徐逸飛 馮一凡 楊金明 王 凱

1 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與林學(xué)院 山東青島 266109

2 北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 北京 100083

候鳥棲息地是指鳥類遷徙所需的環(huán)境空間,表現(xiàn)為鳥類個體、種群或群落為了完成生活史(繁殖期、越冬期等)的某一階段所需的環(huán)境類型[1],其生境質(zhì)量直接影響鳥類的地理分布、種群密度、繁殖成功率和成鳥存活率等[2]。遷飛停歇地作為候鳥棲息地的一種類型,是聯(lián)系候鳥繁殖地和越冬地的樞紐,對完成其完整的年生活周期具有重要作用。目前,國內(nèi)外學(xué)者對于遷飛停歇地的研究主要關(guān)注單一種類候鳥在全球尺度上的棲息地選擇與遷徙路線及其對停歇地生境質(zhì)量的響應(yīng)情況[3],對于其停歇地選擇機(jī)制研究較少,僅依靠追蹤遙測進(jìn)行統(tǒng)計研究[4],缺乏對停歇地生境格局的深入研究。此外,雖有學(xué)者針對遷飛停歇地質(zhì)量進(jìn)行研究,但其多以歸一化植被指數(shù)[5]或底棲資源量[6]作為評價標(biāo)準(zhǔn),缺乏對生境質(zhì)量的系統(tǒng)性評估與多尺度評價,對于候鳥群落的利用情況及棲居適宜度也考慮不足。遷飛停歇地的生境質(zhì)量會影響候鳥遷徙的最佳到達(dá)時間[7],因此,對遷飛停歇地的生境格局及質(zhì)量狀況進(jìn)行監(jiān)督評價有助于提高候鳥遷徙成功率,維持候鳥群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

青島大沽河河口濕地是亞太地區(qū)遷徙候鳥線路上的必經(jīng)驛站,是鸻鷸類與雁鴨類候鳥遷徙途中的必經(jīng)停落取食地,已被列入國家重要濕地名錄[8]。近20年來,由于沿海濕地面積的不斷萎縮及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)破壞,大沽河河口濕地的候鳥及其所棲居的濕地資源減少[9],因此對該區(qū)域進(jìn)行景觀格局評估及適宜度評價,揭示候鳥種群波動與棲息地生境格局演變的關(guān)系具有重要意義。據(jù)此,本文以青島大沽河河口濕地為例,基于GIS和Fragstats等軟件分析了2016—2021年區(qū)域內(nèi)候鳥棲息地質(zhì)量及棲息空間適宜度,探究了大沽河河口濕地生境變化與候鳥群落結(jié)構(gòu)變化的相關(guān)性,以期為修復(fù)和優(yōu)化河口候鳥棲息地生境格局提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)概況

本文選取大沽河河口濕地作為研究區(qū)域,大沽河河口濕地位于青島市,隸屬于膠州灣濕地,是山東半島南部面積最大的河口海灣濕地,總面積348 hm2。研究區(qū)屬于海洋性季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥,年平均氣溫12.3℃,年降水量約為685.4 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文獲取的數(shù)據(jù)主要包括影像數(shù)據(jù)和候鳥調(diào)查數(shù)據(jù)。遙感影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站,選取2016年10月與2021年12月的Landsat 8 OLI遙感影像(分辨率30 m),數(shù)據(jù)整體云量小于10%且研究區(qū)內(nèi)圖像無云。同時,基于Google Earth軟件獲取與遙感影像數(shù)據(jù)相近時段的衛(wèi)星影像。遙感影像預(yù)處理工作主要采用Arcgis及ENVI5.3軟件對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、波段融合及圖像鑲嵌、拼接和裁剪。

候鳥數(shù)據(jù)來源于黃渤海水鳥同步調(diào)查與青島市園林和林業(yè)局網(wǎng)站中的候鳥觀測記錄(表1)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,鸻鷸類與雁鴨類均是研究區(qū)域優(yōu)勢類群,但其結(jié)構(gòu)差異較大。雁鴨類候鳥在1996—2002年的多次水鳥調(diào)查中均有較多的個體及類群被記錄,其個體可達(dá)20 000只,且不乏羅紋鴨及中華秋沙鴨等瀕危種類[10]。但與本文數(shù)據(jù)形成較大對比,說明近年來其受人類活動影響較大,且已成為研究區(qū)域內(nèi)候鳥群落中的瀕危類群。據(jù)此,本文以鸻鷸類和雁鴨類候鳥作為主要研究對象進(jìn)行相關(guān)分析。

表1 2016—2021年研究區(qū)域候鳥群落數(shù)據(jù)集

2 研究方法

2.1 候鳥群落分析

本文通過對候鳥數(shù)據(jù)集的多樣性及優(yōu)勢度分析,判定候鳥群落的波動及不同類群候鳥間的競爭情況。群落多樣性、均勻性及優(yōu)勢度分別采用Shannon-Weiner多樣性指數(shù)、Pielou均勻性指數(shù)及群落優(yōu)勢度指數(shù)計算,其計算公式分別為:

