富愛華，郜二虎，布日古德，陳敏豪，提 楊，欒曉峰①

(1.北京林業(yè)大學(xué)生態(tài)與自然保護(hù)學(xué)院，北京 100083；2.國家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100714)

棲息地保護(hù)管理對(duì)野生動(dòng)物保護(hù)至關(guān)重要。對(duì)物種棲息地進(jìn)行分析和預(yù)測，可為其保護(hù)和管理提供理論依據(jù)[1]。越冬期是鳥類生命周期中最重要的時(shí)期之一，越冬地保護(hù)是維持鳥類種群數(shù)量的關(guān)鍵[2-3]。

物種分布模型是基于物種分布信息和環(huán)境信息，對(duì)物種的適宜棲息地進(jìn)行預(yù)測模擬的主要方法，在物種分布預(yù)測、環(huán)境因子篩選及物種多樣性變化方面得到廣泛應(yīng)用[4-5]。其中，最大熵模型(MaxEnt)僅需要物種分布點(diǎn)數(shù)據(jù)即可獲得很好的預(yù)測結(jié)果，在物種適宜棲息地預(yù)測方面得到廣泛應(yīng)用[6-8]。例如，在鳥類棲息地研究方面，MORENO等[9]通過MaxEnt模型對(duì)智利南部黑喉隱竄鳥(Pteroptochostarnii)和赭脅竄鳥(Eugrallaparadoxa)的適宜棲息地進(jìn)行預(yù)測；JIAO等[10]應(yīng)用MaxEnt模型對(duì)白鶴(Leucogeranusleucogeranus)、白頭鶴(Grusmonacha)、白枕鶴(Antigonevipio)和灰鶴(Grusgrus)4種鶴類在我國的越冬分布進(jìn)行預(yù)測和分析；吳偉偉等[11]基于MaxEnt模型對(duì)我國丹頂鶴(Grusjaponensis)繁殖期的分布進(jìn)行研究。MaxEnt模型是與ArcGIS結(jié)合效果較好且具有較高預(yù)測精度的生態(tài)位模型[12]，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用。

白琵鷺(Platalealeucorodia)為大中型遷徙水鳥，屬國家Ⅱ級(jí)保護(hù)物種。在全球有3個(gè)亞種，分別為指名亞種(P.l.leucorodia)、紅海亞種(P.l.archeri)和西非亞種(P.l.balsaci)，種群數(shù)量為63 000～65 000只左右，很多國家僅有幾百對(duì)繁殖種群，甚至在某些國家白琵鷺已經(jīng)滅絕[13]。在我國分布的白琵鷺為指名亞種，夏季在東北、西北和華北一帶繁殖，冬季主要在長江中下游一帶越冬，越冬種群數(shù)量為12 000只左右[14-15]。目前，我國關(guān)于白琵鷺越冬種群及棲息地的研究多是針對(duì)局部地區(qū)開展的，如：金杰鋒等[16]對(duì)鄱陽湖越冬種群分布進(jìn)行報(bào)道，胡維華等[17]對(duì)升金湖白琵鷺越冬生態(tài)進(jìn)行研究，李敏等[13]通過模型預(yù)測繁殖期白琵鷺在東北地區(qū)的適宜分布區(qū)。在全國尺度上，關(guān)于白琵鷺越冬棲息地分布及保護(hù)狀況的研究開展得較少，使得很難對(duì)其進(jìn)行科學(xué)、系統(tǒng)的保護(hù)。因此，該文基于ArcGIS和MaxEnt模型對(duì)我國白琵鷺越冬地進(jìn)行預(yù)測，對(duì)其越冬地保護(hù)狀況進(jìn)行分析，以期為白琵鷺研究及保護(hù)提供參考。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1白琵鷺分布數(shù)據(jù)的收集與處理

白琵鷺分布數(shù)據(jù)來源于2016年全國冬季水鳥同步調(diào)查，共有白琵鷺發(fā)現(xiàn)位點(diǎn)數(shù)據(jù)105個(gè)，涉及15個(gè)省份55個(gè)縣。為減少各位點(diǎn)間的空間自相關(guān)性，如果兩個(gè)位點(diǎn)之間直線距離小于2 km，僅隨機(jī)選取其中1個(gè)位點(diǎn)用于模型運(yùn)算，最終得到87個(gè)位點(diǎn)作為分布點(diǎn)數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 2016年全國冬季水鳥同步調(diào)查獲得的白琵鷺發(fā)現(xiàn)位點(diǎn)

