丹顶鹤潜在栖息地的遥感识别与动态监测

Remote Sensing Identification and Dynamic Monitoring of Potential Habitats of Red-Crowned Cranes

摘要: 丹顶鹤作为珍稀濒危鸟类，一直是我们国家的重点保护对象。丹顶鹤一般会选择适宜的湿地进行筑巢和繁殖，因此研究其潜在的栖息地对保护丹顶鹤和恢复已被破坏的栖息地有非常重要的意义。本文选择辉河湿地为研究区，以单一土地利用动态度和景观格局指数为研究手段，利用辉河湿地1985~2020年8期遥感影像和道路数据等，通过对丹顶鹤潜在栖息地的条件进行筛选和识别，确定丹顶鹤潜在栖息地的空间分布与变化特征。结果表明：通过分析食物条件，水分条件，隐蔽条件，远离居民地、耕地、道路等获得的最佳丹顶鹤潜在栖息地的数量在1990年有上升趋势，而后逐年减少，2005~2015年几乎无变化，而后在2020年大幅下降，丹顶鹤潜在栖息地从1985年最初的451.24 km²减少到2020年的191.68 km²，共计减少了259.56 km²，其动态度先呈现逐年减少的趋势，在2005~2015期间缓慢上升，随后到2020年开始减少。近35年丹顶鹤潜在栖息地整体呈现减少的趋势。根据得到的景观格局指数，辉河丹顶鹤栖息地的整体景观形状较为简单，近35年景观破碎程度变化呈现起伏式波动的状态，且2010年和2020年破碎化程度比较高。

Abstract: As a rare and endangered bird, the red-crowned crane has always been a key protection object in our country. Red-crowned cranes generally choose suitable wetlands for nesting and breeding, so studying their potential habitat is important to protect red-crowned cranes and restore destroyed habitats. In this paper, Huihe Wetland was selected as the research area, and the spatial distribution and change characteristics of the potential habitat of red-crowned cranes were de-termined by screening and identifying the conditions of potential habitats of red-crowned cranes by using a single land use dynamic degree and landscape pattern index as the research method, and using remote sensing images and road data from the 8th period of Huihe Wetland from 1985 to 2020. The results showed that the number of potential habitats of the best red-crowned crane obtained by analyzing food conditions, water conditions, hidden conditions, and away from residential land, arable land, roads, etc. had an upward trend in 1990, and then decreased year by year, with almost no change from 2005 to 2015, and then decreased significantly in 2020, and the potential habitat of red-crowned cranes decreased from 451.24 km² in 1985 to 191.68 km² in 2020, a total decrease of 259.56 km². Its dynamics first showed a decreasing trend year by year, slowly increasing between 2005 and 2015, and then decreasing in 2020. In the past 35 years, the potential habitat of red-crowned cranes has shown an overall trend of decline. According to the obtained landscape pattern index, the overall landscape shape of the habitat of Huihe red-crowned crane is relatively simple, and the degree of landscape fragmentation has shown a state of undulating fluctuations in the past 35 years, and the degree of fragmentation in 2010 and 2020 is relatively high.

1. 引言

作为濒危物种的丹顶鹤是目前为止世界上仅存15种鹤类之一，同时也是我国一级重点保护野生动物。湿地则作为生物多样性保护的重要阵地，一直是景观研究的热点与重点，也是珍稀水禽的主要栖息地。中国境内的丹顶鹤野外种群为世界丹顶鹤野外种群中的大陆种群，依照大陆种群的越冬区、繁殖区与迁徙路线的不同，又可进一步将其分为东部种群与西部种群，西部种群主要繁殖于黑龙江省西部以及内蒙古自治区东部地区，主要包括黑龙江省西部的扎龙保护区，内蒙古自治区东部的辉河流域等地。近年来众多学者对鹤类潜在栖息地开展了相关研究。Steve E. Fairbairn and James J. Dinsmore [1] 和彭文娟等 [2] 认为湿地鸟类物种的存在和数量可能与湿地变化存在一定相关。目前为止，大多数学者研究探讨湿地时空变化对鹤类数量的影响等相关研究较多，但针对湿地时空变化对于鹤类潜在栖息地的影响研究较少，且丹顶鹤作为湿地景观变化的生物指示种，研究其潜在鹤类栖息地的变化，对于湿地的动态变化及鹤类的保护具有非常重要意义。