式(1)至式(3)中:pi為群落中第i種鳥的個體數(shù)占群體中總個體數(shù)的比值；J為群落的均勻性指數(shù)；S為群落中物種數(shù)；Ti為群落的優(yōu)勢度指數(shù)；Ni為群落中第i個物種的個數(shù)；N為群落中物種總個數(shù)[11]。

2.2 景觀格局分析

2.2.1 場地生境類型劃分

本研究將遙感影像劃分為養(yǎng)殖池、鹽田、灘涂、裸地、農(nóng)田、林草地、庫塘溝渠、建筑用地、內(nèi)陸水體及鹽沼植被群落10種生境類型；選取決策樹分類與目視解譯分類相耦合的方法,通過計算并劃分不同遙感指數(shù)的區(qū)間對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行粗分類；而后通過對比同時期高分辨率的衛(wèi)星影像對數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)交互目視解譯修正。指數(shù)計算公式如表2所示[12-16]。

表2 植被指數(shù)及水文指數(shù)計算公式

2.2.2 景觀格局計算指數(shù)選取

本研究基于Fragstats4.2軟件對2016年與2021年兩期的場地生境分類結(jié)果分別進(jìn)行景觀水平和類型水平的景觀格局指數(shù)計算。景觀水平共選取12個指數(shù)分屬于6類指標(biāo),包括面積指標(biāo),即景觀面積指數(shù)(TA)和最大斑塊指數(shù)(LPI)；形狀指標(biāo),即邊緣密度(ED)和景觀形狀指數(shù)(LSI)；聚散度指標(biāo),即蔓延度指數(shù)(CONTAG)和聚散度指數(shù)(AI)；連通度指標(biāo),即斑塊內(nèi)聚力 指數(shù)(COHESION)和連通度指數(shù)(CONNECT)；破碎度指標(biāo),即分離度指數(shù)(SPLIT)和景觀分裂度指數(shù)(DIVISION)；多樣性指標(biāo),即香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)。類型水平共選取8個指數(shù)分屬于4類指標(biāo),包括聚散度指標(biāo),即散布與并列指數(shù)(IJI)和聚散度指數(shù)(AI)；連通度指標(biāo),即斑塊內(nèi)聚力指數(shù)(COHESION)和連通度指數(shù)(CONNECT)；破碎度指標(biāo),即斑塊個數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)和平均斑塊面積(AREA_MN)；干擾度指標(biāo),即周長面積分維數(shù)(PAFRAC)。

2.3 候鳥棲息適宜度評價

2.3.1 評價指標(biāo)因子選取

本文選擇對鸻鷸類和雁鴨類候鳥遷徙活動具有較大影響的獨(dú)立因子作為評價指標(biāo)[17-21],指標(biāo)因子及其細(xì)分條件如表3所示。其中各評價指標(biāo)因子的細(xì)分條件通過咨詢專家得出,將其劃分為非常適宜、基本適宜、低適宜及不適宜四類,并分別賦值100分、75分、50分及25分。

表3 不同候鳥類群所選取的評價指標(biāo)因子

2.3.2 評價指標(biāo)權(quán)重確定及驗證

本文使用AHP層次分析法確定各評價指標(biāo)權(quán)重,通過專家打分的方式構(gòu)建不同類別候鳥的判斷矩陣(表4、表5)。通過計算,其CR值均小于0.1,通過一致性檢驗。通過對特征向量進(jìn)行歸一化處理,進(jìn)一步確定兩類候鳥的評價指標(biāo)權(quán)重值(表6、表7)。

表4 鸻鷸類候鳥評價指標(biāo)判斷矩陣

表5 雁鴨類候鳥評價指標(biāo)判斷矩陣

表6 鸻鷸類候鳥評價指標(biāo)權(quán)重

表7 雁鴨類候鳥評價指標(biāo)權(quán)重

3 結(jié)果與分析

3.1 候鳥群落變化

由表8可知:2016—2021年,候鳥群落的多樣性指數(shù)及均勻性指數(shù)先增后減,分別提高了0.24%和40.00%,與鸻鷸類候鳥的多樣性指數(shù)變化情況呈現(xiàn)出高度的一致性。而候鳥數(shù)據(jù)集統(tǒng)計結(jié)果則表明候鳥總類數(shù)及瀕危種類數(shù)分別下降了36.84%和33.33%。這說明研究區(qū)域不僅候鳥群落的多樣性顯著降低,其候鳥承載力也衰退嚴(yán)重。鸻鷸類候鳥優(yōu)勢度逐年降低,減少了65.86%。與同類研究相比,鸻鷸類候鳥的種類數(shù)于2004—2016年縮減了30%,于2016—2021年縮減了35.71%,多樣性指數(shù)及均勻度指數(shù)也于2004—2021年分別縮減了17.15%和51.78%[22],群落結(jié)構(gòu)持續(xù)萎縮。雁鴨類候鳥被記錄頻度較低,優(yōu)勢度指數(shù)除2021年外均低于0.1,其多樣性指數(shù)及均勻度指數(shù)亦表明,研究區(qū)內(nèi)雁鴨類候鳥類群較少,多樣性較低。