1.1.2環(huán)境數(shù)據(jù)的選擇

根據(jù)前人的研究[18-21]，植被類型、地形、氣候、水源、土地利用和人為干擾等因素可能會(huì)對(duì)白琵鷺越冬地選擇產(chǎn)生影響。據(jù)此，選取25個(gè)環(huán)境因子作為白琵鷺越冬地的預(yù)測因子，涉及地形、植被、氣候、水源、土地利用和人為干擾6個(gè)方面。各環(huán)境因子數(shù)據(jù)來源：(1)地形數(shù)據(jù)來源于世界氣候數(shù)據(jù)庫(http:∥www.worldclim.org/)；(2)植被類型數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)；(3)19個(gè)氣候因子數(shù)據(jù)(Bio1～Bio19)來源于世界氣候數(shù)據(jù)庫(http:∥www.worldclim.org/)；(4)水源數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)1∶100萬矢量數(shù)據(jù)(http:∥www.webmap.cn/)；(5)土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn)；(6)人為干擾因子數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)1∶100萬矢量數(shù)據(jù)(http:∥www.webmap.cn/)。

1.2 MaxEnt模型預(yù)測

1.2.1數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 19軟件建立25個(gè)環(huán)境因子的Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣，去除自相關(guān)性較高的因子(r>0.8)，最終選擇13個(gè)環(huán)境因子用于構(gòu)建MaxEnt模型(表1)。

表1 該研究采用的環(huán)境因子Table 1 Environmental data used in the study

利用ArcGIS 10.2軟件將環(huán)境因子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，統(tǒng)一分辨率和坐標(biāo)系，最終轉(zhuǎn)化成MaxEnt模型所需的ASCⅡ格式。將白琵鷺分布點(diǎn)數(shù)據(jù)保存為“物種/經(jīng)度/緯度”格式，將白琵鷺分布點(diǎn)數(shù)據(jù)和經(jīng)過篩選處理的環(huán)境因子數(shù)據(jù)導(dǎo)入MaxEnt，隨機(jī)選取25%的白琵鷺分布點(diǎn)數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證模型，其余75%的白琵鷺分布點(diǎn)數(shù)據(jù)用于建立模型，設(shè)置重復(fù)迭代運(yùn)算500次，設(shè)置背景點(diǎn)10 000個(gè)，選取15次重復(fù)建模的平均值作為最終預(yù)測結(jié)果。

1.2.2模型檢驗(yàn)

選用受試者工作特征曲線(receiver operating characteristic curve，ROC)及其與橫坐標(biāo)圍成的面積(area under the ROC curve，AUC)對(duì)模型精度進(jìn)行檢驗(yàn)。AUC值不受閾值的影響，評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)客觀，因此，其被廣泛應(yīng)用于物種分布模型精確度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定[22]。模型預(yù)測的準(zhǔn)確性與AUC值呈正比，其取值范圍在0～1之間，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為0.50～0.60，失??；>0.60～0.70，較差；>0.70～0.80，一般；>0.80～0.90，良好；>0.90～1.0，優(yōu)秀[23]。

1.2.3模型預(yù)測

將預(yù)測結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS 10.2軟件，對(duì)物種潛在分布概率圖進(jìn)行重新分類，得到4個(gè)分區(qū)：高度適宜區(qū)(P≥0.6)、中度適宜區(qū)(0.4≤P<0.6)、低度適宜區(qū)(0.2≤P<0.4)和不適宜區(qū)(P<0.2)，并計(jì)算各分區(qū)面積。

1.3 保護(hù)狀況分析方法

利用ArcGIS 10.2軟件將現(xiàn)有自然保護(hù)區(qū)、國際重要濕地和國家重要濕地范圍圖與重分類后得到的白琵鷺潛在越冬地范圍圖進(jìn)行疊加，獲得白琵鷺越冬地內(nèi)自然保護(hù)區(qū)、國際重要濕地和國家重要濕地的數(shù)量和面積，分析白琵鷺保護(hù)狀況。

2 結(jié)果與分析

2.1 MaxEnt模型預(yù)測精度

ROC曲線分析結(jié)果表明，模型的訓(xùn)練集和測試集的AUC值分別為0.993和0.991(圖2)，在0.90～1.0之間，表明MaxEnt模型的預(yù)測結(jié)果達(dá)到優(yōu)秀水平，可以用于白琵鷺越冬地分布與環(huán)境因子關(guān)系的模擬研究。

圖2 受試者工作特征曲線(ROC)

