气候变化情景下百日青在中国的潜在适生区预测.pdf

/气候变化情景下百日青在中国的潜在适生区预测李福泷 李瑞 马长乐 杨建欣 王李娟 柴勇 孙永玉(西南林业大学 园林园艺学院 云南 昆明 国家林业和草原局西南风景园林工程技术研究中心 云南昆明 云南省林业和草原科学院 云南 昆明 云南元谋干热河谷生态系统国家定位观测研究站 云南 昆明 林业资源高效生产全国重点实验室 北京 云南元谋干热河谷荒漠综合治理国家长期科研基地 云南 昆明)摘要:研究气候变化情景下百日青在中国的潜在适生区 有助于未来保护策略的制定 基于 个有效分布点和 个气候变量数据 利用 模型、软件预测当前(年)和未来(、)不同发展路径(、)下百日青在中国的潜在适生区 定量分析其适生区的时空变化规律以及质心迁移轨迹 并采用 曲线下的面积 值来确定模型精确性 结果表明:()各组模型的 值均大于 模型预测结果极好()温度季节性变化、最干季度降水量、平均温度变化度范围、年平均气温、最湿月的降水量是影响百日青分布的主导气候因子()当前气候条件下 百日青的总适生区面积为 约占我国国土面积的 主要位于西南、华南以及华东部分区域()未来气候情景下百日青的总适生区面积变化幅度较小(以内)()气候变化情景下 百日青潜在适生区的主要变动区域集中在四川东南部、广西西部、贵州中部、云南北部 从当前到未来百日青适生区质心变化大体方向是先向东南迁移 再向西北迁移关键词:百日青 模型 气候变化 适生区中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.()()().第 卷 期 年 月 西 部 林 业 科 学 收稿日期:基金项目:云南省农业联合重点项目()西南林业大学风景园林科研预研基金()云南省教育厅科学研究基金项目()第一作者简介:李福泷()男 硕士研究生 从事风景园林规划设计研究:通信作者简介:马长乐()男 教授 博士生导师 主要从事植物生态学研究:.:().().().()()().:气候与植物地理分布之间的关系是植物生态学和生物地理学研究的热点问题 气候变化是影响物种分布的主要因素之一 可直接或间接改变植物物种的分布范围 在过去一个世纪内 人类活动导致了全球平均地表温度大约上升了 预计到 世纪末 与基础期相比 全球平均地表温度将升高 降水格局也会发生明显的变化 剧烈的气候变化可能会导致一些物种濒临灭绝 以及一些物种的适生区收缩、扩张、变迁、生境破碎化和栖息地丧失等 因此 研究气候变化对物种潜在适生区变化情况的影响 可以为该物种的保护和开发利用提供依据物种 分 布 模 型()是将物种目前的分布情况及物种所在地环境因子通过算法关联起来 以此推测物种潜在分布状况的模型 近年 物种分布模型也在不断地创新和发展 国内外学者相继做出大量的相关性研究 最 大 熵 模 型()可根据环境条件 估测物种发生的概率同时该模型仅需获取物种“出现点”的数据就可以得到高精度的模拟结果 避免了一些“非出现点”数据难以获取的问题 已被广泛用于预测濒危物种及有经济价值物种的适生区 如于达勇等通过研究不同碳排放模式下云南榧树()的适生区 为云南榧树的保护和开发利用提供了依据 也被广泛运用于入侵物种的防治 如薛明宇等通过极端气候事件对美国白蛾()潜在适生区的影响研究 为有效防控美国白蛾扩散提供依据 除此之外 该模型还被用于研究气候变化对物种分布的影响 如张彦静等对入侵植物裸冠菊()在中国的潜在分布格局对气候变化的响应研究 为入侵植物的预防和控制提供了有效的依据百日青()土名水竹为罗汉松科()稀有植物 在国家重点保护野生植物名录和中国生物多样性红色名录高等植物卷 均榜上有名 该树树形优美、材质优良、其枝叶、根可药用 既可作园林绿化树种 也可作乐器、家具、建筑等用 具有极高的经济价值 在我国主要分布于云南、广西、广东、江西、海南、四川、贵州、福建、台湾、西藏等省区 