基于琿春市國道(G331)的東北虎豹廊道區域識別

周 勇,苗潤澤,任 毅,楊秀冬,黎 勇,劉 庚

(1.吉林省林業科學研究院,吉林 長春 130033;2.野生生物保護學會(美國)北京代表處,北京 100012;3.吉林龍灣國家級自然保護區管理局,吉林 通化 135102;4.柳河縣八里哨林場,吉林 通化 135321)

生境是野生動物進行繁衍和生命活動的場所,是物種生存和發展所需生物和非生物因子的集合[1].隨著環境變化和人類活動干擾的加強,日益嚴重的物種生境破碎化問題[2-3]導致物種棲息地適宜生境面積減少、質量下降,影響物種的擴散和遷移,干擾物種種群間的基因交流,減少物種多樣性[4-5].東北虎(Pantheratigrisaltaica)和東北豹(Pantheraparduaorientalis)是全球生物多樣性保護的旗艦物種,在維持健康生態系統功能中占據不可替代的重要地位.近年來,人類活動對東北虎豹天然生態廊道產生嚴重干擾,天然生態廊道消失殆盡,保護東北虎豹首先就要加強棲息地生境保護與生境連通[6-7],連接島狀分布的適宜、潛在生境,識別東北虎豹潛在的棲息、繁衍、遷徙和擴散的重要生境廊道[8],這對保障種群向內陸擴散、增加基因交流、擴大種群數量、維持和提高物種多樣性具有重要意義[9-10].

目前,有關生境廊道的研究、定義有很多,于成龍等、戴璐等[11-12]基于最小累積阻力模型,將提取的最小成本路徑視為生態廊道;李瑾等[13]利用水文分析原理,將累積耗費距離最短的山谷線稱為生態廊道;Wang Chenxu等[14]運用ArcGIS中的Linkage Mapper插件提取生態廊道,并給出了廊道范圍內起關鍵作用的生態節點;張遠景等[15]通過“斑塊-廊道-基質”理論,分析了哈爾濱市生態網絡連接度強弱的空間分布.

在吉林省東北虎豹主要分布區琿春市,國道(G331)穿境而過,是東北虎豹棲息地阻隔最重要的干擾因子,也對棲息地、居民點和有蹄類分布產生持續影響.但是,有關這種干擾因子是如何影響東北虎豹生境整體連通性的研究尚未見報道,因此,本文以琿春市東北虎豹分布區域為實例,運用廊道設計模型(Linkage Mapper)提取生態廊道和生態夾點,分析識別了琿春市國道周邊東北虎豹的廊道區域,以為東北虎豹棲息地生境恢復和種群西遷提供科學依據.

1 研究方法

1.1 研究區域

吉林省琿春市(130°03′21″～130°18′33″E,42°25′20″～43°30′18″N)位于吉林省東南部圖們江下游地區的延邊朝鮮族自治州境內(見圖1),地處中、朝、俄三國交界地帶,轄區面積5 145 km2,主要包括中山、低山和丘陵河谷地貌3種地貌類型.林地面積為4 370 km2,森林覆蓋率達85%,以針葉林、闊葉林和闊葉混交林為主;氣候溫和濕潤,屬于溫帶海洋性氣候,冬暖夏涼,年均氣溫5.65 ℃,平均降水量617.9 mm,無霜期140～160 d,8月份平均氣溫21.2 ℃.境內的東北虎豹國家公園以琿春林業局青龍臺林場東部為起點,向吉林省汪清縣和黑龍江東寧市輻射,是東北虎豹種群向內陸擴散的主要通道;轄區內國道(G331)穿境而過,全長188 km,北通黑龍江東寧市、南抵中朝俄邊界的防川村,沿途分布市區、鄉鎮和農村等人類活動區..

1.2 數據來源

土地利用數據來源于國家基礎地理信息中心(http:∥www.ngcc.cn/ngcc/)2020年全球30 m地表覆蓋數據,根據琿春市行政邊界矢量裁剪獲取的森林、水體、耕地、建設用地、草本沼澤等6類土地利用數據;DEM數據來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)ASTERGDEM 30 m分辨率數字高程數據;河流、道路、居民點、琿春市行政邊界矢量數據來自國家地理信息中心的1∶250 000基礎地理信息數據;郁閉度數據來自琿春市森林資源檔案;有蹄類數據為2021年有蹄類野生動物野外調查發現的點位數據,調查對象為狍(Capreoluspygargus)和野豬(Susscrofa).

1.3 研究方法

研究方法包括4部分:生態源地篩選、阻力面構建、生態廊道綜合識別和夾點、障礙點識別.

1.3.1 生態源地的篩選

根據琿春市森林資源生境類型和面積將生態源地斑塊進行處理整合.一是斑塊生境類型的選擇:根據東北虎豹生存活動適宜生境選擇針葉林、闊葉林和針闊混交林3種生境類型;二是國道單側生態源地選取:根據研究目的,并考慮居民點、道路和河流對源地的影響進行選取;三是細碎斑塊和獨立斑塊選取:刪除鄰近市區且相隔距離較遠的獨立斑塊,選取相隔距離近且適宜野生動物遷徙的細碎斑塊.

