孫 亮，張加龍，何念軍，彭阿柳， 唐流斌

(1.西南林業(yè)大學(xué)，昆明 650224；2.陜西佛坪國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，陜西 佛坪 723400)

棲息地是生物賴(lài)以生存的場(chǎng)所[1]，開(kāi)展棲息地適宜性評(píng)價(jià)是完善就地保護(hù)措施、提高自然保護(hù)成效的基礎(chǔ)[2]。大熊貓(Ailuropodamelanoleuca)是我國(guó)特有孑遺物種，據(jù)第四次全國(guó)大熊貓野外種群調(diào)查，全國(guó)野生大熊貓種群數(shù)量達(dá)1 864只，是易危野生動(dòng)物。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，對(duì)大熊貓棲息地開(kāi)展適宜性評(píng)價(jià)的研究一直是野外大熊貓生態(tài)學(xué)研究的一大熱點(diǎn)[3]。近年來(lái)，遙感(RS，Remote Sensing)和地理信息系統(tǒng)(GIS，Geographic Information System)技術(shù)，因其在空間數(shù)據(jù)獲取和分析方面的巨大優(yōu)越性，在大熊貓棲息地適宜性評(píng)價(jià)中得到大量應(yīng)用[4]。目前，基于GIS和RS的大熊貓棲息地評(píng)價(jià)研究多關(guān)注森林資源利用、交通、農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響、薪柴砍伐等造成的棲息地破碎化與棲息地隔離導(dǎo)致的棲息地喪失以及各種人類(lèi)活動(dòng)尤其是交通建設(shè)對(duì)大熊貓棲息地的影響[2]。研究者利用GIS和遙感圖像，選擇與大熊貓分布相關(guān)的環(huán)境因子，將影響大熊貓分布區(qū)的各個(gè)因子(如生態(tài)因素、非生態(tài)因素以及人為影響因素)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)空間疊加分析找到動(dòng)物生存各因子的適合水平以及各因子對(duì)生物棲息地的影響和綜合作用程度[5-6]，統(tǒng)計(jì)適宜棲息地面積，并根據(jù)環(huán)境因子的影響提出保護(hù)建議[7]。盡管已有大量研究從地理環(huán)境因素方面對(duì)大熊貓棲息地作適應(yīng)性評(píng)價(jià)[8-12]，但由于不同地理區(qū)域環(huán)境差異，環(huán)境因子的選擇并不一致，因此已有研究所建立的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系并不統(tǒng)一。

陜西佛坪國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)為秦嶺大熊貓活動(dòng)的核心區(qū)域，平均密度為0.4只·km-2，居全國(guó)之首。在全國(guó)大熊貓第四次調(diào)查中，陜西區(qū)域總共345只，佛坪保護(hù)區(qū)67只，約占全省19.42%，大熊貓數(shù)量和占比在各個(gè)保護(hù)區(qū)中都名列榜首，充分說(shuō)明了佛坪保護(hù)區(qū)在秦嶺大熊貓片區(qū)中的核心地位，將佛坪保護(hù)區(qū)作為大熊貓棲息地的研究對(duì)象有著重要現(xiàn)實(shí)意義，可以為秦嶺大熊貓棲息地研究提供借鑒。本研究擬利用RS和GIS對(duì)陜西佛坪國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)大熊貓棲息地開(kāi)展適宜性評(píng)價(jià)，為進(jìn)一步優(yōu)化秦嶺大熊貓棲息地保護(hù)策略提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

陜西佛坪國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)1978年12月經(jīng)由國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)建立，總面積29 240 hm2。位于陜西秦嶺中段南坡陜西省佛坪縣西北部，西與陜西長(zhǎng)青、黃柏塬國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)毗鄰，北接陜西周至國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，東連陜西觀音山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，南為佛坪縣岳壩鄉(xiāng)，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)107°41′～107°55′，北緯33°33′～33°46′。

保護(hù)區(qū)從西北到東南呈由高到低傾斜，海拔980～2 904 m，北部緊靠秦嶺主脊，南部海拔高度在1 500 m以下。海拔1 300 m以下為山地黃棕壤，代表性植被為含常綠成分的落葉闊葉混交林。海拔1 300～2 200 m范圍為山地棕壤，代表性植被類(lèi)型為落葉闊葉林。海拔2 200～2 800 m范圍為山地暗棕壤，代表性植被類(lèi)型為針葉林或針闊混交林。海拔2 800 m以上局部分布有少量亞高山灌叢草甸土，植被類(lèi)型為亞高山高寒灌木草甸。

