(dāng)C.R.=C.I./R.I.≤0.1時，認(rèn)為矩陣A的不一致性可以接受，即計算得出的權(quán)重值可靠，反之，則需要重新調(diào)整判斷矩陣。

通過計算C.R.=0.057 7≤0.1，因此矩陣A具有高度的一致性。

2.3.2 生境適宜性模型 利用生境適宜性指數(shù)(habitat suitability index,HSI,公式中用HSI表示)的形式表征朱鹮的生境適宜程度[18]。HSI模型可利用性強(qiáng)且簡便經(jīng)典[19-20]，計算公式較多。由于不同環(huán)境因子對朱鹮生境適宜性影響程度不同，因此HSI模型采用加權(quán)平均法建立[21]

HSI=K1f1+K2f2+…+Kifi

(1)

式中:K1為第i個環(huán)境因子的權(quán)重；f1為第i個環(huán)境因子的適宜度SI，SI值分5類1、3、5、7、9。最后對HSI利用自然斷點(diǎn)法進(jìn)行該范圍內(nèi)朱鹮生境適宜性的劃分，分別表示為適宜、較適宜、一般適宜、較不適宜、不適宜。

2.3.3 地理探測器 地理探測器是一組探測空間分異性，并揭示其背后驅(qū)動力的統(tǒng)計學(xué)方法[22]。該方法假設(shè)地理事物在空間位置上總是特定存在，若在空間上地理事物變化與對其產(chǎn)生影響的某些環(huán)境因子之間具有顯著一致性，則這些環(huán)境對地理事物的發(fā)生與發(fā)展具有決定意義[23]。它既可以探測數(shù)值型和定性數(shù)據(jù)，還可以探測2個因子交互作用于因變量。而且在應(yīng)用時沒有過多的假設(shè)條件，克服了統(tǒng)計方法處理變量的局限性，因而在分析地理要素格局演變和地域空間分異等方面被廣泛應(yīng)用[24-25]。該計算模型由以下4個探測器組成。

2.3.3.1 分異及因子探測器 探測生境適宜度的空間分異性以及探測個環(huán)境因子多大程度上解釋了屬性生境適宜度的空間分異。其中影響因子xi對HSI空間分異特征的解釋力(q)可表達(dá)為

(2)

(3)

式中:L為自變量xi的分層數(shù)；Nh和N為層內(nèi)和區(qū)域內(nèi)的樣本數(shù)；σ2為樣本整體方差，當(dāng)σ2≠0時，模型成立；SSW是層內(nèi)方差之和；SST是樣本總方差；q∈[0,1]，q值越大，表明xi對HSI空間分異特征的解釋力越強(qiáng)。

2.3.3.2 交互探測器 識別不同風(fēng)險環(huán)境因子xi之間的交互作用，即評估環(huán)境因子間兩兩共同作用時是否會增加或減弱對因變量HSI的解釋力。假設(shè)q(x1)與q(x2)分別是影響因子x1和x2對HSI空間分異特征的解釋力，則q(x1∩x2)是兩因子交互作用后的解釋力，存在5種交互類型(表5)。

表5 交互探測器交互作用類型

2.3.3.3 風(fēng)險探測器 用于判斷2個子區(qū)域間的屬性均值是否有顯著的差別。

2.3.3.4 生態(tài)探測器 用于比較2個環(huán)境因子對HSI空間分布的影響是否有顯著的差異，以F統(tǒng)計量衡量。

(4)

(5)

式中，SSWX1和SSWX2分別為x1和x2形成的層內(nèi)方差之和；NX1和NX2表示2類因子的樣本數(shù)。其中零假設(shè)H0為SSWX1=SSWX2，如果在a的顯著性水平下拒絕H0，說明2類因子x1和x2對HSI空間分布的影響存在顯著差異。其中，Y代表存在顯著差異，N代表不存在顯著差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 洋縣朱鹮生境適宜性評價結(jié)果