世界范围内主要分布于中国、不丹、缅甸、老挝、尼泊尔、印度尼西亚等国家 目前关于百日青的研究主要从群落学、栽培繁殖和化学成分等方面开展 尚未见关于其地理分布格局的研究 因此 本研究基于百日青地理分布数据以及 个气候因子 利用 模型预测其在气候变化情景下的潜在适生区探讨影响百日青在中国潜在适生区的主导气候因子 预测分析百日青在当前及未来不同气候情景下的潜在适生区变化 为百日青的植物资源调查、野生资源保护和引种驯化提供理论依据 材料与方法 分布数据筛选百日青地理分布坐标主要来自于全球生物多样性信息网络 (:/)、中国数字植物标本馆(:/)、国家标本资源共享平台(:/)以及目前已发表的相关文献和野外实地调查所得坐 第 期 李福泷等:气候变化情景下百日青在中国的潜在适生区预测标数据 对于年代久远无经纬度坐标的分布点使用 定位其坐标 共收集到地理坐标 个 为避免分布点的空间自相关性对模型精度的影响 在地图上 的网格中保留 个分布点 共获得 个有效坐标点 当有效坐标点大于 个时即可参与建模 所以 个有效坐标点符合建模要求 研究涉及的中国行政区划矢量地图(比例 )来源于国家基础地理信息系统(:/)气候变量筛选通过查阅相关文献 本研究所选取数据来源 于 全 球 气 候 数 据 集 (:/)共获得 个有关温度和降水的气候因子 分别是当前气候数据(年)和未来气候数据(、)空间分辨率均为 未来气候数据为第六次国际耦合模式比较计划()中国(北京)气候中心中等分辨率气候系统模式()该模型的气候数据最适合中国 未来气候变化情景包括 种共享社会经济路径:低强迫情景()、中等强迫情景()、中等至高等 强 迫 情 景()和 高 等 强 迫 情 景()图 个气候变量的相关性分析 为避免气候变量之间的强相关性导致模型预测结果不精确 综合检验各气候变量之间的相关性 通过 语言()“”包计算各气候变量之间的相关性(图)当气候变量之间相关性较高(相关系数绝对值 )时 仅保留贡献率较高的气候变量 剔除贡献率为 的气候变量 最终筛选出 个气候变量(表):温度 季 节 性 变 化()、最 干 季 度 降 水 量()、平均温度变化度范围()、年平均气温()、最湿月的降水量()表 筛选的影响百日青分布的气候变量 代码描述是否用于建模年平均气温/是平均昼夜温差/否等温性/否温度季节性变化是最暖月最高温度/否冷月最低温度/否平均温度变化度范围/是最湿季平均温度/否最干季度的平均温度/否最暖季的平均温度/否最冷季的平均温度/否年均降水量/否最湿月的降水量/是最干月降水量/否降水季节性变化否最湿季降水量/否最干季度降水量/是最暖季度降水量/否最冷季度降水量/否 模型构建及优化将百日青地理分布数据和中国范围内的气候变量数据导入 模型中进行建模运算和参数设置 采用 抽样方法 随机选取 的点位数据用于模型训练 迭代次数设置为 次 重复进行 次实验 以刀切法进行运算 输出结果类型为 格式 其他参数保持默认设置 为了减少采样偏差和过度拟合等因素对 模型的影响 本研究使用 对 模型的调控倍率()和特 征 组 合()进 行 优化 以此来优化 模型的参数 将调控倍率设置成 每次递增 采用、和 这 个特征组合来优化模型参数 采用训练 值和测试 值之差来检验 模型的拟合度和复杂度西 部 林 业 科 学 年 模型的评估和输出 模型精确性采用 曲线下的面积 值来确定 当 值 时 认为模型预测效果极好 将 模型模拟 次结果的平均值 导入 中进行可视化处理 输出为 的逻辑指数图 值越接近 则代表百日青的适生区指数更高 选用 作为最低存在阈值()来定义百日青适生区类型 将百日青适生区划分为 类:非适生区()、低适生区()、中适生区()和高适生区()为了更好地反映百日青在中国的潜在适生区变化情况利用 软件计算不同情景下的适生区面积并分 析 其 扩 张 