栖息地是野生动物生存与繁衍的场所,也是维持物种生命活动所需各类资源的总和
[1]。适宜的栖息环境是物种持续生存和成功繁衍的基础,对适宜栖息地的识别是科学保护管理决策的重要依据。
白鹇(
Lophura nycthemera)属鸡形目(Galliformes)雉科(Phasianidae)鹇属(
Lophura),主要分布于中国、东南亚及南亚部分地区,且在中国南方山区分布较广
[2]。白鹇以其优雅的羽色和形态受到人们的关注。然而,受人类活动、土地利用变化和气候变迁的影响,其栖息地正面临破碎化和退化的威胁,IUCN评估全球白鹇种群数量呈下降趋势
[3],[4]377。作为国家二级重点保护野生动物
[5],白鹇的栖息地保护对于维护区域生物多样性和生态平衡具有重要意义。目前,针对白鹇的研究主要集中在种群数量
[2]、行为特征
[6]、活动节律
[6-10]和栖息地选择
[11-13]等方面,其中栖息地选择相关研究虽相对较多,但多集中于保护区尺度,缺乏区域尺度上的栖息地适宜性评价,制约了大尺度保护管理策略的制定与实施。已有研究指出,白鹇倾向于回避人为干扰
[14]、偏好斑块面积大、植被盖度高的生境
[15],并选择食物资源丰富的区域
[12]。这些结论为开展大尺度栖息地建模中的环境因子筛选提供了重要参考。
物种栖息地评价有多种方法,常使用的方法包括栖息地适宜性指数(habitat suitability index,HSI)、生态位因子分析(ecological niche factor analysis,ENFA)和最大熵模型(maximum entropy model,MaxEnt)等。HSI模型在了解物种栖息地需求的基础上,结合GIS技术加权得到栖息地适宜性值
[16-17],其操作简便但依赖专家经验,具有一定的主观性
[18],而其他方法可统称为物种分布模型(species distribution models,SDMs)。SDMs通过模拟物种生态位,建立物种与环境变量之间的函数关系,然后将该函数关系映射到地理空间,从而得到物种的时空分布
[19]。经过近40年的发展,SDMs理论与工具已较为成熟,成为生态学、生物多样性保护和生物地理学等领域的主流方法
[20-21]。基于不同的算法,物种分布建模结果差异较大
[22],这种不确定性可能影响基于模型制定的保护管理措施的有效性。为降低不确定性的影响,可采用集合多种算法的模型集合方法
[23]。本研究基于全球生物多样性信息机构(global biodiversity information facility,GBIF)的开放数据、文献资料及实地调查数据,运用广义加性模型(generalized additive model
,GAM)、广义线性模型(generalized linear model,GLM)、最大熵模型、随机森林模型(random forest model,RF)和推进回归树模型(generalized boosting model,GBM)等多种主流SDM算法,对中国白鹇栖息地的适宜性进行了模拟与评价,旨在为区域尺度的白鹇栖息地保护管理提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
根据《中国鸟类分类与分布名录》(第4版)
[24],白鹇在中国分布于四川、云南、贵州、广西、广东、海南、湖南、江西、福建、浙江、湖北、江苏、安徽和重庆共14个省级行政区。研究区面积约2.59 × 10
6 km
2(18.16°—35.11°N,97.35°—122.12°E),区内海拔梯度大(-10~6 233 m),人口总数约8.0亿,人口密度高。土地利用类型以林地为主,约占研究区面积的51.4%,其次为耕地,约占38.5%。
1.2 白鹇出现点信息
本研究使用的白鹇出现点数据来自4个途径:(1)全球生物多样性信息机构。选取1980—2025年中国境内的白鹇出现点,仅保留人为观测来源的eBird数据库(
https://ebird.org/)记录,并剔除位置精度误差大于1 000 m的记录,共获得418个有效点。(2)中国观鸟记录中心。因该平台记录普遍缺少经纬度坐标,本研究对其他来源未覆盖区域的用户观测报告进行地图位置矢量化提取,共得到91个点。(3)文献资料检索。在中国知网以篇名“白鹇”进行检索,筛选学术期刊文献129篇,逐一提取研究区位置,在Google Earth平台手动添加白鹇出现点,每个研究区域仅标记一点,共获取18点。(4)红外相机监测。2024年1月—2025年1月,在贵州省茂兰国家级自然保护区布设42台红外相机,其中23个点位记录到白鹇。为保障数据准确性,进一步对所有出现点进行土地利用类型提取,去除非森林或草地覆盖的位点
