梁健超,丁志鋒,肖榮波,鄒潔建,胡慧建,*

1 廣東省生物資源應用研究所,廣州 510260 2 廣東省野生動物保護與利用公共實驗室,廣州 510260 3 廣東省環(huán)境科學研究院,廣州 510045 4 廣東省野生動物救護中心,廣州 510520

基于物種運動路徑識別的動物通道選址
——以武深高速為例

梁健超1,2,丁志鋒1, 2,肖榮波3,鄒潔建4,胡慧建1,2,*

1 廣東省生物資源應用研究所,廣州 510260 2 廣東省野生動物保護與利用公共實驗室,廣州 510260 3 廣東省環(huán)境科學研究院,廣州 510045 4 廣東省野生動物救護中心,廣州 510520

動物通道是緩解高速公路對其周邊野生動物生境隔離的有效措施,通道的位置是影響其使用效率的關鍵因素,然而現(xiàn)有研究對通道的選址卻甚少涉及。以武深高速為例,推薦一種基于物種運動路徑識別的通道選址方法,選取影響動物生境選擇的環(huán)境因子構建評價體系,借助GIS手段對公路周邊野生動物生境適宜性進行分析,在此基礎上借鑒水文分析原理快速準確地刻畫出物種在生境中的潛在活動路徑,從而確定了5處高速公路上建設動物通道的理想位置。結果表明,該方法能定量地反映出生境的質量格局對于物種運動的影響,準確定位出物種運動受到阻礙的關鍵區(qū)域,在景觀層次上,提出的通道位置能有效地緩解棲息地破碎化造成的生態(tài)壓力；研究不但能彌補目前研究的不足,同時亦為道路網設計、城市生態(tài)規(guī)劃等相關領域研究提供科學參考。

生境適宜性；動物通道；GIS；水文分析；景觀格局

高速公路作為國家經濟發(fā)展的重要經脈近年得到快速的發(fā)展。據交通部公布的《國家高速公路網規(guī)劃》,到2030年,我國的高速公路將達到8.5萬km[1]。在高速公路網絡不斷完善與加密的同時,公路建設所帶來的一系列負面生態(tài)影響亦越來越引起關注,尤其是對野生動物棲息地的破壞與分割[2-3],已成為當前保護生物學研究的熱點問題。高速公路通過大量的直接占地及施工破壞使野生動物棲息地數(shù)量與質量下降[4-5],更為嚴重的是公路產生的阻礙效應與回避效應使動物無法在生境中正常交流擴散[6-7],隨著公路網的加密,最終將動物棲息地分裂成越來越小的區(qū)域,從而導致物種的數(shù)量減少甚至消亡[8]。

動物通道被認為是緩解高速公路負面影響的有效措施[9],通道為動物提供穿越公路的安全保障,從而將被隔離、孤立的生境斑塊連接起來,減少種群滅絕的風險[10-11]。歐美國家很早就開展了公路動物通道方面的探索與實踐[12-14],對通道的對象[15-16]、布局[17-18]、形式、大小[19]、效果[20]等方面進行了大量的研究,成果豐富。隨著環(huán)境保護意識的增強,我國近年亦出現(xiàn)了不少關于公路動物通道的研究,但大部分還僅關注通道類型、尺寸等的理論性探討[21-26],而對通道的位置選擇則少有涉及,特別是缺乏對公路周邊生境質量格局及動物對生境選擇策略的定量評估,導致目前通道的選址設計主觀性強,缺乏精確性和可操作性。通道位置被認為是影響其效率的最重要的因素[27],只有與動物活動路線一致的位置設計才能保證通道生態(tài)功能的有效發(fā)揮[28]。而物種的運動路線選擇與其所處環(huán)境特征密切相關,因此基于生境質量格局對動物潛在活動路線判斷是通道選址設計科學合理性的保障。

自然狀態(tài)下,動物生境是具有高度異質性的地理空間,動物需要在不適宜生境斑塊之間的運動、遷移以獲得適宜生境。動物在生境中的這種趨利避害的本能,類似于水流由高處向低處流動時所表現(xiàn)出的方向選擇[29]?；诖?本文以武深高速為例,在對公路兩側動物生境適宜性評價的基礎上,利用生境適宜性的分布面來替代高程模型,借助GIS中的水文分析(Hydrology)模塊再現(xiàn)水流在地表的運動過程,對生境中動物的潛在運動路徑進行識別,通過與公路線路的疊加分析,確定動物通道建設的理想位置。以此為高速公路動物通道的位置設計探索一種科學的、客觀的方法,為相關研究提供有益的參考與經驗。