2.2 白琵鷺越冬地分布預(yù)測

白琵鷺潛在越冬地分布見圖3。

圖3 白琵鷺潛在越冬地分布

ArcGIS10.2計(jì)算結(jié)果表明，白琵鷺在全國的越冬地總面積為106 621 km2，其中，高度適宜區(qū)面積為22 197 km2，占越冬地面積的21%；中度適宜區(qū)面積為30 185 km2，占越冬地面積的28%；低度適宜區(qū)面積為54 239 km2，占越冬地面積的51%。白琵鷺越冬地均為濕地，包括近海與海岸、河流、湖泊和沼澤濕地等自然濕地，以及水庫、稻田、鹽場和養(yǎng)殖場等人工濕地。白琵鷺越冬地在我國分布于21個(gè)省(區(qū)、市)，主要分布在湖北、湖南、江西和安徽4省，少部分零散分布于江蘇、河南、陜西、山東和新疆，極少部分零星分布于云南、廣東、浙江、上海、重慶和四川(圖3)。

2.3 影響白琵鷺越冬地分布的主要因子

MaxEnt模型結(jié)果顯示，距水源距離、最干季降水量、海拔、最干季平均氣溫這4個(gè)環(huán)境因子是影響白琵鷺潛在越冬地的主要因子，貢獻(xiàn)率達(dá)85.5%，各主要影響因子貢獻(xiàn)率見表2。

表2 各影響因子對(duì)白琵鷺越冬地分布的貢獻(xiàn)率Table 2 The contribution rate of each impact factor to wintering habitat of Platalea leucorodia

2.4 白琵鷺越冬地保護(hù)現(xiàn)狀

將MaxEnt模型預(yù)測的白琵鷺適宜棲息地分布圖與我國現(xiàn)有自然保護(hù)區(qū)范圍圖進(jìn)行疊加可知，目前，我國在白琵鷺越冬地建有245處自然保護(hù)區(qū)，主要包括內(nèi)陸濕地和水域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)區(qū)、水生動(dòng)物保護(hù)區(qū)以及海洋和海岸生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)區(qū)，還有森林生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)區(qū)、野生植物保護(hù)區(qū)、少量地質(zhì)遺跡保護(hù)區(qū)和古生物遺跡保護(hù)區(qū)。其中，以濕地為主要保護(hù)對(duì)象的自然保護(hù)區(qū)有108處，在白琵鷺越冬地，有27%的高度適宜區(qū)、13%的中度適宜區(qū)和8%的低度適宜區(qū)位于自然保護(hù)區(qū)內(nèi)。在這些保護(hù)區(qū)中，有18%的國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，36%的省級(jí)自然保護(hù)區(qū)和46%的市縣級(jí)自然保護(hù)區(qū)。同時(shí)，在白琵鷺適宜越冬地中，我國還建有4處國際重要濕地和和40處國家重要濕地(表3、圖4)。

圖4 白琵鷺潛在越冬地自然保護(hù)區(qū)建設(shè)現(xiàn)狀

表3 各省份白琵鷺越冬地自然保護(hù)區(qū)建設(shè)現(xiàn)狀Table 3 Status of the nature reserves in different provinces with the distribution of wintering habitat of Platalea leucorodia

3 討論

3.1 影響因子分析

分析表明，距水源距離、最干季降水量、海拔、最干季度平均氣溫是影響白琵鷺潛在越冬地的主要因子。

距水源距離是影響白琵鷺越冬地分布的最重要因子，對(duì)白琵鷺適宜越冬地分布的影響貢獻(xiàn)率最大，達(dá)52.2%，這主要是因?yàn)榘着樁驹跐竦貎?nèi)棲息和取食[16]。最干季降水量在150 mm范圍內(nèi)，隨著降水量的增加白琵鷺分布概率逐漸增大，達(dá)到峰值后，分布概率隨著降水的增加而減少(圖5)。海拔在-100～100 m范圍內(nèi)，分布概率隨海拔增高逐漸增大，其后隨著海拔升高，分布概率逐漸降低。最干季平均氣溫為-5～18 ℃,是白琵鷺越冬的適宜溫度區(qū)間。鄱陽湖和洞庭湖是白琵鷺越冬數(shù)量最多的區(qū)域，通過文獻(xiàn)查明，鄱陽湖年均溫為17.1 ℃，1月氣溫平均為4.5 ℃[15]；洞庭湖冬季平均氣溫為16.6～17.0 ℃，1月氣溫平均為4.1～4.5 ℃[24]。在冬季最低溫低于-10 ℃的區(qū)域，很少有白琵鷺越冬。

