2000—2015年丹頂鶴重要繁殖地景觀格局變化研究

張婷婷,彭昭杰,張昊楠,魯長虎,周大慶,*

1 南京林業(yè)大學,生物與環(huán)境學院,南京 210037 2 生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學研究所,南京 210042

棲息地亦稱生境,是能夠維持生物個體、種群或群落在其中完成其全部生命過程的場所[1- 2]。棲息地可以為鳥類提供住所、食物、躲避不良氣候和敵害,鳥類的數量、地理分布、繁衍成功率以及雛鳥存活率等都受到棲息地質量的影響[3]。因此,在鳥類生活史中,棲息地扮演著極其重要的角色。

丹頂鶴(Grusjaponensis)是世界上現存的15種鶴類之一,被列入世界自然保護聯盟(IUCN)瀕危物種紅皮書并被定為瀕危物種[4],同時也是我國I級重點保護野生動物。丹頂鶴處于濕地生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的頂層,是反映濕地環(huán)境動態(tài)變化的生物指示種[5- 6],業(yè)已成為濕地生物多樣性保護的旗艦物種之一[7]。世界現存的丹頂鶴依其地理分布和遷徙行為可分為島嶼種群和大陸種群。島嶼種群分布在日本的北海道東南、東北部濕地,是不遷徙種群。大陸種群是遷徙種群,可分為東部種群和西部種群,其中東部種群在三江平原、烏蘇里江流域和興凱湖濕地繁殖,在朝鮮半島中部越冬；西部種群在黑龍江中游俄羅斯一側、松嫩平原和達烏爾地區(qū)繁殖,主要在江蘇鹽城濱海濕地越冬[8]。目前,全世界現存野生丹頂鶴種群數量約3050只[9],島嶼種群和東部種群數量均不斷上升,而西部種群數量卻基本在歷史最低位徘徊,棲息地變化被認為是丹頂鶴西部種群下降的最主要原因[8,10- 11]。

繁殖期是野生丹頂鶴進行繁殖,種群得以延續(xù)的重要時期,近年來,丹頂鶴繁殖地研究主要集中于巢址空間分布[12-14]、生境變化驅動因素[6,15]、巢址選擇[16-17]和氣候變化[18-20]等方面。對于繁殖地動態(tài)變化,張艷紅等[21]運用GIS技術分析了1979—2000年扎龍自然保護區(qū)丹頂鶴適宜生境的動態(tài)變化過程,發(fā)現濕地面積不斷萎縮,生境破碎化不斷加劇,嚴重威脅野生丹頂鶴生存；劉宇軒等[22]也發(fā)現1978—2016年莫莫格自然保護區(qū)沼澤面積大幅度減少,濕地質量總體呈惡化趨勢?？偟膩砜?現有研究雖然明確了很多丹頂鶴繁殖地的生境變化情況,但一般局限于單個保護區(qū),缺乏全面系統(tǒng)研究。迄今為止仍沒有對丹頂鶴大陸種群整個繁殖地動態(tài)變化的研究,而全面系統(tǒng)研究的缺失不利于在宏觀尺度把握丹頂鶴的生存現狀,制約了有效保護和科學管理工作的開展。

本研究以丹頂鶴大陸種群重要繁殖地為研究對象,依托遙感和地理信息系統(tǒng)相關技術,全面分析了2000—2015年丹頂鶴重要繁殖地景觀格局變化及其轉移特征、生境破碎化以及東、西部種群生境變化的差異,為有針對性地開展棲息地保護管理工作、促進丹頂鶴野生種群健康可持續(xù)發(fā)展提供依據。

1 研究方法

1.1 丹頂鶴重要繁殖地篩選

基于生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學研究所自然保護區(qū)研究中心數據庫中的自然保護區(qū)綜合科學考察報告、總體規(guī)劃等資料,并根據《中國脊椎動物就地保護狀況評估》[23]一文的相關研究成果,確定了我國有丹頂鶴分布記錄的自然保護區(qū)112個,其中繁殖地71個。通過查閱保護區(qū)科考報告和總體規(guī)劃、《中國鶴類通訊》(1999—2012年)、《遷徙的鶴類和水鳥快訊》(2014—2016年)等非正式出版刊物,公開出版的論文專著、部門咨詢、實地調研、電話咨詢等方法,初步歸納整理2000年和2015年(或前后時段)71個自然保護區(qū)的丹頂鶴繁殖種群數量,作為基礎數據以供后續(xù)篩選。