氣候?qū)俦眮啛釒蚺瘻貛н^(guò)渡的山地氣候，具有顯著的山地森林小氣候特點(diǎn)。年均降水量約為924 mm，年最大降水量1 382.3 mm，年最小降水量603.8 mm；夏季降水量最多而冬季最少，7-9月為降水高峰期。保護(hù)區(qū)內(nèi)主要有三條河流，分別為西河、東河和岳壩河，總體上為由北向南流向。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

大熊貓痕跡點(diǎn)(實(shí)體觀察，毛發(fā)、抓痕、糞便)分布數(shù)據(jù)來(lái)源于2020年佛坪自然保護(hù)區(qū)巡護(hù)記錄。研究區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)和遙感數(shù)據(jù)下載自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/search)，數(shù)字高程模型為GDEMV2 30M分辨率數(shù)據(jù)，遙感數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat8 OLI-TIRS衛(wèi)星數(shù)據(jù)。矢量化的數(shù)據(jù)包括研究區(qū)邊界矢量圖(.shp文件格式)、研究區(qū)河流、道路分布矢量圖(.shp文件格式)。

表1 遙感數(shù)據(jù)詳情

2.2 主要應(yīng)用軟件

主要應(yīng)用軟件：ArcGIS10.2、ENVI5.1、SPSS。ENVI5.1主要用于影像大氣校正、植被覆蓋度的提取，SPSS主要用于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用ENVI5.1軟件 的flash模塊對(duì)遙感影像進(jìn)行大氣校正，輻射率數(shù)據(jù)單位調(diào)整系數(shù)為0.1，大氣模型參數(shù)選擇 Atmospheric Model：Mid-Latitude Summer，以佛坪自然保護(hù)區(qū)邊界矢量圖為裁剪要素對(duì)校正后的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪。利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS10.2定義地理坐標(biāo)系和投影坐標(biāo)系，地理坐標(biāo)系為GCS-WGS-1984，投影坐標(biāo)系為WGS-1984-UTM-Zone-48N。利用ArcGIS10.2將研究區(qū)水系分布矢量圖和道路分布矢量圖作多環(huán)緩沖區(qū)分析，并轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)字高程模型( DEM) 生成海拔、坡度、坡向圖層。

利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)對(duì)遙感影像提取植被覆蓋度信息[13]，計(jì)算式如下：

歸一化植被指數(shù)(NDVI)：

式中NIR為近紅外波段地表反射率值，R為紅光波段的地表反射率值。

植被覆蓋度(VFC)：

NDVIsoil=

NDVIveg=

式中VFC表示植被覆蓋度，表示無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVIsoil值，NDVIveg表示完全被植被所覆蓋的像元NDVI值。植被覆蓋度最小值可近似取0，最大值可近似取1時(shí)，NDVIsoil=NDVImin(研究區(qū)域NDVI的最小值)，NDVIveg=NDVImax(研究區(qū)域NDVI最大值)，本文NDVI置信區(qū)間選擇5%～95%。

圖1 佛坪自然保護(hù)區(qū)高程圖

圖2 佛坪自然保護(hù)區(qū)影像圖

圖3 大熊貓痕跡分布圖

圖4 佛坪自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋度圖

3 佛坪自然保護(hù)區(qū)單因子棲息地適應(yīng)性評(píng)價(jià)

3.1 棲息地適應(yīng)性評(píng)價(jià)因子確定

生態(tài)因子中的溫度、坡位、坡度、距水源的距離、食物等構(gòu)成了大熊貓選擇的因子鏈。在眾多被選擇的生態(tài)因子中，適宜的溫度、遠(yuǎn)離干擾、良好的隱蔽條件、食物的高質(zhì)量及攝取的便利性是大熊貓選擇的主要因素。結(jié)合前人研究中對(duì)棲息地因子的選擇[14-16]，本文選擇高程、坡度、坡向、水系、道路、植被覆蓋度、主食竹分布等7個(gè)因子對(duì)大熊貓棲息地進(jìn)行評(píng)價(jià)，高程、坡度、坡向、河流影響為物理環(huán)境因子，植被覆蓋度、主食竹分布為生物環(huán)境因子，道路影響為人類(lèi)干擾因子。