1 研究地概況及數(shù)據來源

圖1 研究范圍地理位置示意圖Fig.1 Location of the study area

武(漢)深(圳)高速公路是泛珠江三角洲區(qū)域高速公路網布局中第二縱的一段,是貫通我國中部地區(qū)與珠三角地區(qū)及港澳地區(qū)的一條重要通道。公路廣東段起于廣東與湖南省界大麻溪,經仁化、始興、翁源、新豐、龍門、博羅、東莞至深圳鹽田,全長約430 km。其中仁化至博羅段的K200+500—K228+830段穿越了粵北華南虎省級自然保護區(qū)。該區(qū)域位于廣東省韶關市,地處南嶺山脈中段南麓,曾經是我國華南虎分布的代表性區(qū)域,目前保護區(qū)內分布著云豹(Neofelisnebulosa)、林麝(Moschusberezovskii)、黑熊(Ursusthibetanus)、鬣羚(Capricornissumatraensis)、大靈貓(Viverrazibetha)等國家重點保護動物30余種,生物多樣性豐富。

本文把公路穿越路段兩側3 km作為受公路影響的生境評價范圍[30-31],以區(qū)域內的大中型獸類作為目標物種進行通道設置研究。采用的基礎數(shù)據包括研究區(qū)域的2010年土地覆蓋矢量數(shù)據、2012年TM遙感數(shù)據、30 m精度DEM數(shù)據以及武深高速路線平面圖,數(shù)據處理在ERDAS image 9.2及ArcGIS 9.3軟件支持下進行。

2 研究方法

2.1 生境適宜性評價

2.1.1 評價體系構建

評價因子選取是生境適宜性評價的關鍵。在參考前人研究[32- 35]并考慮當?shù)噩F(xiàn)有野生動物資源的基礎上,從物理環(huán)境、生物環(huán)境、干擾三方面考慮,選取以下指標作為影響動物生境選擇的主導因子構建生境適宜性評價體系：①土地覆蓋類型,②海拔,③坡度,④食物來源,⑤水源,⑥人類活動干擾。其中食物來源通過歸一化植被指數(shù)(NDVI)進行反映[36],水源與人類活動干擾以與水源或干擾源(居住地)的距離作為劃分標準[33,37]。根據物種對不同因子的選擇策略對各評價指標進行單指標評價分級并賦值[32- 35,37](表1)。

表1 生境適宜性評價體系及各評價指標分級賦值

2.1.2 指標權重的確定

傳統(tǒng)評價技術在權重分配過程往往出現(xiàn)主觀性較強的問題[38]。為保證評價結果的客觀性,本文采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)對各指標權重進行計算。層次分析法通過對各個評價指標進行兩兩比較,根據重要性標度,確定指標間相對重要性,建立判斷矩陣(表2),然后計算判斷矩陣的歸一化特征向量,獲得各個指標的相對權重,從而把主觀的判斷客觀化,最后通過一致性檢驗確保判斷思維的前后一致性(一致性系數(shù)=0.052<0.10,表明判斷矩陣具有滿意的一致性)。

表2 生境適宜性評價判斷矩陣

*重要性標度為1—9,1,3,5,7,9分別代表兩比較指標同等重要,前者比后者稍微重要,前者比后者明顯重要,前者比后者強烈重要,前者比后者極端重要,2,4,6,8表示處于上面兩相鄰標度之間,倒數(shù)代表反比較

2.1.3 生境適宜性指數(shù)計算

在上述權重賦值的基礎上,利用GIS的空間分析模塊計算生境適宜性指數(shù),將各個環(huán)境因子在ArcMap軟件中以柵格專題圖的形式顯示(圖2),通過ArcMap軟件中柵格運算功能進行疊加計算,確定區(qū)域內生境適宜度及其分布格局。

其中生境適宜性指數(shù)(Habitat Suitability Index,HSI)利用下式計算:

式中,Ci為第i個生境因子的分級賦值,Wi為各因子權重。

圖2 各指標專題圖(土地覆蓋類型,NDVI,海拔,坡度,人類活動干擾距離,水源距離)Fig.2 Thematic maps of index (Land cover type, NDVI, Elevation, Slope, Distance from human disturbance, Distance from water)

