基于MaxEnt模型的武漢市鳥類生境識別與特征

陳大安 潘玉蓮 吳雪飛

摘要： 文章以武漢市分布的6種代表性“保護鳥類”為研究對象，基于2018年鳥類觀測數據，通過最大熵（MaxEnt）模型識別其生境空間分布，分析目前武漢市鳥類生境的分布特征與存在的問題，從生境結構與生境質量2方面提出優化建議。研究結果表明：在武漢市中心城區，“保護鳥類”豐富度較高的區域是緊臨河流、湖泊等綠地;在遠城區，其豐富度較高的則是一些濕地保護區和天然林地區域;此外，部分耕地的“保護鳥類”豐富度也較高，并且是這些“保護鳥類”的重要棲息地。

關鍵詞： MaxEnt模型，保護鳥類，生境識別，特征分析，武漢

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環境的重要組成部分，可滿足城市居民接觸完整自然的需求。鳥類在食物鏈中處于較高等級，在一定程度上，鳥類的種類及數量決定了其他等級的生物狀態，鳥類的豐富度代表了生態系統的物種多樣性及生態系統的健康程度[1-3] ，也常被用作評價城市生物多樣性水平的指標之一。“保護鳥類”是城市鳥類中極度敏感的物種，其分布容易受到生境條件和人類活動的雙重影響，更能表現其棲息地環境所具有的特征。因此，本文以“保護鳥類”豐富度反映城市鳥類生境的優劣。

目前，我國的城市鳥類研究主要集中在3方面：一是動物學背景的學者以鳥類群落結構為核心，研究城市鳥類生存發展過程;二是生態學背景的學者研究在城市化背景下城市環境因子對鳥類的影響;三是園林規劃設計背景的學者主要研究城市園林植物群落營造對城市鳥類的影響[4] 。雖然研究方向多樣，但學科界限明顯，缺少動物學、生態學、園林規劃設計等多學科融合。本文在一定程度上彌補了當前研究在學科交叉上的不足，在“鳥類生境識別”方法上結合動物學最大熵模型和地理學Arcgis軟件進行建模分析，在鳥類生境策略研究上，融合生態學與園林規劃學科理論提出保護建議。

本文基于城市鳥類生活習性選擇6種“保護鳥類”作為研究對象，通過MaxEnt模型和Arcgis軟件識別其空間分布并總結其分布特征;然后分析影響其分布特征的主要因素，最后從生境結構與生境質量2方面提出優化建議。研究城市“保護鳥類”的地理空間分布格局既能對武漢市鳥類的保護提供空間參考，又能為城市生物資源可持續發展和生物多樣性保護提供管理建議。

1 研究區域

武漢市地處長江中下游平原，北部主要以地山丘陵為主，南部主要分布大型湖群，構成北山南湖的空間格局。全市下轄13個行政區，3個國家級開發區，總面積8 569.15 km2 ，水域面積占全市面積的近1/4，構成了極具特色的濱江、濱湖水生態環境與豐富的動植物資源。武漢市擁有良好的水資源條件和濕地環境，為鳥類的取食及營巢奠定了基礎。

2 研究方法

2.1 基礎數據

“保護鳥類”名錄來自《國家重點保護野生動物名錄》結合《武漢市市區及市郊鳥類多樣性初步調查》[5] 篩選出的武漢市市域國家級保護鳥類6種、省級保護鳥類44種;依據《中國動物志·鳥綱》[6] 和《中國鳥類野外手冊》[7] 等鳥類學文獻，參考城市區域的用地特性和“中國土地資源分類系統”[8] ，為每種典型鳥類判定生境類型;基于生境的分類最終選定6種武漢市代表性的保護鳥類（表1）。本研究從武漢市觀鳥協會和公眾觀鳥大數據平臺獲取武漢市分布的6種保護鳥類點位分布數據進行整合和坐標糾偏。

為獲取武漢市2018年生境分類信息，需要對遙感影像進行處理。本研究采用地理空間數據云和Landsat-8 OLI 影像選取云量少的數據，空間分辨率均為30 m。

2.2 數據分析

2.2.1 遙感解譯

在ENVI5.0中對遙感影像進行輻射定標、大氣校正、去云等預處理，并進行影像拼接，使用武漢市行政邊界進行裁剪，得到研究區遙感影像數據。參照《生態十年環境遙感監測土地覆蓋分類系統》，根據武漢市的實際情況，采用監督分類與人工目視解譯結合的方法，得出研究區土地覆被分類為一級6類、二級19類。

2.2.2 使用MaxEnt進行物種分布建模

每個物種都有其獨特的生態位，通常比較穩定，這也是生態位模型能夠預測物種潛在分布范圍的基礎條件[9] 。生態位模型的基本原理是根據研究物種特有的生存環境，從目標物種已知的分布區“出現點”數據出發，利用數理統計模型或機器學習理論分析處理、歸納或模擬其生態需求，在研究區域內，基于一系列環境變量將運算結果投射至不同的空間，產生1個連續柵格的預測分布圖。生境越適宜，物種出現的概率相對越高，最后依據物種出現概率預測物種的潛在空間分布[10] （圖1）。

