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第一作者：王成

通信作者：劉紅玉、李玉鳳

單位：南京師范大學(xué)、安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)

 

研究簡介

全球尺度的相關(guān)預(yù)測和研究表明，受海平面上升和人類活動的影響，本世紀(jì)將有20%~90%的濱海濕地會消失，這對全球遷徙水鳥來說是一次毀滅性的打擊，尤其是對生態(tài)環(huán)境極為敏感的珍稀水鳥物種，面臨著物種滅絕的挑戰(zhàn)。因此在國家和國際層面相繼建立眾多鳥類保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，其中，東亞-澳大利西亞遷飛路線（EAAF）以其候鳥種類和數(shù)量最多而廣受關(guān)注。然而跨區(qū)域的水鳥保護(hù)網(wǎng)絡(luò)難以全面反映和突出重要保護(hù)節(jié)點或單元內(nèi)水鳥和棲息地保護(hù)現(xiàn)狀。因此，需要開展更加精細(xì)的水鳥棲息地網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀研究，全面認(rèn)識水鳥在區(qū)域內(nèi)部活動特征以及重要生境保護(hù)現(xiàn)狀，識別區(qū)域內(nèi)部生境源地、踏腳石和生態(tài)廊道，為后續(xù)棲息地精細(xì)化管理和恢復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐。鹽城濱海濕地位于2019年新建立的世界自然遺產(chǎn)地核心地帶（Migratory Bird Sanctuaries along the Coast of Yellow Sea-Bohai Gulf of China (Phase I)），是EAAF上的關(guān)鍵樞紐，具有極高的水鳥棲息地保護(hù)價值。近年來，鹽城濱海濕地自然濕地大范圍萎縮，原本多樣且廣闊的鹽沼濕地如今僅存于鹽城國家級自然保護(hù)核心區(qū)，其他區(qū)域受農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城鎮(zhèn)建設(shè)活動的影響，均被不同程度圍墾開發(fā)，水鳥棲息地保護(hù)形勢較為嚴(yán)峻。

目前該地區(qū)關(guān)于水鳥棲息地的研究更多的是聚集于單一物種棲息地選擇或區(qū)域濕地斑塊重要性評價，缺乏從地區(qū)典型的珍稀物種群落出發(fā)，探討各棲息地內(nèi)部以及棲息地之間重要生境網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)分析。為此，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)王成博士在南京師范大學(xué)劉紅玉教授和李玉鳳教授指導(dǎo)下在環(huán)境生態(tài)學(xué)領(lǐng)域TOP期刊《Science of the Total Environment》(2021年IF：10.753)連續(xù)發(fā)表兩篇題為《Study on the rare waterbird habitat networks of a new UNESCO World Natural Heritage site based on scenario simulation》和《Study on habitat suitability and environmental variable thresholds of rare waterbirds》等系列研究論文。

第一部分

原文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147316

主要發(fā)現(xiàn)

1. 基于隨機森林算法的珍稀水鳥適宜生境識別

根據(jù)隨機森林算法運算結(jié)果得到丹頂鶴、東方白鸛和黑嘴鷗等三種珍稀水鳥在北緩、核心、南緩、大豐和條子泥棲息地的適宜生境分布概率圖（圖1），并結(jié)合三種珍稀水鳥適生概率的聚集情況和實際分布情況，對研究區(qū)珍稀水鳥適宜生境等級進(jìn)行了劃分，得到適宜生境空間分布圖（圖2）。在對適宜區(qū)域生境類型面積統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)（圖3），三種珍稀水鳥在不同棲息地內(nèi)次適宜和最適宜生境區(qū)域空間分布面積占比均低于20%。丹頂鶴和東方白鸛在核心棲息地不適宜區(qū)域面積占比最高，分別為86.73%和85.17%。