[25]。此外,使用R中spThin包对全部出现点进行空间稀疏处理(设置距离阈值为2 km),以降低采样偏差对模型的影响
[26]。经上述预处理后,最终获得434个白鹇出现点用于建模。
1.3 环境变量
为全面刻画白鹇的栖息地适宜性,参照已有研究
[4]376-388,选取气候、地形、植被和人为干扰四大类共10个环境变量参与建模(
表1)。所有变量均在ArcGIS Pro中经过裁剪、重采样和投影转换等操作,统一为具有相同分辨率(1 000 m)、坐标系(Krasovsky_1940_Albers)的栅格图层,以保证空间一致性。
为避免多重共线性对模型参数估计的影响,对所有环境变量进行Pearson相关分析(
图1)。若两个变量间相关系数绝对值大于0.75,则只保留其中一个参与建模。最终保留7个变量用于建模,分别是bio4、bio12、bio15、elevation、hfp、NPP和slope。
1.4 物种分布建模
建模算法的选择是影响物种分布模型结果的关键因素之一
[29]。为了降低由单一算法带来的不确定性,本研究采用集合模型框架来预测白鹇栖息地适宜性。选取的算法包括GLM、GAM、MaxEnt、RF和GBM,这几种方法在同类基准研究中表现出较好的预测性能
[30]。由于仅获取到白鹇出现点数据,本研究采用背景点(伪不出现点)方法建模。在研究区内随机选取10 000个背景点,为降低背景点随机性带来的不确定性,重复选取3套背景点。每个算法的参数设置采用biomod2包开发团队推荐的bigboss。为评估模型性能及计算模型集合时的权重,选取AUC、TSS和BOYCE三个指标从不同角度评价模型的表现。AUC是一个非阈值依赖型指标,取值范围[0,1],值越大表明模型的预测能力越出色,通常认为0.500~<0.600为预测失败,0.600~<0.700为较差,0.700~<0.800为一般,0.800~<0.900为良好,0.900~1.000为优秀
[31]。TSS是一个阈值依赖型指标,取值范围[-1,1],通常认为TSS > 0.4表示模型结果可以接受
[32]。BOYCE特别适合评价基于仅存在数据的模型,它通过比较预测适宜度与实际分布的一致性来衡量预测性能,取值范围[0,1],值越大表明模型预测与实际分布越吻合
[33]。模型评估采用5折交叉验证,并重复分割数据3次以降低数据分割随机性导致的结果不确定性。
模型集合采用加权平均法
[34],权重由各单模型的AUC决定,计算公式为
式中:为第个模型的权重;为第个模型的AUC;m为参与集合的模型总数。为保障集成模型质量,仅纳入Auc > 0.7的单模型。
环境变量重要性通过置换法评估,即随机打乱某一变量的取值后,计算模型预测准确度的下降程度,下降幅度越大,表明该变量对模型预测的贡献越重要。为了可视化白鹇栖息地适宜性与环境变量之间的响应模式,按照Elith
et al.
[35]提出的evaluation strip方法绘制单变量响应曲线。该方法是将
n - 1个变量控制在其中值,剩下的一个变量值从小到大排列,然后计算每个序列值的栖息地适宜性,最终将各点连接形成响应曲线。
集合模型最终的结果是一幅值在[0,1]的连续栖息地适宜性值图,为了便于保护管理,进一步将该图二值化为适宜栖息地与非适宜栖息地。选择使TSS最大时的栖息地适宜性值作为切断点,将连续栖息地适宜性值图转换为二类图层。栖息地建模在R中使用biomod2包
[36]完成。
为了量化白鹇适宜栖息地的景观格局特征,使用Fragstats v4.2
[37]软件计算整个研究区和各省级行政区的栖息地平均斑块面积(mean patch area,AREA_MN)及集聚度指数(aggregation index,AI)。其中,AREA_MN表征景观的破碎化程度,其值越小表明破碎化程度越高,反之下降;AI反映适宜栖息地斑块的集聚程度,其取值为[0,100],越接近100表示斑块聚集越紧密,景观内部以少量大斑块为主或斑块高度联通;反之则表明斑块离散程度越大。
2 结果
根据AUC指标,各单算法模型均具有良好的预测能力,其平均AUC均在0.78以上。从TSS指标来看,RF模型的表现相对最弱,其TSS为0.24,其余模型均表现较好,平均TSS均高于0.41,表明其预测结果较为可靠。BOYCE指标显示,单算法模型表现一般至良好水平,平均BOYCE均高于0.82(
图2)。
经过模型加权,集合模型在3个指标上都有较大程度的提升,AUC、TSS和BOYCE分别为0.90、0.63和0.99,模型表现优秀。
变量重要性分析结果显示,bio12、slope、elevation和hfp对白鹇栖息地适宜性的影响较为显著,其余环境变量的贡献则相对较小(
表2)。