利用ArcGIS10.5中的柵格計算工具，對生境適宜性評價指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行加權(quán)疊加分析，計算得到陜西洋縣生境適宜性空間分布圖(圖1)，1=適宜；3=較適宜；5=一般適宜；7=較不適宜；9=不適宜。由圖1可以看出，洋縣境內(nèi)朱鹮生境適宜性差異較大，且具有空間分異特征明顯，呈現(xiàn)“東、南、北高，中間和西低”的格局，主要受到自然因素、生物因素和人為因素3個方面的綜合影響。

圖1 陜西洋縣朱鹮生境適宜性空間分布

各適宜性等級的面積分布見表6，一般適宜所占比例最高，占研究區(qū)總面積的27.8%；其次為較適宜和較不適宜，分別占23.6%和24%；適宜和不適宜面積分布較小，分別僅占11.3%和13.4%。

表6 陜西洋縣朱鹮生境適宜性評價結(jié)果

適宜和較適宜生境面積分別為361.27 km2和756.22 km2，主要分布在洋縣東、南、北3個方向且靠近縣界，這些地區(qū)的地形復(fù)雜、坡度較大，闊葉林針葉林分布面積較大，且距濕地、水體、水源距離較近，受道路交通和居民點(diǎn)的干擾作用也較小。一般適宜生境面積為890.16 km2，其分布面積較多，絕大多數(shù)位于山間丘陵，植被以灌叢為主，距濕地、水體、水源距離相對較近，同時該地區(qū)受道路交通和居民點(diǎn)的干擾作用相對較大。

較不適宜和不適宜生境面積分別為770.75 km2和429.34 km2，其空間主要分布在洋縣北部山區(qū)和城區(qū)，二者特征具有較大并異：在洋縣北部山區(qū)呈零星分布，主要是由于這些地區(qū)海拔較高、坡度較大，受太陽照射影響較強(qiáng)，不適宜朱鹮生存；在洋縣城區(qū)呈大面積的連續(xù)集中分布，這主要是受到人口密度和道路網(wǎng)絡(luò)的影響，說明人類活動也是影響朱鹮生境適宜性的重要因素之一。

研究發(fā)現(xiàn)，朱鹮生境的許多適宜和較適宜區(qū)域被一般適宜、較不適宜和不適宜區(qū)域隔離，形成孤立狀態(tài)，空間分布較為分散，導(dǎo)致有的適宜小區(qū)域不易被朱鹮所利用?？傮w而言，這種生境適宜區(qū)域和較適宜區(qū)域在空間上的破碎狀態(tài)不利于朱鹮的擴(kuò)散?？梢?，從生境適宜性的空間分布格局考慮，洋縣朱鹮生境適宜性狀況不容樂觀。除地形、坡度、海拔、濕地、水源、水體和植被類型等自然因素影響外，人類活動的影響也不容忽視。

3.2 生境適宜性空間分異驅(qū)動機(jī)制分析

陜西洋縣朱鹮生境適宜性在空間上呈現(xiàn)了不同的表現(xiàn)力，為研究影響其變化的機(jī)制，本研究將9個環(huán)境因子評價指標(biāo)作為自變量，將生境適宜性作為因變量，在地理探測器模型中進(jìn)行探究分析。

因子探測器結(jié)果見表7，各環(huán)境因子的解釋力由大到小排序為距水體距離(0.501)、距水源距離(0.359)、植被類型(0.162)、海拔(0.155)、距道路距離(0.152)、距濕地距離(0.090)、人口密度(0.083)、坡度(0.047)、坡向(0.007)。

表7 單因子探測結(jié)果

由表7可以看出，所有探測因子的P值均為0，表明所選探測因子對HSI的空間分異特征均有顯著影響，均可作為影響因素對其分異性進(jìn)行分析。根據(jù)各環(huán)境因子的解釋力(q)的大小，將9個環(huán)境因子分為2個類型。一類以距水體距離、距水源距離、植被類型、海拔和距道路距離為代表，其解釋力q均在0.1以上，稱為主要驅(qū)動力；另一類以距濕地距離、人口密度、坡度和坡向為代表，其解釋力q均在0.1以下，稱為重要驅(qū)動力。

