王朗國家自然保護區大熊貓生境適宜性評價

林 玲 王衛紅 冉茂瑩 耿詩畫 吳偉強

(1. 西南科技大學環境與資源學院 四川綿陽 621010; 2. 國家遙感中心綿陽科技城分部 四川綿陽 621010)

大熊貓是我國獨有的古老珍稀動物，是世界生物多樣性保護的旗艦物種，被稱為“國寶”和“活化石”[1-2]。目前，大熊貓主要分布在我國四川、陜西、甘肅三省，涉及四川境內的岷山山系、邛崍山系、大小相嶺及涼山山系，陜西境內的秦嶺山系和甘肅境內的白水江片區[3-4]。大量研究表明，頻繁的地質災害和人類活動是造成大熊貓數量減少和棲息地退縮、破碎化的主要原因，研究大熊貓生境對保護大熊貓及其棲息地具有重要意義[5-6]。松潘-平武大地震、汶川大地震以及九寨溝地震等對大熊貓棲息地造成了嚴重損害，棲息地破碎化加劇[7-10]。近年來，在生境破碎化、景觀格局變化、生境質量評價等方面的研究方法和技術手段越來越成熟[11-15]。針對大熊貓的相關研究逐步由定性轉變為定量評價，引入數理模型，其結果更加精確可靠，為大熊貓的保護和棲息地建設提供了許多參考數據和建議。

目前，大部分生境研究主要從地理、生物群落、食物、人類干擾等角度構建評價體系，忽略了影響更加持久深遠的自然災害的影響[16-17]。王朗位于斷裂地層(龍門山地震帶)之上，其外圍地質構造復雜，運動強烈，地震活動頻繁發生，境內動植物豐富，屬于岷山山系九寨-白馬局域種群大熊貓的核心組成部分，也是大熊貓國家公園的重要組成部分。本文在已有研究基礎上引入地質災害影響，將災害點密度作為評價指標，構建王朗大熊貓生境評價指標體系，采用AHP-PCA熵權法綜合評價地質災害影響下大熊貓生境適宜性，克服了單一使用AHP評價生境過于定性的缺陷。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

王朗國家自然保護區位于四川省綿陽市平武縣西北部，總面積322.97 km2，地理坐標103°50′～104°58′E，32°49′～33°02′N。西南臨松潘縣黃龍寺，東南接壤于平武縣白馬藏族鄉，東北臨九寨溝縣，北臨勿角。地處橫斷山北緣的川西高山峽谷地區，青藏高原與四川盆地的接合部。保護區地勢由西北向東南傾斜，海拔高度為2 300～4 980 m。境內氣候呈垂直分布趨勢，隨海拔升高依次表現為暖溫帶、溫帶、寒溫帶、亞寒帶、冰凍帶，屬于典型的丹巴-松潘半濕潤氣候。保護區內水資源豐富，境內有長白溝、大窩凼和竹根岔溝三大主要支溝，最終匯入涪江上游白馬河，是涪江的主要集水區。動植物資源豐富，主要有大熊貓、金絲猴等珍稀保護動物。保護區內森林面積約169.40 km2，約占保護區總面積的 52.1%。研究區地理位置如圖1所示。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 數據來源及處理

整理搜集相關研究資料及圖件資料，基于ArcGIS10.2得到相關矢量化成果，統一所有數據坐標系。(1)利用王朗矢量圖裁剪出境內的河流、道路矢量數據，對其進行緩沖區分析并依據表1重分類。(2)基于歷史資料和Google Earth解譯獲取保護區地質災害點共24個，對其進行核密度分析，獲得災害點密度并重分類。(3)大熊貓蹤跡分布主要來源于四川省大熊貓第四次調查報告和張巍巍[16]論文資料。(4)數字高程模型為SRTM 30 m的DEM數據，拼接、裁剪出王朗的DEM數據，提取研究區海拔、坡度、坡向柵格圖層，根據表1對其重分類。(5)植被分布：結合Google影像，采用最大似然法對landsat-8遙感影像監督分類，采用混淆矩陣對分類結果進行精度評定，總體分類精度達到97.16%，其中Kappa系數值為96.34%。(6)竹子分布：通過竹子樣點數據進行內插分析獲得。

2 研究方法

2.1 構建評價指標體系

大熊貓生境質量評價的準確度取決于評價指標的選取，評價指標越具有代表性，生境質量評價結果越好。參考大熊貓歷史記載和調查資料，結合王朗自然保護區實際生態地質環境情況，最后確定海拔、坡度、坡向、距河流距離、植被類型、竹子分布、距道路距離、自然災害點密度共8類評價指標。參考張巍巍[16]等的指標分級原則，結合王朗實際情況劃分各評價因子分級原則，依據不同分級范圍，將各因子劃分為最適宜、適宜、勉強適宜、不適宜四類，評價指標體系及分級原則見表1。

表1 評價指標體系分級范圍及準則Table 1 Classification scope and criteria of the evaluation index system

2.2 指標權重確定

權重值大小體現了評價指標對生境質量的影響大小，權重值越大，說明影響越大，權重值越小，說明影響越小。考慮到指標的復雜多樣和自相關性，首先采用層次分析法 (AHP)和主成分分析法(PCA)確定各自權重值，然后建立最小信息熵權模型計算綜合權重。其一，利用AHP確定權重，基于上述評價指標體系和指標分級原則，構造判斷矩陣，采用1-9 的標度來表示指標重要性，對同層次因子兩兩比較賦值，得到各層次比較矩陣。采用方根法，結合MATLAB計算指標權重，并進行一致性檢驗，計算出一致性比例CR值均小于0.1，均滿足要求。AHP評價指標權重見表4。其二，利用PCA確定權重，基于ARCGIS空間分析功能和指標分級處理，提取各指標的柵格值，在SPSS中進行主成分分析，最后選擇特征值大于1(累積百分比≥80%)的3個代表主成分，將其作為影響王朗生態環境質量的主導因素，利用Excel統計功能，結合特征值和成分矩陣計算出各指標的歸一化權重。其初始特征值、各主成分得分系數矩陣如表2、表3所示。通過表3可知，第一主成分結果體現出海拔、竹子分布、植被分布以及距河流距離和距道路距離的貢獻率較大；第二主成分中體現了災害點密度和坡向貢獻率較大；第三主成分中體現了坡度貢獻率較大。