圖1 三種珍稀水鳥適宜生境分布概率圖

圖2 三種珍稀水鳥適宜生境空間分布圖

圖3 三種珍稀水鳥適宜區(qū)域生境類型面積統(tǒng)計

2. 基于隨機森林算法的珍稀水鳥適宜生境識別

環(huán)境變量重要性分析表明（圖4），影響三種珍稀水鳥適宜生境分布的主要影響變量為生境類型（T_hab）、生境面積（A_hab）、植被覆蓋度（P_fvc）、到農(nóng)田距離（D_far）、到蘆葦距離（D_ree）、坑塘水面密度（Ponds）、到水面距離（D_wat）和到道路/海堤距離（D_swa），涵蓋了類型、面積、蓋度和距離等指標(biāo)。變量的閾值分析表明（圖5），丹頂鶴在北緩、南緩和大豐棲息地最適斑塊面積閾值區(qū)間明顯高于核心棲息地和其他水鳥，說明人工濕地內(nèi)丹頂鶴選擇更大面積生境斑塊以躲避潛在威脅。條子泥黑嘴鷗偏好選擇面積在6.29~18.03hm2且蓋度在6.36~72.33%的堿蓬和光灘生境環(huán)境，顯示出黑嘴鷗在繁殖期更加注重食物的可獲得性和便利性。

圖4 珍稀水鳥適宜生境識別中變量重要性排序圖

圖5 珍稀水鳥沿不同環(huán)境變量梯度下閾值模型結(jié)果

3. 不同棲息地珍稀水鳥適宜生境的景觀格局差異

三種珍稀水鳥適宜區(qū)域疊加后進(jìn)行景觀指數(shù)進(jìn)行分析后顯示（圖6），核心棲息地珍稀水鳥適宜生境的破碎性、復(fù)雜度和多樣性水平均高于大豐棲息地。然而，相對于大豐棲息地，核心棲息地容納了更多的珍稀水鳥，生境破碎程度較高將顯著阻礙珍稀水鳥物種在該區(qū)域的擴散和穩(wěn)定。

圖6 各棲息地三種珍稀水鳥適宜區(qū)域的景觀指數(shù)

4. 珍稀水鳥棲息地景觀結(jié)構(gòu)-功能維護(hù)和恢復(fù)的重要價值

近年來，隨著全球各國對野生動物保護(hù)意識的不斷強化，開展物種棲息地景觀結(jié)構(gòu)保護(hù)和恢復(fù)研究成為景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一。為了更加全面和深入的理解珍稀水鳥棲息地適宜生境評價和環(huán)境變量閾值研究在棲息地景觀結(jié)構(gòu)維護(hù)和恢復(fù)中的重要價值，依據(jù)前文適宜生境空間分布和水鳥對環(huán)境變量的響應(yīng)閾值，我們識別了了珍稀水鳥在適宜區(qū)域內(nèi)和緩沖區(qū)潛在的干擾斑塊和待恢復(fù)區(qū)域（圖7）。這些干擾斑塊和待恢復(fù)區(qū)域已經(jīng)形成了對現(xiàn)有水鳥適宜區(qū)域的包圍，其中，北緩和南緩棲息地情況最嚴(yán)重。由景觀生態(tài)學(xué)理論可知，當(dāng)周邊干擾斑塊面積過大時，其對物種內(nèi)部斑塊形成了擠壓，對珍稀物種種群產(chǎn)生威脅。此外，核心棲息地和大豐棲息地內(nèi)部斑塊面積和范圍較大，但是生境島嶼過多，造成生境島嶼的單位面積減少，對單一物種和多水鳥物種種群數(shù)量的承載能力下降。因此，需要及時對干擾斑塊和待恢復(fù)區(qū)進(jìn)行識別，并開展棲息地景觀結(jié)構(gòu)維持和恢復(fù)工作。

具體來說，首先對各棲息地潛在干擾斑塊和待恢復(fù)區(qū)進(jìn)行識別，并依據(jù)景觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分類，本研究將研究區(qū)五個水鳥棲息地的干擾斑塊和待恢復(fù)區(qū)分為四大類（圖7 TypeⅠ、Type Ⅱ、Type Ⅲ和Type Ⅳ）。其中，類型1為自然和農(nóng)業(yè)生境主導(dǎo)的待恢復(fù)區(qū)。類型2為由自然植被（蘆葦和互花米草）主導(dǎo)的待恢復(fù)區(qū)，類型3為由自然和養(yǎng)殖塘生境主導(dǎo)的待恢復(fù)區(qū)，類型4為由養(yǎng)殖塘和工業(yè)用地主導(dǎo)的待恢復(fù)區(qū)。最后闡述了各待恢復(fù)區(qū)的恢復(fù)模式（圖8）。

圖7 基于生態(tài)閾值方法的珍稀水鳥適宜區(qū)域及其緩沖區(qū)干擾斑塊識別及其待恢復(fù)區(qū)類型確定

圖8 四種待恢復(fù)類型的景觀結(jié)構(gòu)維持及恢復(fù)模式

第二部分

原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157058

研究發(fā)現(xiàn)

