段后浪,于秀波,*

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室,北京 100101

2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

全球有九條候鳥遷徙路線,擁有豐富的濕地資源,其中濱海濕地為遷徙水鳥提供了重要的棲息場所[1]。濱海濕地處于海陸交錯地帶,易受全球變化的擾動,影響遷徙水鳥棲息地分布面積。已有研究表明,土地利用變化嚴(yán)重壓縮了遷徙水鳥的分布范圍,降低了適宜棲息地的質(zhì)量和面積[2—4],進(jìn)而減少了遷徙水鳥的種群數(shù)量[5]。最近幾十年,鳥類適宜棲息地分布范圍的變化越來越多地受到國際關(guān)注[6]。

中國濱海濕地是東亞-澳大利西亞遷徙路線上候鳥重要的停歇地、繁殖地和越冬地[7—9]。黃渤海濱海濕地位于中國濱海濕地的北端,受人類活動影響,大面積的濱海濕地喪失或者退化為人工濕地,導(dǎo)致水鳥棲息地在時間和空間上發(fā)生了很大變化[10]。不同類別水鳥對棲息地差異性需求導(dǎo)致土地利用變化對不同類別水鳥棲息地的影響各有不同[11—12]。例如,受脅水鳥(被定義為極危、瀕危和易危的物種)相比非受脅水鳥,物種種群對自然棲息地的變化更加敏感[13],開展土地利用變化背景下受脅水鳥棲息地時空變化研究必要且迫切,對針對性的開展受脅物種保護至關(guān)重要。

如何識別棲息地是開展土地利用變化影響下水鳥棲息地分布范圍變化研究的前提條件。已有研究確定水鳥在中國區(qū)域的分布范圍主要依靠專家經(jīng)驗和有限的野外調(diào)查[14—15],所得結(jié)果普遍高估了棲息地的分布范圍[16—17]。公民科學(xué)數(shù)據(jù)廣泛運用于區(qū)域和候鳥遷徙路線尺度上的物種棲息地分布范圍模擬[18—19]。公民科學(xué)數(shù)據(jù)所涉及的物種信息包括但不限于物種名稱、調(diào)查點名稱、調(diào)查點經(jīng)緯度、調(diào)查時間、種群豐度等[20]。物種分布模型能夠匹配公民科學(xué)數(shù)據(jù)和影響棲息地分布的環(huán)境因子之間的關(guān)系,精確預(yù)測棲息地空間范圍[21—23]。

本研究以中國黃渤海濕地8個受脅水鳥勺嘴鷸(Eurynorhynchuspygmeus)、大濱鷸(Calidristenuirostris)、大杓鷸(Numeniusmadagascariensis)、小青腳鷸(Tringaguttifer)、黑臉琵鷺(Plataleaminor)、黃嘴白鷺(Egrettaeulophotes)、遺鷗(Larusrelictus)、黑嘴鷗(Larussaundersi)為研究對象,整合多個來源的水鳥調(diào)查公民科學(xué)數(shù)據(jù)使用物種分布模型MaxEnt,探索2000—2020年土地利用變化影響下的水鳥棲息地面積和空間分布的變化特征,識別水鳥棲息地保護優(yōu)先區(qū)和保護空缺區(qū)域,提出水鳥棲息地保護管理對策。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃渤海濱海濕地面積較大、類型豐富,具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和價值。黃渤海濱海濕地在空間范圍上從北到南所轄省市有遼寧、河北、天津、山東、江蘇省(圖1)。自然濕地類型主要包括灘地、河口水域、河口三角洲、沿海潟湖、灘涂濕地、河渠、湖泊等。人工濕地主要以水稻田、鹽田、養(yǎng)殖池塘為主[24—25]。黃渤海濱海濕地是東亞-澳大利西亞候鳥遷徙路線的重要組成部分。依賴黃渤海濕地作為棲息地的多個水鳥物種種群數(shù)量達(dá)到全球1%標(biāo)準(zhǔn)[9],這些物種包括全球珍稀瀕危水鳥,例如極危物種勺嘴鷸,瀕危物種大濱鷸、小青腳鷸、大杓鷸、黑臉琵鷺,易危物種黃嘴白鷺、遺鷗和黑嘴鷗(圖2)。