表3 PCA指標成分矩陣及歸一化權重Table 3 PCA index component matrix and normalized weight

最后，基于最小相對信息熵原理將AHP和PCA得到的權重綜合為組合權重，利用最終的綜合權重計算王朗自然保護區生態環境質量，其結果克服了AHP的主觀影響，又避免了單一方法計算權重的弊端。最小相對信息熵原理模型[18]為：

(1)

(2)

(3)

式中：W1i為AHP計算權重值，W2i為PCA計算權重值，Wi為各指標組合權重。

最終得到王朗自然保護區各指標權重如表4，各指標分級如圖2。

表4 評價指標及權重值Table 4 Evaluation indicators and weight values

圖2 各指標分級圖Fig.2 Classification diagram of various indicators

3 結果與分析

通過最小信息熵計算組合權重作為評價的最終權重，在ARCGIS中對各指標圖層進行加權疊加，加權模型為：

(4)

式中：M為生境適宜度綜合值；Wi為各指標組合權重；Xi為各評價指標的柵格圖層。

基于自然間斷點分級法(Jenks)對綜合分析結果重分類，將適宜度劃分為不適宜、勉強適宜、適宜、最適宜四類，得到王朗自然保護區大熊貓的生境適宜度分布。將王朗大熊貓蹤跡分布圖與生境適宜度分布圖疊置分析，大熊貓活動范圍與本文通過AHP-PCA 熵權法得出的生境適宜區域分布相符，說明該方法具有較大的可信度。大熊貓生境適宜度分布如圖3所示。

圖3 大熊貓生境適宜度分布圖Fig.3 Distribution map of habitat suitability of giant pandas

(1)王朗自然保護區大熊貓最適宜生境面積約為58.05 km2，占保護區總面積的18%，主要分布在王朗東北部和竹根岔溝、大窩凼溝、長白溝及部分支溝。這些區域林下植被、竹林豐富，靠近水源，受人類及災害干擾較小，是野生大熊貓等珍稀動物的優勢聚集地。

(2)王朗自然保護區大熊貓適宜生境面積約為70.54 km2，約占保護區總面積的22%，主要分布在七坪、豹子溝以及牧羊場周邊。適宜生境區域分布著較多支溝和河流，植被豐富，大熊貓食源充足，該區域也比較受大熊貓青睞。

(3)王朗自然保護區大熊貓勉強適宜生境面積約為110.26 km2，約占保護區總面積的34%，主要分布在亞高山區域，主要分布著少數針葉林以及亞高山灌叢和草地。該部分區域受海拔、坡度及道路影響，大熊貓等動物分布較少。

(4)王朗自然保護區大熊貓不適宜生境面積約為83.60 km2，約占保護區總面積的26%，主要分布在高山區域。該區域常年積雪，主要分布著冰川、高山流石灘以及高山草甸等，境內既無可利用的食物，也無可躲避敵害的容身之所，極為不適合大熊貓生存，該區域沒有大熊貓存在。

4 討論

考慮到近年來王朗周邊的地震活動頻繁和境內的地質災害，本文通過收集王朗境內歷史災害點，以高斯核密度分析結果作為地質災害的潛在影響指標，在原有的生境評價模型中引入地質災害的影響，添加新的環境指標，完善了王朗大熊貓生境評價體系，同時希望為大熊貓國家公園的其他地區生境評價提供新思路，為王朗國家自然保護區大熊貓的保護和生態環境建設提供數據參考。

張巍巍[16]、肖燁[13]等研究主要采用單一層次分析法研究大熊貓生境狀況，評價結果具有一定的局限性。本文結合AHP和PCA綜合定權，定性定量相結合分析王朗大熊貓生境，其結果更為準確，更具有參考性。經驗證，基于AHP-PCA的熵權模型計算出的大熊貓生境適宜區域和大熊貓實際活動范圍有較高重疊性。說明基于AHP-PCA熵權模型研究大熊貓生境是一種較適宜的方法，其結果具有較高可靠性。

從生境適宜度區域分布來看，東部、東北部及大窩凼、竹根岔、長白溝三大支溝是大熊貓主要適宜生存區域。從第四次四川省大熊貓調查來看，該區域也是大熊貓主要活動區域，故該區域的生態環境應重點保護。人類活動和地質災害是影響大熊貓生存活動的主要因素，控制好這兩類因素是保護大熊貓的根本。據調查，人類活動主要體現在保護區內道路干擾。根據王朗境內道路分布情況，主要公路分布在東北部，該區域又是大熊貓的主要活動范圍。所以，適當控制人流量和宣傳保護大熊貓的相關活動是非常有必要的。根據調查的災害情況，在竹根岔、大窩凼支溝都分布有較多的大小型滑坡、崩塌活動，大熊貓活動相對頻繁，建議在該區域設置較多的監測點，完善實時監控體系，提前做好預防措施和事故發生時的救災方案等。同時，對受地質災害影響造成棲息地破碎區域進行修復、人工再造等，促進破碎斑塊融合，擴大熊貓活動范圍，從而降低小區域小種群大熊貓滅絕的風險。