林 玲 王衛(wèi)紅 冉茂瑩 耿詩畫 吳偉強(qiáng)

(1. 西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)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(dú)有的古老珍稀動物，是世界生物多樣性保護(hù)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(nèi)的岷山山系、邛崍山系、大小相嶺及涼山山系，陜西境內(nèi)的秦嶺山系和甘肅境內(nèi)的白水江片區(qū)[3-4]。大量研究表明，頻繁的地質(zhì)災(zāi)害和人類活動是造成大熊貓數(shù)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(hù)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(yán)重?fù)p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(zhì)量評價(jià)等方面的研究方法和技術(shù)手段越來越成熟[11-15]。針對大熊貓的相關(guān)研究逐步由定性轉(zhuǎn)變?yōu)槎吭u價(jià)，引入數(shù)理模型，其結(jié)果更加精確可靠，為大熊貓的保護(hù)和棲息地建設(shè)提供了許多參考數(shù)據(jù)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(gòu)建評價(jià)體系，忽略了影響更加持久深遠(yuǎn)的自然災(zāi)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(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，運(yùn)動強(qiáng)烈，地震活動頻繁發(fā)生，境內(nèi)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(chǔ)上引入地質(zhì)災(zāi)害影響，將災(zāi)害點(diǎn)密度作為評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建王朗大熊貓生境評價(jià)指標(biāo)體系，采用AHP-PCA熵權(quán)法綜合評價(jià)地質(zhì)災(zāi)害影響下大熊貓生境適宜性，克服了單一使用AHP評價(jià)生境過于定性的缺陷。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

王朗國家自然保護(hù)區(qū)位于四川省綿陽市平武縣西北部，總面積322.97 km2，地理坐標(biāo)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(xiāng)，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(qū)，青藏高原與四川盆地的接合部。保護(hù)區(qū)地勢由西北向東南傾斜，海拔高度為2 300～4 980 m。境內(nèi)氣候呈垂直分布趨勢，隨海拔升高依次表現(xiàn)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(hù)區(qū)內(nèi)水資源豐富，境內(nèi)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(qū)。動植物資源豐富，主要有大熊貓、金絲猴等珍稀保護(hù)動物。保護(hù)區(qū)內(nèi)森林面積約169.40 km2，約占保護(hù)區(qū)總面積的 52.1%。研究區(qū)地理位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

整理搜集相關(guān)研究資料及圖件資料，基于ArcGIS10.2得到相關(guān)矢量化成果，統(tǒng)一所有數(shù)據(jù)坐標(biāo)系。(1)利用王朗矢量圖裁剪出境內(nèi)的河流、道路矢量數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行緩沖區(qū)分析并依據(jù)表1重分類。(2)基于歷史資料和Google Earth解譯獲取保護(hù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)共24個(gè)，對其進(jìn)行核密度分析，獲得災(zāi)害點(diǎn)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(diào)查報(bào)告和張巍巍[16]論文資料。(4)數(shù)字高程模型為SRTM 30 m的DEM數(shù)據(jù)，拼接、裁剪出王朗的DEM數(shù)據(jù)，提取研究區(qū)海拔、坡度、坡向柵格圖層，根據(jù)表1對其重分類。(5)植被分布：結(jié)合Google影像，采用最大似然法對landsat-8遙感影像監(jiān)督分類，采用混淆矩陣對分類結(jié)果進(jìn)行精度評定，總體分類精度達(dá)到97.16%，其中Kappa系數(shù)值為96.34%。(6)竹子分布：通過竹子樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插分析獲得。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系

大熊貓生境質(zhì)量評價(jià)的準(zhǔn)確度取決于評價(jià)指標(biāo)的選取，評價(jià)指標(biāo)越具有代表性，生境質(zhì)量評價(jià)結(jié)果越好。參考大熊貓歷史記載和調(diào)查資料，結(jié)合王朗自然保護(hù)區(qū)實(shí)際生態(tài)地質(zhì)環(huán)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(zāi)害點(diǎn)密度共8類評價(jià)指標(biāo)。參考張巍巍[16]等的指標(biāo)分級原則，結(jié)合王朗實(shí)際情況劃分各評價(jià)因子分級原則，依據(jù)不同分級范圍，將各因子劃分為最適宜、適宜、勉強(qiáng)適宜、不適宜四類，評價(jià)指標(biāo)體系及分級原則見表1。

表1 評價(jià)指標(biāo)體系分級范圍及準(zhǔn)則Table 1 Classification scope and criteria of the evaluation index system

2.2 指標(biāo)權(quán)重確定

權(quán)重值大小體現(xiàn)了評價(jià)指標(biāo)對生境質(zhì)量的影響大小，權(quán)重值越大，說明影響越大，權(quán)重值越小，說明影響越小?？紤]到指標(biāo)的復(fù)雜多樣和自相關(guān)性，首先采用層次分析法 (AHP)和主成分分析法(PCA)確定各自權(quán)重值，然后建立最小信息熵權(quán)模型計(jì)算綜合權(quán)重。其一，利用AHP確定權(quán)重，基于上述評價(jià)指標(biāo)體系和指標(biāo)分級原則，構(gòu)造判斷矩陣，采用1-9 的標(biāo)度來表示指標(biāo)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(jié)合MATLAB計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算出一致性比例CR值均小于0.1，均滿足要求。AHP評價(jià)指標(biāo)權(quán)重見表4。其二，利用PCA確定權(quán)重，基于ARCGIS空間分析功能和指標(biāo)分級處理，提取各指標(biāo)的柵格值，在SPSS中進(jìn)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(gè)代表主成分，將其作為影響王朗生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主導(dǎo)因素，利用Excel統(tǒng)計(jì)功能，結(jié)合特征值和成分矩陣計(jì)算出各指標(biāo)的歸一化權(quán)重。其初始特征值、各主成分得分系數(shù)矩陣如表2、表3所示。通過表3可知，第一主成分結(jié)果體現(xiàn)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(xiàn)率較大；第二主成分中體現(xiàn)了災(zāi)害點(diǎn)密度和坡向貢獻(xiàn)率較大；第三主成分中體現(xiàn)了坡度貢獻(xiàn)率較大。