近几十年来，我国对于丹顶鹤等国家保护动物及其栖息环境的研究越发深刻，例如张婷婷等 [3] 对我国目前丹顶鹤栖息地的研究进行了综合论述，结果证实丹顶鹤在栖息地的选择上需要同时结合隐蔽条件，食物来源，水分条件，以及远离人为干扰。张树岩等 [4] 、宫兆宁等 [5] 、刘蕾 [6] 和刘红玉等 [7] 研究发现丹顶鹤易于选择远离道路和居民地干扰，靠近明水面且土壤湿度较高并且植被覆盖较多的区域作为营巢栖息地，其中最适宜的觅食栖息环境是芦苇沼泽，是由于芦苇可以为丹顶鹤提供隐蔽的栖息环境，并且拥有丰富的食物来源。刘红玉等 [7] 、吴庆明等 [8] 、李枫等 [9] 和邹红菲等 [10] 综合多个丹顶鹤保护区总结了其栖息地的特征，筛选并得出丹顶鹤最适宜栖息地的重要条件，丹顶鹤的巢址选择与距明水面的距离有关，明水面的存在是影响丹顶鹤巢址选择的重要因素之一，大多数筑巢地周围(1 km之内)景观类型为湖泡和沼泽，以便于觅食，丹顶鹤是杂食性鸟类，喜欢吃水生生物(鱼和螺等)，也吃草籽和昆虫，因而喜欢在浅水湖泡和沼泽中觅食；对于丹顶鹤这一领域性鸟类，其干扰的影响最小为1 km，其最小生境面积为3.14 km²；同时栖息地要远离人为干扰影响，距离道路、耕地至少在500 m以上，丹顶鹤栖息地距离居民地平均保持在1000 m以上。

辉河湿地是呼伦贝尔草原东部最大的一条沼泽、湖泊型带状湿地，与达赉湖、俄罗斯达乌尔斯克、蒙古国达乌尔严格保护地共同构成了东北亚地区草原湿地生态系统，是东北亚乃至全球重要的生态屏障，同时辉河作为重要的西部丹顶鹤种群繁殖地之一，对维护地区生物多样性的稳定具有不可替代的功能和价值。

因此，本研究选取辉河湿地1985~2020年8期LANDSAT遥感影像，结合实地考察对影像进行校准，同时对湿地信息进行提取，并判别潜在的鹤类栖息地的条件，对潜在的鹤类栖息地进行识别和动态监测，利用多年遥感数据分析其时空变化。根据潜在的鹤类栖息地的时空变化特征，开展优先保护行动，制定鹤类保护政策和湿地管理规划。

2. 数据与方法

2.1. 研究区概况

辉河国家级自然保护区(东经118˚30'~119˚45'，北纬48˚05'~49˚17')位于内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂温克族自治旗、新巴尔虎左旗、陈巴尔虎旗行政区域内(图1)。保护区属中温带大陆性气候，冬季漫长寒冷，夏季温和短促，降水集中，春秋两季气候变化剧烈，降水少，风大，降水多集中在夏季。

Figure 1. Schematic diagram of Huihe national nature reserve

图1. 辉河国家级自然保护区示意图

辉河自然保护区始建于1997年，2002年晋升为国家级自然保护区，2006年加入中国人与生物圈保护区网络，在国际上享有盛誉，是大鸨、丹顶鹤、大天鹅、鸿雁最重要的繁殖地之一，也是16种东亚–澳大利亚候鸟迁徙的重要通道，《国际鸟类红皮书》把辉河湿地列入候鸟重要秋季集结、迁徙地。辉河自然保护区主要保护对象是丹顶鹤、大鸨、白鹤等珍禽及湿地、草原、沙地樟子松林生态系统，是中国重要的候鸟繁殖地和迁徙候鸟的停歇地，也是国际重要湿地之一。近年来，由于这里良好的生态环境，春秋两季成了包括丹顶鹤在内的珍稀濒危鸟类的良好繁殖和停歇场所。

2.2. 数据来源与处理

本文选取辉河湿地1985~2020年5~8月份的8期LANDSAT遥感影像，其中1985年，1990年，1995年，2000年，2010年为Landsat 5遥感影像(空间分辨率为30 m)，2005年Landsat 7遥感数据(空间分辨率为15 m)，2015和2020年为Landsat 8遥感影像(空间分辨率为15 m)。由于辉河自然保护区的道路数据缺失，因此道路数据来源为通过目视解译绘制的8期道路矢量数据。