2.2.3 MaxEnt模型指標選取

鳥類生境因子的選擇將會直接影響模型的最終預測結果，目前在物種分布模擬中生境因子的選取尚無統一的規定，根據研究目的的不同所選取的生境因子也存在一定差異。本文以文獻研究為基礎，結合武漢鳥類習性的調研，從鳥類生存的生境因子與干擾因子2個方面選出10個主要影響鳥類分布的指標[11] 。這些指標包括土地利用類型、鳥類生境結構、植被覆蓋度、與水源的距離、海拔、坡度、坡向7個環境因子，以及與建設用地的距離、與城市主干道距離、與城市次干道的距離3個干擾因子。在上述6種典型鳥類中，紅隼、畫眉、星頭啄木鳥是陸生鳥類，灰胸竹雞、水雉、紅頭潛鴨是水生鳥類，因此，在計算其生境結構上有所區別，陸生鳥類的生境結構以鳥類活動范圍內植被所占百分比體現，水生鳥類生境結構則以鳥類活動范圍內水域所占百分比體現。最后，根據前面收集的各種遙感數據、林業調查、國土數據以及道路交通數據，在地理信息系統（Arcgis）平臺上分析得到一系列鳥類生存環境因子（圖2）。

2.2.4 鳥類空間分布特征分析

基于6種武漢市典型“保護鳥類”豐富度空間分布格局，采用Arcgis平臺中地理加權求和的方法，疊加計算出鳥類豐富度最高的斑塊，并作為評價現有鳥類生境保護行動優先級的指標[12] ，斑塊評分越高，表明該區域鳥類的豐富度越高，其生境重要性越高。此外，根據鳥類豐富度空間分布格局分析影響鳥類空間分布的主要驅動因素，為城市鳥類保護提供理論依據。

3 結果與分析

3.1 “保護鳥類”空間分布特征

通過研究分析分別獲取6種“保護鳥類”豐富度空間分布格局，再以等權疊加的方式得出綜合鳥類豐富度空間分布格局（圖3）。從6種典型的“保護鳥類”的空間分布圖以及疊加后的“保護鳥類”豐富度分布格局可以發現，長江武惠堤沿線、漢口江灘公園沿線、長江紗帽堤沿線，以及漢水、府河、灄水、朱家河、通石河、東荊河等河渠棲息地，天興洲、沉湖、后官湖、魯湖，官蓮湖、東湖、牛山湖、漲渡湖、武湖、陶家湖、梁子湖、院基寺水庫等湖泊棲息地，青龍山、八分山、木蘭山、木蘭天池、龍泉山、九峰山、磨山等森林公園棲息地是“保護鳥類”空間分布豐富度高的區域。同時，位于江夏區、新洲區和蔡甸區的水田也是“保護鳥類”空間分布豐富度較高的區域，然而位于城市中心的中山公園、解放公園、沙湖公園、堤角公園，以及青山公園等城區綠地“保護鳥類”豐富度并不高。由此可見，水域棲息地和城市森林公園支持了較高的“保護鳥類”空間分布豐富度。

3.1.1 主城區鳥類分布特征

武漢市核心發展區中，河流湖泊兩側的棲息地中“保護鳥類”的豐富度最高，其次是城市中心的公園綠地，最后是城市住宅旁的附屬綠地。多數文獻研究表明，面積是影響物種豐富的重要因子[13] ，面積相對比較大的城市中心公園綠地，其“保護鳥類”的豐富度應該大于河流湖泊兩旁的帶狀綠地，而本研究的結果卻不完全一致。究其原因可能有以下幾點：一是城市中心公園各種人員活動比較多，對鳥類生存繁殖產生較大干擾。二是在設計時，設計師對城市公園的藝術性追求大于其生態性，放棄鄉土樹種，引入大量外來植物，造成公園內部植物生長狀況欠佳，生境過于單一，不利于公園鳥類生存。三是城市中心公園周邊大多高樓林立，形成一個綠色孤島與周邊的綠地缺乏聯系，外來的物種難以跨域層層障礙來到公園內部，公園內的物種難以突破這種無形的“囚牢”與外面的物種產生基因交流，久而久之，公園內部物種豐富度就逐漸降低。與之相反，漢水沿線、府河周邊的棲息地“保護鳥類”豐富度高，雖然它只是帶狀綠地，單位長度內生境面積小，但其植物群落的豐富度、植物多樣性和生境多樣性都較高，而且與其他較大的生境斑塊聯系性也較強。

3.1.2 遠城區鳥類分布特征

城市遠城區“保護鳥類”豐富度遠大于城市核心區，其中“保護鳥類”豐富度最高的是城市森林公園和濕地保護區，其次是遠城區的耕地，豐富性最低的是城鎮周邊與內部的綠地。遠城區的森林公園規模大且干擾相對較小，生態系統穩定，因此其“保護鳥類”豐富度較高。武漢良好的水資源條件和濕地環境為水生鳥類創造了良好的生境條件，加上大量北方候鳥在此越冬，因此濕地保護區及周邊“保護鳥類”豐富度比較高。耕地中水田的生境條件比旱地好，武漢耕地面積中水田所占比重較大，能為許多水生“保護鳥類”提供棲息環境，因此耕地中鳥類豐富度也比較高。