為兼顧丹頂鶴種群數據的可靠性和可獲得性,采用2006—2009年越冬季的丹頂鶴種群數量計算丹頂鶴大陸種群總數。2006—2009年,丹頂鶴西部種群主要越冬地——江蘇鹽城濕地珍禽自然保護區(qū)的越冬種群數量分別為718只、801只、640只和502只[24],東部種群越冬地——朝鮮半島非軍事區(qū)的越冬種群數量分別為840只、861只、1041只和1019只[25],即2006—2009年越冬季丹頂鶴大陸種群的平均值約為1606只。參考國際重要濕地的相關標準篩選丹頂鶴重要繁殖地,即“如果一塊濕地定期棲息有一個水禽物種或亞種某一種群1%的個體,就應被認為具有國際重要意義”,而丹頂鶴大陸種群1%的個體數量約為16只。鑒于丹頂鶴是國家Ⅰ級重點保護野生動物,數量稀少,且西部種群數量呈下降趨勢,保護形勢嚴峻,故將標準適當降低,即：只要該保護區(qū)有10只及以上的丹頂鶴棲息,即被列為重要繁殖地,作為本研究的研究對象。

經篩選,確定丹頂鶴重要繁殖地共計18個,分別為：黑龍江扎龍、撓力河、興凱湖、平陽河、八岔島、洪河、烏裕爾河、三江、哈拉海、友誼、三環(huán)泡、七星河、龍鳳濕地、吉林向海、莫莫格和內蒙古輝河、科爾沁、圖牧吉自然保護區(qū)；其中,黑龍江撓力河、興凱湖、八岔島、洪河、三江、三環(huán)泡、七星河、友誼和平陽河自然保護區(qū)是東部種群重要繁殖地,黑龍江扎龍、烏裕爾河、哈拉海、龍鳳濕地、吉林向海、莫莫格、內蒙古圖牧吉、科爾沁和輝河自然保護區(qū)是西部種群重要繁殖地(圖1)。

圖1 丹頂鶴西部和東部種群重要繁殖地分布圖Fig.1 Distribution map of the important breeding habitats for the western and eastern populations of the red-crowned crane

1.2 丹頂鶴重要繁殖地景觀格局量化

以自然保護區(qū)范圍邊界矢量圖為地理參照數據,運用遙感影像處理軟件ENVI 5.1和ArcGIS 10.2,對18個保護區(qū)2000年和2015年Landsat TM遙感圖像進行假彩色合成、圖像掩膜等預處理。根據第二次全國土地調查土地利用分類標準,結合自然保護區(qū)實際土地利用現狀和丹頂鶴生境需求,建立景觀分類體系；將研究區(qū)域劃分為耕地、林地(包括有林地、灌木林地和其他林地)、草地、人工設施(包括居民點、道路等)、水體(包括水庫、坑塘和河流等)、沼澤濕地、鹽堿地7種景觀類型。通過監(jiān)督分類與目視解譯相結合的方法對遙感數據進行解譯。基于遙感影像解譯成果,使用ArcGIS 10.2軟件分別計算2000年和2015年各土地利用類型的面積以及占保護區(qū)總面積的比例。

為掌握丹頂鶴重要繁殖地的生境破碎化程度,采用Fragstats 4.2[26]計算每個自然保護區(qū)的景觀斑塊密度(Patch Density)和蔓延度指數(Contagion Index)。斑塊密度是描述景觀破碎化的重要指標,值越大,表明景觀破碎化程度越高；蔓延度指數能夠有效描述不同斑塊類型的團聚程度或延展趨勢,值越小,表明景觀破碎化程度越高,反之景觀連通性越好[27-29]。

1.3 數據分析

采用馬爾科夫轉移矩陣分析2000—2015年丹頂鶴重要繁殖地的景觀格局轉化[30-32]；利用ArcGIS 10.2計算各土地利用類型的面積及比例,制作和整合18個自然保護區(qū)土地利用轉移矩陣。

基于Fragstats 4.2計算結果,采用配對樣本T檢驗(Paired-samplesTtest)比較2000年和2015年丹頂鶴重要繁殖地的斑塊密度和蔓延度指數是否有顯著差異。以2000年和2015年丹頂鶴重要繁殖地各土地利用類型的面積變化為自變量,以東部、西部種群為分組變量,采用獨立樣本T檢驗(Independent-samplesTtest)比較：①丹頂鶴東部種群和西部種群重要繁殖地的各土地利用類型的面積變化有無顯著差異；②丹頂鶴東部種群和西部種群重要繁殖地不適宜生境(包括耕地、林地和人工設施)的面積變化有無顯著差異。所有統(tǒng)計分析均在SPSS 19.0[33]中進行。

2 研究結果

2.1 丹頂鶴重要繁殖地景觀格局變化及轉移特征

2000—2015年丹頂鶴重要繁殖地土地利用變化明顯,主要表現為：①沼澤濕地面積大幅度減少,耕地面積大幅度增加,其中沼澤濕地總面積減少了1400.5 km2,耕地總面積增加了1085.4 km2(表1)；②林地和水體面積均呈增加趨勢,人工設施面積有所減少,其中林地和水體面積分別增加了206.9 km2和453.0 km2,人工設施面積減少了24.5 km2(表1)。由此可見,耕地擴張和沼澤濕地萎縮是丹頂鶴重要繁殖地面臨的主要威脅。