1. 基于情景模擬的珍稀水鳥棲息地潛在廊道與踏腳石網(wǎng)絡(luò)分析

由于水鳥具有極強的環(huán)境敏感性和跨尺度活動特性，因此如何準(zhǔn)確識別水鳥棲息地范圍一直是生物多樣性保護(hù)研究領(lǐng)域的難點和重點。為了獲取準(zhǔn)確的水鳥分布數(shù)據(jù)，王成老師在南京師范大學(xué)劉紅玉教授、李玉鳳教授指導(dǎo)下以及鹽城濕地珍禽國家級自然保護(hù)區(qū)管理處相關(guān)科研人員組成課題研究團隊，于2018年4月到2020年4月連續(xù)七次的野外網(wǎng)絡(luò)調(diào)查，并輔助GSM-GPS衛(wèi)星跟蹤技術(shù)，獲取了丹頂鶴、東方白鸛和黑嘴鷗的實地位置數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，利用隨機森林算法模型、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論和電流理論，作者識別了三種珍稀水鳥生境保護(hù)廊道、重要生境區(qū)和踏腳石斑塊，并分析了不同棲息地廊道內(nèi)生境連通性水平差異（圖9）。

圖9 三種珍稀水鳥棲息地節(jié)點中心度和生境保護(hù)廊道分布圖

研究團隊利用Build Network and Map Linkages工具構(gòu)建了世界自然遺產(chǎn)地珍稀水鳥棲息地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，揭示了不同生境區(qū)棲息地網(wǎng)絡(luò)中重要節(jié)點、一般節(jié)點、活躍網(wǎng)絡(luò)和非活躍網(wǎng)絡(luò)數(shù)量（圖10），以此揭示遺產(chǎn)地現(xiàn)狀棲息地網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，作者利用網(wǎng)絡(luò)連接的魯棒性、全局效率、割點和同配系數(shù)模擬三種珍稀水鳥棲生境廊道內(nèi)踏腳石網(wǎng)絡(luò)遭受不同程度干擾情景后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的魯棒性差異（圖11）。

圖10 三種珍稀水鳥棲息地潛在廊道的踏腳石網(wǎng)絡(luò)

圖11 三種珍稀水鳥棲息地廊道在不同情景下生境網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

2. 棲息地網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能穩(wěn)定性和連通性的優(yōu)化和恢復(fù)

研究團隊在情景模擬的基礎(chǔ)上，提出了棲息地網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和連通性的優(yōu)化和恢復(fù)措施。具體包括，重要生境節(jié)點由38個，優(yōu)化為25個，節(jié)點平均面積由187.35 hm2，增加到317.55 hm2，有效緩解了現(xiàn)狀生境節(jié)點進(jìn)一步喪失的風(fēng)險（圖12）。踏腳石網(wǎng)絡(luò)方面，通過移除中心度值較小的冗余節(jié)點（第一級和第二級），并保留踏腳石面積較大（>11.32 hm2）的節(jié)點，南北生境區(qū)踏腳石節(jié)點數(shù)量分別下降了10.61%和15.90%，踏腳石節(jié)點中心度均值由優(yōu)化前的914.22,增加到1031.07（圖14），進(jìn)一步提升了踏腳石群在珍稀水鳥區(qū)域擴散方面的支撐能力。

圖12 重要生境節(jié)點恢復(fù)前后對比圖

圖13 棲息地踏腳石節(jié)點群恢復(fù)方案

上述系列研究成果綜合運用了地理信息系統(tǒng)、景觀生態(tài)學(xué)、計算機科學(xué)、遙感科學(xué)與技術(shù)、野生動物保護(hù)等多學(xué)科交叉的理論知識和模型方法，為新晉世界自然遺產(chǎn)地以及全球濱海濕地的候鳥棲息地保護(hù)于恢復(fù)提供了重要的方案參考和文獻(xiàn)資料，也為中國黃渤海候鳥棲息地（第二期）世界遺產(chǎn)項目的申報和建設(shè)提供了重要的文獻(xiàn)資料和支撐材料。

該研究得到了安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)與穩(wěn)定人才項目、國家自然科學(xué)基金面上項目、江蘇省重點研發(fā)計劃、生態(tài)環(huán)境部生物多樣性調(diào)查、觀測與評估項目（2019-2023）等項目的資助和支持。

供稿：王成  安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)