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基于habCluster包的四川大相岭山系大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)种内单元划分

程勇 杨洪 孙治宇 张成成 戴强

程勇, 杨洪, 孙治宇, 等. 基于habCluster包的四川大相岭山系大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)种内单元划分[J]. 四川林业科技, 2023, 44(2): 58−63 doi: 10.12172/202211160001
引用本文: 程勇, 杨洪, 孙治宇, 等. 基于habCluster包的四川大相岭山系大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)种内单元划分[J]. 四川林业科技, 2023, 44(2): 58−63 doi: 10.12172/202211160001
CHENG Y, YANG H, SUN Z Y, et al. habCluster-based intraspecific units identification of giant pandas (Ailuropoda melanoleuca) in Daxiangling Mountains[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2023, 44(2): 58−63 doi: 10.12172/202211160001
Citation: CHENG Y, YANG H, SUN Z Y, et al. habCluster-based intraspecific units identification of giant pandas (Ailuropoda melanoleuca) in Daxiangling Mountains[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2023, 44(2): 58−63 doi: 10.12172/202211160001

基于habCluster包的四川大相岭山系大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)种内单元划分


doi: 10.12172/202211160001
详细信息
    作者简介:

    程勇(1974—),男,学士,858343688@qq.com

    通讯作者: daiqiang@cib.ac.cn

habCluster-based Intraspecific Units Identification of Giant Pandas (Ailuropoda melanoleuca) in Daxiangling Mountains

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    Corresponding author: daiqiang@cib.ac.cn
  • 图(5)
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    出版历程
    • 收稿日期:  2022-11-16
    • 网络出版日期:  2023-03-27
    • 刊出日期:  2023-04-25

    基于habCluster包的四川大相岭山系大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)种内单元划分

    doi: 10.12172/202211160001
      作者简介:

      程勇(1974—),男,学士,858343688@qq.com

      通讯作者: daiqiang@cib.ac.cn

    摘要: 划分物种种内单元的地理空间边界,对于实现有效的保护管理具有重要意义。本文以大相岭山系及其周边地区的大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)栖息地适宜性指数(habitat suitability index, HSI)图层为基础,使用habCluster包,对大相岭山系大熊猫的种内单元进行了划分。研究结果表明,大相岭山系共被划分为20个大熊猫种内单元。这些种内单元的划分结果,良好地体现了研究区域被低HSI值的栅格所分隔的情况,可作为对大熊猫生境斑块的指示。大熊猫种内单元与现有保护区的叠加分析表明,大相岭自然保护区被划分至3个大熊猫种内单元,瓦屋山自然保护区被划分至4个大熊猫种内单元,羊子岭自然保护区被划分至2个大熊猫种内单元。对跨大相岭-瓦屋山种内单元,需要不同区域与级别的行政主管部门通力配合协调一致,以加强对该区域野生大熊猫的保护管理。对大相岭泥巴山种内单元,需降低道路对该区域大熊猫栖息地的负面影响,从而避免其栖息地进一步破碎化。研究为大相岭山系大熊猫的保护管理提供了新的视角,并可作为对其他区域的野生动物进行保护管理的借鉴。

    English Abstract

    • 种群数量的下降通常会对生态系统的功能和服务产生直接影响[1,2],因此,对种群进行保护是十分重要的。保护行动与保护措施的落地,往往是通过对局域种群及其栖息地进行保护来实现的,所以种群也是保护管理的核心。虽然种群和生境是动态变化的,但是必须根据一定的地理范围,来对保护管理单元进行划分,以确定监测与保护的实体[3]

      遗传学方法经常被用来确定种内单元(intraspecific units),如进化显著单元(evolutionarily significant units, ESUs)和管理单元(management units, MUs)。虽然ESUs和MUs在概念和标准上都得到了理论的认可,但其是否能为切实的保护提供依据,还有待检验[4]。它们虽然可以在概念上识别出不同的种内单元,但是无法给出种内单元的地理空间边界。而从实用意义上看,保护行动总是在特定的地理范围内展开的,所以划定种内单元的空间边界,对于保护管理具有重要意义。

