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南师大刘红玉教授团队在世界遗产地的珍稀水鸟栖息地保护研究方面取得系列研究成果

媒体:内详  作者:内详
专业号:中国沿海湿地保护网络
2022/7/28 16:31:43

第一作者:王成

通信作者:刘红玉、李玉凤

单位:南京师范大学、安徽农业大学

 

研究简介

全球尺度的相关预测和研究表明,受海平面上升和人类活动的影响,本世纪将有20%~90%的滨海湿地会消失,这对全球迁徙水鸟来说是一次毁灭性的打击,尤其是对生态环境极为敏感的珍稀水鸟物种,面临着物种灭绝的挑战。因此在国家和国际层面相继建立众多鸟类保护网络,其中,东亚-澳大利西亚迁飞路线(EAAF)以其候鸟种类和数量最多而广受关注。然而跨区域的水鸟保护网络难以全面反映和突出重要保护节点或单元内水鸟和栖息地保护现状。因此,需要开展更加精细的水鸟栖息地网络现状研究,全面认识水鸟在区域内部活动特征以及重要生境保护现状,识别区域内部生境源地、踏脚石和生态廊道,为后续栖息地精细化管理和恢复提供数据支撑。盐城滨海湿地位于2019年新建立的世界自然遗产地核心地带(Migratory Bird Sanctuaries along the Coast of Yellow Sea-Bohai Gulf of China (Phase I)),是EAAF上的关键枢纽,具有极高的水鸟栖息地保护价值。近年来,盐城滨海湿地自然湿地大范围萎缩,原本多样且广阔的盐沼湿地如今仅存于盐城国家级自然保护核心区,其他区域受农业、工业和城镇建设活动的影响,均被不同程度围垦开发,水鸟栖息地保护形势较为严峻。

目前该地区关于水鸟栖息地的研究更多的是聚集于单一物种栖息地选择或区域湿地斑块重要性评价,缺乏从地区典型的珍稀物种群落出发,探讨各栖息地内部以及栖息地之间重要生境网络的结构分析。为此,安徽农业大学王成博士在南京师范大学刘红玉教授和李玉凤教授指导下在环境生态学领域TOP期刊《Science of the Total Environment》(2021年IF:10.753)连续发表两篇题为《Study on the rare waterbird habitat networks of a new UNESCO World Natural Heritage site based on scenario simulation》和《Study on habitat suitability and environmental variable thresholds of rare waterbirds》等系列研究论文。

第一部分

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原文链接: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147316

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主要发现

1. 基于随机森林算法的珍稀水鸟适宜生境识别

根据随机森林算法运算结果得到丹顶鹤、东方白鹳和黑嘴鸥等三种珍稀水鸟在北缓、核心、南缓、大丰和条子泥栖息地的适宜生境分布概率图(图1),并结合三种珍稀水鸟适生概率的聚集情况和实际分布情况,对研究区珍稀水鸟适宜生境等级进行了划分,得到适宜生境空间分布图(图2)。在对适宜区域生境类型面积统计发现(图3),三种珍稀水鸟在不同栖息地内次适宜和最适宜生境区域空间分布面积占比均低于20%。丹顶鹤和东方白鹳在核心栖息地不适宜区域面积占比最高,分别为86.73%和85.17%。

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图1 三种珍稀水鸟适宜生境分布概率图

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图2 三种珍稀水鸟适宜生境空间分布图

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图3 三种珍稀水鸟适宜区域生境类型面积统计

2. 基于随机森林算法的珍稀水鸟适宜生境识别

环境变量重要性分析表明(图4),影响三种珍稀水鸟适宜生境分布的主要影响变量为生境类型(T_hab)、生境面积(A_hab)、植被覆盖度(P_fvc)、到农田距离(D_far)、到芦苇距离(D_ree)、坑塘水面密度(Ponds)、到水面距离(D_wat)和到道路/海堤距离(D_swa),涵盖了类型、面积、盖度和距离等指标。变量的阈值分析表明(图5),丹顶鹤在北缓、南缓和大丰栖息地最适斑块面积阈值区间明显高于核心栖息地和其他水鸟,说明人工湿地内丹顶鹤选择更大面积生境斑块以躲避潜在威胁。条子泥黑嘴鸥偏好选择面积在6.29~18.03hm2且盖度在6.36~72.33%的碱蓬和光滩生境环境,显示出黑嘴鸥在繁殖期更加注重食物的可获得性和便利性。

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图4 珍稀水鸟适宜生境识别中变量重要性排序图

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图5 珍稀水鸟沿不同环境变量梯度下阈值模型结果

3. 不同栖息地珍稀水鸟适宜生境的景观格局差异

三种珍稀水鸟适宜区域叠加后进行景观指数进行分析后显示(图6),核心栖息地珍稀水鸟适宜生境的破碎性、复杂度和多样性水平均高于大丰栖息地。然而,相对于大丰栖息地,核心栖息地容纳了更多的珍稀水鸟,生境破碎程度较高将显著阻碍珍稀水鸟物种在该区域的扩散和稳定。

