黑龙江小兴安岭地区西伯利亚狍栖息地适宜性评价

王嘉文 龙泽旭 梁 鑫 李诗喆 姜广顺

(国家林业和草原局猫科动物研究中心，东北林业大学野生动物与自然保护地学院，哈尔滨，150040)

野生动物栖息地选择和评价，对物种保护和恢复具有重要的指导意义[1]。应用物种分布模型或资源选择函数对物种的栖息地适宜性进行评估，可以得到对物种栖息地影响较大的环境及人为干扰等因素。这些获得的物种栖息地适宜性及对其造成影响的生境因子，可以为物种的种群管理、保护及恢复提供重要的理论依据，有助于相关管理部门对于该物种保护管理举措的制定和实施。

西伯利亚狍(Capreoluspygargus)隶属于鹿科(Cervidae)，狍属，是国家Ⅰ级重点保护动物东北虎(Pantheratigrisaltaica)的猎物之一[2]。近年来，随着人类活动范围的增加，如林区内道路数量的增多，会造成栖息地破碎化及适宜栖息地减少[3]。对西伯利亚狍开展栖息地适宜性研究，对维持小兴安岭地区森林生态系统食物网络完整性起重要作用[4]，为相关管理部门制定保护管理措施提供理论依据。

在对西伯利亚狍栖息地选择(栖息地适宜性评价)的研究方法上，研究人员利用不同物种分布模型对野生动物的栖息地适宜性进行评价[5-8]，如广义线性模型、广义可加模型、决策树及随机森林等分类回归方法[9]。随机森林模型(random forest model)是基于集成理论展开的一种机器学习方法，近年来广泛应用于不同区域多样的物种的栖息地适宜性预测[10]。

本文选取黑龙江小兴安岭地区，探索环境因子(人为干扰因子也是环境因子的组成部分)特别是人为干扰因子对西伯利亚狍栖息地适宜性的影响并预测其适宜分布区域，为该地区东北虎的保护提供基础数据。

1 研究区域概况

小兴安岭位于松花江以北、黑龙江以南、三江平原以西的大片山林地区，一般海拔300—1 100 m。小兴安岭属北温带大陆季风气候区，四季分明，冬季严寒、干燥而漫长，夏季温热而短暂[11]。年平均气温-1—1 ℃，最冷为1月，-20—-25 ℃，最热为7月，气温20—21 ℃，极端最高气温为35 ℃。全年≥10 ℃活动积温1 800—2 400 ℃，无霜期90—120 d。年平均日照数2 355—2 400 h。年降雨量550—670 mm，降雨集中在夏季。干湿指数1.13—0.92，属湿润地区[12]。

植物生长期每年可达120 d，植物种类较多，有部分以红松(Pinuskoraiensis)为主的针叶林，其余大面积为针阔混交林。小兴安岭分布有种类丰富的脊椎动物，不乏多种珍稀濒危，且对整个栖息地功能具有重要意义的大型兽类，其中包括东北虎、紫貂(Marteszibellina)等国家Ⅰ级保护动物；黑熊(Ursusthibetanus)、马鹿(Cervuselaphus)、猞猁(Lynxlynx)、青鼬(Martesflavigula)、雪兔(Lepustimidus)等国家Ⅱ级重点保护动物[13]。

2 研究方法

2.1 数据采集

根据目前黑龙江省有蹄类分布情况，本次调查采用三阶抽样方法：

一级阶元：小兴安岭；

二级阶元：以国有林业局为抽样单位，在小兴安岭抽样单元内的国有林业局中抽取二级抽样单元；

三级阶元：以国有林场为抽样单位，在所选择二级单元中，抽取三级抽样单元，在三级抽样单元中以3 km的间隔布设长6 km的样线。考虑到每个林场面积大小不一，参照“全国第二次陆生野生动物资源调查技术规程——北方森林生态系统陆生野生动物资源调查技术细则”，每个三级抽样单元调查的基准面积确定为144 km2。

图1 研究区域地理位置Fig.1 A geographical map of the study area

以三级抽样单元为相对独立的地域来布设样线，黑龙江省天然林总面积约194 118 km2，本次调查中小兴安岭林区面积约为73 440 km2，按照约30%的抽样强度设计和实施，调查150个三级单元，抽样面积共21 600 km2。共计完成样线599条。实际调查中根据道路分布及地形条件对所布设的样线进行适当调整。调查过程中的调查人员应用GPS准确记录其行进线路，对行进过程中遇到的有蹄类踪迹信息(包括取食痕迹、卧迹、足迹、粪便尿迹及尸体)详细记录其地理坐标、物种、数量、踪迹类型和新鲜程度(小于或等于24 h、大于24 h)。

2.2 变量获取

从2018年12月至2019年3月，开展为期3个月的实地抽样调查，完成了599条样线。根据狍发生信息的调查记录，统计整理，获取狍出现位点。使用ArcGIS软件从矢量及栅格数据获得相应的生境因子，具体见表1。其中地形因子(坡度、坡向和海拔)由来自中科院地理空间数据云的GDEM V2 DEM 30 m数据获取；林型及土地利用类型来自2015年MODIS的100 m全球覆盖数据；道路和居民点信息来自1∶25万国家基础地理数据库。

表1 狍栖息地中的生境因子描述Tab.1 The habitat factors in the habitat of roe deer

2.3 随机森林模型的建立和验证

通过建立随机森林模型对小兴安岭区域西伯利亚狍的栖息地适宜性进行预测。随机森林是一种组成式的，有监督和学习的方法，算法涉及对样本单元和变量进行抽样，生成大量决策树，依据所有决策树进行分类。我们利用R软件中random forest包对狍的出现—缺失信息及环境变量进行建模。数据被划分为训练集和测试集，使用训练集建立模型，利用测试集评估模型预测能力，并利用AUC和TSS对建立的随机森林模型的预测性能进行评估。