圖1 黃渤海沿岸濕地研究區(qū)示意圖Fig.1 Study area in coastal wetlands of Yellow and Bohai Seas

圖2 研究水鳥物種照片F(xiàn)ig.2 Photos of waterbird species studied

過去幾十年大規(guī)模填海造陸改變了黃渤海濱海濕地的空間結(jié)構(gòu)和功能,對濱海濕地海岸帶生態(tài)環(huán)境造成了極大的負(fù)面影響[10]。圍海養(yǎng)殖、基建占用、農(nóng)田擴張等占用了大量的海灣、河口和濱海濕地[26—28],導(dǎo)致水鳥棲息地面積下降嚴(yán)重,水鳥生物多樣性銳減。因此開展土地利用變化對沿海水鳥棲息地的影響,識別水鳥與棲息地亟待保護的關(guān)鍵區(qū)域,提出相應(yīng)的管理對策必要且迫切。

1.2 水鳥物種分布數(shù)據(jù)搜集

本研究所搜集的水鳥物種分布數(shù)據(jù)主要來源于鳥類調(diào)查報告、觀鳥網(wǎng)站、文獻(xiàn)等。

(1)水鳥調(diào)查報告:中國沿海水鳥調(diào)查報告2005—2013:中國沿海水鳥同步調(diào)查組自2005年開始組織開展沿海水鳥同步調(diào)查,調(diào)查位置主要沿著潮間帶濕地,由濕地國際1987年發(fā)起,調(diào)查范圍包括中國沿海11省、自治區(qū)、直轄市沿海區(qū)域;亞洲水鳥調(diào)查報告1987—2007:覆蓋范圍包括中國沿海區(qū)域;黃渤海水鳥同步調(diào)查2018—2019:由國際濕地組織的黃渤海水鳥調(diào)查,覆蓋的調(diào)查范圍包括本研究區(qū)的遼寧省、河北省、天津市、山東省和江蘇省沿岸;

(2)觀鳥網(wǎng)站:eBird網(wǎng)站(https://ebird.org/home);全球生物多樣性信息庫(Global Biodiversity Information Facility, GBIF)(http://www.gbifchina.org/);中國觀鳥記錄中心網(wǎng)站(http://www.birdreport.cn/)。eBird數(shù)據(jù)庫可根據(jù)數(shù)據(jù)申請需求提供數(shù)據(jù)集,根據(jù)本研究的需求,提供時間、區(qū)域范圍和物種名稱獲取eBird在黃渤海區(qū)域的水鳥分布記錄。GBIF網(wǎng)站需要提供獲取數(shù)據(jù)的需求窗口,本研究根據(jù)區(qū)域名稱、水鳥物種名稱和調(diào)查時間進(jìn)行數(shù)據(jù)下載。中國觀鳥記錄中心數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站記錄著大量的全國各地的水鳥分布數(shù)據(jù),由公眾進(jìn)行水鳥調(diào)查后,上傳調(diào)查記錄到網(wǎng)站上,由專業(yè)的水鳥調(diào)查員對記錄進(jìn)行審核后發(fā)布在網(wǎng)上,目前這些記錄已經(jīng)被大量運用于水鳥生物多樣性保護研究。

(3)國內(nèi)外文獻(xiàn):在中國知網(wǎng)、外文Web of Science 網(wǎng)站、百度學(xué)術(shù)、谷歌學(xué)術(shù)網(wǎng)站上以物種中文名稱、英文名稱和拉丁文名稱為檢索詞,搜集文獻(xiàn)中的水鳥分布數(shù)據(jù)。