具體而言，朱鹮生活在溫帶山地森林和丘陵地帶，大多鄰近水稻田、河灘、池塘、溪流和沼澤等濕地環(huán)境地帶，主要以小魚、泥鰍、蛙、蟹、蝦、蝸牛、蟋蟀、蚯蚓、甲蟲、半翅目昆蟲、甲殼類以及其他昆蟲和昆蟲幼蟲等無脊椎動物和小型脊椎動物為食；繁殖季節(jié)的朱鹮，分散在栓皮櫟樹等高大的喬木樹上去筑巢、產(chǎn)卵，繁殖期3-5月。營巢于較少干擾的山地森林中，巢置于水域附近高大的栗樹、楊樹、松樹和其他樹的枝杈上。由此可知，距水體距離、距水源距離、植被類型、海拔、距道路距離是朱鹮生境適宜性的主要影響因子。

風(fēng)險探測與交互探測矩陣結(jié)果表明，與單個因子的解釋力相比，所有探測因子在相互作用后，對HSI空間分異特征的影響均存在協(xié)同增強(qiáng)的作用，且所有影響因子的效果均非獨(dú)立存在。由表8可見，朱鹮生境適宜性評價9項評價因子在進(jìn)行交互探測之后共產(chǎn)生了36項結(jié)果，分為2大類：雙因子增強(qiáng)21項，非線性增強(qiáng)15項。q(x1∩x2)最大為0.725，最小為0.007。

表8 風(fēng)險探測和交互探測矩陣

結(jié)合因子探測器、風(fēng)險探測器和交互探測器的結(jié)果，可以看到距水源距離、距水體距離、植被類型、距濕地距離、距道路距離、海拔6個環(huán)境因子變量無論是單個還是相互組合因子，其q都大于其他單個因子或組合因子。距水源距離和距水體距離組成的交互因子q最大，說明在同一水源(水體)等級下，即使水源(水體)距離相似，實際水源(水體)的空間分布差異也會增強(qiáng)朱鹮生境適宜性的空間異質(zhì)性。q(x1∩x2)為0.5以上交互作用的因子也均是距水源(水體)距離疊加其他因子。其中，距水體距離和距道路距離組成的交互因子q(0.602)，僅次于最高值(0.725)；距水體距離和距濕地距離組成的交互因子q(0.592)，居于第3。這也進(jìn)一步說明，在朱鹮生境適宜性評價中，人類活動扮演的角色越來越重要，禁止?jié)竦亻_發(fā)利用，加強(qiáng)對濕地生態(tài)保護(hù)工作也十分重要。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

基于AHP來構(gòu)建HSI模型，結(jié)合地理探測器對陜西洋縣朱鹮生境適宜性進(jìn)行評價并分析各個環(huán)境因子的重要性，得出以下結(jié)論。

1)洋縣朱鹮生境適宜性整體處于中等偏高水平。一般適宜所占面積比例最高，占總面積的27.8%。距水體距離、距水源距離、植被類型、海拔和距道路距離是洋縣朱鹮生境適宜性的主要影響因子。洋縣境內(nèi)水系屬長江流域漢江水系，包括漢江、湑水河等多條河流，河里的微生物、昆蟲等為朱鹮提供主要食物來源。植被以暖溫帶落葉闊葉林、北亞熱帶常綠闊葉林和落葉闊葉混交林為主，植被類型復(fù)雜多樣，優(yōu)勢種主要有栓皮櫟(Quercusvariabilis)、馬尾松(Pinusmassoniana)、麻櫟(Quercusacutissima)和油松(Pinustabuliformis)等，為朱鹮宿營地的選取提供了良好的條件[13]。

2)洋縣境內(nèi)朱鹮生境適宜區(qū)和較適宜區(qū)空間分布連貫性較差，空間分異特征明顯，呈現(xiàn)“東、南、北高，中間和西低”的格局。主要受到自然因素、生物因素和人為因素3個方面的綜合影響，其中，自然要素是生態(tài)系統(tǒng)各種因素長期共同作用的結(jié)果，也是生態(tài)系統(tǒng)和功能的最直接表現(xiàn)[15]。洋縣地理位置優(yōu)越，位于秦巴山區(qū)腹地，境內(nèi)大部分區(qū)域山高溝深，海拔高差相對懸殊，地形地貌多樣，加之河流水系發(fā)達(dá)，氣候溫和濕潤，降雨充沛，為朱鹮生存繁殖提供了優(yōu)良的環(huán)境[6]。但隨著目前科技的發(fā)展、交通的便捷，朱鹮棲息地受到人為干擾因素較多，且其相互作用關(guān)系復(fù)雜。居民日常山間耕作、林下活動、交通運(yùn)輸?shù)榷紩χ禧q生境適宜性產(chǎn)生影響[11]。