表1 2000—2015年丹頂鶴重要繁殖地景觀格局變化情況

丹頂鶴重要繁殖地2000年景觀斑塊密度(均值=12.5個/km2)和蔓延度指數(均值=55.4%)均大于2015年的斑塊密度(均值=12.3個/km2)和蔓延度指數(均值=54.6%),但均無顯著差異。部分自然保護區(qū)破碎化程度加劇,其中2015年斑塊密度較2000年相比增長了10%以上的自然保護區(qū)有8個,斑塊密度增長率居于前四位的依次為黑龍江七星河、吉林莫莫格、黑龍江撓力河和洪河自然保護區(qū),其增長率分別為56.6%、44.9%、43.1%和31.0%。

丹頂鶴重要繁殖地的土地利用轉化主要發(fā)生在濕地與耕地、濕地與林地、濕地與草地、草地與耕地、林地與耕地之間。2000—2015年,丹頂鶴重要繁殖地耕地面積增加最多,其主要由沼澤濕地、草地和林地轉化而來,三者轉化面積分別為1083.3 km2、481.2 km2和274.1 km2；沼澤濕地減幅最大,主要轉化為耕地、水體和草地(表2)。林地主要由草地、沼澤濕地和耕地轉化而來,轉化面積分別為278.5 km2、223.4 km2和205.4 km2；水體主要由沼澤濕地和草地轉化而來,轉化面積分別為531.2 km2和156.9 km2；草地面積減幅不大,主要轉化為耕地；人工設施減幅較多,主要轉化為草地和耕地,轉化面積分別為43.9 km2和29.6 km2(表2)。

2.2 丹頂鶴西部種群與東部種群重要繁殖地景觀格局變化差異

獨立樣本T檢驗結果表明,丹頂鶴西部種群和東部種群重要繁殖地2000—2015年七種土地利用類型的面積變化均無顯著差異；2000—2015年不適宜生境(包括耕地、林地和人工設施)的面積變化也無顯著差異(t=-0.43,P=0.67)。但是,2000—2015年東部種群重要繁殖地沼澤濕地縮減面積(平均值=103.9 km2)遠大于西部種群(平均值=50.1 km2),東部種群重要繁殖地不適宜生境的增加面積(平均值=83.8 km2)也大于西部種群(平均值=57.1 km2),表明2000—2015年丹頂鶴東部種群重要繁殖地的惡化程度比西部種群更為嚴重(圖2)。

表2 2000—2015年丹頂鶴重要繁殖地土地利用轉移矩陣

圖2 2000—2015年丹頂鶴西部和東部種群重要繁殖地各土地利用類型面積變化圖Fig.2 Changes in areas of various land use types of the important breeding habitats for the western and eastern populations of the red-crowned crane during 2000—2015

3 討論

土地利用變化是氣候變化、人類活動等因素共同作用的結果,具有長期性和復雜性[19,34- 35]。東北地區(qū)是丹頂鶴的主要繁殖地,氣候變化對其棲息地的影響日趨明顯。本世紀初扎龍自然保護區(qū)由于連續(xù)干旱和隨之而來的火災以及濕地退化等原因,導致丹頂鶴適宜生境大面積減少即是明證[17,19]。除氣候因素外,人類活動也在深刻影響著丹頂鶴繁殖地的變化[36- 37]。本研究發(fā)現2000—2015年期間,雖然丹頂鶴重要繁殖地的人工設施面積不斷減少,但人類活動的強度并未因此縮減,耕地面積的劇增是人類活動加劇的直接證據。2000—2015年,沼澤濕地面積減少了1400.5 km2,耕地面積相應地增加了1085.4 km2,馬爾科夫轉移矩陣也表明耕地主要是由沼澤濕地等轉化而來。雖然扎龍等自然保護區(qū)開展了一系列的濕地注水、禁止捕魚、生態(tài)移民等保護管理措施,取得了一定成效[17],但是很多重要繁殖地(如吉林莫莫格、黑龍江撓力河等自然保護區(qū))耕地、林地、人工設施等不適宜生境面積不斷增加,棲息地質量不斷惡化,濕地生態(tài)系統(tǒng)服務功能明顯下降[22]。實際上,耕地擴張和沼澤濕地萎縮業(yè)已成為丹頂鶴繁殖地面臨的主要威脅。