針對以上三個來源的水鳥數(shù)據(jù),按照物種名稱、調(diào)查點名稱、調(diào)查點經(jīng)度、緯度、調(diào)查時間、種群數(shù)量和數(shù)據(jù)來源進(jìn)行整理,包含這些完整信息的記錄為有效記錄。來自網(wǎng)站上的公民科學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù),具有很高的應(yīng)用價值,但與常規(guī)系統(tǒng)的水鳥調(diào)查相比,公民科學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)存在空間偏差(部分?jǐn)?shù)據(jù)存在調(diào)查點經(jīng)緯度坐標(biāo)與調(diào)查地點名稱不匹配)。首先,使用谷歌地圖(https://www.google.com/maps)手動校正調(diào)查點經(jīng)緯度坐標(biāo)與實際調(diào)查地點嚴(yán)重偏離的記錄,以實際調(diào)查地點質(zhì)心坐標(biāo)作為該記錄校正后的坐標(biāo)。隨機抽取30% 的記錄輸入到谷歌地圖中,調(diào)查點名稱與經(jīng)緯度坐標(biāo)相匹配的概率達(dá)92%。其次,對于來自多個來源的2000年、2015年和2020年水鳥分布記錄數(shù)據(jù),刪除經(jīng)緯度坐標(biāo)重復(fù)的記錄。最后,刪除分布較為密集的分布記錄(分布距離小于1 km),作為最終輸入模型中的水鳥數(shù)據(jù)。

1.3 環(huán)境因子選擇

土地類型、降水、溫度、地形等變量是影響水鳥分布的關(guān)鍵因子。2000年、2015年黃渤海土地利用/覆被數(shù)據(jù)來自于來自中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所,分辨率100 m,2020年土地利用/覆被數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院資源科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),分辨率1 km。降水、溫度數(shù)據(jù)選擇以多數(shù)學(xué)者普遍使用的且對水鳥影響較大的19個生物氣候變量[16, 23],來自于WorldClim 2.0(http://worldclim.org/version2),這些數(shù)據(jù)取自于1970—000年多年的均值而得,空間分辨率1 km。地形因子高程柵格數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院資源科學(xué)數(shù)據(jù)中心,空間分辨率90 m,坡度、坡向提取自高程。詳細(xì)的環(huán)境變量信息見表1。所有變量通ArcGIS 10.5重采樣成100 m空間分辨率,裁剪成研究區(qū)范圍大小。

表1 物種分布模型模擬所需的環(huán)境因子變量及來源Table 1 Required environmental variables in species distribution model

1.4 水鳥適宜棲息地及種群數(shù)量變化分析

適宜棲息地分布模擬:基于前期搜集的水鳥物種分布數(shù)據(jù)和環(huán)境變量,使用物種分布模型MaxEnt 3.1分析勺嘴鷸、大濱鷸、小青腳鷸、大杓鷸、黑臉琵鷺、黃嘴白鷺、遺鷗和黑嘴鷗8個物種2000年、2015年和2020年適宜棲息地分布。MaxEnt模型使用物種分布記錄和對應(yīng)的棲息地環(huán)境因子圖層,推算出物種可能出現(xiàn)的分布概率[29]。使用刀切法確定環(huán)境因子對模型的貢獻(xiàn)率,對于每一次模型運算,隨機選擇75%的分布記錄作為訓(xùn)練樣本,25%的分布記錄作為測試樣本。取模型5次布爾運算的平均值作為分布概率的結(jié)果。用ROC曲線下與坐標(biāo)軸圍成的面積(Area Under the Curve,AUC)值作為模型運行精度的評判標(biāo)準(zhǔn),AUC值高于0.7表明模型模擬結(jié)果是可接受的[30]。對于最后的分布概率結(jié)果圖層,我們使用平均預(yù)測的概率值作為劃分適宜棲息地的閾值,高于閾值部分作為適宜棲息地部分[31]。

適宜棲息地面積變化分析:基于前期分析得到的8個物種勺嘴鷸、大濱鷸、小青腳鷸、大杓鷸、黑臉琵鷺、黃嘴白鷺、遺鷗和黑嘴鷗2000年、2015年和2020年適宜棲息地分布圖層,分析2000—2020年8個物種適宜棲息地面積變化特征

