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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、安徽農業大學

 

研究簡介

全球尺度的相關預測和研究表明，受海平面上升和人類活動的影響，本世紀將有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，尤其是對生態環境極為敏感的珍稀水鳥物種，面臨著物種滅絕的挑戰。因此在國家和國際層面相繼建立眾多鳥類保護網絡，其中，東亞-澳大利西亞遷飛路線（EAAF）以其候鳥種類和數量最多而廣受關注。然而跨區域的水鳥保護網絡難以全面反映和突出重要保護節點或單元內水鳥和棲息地保護現狀。因此，需要開展更加精細的水鳥棲息地網絡現狀研究，全面認識水鳥在區域內部活動特征以及重要生境保護現狀，識別區域內部生境源地、踏腳石和生態廊道，為后續棲息地精細化管理和恢復提供數據支撐。鹽城濱海濕地位于2019年新建立的世界自然遺產地核心地帶（Migratory Bird Sanctuaries along the Coast of Yellow Sea-Bohai Gulf of China (Phase I)），是EAAF上的關鍵樞紐，具有極高的水鳥棲息地保護價值。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核心區，其他區域受農業、工業和城鎮建設活動的影響，均被不同程度圍墾開發，水鳥棲息地保護形勢較為嚴峻。

目前該地區關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域濕地斑塊重要性評價，缺乏從地區典型的珍稀物種群落出發，探討各棲息地內部以及棲息地之間重要生境網絡的結構分析。為此，安徽農業大學王成博士在南京師范大學劉紅玉教授和李玉鳳教授指導下在環境生態學領域TOP期刊《Science of the Total Environment》(2021年IF：10.753)連續發表兩篇題為《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

主要發現

1. 基于隨機森林算法的珍稀水鳥適宜生境識別

根據隨機森林算法運算結果得到丹頂鶴、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，對研究區珍稀水鳥適宜生境等級進行了劃分，得到適宜生境空間分布圖（圖2）。在對適宜區域生境類型面積統計發現（圖3），三種珍稀水鳥在不同棲息地內次適宜和最適宜生境區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域生境類型面積統計

2. 基于隨機森林算法的珍稀水鳥適宜生境識別

環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。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間明顯高于核心棲息地和其他水鳥，說明人工濕地內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 珍稀水鳥沿不同環境變量梯度下閾值模型結果

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域疊加后進行景觀指數進行分析后顯示（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域的擴散和穩定。

圖6 各棲息地三種珍稀水鳥適宜區域的景觀指數

4. 珍稀水鳥棲息地景觀結構-功能維護和恢復的重要價值

近年來，隨著全球各國對野生動物保護意識的不斷強化，開展物種棲息地景觀結構保護和恢復研究成為景觀生態學領域的研究熱點之一。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境變量閾值研究在棲息地景觀結構維護和恢復中的重要價值，依據前文適宜生境空間分布和水鳥對環境變量的響應閾值，我們識別了了珍稀水鳥在適宜區域內和緩沖區潛在的干擾斑塊和待恢復區域（圖7）。這些干擾斑塊和待恢復區域已經形成了對現有水鳥適宜區域的包圍，其中，北緩和南緩棲息地情況最嚴重。由景觀生態學理論可知，當周邊干擾斑塊面積過大時，其對物種內部斑塊形成了擠壓，對珍稀物種種群產生威脅。此外，核心棲息地和大豐棲息地內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量的承載能力下降。因此，需要及時對干擾斑塊和待恢復區進行識別，并開展棲息地景觀結構維持和恢復工作。

具體來說，首先對各棲息地潛在干擾斑塊和待恢復區進行識別，并依據景觀結構特征進行分類，本研究將研究區五個水鳥棲息地的干擾斑塊和待恢復區分為四大類（圖7 TypeⅠ、Type Ⅱ、Type Ⅲ和Type Ⅳ）。其中，類型1為自然和農業生境主導的待恢復區。類型2為由自然植被（蘆葦和互花米草）主導的待恢復區，類型3為由自然和養殖塘生境主導的待恢復區，類型4為由養殖塘和工業用地主導的待恢復區。最后闡述了各待恢復區的恢復模式（圖8）。

圖7 基于生態閾值方法的珍稀水鳥適宜區域及其緩沖區干擾斑塊識別及其待恢復區類型確定

圖8 四種待恢復類型的景觀結構維持及恢復模式

第二部分

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

研究發現

1. 基于情景模擬的珍稀水鳥棲息地潛在廊道與踏腳石網絡分析

由于水鳥具有極強的環境敏感性和跨尺度活動特性，因此如何準確識別水鳥棲息地范圍一直是生物多樣性保護研究領域的難點和重點。為了獲取準確的水鳥分布數據，王成老師在南京師范大學劉紅玉教授、李玉鳳教授指導下以及鹽城濕地珍禽國家級自然保護區管理處相關科研人員組成課題研究團隊，于2018年4月到2020年4月連續七次的野外網絡調查，并輔助GSM-GPS衛星跟蹤技術，獲取了丹頂鶴、東方白鸛和黑嘴鷗的實地位置數據，在此基礎上，利用隨機森林算法模型、復雜網絡理論和電流理論，作者識別了三種珍稀水鳥生境保護廊道、重要生境區和踏腳石斑塊，并分析了不同棲息地廊道內生境連通性水平差異（圖9）。

圖9 三種珍稀水鳥棲息地節點中心度和生境保護廊道分布圖

研究團隊利用Build Network and Map Linkages工具構建了世界自然遺產地珍稀水鳥棲息地生態網絡，揭示了不同生境區棲息地網絡中重要節點、一般節點、活躍網絡和非活躍網絡數量（圖10），以此揭示遺產地現狀棲息地網絡結構現狀。在此基礎上，作者利用網絡連接的魯棒性、全局效率、割點和同配系數模擬三種珍稀水鳥棲生境廊道內踏腳石網絡遭受不同程度干擾情景后網絡結構的魯棒性差異（圖11）。

圖10 三種珍稀水鳥棲息地潛在廊道的踏腳石網絡

圖11 三種珍稀水鳥棲息地廊道在不同情景下生境網絡參數

2. 棲息地網絡結構與功能穩定性和連通性的優化和恢復

研究團隊在情景模擬的基礎上，提出了棲息地網絡結構穩定性和連通性的優化和恢復措施。具體包括，重要生境節點由38個，優化為25個，節點平均面積由187.35 hm2，增加到317.55 hm2，有效緩解了現狀生境節點進一步喪失的風險（圖12）。踏腳石網絡方面，通過移除中心度值較小的冗余節點（第一級和第二級），并保留踏腳石面積較大（>11.32 hm2）的節點，南北生境區踏腳石節點數量分別下降了10.61%和15.90%，踏腳石節點中心度均值由優化前的914.22,增加到1031.07（圖14），進一步提升了踏腳石群在珍稀水鳥區域擴散方面的支撐能力。

圖12 重要生境節點恢復前后對比圖

圖13 棲息地踏腳石節點群恢復方案

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

該研究得到了安徽農業大學引進與穩定人才項目、國家自然科學基金面上項目、江蘇省重點研發計劃、生態環境部生物多樣性調查、觀測與評估項目（2019-2023）等項目的資助和支持。

供稿：王成  安徽農業大學