棘胸蛙種群分布和景觀生態穩定性相關性研究

廖常樂，張平，陳冬洋，胡建平，華華，蘇勇

（1.株洲市林業科學研究所，湖南株洲 412000；2.株洲市林業局，湖南株洲 412000；3.海南新綠神熱帶生物工程有限責任公司，海南?？?570203）

棘胸蛙（Quasipaa spinosa）隸屬兩棲綱無尾目叉舌蛙科棘胸蛙屬，其對水質、地質、氣候等環境因子的要求較高，是環境監測的重要指示物種，已被列入《中國瀕危物種紅皮書》《中國物種紅色名錄》“易危”種和IUCN“VU”等級，其野生種群數量較少。對其的研究主要集中于生物學特征、生態學以及人工養殖與利用等方面，而對野生種群分布與景觀生態格局的關系研究較少。對景觀生態格局的研究，能夠直接反映社會形態下的人類活動、經濟發展狀況，同時景觀生態格局也與區域社會和經濟可持續發展密切相關，生態脆弱化不但會引起自身生態功能的衰退，還會導致生態環境質量惡化，引發生物多樣性喪失。為此項目組在2017年9月至2018年9月，對炎陵縣棘胸蛙的分布和種群數量進行了調查，并結合炎陵縣景觀生態穩定情況，初步研究了棘胸蛙野生種群分布和景觀生態穩定性的關系，分析了棘胸蛙受威脅原因，旨在為評估野外棘胸蛙種群數量、保護等級，以及科學保護棘胸蛙野生種群提供理論依據。

1 研究區概況

炎陵縣地處湖南省東南部，坐標為26°03～26°39′30″N，113°34′54″～114°07′15″E。地形東南高，西北平緩，境內最高峰為酃峰，海拔2115m；最低處海拔為116m，高差達1949m。地貌以山地為主，占全境的86.9%。屬中亞熱帶季風濕潤氣候區，年平均氣溫為12.1～17.2℃，太陽輻射為86.6～105.1kcal/cm，平均降雨量 1761.5mm，無霜期為288d，其特殊的地形地貌與氣候條件，為棘胸蛙提供了合適的棲息與繁殖生境，是棘胸蛙野外種群的重要分布地。

2 研究方法

2.1 景觀生態穩定性分析

2.1.1 數據來源與處理

主要選取森林資源二類清查數據、區劃數據、流域森林分布圖、衛星遙感影像圖。利用景觀相關研究成果和湖南省二類調查技術規程，將區域土地利用景觀類型分為耕地、林地、草地、園地、水域、建設用地和未利用地7類。利用ArcGIS10.5將小班數據轉換為柵格數據，以確保符合景觀指數計算要求。將柵格數據導入景觀軟件Fragstas4.2中進行計算，得出景觀指數，最后將景觀指數帶入改進型穩定性評價模型進行景觀穩定性評價。

2.1.2 景觀指數的選擇

該次景觀穩定性研究主要按照景觀類型選取了具有代表性的8個指數，分別為斑塊密度（PD）、平均分維數（MPFRAC）、景觀形狀指數（LSI）、蔓延度(CONTAG)、相似鄰接比例(PLADJ)、聚合度（AI）、香農指數（SHDI）、分離度（DIVISION）。改進型景觀穩定性評價模型，標準為景觀指數是否有利于景觀格局穩定性，將景觀指數分為正負指標，有利于景觀格局穩定性為正指標，不利于景觀格局穩定性則為負指標。該文選取8個景觀指標，分別對其進行無量綱化處理，消除量綱影響，公式為：正指標；負指標其中 是無量綱標準指標值，Xi是原指標值，Ximax為原指標最大值，Ximin為原指標最小值。Xi值越大，景觀格局穩定性越好，該指標為正指標；Xi值越大，景觀格局穩定性越差時，該指標為負指標。景觀指數無量綱化后，利用主成分分析法計算景觀指標權重，并加權求和得出網格景觀穩定性評價指數。由主成分分析可得出各景觀指數權重，λi為主成分i的貢獻率，m為主成分個數，由各主成分方差貢獻率計算權重，其中F為區域j j景觀格局穩定性指數，Zi為穩定性評價景觀指標無量綱值。

景觀穩定性分析：基于80m的土地景觀柵格數據，選取8個主要指數，構建炎陵縣景觀生態穩定性評價模型，基于主成份分析法計算8項景觀指標權重，分別為斑塊密度X1、景觀形狀指數X2、平均分維數 X3、蔓延度 X4、相似鄰接比例 X5、香農指數 X6、聚合度X7、分離度X8。將8項景觀指數進行無量綱化處理，再用SPSS20.0進行主成分分析，得到相應的景觀穩定性指數。