1.3.2 阻力面構建

(1) 阻力因子選取.根據琿春市自然資源狀況、人為主導的景觀分布情況,通過考察東北虎豹適宜生境,與相關研究、保護人員開展訪談、調查,選定土地利用類型、森林郁閉度、坡度、海拔、道路、河流、居民點和有蹄類距離等8類阻力因子,并構建各因子生態阻力基面.

(2) 阻力值確定及綜合阻力面構建.利用ArcGis軟件對阻力因子進行分級和相關性分析,結合研究區域實際,運用“鄰域分析”工具對道路、河流和有蹄類距離3類阻力因子做緩沖區確定分析,最后設定道路中林間土路、一般硬化路面、主要公路和國道(G331)緩沖區距離分別為10,15,25和25 m;河流中山澗溪流、村邊河流、支流和主要河流緩沖區距離分別為3,10,30和50 m;有蹄類距離中近、較近和較遠緩沖區距離分別為500,1 000和2 000 m.

參考已有的研究[16],確定8類阻力因子的分級標準及各級別阻力值.為更好滿足Linkage Mapper插件數據要求,將棲息地因子中各阻力值限定在1～100區間,其中1代表最適宜、100代表不適宜;將食源因子、有蹄類緩沖區距離設定為-100～-1區間,其中-100代表最適宜、-1代表不適宜.阻力因子與阻力值設定結果見表1.為避免各阻力因子之間高度的自相關對模型分析產生干擾,運用ArcGis軟件中的“波段集統計”分析工具,對8類阻力因子進行相關性分析.

表1 阻力因子與阻力值

依據專家打分法,通過相關研究專家和保護管理人員的評分,確定各阻力因子權重,結果見表2.利用“地圖代數”分析工具對8類阻力因子阻力面加權疊加構建綜合阻力面.各阻力基面柵格數據輸出過程中,各柵格數據的波段數位為1、像素深度為8位;除道路中林間土路、一般硬化路面和主要公路柵格數據像元大小為10 m×10 m,其余阻力因子柵格數據像元大小均為30 m×30 m.

表2 阻力因子權重

1.3.3 生態廊道綜合識別

利用Linkage Pathways Tool工具,通過導入的東北虎豹生態源地和綜合阻力面數據,計算東北虎豹在源地間遷徙經過各阻力基層面所克服的累積阻力值,遷移擴散的最小成本路徑(Least-cost path method,LCP)即為生態廊道路徑.本研究中截斷生態走廊的成本加權距離閾值設置為200 000[17].

1.3.4 夾點、障礙點識別

Linkage Mapper插件通過電路理論和障礙分析來檢測最小成本路徑中的夾點和障礙點,以確定重要的核心區域和走廊;Circuitscape程序是基于電路理論對不同景觀進行連接建模[18],從而將電路理論與運動生態學相聯系.本文運用Pinchpoint Mapper工具識別生態夾點,在綜合阻力基柵格數據輸出過程中,柵格數據的波段數位為1、像素深度為32位、像元大小為10 m×10 m;選擇“all-to-one”迭代運算模式,調用Circuitscape程序將23個東北虎豹生態源地斑塊之間的電流進行組合,識別廊道內生態夾點位置.鑒于廊道寬度不會影響夾點位置與區域的連通性,本文設置廊道寬度加權成本距離為300,以電流值評估夾點對于維持整個景觀連接性的重要性[19],提取的高電流強度區域即為夾點區域.

本文運用Barrier Mapper工具識別生態障礙點.在綜合阻力基柵格數據輸出時,柵格數據的波段數位為1、像素深度為32位、像元大小為10 m×10 m,此時最小檢測半徑為20 m、最大檢測半徑為80 m、半徑步長值為20 m.不勾選“改進得分相對于最小成本路徑百分比選項”,得到最大改進分數,以改進分數評估修復障礙點對整個景觀連通性的重要性,提取的高改進分數區域即為障礙點區域.

1.3.5 廊道寬度識別

國道(G331)上的廊道寬度通常定義為有一定障礙但具有較好景觀連通性的道道的寬度[20].運用Barrier Mapper工具,在檢測半徑20,40,60和80 m條件下,計算耗費累計阻力值最小的廊道寬度,利用SPSS 19.0軟件對4類檢測半徑下的12個廊道寬度進行成對樣本T檢驗.

2 結果與分析

2.1 生態源地與阻力面

依據生境類型及斑塊分布,將研究區域內的針葉林、闊葉林和針闊混交林劃分為23個生態源地,結果見圖2,生態源地總面積4 462.32 km2.

