水位波動對洞庭湖越冬小天鵝家域的影響

黃 田,徐正剛,周立波,趙運林

1 湖南城市學院 信息與電子工程學院,益陽 413002 2 湖南農業大學 生物科學技術學院,長沙 410128 3 中南林業科技大學 林業遙感大數據與生態安全湖南省重點實驗室,長沙 410004 4 湖南省動物物聯網工程技術研究中心,長沙 410205

洞庭湖是中國的第二大淡水湖泊,國際重要濕地,有豐富的野生動植物資源,是我國南方重要的水鳥越冬地和東亞-澳大利西亞候鳥遷飛路線上重要停歇地,對全球候鳥保護具有重要作用。近年,受三峽大壩調節和氣候變化影響,長江流域湖泊濕地的季節性淹沒規律和水文波動幅度發生了改變,洞庭湖枯水期明顯提前[1]。水文情勢變化改變了洞庭湖濕地的泥沙淤積過程和濕地景觀格局,進而影響到水鳥棲息地質量和完整性。有研究表明,洞庭湖枯水期提前使大面積的淺水沼澤、泥灘提前出露,苔草和雜草草甸上的植物提前萌發和生長,導致草洲植物的生物量積累提前完成[2],由于錯過食物資源高峰,越冬水鳥可能面臨食物短缺的風險。水鳥通過攝入食物滿足其越冬的能量需求,食物資源的可獲得性會影響水鳥個體身體機能、遷徙規律、以及后續個體繁殖成功率,從而對整個種群的生存和發展產生影響[3],已有研究證明長江中下游水文情勢變化對越冬水鳥的數量、行為和食性產生了重大影響[4,5]。因此,了解棲息地的水位變化和食物特征是認識越冬期水鳥棲息地利用的關鍵。

小天鵝Cygnuscolumbianus隸屬雁形目Anseriformes鴨科Anatidae天鵝屬Cygnus,為國家II級保護動物。在洞庭湖越冬的小天鵝屬于小天鵝古北亞種C.c.bewickii,每年6—7月在北極苔原帶繁殖,8月末9月初離開繁殖地前往越冬地,翌年3月中下旬再從越冬地返回繁殖地[6]。近年,受自然環境因素和人類活動影響,洞庭湖越冬小天鵝種群數量波動較大,尤其近兩年洞庭湖濕地周邊地區發生了多起毒殺小天鵝的惡性事件,使小天鵝種群保護面臨嚴峻威脅。

家域是一定時間范圍內,動物個體或群體尋找食物、進行交配和哺育幼崽所利用和經過的區域[7],對動物取食策略[8]、生境選擇[9]和行為規律[10]等有較大影響。家域估算最重要的內容是獲取動物個體或種群的活動位點數據。當前,獲取動物活動位點的方式主要有野外觀測、無線電遙測和GPS衛星跟蹤,衛星跟蹤技術具有時間持續長、空間覆蓋廣和數據量豐富等優勢,正越來越多的應用于動物家域估算、活動路徑、活動模式等行為生態學研究[11,12]。家域變化是動物響應外部環境變化的自我調節行為,反映出棲息地環境質量和穩定性。研究不同水位條件下小天鵝家域變化,將有助于探究外部環境變化對小天鵝棲息地影響以及小天鵝對棲息地的利用策略,從而為洞庭湖越冬小天鵝棲息地保護及恢復提供理論依據。

1 研究方法

1.1 數據來源

1.1.1小天鵝衛星跟蹤數據

2014—2015年,經林業主管部門審批,在東洞庭湖自然保護區捕捉和救助了18只小天鵝,研究人員為18只小天鵝佩帶了衛星跟蹤器(表1)。跟蹤器裝置總重量為28—30 g,僅占小天鵝體重0.5%,符合動物遙測技術中跟蹤器重量不超過體重3%—5%的經驗值[13]。跟蹤器的數據采集和傳輸頻率均為每小時1次,字段數據包括設備編號、時間、經度、緯度、速度、高度、航向、溫度、定位精度和電壓。定位精度分為A、B、C、D、E、N六個等級,其中A為5 m,B為10 m,C為20 m,D為100 m,E為通信基站定位,N為無效數據。為有效表達小天鵝在洞庭湖的活動范圍,剔除了速度>0和洞庭湖大堤外部的位點。

1.1.2洞庭湖水位數據

水位數據引自湖南省水情信息查詢系統(http://61.187.56.156/wap/index_sq.asp),下載2013—2016越冬期(當年10月至翌年3月)每日08:00城陵磯水文站實測水位,缺少數據用09:00的水位數據補充。