“P”是2000年—2020年水鳥適宜棲息地面積下降的比例,H2000和H2020分別代表2000年和2020年水鳥適宜棲息地面積。

水鳥種群數(shù)量變化趨勢分析:基于IUCN受脅物種紅色名錄信息,分析8個物種勺嘴鷸、大濱鷸、小青腳鷸、大杓鷸、黑臉琵鷺、黃嘴白鷺、遺鷗和黑嘴鷗當(dāng)前的種群數(shù)量變化趨勢。IUCN受脅物種紅色名錄信息網(wǎng)站鏈接為https://www.iucnredlist.org/.

1.5 水鳥保護優(yōu)先區(qū)識別

基于8個物種勺嘴鷸、大濱鷸、小青腳鷸、大杓鷸、黑臉琵鷺、黃嘴白鷺、遺鷗和黑嘴鷗2020年適宜棲息地分布圖層,使用ArcGIS 10.5計算8個物種在2020年適宜棲息地公共分布區(qū)域作為水鳥保護優(yōu)先區(qū)。

2 結(jié)果

2.1 水鳥適宜棲息地分布

8個水鳥物種2000、2015和2020年適宜棲息地模型模擬結(jié)果AUC值均高于0.9,表明該模型能夠較好地模擬水鳥適宜棲息地分布?？傮w上,2000、2015和2020年水鳥適宜棲息地主要分布在黃渤海的沿岸濕地,分布區(qū)域除了包括一些保護區(qū)(遼寧丹東鴨綠江口濱海濕地國家級自然保護區(qū)、遼寧遼河口國家級自然保護區(qū)、山東黃河三角洲國家級自然保護區(qū)、江蘇鹽城濕地珍禽國家級自然保護區(qū)),在渤海灣沿岸(包括灤南南堡濕地、天津濱海新區(qū)沿岸等)、萊州灣、江蘇連云港沿岸,以及江蘇東臺和如東沿岸也是水鳥適宜棲息地分布熱點區(qū)域。其中勺嘴鷸和黑臉琵鷺兩個物種,適宜棲息地分布區(qū)域相比其他物種在空間上更集中,面積更小(圖3)。

圖3 2000—2020年8種水鳥適宜棲息地空間分布Fig.3 The distribution of waterbirds habitat for 8 species between 2000 and 2020

2.2 水鳥適宜棲息地及種群數(shù)量變化

2000年、2015年和2020年8個物種適宜棲息地分布面積及變化比例見表2。從2000年到2015年再到2020年,8個物種適宜棲息地面積在不斷減少。從2000—2015年,8個物種適宜棲息地面積下降比例介于5.5%—49.01%;從2000—2020年,8個物種的適宜棲息地面積降幅介于38.94%—86.52%,除勺嘴鷸外,其他7個物種適宜棲息地面積下降幅度均超過50%。在空間上,兩個時間段,水鳥適宜棲息地下降的區(qū)域主要分布在環(huán)渤海沿岸、江蘇鹽城沿岸、東臺條子泥、小洋口沿岸等區(qū)域。尤其是江蘇鹽城沿岸,8個物種的適宜棲息地面積均有下降(圖4)。

表2 2000—2020年8個水鳥適宜棲息地面積變化及種群變化趨勢Table 2 The habitat area and their changes for 8 species between 2000 and 2020 and their population trend

圖4 2000—2020年8個物種水鳥物種適宜棲息地空間變化特征Fig.4 Change in habitat for 8 species between 2000 and 2020

8個水鳥物種種群全球種群變化趨勢顯示,勺嘴鷸、大濱鷸、大杓鷸、小青腳鷸、黃嘴白鷺、遺鷗和黑嘴鷗全球種群數(shù)量呈下降趨勢。雖然黑臉琵鷺全球種群數(shù)量有增加的趨勢,但根據(jù)IUCN受脅物種紅色名錄信息顯示黑臉琵鷺全球調(diào)查種群數(shù)量僅2250只,數(shù)量稀少。因此根據(jù)8個水鳥物種種群趨勢和數(shù)量狀況亟待開展針對性的保護工作。