圖2 琿春市主要生態源地分布

在選定的土地利用類型、森林郁閉度、坡度類型、海拔類型、道路類型、河流類型、居民點類型和有蹄類距離8類阻力因子中,棲息地因子為東北虎豹遷移擴散的重要阻礙.土地利用類型中針闊混交林、闊葉林相對于針葉林更適宜東北虎豹的生存,大水域阻隔了有蹄類動物的遷徙,耕地、建設用地對東北虎豹遷徙造成強烈的人為干擾,草本沼澤對東北虎豹的遷徙耗能、食源豐富度均有影響.森林郁閉度影響東北虎豹自身的隱藏、對食物的追蹤.適宜的坡度可減少東北虎豹能量的消耗.東北虎豹在中山區域的生存阻礙小于低山和丘陵區域.硬化路面對生境斑塊的阻隔作用要強于林間土路,屬極大的人為干擾.村邊河流阻礙遷徙主要因為較大的人為干擾,支流、山澗溪流則是遷徙過程中的重要水源.居民點是居民的生產生活區,存在較大的人為干擾,遠離居民點則更有利于東北虎豹的擴散[21].食源因子可促進遷徙擴散,與有蹄類野生動物位置越近則更利于東北虎豹的棲息、遷徙.

根據阻力因子的阻力值及權重,對全部因子進行相關性分析,結果見表3.由表3可見,各阻力因子相關系數均小于0.553,所以各因子之間不存在相關性[22].

表3 阻力因子相關性分析

綜合阻力面計算結果中,柵格顏色越深表示阻力越大,即東北虎豹種群擴散消耗的能量越多,越不利于種群擴散.由研究區綜合阻力面計算結果(見圖3)可見,東北虎種群擴散阻力主要分布在國道及兩側的連接部分;此外城區及周邊區域顏色最深,表示該區域對東北虎豹擴散影響最大.

圖3 綜合阻力面分布

2.2 潛在通道與生態節點

在國道(G331)上,東北虎豹的潛在通道主要由廊道寬度和最短路徑長度兩部分標識.本文通過Linkage Pathways Tool工具識別廊道12條(見表4);基于Pinchpoint Mapper和Barrier Mapper工具識別生態節點13個,包括6個夾點區域,此區域對防止棲息地退化有關鍵作用,應重點保護或優先修復;識別7個障礙點區域,結合土地利用類型應對此區域進行一定的修復以增強區域內景觀的連通性.對4類檢測半徑下12個廊道寬度進行的成對樣本T檢驗結果表明,60和80 m步長情況下長度差異顯著(t=-2.448,P=0.032);排除80 m步長情況,分別比較20,40 和60 m步長類別下,距離與平均距離(16 317 m)間的差異為1 698,153 和1 545 m.以基于40 m步長的距離為廊道寬度,識別廊道寬度12個.生境廊道、夾點和障礙點示意圖見圖4—6.

表4 廊道基本信息

圖4 生境廊道影像示意圖

圖5 夾點示意圖

圖6 障礙點示意圖

3 討論與結論

3.1 討論

(1) 本研究主要是基于貫穿琿春市域的國道(G331)進行生態廊道的提取,在生態源地的識別中,考慮到研究區域的高森林覆蓋率及森林資源的連續性,以國道為界將東北虎豹棲息地分為東西兩部分,分別合并生境類型相同或相似的斑塊,從而在南北方向上將本來連通的區域劃分為多處源地,這在一定程度上對生態廊道的提取存在影響,但這種影響也僅是表現在提取廊道的重要性方面.

(2) 本研究在考慮東北虎豹的食源時,一是以狍和野豬代表東北虎豹的有蹄類食物,對于主要獵物的馬鹿(Cervuscanadensis)和梅花鹿(Cervusnippon)沒有進行全面調查[23];二是通過距有蹄類距離替代不同區域內有蹄類野生動物的種群密度以表征食物對東北虎豹的吸引,這兩點有待加強.

(3) 本研究基于國道(G331)的生態廊道、夾點、障礙點的研究思路和方法,可為人造工程與野生動物遷徙保護之間的矛盾找出科學的解決辦法;同時,也可為其他物種遷徙及保護提供科學參考.

(4) Hodgson等[24]的研究表明,很少有哺乳動物在穿越棲息地斑塊中使用預測的廊道,因此,為使預測的廊道結果更為準確,可通過在預測廊道區域架設紅外相機進行驗證.

3.2 結論

本文在結合了琿春市自然及社會資源情況下,基于國道(G331)開展了東北虎豹生境廊道的研究,結果識別東北虎豹潛在生境廊道12條、夾點6個和障礙點7個,這對促進東北虎豹在國道兩側的遷徙連通,并進一步優化提升東北虎豹的生存空間具有一定的現實意義.在主要阻力因子中,土地利用類型、森林郁閉度、有蹄類距離和坡度對綜合阻力面有較大影響;對于提取的生態節點、夾點區域對防止棲息地退化有關鍵作用,應重點保護或優先修復,對障礙點區域要結合土地利用類型進行修復以增強區域內景觀的連通性.本文選定40 m步長距離為廊道寬度,只是在最低程度上保障東北虎豹的遷徙,隨著選定步長的變化,夾點區域要保護或修復的面積可能會隨之改變.