1.1.3遙感數據獲取與處理

從美國地質勘探局(USGS)的EarthExplorer網站下載Terra/MODIS衛星8 天合成的地表反射率數據 MOD09Q1,分辨率為250 m,包括紅外和近紅外2個波段。2013—2015年越冬期共下載了150景數據,利用MRT 4.1對MODIS遙感數據重投影、重采樣、拼接及格式轉換處理,重新投影坐標系為橫向墨卡托(WGS,1984,UTM,Zone,49N),輸出數據格式為*.tif。

1.2 家域計算

利用ArcMET 10.1.12工具包估算小天鵝家域(Movement Ecology Tools for ArcGIS,下載地址 http://www.movementecology.net),該工具支持MCP、KDE等多種家域估算方法。KDE采用最優平滑指數(href)法來判定h值,即根據輸入點的空間方差計算平滑參數的最優值[14]。MCP家域計算結果為矢量數據,KDE家域計算結果為柵格數據,為方便空間疊加與數據統計,通過提取等值線的方式轉換為矢量數據。

1.3 水面變動分析

選用歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)提取水面是湖泊遙感監測中常用的手段[15-18],MODIS遙感數據提取水面步驟如下：

(1)計算NDVI

NDVI=(CH2-CH1)/(CH2+CH1)

(1)

式中,CH1為MODIS數據第1波段的地表反射率,CH2為第2波段的地表反射率,利用ENVI 5.3軟件的波段運算(Band Math)指令計算NDVI。

(2)確定水體閾值

NDVI的值域為[-1,1]。一般情況下,水體的NDVI值為負數,如果有水生植物覆蓋在水面,則NDVI值會稍偏高。另外云、雪的NDVI值也為負值,植被、建筑、裸露土壤的NDVI值則很高。為消除水生植物的影響,采用兩個規則來識別水體[15],NDVI≤0.15用來區分水體和植被；DN值(Digital Number)指遙感影像像元亮度值,本研究中將遙感反射率×10000,得到DN值。Band2的DN<1200用來區分水體與建筑、裸露的土壤。即一個像素的值滿足規則1或規則2,則識別為水體。

(3)消除云層的影響

洞庭湖地區12月—3月陰雨天氣較多,閾值提取法可能將云層識別為水體。根據云的光譜特征,云在可見光和近紅外波段均具有較高的反射率[19],因此,當band1和band2的DN值均>2,000時,可認為該像素不是水體,需將其剔除。本研究中共有19幅數據由于云量太大,剔除云層影響后的水體嚴重失真,沒有納入水體提取。最終,提取了2013—2015年3個越冬期共56幅水體范圍圖。

(4)復合生成月水體范圍

為進一步降低衛星過境時天氣和云量影響,采用最大值復合方法(MVC)合成每月水體范圍圖,合成值為1或0,1表示水體淹沒區,0表示非水區域。

(5)淹沒時間指數計算

淹沒時間指數(STI)可以對湖泊水體的時間和空間變化進行定量描述,可用來表達小天鵝越冬期間洞庭湖水體的動態特征,STI計算公式如下：

(2)

其中：i:當年10、11,12月,翌年1、2、3月;Wi:i月水淹范圍;Ni:i月天數;N:越冬期總天數。

STI計算結果為柵格數據,計算過程在ArcGIS 10.1軟件中完成。

1.4 家域與水面疊加分析

利用ArcGIS 10.1的Tabulate Area工具實現家域與水面疊加分析,參數Input raster or feature zone data的值設定為STI柵格數據,參數Zone field的值設定為STI的Value字段,參數Input raster or feature class data的值設定為家域矢量數據,參數Class field 的值設定為Object ID字段,參數Processing cell size的值與STI柵格大小一致,設定為250 m,最后對輸出結果進行匯總和統計。為研究水位波動對家域范圍大小的影響,將越冬期劃分為不同的水位平穩窗口期,采用KDE方法估算每個窗口期的小天鵝的家域,使用Pearson相關分析檢驗家域面積與水位的相關性。統計分析與圖表制作在R軟件中完成。

2 結果與分析

2.1 小天鵝衛星跟蹤情況

2014年—2015年間衛星跟蹤器共采集有效位點26997個,研究區內0速度點18747個(表1)。跟蹤的18只小天鵝中除10#小天鵝未獲取到位點數據,其他小天鵝均獲得至少250個位點,監測時間主要集中于小天鵝越冬中、后期(1月—4月)。

表1 小天鵝衛星跟蹤數據Table 1 List of satellite tracking information of Cygnus columbianus

研究期間,0速度位點所占的比例為91.2%,靜止位點比例較非靜止位點比例高。位點數據質量較好,定位精度主要集中在A、B等級(表2)。

2.2 越冬期間洞庭湖水位變動

小天鵝越冬期間洞庭湖水位波動特征較為明顯,根據衛星跟蹤起止時間和水位變化特征,將跟蹤期劃分WL1、WL2和WL3三個水位變化期(圖1)。2014年WL1期從3月8日至3月25日,水位呈小幅下降趨勢,WL2期從3月26日至4月7日,水位呈臺階式上升,WL3期從4月8日至小天鵝遷走前夕,期間水位逐步上漲,漲幅達3.28 m。2015年WL1期從2月初至2月21日,水位處于平穩狀態,WL2期從2月22日至3月4日,水位逐步上升,漲幅達2.12 m,WL3期從3月4日至小天鵝遷走前,水位呈小幅度波動。