3.2 棲息地適應(yīng)性評(píng)價(jià)因子分級(jí)

利用SPSS分析軟件對(duì)大熊貓痕跡點(diǎn)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)分析，高程因子頻率統(tǒng)計(jì)圖如圖5所示。大熊貓痕跡點(diǎn)分布在海拔1 179～2 726 m范圍，參照朱栩逸[17]對(duì)適宜分布區(qū)的選擇，將頻數(shù)在10以上的范圍定為最適宜分布區(qū)，其他痕跡點(diǎn)范圍為次適宜分布區(qū)，未出現(xiàn)范圍為不適宜分布區(qū)。研究區(qū)內(nèi)大熊貓最適宜海拔分布區(qū)為1 308～1 926 m區(qū)域，次適宜海拔分布區(qū)為1 179～1 307 m區(qū)域和1 926～2 726 m區(qū)域，其他范圍為不適宜海拔分布區(qū)。

圖5 痕跡點(diǎn)高程因子頻率統(tǒng)計(jì)圖

利用ArcGIS空間分析工具對(duì)研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度表面分析，得到坡度信息的柵格圖，再利用空間分析工具的值提取至點(diǎn)分析對(duì)痕跡點(diǎn)賦予坡度信息。利用SPSS分析軟件對(duì)大熊貓痕跡點(diǎn)坡度數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合本研究區(qū)實(shí)際情況和前人研究[17]，研究區(qū)最適宜坡度范圍為5°～30°，次適宜坡度范圍為<5°和30°～45°，不適宜坡度范圍為>45°。坡度因子頻率統(tǒng)計(jì)圖如圖6所示。

圖6 痕跡點(diǎn)坡度因子頻率統(tǒng)計(jì)圖

同理，利用ArcGIS空間分析工具對(duì)研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡向表面分析，得到坡向信息的柵格圖，再利用空間分析工具中的值提取至點(diǎn)分析對(duì)痕跡點(diǎn)賦予坡度信息。結(jié)合本研究區(qū)實(shí)際情況和大熊貓向陽(yáng)習(xí)性[18]，研究區(qū)最適宜坡向?yàn)?16°～186°，次適宜坡向范圍為186°～346°和0°～116°，不適宜坡向范圍為346°～360°。坡向因子頻率統(tǒng)計(jì)圖如圖7所示。

圖7 痕跡點(diǎn)坡向因子頻率統(tǒng)計(jì)圖

河流分布通過(guò)影響大熊貓飲水的難易程度影響大熊貓棲息地選擇，本研究區(qū)河流水系豐富，水網(wǎng)發(fā)達(dá)，結(jié)合前人研究[17]，將距離河流500 m范圍確定為最適宜區(qū)域，500～1 000 m范圍確定為次適宜區(qū)域，大于1 000 m直至保護(hù)區(qū)邊界范圍為不適宜區(qū)域。

植被覆蓋度與大熊貓的隱蔽選擇、棲息地選擇緊密聯(lián)系。大熊貓對(duì)隱蔽條件的要求可理解為對(duì)植被(尤其是喬木)的選擇及對(duì)各種干擾的趨避。其選擇具有一定喬木郁閉度的發(fā)育成熟的濃密林灌下為棲息地，較大的喬木郁閉度可為其提供良好的隱蔽條件和適宜的微氣候條件[19]。大熊貓喜歡在灌木層蓋度大于75%的林地活動(dòng)[18]，本研究將植被覆蓋度在0.5～1之間的區(qū)域劃定為最適宜區(qū)，0.3～0.5之間的區(qū)域劃定為次適宜區(qū)，0～0.3之間的區(qū)域劃定為不適宜區(qū)[17]。本研究區(qū)大熊貓的主食竹為巴山木竹、秦嶺箭竹，在秦嶺地區(qū)，巴山木竹主要分布于海拔1 100～2 000 m之間的落葉闊葉林和針闊混交林中；秦嶺箭竹主要分布在海拔2 000 m以上的地區(qū)，為大熊貓夏季主食竹，根據(jù)馬超[20]等研究，巴山木竹在海拔1 600～1 800 m范圍內(nèi)各器官生物量及地上部分生物量達(dá)到最大值，因此選取1 600～1 800 m海拔范圍作為主食竹最適宜分布區(qū)，小于1 100 m和大于2 000 m范圍為主食竹不適宜分布區(qū)，其余為次適宜分布區(qū)。