2.2 動物運動路徑識別及動物通道位置的確定

借助GIS中的水文分析模塊,利用HSI的反值柵格替代高程模型(DEM)來建立地表水徑流模型,通過再現(xiàn)水流在地表的運動過程,對動物在生境中的潛在運動路徑進行識別。在此過程中,匯流的累積量實際上是基于物種在生境中運動方向數(shù)據計算而來的[39],因此對每一個柵格來說,其匯流累積量的大小代表著周邊生境的物種在運動過程中選擇往該處匯集的趨勢,匯流累積的數(shù)值越大,代表動物在該點活動的概率越大,其受到公路的阻隔影響亦越大。利用標準差分類法對匯流累積量劃分為4個等級,通過圖層疊加,選擇公路與一、二級匯流交匯的區(qū)域作為建設公路動物通道的位置。

2.3 通道對生境格局的影響

合理的通道設置除了能為物種運動提供安全保障外,更重要的是提高生境中適宜斑塊的連通性確保物種交流、遷移的暢通,從而達到物種多樣性保護的目的。通過對通道設置前后公路兩側1 km范圍內的生境格局的定量分析[40],在景觀水平上對通道設置的有效性進行評估。適宜生境斑塊以HSI與所對應柵格數(shù)目之間關系的突變性來設定閾值,通過柵格重分類進行識別與提取[41-42]。在此基礎上,利用FRAGSTAT 4.3軟件分別對適宜生境斑塊的斑塊密度、斑塊平均面積、景觀分割度、景觀分裂度、景觀結合度、景觀連接度等指標進行計算。

3 研究結果

3.1 生境適宜性評價結果

HSI較高的區(qū)域集中分布在研究區(qū)域中部及西北部丘陵的緩坡地帶,該區(qū)域遠離居民點、耕地等人類活動的干擾,現(xiàn)有植被以次生性的常綠闊葉林為主,覆蓋度高,能為野生動物提供良好的覓食、隱蔽、繁殖場所；中等水平的HSI分布于研究區(qū)域中部城口河河谷兩邊低海拔坡地,植被主要為馬尾松林、桉樹林、毛竹林等人工林地,受到一定的采伐活動、道路設施的干擾,生境質量相對較差；HSI最差的區(qū)域分布于中部及東南部河谷平原的城口鎮(zhèn)、恩村、白石新村等村莊及周邊大面積的耕地,這些區(qū)域受到人類活動干擾最大,植被退化嚴重,不適合野生動物的棲息活動。

3.2 動物運動路徑識別及動物通道位置的確定

根據水文分析結果,物種的潛在運動路徑集中分布在中部及西北部丘陵地帶,其中橫穿研究區(qū)域的潛在運動路徑主要的有3條,其路徑大部分處于具有較高HSI的生境范圍內,對物種擴散最為有利,受到的阻隔影響亦最大。公路與一、二級的潛在運動路徑交匯點共有6處,其中中部的交匯點距離人為活動區(qū)域較近且處于二級匯流的末端,動物在此處活動的幾率較低不予以考慮,其余各點均可視為動物通道的理想位置(圖3)。各通道位置的詳細生境信息見表3。

圖3 生境適宜性評價結果及通道位置確定(生境適宜性評價結果,匯流積累量分布格局,通道位置示意)Fig.3 Habitat suitability evaluation results and location design of corridors (Habitat suitability evaluation results, Distribution pattern of accumulation of species stream, Corridor location)

通道編號No．土地覆蓋類型LandcovertypeNDVI海拔/mElevation坡度/(°)Slope水源/mWater人類活動/mHumandisturbance生境適宜性指數(shù)HabitatsuitabilityIndex通道1Corridor1常綠闊葉林0．36131014．5097916381．604通道2Corridor2常綠闊葉林0．4292648．65133111271．674通道3Corridor3常綠闊葉林0．47232011．6383425352．000通道4Corridor4常綠闊葉林0．44923218．5427013591．719通道5Corridor5常綠闊葉林0．52623512．78179511131．674

3.3 公路及動物通道建設前后生境格局變化

高速公路對周邊野生動物生境格局的影響表現(xiàn)為一種線性切割(圖4),生境斑塊的總面積、平均面積均明顯地減少,而斑塊數(shù)、斑塊密度、分割度指數(shù)則有不同程度的上升,原來連通性強的優(yōu)勢斑塊則被分割成較小的片段斑塊,生境的容納量下降,破碎化程度加劇。景觀分裂度指數(shù)上升而斑塊結合度指數(shù)及景觀連接度指數(shù)下降,反映斑塊間隔離度上升,物種在生境中遷移交流受到的阻隔增加。從通道建設后各指數(shù)的變化可以看出,通道對公路交通造成的動物生境隔離影響起到了一定的緩解作用。