3.2 保護空缺分析

將武漢市現有的省、市級別的自然保護區（表2）與鳥類綜合分布圖疊加得到保護空缺圖（圖4）。從圖4中可知，武漢市現狀自然保護區大都位于遠城區的濕地自然保護區。這些自然保護區對于武漢市“保護鳥類”存在較大的缺口， 尤其是位于城市核心區的“保護鳥類”，它們在城市內部僅存生境是城市中為數不多的公園綠地與湖泊濕地，保護好這些生境則是對城市內部鳥類最好的庇護。城市內部用地緊張，大面積增加城市綠地已不可能，如何優化這些棲息地生境質量、生境格局已成為要重點研究的問題。

4 結論與建議

4.1 結論

本文引入MaxEnt模型，為鳥類生境的預測提供了一個可靠的方法，預測效果與該物種的已知生態擬合良好，為政府野生動物保護部門與規劃部門在規劃決策方面提供參考與建議，有利于對城市生物多樣性進行精準保護，加強公眾在城市生物多樣性保護方面的參與度。本文基于MaxEnt模型，通過對武漢市6種典型“保護鳥類”豐富度的研究可知：武漢市“保護鳥類”豐富度較高的是湖泊、河流等水域棲息地和林地棲息地;其次是草地、耕地等棲息地;而人類活動較多的建設用地區域則是“保護鳥類”豐富度較低區域。因此，武漢市豐富的湖泊、河流等濕地環境是這些“保護鳥類”的主要生存資源條件和活動的核心區域。

4.2 鳥類生境優化建議

4.2.1 鳥類生境格局優化

從現狀的城市鳥類生境分布格局可以看出，鳥類棲息地之間的連通性弱，尤其是在城市中心發展區域，在城市尺度下應增加鳥類生境間的連通性。城市公園綠地是分布在城市中心的鳥類核心棲息地，但卻被商業、住宅、辦公等用地類型包圍形成了孤島，因此，提出以下3點建議：

1） 在城市中心綠地周邊結合道路、水系等帶狀防護綠地預留出一條綠色廊道供鳥類遷徙。解放公園雖然綠地面積很大但被各種住宅小區和辦公寫字樓包圍，導致與其他生境連通性弱，應該在蘆溝橋路通往沿江大道的道路兩側，適當增加綠化覆蓋率，設置一條供鳥類遷徙的綠色廊道，增加解放公園綠地與江灘公園綠地2個棲息地的連通性。

2） 限制中心綠地旁邊的高層建筑數量，給鳥類遷徙讓出飛行空間，增加不同生境斑塊鳥類間基因交流。漢陽墨水湖公園在周邊房地產還沒有完全開發之前，是一個良好的鳥類棲息地，但隨著周邊土地開發強度增加，許多超高層湖景住宅小區拔地而起，整個墨水湖公園被一排排住宅包圍起來，許多原本在墨水湖越冬候鳥就無法遷徙至此，在本地棲息的鳥類難以與其他棲息地鳥類繁殖進行基因交流。因此，應限制周邊建筑的高度，尤其是在鳥類遷徙路線上建筑的高度。

3） 在距離較遠的生境斑塊之間增加鳥類遷徙“腳踏石”，為鳥類長距離遷徙創造條件。在漢口城市發展核心區域，人口與建筑密度均較集中，解放公園、中山公園、后襄河等城市公園已成為鳥類最重要的棲息地，但這種核心棲息地之間距離較遠。因此，應適當在2個距離較遠的生境斑塊之間增加遷徙“腳踏石”，為鳥類長距離遷徙創造條件，城市中的口袋公園、建筑附屬綠地、屋頂綠化等恰好可以扮演鳥類遷徙“腳踏石”角色，在規劃設計時可以綜合考慮其潛在價值。

4.2.2 鳥類生境質量優化

目前，在城市核心發展區用地緊張，大量增加綠地的可能性較小，如何提高這些綠地生境質量，增加其生態效應是關鍵。

1） 優化城市綠地的植物配置，尤其是道路防護綠地。應選用鄉土樹種，采用喬-灌-草種植方式，讓鳥類在豎向上也有更多的生存空間，減少道路交通等干擾因素對鳥類生境的影響。

2） 為鳥類的生存繁殖提供相對干擾較小的環境。在大型公園綠地內部適當增加一些生態密林區，適當增加微地形增加其豎向變化，增加公園內部生境多樣性，并限制游覽人員的進入。

3） 在城市遠城區，增加水生農作物的多樣性種植。水田也是鳥類豐富度較高的生境之一，應避免水田干涸，增加多樣性種植，這也是提升城市鳥類豐富度的重要舉措[14-15] 。

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