基于MaxEnt模型的武汉市鸟类生境识别与特征
陈大安 潘玉莲 吴雪飞
摘要：
文章以武汉市分布的6种代表性“保护鸟类”为研究对象，基于2018年鸟类观测数据，通过最大熵（MaxEnt）模型识别其生境空间分布，分析目前武汉市鸟类生境的分布特征与存在的问题，从生境结构与生境质量2方面提出优化建议。研究结果表明：在武汉市中心城区，“保护鸟类”丰富度较高的区域是紧临河流、湖泊等绿地;在远城区，其丰富度较高的则是一些湿地保护区和天然林地区域;此外，部分耕地的“保护鸟类”丰富度也较高，并且是这些“保护鸟类”的重要栖息地。
关键词：
MaxEnt模型，保护鸟类，生境识别，特征分析，武汉
DOI：
10.12169/zgcsly.2020.01.06.0006
Recognition and Characteristics of Bird Habitat in Wuhan Based on MaxEnt Model
Chen Daan Pan Yulian Wu Xuefei
（College of Horticulture and Forestry Sciences， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China）
Abstract：
Six representative species of “protected birds” in Wuhan are taken to identify their spatial distribution using the MaxEnt model based on the birds observation data in 2018， and the characteristics and existing problems of the current bird habitat distribution in Wuhan are analyzed. Then， the optimization suggestions are proposed from two aspects of habitat structure and habitat quality. The study finds that in the core area of Wuhan， there are more “protected birds” in green spaces next to rivers and lakes， while in non-core urban areas they are more found in wetland reserves and natural woodlands. In addition， it is also found that some cultivated lands also have high richness of “protected birds”， which are the important habitat.
Keywords：MaxEnt model， bird protection， habitat recognition， characteristics analysis， Wuhan
城市生物多樣性是城市人居环境的重要组成部分，可满足城市居民接触完整自然的需求。鸟类在食物链中处于较高等级，在一定程度上，鸟类的种类及数量决定了其他等级的生物状态，鸟类的丰富度代表了生态系统的物种多样性及生态系统的健康程度[1-3] ，也常被用作评价城市生物多样性水平的指标之一。“保护鸟类”是城市鸟类中极度敏感的物种，其分布容易受到生境条件和人类活动的双重影响，更能表现其栖息地环境所具有的特征。因此，本文以“保护鸟类”丰富度反映城市鸟类生境的优劣。