圖4 高速公路及動物通道建設前后生境格局(高速公路建設前,高速公路建設后,通道建設后)Fig.4 Habitat pattern before and after highway constructions, and after wildlife corridor constructions (Before highway constructions, After highway constructions, After the wildlife corridor constructions)

生境狀況Habitatcondition斑塊總面積PA/hm2斑塊數(shù)N斑塊密度PD斑塊平均面積MPA景觀分割度DIVISION景觀分離度SPLIT斑塊結合度COHESION景觀連接度CONNECT無公路干擾Nohighwayinterference1561．591212．1612．910．9859．6297．921．03公路干擾下Underthehighwayinterference1433．611382．4710．390．99133．8796．760．83通道設置后Afterwildlifecorridorconstruction1441．351342．3910．760．9981．7597．510．86

PA：斑塊總面積 Patch area；N：斑塊數(shù) Number；PD：斑塊密度 Patch density；MPA：斑塊平均面積 Mean patch area；DIVISION：景觀分割度 Landscape division index；SPLIT：景觀分離度 Splitting index；COHESION：斑塊結合度 Patch cohesion index；CONNECT：景觀連接度 Connectance index

4 討論

(1)動物通道是緩解公路建設與野生動物保護之間矛盾的重要手段,與國外的廣泛研究相比,國內仍處于起步階段,特別在公路對生境格局的影響及通道的選址布局等方面的研究還較為薄弱[21]。目前交通項目一般采用野外監(jiān)測數(shù)據或資料收集、專家質詢來判斷通道位置[43-44]。前者需要長期而大量的觀察調查,耗時費力,隨著項目建設周期的日益縮短,往往只流于形式；后者受時空局限性及主觀性的影響[45],得出結果通常并非通道設置的最佳選擇,導致通道的利用率低。本文提出基于生境適宜性評價的動物通道選址方法,通過生境適宜性指數(shù)綜合反映動物對不同環(huán)境因子的選擇策略,結合水文模型識別出動物運動受到阻礙的關鍵區(qū)域,結果能大大地減少決策過程中主觀因素的影響,為通道位置設計提供科學依據。同時對3S技術的運用能快速、實時、精確地獲取和處理大量環(huán)境數(shù)據,解決了傳統(tǒng)方法數(shù)據量小、因子綜合能力弱等問題,在實踐中具有較強可操作性。該方法不但能彌補目前動物通道建設研究的不足,對道路網設計、城市生態(tài)規(guī)劃等相關領域的研究亦有較大的應用價值。

(2)根據對動物行蹤數(shù)據的需要與否,目前用于反映物種-環(huán)境關系的數(shù)學模型可分為歸納模型(inductive model)如邏輯斯蒂模型、資源利用函數(shù)模型[37]、最大熵模型[46]等,和演繹模型(deductive model)如生境適宜性指數(shù)模型[33]。前者需要收集大量的野外監(jiān)測數(shù)據,主要適用于較大尺度的研究。公路影響的評估范圍相對于傳統(tǒng)的區(qū)域性生境評價而言較小,而動物種群分布的詳細統(tǒng)計數(shù)據往往難以獲得。因此本文選擇HSI模型作為生境評估的手段,在合理性與可操作性方面具較大優(yōu)勢。但由于HSI模型在物種對生境的利用度上缺乏考慮,其結果難免仍存在一定的主觀成分,而目前對模型驗證往往還比較困難[47]。因此需要對動物利用通道的情況進行后續(xù)監(jiān)測,據此提出針對性的修改與調整,推動通道建設的理論探索走向實際運用。

(3)評價指標的選擇及分級賦值是適宜性評價的關鍵,本文以區(qū)域內所有大中型獸類為對象,基于普適性、可操作性的考慮,從生境的基本要素(地形、植被、干擾等)出發(fā),選擇相應的環(huán)境因子進行評價。然而,動物的生境選擇是一個復雜的過程,除了上述因素外,還與物種間的相互作用(競爭、捕食)、季節(jié)變化等有關；此外,不同物種對生境的需求亦不能一概而論,因此,在針對特定目標物種進行通道設計時,需要根據該物種的生態(tài)特性對指標體系進行優(yōu)化調整,才能進一步地提高通道選址的準確性與科學性。

