《Ecological Research》：Newly-Digitized Long-Term Dataset of Brown Bear Distribution in Hokkaido, Japan (1978–2017), Covering a Period of Management Policy Transformation
编辑推荐：
理解物种分布的长期变化对于野生动物保护与管理至关重要，尤其是对人类活动存在交互作用的大型食肉动物而言。日本北海道的棕熊（Ursus arctos）在1966年至1990年实施的名为春季棕熊猎杀计划（Spring Bear-Culling Program）的集中
理解物种分布的长期变化对于野生动物保护与管理至关重要，尤其是对人类活动存在交互作用的大型食肉动物而言。日本北海道的棕熊（Ursus arctos）在1966年至1990年实施的名为春季棕熊猎杀计划（Spring Bear-Culling Program）的集中猎杀项目期间经历了显著的种群下降。然而，尽管1978年至2017年间开展的多次全国性调查提供了分布数据，种群收缩期的空间数据仍大部分无法获取。本文基于北海道政府开展的历史调查报告，呈现了一个新数字化的1984年、1991年和1997年北海道棕熊分布数据集。源自问卷调查、访谈和猎获记录的原版印刷地图被人工数字化为ESRI shapefile格式，并采用标准化的5-km网格系统。1978年和2017年全国调查的公开数据集被整合进来，以建立一个涵盖约40年、包含五个调查年份的一致时间框架。所得数据集显示，被归类为"存在"（presence）的网格单元数在1991年调查中最低（1415个单元），在2017年调查中最高（2872个单元）。该数据集是少数记录北海道棕熊分布从20世纪末至近年时空动态的可用数据集之一。它使得在广阔空间范围和精细空间分辨率上分析收获压力（harvest pressure）、土地利用变化与棕熊分布之间的长期关系成为可能。本摘要的元数据可在JaLTER的MetaCat中获取（https://doi.org/10.20783/DIAS.JLE.101），完整数据集可在https://doi.org/10.6084/m9.figshare.32194716获取。
**研究背景与问题**
过去两个世纪以来，许多大型食肉动物经历了显著的种群下降和地理分布范围收缩，但近几十年来部分种群出现了恢复迹象。物种分布受环境与人为因素共同塑造，包括气候变化、资源可获得性、土地利用变化和收获压力。分布范围收缩可导致栖息地破碎化、灭绝风险增加、遗传多样性降低以及对环境变异和干扰的恢复力下降，进而对生态群落和生态系统过程产生级联效应。反之，分布范围扩张可能导致人类改造景观的殖民化，增加人身伤害和致命攻击事件以及牲畜和农作物损害。因此，监测大型食肉动物分布的状态和趋势对于生物多样性保护、生态系统管理和缓解人兽冲突至关重要。
日本北海道是该国唯一有棕熊栖息的地区。北海道棕熊因历史管理实践经历了显著的种群规模变化。1966年以赏金形式实施的春季棕熊猎杀计划被认为导致了种群收缩。该猎杀计划在融雪季节进行，此时棕熊易于被发现，且与其他季节的害兽控制或狩猎相比，该计划不成比例地针对带幼崽的雌性棕熊。1990年4月该控制措施废止后，后续研究记录了种群恢复，并伴随着人熊冲突的增加。
自1978年以来，环境省在全国范围开展了哺乳动物分布调查。在北海道棕熊种群收缩和早期恢复期间，北海道政府在1984年、1991年和1997年开展了全岛分布调查。这些调查代表了北海道政府收集包括棕熊在内的野生动物种群科学信息的最早系统性努力之一。当时，人们对野生动物造成的农业损害以及持续的收获压力和栖息地改变导致的棕熊种群下降提出了关切。因此，记录野生动物分布被认为是适当管理的基本要求。然而，尽管这些调查的结果已在日文印刷报告中总结，但其基础空间数据集尚未以GIS兼容格式公开存档。可获取数据的缺乏限制了其在近期研究中的使用。日本大型哺乳动物分布长期变化的分析主要依赖于公开可用的国家数据集，而未纳入涵盖最大分布范围收缩期的区域调查数据。因此，与北海道棕熊从集中猎杀向废止后管理转变相关的过渡期仍未得到充分量化。
**研究内容与结论**
本研究提供了一个1978年至2017年北海道棕熊分布数据集，代表了大型哺乳动物罕见的长期（约40年）和大规模数据集。1984年、1991年和1997年的调查涵盖了北海道分布收缩期和恢复早期阶段。这些调查在北海道政府倡议下进行，得到了国家 and 市级官员、猎人以及参与野生动物观察和管理的当地居民的配合。研究人员基于纸质报告人工数字化了1984年、1991年和1997年的棕熊分布信息，并使用GIS将其分配到网格单元。此外，研究人员将这些数据与1978年和2017年全国调查结果整合，从而填补了现有国家数据集之间的时间空缺。