表8 多樣性與優(yōu)勢度指數(shù)分析結(jié)果

3.2 景觀格局變化

3.2.1 場地生境類型變化

從表9可以看出,2016—2021年,研究范圍內(nèi)有24.43%的區(qū)域在這5年中發(fā)生了生境類型的轉(zhuǎn)移。其中,建筑用地的面積增量最大,占總面積的4.61%；其次增量較大的是裸地,占總面積的2.34%。此外,自2016年以來,因演替轉(zhuǎn)化而面積縮減最多的是農(nóng)田,縮減了1.64%；其次是鹽沼植被群落與鹽田,分別縮減了1.45%和1.26%。綜合海岸線蝕退等因素,面積變化相對穩(wěn)定的生境類型為庫塘溝渠與內(nèi)陸水體。

表9 2016—2021年場地生境類型轉(zhuǎn)移矩陣 %

3.2.2 景觀格局指數(shù)

場地景觀水平指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果如表10、圖1所示:面積指標(biāo)的變化指示了研究區(qū)海岸線蝕退及建筑用地正在向景觀優(yōu)勢類型轉(zhuǎn)變的情況；形狀指標(biāo)有所上升,表明研究區(qū)邊緣效應(yīng)增加,景觀的抗干擾能力提升但有效面積減少；聚散度指標(biāo)與連通度指標(biāo)下降,破碎度指標(biāo)上升,說明景觀的細(xì)化度及斑塊間的離散度增高,景觀中存在許多小斑塊且斑塊之間連通度較差；多樣性指標(biāo)降低,說明景觀的多樣性與異質(zhì)性下降。鑒于候鳥群落波動情況受多項生境指標(biāo)變化的影響,在波動情況一定的前提下,變化率越低的指標(biāo),其對候鳥遷徙活動的影響程度越大。因此,通過對比指標(biāo)變化率及候鳥群落波動情況,發(fā)現(xiàn)各指標(biāo)變化率排序為破碎度指標(biāo)＜多樣性指標(biāo)＜聚散度指標(biāo)＜連通度指標(biāo),即對候鳥群落遷徙活動的影響程度排序為破碎度指標(biāo)＞多樣性指標(biāo)＞聚散度指標(biāo)＞連通度指標(biāo)。

表10 景觀水平指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

圖1 2016—2021年景觀水平指標(biāo)統(tǒng)計

由圖2可知:在連通度指標(biāo)中,除建筑用地與養(yǎng)殖池的指數(shù)有較大提升外,鹽沼植被群落與林草地的指數(shù)增長微弱,其他生境的連通度均不同程度的下降(圖2)。在聚散度指標(biāo)與破碎度指標(biāo)中,除鹽田與養(yǎng)殖池外,其他生境的離散度與破碎度均有不同程度的提高,其中增幅最大的生境類型是農(nóng)田,鹽沼植被群落次之。值得注意的是,建筑用地受城鎮(zhèn)分布格局及現(xiàn)代交通發(fā)展的影響,其破碎度指標(biāo)與連通度指標(biāo)均呈上升態(tài)勢。干擾度指標(biāo)中,林草地受人類活動影響較小,農(nóng)田在已有較高自相似性的同時仍有較大增幅,說明其受到人類活動的影響較強(qiáng)。

圖2 類型水平指標(biāo)及指數(shù)統(tǒng)計

3.3 候鳥棲息適宜度變化

2016年及2021年鸻鷸類與雁鴨類候鳥棲息適宜度評價結(jié)果如圖3、圖4所示,適宜度區(qū)間采用相等間隔劃分。經(jīng)專家驗證,評價結(jié)果與候鳥實際利用情況相似度較高。2016—2021年,研究區(qū)整體適宜度降低,中高適宜度區(qū)域逐步向濱水空間聚集,其中,研究區(qū)內(nèi)適宜鸻鷸類候鳥棲居的空間逐步穩(wěn)定在濱海區(qū)域,總面積逐漸縮減,但局部地區(qū)的適宜性有所提高。適宜雁鴨類候鳥棲居的空間由濱海濕地逐步向北側(cè)湖泊及庫塘縮減,適宜性較高的空間多呈破碎化分布。