目前，我国的城市鸟类研究主要集中在3方面：一是动物学背景的学者以鸟类群落结构为核心，研究城市鸟类生存发展过程;二是生态学背景的学者研究在城市化背景下城市环境因子对鸟类的影响;三是园林规划设计背景的学者主要研究城市园林植物群落营造对城市鸟类的影响[4] 。虽然研究方向多样，但学科界限明显，缺少动物学、生态学、园林规划设计等多学科融合。本文在一定程度上弥补了当前研究在学科交叉上的不足，在“鸟类生境识别”方法上结合动物学最大熵模型和地理学Arcgis软件进行建模分析，在鸟类生境策略研究上，融合生态学与园林规划学科理论提出保护建议。
本文基于城市鸟类生活习性选择6种“保护鸟类”作为研究对象，通过MaxEnt模型和Arcgis软件识别其空间分布并总结其分布特征;然后分析影响其分布特征的主要因素，最后从生境结构与生境质量2方面提出优化建议。研究城市“保护鸟类”的地理空间分布格局既能对武汉市鸟类的保护提供空间参考，又能为城市生物资源可持续发展和生物多样性保护提供管理建议。
1 研究区域
武汉市地处长江中下游平原，北部主要以地山丘陵为主，南部主要分布大型湖群，构成北山南湖的空间格局。全市下辖13个行政区，3个国家级开发区，总面积8 569.15 km2 ，水域面积占全市面积的近1/4，构成了极具特色的滨江、滨湖水生态环境与丰富的动植物资源。武汉市拥有良好的水资源条件和湿地环境，为鸟类的取食及营巢奠定了基础。
2 研究方法
2.1 基础数据
“保护鸟类”名录来自《国家重点保护野生动物名录》结合《武汉市市区及市郊鸟类多样性初步调查》[5] 筛选出的武汉市市域国家级保护鸟类6种、省级保护鸟类44种;依据《中国动物志·鸟纲》[6] 和《中国鸟类野外手册》[7] 等鸟类学文献，参考城市区域的用地特性和“中国土地资源分类系统”[8] ，为每种典型鸟类判定生境类型;基于生境的分类最终选定6种武汉市代表性的保护鸟类（表1）。本研究从武汉市观鸟协会和公众观鸟大数据平台获取武汉市分布的6种保护鸟类点位分布数据进行整合和坐标纠偏。
为获取武汉市2018年生境分类信息，需要对遥感影像进行处理。本研究采用地理空间数据云和Landsat-8 OLI 影像选取云量少的数据，空间分辨率均为30 m。
2.2 数据分析
2.2.1 遥感解译
在ENVI5.0中对遥感影像进行辐射定标、大气校正、去云等预处理，并进行影像拼接，使用武汉市行政边界进行裁剪，得到研究区遥感影像数据。参照《生态十年环境遥感监测土地覆盖分类系统》，根据武汉市的实际情况，采用监督分类与人工目视解译结合的方法，得出研究区土地覆被分类为一级6类、二级19类。
2.2.2 使用MaxEnt進行物种分布建模
每个物种都有其独特的生态位，通常比较稳定，这也是生态位模型能够预测物种潜在分布范围的基础条件[9] 。生态位模型的基本原理是根据研究物种特有的生存环境，从目标物种已知的分布区“出现点”数据出发，利用数理统计模型或机器学习理论分析处理、归纳或模拟其生态需求，在研究区域内，基于一系列环境变量将运算结果投射至不同的空间，产生1个连续栅格的预测分布图。生境越适宜，物种出现的概率相对越高，最后依据物种出现概率预测物种的潜在空间分布[10] （图1）。
2.2.3 MaxEnt模型指标选取