      R的habCluster包提供了划分种内单元空间边界的工具[5]。habCluster引入了图论中社区探测(community detection)的思路,通过(1)评估景观中栖息地栅格两两之间的连通性,(2)将具有强连通性的栅格聚集到同一个集群(cluster)中,来划定景观层面上种内单元的边界。

      大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)是我国特有的珍稀濒危动物,现仅分布于秦岭、岷山、邛崃山、凉山、大相岭和小相岭六个山系内[6]。其中,大相岭山系是现存大熊猫数量、栖息地面积均较少的山系。许多学者在大相岭山系开展了多种有关大熊猫的研究,从遗传多样性[7]、种群生存力分析[8]、栖息地分布及评价[9,10]、生境廊道规划[11]等方面,为有效保护大熊猫及其栖息地提供科学依据。然而,尚无在景观层面,对大相岭山系的大熊猫种群进行种内单元划分的研究。利用大相岭山系的大熊猫栖息地适宜性指数(habitat suitability index, HSI)图层,使用habCluster包,对种内单元空间边界进行了划分,并与现有保护区进行比较,以期为大相岭山系的大熊猫保护提供依据,为其他区域的野生动物保护管理提供借鉴。

      • 大相岭山系位于四川盆地的西南边缘,东起峨眉山,西至荥经河,北抵青衣江,南到大渡河,大致呈西北-东南走向。选取大相岭山系及其周边地区为研究区域(见图1),涵盖野生大熊猫在该山系的分布范围,包括荥经县、汉源县、洪雅县、雨城区、金河口区、峨眉山市和沙湾区。该山系地貌以中山为主,区域气候湿润,年均降雨量为1300~2000 mm,年均气温在16℃以上。区域植被垂直变化明显:海拔1500 m以下为常绿阔叶林带,1500~2500 m为针阔叶混交林带,2500~3200 m为针叶林带,3200 m以上为高山灌丛草甸。

        图  1  大相岭山系及大熊猫栖息地适宜性指数地图(地图栅格颜色由浅蓝至深蓝,表示栖息地适宜性指数由低到高)

        Figure 1.  The Daxiangling Mountains and the giant panda habitat suitability index (HSI) map (colors from light blue to dark blue indicating from less to more suitable habitats).

      • 大熊猫HSI地图来源于已发表数据[12]。利用1421个有效的大熊猫分布位点和29个空间环境变量,Qing等人使用最大熵模型(MaxEnt modeling)对四川省内的大熊猫栖息地进行建模,得到四川大熊猫HSI图层。建模所用的环境变量包括7个地形变量(海拔、坡向、坡度等)和22个土地利用变量(距竹林的距离、距高速公路的距离、距水体的距离等)。

      • 从Qing等人[12]发表的四川大熊猫HSI图层中,切分出本研究区域的大熊猫HSI地图(见图1),作为大相岭山系大熊猫种内单元空间边界划分的输入数据。

        加载大相岭大熊猫HSI地图。使用stars包对栅格数据(raster data)进行处理以提高运算速度。

        library(stars)

        panda = read_stars(“./his_panda.jpg”)

        将大相岭大熊猫HSI地图重抽样至栅格分辨率为1000 m。使用快速贪婪算法(Fast Greedy algorithm)对种内单元进行探测。

        Library(habCluster)

        clusters = cluster (panda, method = cluster_fast_greedy, cellsize = 1000)

        得到大相岭山系大熊猫种内单元的划分结果。提取其空间边界,并将该大熊猫种内单元空间边界与现有保护区进行比较。

      • 使用habCluster包对大相岭山系大熊猫种内单元进行划分的结果如图2所示。研究区域共被划分为20个大熊猫种内单元。这些种内单元的边界划分,在探测地图被低HSI值的栅格所分隔的区域方面表现良好,可作为生境斑块的良好指标。