**关键技术方法**
研究人员采用标准化5-km网格系统（由日本生物多样性中心提供，基于日本大地基准2000即JGD2000）作为空间整合框架，将北海道政府1984年、1991年和1997年三次调查的印刷地图（基于1:200,000地形图细分为约5-km方格）人工数字化并匹配至参考网格。数据来源包括问卷调查（1984年发放1824份至7个组织，1992年发放1983份至12个组织，1997年发放1803份至12个组织）、访谈（仅1985年针对1984年调查在根室、十胜、钏路和网走四个支厅开展补充访谈）以及猎获记录（1983年起北海道政府接收市町村和猎人报告的棕熊猎获日期和地点）。国家调查数据来自1978年第二次自然环境保全基础调查（环境厅）和2017年大中型哺乳动物分布调查（环境省），均为5-km网格且以CC BY 4.0开放许可发布。空间数据处理与整合使用QGIS v3.18.2-Zürich和R v4.4.0的sf包v1.0.16完成，最终数据集重投影至日本大地基准2011（JGD2011；EPSG:6680）并以shapefile格式导出。数据准确性由未参与数字化过程的人员独立验证两次，通过将数字化数据与原始印刷地图比对完成。
**研究结果**
**数据来源与空间框架**：北海道政府自1984年起监测野生动物生态和种群状况，作为监测的一部分在1984、1991和1997财年开展了棕熊分布调查。各调查中，棕熊在覆盖北海道的空间网格单元内被评估。来自问卷和访谈获得的专家与公民知识以及猎获棕熊官方记录等多源信息被汇编，以确定调查期间各网格单元内是否确认棕熊存在。空间框架基于覆盖北海道本岛的网格单元，根据原始调查报告，空间单元通过将1:200,000地形图沿水平和垂直轴各等分为16份确定，产生约5-km方格网格单元。1984年和1991年调查中，每个网格单元被分为三类：（1）存在信息可用；（2）损害信息可用；（3）无确认的存在或损害记录。1997年调查中，网格单元被分为两类：（1）存在或损害信息可用；（2）无确认的存在或损害记录。
**数据处理与GIS整合**：原始调查结果以印刷地图形式报告，由于调查时GIS系统尚未实施，无数字空间数据可用。研究人员人工数字化分布信息并使用GIS将其分配到网格单元。使用日本生物多样性中心提供的标准化5-km网格系统整合跨调查年份数据。由于研究区域限于北海道本岛，对应离岛的参考网格单元被排除。原始印刷地图上的网格单元与标准化5-km参考网格在大小和空间对齐上几乎相同，因此每个原始调查网格单元被人工匹配至相应参考网格单元。原始印刷地图可能基于旧日本大地基准（东京 datum），与基于JGD2000的参考网格之间存在约400 m的位置差异，但由于原始调查数据具有固有空间不确定性且最终以5-km网格单元水平汇编，该差异被认为不太可能影响存在值向5-km网格单元的分配。研究人员将原始分类类别转换为二值以创建跨调查年份的一致数据集：具有存在或损害信息的网格单元编码为1（存在），无确认的存在或损害记录的网格单元编码为0（未确认）。原始地图上描绘的网格单元被视为已调查单元并分配分布值（0或1），未在原始地图上呈现的网格单元被视为无数据（NULL）。原始印刷调查地图上描绘的两个网格单元未在标准化5-km参考网格中呈现，这两个网格单元在所有三次北海道政府调查中均有显示，其中一个仅在1984年调查中分类为存在，两个在1991年和1997年调查中均分类为未确认，由于无对应参考网格单元，这两个网格单元被排除以保证跨调查年份的空间一致性。1978年调查的分类方案与其他调查年份不同：确认棕熊存在的网格单元分为"繁殖区"（全年有棕熊存在或观察到带幼崽雌性的区域）或"偶发分布区"（棕熊零星或机会性出现的区域），先前有棕熊出现但已不再存在的网格单元分为"灭绝区"，无确认存在信息的网格单元和未纳入调查的网格单元均归类为"无信息"。为保留原始分类，1978年调查采用单独编码方案：2=繁殖区，3=偶发分布区，4=灭绝区，5=无信息。
**技术验证**：为确保数据准确性，数字化数据集由未参与数字化过程的人员独立验证，通过将数字化数据与原始印刷地图比对进行了两次验证。对于1991年调查，尽管数字化数据集中存在的空间分布与原始地图一致，但数据集中的存在网格单元总数与原始报告中报告的数量之间存在差异：数字化数据集中为1415个单元，而文本报告中报告为1369个单元。由于无空间信息可用于识别造成该差异的网格单元，无法在网格水平上解决该差异。在数据集中，原始报告中呈现的分布图被作为空间信息的主要参考。
**分析示例**：所有调查年份中分类为"存在"的网格单元数被计算。存在网格单元比例仅在可可靠定义已调查单元分母的年份计算，分母由所有分配为存在（1）或未确认（0）的已调查网格单元组成，排除无数据单元。1984年调查中分类为"存在"的网格单元数为1937个（占3597个已调查单元的53.9%），1991年为1415个（占3597个单元的39.3%），1997年为1605个（占3598个单元的44.6%）。