下载的Landsat数据产品的处理级别均为Level 1 (Precision Terrain Corrected)(标准地形校正)，L1T数据产品经过系统辐射校正和地面控制点几何校正，并且通过DEM进行了地形校正。可以直接基于原有数据进行简单数据预处理。通过ENVI 5.3对下载的影像进行波段合成，裁剪，针对Landsat 7影像进行去条带操作，以及图像融合增强和去云处理。

通过呼伦贝尔辉河湿地的野外实地考察，去调查丹顶鹤潜在栖息地选择的影响因素，结合《湿地公约》分类系统和《自然保护区生态系统服务评估体系及案例研究》，同时根据辉河湿地土地利用类型的具体实际情况，通过e Cognition面向对象的分析方法，经过影像多尺度分割，特征空间建立等操作步骤，最终将辉河湿地土地利用划分为明水，沼泽草甸，盐碱沼泽，典型草原，草甸草原，沙地，河岸沙地，樟子松林，居住用地，耕地共10类。分类后进行分类精度验证，通过ArcMap10.7软件随机选取100个采样点，导入到e Cognition中进行分类精度验证得出八期影像的KIA系数(即kappa系数)约为0.80左右，代表几乎完全一致且分类精度较高。

2.3. 研究方法

2.3.1. 丹顶鹤潜在栖息地遥感识别

基于刘红玉等 [7] ，吴庆明等 [8] ，李枫等 [9] ，邹红菲等 [10] 的分析结果，从隐蔽条件，食物条件，水分条件，以及干扰条件对丹顶鹤栖息地进行遥感识别。

1) 隐蔽、食物条件：主要选取沼泽草甸这一地物类型来探讨丹顶鹤潜在栖息地，沼泽草甸(湿草甸)是沼泽湿地的一个湿地型，包括河湖滩地，因季节性和临时性积水而引起的沼泽化湿地。沼泽草甸的优势种–芦苇丛及其天然的土壤湿度和植被覆盖度可以为丹顶鹤提供较好的遮蔽和食物条件，同时为了满足丹顶鹤生境需要，需要筛选出斑块面积大于且等于3.14 km²沼泽草甸以供丹顶鹤栖息。

2) 水分条件：结合辉河湿地实地考察情况和本文数据精度，丹顶鹤栖息地需要选择在明水范围1 km之内。

3) 干扰条件：丹顶鹤栖息地要远离人为干扰影响，即距离耕地、道路500 m以上，且距离居住用地1000 m以上。

在ArcMap10.7中通过以上的四个条件进行叠加分析，为了使数据具有可比性和反应景观斑块破碎化时空特征，并且针对分析得到的结果，参照丹顶鹤栖息地最小面积，筛选去除小于1 km²不适合丹顶鹤栖息的斑块，最终得到辉河湿地潜在丹顶鹤栖息地。

2.3.2. 丹顶鹤潜在栖息地动态度

本文采用单一土地利用动态度进行丹顶鹤潜在栖息地的动态分析。单一土地利用动态度是指一定时间内，某区域内某单一土地利用类型在一定时间内的变化速率和幅度的指标，可以充分反映这一土地利用类型的数量变化，其具体公式(1-1)为：

$K=\frac{U^b-U^a}{U^a}\times \frac{1}{T}\times 100\%$ (1-1)

式中：K表示一定时间内某单一土地利用类型的变化率；U^b和U^a表示研究期末和研究期初研究区内某单一土地利用类型的数量；T表示研究时间，这里T用“年”表示，因此K表示单一景观类型的年变化率。

2.3.3. 景观破碎化特征指数的选取

本文主要选取类型水平上的特征指数包括：斑块面积(CA)、斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)、景观分割指数(DIVISION)、平均斑块面积(AREA_MN)、平均分维指数(FRAC_MN)、平均周长面积比(PARA_MN)、聚集度指数(AI)以此来探讨丹顶鹤潜在栖息地复杂程度和斑块破碎化程度。

为了掌握丹顶鹤栖息地的景观破碎化程度，采用Fragstats4.2软件来计算这些景观格局指数。斑块密度(PD)值越大，斑块分割越细，景观越破碎；最大斑块指数(LPI)值越大，斑块优势越明显；景观形状指数(LSI)可以描述整个景观内斑块形状的特点，值越大，斑块形状越复杂；景观分割指数(DIVISION)可以反应景观中斑块的分离程度，值越大表示景观斑块越破碎化，景观越复杂。平均斑块面积(AREA_MN)值越小，破碎化程度越高，值越大，景观聚集化程度越低；平均分维指数(FRAC_MN)为1时表示景观形状简单为正方形，值越大，表示斑块形状越复杂；平均周长面积比(PARA_MN)的值越大说明斑块形状越复杂；聚集度(AI)值越大，聚合效果越好。