或 收 缩 程 度 使 用 工具计算不同时期百日青适生区迁移情况 结果与分析 模型优化及准确性评价当前气候条件下 模型预测结果的 值为 (图)且未来气候变化情景下 值均大于 (表)表明模型预测结果效果极好 能准确模拟百日青在中国的潜在适生区图 百日青的 曲线 影响百日青分布的主导气候因子使用刀切法对影响百日青分布较大的 个气候因子重要度比较(表)贡献率排名前三的气候因子分别为温度季节性变化()、最干季度降水量()、平均温度变化度范围()累计贡献率为 置换重要性排名前三的气候因子分别为:温度季节性变化()、平 均 温 度 变 化 度 范 围()、年平均气温()累计值为 不同的气候因子刀切法正规化训练增益(图)排名前三的气候因子分别为温度季节性变化()、平均温度变化度范围()、最干季度降水量()综上所述 影响百日青分布的主导气候因子为温度季节性变化()、最干季度降水量()、平均温度变化度范围()、年平均气温()、最湿月的降水量()表 未来气候情景的百日青 值 气候变化情景年份 值低强迫情景()中等强迫情景()中等至高等强迫情景()高强迫情景()表 百日青筛选的气候因子及其贡献率和置换重要值 变量贡献率置换重要性温度季节性变化()最干季度降水量()平均温度变化度范围()年平均气温()最湿月的降水量()图 筛选的气候因子对百日青潜在分布预测模型的 检验得分注:为年平均气温 为最湿月的降水量 为最干季度降水量 为温度季节性变化 为平均温度变化度范围 第 期 李福泷等:气候变化情景下百日青在中国的潜在适生区预测 当前气候条件下百日青在中国的潜在适生区分布当前气候条件下 百日青的总适生区面积为 约占我国国土面积的 主要位于西南、华南以及华东部分区域(、)其中 高适生区面积为 约占总适生区面积的 主要位于云南南部、台湾中部、西藏和海南的零星区域 中适生区面积为 约占总适生区面积的 主要位于云南、西藏、海南、广西、广东等地 低适生区面积为 约占我国国土面积的 在云南、广西、四川、重庆、广东、福建、浙江、海南、西藏、贵州、江西等地均有分布 未来气候情景下百日青在中国的潜在适生区分布与当前气候条件下预测结果相比 未来气候情景下百日青在中国的总适生区面积变化幅度较小(表)其增加或减少的幅度在 以内 高适生区、中适生区面积均在增大 增加幅度在 以内低适生区面积均在减少 减少幅度在 以内 的 情景下 总适生区面积增加最多增多量为 的 情景下总适生区的面积减少最多 减少量达表 未来不同时期百日青各等级适生区面积 气候情景时期非适生区低适生区中适生区高适生区总适生区当前 未来不同气候情景下 百日青在中国的总适生区分布范围大致相同 均在云南、广西、四川、重庆、广东、福建、浙江、海南、西藏、贵州、江西等地 除 情景之外 在、情景下四川的适生区面积均有所减少 适生区边缘均有逐渐向北偏移的趋势 高适生区分布位置始终位于云南南部、西藏东南角、台湾中部广东和海南等地也有零星分布 气候变化情景下百日青在中国的潜在适生区变化气候变化情景下 百日青在中国的潜在分布区主要集中在云南、广东、海南、台湾、福建南部、西藏东南等(表)与当前气候条件相比 百日青在中国的潜在总适生区面积相对稳定 仅是适生区边缘地带有轻微的变化与当前气候条件下相比 除 情景下 之外 其余未来气候情景的扩张都十分明显 扩张区域主要集中在云南北部、贵州中部、广东北部、广西东部、海南南部、福建北部、浙江南部 其中 情景下 扩张最明显 与当前 气 候 条 件 下 相 比 情 景 下、情景下 和 情景下 个时期收缩明显 收缩区域主要集中在四川东南部、广西西部、贵州中部 综上所述 四川东南部、广西西部、贵州中部、云南北部、广西东部、海南南部、广东北部、福建北部、浙江南部是百日青潜在适生区的主要变动区 气候变化情境下百日青在中国的潜在适生区质心迁移气候变化情景下 