圖5 白琵鷺潛在越冬地主要影響因子響應(yīng)曲線

3.2 白琵鷺越冬棲息地保護(hù)現(xiàn)狀分析

目前，我國白琵鷺潛在適宜越冬地總面積為106 621 km2，其中，有13 312 km2區(qū)域位于保護(hù)區(qū)內(nèi)，受到較好的保護(hù)；有93 309 km2區(qū)域位于保護(hù)區(qū)外，暫未受到專業(yè)保護(hù)。分析表明，湖南洞庭湖，江西鄱陽湖，湖北沉湖、網(wǎng)湖、龍感湖，安徽升金湖、黃陂湖、蔡子湖，以及江蘇鹽城濕地等是白琵鷺的最主要越冬地，有超過90%的白琵鷺在這些濕地越冬。在這些濕地中，大部分建立有自然保護(hù)區(qū)，但有的保護(hù)區(qū)僅覆蓋部分或極少部分適宜越冬地(表4)。其中，鄱陽湖、沉湖、網(wǎng)湖、升金湖和菜子湖已經(jīng)被完全保護(hù)，這主要是因?yàn)檫@些區(qū)域不僅是白琵鷺的重要越冬地，也是其他水鳥的重要越冬地，水鳥越冬種類較多，數(shù)量較大，易引起社會(huì)公眾及有關(guān)單位重視，因而受到較好保護(hù)[25-27]。而洞庭湖和鹽城濕地由于濕地面積較大，僅有部分區(qū)域建立起自然保護(hù)區(qū)，受到保護(hù)。龍感湖地處湖北和安徽交界處，為安徽安慶宿松縣和湖北黃岡黃梅縣共有，這為開展保護(hù)工作加大了難度，目前僅有47%的濕地面積受到保護(hù)區(qū)的保護(hù)。

表4 白琵鷺主要越冬地自然保護(hù)區(qū)建設(shè)現(xiàn)狀Table 4 Status of the main wintering habitats of Platalea leucorodia in different nature reserves

3.3 該研究局限性

MaxEnt模型可僅根據(jù)物種位點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行潛在棲息地預(yù)測，并可在樣本量較少的情況下進(jìn)行較準(zhǔn)確的預(yù)測，但也存在由于過度擬合導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果精確度降低的可能性[28-29]。筆者研究尚沒有將其他模型與MaxEnt預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。其次，該研究使用全國冬季水鳥同步調(diào)查獲得的白琵鷺發(fā)現(xiàn)位點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，但由于種種原因，全國冬季水鳥同步調(diào)查僅在2016年進(jìn)行了1次，缺乏不同年度白琵鷺越冬數(shù)據(jù)的對(duì)比。而且，由于受技術(shù)力量限制，全國水鳥同步調(diào)查主要調(diào)查大中型水體的水鳥，對(duì)于分散于小型水體的個(gè)體，關(guān)注度可能不夠。因此，盡管調(diào)查數(shù)據(jù)能滿足MaxEnt模型的基本要求，但仍然存在一定的局限性。

4 結(jié)論

根據(jù)2016年全國冬季水鳥同步調(diào)查獲得的白琵鷺位點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用MaxEnt模型預(yù)測了我國白琵鷺越冬地，并對(duì)其保護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析。結(jié)果表明，距水源距離、最干季降水量、海拔、最干季平均氣溫是影響白琵鷺越冬分布的主要環(huán)境因子。我國白琵鷺越冬地總面積為106 621 km2，其中，最適宜越冬地集中于長江中下游一帶。我國已在白琵鷺越冬地建設(shè)了245處自然保護(hù)區(qū)，覆蓋了27%的高度適宜區(qū)、13%的中度適宜區(qū)和8%的低度適宜區(qū)。良好的生態(tài)環(huán)境是保證物種數(shù)量穩(wěn)定的關(guān)鍵，建立自然保護(hù)區(qū)是保護(hù)生物多樣性的有效途徑。今后的保護(hù)工作可以重點(diǎn)關(guān)注湖南洞庭湖、江蘇鹽城濕地和龍感湖3處白琵鷺的主要越冬地，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況加強(qiáng)保護(hù)管理。同時(shí)，對(duì)于長江中下游一帶的小型濕地及水庫需要加強(qiáng)重視，擴(kuò)展保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，更好地保護(hù)物種棲息地。