表2 跟蹤位點精度分析Table 2 The positioning precision of GPS points

2014年和2015年2—4月,洞庭湖水位變化趨勢基本一致,整體呈逐步上升趨勢。從3月初開始,2015年水位較2014年上漲更加迅速和明顯(圖1)。

圖1 2014—2015年越冬期洞庭湖水位變化趨勢 Fig.1 The trend of water level change of Dongting Lake in wintering during 2014—2015

2.3 家域與水位相關性分析

研究共選取10個水位平穩窗口期P1—P10(圖1,表3)。結果表明：隨著水位上升,小天鵝家域范圍會逐漸減小(圖2)。KDE95%與水位呈顯著負相關(r=-0.636,P=0.024),KDE75%與水位呈顯著負相關(r=-0.648,P=0.021),KDE50%和水位呈顯著負相關(r=-0.576,P=0.041)。

表3 水位平穩周期Table 3 The stable period of water level during the wintering

圖2 家域與水位相關性分析Fig.2 Analysis of the correlation between home range and water level

水位變化對小天鵝家域的空間位置、結構和大小也有較大影響,以2015年3個不同水位期的75%KDE家域為例(圖3)。WL1期水位處于基本平穩狀態,小天鵝活動范圍主要分布在丁字堤和大、小西湖,白湖有少量分布,家域面積為50.96 km2。WL2期水位逐步上升,小天鵝活動范圍向丁字堤集中,大、小西湖有少量分布,家域面積為19.1 km2。WL3期水位較高,小天鵝活動范圍更加集中于丁字堤,大、小西湖僅有零星活動點分布,家域面積約為8.89 km2。

圖3 2015年不同水位期KDE75%家域的空間形態Fig.3 The spatial pattern of KDE75% home range in different water levels in 2015

2.4 水面變動分析

整體而言,洞庭湖STI由內湖中心向外逐漸減少(圖4),結合越冬地棲息生境調查,將STI由低到高分為7個等級(表4)。

圖4 2014—2015年洞庭湖水體淹沒時間指數圖Fig.4 The SIT of Dongting Lake in 2014—2015

2015年春季洞庭湖水位上漲速度較快,導致STI低值區面積較2014年減少,高值區面積增加,其中A類用地面積減小了7.21%,B類用地面積減少了3.5%,C、D、E、F、G類用地面積都有一定增加(表4)。

表4 2014—2015年STI統計表Table 4 The SIT trend in 2014—2015

2.5 家域與水面疊加分析

越冬期水鳥對棲息地的需求相對簡單,一般只需要覓食地和休息地兩種類型的棲息地[20]。為進一步研究小天鵝對棲息地的利用情況,將越冬期小天鵝家域與水體淹沒時間指數進行空間疊加分析,結果表明：越冬期小天鵝對棲息地類型偏好由高到低依次為B、G、F、C、E、D、A(圖5)。其中,B類用地占家域面積的平均比例為29.78%,并且在水位快速上漲期間更加明顯,如2014年WL3期達53.78%,2015年WL2期達36.68%；G類用地占家域面積的平均比例為25.55%,并且在水位較低期間更加明顯,如2014年WL1期為36.55%,2015年WL1期為38.88%；F類用地占家域面積的平均比例為16.77%,并且在每年3月份表現更加明顯,如2014年WL1期達23.45%,2015年WL3期達21.34%；C、E、D、A四類用地占家域面積的平均比例相對較小,分別為8.98%、8.79%、7.67%、2.46%。