3 研究结果

3.1 模型预测结果及变量重要性

本次调查为期3个月，共计发现记录狍出现点5 677个，通过建立随机森林模型对小兴安岭区域西伯利亚狍的栖息地适宜性进行预测，并利用AUC和TSS对建立的随机森林模型的预测性能进行评估。将数据分为训练集和测试集，使用测试集评估模型的预测性能。其中AUC为0.868，TSS为0.736(图2)。这两个指数表明随机森林模型预测性能良好。

图2 随机森林模型AUCFig.2 The AUC of random forest model

通过随机森林进行建模，可以得到各生境因子对狍栖息地适宜性概率影响的重要性(表2)。只保留了基尼系数在200以上的生境因子。可以看到对狍栖息地适宜性影响较大的环境因子中，人为干扰因子有5个包括到高速、二级道路、矿产、农田以及村庄的最近距离；其他环境因子包括NDVI、到草地。混交林以及河流的最近距离其中对狍栖息地适宜性概率影响最大的变量是NDVI和到农田的最近距离。

表2 变量重要性(基尼系数表)Tab.2 The importance of factors(the mean Gini)

3.2 狍栖息地适宜性概率

利用有蹄类出现及未出现信息，结合地形因子、雪深、林型和人为干扰等因素，使用R软件中random forest函数进行随机森林建模，并预测在小兴安岭区域内狍的栖息地适宜性概率。得到有蹄类栖息地适宜等级评价图(图3)。如图所示，狍在小兴安岭区域内均广泛分布且在所有林区均有分布，包括人类定居地附近的林区。

图3 小兴安岭狍栖息地适宜性概率Fig.3 The habitat suitability probability of roe deer in the Lesser Xing’an Mountains

3.3 狍适宜栖息地的位置和面积

根据已经预测获得小兴安岭狍栖息地适宜性概率等级图，为了进一步明确小兴安岭区域狍的适宜栖息地范围及面积，利用小兴安岭狍栖息地适宜性概率的最佳概率切断点，并利用最佳概率切断点划分狍适宜与非适宜栖息地范围，得到的结果见图4。小兴安岭区域，狍的适宜栖息地面积为34 726.6 km2，约占整个小兴安岭林区面积的47.28%。

图4 小兴安岭狍适宜栖息地范围Fig.4 The habitat suitability area of roe deer in Lesser Xing’an Mountians

4 讨论

本研究表明，小兴安岭地区西伯利亚狍适宜栖息地面积为34 726.6 km2，约占整个小兴安岭林区面积的47.28%。这表明狍在小兴安岭区域分布广泛且具有较大的适宜栖息地。小兴安岭区域的林地状况良好，可以承担足够多的狍的生存繁衍。而考虑到西伯利亚狍作为东北虎的主要猎物之一[14]，这也意味着小兴安岭地区可以承担东北虎种群的恢复和栖息。

随机森林模型得到的变量重要性(平均基尼系数)显示，对狍栖息地适宜性影响较大的环境因子中，人为干扰因子有5个包括到高速、二级道路、矿产、农田以及村庄的最近距离；其他环境因子包括NDVI、到草地。混交林以及河流的最近距离。其中对狍栖息地适宜性概率影响最大的变量是NDVI和到农田的最近距离。可以看到，在影响小兴安岭地区狍栖息地适宜性的主要因子中，人为干扰占据了很大一部分。

在本次研究发现小兴安岭地区狍的分布区虽然广泛，但该地区的人为干扰(农田、矿产、村庄、高速和二级道路)会明显影响狍的栖息地质量(栖息地适宜性)。这些人为干扰因子也是造成狍栖息地适宜性下降、适宜栖息地面积损失的重要原因。葛志勇等[15]在2012年的研究证明狍在地形选择上，更喜欢平缓的阳坡；而在栖息地综合选择的研究上，周绍春等[4]认为狍受坡位、食物和干扰距离的综合影响。这些案例提供了狍对生境选择的一些关键因素，有助于狍的种群管理和恢复。然而，最近的研究证明不同的区域，动物对生境资源的选择有所不同[16]。

人为干扰，如道路等因素的出现，会迫使动物的生境选择和活动范围的改变[17-18]。有研究表明，在人为活动频繁的区域，人类在某种意义上代替了顶级捕食者[19]，从而为猎物(如狍等)提供了庇护[20]。这些因素直接或间接地导致栖息地的丧失，这是受影响的野生动物逃避行为的结果[3]。基于此，这些人为干扰可能会导致野生动物改变栖息地的使用，降低饲料质量[21]，从而也可能通过捕食或其他物种的空间分布改变种间相互作用[22]。

人类与野生动物的冲突是全球关注的问题，人类行为在预防和缓解冲突方面也很重要[23]。然而，这些都需要对不同地区影响栖息地适宜性的因子进行研究。本次研究对小兴安岭地区狍的栖息地适宜性进行了评价，得到了狍适宜栖息地的范围及影响狍栖息地适宜性的主要因素，对解释狍的生境选择以及该地狍种群的管理和恢复提供了针对性的信息。减少人为干扰对于狍栖息地质量的影响，对于狍种群的生存繁衍意义重大。而作为东北虎的猎物，狍种群的发展，有助于东北虎种群的恢复。

致谢：感谢国家自然科学基金(31872241)、中央高校基础研究基金(2572017PZ14)和基于自动相机监测技术的动物行为谱编写及恐惧行为学研究项目(201810225022)对本研究项目的资助。感谢野外调查工作得到了项目区各林业局和保护区工作人员的支持和帮助，在这里一同表示感谢。