3. 结果与分析

3.1. 辉河湿地丹顶鹤潜在栖息地空间数量变化

经过数据分析处理得到辉河湿地8期土地利用示意图(图2)和1985~2020年辉河湿地潜在鹤类栖息地

Figure 2. Schematic diagram of land use of Huihe Wetland from 1985 to 2020

图2. 辉河湿地1985~2020年土地利用示意图

示意图(图3)。辉河自然保护区总面积约为3465 km²，1985年丹顶鹤栖息地面积为451.24 km²，占总面积比例为13.02%；1990年丹顶鹤栖息地面积为599.39 km²，占总面积比例为17.30%；1995年丹顶鹤栖息地面积为461.64 km²，占总面积比例为13.32%；2000年丹顶鹤栖息地面积为431.11 km²，占总面积比例为12.44%；2005年丹顶鹤栖息地面积为425.92 km²，占总面积比例为12.29%；2010年丹顶鹤栖息地面积为256.39 km²，占总面积比例为7.40%；2015年丹顶鹤栖息地面积为454.45 km²，占总面积比例为13.12%；2020年丹顶鹤栖息地面积为191.68 km²，占总面积比例5.53%。1985~2020年辉河自然保护区内丹顶鹤栖息地面积变化示意图(图4)如下。

Figure 3. Schematic diagram of the potential habitat of red-crowned crane from 1985 to 2020

图3. 1985~2020年丹顶鹤潜在栖息地示意图

Figure 4. Schematic diagram of the change in the potential habitat of red-crowned crane from 1985 to 2020

图4. 1985~2020年丹顶鹤潜在栖息地面积变化示意图

结合1985~2020年丹顶鹤潜在栖息地每年的面积，分析得出丹顶鹤潜在栖息地从1985年到1990年有增长趋势，且增长了148.15 km²，之后则呈现减少趋势，1995年较1990年减少137.75 km²，2000年较1995年减少30.53 km²，2005年较2000年减少5.19 km²，到了2010年栖息地面积迅速减少，较2005年减少169.53 km²，到了2015年丹顶鹤栖息地面积回增198.06 km²，紧接着到了2020年栖息地面积再次迅速减少，较2015年减少262.77 km²。近35年以来，丹顶鹤潜在栖息地从1985年最初的451.24 km²减少到2020年的191.68 km²，共计减少了259.56 km²，变化率为−57.52%，参照图4可分析得知，辉河丹顶鹤潜在栖息地虽然在1985~1990年和2010~2015年有增长的趋势，但整体来看依旧是逐年减少的。

3.2. 辉河湿地丹顶鹤潜在栖息地动态度变化

单一土地利用动态度可以充分反映人类活动对单一土地利用类型的影响，根据其公式计算得出：1985~1990年丹顶鹤潜在栖息地的动态度为6.57%；1990~1995年丹顶鹤潜在栖息地的动态度为−4.60%；1995~2000年丹顶鹤潜在栖息地的动态度为−1.32%；2000~2005年丹顶鹤潜在栖息地的动态度为−0.24%；2005~2010年丹顶鹤潜在栖息地的动态度为−7.96%；2010~2015年丹顶鹤潜在栖息地的动态度为15.45%；2015~2020年丹顶鹤潜在栖息地的动态度为−1.56% (图5)。

Figure 5. Schematic diagram of dynamic degree of potential habitat of red-crowned crane from 1985 to 2020

图5. 1985~2020年丹顶鹤潜在栖息地动态度示意图

如图5所示：丹顶鹤潜在栖息地的动态度在1985~2020年总体呈现起伏式减少的趋势，并通过计算得知1985~2020年共计35年的栖息地动态度为−1.64%，因此可分析得知近35年辉河丹顶鹤潜在栖息地整体动态度呈现减少的趋势。