鸟类生境因子的选择将会直接影响模型的最终预测结果，目前在物种分布模拟中生境因子的选取尚无统一的规定，根据研究目的的不同所选取的生境因子也存在一定差异。本文以文献研究为基础，结合武汉鸟类习性的调研，从鸟类生存的生境因子与干扰因子2个方面选出10个主要影响鸟类分布的指标[11] 。这些指标包括土地利用类型、鸟类生境结构、植被覆盖度、与水源的距离、海拔、坡度、坡向7个环境因子，以及与建设用地的距离、与城市主干道距离、与城市次干道的距离3个干扰因子。在上述6种典型鸟类中，红隼、画眉、星头啄木鸟是陆生鸟类，灰胸竹鸡、水雉、红头潜鸭是水生鸟类，因此，在计算其生境结构上有所区别，陆生鸟类的生境结构以鸟类活动范围内植被所占百分比体现，水生鸟类生境结构则以鸟类活动范围内水域所占百分比体现。最后，根据前面收集的各种遥感数据、林业调查、国土数据以及道路交通数据，在地理信息系统（Arcgis）平台上分析得到一系列鸟类生存环境因子（图2）。
2.2.4 鸟类空间分布特征分析
基于6种武汉市典型“保护鸟类”丰富度空间分布格局，采用Arcgis平台中地理加权求和的方法，叠加计算出鸟类丰富度最高的斑块，并作为评价现有鸟类生境保护行动优先级的指标[12] ，斑块评分越高，表明该区域鸟类的丰富度越高，其生境重要性越高。此外，根据鸟类丰富度空间分布格局分析影响鸟类空间分布的主要驱动因素，为城市鸟类保护提供理论依据。
3 结果与分析
3.1 “保护鸟类”空间分布特征
通过研究分析分别获取6种“保护鸟类”丰富度空间分布格局，再以等权叠加的方式得出综合鸟类丰富度空间分布格局（图3）。从6种典型的“保护鸟类”的空间分布图以及叠加后的“保护鸟类”丰富度分布格局可以发现，长江武惠堤沿线、汉口江滩公园沿线、长江纱帽堤沿线，以及汉水、府河、滠水、朱家河、通石河、东荆河等河渠栖息地，天兴洲、沉湖、后官湖、鲁湖，官莲湖、东湖、牛山湖、涨渡湖、武湖、陶家湖、梁子湖、院基寺水库等湖泊栖息地，青龙山、八分山、木兰山、木兰天池、龙泉山、九峰山、磨山等森林公园栖息地是“保护鸟类”空间分布丰富度高的区域。同时，位于江夏区、新洲区和蔡甸区的水田也是“保护鸟类”空间分布丰富度较高的区域，然而位于城市中心的中山公园、解放公园、沙湖公园、堤角公园，以及青山公园等城区绿地“保护鸟类”丰富度并不高。由此可见，水域栖息地和城市森林公园支持了较高的“保护鸟类”空间分布丰富度。
3.1.1 主城区鸟类分布特征
武汉市核心发展区中，河流湖泊两侧的栖息地中“保护鸟类”的丰富度最高，其次是城市中心的公园绿地，最后是城市住宅旁的附属绿地。多数文献研究表明，面积是影响物种丰富的重要因子[13] ，面积相对比较大的城市中心公园绿地，其“保护鸟类”的丰富度应该大于河流湖泊两旁的带状绿地，而本研究的结果却不完全一致。究其原因可能有以下几点：一是城市中心公园各种人员活动比较多，对鸟类生存繁殖产生较大干扰。二是在设计时，设计师对城市公园的艺术性追求大于其生态性，放弃乡土树种，引入大量外来植物，造成公园内部植物生长状况欠佳，生境过于单一，不利于公园鸟类生存。三是城市中心公园周边大多高楼林立，形成一个绿色孤岛与周边的绿地缺乏联系，外来的物种难以跨域层层障碍来到公园内部，公园内的物种难以突破这种无形的“囚牢”与外面的物种产生基因交流，久而久之，公园内部物种丰富度就逐渐降低。与之相反，汉水沿线、府河周边的栖息地“保护鸟类”丰富度高，虽然它只是带状绿地，单位长度内生境面积小，但其植物群落的丰富度、植物多样性和生境多样性都较高，而且与其他较大的生境斑块联系性也较强。
3.1.2 远城区鸟类分布特征
城市远城区“保护鸟类”丰富度远大于城市核心区，其中“保护鸟类”丰富度最高的是城市森林公园和湿地保护区，其次是远城区的耕地，丰富性最低的是城镇周边与内部的绿地。远城区的森林公园规模大且干扰相对较小，生态系统稳定，因此其“保护鸟类”丰富度较高。武汉良好的水资源条件和湿地环境为水生鸟类创造了良好的生境条件，加上大量北方候鸟在此越冬，因此湿地保护区及周边“保护鸟类”丰富度比较高。耕地中水田的生境条件比旱地好，武汉耕地面积中水田所占比重较大，能为许多水生“保护鸟类”提供栖息环境，因此耕地中鸟类丰富度也比较高。
3.2 保护空缺分析