2000—2015年,由于自然保護區(qū)對丹頂鶴濕地生境的保護和管理投入不斷增加,人工設施面積明顯減少,丹頂鶴重要繁殖地景觀連接度總體維持穩(wěn)定。但是,仍有部分丹頂鶴重要繁殖地(如吉林莫莫格、黑龍江七星河等自然保護區(qū))因人類活動干擾導致沼澤濕地面積大幅減少,耕地、水體等景觀類型面積呈現不同程度的增加[22,38]。例如,吉林莫莫格自然保護區(qū)內油田占地廣且較為分散,外加一系列的勘探、打井等作業(yè)破壞了附近的原生生境,從而導致斑塊形狀復雜化,景觀破碎化程度加劇,景觀異質性不斷增加[39- 40]。除耕地外,2000—2015年丹頂鶴重要繁殖地沼澤濕地轉化為水體的比例較高。例如,吉林莫莫格自然保護區(qū)沼澤濕地面積減少了169.5 km2,同期水體面積卻增加了155.0 km2；黑龍江撓力河自然保護區(qū)沼澤濕地面積減少了417.1 km2,同期水體面積卻增加了101.0 km2。根據《自然保護區(qū)保護成效評估技術導則 第3部分：景觀保護》(LY/T 2244.3- 2014),沼澤濕地轉化為水體,雖然其生態(tài)級別賦值未發(fā)生變化,但對于丹頂鶴而言,其生境適宜度卻明顯降低。

2000—2015年,丹頂鶴重要繁殖地各種土地利用類型之間相互轉移,且程度不一,其中最具代表性的為濕地的轉出和耕地的轉入。大部分自然保護區(qū)在人類干擾加劇的情況下,沼澤濕地面積呈萎縮趨勢。以黑龍江撓力河自然保護區(qū)為例,其2015年沼澤濕地占保護區(qū)總面積的比例較與2000年相比減少了～32%,其中高達341.8 km2的沼澤濕地面積轉化為耕地,導致耕地面積增加了～57%,生境破碎化程度明顯提高,這與宋曉林[41]和張弘強等[42]的研究結論相一致。作者認為丹頂鶴重要繁殖地景觀變化的驅動因素主要有兩個方面,一是自然因素,近十幾年來,隨著區(qū)域氣候變化影響,水環(huán)境的變化和天然降雨的減少導致濕地生態(tài)功能減弱[43- 44]；二是人為干擾因素,濕地資源被掠奪式的開發(fā)、過度墾荒和放牧,以及大量水利工程和鐵路高速公路的修建破壞了濕地原始景觀格局及水文狀況,導致濕地干涸,逐漸演替為干草甸甚至為鹽堿地,嚴重威脅著濕地生物多樣性及丹頂鶴棲息環(huán)境[45- 47]。

從整體來看,2000—2015年丹頂鶴東、西部種群繁殖地的濕地生態(tài)系統(tǒng)均處于逐步退化的階段,濕地破碎化不斷加劇,農耕用地的大量開墾破壞了自然濕地生態(tài)系統(tǒng),甚至造成了永久性的、不可恢復的面積變化與破碎化。2000—2015年丹頂鶴西部種群繁殖地退化速度相對減緩,典型代表有黑龍江扎龍、八岔島等自然保護區(qū)[17],而黑龍江撓力河、興凱湖、七星河等自然保護區(qū)作為東部種群重要繁殖地,不適宜生境面積的增加值和生境破碎化程度均比西部種群高[41- 42,48],可以說其生境質量惡化程度比西部種群更為嚴重,需引起高度關注。東部種群繁殖地的惡化有可能導致丹頂鶴繁殖地向北推移,近年來黑龍江珍寶島自然保護區(qū)丹頂鶴繁殖種群不斷增加很可能是東部種群對原有生境惡化的響應[49]。

近年來,丹頂鶴適宜生境持續(xù)喪失和退化,尤其是耕地面積持續(xù)擴張,西部種群數量持續(xù)減少。為更好地保護丹頂鶴賴以生存的濕地生境,為丹頂鶴生存提供最基礎的保障,基于本研究,筆者建議：一方面有效控制耕地擴張,大力推進退耕還濕工作,并開展?jié)竦鼗謴?；另一方面高度關注丹頂鶴東部種群繁殖地的生境動態(tài)變化,避免其進一步惡化。另外,目前棲息地變化對丹頂鶴野生種群數量的影響研究較少,尤其是量化研究。下一步應著力開展棲息地變化(包括繁殖地、中途停歇地和越冬地)對丹頂鶴野生種群影響研究,為科學評估我國野生丹頂鶴種群數量銳減的原因、有效抑制丹頂鶴野生種群的持續(xù)下降提供技術支撐。

致謝：生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學研究所徐網谷副研究員、吳翼博士和張建亮博士,南京林業(yè)大學李明詩教授在遙感影像處理過程中給予幫助,特此致謝。