佛坪自然保護(hù)區(qū)成立較早，各項(xiàng)保護(hù)措施管控有力，人類(lèi)干擾主要體現(xiàn)在道路干擾，結(jié)合以往研究[17]，本文將距離道路500 m范圍確定為不適宜分布區(qū)，500～800 m范圍確定為次適宜分布區(qū)，大于800 m直至保護(hù)區(qū)邊界區(qū)域確定為最適宜分布區(qū)。

3.3 棲息地適應(yīng)性評(píng)價(jià)體系的建立

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，結(jié)合其他學(xué)者研究結(jié)論與經(jīng)驗(yàn)，選擇佛坪自然保護(hù)區(qū)大熊貓棲息地適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)并建立體系(表2)。

表2 大熊貓棲息地適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)及其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4 佛坪自然保護(hù)區(qū)多因子棲息地適應(yīng)性評(píng)價(jià)

利用層次分析法[21]計(jì)算生物環(huán)境因子、物理環(huán)境因子、人類(lèi)干擾等各類(lèi)因子及其影響指標(biāo)的權(quán)重(表3)，并最終計(jì)算得出各指標(biāo)對(duì)棲息地適應(yīng)性的影響權(quán)重為高程0.078 2、坡度0.041 9、坡向0.041 9、河流0.135 2、植被覆蓋度0.179 7、主食竹0.359 4、道路0.163 8，再利用ArcGIS空間疊加功能，將各因子的圖層疊加在一起，得到佛坪自然保護(hù)區(qū)多因子棲息地評(píng)價(jià)適宜性分布圖，統(tǒng)計(jì)分析適宜性分布區(qū)域。

表3 大熊貓棲息地適應(yīng)性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及指標(biāo)權(quán)重

利用上述權(quán)重分析結(jié)果和ArcGIS疊加分析功能，對(duì)佛坪自然保護(hù)區(qū)大熊貓適宜棲息地做綜合評(píng)價(jià)，將適宜分布區(qū)分為最適宜、次適宜和不適宜三類(lèi)，得到大熊貓適宜棲息地評(píng)價(jià)分布圖(圖8)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，佛坪自然保護(hù)區(qū)大熊貓最適宜棲息地為17 069.65 hm2，占比58.38%；次適宜棲息地為11 549.31 hm2，占比39.50%；不適宜棲息地為621.03 hm2，占比2.12%。

圖8 佛坪自然保護(hù)區(qū)大熊貓適宜棲息地分布圖

5 討論與建議

5.1 討論

本研究結(jié)果顯示，佛坪保護(hù)區(qū)內(nèi)大熊貓出現(xiàn)概率最高的坡度為5°～30°的緩坡，坡度和坡向的選擇與相關(guān)研究類(lèi)似[17]，表明不同區(qū)域棲息地特征下大熊貓都傾向于選擇生活在坡度較緩的向陽(yáng)坡面或溝谷。多因子棲息地適應(yīng)性評(píng)價(jià)權(quán)重分析結(jié)果中，主食竹因子所占權(quán)重為0.359 4，是排序第2的植被覆蓋度因子的2倍，在本研究選擇的7個(gè)因子中主食竹因子對(duì)大熊貓分布的影響最大，這可能與大熊貓的季節(jié)遷移習(xí)性有關(guān)，秦嶺大熊貓一年中大多數(shù)時(shí)間生活在低海拔巴山木竹林，春末夏初，由于氣溫上升，大熊貓向上遷移到高海拔秦嶺箭竹林中，秋季則又向下遷移回到巴山木竹林[22-24]，再次表明對(duì)于取食竹子這種單一性食物的大熊貓來(lái)說(shuō)，竹林分布是影響大熊貓分布的主要因素。