白鹇栖息地适宜性与环境变量的响应曲线显示,适宜性与bio12呈单峰型关系,适宜性随bio12的增加先上升后下降,在bio12约为3 000 mm时达到峰值;与坡度呈正向关联,随坡度的增加而增加,当坡度增加约至20°时适宜性趋于稳定;与海拔的响应曲线为驼峰形,在海拔1 500~2 000 m时适宜性较高;与人类足迹指数呈正相关关系(
图3)。集合模型TSS最大时对应的概率切断点为0.381,使用该切断点将连续栖息地适宜性值图分为适宜栖息地与非适宜栖息地(
图4),统计研究区适宜栖息地面积约为4.11 × 10
5 km
2。使用ArcGIS Pro中“以表格显示分区统计”工具分别统计各省级行政区白鹇适宜栖息地面积,结果显示,云南省适宜栖息地面积最大(约58 879 km
2),其后依次为福建、江西、四川、广东、浙江、湖南、广西、湖北、安徽、重庆、贵州、海南和江苏,其中江苏适宜栖息地面积最小,仅约59 km
2。景观格局分析表明,研究区整体适宜栖息地平均斑块面积为5 097 hm
2,集聚度指数为84。从省(区)级尺度看,安徽与四川的适宜栖息地平均斑块面积相对较大,江苏的平均斑块面积最小、集聚度指数最低,其余省级行政区的适宜栖息地集聚度相差不大,AI指数为64~87(
表3)。
3 讨论
本研究使用集合物种分布模型对中国白鹇栖息地适宜性进行了模拟,结果显示集合模型具有非常出色的预测能力,且整体表现优于各单算法模型。RF在BOYCE和TSS上的表现均不够理想,这种情形可能与背景点和物种出现点数量严重不符有关,今后可考虑采用降采样(down-sampling)方法解决
[38]。本研究在biomod2包中完成模型集合,各算法参数设置保持默认,但默认参数未必完全适应目标物种,未来研究若能在集成前对各模型进行系统调参,有望进一步提升集合模型的稳健性与预测精度
[30]。
本研究发现白鹇栖息地适宜性与坡度总体上呈正相关,这主要是由于低坡度的平坦区域被人类用于种植粮食,使得白鹇更多选择坡度约20°的区域栖息;适宜性与年降水总量(bio12)之间呈单峰响应关系,表明白鹇偏好湿润生境,水源的可获得性是其栖息地选择的重要因素之一
[12,14];适宜性与人类足迹指数之间存在正相关关系(
图3),这与以往在保护区尺度上白鹇回避人为干扰大的栖息地的结论
[14]不符。这一矛盾可能源于本研究使用的白鹇出现点数据大部分来自eBird和中国观鸟记录中心等公民科学平台,该类数据的特点是对人易到达区域的采样强度更高,使很多物种出现点分布在人类足迹指数较高的地区
[39]。尽管本研究已通过背景点调整和空间稀疏处理等方法尽量降低采样偏差的影响,但其无法根除
[40]。
本研究预测中国白鹇适宜栖息地面积约为4.11 × 10
5 km
2,其中云南省占比最高(58 879 km
2,占比达14.3%),且该省内适宜栖息地破碎化程度相对较低。需要指出的是,本研究可能高估了白鹇适宜栖息地的破碎化程度,因为景观指数的计算仅基于结构上分离的栖息地斑块。虽然这些斑块在空间上并不直接相连,但在功能上可能通过白鹇个体之间的迁移保持连通。因此,未来的研究应进一步考虑白鹇的功能连通性,对栖息地的破碎化程度进行更客观地评价
[41]。模型预测在湖北、重庆和湖南交界处有较大面积的潜在适宜栖息地,但目前该区域白鹇的实地记录较少。随着气候的持续变暖,这片位于研究区北部的区域或将成为白鹇未来扩散的重要潜在栖息地。
此外,本研究也具有一定的局限性:白鹇出现点的观测时间与气候因子(年降水总量和年气温变化范围)、人类足迹指数和年均净生产力变量的数据产出时间不完全匹配,可能影响模型对白鹇生态位的准确拟合,增加结果的不确定性。
基于本研究结果,区域尺度的白鹇保护可从三方面开展:(1)识别并优先保护白鹇的核心栖息地;(2)划定生态保护红线,减少对栖息地的过度开发利用;(3)保持和恢复栖息地之间的景观连通性。
4 结论
本研究使用集合物种分布模型,较为可靠地预测了中国白鹇栖息地适宜性及其空间分布格局。结果显示,中国白鹇适宜栖息地面积约4.11 × 105 km2,主要分布于云南、福建、江西、四川、广东、浙江、湖南和广西,区域尺度的白鹇栖息地适宜性主要受年降水总量、坡度、海拔和人类足迹指数的影响。其中,人类足迹指数与栖息地适宜性呈现的正相关关系,可能受到公民科学数据采样偏差的影响,未来需结合更系统的地面调查进一步验证。本研究结果可为区域尺度上白鹇栖息地的识别、保护规划及生态廊道建设提供科学依据。
贵州省科技计划项目(黔科合支撑〔2023〕一般225)
贵州师范学院自然科学研究基金项目(2021BS041)
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茂兰保护区雉类种群专项调查