        图  2  大相岭山系大熊猫种内单元(红色多边形)划分

        Figure 2.  The boundaries of the giant panda intraspecific units (red polygons) in the Daxiangling Mountains

      • 大相岭山系大熊猫种内单元的空间边界与现有保护区边界的重叠如图3所示。其中,大相岭自然保护区被划分至3个大熊猫种内单元,瓦屋山自然保护区被划分至4个大熊猫种内单元,羊子岭自然保护区被划分至2个大熊猫种内单元。

        图  3  大相岭山系大熊猫种内单元(红色多边形)与保护区(绿色多边形)叠加分析

        Figure 3.  The overlaps between the giant panda intraspecific units (red polygons) and the nature reserves (green polygons) in the Daxiangling Mountains

      • 在景观尺度上,对种下单元进行划分,不仅可以为种群生态学研究提供空间分析的工具,也可以划定保护单元的边界,为实现更高效的保护管理提供科学依据。随着栖息地适宜性与连通性分析研究的普遍化[13],物种HSI的结果,也为种内单元的划分奠定了基础。使用habCluster包划分出的种内单元,可作为生境斑块的良好指标,指示种群、亚种群或局域种群等种内单元的空间边界,以便具有针对性地开展定期监测等保护管理活动。

        以大相岭山系的大熊猫栖息地为例,对大熊猫种内单元的空间边界进行了划分。将我们的结果与现有的保护区体系进行比较,可为该区域的大熊猫保护管理提供切实可行的依据。现举两例如下:

        大相岭山系的东北坡,也即荥经县和洪雅县毗邻的部分,是野生大熊猫在该山系的主要分布地[6]。本文种内单元划分的结果也显示,跨大相岭-瓦屋山区域,作为一个大的生境斑块,包括了大相岭保护区的东南部、瓦屋山保护区的西北部、大相岭保护区与瓦屋山保护区之间的龙苍沟国家森林公园与羊子岭保护区的南部(见图4)。虽然在生态学意义上,该区域是一个相对完整而独立的单元,但在行政管理上,该大熊猫种内单元横跨了多个保护地,覆盖荥经县、雨城区、洪雅县这三个行政区域。因此,需要不同区域与级别的行政主管部门通力配合,协调一致,以加强对该区域野生大熊猫的保护管理,从而实现其整体性生态利益。这也体现了建设大熊猫国家公园保护体系的重要性与紧迫性。

        图  4  跨大相岭-瓦屋山大熊猫种内单元(黄色多边形)与保护区(绿色多边形)叠加分析

        Figure 4.  The overlap between the trans-Daxiangling-Wawushan giant panda intraspecific unit (yellow polygon) and the nature reserves (green polygons) in the Daxiangling Mountains

        大相岭自然保护的中部,从泥巴山向东至经河上游地区,被划分至另一个大熊猫种内单元(图5)。与以往研究[9,10]所认为的大相岭山系的大熊猫种群被108国道隔离为荥河和瓦屋山两个孤立的种群不同,研究结果表明,108国道两侧的栖息地仍属于同一个种内单元的范围。这表明,虽然道路的线性隔离作用会对其周边的大熊猫栖息地造成干扰,但从更大的景观尺度上来看,可能未必会对栖息地斑块造成割裂。这也提示我们,在泥巴山区域建立大熊猫生境廊道是具有重要意义的,可进一步降低道路对该区域栖息地的负面影响,从而避免栖息地破碎化。

        图  5  大相岭泥巴山大熊猫种内单元(黄色多边形)与保护区(绿色多边形)叠加分析

        Figure 5.  The overlap between the Niba Mountain giant panda intraspecific unit (yellow polygon) and the Daxiangling Nature Reserve (green polygon) in the Daxiangling Mountains

        致谢 感谢四川省全国第四次大熊猫调查。

    参考文献 (13)

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