在佛坪自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，大熊貓最適宜棲息地面積最大，占比58.38%；次適宜棲息地次之，占比39.50%；不適宜棲息地面積最小，約占2.12%。從空間分布看，最適宜棲息地主要分布在保護(hù)區(qū)1 000～2 000 m中低海拔區(qū)，在西河、東河和岳壩河等主要河流流經(jīng)區(qū)域較為集中；次適宜棲息地主要分布在保護(hù)區(qū)海拔2 000 m以上區(qū)域，在保護(hù)區(qū)內(nèi)分布較為廣泛；不適宜棲息地少量鑲嵌在最適宜和次適宜棲息地之間。岳明等[25]對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)植物群落進(jìn)行群落學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，喬木層物種多樣性在中海拔高度高、在低海拔和高海拔較低，即在1 000～2 000 m海拔區(qū)域，喬木層物種多樣性高、喬木層下竹林發(fā)育旺盛，不僅能為大熊貓躲避干擾提供隱蔽條件，還能提供充足的食物來(lái)源，因此該區(qū)域?yàn)榇笮茇堊钸m宜棲息地。次適宜棲息地中，海拔大多高于2 000 m，受氣溫、光照、降雨等自然要素的影響，一方面喬木層及林下竹林發(fā)育受到很大的限制[2]，另一方面溫濕氣候條件變化，綜合影響大熊貓的分布，此部分區(qū)域雖然面積較大，但環(huán)境不適宜竹林生長(zhǎng)，大熊貓活動(dòng)痕跡也很少，零星的活動(dòng)痕跡極有可能是過(guò)境熊貓。不適宜分布區(qū)主要為遠(yuǎn)離河流分布的區(qū)域，盡管保護(hù)區(qū)內(nèi)水系發(fā)達(dá)，但仍有部分區(qū)域遠(yuǎn)離水域，大熊貓取水困難，為不適宜棲息地。另有研究表明，農(nóng)地墾殖、道路建設(shè)、采伐、挖筍等人為活動(dòng)可加劇大熊貓棲息地的破碎化，導(dǎo)致種群數(shù)量的急劇降低乃至發(fā)生崩潰[26]，但佛坪保護(hù)區(qū)建區(qū)較早，管理較為完善，不存在農(nóng)墾、采伐、挖筍等人為干擾，值得關(guān)注的是保護(hù)區(qū)道路建設(shè)，可能造成森林景觀破壞并對(duì)大熊貓棲息地產(chǎn)生影響。

5.2 建議

本研究結(jié)合RS和GIS技術(shù)對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)大熊貓痕跡點(diǎn)做了分析，初步建立了大熊貓棲息地適宜性綜合評(píng)價(jià)體系，對(duì)陜西佛坪國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)大熊貓棲息地評(píng)價(jià)保護(hù)具有重要意義。但由于大熊貓痕跡點(diǎn)記錄時(shí)間有限，僅選擇了2020年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，1年的大熊貓痕跡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷大熊貓棲息地適宜性存在較大的不穩(wěn)定性，有必要開(kāi)展定位研究長(zhǎng)期觀測(cè)，以期獲得更客觀真實(shí)的大熊貓分布數(shù)據(jù)；另外，土壤種類(lèi)、植被類(lèi)型、森林生物量、其他野生動(dòng)物對(duì)大熊貓的分布影響也較大，應(yīng)從更大的范圍選擇更全面科學(xué)的評(píng)價(jià)體系對(duì)大熊貓棲息地適宜性作進(jìn)一步研究，以提高棲息地適宜性綜合評(píng)價(jià)的科學(xué)性。為促進(jìn)佛坪國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)大熊貓種群的保護(hù)，結(jié)合本研究結(jié)果，提出以下二條保護(hù)管理措施：

加強(qiáng)水體環(huán)境保護(hù)，佛坪保護(hù)區(qū)水體對(duì)涵養(yǎng)水源、保持水土、改良?xì)夂蚓哂兄匾饬x。由于保護(hù)區(qū)與周邊村鎮(zhèn)相接壤，居民不可避免產(chǎn)生垃圾，需和當(dāng)?shù)卣疁贤?，?duì)于大熊貓飲用水區(qū)段要?jiǎng)澇鲆欢ǖ谋Ｗo(hù)范圍，嚴(yán)禁在河道500 m范圍以內(nèi)傾倒垃圾，排放污水。

減少道路建設(shè)干擾，佛坪自然保護(hù)區(qū)內(nèi)可能對(duì)大熊貓棲息地造成環(huán)境質(zhì)量破壞、退化的主要方式為道路建設(shè)。修筑道路可一定程度破壞森林景觀，且這種影響不可逆；同時(shí)還可引起山體滑坡和水土流失，導(dǎo)致河水中泥沙含量增加，水質(zhì)變差。因此，需要在施工規(guī)劃中盡量避開(kāi)大熊貓適宜分布區(qū)，或在道路下方修建生態(tài)廊道以減少對(duì)大熊貓棲息地的影響。