将武汉市现有的省、市级别的自然保护区（表2）与鸟类综合分布图叠加得到保护空缺图（图4）。从图4中可知，武汉市现状自然保护区大都位于远城区的湿地自然保护区。这些自然保护区对于武汉市“保护鸟类”存在较大的缺口， 尤其是位于城市核心区的“保护鸟类”，它们在城市内部仅存生境是城市中为数不多的公园绿地与湖泊湿地，保护好这些生境则是对城市内部鸟类最好的庇护。城市内部用地紧张，大面积增加城市绿地已不可能，如何优化这些栖息地生境质量、生境格局已成为要重点研究的问题。
4 结论与建议
4.1 结论
本文引入MaxEnt模型，为鸟类生境的预测提供了一个可靠的方法，预测效果与该物种的已知生态拟合良好，为政府野生动物保护部门与规划部门在规划决策方面提供参考与建议，有利于对城市生物多样性进行精准保护，加强公众在城市生物多样性保护方面的参与度。本文基于MaxEnt模型，通过对武汉市6种典型“保护鸟类”丰富度的研究可知：武汉市“保护鸟类”丰富度较高的是湖泊、河流等水域栖息地和林地栖息地;其次是草地、耕地等栖息地;而人类活动较多的建设用地区域则是“保护鸟类”丰富度较低区域。因此，武汉市丰富的湖泊、河流等湿地环境是这些“保护鸟类”的主要生存资源条件和活动的核心区域。
4.2 鸟类生境优化建议
4.2.1 鸟类生境格局优化
从现状的城市鸟类生境分布格局可以看出，鸟类栖息地之间的连通性弱，尤其是在城市中心发展区域，在城市尺度下应增加鸟类生境间的连通性。城市公园绿地是分布在城市中心的鸟类核心栖息地，但却被商业、住宅、办公等用地类型包围形成了孤岛，因此，提出以下3点建议：
1） 在城市中心绿地周边结合道路、水系等带状防护绿地预留出一条绿色廊道供鸟类迁徙。解放公园虽然绿地面积很大但被各种住宅小区和办公写字楼包围，导致与其他生境连通性弱，应该在芦沟桥路通往沿江大道的道路两侧，适当增加绿化覆盖率，设置一条供鸟类迁徙的绿色廊道，增加解放公园绿地与江滩公园绿地2个栖息地的连通性。
2） 限制中心绿地旁边的高层建筑数量，给鸟类迁徙让出飞行空间，增加不同生境斑块鸟类间基因交流。汉阳墨水湖公园在周边房地产还没有完全开发之前，是一个良好的鸟类栖息地，但随着周边土地开发强度增加，许多超高层湖景住宅小区拔地而起，整个墨水湖公园被一排排住宅包围起来，许多原本在墨水湖越冬候鸟就无法迁徙至此，在本地栖息的鸟类难以与其他栖息地鸟类繁殖进行基因交流。因此，应限制周边建筑的高度，尤其是在鸟类迁徙路线上建筑的高度。
3） 在距离较远的生境斑块之间增加鸟类迁徙“脚踏石”，为鸟类长距离迁徙创造条件。在汉口城市发展核心区域，人口与建筑密度均较集中，解放公园、中山公园、后襄河等城市公园已成为鸟类最重要的栖息地，但这种核心栖息地之间距离较远。因此，应适当在2个距离较远的生境斑块之间增加迁徙“脚踏石”，为鸟类长距离迁徙创造条件，城市中的口袋公园、建筑附属绿地、屋顶绿化等恰好可以扮演鸟类迁徙“脚踏石”角色，在规划设计时可以综合考虑其潜在价值。
4.2.2 鸟类生境质量优化
目前，在城市核心发展区用地紧张，大量增加绿地的可能性较小，如何提高这些绿地生境质量，增加其生态效应是关键。
1） 优化城市绿地的植物配置，尤其是道路防护绿地。应选用乡土树种，采用乔-灌-草种植方式，让鸟类在竖向上也有更多的生存空间，减少道路交通等干扰因素对鸟类生境的影响。
2） 为鸟类的生存繁殖提供相对干扰较小的环境。在大型公园绿地内部适当增加一些生态密林区，适当增加微地形增加其竖向变化，增加公园内部生境多样性，并限制游览人员的进入。
3） 在城市远城区，增加水生农作物的多样性种植。水田也是鸟类丰富度较高的生境之一，应避免水田干涸，增加多样性种植，这也是提升城市鸟类丰富度的重要举措[14-15] 。
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