圖3 2016年與2021年鸻鷸類候鳥棲息適宜度評價結(jié)果

圖4 2016年與2021年雁鴨類候鳥棲息適宜度評價結(jié)果

4 討論

大沽河河口濕地生境格局受城市化和人類活動的影響而發(fā)生動態(tài)變化,進(jìn)而引起區(qū)域內(nèi)候鳥群落的結(jié)構(gòu)變化。農(nóng)田、鹽沼植被群落和裸地的受干擾度及其對候鳥群落的影響度均較高,說明人類活動強(qiáng)度越大,對區(qū)域生境格局及候鳥群落的影響越顯著,這與前人對候鳥遷飛停歇地的空間顯性評估結(jié)果趨同,即在擁有豐富濕地資源和較高土地開發(fā)強(qiáng)度的區(qū)域,棲息地喪失及候鳥群落縮減的風(fēng)險更高[23]。景觀格局指數(shù)中多樣性指標(biāo)降低,說明景觀的多樣性與異質(zhì)性下降,這與景觀破碎化程度提高的結(jié)果相沖突,即通常在一個景觀系統(tǒng)中,破碎化程度越高其不定性的信息含量也越大,多樣性指標(biāo)也應(yīng)隨之上升[24]。其原因主要是建筑用地在擴(kuò)張的過程中不同斑塊彼此相連,致使景觀整體的破碎度與同質(zhì)化加深,這也解釋了連通度指標(biāo)下不同指數(shù)指征相反的情況。

盡管研究區(qū)整體的生境格局趨于破碎,但區(qū)域生境類型轉(zhuǎn)換主要通過占用耕地和裸地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ玫?。結(jié)合前人研究結(jié)果可知,在當(dāng)下基本農(nóng)田保護(hù)的情境中,未來各類生境分布將趨于穩(wěn)定,區(qū)域破碎程度將得到緩解[25]。此外,區(qū)域內(nèi)存在大量生產(chǎn)型濕地,可以為候鳥群落提供替代性棲息空間,具有恢復(fù)候鳥棲息生境格局及穩(wěn)定候鳥群落結(jié)構(gòu)的潛力,這符合美國在候鳥棲息地倡議中提出的修復(fù)思路,也與密西西比沖積河谷的候鳥調(diào)查評估結(jié)果相一致[26]。綜上,提出以下優(yōu)化建議:1)分類分級規(guī)劃保護(hù)。2)修復(fù)培育多元生境。3)激活重構(gòu)多元廊道。4)豐富空間生態(tài)位。

本研究案例地的候鳥觀測記錄僅能追溯到2016年,研究內(nèi)容在時間跨度上有待豐富,而且數(shù)據(jù)源也有待擴(kuò)充。

5 結(jié)論

本研究通過景觀格局與適宜性分析揭示了大沽河河口濕地生境格局的演變過程及其對候鳥群落的影響情況,得出如下結(jié)論:

1)2016—2021年,研究區(qū)候鳥種類和數(shù)量均有不同程度的減少,候鳥群落多樣性顯著降低。其中,雁鴨類候鳥種群萎縮嚴(yán)重,鸻鷸類候鳥種群的年縮減幅度相比2004—2016年提高了近3倍。

2)2016—2021年,研究區(qū)生境格局破碎度不斷加深,多樣性與異質(zhì)性逐步降低,適宜候鳥棲居的空間逐步縮減。區(qū)域生境演變形式主要為建筑用地占用農(nóng)田和裸地,并逐步向優(yōu)勢景觀類型發(fā)展。

3)景觀水平上,候鳥遷徙活動與部分生境指標(biāo)有顯著相關(guān)性。其中,候鳥群落變化與破碎度指標(biāo)呈負(fù)相關(guān),與多樣性指標(biāo)、聚散度指標(biāo)及連通度指標(biāo)呈正相關(guān)。對于候鳥遷徙活動的影響度排序結(jié)果為:破碎度指標(biāo)＞多樣性指標(biāo)＞聚散度指標(biāo)＞連通度指標(biāo)。

4)類型水平上,區(qū)域整體呈現(xiàn)出灣口景觀破碎度低于內(nèi)陸景觀、自然景觀斑塊面積小于城鎮(zhèn)景觀斑塊面積、自然環(huán)境邊緣效應(yīng)弱于半自然環(huán)境邊緣效應(yīng)的特征。其中,對候鳥棲息環(huán)境及遷徙活動影響度較高的生境為農(nóng)田、鹽沼植被群落和裸地；養(yǎng)殖池及鹽田對候鳥的遷徙活動具有較強(qiáng)的支撐作用；建筑用地對候鳥的遷徙活動起到了負(fù)面影響。

致謝:衷心感謝遲仁平、王成、王希明、張緒良老師(按姓氏首字母順序排序)及濕地國際中國辦事處為本文提供的專業(yè)建議和數(shù)據(jù)支持。