(4)生境破碎化是公路建設引起野生動物種群變化的一個重要原因,動物通道對公路割裂的生境斑塊進行連接,保證動物種群運動擴散的暢通,能對生境破碎化造成的生態(tài)壓力起到一定緩解作用；分析通道建設前后生境格局的變化,能為決策者提供一個對通道生態(tài)功能的定量化認識,更重要的是能在缺少監(jiān)測數(shù)據的情況下對通道的生態(tài)價值作出評估。本文的研究結果表明,通道建設后,各景觀破碎化指標均有不同程度的下降,為動物的擴散起到了積極的作用。但值得注意的是,格局變化存在尺度效應,評估尺度的差異會影響到結果的顯著性[48],而目前對于道路影響的合理評估范圍仍未有統(tǒng)一標準,這需要在后續(xù)研究中作進一步的深入探討。

(5)本文主要探討動物通道的位置選擇,在具體實踐中通道的設置方式還要結合目標物種的特性、公路穿越形式等多種因素來考慮。在武深高速的案例中,通道主要針對周邊大中型哺乳類動物設置,在通道1、2、4所處區(qū)域高速公路以橋梁形式穿越,因此建議采用下穿式通道進行通道設置,而通道3、5分別為隧道與路基形式,建議以上跨式即“綠橋”形式進行設置。

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Location design of wildlife corridors based on animal movement path identification: a case study of the Wuhan-Shenzhen Highway

LIANG Jianchao1, 2, DING Zhifeng1, 2, XIAO Rongbo3, ZOU Jiejian4, HU Huijian1,2,*

1GuangdongInstituteofAppliedBiologicalResources,Guangzhou510260,China2GuangdongPublicLaboratoryofWildAnimalConservationandUtilization,Guangzhou510260,China3GuangdongProvincialAcademyofEnvironmentalScience,Guangzhou510045,China4WildlifeRescueandRehabilitationCenterofGuangdong,Guangzhou510520,China

Highways are an important landscape type and have brought significant economic benefits to communities. However, highway construction may adversely affect wildlife survival through habitat fragmentation, degradation, loss, and reduced connectivity. This can then lead to declines in wildlife populations and to the loss of biodiversity. Wildlife corridors are thought to be an efficient way to mitigate the isolation and fragmentation of habitat caused by highway construction and can provide safety avenues for wildlife movement between habitat patches, which facilitates gene dispersal and interflow. However, there has been little research on wildlife corridor design in China, compared to the western, developed countries. Most previous studies have focused on theoretical discussions on the types, size, design principles, and procedures for corridor construction, but the location, which is the key factor affecting corridor use by wildlife, has rarely been discussed. We propose a new method, based on animal movement path identification, for wildlife corridor design, and have undertaken a case study of the Wuhan-Shenzhen Highway. Based on previous studies and wildlife resources of the study area, six indicators, which have been shown to significantly affect wildlife habitat selection, were chosen for our habitat suitability model. We used the model and GIS to assess the suitability of wildlife habitat around the highway and then identified the potential movement path of wildlife by using hydrologic analysis. According to that, five ideal locations were suggested by overlaying the movement paths on the highway, and landscape pattern indices were used to evaluate the efficiency of the proposed corridor location at the landscape level. Our proposed method could quantitatively reflect the ecological relationship between habitat characteristics and wildlife movement, and the critical areas used by wildlife to cross the highway could be precisely identified. Hence, the proposed corridor location could improve wildlife movement connectivity among spatially separated habitats and effectively alleviate the ecological pressure of habitat fragmentation caused by highway construction. Our proposed method could reduce the influence of subjective factors in the decision-making process, and make it possible to acquire and analyze a large amount of environmental data rapidly by using GIS and Analytic Hierarchy Process (AHP). Moreover, by analyzing the landscape patterns of suitable habitats, we could effectively assess the ecological function of the proposed corridor, which was often overlooked in previous studies. Thus, our study could fill a gap in wildlife corridor design, and provide insights for further research related areas, such as urban ecological planning and road network design.

habitat suitability; wildlife corridor; GIS; hydrology; landscape pattern

國家自然科學基金資助項目(31572257)；廣州市海珠區(qū)科技和信息化局資助項目(2013-cg-03, 2014-cg- 17)

2015- 05- 12;

日期:2016- 04- 12

10.5846/stxb201505120971

*通訊作者Corresponding author.E-mail:13922339577@139.com

梁健超,丁志鋒,肖榮波,鄒潔建,胡慧建.基于物種運動路徑識別的動物通道選址——以武深高速為例.生態(tài)學報,2016,36(24):8145- 8153.

Liang J C, Ding Z F, Xiao R B, Zou J J, Hu H J.Location design of wildlife corridors based on animal movement path identification: a case study of the Wuhan-Shenzhen Highway.Acta Ecologica Sinica,2016,36(24):8145- 8153.