3)單因子中，對朱鹮生境適宜性空間分異特征解釋力較強(qiáng)的主要因子由大到小依次為距水體距離(0.501)、距水源距離(0.359)、植被類型(0.162)、海拔(0.155)、距道路距離(0.152)；其他環(huán)境因子的解釋力偏弱，q均未超過0.1。交互因子中：所有因子在交互作用下均具有協(xié)同增強(qiáng)作用；q(x1∩x2)為0.5以上交互作用的因子均是距水源(水體)距離疊加其他因子產(chǎn)生。其中，距水體距離和距道路距離組成的交互因子q(0.602)，僅次于q(距水體距離∩距水源距離)最高值(0.725)。朱鹮棲息于海拔1 200～1 400 m的疏林地帶，白天多在附近的溪流、沼澤及稻田內(nèi)涉水，夜晚在高大的樹木上筑巢，因此河流、適宜的海拔高度及植被、遠(yuǎn)離人類干擾是朱鹮棲息地選擇的必要條件。

本研究從地理空間位置角度出發(fā)，探討了陜西洋縣朱鹮生境適宜性現(xiàn)狀以及主要影響因子，在生態(tài)學(xué)上得到了具有明確數(shù)量關(guān)系的結(jié)論。但該結(jié)論在其他區(qū)域的普適性仍有待進(jìn)一步深入研究。

4.2 建議

1)目前洋縣朱鹮生境適宜性呈不連續(xù)狀，對朱鹮生長繁殖十分不利。建議通過對一般適宜地區(qū)、較不適宜地區(qū)采取生境保護(hù)措施，將破碎斑塊狀態(tài)的生境適宜區(qū)有效連通起來。沿漢江水系河流建立朱鹮自然保護(hù)帶，擴(kuò)大現(xiàn)有保護(hù)區(qū)范圍，加強(qiáng)洋縣境內(nèi)濕地的保護(hù)，明令禁止對濕地的開發(fā)利用，為朱鹮的棲息覓食提供良好的條件。由于朱鹮筑巢喜高大樹木，所以應(yīng)加大天然林保護(hù)工程的實施，封山育林，禁止亂砍濫伐，保證樹木高度、樹齡、胸徑達(dá)到朱鹮理想筑巢標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)現(xiàn)有朱鹮分布實際情況，科學(xué)制定朱鹮潛在棲息地保護(hù)發(fā)展規(guī)劃。

2)由于朱鹮性情孤僻而沉靜，對人類有很強(qiáng)的抵觸，因此在進(jìn)行生境保護(hù)的同時，一切從實際出發(fā)，將朱鹮生境適宜區(qū)內(nèi)人類活動集中的區(qū)域適當(dāng)外遷。在進(jìn)行生境保護(hù)的同時，適宜區(qū)的有效管理工作也不容忽視。繁殖期間禁止觀賞、游覽、會務(wù)、水上娛樂、休閑、度假等相關(guān)人類活動干擾。人類交通活動對朱鹮生境影響較大，但完全禁止適宜區(qū)內(nèi)的交通活動不切實際。建議合理規(guī)劃適宜區(qū)內(nèi)道路，采取主要道路保留，次要道路、林間小道等禁止通行，人類活動定量定時進(jìn)行，區(qū)內(nèi)道路限速禁止鳴笛等措施。

總體而言，生境適宜性的質(zhì)量直接決定著朱鹮種群的繁殖擴(kuò)大，今后應(yīng)因地制宜，科學(xué)合理保護(hù)朱鹮生境，確保朱鹮生境與縣域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，為未來朱鹮種群繁殖擴(kuò)大的長效安全運(yùn)行提供保障。