对于政府开展的全国调查，1978年数据被重新分类以进行比较："繁殖区"和"偶发分布区"被视为存在（1），"灭绝区"视为未确认（0），"无信息"视为无数据（NULL）。基于此重新分类，1978年存在网格单元数为1962个。然而，该调查原始报告列出3718个总网格单元，而 later publication 报告同调查年份总网格单元为4061个。由于1978年调查总调查网格单元的空间排列不可用，确认存在的网格单元比例无法与 later surveys 直接比较。2017年，2872个网格单元被分类为存在（占3636个单元的79.0%）。这些结果与春季棕熊猎杀计划及其终止期间北海道北部记录的棕熊分布时空变化一致。该模式也与先前基于棕熊迹象数据和基于猎获的生命率估计 suggesting 种群先下降后恢复的研究广泛一致。
为可视化分布的空间变化，各年调查结果被制图。如果将"未确认"解释为缺席，北海道西南部渡岛支厅和东部网走支厅东部的分布似乎从1978年到1984年扩张，到1991年下降，然后到1997年恢复到约1978年水平。在其他地区，分布从1978年到1991年主要在低海拔地区减少，但到2017年分布范围大幅扩展。先前一项研究报告棕熊在分布扩张期扩展其范围进入农业景观。本数据集记录了前一段种群收缩期确认棕熊存在的空间变化，为未来分析与土地利用和管理历史的关系提供了基础。
**局限性**：该数据集有两个主要局限性：单个网格单元解释的不确定性和调查年份间的有限可比性。第一，分类为"未确认"的网格单元既包括棕熊真正缺席的区域，也包括未获得信息的区域。一些进入极其困难的偏远山区，如中央日高山脉，可能因调查受访者缺乏观察而被分类为"未确认"，尽管棕熊实际存在。因此，分类为"未确认"的区域应根据分析目的和方法谨慎解释。第二，调查年份间的 temporal comparisons 应谨慎解释，因为受访者构成、调查努力和数据来源在各调查间存在差异。问卷调查严重依赖猎人和林业官员，他们在1984年、1991年和1997年调查中占受访者的很大比例。自1970年代末以来，从事国家森林管理的猎人和工作人员数量下降，这可能在一些地区导致发现和报告棕熊存在的机会减少。此外， returned questionnaires 的数量在受访者群体和地区间存在差异，可能导致棕熊存在报告不完整。此外，1984年调查分发的组织少于1991年和1997年调查，这可能进一步导致存在被低估。反之，一些调查方法可能增加了检测和报告。1984年调查在选定地区辅以针对性访谈，而1991年或1997年未进行可比访谈。此外，环境省开展的2017年调查纳入了额外数据来源，包括从全球生物多样性信息网络（GBIF）获得的记录和对研究人员的访谈， resulting in more comprehensive information than was available from earlier surveys。这可能导致了2017年分类为存在的网格单元数较多。总体而言，这些调查设计和报告努力的差异可能影响了观测到的调查年份间分布变化的幅度，在解释时间模式时应予以考虑。
**讨论与结论**
该数据集是少数记录北海道棕熊分布从20世纪末至近年时空动态的可用数据集之一。在北海道，春季棕熊猎杀计划的终止恰逢重大社会人口和土地利用变化，包括从人口增长向下降的转变以及农业土地利用的变化，废弃农田超过开发农田。这些人口变化可能与野生动物栖息地和人兽交互的改变有关。与野生动物管理政策相关的棕熊种群动态长期分析最近已可利用区域监测数据在北海道北部开展。然而，由于涵盖全岛的历史分布数据一直不可用，全岛规模的可比分析无法进行。该数据集为在广阔空间范围和精细空间分辨率上分析收获压力、土地利用变化与棕熊分布之间的长期关系提供了宝贵资源。通过将该数据集与其他数据来源如种群密度、迹象检测率和空间遗传数据整合，可用于研究与分布范围收缩和扩张相关的种群规模和基因流变化。鉴于北海道棕熊分布的持续变化和人熊冲突的增加，使用标准化调查方法进行持续监测对于评估未来分布变化和支持基于证据的野生动物管理将很重要。本文呈现的数据集为此类未来监测工作提供了宝贵的基线。
**研究结论翻译**：本文基于北海道政府开展的历史调查报告，呈现了一个新数字化的1984年、1991年和1997年北海道棕熊分布数据集。源自问卷调查、访谈和猎获记录的原版印刷地图被人工数字化为ESRI shapefile格式，并采用标准化的5-km网格系统。1978年和2017年全国调查的公开数据集被整合进来，以建立一个涵盖约40年、包含五个调查年份的一致时间框架。所得数据集显示，被归类为"存在"的网格单元数在1991年调查中最低（1415个单元），在2017年调查中最高（2872个单元）。该数据集是少数记录北海道棕熊分布从20世纪末至近年时空动态的可用数据集之一，使得在广阔空间范围和精细空间分辨率上分析收获压力、土地利用变化与棕熊分布之间的长期关系成为可能。