表3 PCA指標(biāo)成分矩陣及歸一化權(quán)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(quán)重綜合為組合權(quán)重，利用最終的綜合權(quán)重計(jì)算王朗自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，其結(jié)果克服了AHP的主觀影響，又避免了單一方法計(jì)算權(quán)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(jì)算權(quán)重值，W2i為PCA計(jì)算權(quán)重值，Wi為各指標(biāo)組合權(quán)重。

最終得到王朗自然保護(hù)區(qū)各指標(biāo)權(quán)重如表4，各指標(biāo)分級如圖2。

表4 評價(jià)指標(biāo)及權(quán)重值Table 4 Evaluation indicators and weight values

圖2 各指標(biāo)分級圖Fig.2 Classification diagram of various indicators

3 結(jié)果與分析

通過最小信息熵計(jì)算組合權(quán)重作為評價(jià)的最終權(quán)重，在ARCGIS中對各指標(biāo)圖層進(jìn)行加權(quán)疊加，加權(quán)模型為：

(4)

式中：M為生境適宜度綜合值；Wi為各指標(biāo)組合權(quán)重；Xi為各評價(jià)指標(biāo)的柵格圖層。

基于自然間斷點(diǎn)分級法(Jenks)對綜合分析結(jié)果重分類，將適宜度劃分為不適宜、勉強(qiáng)適宜、適宜、最適宜四類，得到王朗自然保護(hù)區(qū)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(quán)法得出的生境適宜區(qū)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(hù)區(qū)大熊貓最適宜生境面積約為58.05 km2，占保護(hù)區(qū)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(qū)域林下植被、竹林豐富，靠近水源，受人類及災(zāi)害干擾較小，是野生大熊貓等珍稀動物的優(yōu)勢聚集地。

(2)王朗自然保護(hù)區(qū)大熊貓適宜生境面積約為70.54 km2，約占保護(hù)區(qū)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(qū)域分布著較多支溝和河流，植被豐富，大熊貓食源充足，該區(qū)域也比較受大熊貓青睞。

(3)王朗自然保護(hù)區(qū)大熊貓勉強(qiáng)適宜生境面積約為110.26 km2，約占保護(hù)區(qū)總面積的34%，主要分布在亞高山區(qū)域，主要分布著少數(shù)針葉林以及亞高山灌叢和草地。該部分區(qū)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(hù)區(qū)大熊貓不適宜生境面積約為83.60 km2，約占保護(hù)區(qū)總面積的26%，主要分布在高山區(qū)域。該區(qū)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(nèi)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(qū)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(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害，本文通過收集王朗境內(nèi)歷史災(zāi)害點(diǎn)，以高斯核密度分析結(jié)果作為地質(zhì)災(zāi)害的潛在影響指標(biāo)，在原有的生境評價(jià)模型中引入地質(zhì)災(zāi)害的影響，添加新的環(huán)境指標(biāo)，完善了王朗大熊貓生境評價(jià)體系，同時(shí)希望為大熊貓國家公園的其他地區(qū)生境評價(jià)提供新思路，為王朗國家自然保護(hù)區(qū)大熊貓的保護(hù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供數(shù)據(jù)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(jià)結(jié)果具有一定的局限性。本文結(jié)合AHP和PCA綜合定權(quán)，定性定量相結(jié)合分析王朗大熊貓生境，其結(jié)果更為準(zhǔn)確，更具有參考性。經(jīng)驗(yàn)證，基于AHP-PCA的熵權(quán)模型計(jì)算出的大熊貓生境適宜區(qū)域和大熊貓實(shí)際活動范圍有較高重疊性。說明基于AHP-PCA熵權(quán)模型研究大熊貓生境是一種較適宜的方法，其結(jié)果具有較高可靠性。

從生境適宜度區(qū)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(qū)域。從第四次四川省大熊貓調(diào)查來看，該區(qū)域也是大熊貓主要活動區(qū)域，故該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)。人類活動和地質(zhì)災(zāi)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(hù)大熊貓的根本。據(jù)調(diào)查，人類活動主要體現(xiàn)在保護(hù)區(qū)內(nèi)道路干擾。根據(jù)王朗境內(nèi)道路分布情況，主要公路分布在東北部，該區(qū)域又是大熊貓的主要活動范圍。所以，適當(dāng)控制人流量和宣傳保護(hù)大熊貓的相關(guān)活動是非常有必要的。根據(jù)調(diào)查的災(zāi)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(qū)域設(shè)置較多的監(jiān)測點(diǎn)，完善實(shí)時(shí)監(jiān)控體系，提前做好預(yù)防措施和事故發(fā)生時(shí)的救災(zāi)方案等。同時(shí)，對受地質(zhì)災(zāi)害影響造成棲息地破碎區(qū)域進(jìn)行修復(fù)、人工再造等，促進(jìn)破碎斑塊融合，擴(kuò)大熊貓活動范圍，從而降低小區(qū)域小種群大熊貓滅絕的風(fēng)險(xiǎn)。