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图6 各栖息地三种珍稀水鸟适宜区域的景观指数

4. 珍稀水鸟栖息地景观结构-功能维护和恢复的重要价值

近年来,随着全球各国对野生动物保护意识的不断强化,开展物种栖息地景观结构保护和恢复研究成为景观生态学领域的研究热点之一。为了更加全面和深入的理解珍稀水鸟栖息地适宜生境评价和环境变量阈值研究在栖息地景观结构维护和恢复中的重要价值,依据前文适宜生境空间分布和水鸟对环境变量的响应阈值,我们识别了了珍稀水鸟在适宜区域内和缓冲区潜在的干扰斑块和待恢复区域(图7)。这些干扰斑块和待恢复区域已经形成了对现有水鸟适宜区域的包围,其中,北缓和南缓栖息地情况最严重。由景观生态学理论可知,当周边干扰斑块面积过大时,其对物种内部斑块形成了挤压,对珍稀物种种群产生威胁。此外,核心栖息地和大丰栖息地内部斑块面积和范围较大,但是生境岛屿过多,造成生境岛屿的单位面积减少,对单一物种和多水鸟物种种群数量的承载能力下降。因此,需要及时对干扰斑块和待恢复区进行识别,并开展栖息地景观结构维持和恢复工作。

具体来说,首先对各栖息地潜在干扰斑块和待恢复区进行识别,并依据景观结构特征进行分类,本研究将研究区五个水鸟栖息地的干扰斑块和待恢复区分为四大类(图7 TypeⅠ、Type Ⅱ、Type Ⅲ和Type Ⅳ)。其中,类型1为自然和农业生境主导的待恢复区。类型2为由自然植被(芦苇和互花米草)主导的待恢复区,类型3为由自然和养殖塘生境主导的待恢复区,类型4为由养殖塘和工业用地主导的待恢复区。最后阐述了各待恢复区的恢复模式(图8)。

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图7 基于生态阈值方法的珍稀水鸟适宜区域及其缓冲区干扰斑块识别及其待恢复区类型确定

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图8 四种待恢复类型的景观结构维持及恢复模式

第二部分

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原文链接:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157058

研究发现

1. 基于情景模拟的珍稀水鸟栖息地潜在廊道与踏脚石网络分析

由于水鸟具有极强的环境敏感性和跨尺度活动特性,因此如何准确识别水鸟栖息地范围一直是生物多样性保护研究领域的难点和重点。为了获取准确的水鸟分布数据,王成老师在南京师范大学刘红玉教授、李玉凤教授指导下以及盐城湿地珍禽国家级自然保护区管理处相关科研人员组成课题研究团队,于2018年4月到2020年4月连续七次的野外网络调查,并辅助GSM-GPS卫星跟踪技术,获取了丹顶鹤、东方白鹳和黑嘴鸥的实地位置数据,在此基础上,利用随机森林算法模型、复杂网络理论和电流理论,作者识别了三种珍稀水鸟生境保护廊道、重要生境区和踏脚石斑块,并分析了不同栖息地廊道内生境连通性水平差异(图9)。

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图9 三种珍稀水鸟栖息地节点中心度和生境保护廊道分布图

研究团队利用Build Network and Map Linkages工具构建了世界自然遗产地珍稀水鸟栖息地生态网络,揭示了不同生境区栖息地网络中重要节点、一般节点、活跃网络和非活跃网络数量(图10),以此揭示遗产地现状栖息地网络结构现状。在此基础上,作者利用网络连接的鲁棒性、全局效率、割点和同配系数模拟三种珍稀水鸟栖生境廊道内踏脚石网络遭受不同程度干扰情景后网络结构的鲁棒性差异(图11)。

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图10 三种珍稀水鸟栖息地潜在廊道的踏脚石网络

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图11 三种珍稀水鸟栖息地廊道在不同情景下生境网络参数

2. 栖息地网络结构与功能稳定性和连通性的优化和恢复

研究团队在情景模拟的基础上,提出了栖息地网络结构稳定性和连通性的优化和恢复措施。具体包括,重要生境节点由38个,优化为25个,节点平均面积由187.35 hm2,增加到317.55 hm2,有效缓解了现状生境节点进一步丧失的风险(图12)。踏脚石网络方面,通过移除中心度值较小的冗余节点(第一级和第二级),并保留踏脚石面积较大(>11.32 hm2)的节点,南北生境区踏脚石节点数量分别下降了10.61%和15.90%,踏脚石节点中心度均值由优化前的914.22,增加到1031.07(图14),进一步提升了踏脚石群在珍稀水鸟区域扩散方面的支撑能力。

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图12 重要生境节点恢复前后对比图

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图13 栖息地踏脚石节点群恢复方案

上述系列研究成果综合运用了地理信息系统、景观生态学、计算机科学、遥感科学与技术、野生动物保护等多学科交叉的理论知识和模型方法,为新晋世界自然遗产地以及全球滨海湿地的候鸟栖息地保护于恢复提供了重要的方案参考和文献资料,也为中国黄渤海候鸟栖息地(第二期)世界遗产项目的申报和建设提供了重要的文献资料和支撑材料。

该研究得到了安徽农业大学引进与稳定人才项目、国家自然科学基金面上项目、江苏省重点研发计划、生态环境部生物多样性调查、观测与评估项目(2019-2023)等项目的资助和支持。

供稿:王成  安徽农业大学


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