2.3 水鳥棲息地保護優(yōu)先區(qū)域

通過計算2000—2020年8個水鳥物種適宜棲息地分布熱點區(qū)域灘涂濕地的變化,結(jié)果顯示,渤海灣、萊州灣、鹽城沿岸、如東-動態(tài)沿岸灘涂濕地面積分別下降了9048 km2、351.92 km2、339.42 km2和368.09 km2(圖5)。灘涂濕地面積的下降嚴(yán)重影響了水鳥適宜棲息地的空間分布。

圖5 2000—2020年渤海灣、萊州灣、鹽城沿岸、如東-東臺沿岸灘涂濕地面積變化Fig.5 Changes in tidal flats along Bohai bay, Laizhou bay, Yancheng′ coast, coast of Rudong-Dongtai

2020年8個水鳥物種棲息地公共分布區(qū)面積為240.32 km2,即為本研究所確定的水鳥保護優(yōu)先區(qū)域(圖6)。主要分布在鹽城、如東-東臺沿岸。目前鹽城已設(shè)立了國家級自然保護區(qū),東臺已被納入世界遺產(chǎn)地,但如東尚未得到有效保護,因此需要優(yōu)先保護如東沿岸棲息地,盡快擴增現(xiàn)有保護地范圍。

圖6 2020年8個物種適宜棲息地公共分布區(qū)域Fig.6 Common area of habitat for 8 species in 2020

3 討論

過去20年時間里,8個瀕危水鳥物種適宜棲息地面積均在發(fā)生不同程度的下降,其中7個物種下降幅度超過50%。之前的研究表明沿海38個重要鳥區(qū)[32]和17個[33]新增重要鳥區(qū)受土地圍墾影響,棲息地面積下降嚴(yán)重。人類活動和外來物種入侵也在很大程度上減少了沿海水鳥重要棲息地的分布范圍[34]。本研究的結(jié)果進(jìn)一步驗證了之前的結(jié)論。受脅水鳥物種相比非受脅水鳥物種在人工濕地的覓食頻率更低[35],這也意味著自然濕地的喪失對受脅水鳥的影響更大,側(cè)面解釋了本研究超過50%以上的受脅水鳥棲息地面積下降超過一半以上的原因。此外,受脅水鳥對一塊棲息地有很強的依賴性且分布范圍相比其他物種更狹窄,棲息地的喪失往往是導(dǎo)致水鳥種群數(shù)量下降的直接因素。例如,黃海棲息地面積減少導(dǎo)致7個依賴黃海停歇的鸻鷸類水鳥種群數(shù)量以每年8%的速率下降[5]。本研究中,超90%以上的水鳥物種種群數(shù)量呈下降趨勢,這很大程度上和棲息地面積下降有關(guān)。

一塊棲息地的喪失無法通過保護另外一塊棲息地來維持水鳥種群的穩(wěn)定性[36]。某個區(qū)域的水鳥棲息地喪失將導(dǎo)致水鳥種群向相鄰的區(qū)域聚集,例如依賴于天津和唐山西北部沿岸濕地的紅腹濱鷸(Calidriscanutus),由于該區(qū)域濱海濕地大面積下降導(dǎo)致紅腹濱鷸種群大多數(shù)聚集到了灤南南堡區(qū)域[4]。水鳥向更小的棲息地區(qū)域聚集,很有可能因食物資源匱乏導(dǎo)致更多的水鳥種群大量減少。因此加強對現(xiàn)有重要棲息地分布區(qū)的保護至關(guān)重要。雖然近些年來濱海濕地保護與管理得到更多的關(guān)注,但依然存在較大的保護空缺[37]。本研究確定了8個水鳥物種棲息地保護優(yōu)先區(qū),分布在江蘇鹽城沿岸-如東沿岸,其中如東沿岸濕地需要優(yōu)先保護,這也與之前的研究結(jié)論一致。我們建議:

(1)結(jié)合江蘇鹽城新獲批中國黃(渤)海候鳥棲息地世界自然遺產(chǎn)地的契機,進(jìn)一步擴增保護地面積,彌補關(guān)鍵棲息地的保護空缺。

2019年7月,中國黃(渤)海候鳥棲息地(第一期)獲準(zhǔn)列入世界遺產(chǎn)名錄,江蘇大豐國家級自然保護區(qū)、江蘇鹽城國家級自然保護區(qū)、江蘇鹽城條子泥市級自然保護區(qū)、江蘇東臺高泥濕地保護地塊及江蘇東臺條子泥濕地保護地塊已被正式批準(zhǔn)為世界遺產(chǎn)地。如東沿岸作為水鳥重要棲息地也是尚未開展任何保護措施的區(qū)域,希望后期考慮擴增現(xiàn)有世界遺產(chǎn)地范圍,將如東沿岸濕地納入鹽城世界遺產(chǎn)地范圍內(nèi)。

(2)調(diào)動社會公眾廣泛參與水鳥棲息地保護,動員社會公眾力量推動新增自然保護地的落地。

自然保護地的優(yōu)化整合工作需要政府、非政府組織(NGO)和社會各界共同參與、支持與配合,NGO在這方面能夠發(fā)揮巨大作用。例如,針對本研究所確定的尚未保護的如東沿岸,NGO可出資推動更多的社會公眾參與水鳥及棲息地保護工作,讓更多人了解對水鳥非常重要的區(qū)域目前的生態(tài)環(huán)境狀況,推動有效保護。

所有模型都具有一定的不確定性,本研究所使用的物種分布模型MaxEnt主要原理是利用公民科學(xué)數(shù)據(jù)觀鳥記錄匹配影響棲息地分布的環(huán)境因子推測水鳥可能的棲息地分布范圍。因此,模型模擬結(jié)果一定程度上依賴于公民科學(xué)觀鳥記錄的數(shù)據(jù)精度。本研究2000、2015和2020年觀鳥記錄受當(dāng)年觀鳥人數(shù)、觀鳥強度等在空間分布上的不均勻性以及年際間的差異性影響,數(shù)據(jù)量及其空間分布均勻性上可能存在一定差異[38]。這也是本研究以及以往類似研究所無法規(guī)避的問題之一[23, 39],隨著研究方法的逐漸深入,后期可考慮將隨機抽樣與模型模擬結(jié)合,在模型模擬之前通過隨機取樣減少前后時間和空間上的數(shù)據(jù)分布不均勻性所帶來的模擬誤差。另一方面,觀鳥記錄可能在空間上發(fā)生聚集而導(dǎo)致模擬結(jié)果在局部區(qū)域被過于放大,后期可考慮通過移除密集分布的點位,減少結(jié)果誤差。

4 結(jié)論

2000、2015和2020年 8個瀕危水鳥棲息地主要分布在黃渤海濱海濕地渤海灣、萊州灣、江蘇鹽城沿岸、如東-東臺沿岸。從2000—2020年,8個水鳥物種的棲息地面積在發(fā)生不同程度的下降,且絕大多數(shù)物種棲息地面積下降比例超過50%。水鳥棲息地下降的區(qū)域主要分布在渤海灣、江蘇鹽城沿岸、東臺條子泥、小洋口沿岸等。灘涂濕地大面積喪失是導(dǎo)致水鳥棲息地面積下降的主要因素。確定的水鳥保護優(yōu)先區(qū)面積為240.32 km2,分布在鹽城、如東-東臺沿岸。其中如東沿岸存在保護空缺,我們建議擴增加鹽城候鳥世界遺產(chǎn)地范圍,將保護空缺區(qū)域納入到保護地范圍,緩解水鳥棲息地的進(jìn)一步喪失。

致謝：中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所王春曉特別研究助理幫助搜集和整理水鳥數(shù)據(jù),特此致謝。