利用ArcGIS10.6克里金插值法創建4.32km×4.32km漁網，剔除漁網邊緣單元面積小于完整單元格面積50%不可靠漁網格，并提取相應質心。將8項景觀指數無量綱值進行加權求和的景觀穩定性指數賦值給對應質心，通過對質心景觀穩定指數進行正態QQ分布，檢測景觀穩定性指數是否符合正態分布，再進行普通克里金插值，從而得到土地利用景觀穩定性空間分布圖。

2.2 種群調查與估計

2.2.1 樣帶和樣方設置

通過景觀生態穩定性分析，將炎陵縣的景觀生態穩定性分為5個級別區域，利用ArcGIS10.6軟件統計出各個級別景觀生態穩定區域的面積，再利用統計出的景觀生態穩定區域以及結合調查區域的地形，設置單側寬度為20m樣帶、面積為50m×50m的樣方。該次調查共設置樣帶26條、樣方36個。樣帶調查時，按3～5人/組，沿路以2km/h的速度前進，記錄其種群數量、海拔和坐標等數據。由于棘胸蛙隱蔽性很強，聞其鳴聲，但未發現實體的也算做記錄。

2.2.2 種群數量統計

種群估計利用景觀生態穩定區域樣方樣帶結合法進行調查統計，即按照景觀生態穩定區域不同，估算出每個級別穩定區域內的種群密度，再根據每個級別穩定區域面積計算各區域中棘胸蛙種群數量，從而估算出整個炎陵縣內棘胸蛙的種群數量。

2.3 數據統計分析

所得數據利用相關性分析法，對不同區域小班景觀穩定性數值與棘胸蛙在該小班種群數量進行相關性分析，所有數據用SPSS20.0軟件進行處理，顯著水平設為α=0.05。

3 結果與分析

3.1 景觀生態穩定性分析

炎陵縣生態環境質量的優劣在景觀穩定性研究分析中得以體現，通過主成份分析可知前3個指標累計貢獻率高達91.803%，滿足85%的要求，因此選取前3個指標作為主成分，能夠反映景觀類型信息，且能夠滿足景觀穩定性評價的要求（表1）。

表1 特征值與主成分貢獻率Tab.1 Characteristic value and the contribution rate of principal components

依據主成分分析可知各景觀因子的權重（見表2），其中8項指標中分離度的權重最高，對炎陵景觀生態穩定性的影響最為顯著；而景觀形態指數的權重值最低，對景觀生態穩定性的影響較小。

表2 景觀穩定性指數權重Tab.2 Landscape stability index weightings

通過對質心景觀穩定指數進行正態QQ分布可知，景觀生態穩定性指數符合正態分布（圖1），適合進行普通克里金插值。通過普通克里金插值，得到土地利用景觀生態穩定性空間分布（圖2）。根據普通克里金插值結果，以自然斷裂法為基礎，確定景觀生態穩定性分級標準：Ⅰ級區域 (0.5061～0.5581)、Ⅱ級區域 (0.5581～0.6011)、Ⅲ級區域(0.6011～0.6410)、Ⅳ級區域(0.6410～0.6735)、Ⅴ級區域(0.6735～0.7109），級別越低表明景觀生態穩定性越差，級別越高景觀生態穩定性越強。

圖1 景觀生態穩定性質心點正態QQ分布Fig.1 Normal QQ polt of landscape stability centroid

圖2 景觀生態穩定性分布Fig.2 Landscape stability distribution

通過圖2可知，炎陵生態穩定性總體呈現出從東到西逐漸變弱的過程，Ⅲ級以上穩定區共1403.35km2，占炎陵縣面積的69%，大部分地區處于穩定或一般穩定狀況，炎陵縣整體景觀生態特征呈現穩定狀態，生態環境良好。穩定區域(Ⅴ級穩定區)集中分布在東南部，即策源鄉、神農谷國家森林公園、大院農場等地；中度穩定區（Ⅳ級穩定區）主要分布于炎陵中部，即十都鎮、壟溪鄉、中村鄉、下村鄉、平樂鄉、龍渣瑤族鄉等地區；一般穩定區（Ⅲ級穩定區）為帶狀分布，自西南向東北貫穿于炎陵縣，如中村鄉；一般不穩定區（Ⅱ級穩定區）主要分布于炎陵縣城、水口鎮、三河鎮以及霞陽鎮，以建設用地為主，受到人類活動的影響較大；十分不穩定區（Ⅰ級穩定區）主要分布在炎陵西面與北面部分區域。

3.2 分布及種群數量

調查發現棘胸蛙主要出現在4至9月，5月份是棘胸蛙活動高峰期，其主要棲息在山間小溪石縫中，夜間出來覓食繁殖。根據景觀生態穩定性分析得出，Ⅰ級穩定區264.40km2、Ⅱ級穩定區366.09km2、Ⅲ級穩定區386.43km2、Ⅳ級穩定區610.15km2、Ⅴ級穩定區406.77km2，各級穩定區域調查強度如表3所示。調查共發現棘胸蛙180只，主要分布在炎陵縣東部景觀生態穩定性較好地區，在5種景觀生態穩定性等級中均有分布，Ⅰ級穩定區發現棘胸蛙數量2只、Ⅱ級穩定區發現5只、Ⅲ級穩定區發現26只、Ⅳ級穩定區發現45只、Ⅴ級穩定區發現102只（表4）。