3.3. 辉河湿地丹顶鹤潜在栖息地景观破碎化分析

由表1可以清楚地看到1985~2020年丹顶鹤潜在栖息地近35年的景观格局变化，栖息地的斑块面积(CA)在35年内呈现“先增加后减少，再增加再减少”的趋势，从1985年45176.13 hm²到2020年19353.88 hm²，可见丹顶鹤适宜栖息地减少比较严重。从辉河开始建立国家自然保护区后，丹顶鹤栖息地破碎化开始得到缓解，斑块数量(NP)从1985年的80个逐渐减少到2005年的58个，然后到2010年开始逐渐增加，在2015年斑块减少到50个，而后在2020年增加到100个，可见栖息地破碎化到2020年就比较严重了。随着社会经济快速发展，辉河国家自然保护区内的道路和居民地不断增加，导致人为干扰影响愈演愈烈，因此2020年景观斑块迅猛增加到100个。从斑块密度上来看1985年、2010年、2020年的斑块密度较大，景观破碎比较严重。从最大斑块指数(LPI)上来看，2010年和2020年斑块处于略势。从景观形状指数(LSI)上来看，近35年丹顶鹤栖息地的斑块形状逐渐趋于简单化。

平均斑块面积(AREA_MN)的值越小，破碎化程度越高，从表中可知平均斑块面积呈现“先增加后减少，再增加再减少”的趋势，并且从数值上来看，2010年和2020年丹顶鹤栖息地景观破碎化程度最高。1985~2020年的平均分维指数(FRAC_MN)变化不大，且约等于为1，可见丹顶鹤栖息地的景观形状比较简单。景观分割指数(DIVISION)可以充分描述景观板块的破碎程度，从表中来看，依旧是2010年和2020年破碎化指数最高。从聚集度指数(AI)的数值来看，其数值大小的排序为2005年 > 2015年 > 1990年 > 2000年 > 1995年 > 1985年 > 2010年 > 2020年，2005年聚合效果最好，景观破碎程度较低，2020年聚合效果最差，景观破碎程度较高。

Table 1. Landscape pattern characteristic index of potential habitat of red-crowned crane

表1. 丹顶鹤潜在栖息地景观格局特征指数

4. 结果与讨论

4.1. 结果

本文主要采取8期遥感影像对辉河湿地及丹顶鹤潜在栖息地进行分析，得出主要结论如下：

1) 丹顶鹤潜在栖息地的选择应该同时满足以下几个条件：食物条件，水分条件，隐蔽条件，远离居民地、耕地、道路等。因此本文分析栖息地时主要选择了大于且等于3.14 km²沼泽草甸这一最优土地利用供丹顶鹤栖息地选择，并同时考虑明水距离，居民地距离、耕地距离、道路距离进行综合叠加分析得到最终丹顶鹤潜在栖息地。

2) 丹顶鹤潜在栖息地的数量在1990年有上升趋势，而后逐年减少，2005~2015年几乎无变化，而后在2020年大幅下降。

3) 丹顶鹤潜在栖息地的动态度先呈现逐年减少的趋势，在2005~2015期间缓慢上升，随后到2020年开始减少。近35年丹顶鹤潜在栖息地整体呈现减少的趋势。

4) 综合1985~2020年辉河湿地丹顶鹤潜在栖息地的景观格局指数，辉河丹顶鹤栖息地的整体景观形状较为简单，近35年景观破碎程度变化呈现起伏式波动的状态，且2010年和2020年破碎化程度比较高。

4.2. 讨论

辉河作为重要的丹顶鹤栖息地，探讨其自然环境对于丹顶鹤生境的影响尤为重要。对结合辉河自然保护区内的气象因素可知，丹顶鹤潜在栖息地逐年减少，与气温和降水量有关，自从1985年来，辉河自然保护区年平均气温值的变化率大多为正值，说明近35年以来气温的变化趋势是升高的，1985~1990年降水量为上升趋势而在之后则逐年下降，结合结论来看，降水量的变化趋势与辉河湿地沼泽草甸的变化趋势几乎一致，而丹顶鹤作为湿地变化警示物种，其栖息地更是直接受到影响。根据1985~2020年遥感影像可分析得知，近35年随着社会经济的发展，辉河自然保护区内道路和居民地逐年增加，2000年开始，辉河自然保护区内出现耕地，其变化趋势为“先增加后减少”，因此综合以上因素，可见人为干扰因素越发强烈。针对本文的研究结果，我们应该对辉河湿地加强相应的科学研究，以及对辉河自然保护区进行有效管理，减少人为干扰因素，加强公众的自然保护意识。

基金项目

黑龙江省自然科学基金项目(D2018001)。

NOTES

^*通讯作者。