圖5 不同水位期的棲息地利用情況Fig.5 Habitat utilization in different water level peroid

3 討論與結論

3.1 水位影響食物資源分布和可獲得性

本研究結果表明,越冬期間小天鵝家域大小與水位呈負相關,水位上升將壓縮小天鵝家域,與劉成林等人的研究結果一致,即水位越高水陸過渡帶(候鳥棲息地)面積越小[21]。張冬梅認為這種現象的主要原因是水位影響食物資源的分布和可獲得性,從而影響越冬水鳥的數量和分布[22]。越冬期間小天鵝的取食行為占主導地位[23],生長在淺水中的菹草是小天鵝在越冬地偏愛的食物之一[24]。1—2月份低水位時期,小天鵝多分布在淺水區域中取食菹草,其主要原因可能是菹草的生長節律與小天鵝的越冬期匹配。菹草是一種秋季發芽,冬季生長的沉水草本植物,其生長過程受水位和溫度影響較大。有研究表明適宜菹草生長的水深范圍為50—250 cm,90—150 cm最適合[25-27]。根據調查,小天鵝棲息地水深一般在30 cm左右,這些區域在越冬前期水位較高且溫度適宜,菹草生長較好并完成生物量積累,為越冬小天鵝提供豐富的食物資源。越冬期中期的低水位不適宜菹草生長,且冬季長時間低溫無法滿足植物生長所需有效積溫,菹草會停滯生長,導致菹草資源不足。越冬后期水位開始上漲,使剩余的菹草獲取難度加大,迫使小天鵝轉移到臨水的泥灘和草地取食苔草和虉草。孟竹劍等人研究表明,濕地植被的生長發育與洲灘淹沒和出露時間密切相關,水位周期會影響越冬候鳥的適宜取食窗口期[28]。11月份洞庭湖水位開始大幅下降,部分洲灘出露為苔草生長發育提供了良好條件,為越冬中后期小天鵝提供豐富的苔草食物資源?？偟膩砜?水位是影響小天鵝越冬食物生長發育的關鍵因素之一,冬季退水時間推遲,會導致食物資源生長期縮短和低溫限制下的有效生長時間減少,從而影響越冬期間食物資源數量與分布。

另外,根據本文的研究結果,水位越低,洞庭湖濕地的小天鵝活動范圍越大,但并不能認為秋季和冬季水文干旱有利于越冬小天鵝保護。事實上,如果洞庭湖秋、冬季干旱呈現常態化,必然導致洞庭湖濕生植物向陸生植物演替,從而引起洞庭湖濕地整體萎縮,這將會給小天鵝等越冬水鳥的越冬棲息地帶來更加嚴重的威脅。

3.2 家域模型對活動區估算的差異

研究在估算小天鵝家域時,采用了MCP和KDE兩種估算方法。采用MCP方法估算2015年越冬期小天鵝家域時,由于小天鵝在六門閘附近有過短暫停留,估算結果將東洞庭湖西部大片沒有小天鵝活動的區域包括進來,使估算結果值偏大。這與其他學者的結論相同,MCP法受異常值影響,容易高估家域范圍[29-31]。張晉東等認為,KDE方法既能反映出動物對空間的利用強度又能確定家域大小和形狀,是最適合的估算模型[29],本研究采用KDE方法估算2015年越冬期小天鵝家域時(h=300),估算結果將活動區分為3個核域,并忽略掉了最外側的異常點,使家域面積更加符合真實情況?；谝陨辖Y論,本研究在分析水位與家域相關性、水位對家域影響時均采用KDE方法估算的結果。

Horne等學者認為家域與估算模型的假設前提密切相關,不同物種的空間利用格局不同,使用相同家域模型計算的表現也不盡相同[32]。因此在研究野生動物領域行為時,可以同時使用KDE和MCP兩種方法,再根據研究問題和物種來選擇合適的估算結果。

3.3 小天鵝對棲息地的選擇模式

本研究表明,淺水和草灘是小天鵝食物的主要來源地,小天鵝喜好在空間相鄰的草地與淺水綜合性區域中活動(圖6),但水陸交界地帶往往是人類活動最為頻繁的區域,漁業、牧業和農業活動時有發生,這增加了小天鵝在越冬期間的危險性。近年,洞庭湖區偷獵、毒殺野生候鳥事件經常發生,當地政府部門應當加強對這類綜合性區域的管理和保護,為小天鵝等水鳥越冬營造良好的棲息環境。

圖6 小天鵝對棲息地土地類型選擇模式圖Fig.6 Cygnus columbianus select patterns for habitat land types

3.4 衛星追蹤技術的應用

受衛星跟蹤器價格限制,利用衛星遙測技術研究動物的樣本很難達到理想數量[33,34]。2014年以來,國內野生動物衛星跟蹤技術取得了較大發展,我國生產的BD/GPS-GSM太陽能跟蹤器性能穩定且能密集定位[35],使得利用衛星遙測動物行為與棲息地選擇結合的研究變得更加便利和可行[36-42]。

通過本研究,作者認為除衛星跟蹤設備的穩定性之外,適合的動物樣本來源和設備佩帶方式也是衛星跟蹤技術應用的難點。本研究跟蹤的18只小天鵝,由于個體體質和設備脫落等多方面原因,有部分小天鵝在跟蹤過程中失聯,沒有完整記錄小天鵝越冬期的全部活動情況,所以沒有對越冬前期小天鵝家域和水位關系展開研究。但作者認為越冬中、后期,水位、食物等外部環境因子變化更為明顯和典型,足以說明本文觀點。

致謝：湖南環球信士科技有限公司協助衛星跟蹤器安裝工作,特此致謝。