根據該次調查，估算出在炎陵縣分布的棘胸蛙種群數量為82811只±26279只（表5）。其中Ⅰ級穩定區估計棘胸蛙種群數量1065只±1660只、Ⅱ級穩定區估計棘胸蛙種群數量2649只±2621只、Ⅲ級穩定區估計棘胸蛙種群數量12431±7516只、Ⅳ級穩定區估計棘胸蛙種群數量32026±6485只、Ⅴ級穩定區估計棘胸蛙種群數量34595±7997只。Ⅴ級穩定區棘胸蛙種群估計數量最多，該區域內發現棘胸蛙個體數量最多，種群密度大；Ⅳ級穩定區棘胸蛙種群估計數量次之，該區域內棘胸蛙種群密度不大，為52.49只/km2，但該穩定區所占面積最大，所以該穩定區棘胸蛙估計種群數量與Ⅴ級穩定區棘胸蛙估計種群數量相差不大。Ⅴ級穩定區與Ⅳ級穩定區內棘胸蛙種群估計數量占炎陵縣全部棘胸蛙種群估計數量的80.45%，是棘胸蛙在炎陵縣重點分布區域。

表3 樣方樣帶信息Tab.3 Information of line transect and squares

表4 調查樣帶和樣方中發現棘胸蛙的數量Tab.4 Q.spinosa found in transect and sample squares

表5 不同穩定性等級種群密度與種群數量估計Tab.5 Population density and population size estimation in different Stability level

3.3 種群數量與景觀生態穩定性相關性分析

通過相關性分析得出，顯著性水平P=0.024（P＜0.05）,炎陵縣棘胸蛙分布與景觀生態穩定性關系密切，即景觀生態穩定性越高，棘胸蛙種群數量則越多，結果顯示棘胸蛙主要分布于景觀生態穩定性較強的東部山區，即策源鄉、神農谷森林公園、大院農場等地，該區域為森林公園、國有林場、生態保存完好，管理相對完善，人為干擾較小。而炎陵西部地區，離縣城較近的水口鎮、三河鎮景觀生態穩定性較差，該區域植被結構單一，建設用地和其他用地所占面積大，且農戶種植黃桃、李等經濟作物較多，人為影響較大，棘胸蛙則沒有分布。

圖3 不同景觀生態穩定性棘胸蛙分布點Fig.3 Distribution of Q.spinosa in different landscape stability

4 保護建議

野生棘胸蛙對環境要求高，多分布在海拔300～900m的深山大溝中，有小股溪流的平緩水流處或小瀑布，周圍林木昌茂，郁閉度高，陰涼潮濕，水溫與氣溫較低，陰涼、流速緩慢景觀溪流的巖石洞穴或亂石堆內。研究得知，棘胸蛙在炎陵縣大部分區域均有分布，但其種群數量主要集中于東部山區景觀生態穩定性交好的地區，隨著生態穩定性的下降，棘胸蛙的野外種群數量隨之減少，景觀生態穩定性對棘胸蛙的野外種群數量影響顯著。因此，為保護好炎陵棘胸蛙野外種群資源，提出如下建議：1)在炎陵西部景觀生態穩定性較弱的地區，合理規劃造林、封山育林，逐步提高森林覆蓋率，從而提高該地區景觀生態穩定性，為棘胸蛙提供更多適宜生存的棲息環境；2)由于經濟利益驅使，村民為提高經濟效益，擴大經濟作物的種植面積，特別是棘胸蛙賴以生存的高海拔溪流生境，大面積種植茶葉、黃桃、李子等單一經濟作物，既破壞了該地區的景觀生態穩定性，又由于人類活動及化肥農藥的使用，直接破壞了棘胸蛙賴以生存的棲息地環境，建議加強棘胸蛙棲息地保護，減少對溪流、小瀑布、平緩水洼等適宜棘胸蛙棲息的自然生境的破壞，減少在棘胸蛙重點棲息生境附近種植經濟作物，從而減少人類活動、農藥化學物對生境的影響；3)在炎陵縣沔度鎮附近發現有村民沿溪流用電捕捉棘胸蛙，且在4～8月棘胸蛙繁殖季節，縣城及下屬鄉鎮市場趕集時，時常有村民販賣野生棘胸蛙的現象，建議加強執法，嚴厲打擊非法捕捉棘胸蛙的盜獵行為，開展專項打擊市場販賣野生棘胸蛙資源的行動，減少人類對棘胸蛙野生種群的破壞。