百日青潜在适生区质心可以定量描述潜在适生区的变化情况 从当前到未来气候情景下 百日青适生区质心变化方向总体先向东南迁移再向西北迁移 百日青在当前气候情景下的质心位于贵州省望谟县(、)未来气候情景下 适生区质心的的变化幅度不算大 均位于贵州与广西的交界附近 其中 情景下 适生区质心位于广西壮族自治区天峨县(、)适生区质心向西北方向迁移位于广西省乐业县(、)情景下 适生区质心位于广西壮族自治区田林县(、)适生区质心向东北方向迁移位于贵州省望谟县西 部 林 业 科 学 年(、)情景下 适生区质心位于贵州省望谟县(、)适生区质心向东南方向迁移位于广西省乐业县(、)情景下 适生区质心位于贵州省册亨县(、)适生区东南方向迁移位于广西壮族自治区乐业县(、)讨论与结论 讨论 模型预测结果可靠性分析及气候限制因子分析目前用于预测物种潜在分布的生态模型众多 但 模型相对于其他生态模型具有精度高、预测结果准确、易于获取数据点等优势 被广泛用于各物种的潜在分布预测 本研究中百日青分布数据主要通过实地调研的方式获得 同时结合了各大物种数据库的数据以及众多学者的研究数据相较于仅从数据库获取的物种分布记录 所获取到的物种分布点更加可靠 另外 本研究对百日青的分布数据和气候变量进行了科学的筛选 且采用受试者工作特征曲线 下面积值(值)来评估 模型的准确性 各组模型的预测 值均大于 说明本研究的预测结果准确可靠可用于预测百日青在中国的潜在适生区分布情况气候是影响植物地理分布最主要的因素之一 本研究基于 个气候因子为变量 利用 模型对百日青在中国的潜在适生区进行了预测 探究了气候因子对百日青适生区的影响研究结果显示 温度季节性变化、最干季度降水量、平均温度变化度范围、年平均气温与最湿月的降水量是影响百日青适生区变化的主导气候因子说明降水和温度是影响百日青分布的决定性因子 目前也有大量研究得出了类似结论 如王珂发现降水因子(降水季节性)和温度因子(最冷季平均温度)是限制花椒()潜在分布的重要因子 梁键明等发现降水因子(平均降水量)和温度因子(最干季度平均气温)是影响厚叶木莲()在中国潜在适生区的主要因子 当前气候条件下百日青的潜在适生区状况分析当前气候条件下 百日青在中国的潜在分布区主要位于云南、贵州、四川、海南、台湾、广西、广东、浙江、福建、西藏等省区 且这些分布区包含百日青在我国的所有有效分布点 另外对百日青在全球范围内潜在适生区模拟发现 百日青在全球的潜在适生区主要分布于中国南部、缅甸、尼泊尔、越南、老挝、印度、马达加斯加岛、澳大利亚、南非等区域 这与朱圣潮等的研究结果一致 世界范围内中高纬度百日青有明显适生区 但我国相同纬度范围内并不存在明显适生区 这与张彦静等的预测一致 出现这种现象的原因可能是相同纬度范围内人类活动强度、海拔等造成了各地区降水和温度的不同 气候变化情景下百日青在中国的潜在适生区状况分析由于全球气候的剧烈变化 有研究发现青檀()、豚草()等植物的潜在适生区有向高纬度地区扩散的趋势 且王子龙等学者也发现随着纬度升高群落生物量和灌木生物量会显著增加 这些研究与本研究发现百日青在中国的潜在适生区未来将向北迁移这一结论一致本研究发现百日青的潜在总适生区面积相对稳定 仅是适生区边缘地带有轻微的变化 造成这种现象的原因可能是近年来由于人类活动的不断加剧 导致土壤荒漠化、极端气候事件日益严重等原因造成的 但比较乐观的是 未来高、中适生区仍向靠近总适生区的边缘的方向扩张 气候变化情景下百日青的保护策略当前 百日青存在自然分布十分稀少且分布不均 整体研究偏少且不够深入 原生种群遭遇破坏和种群持续衰退等问题 针对气候变化情景下百日青的保护应采用不同的策略 对于当前为高、中适生区的区域 应加强百日青的引种驯化 提高其生产潜力 对于当前低适生区的区域 应开展种质资源的收集 在保存遗传多样性的同时 进行一定的无性繁殖实验 对于未来适生区增加的区域 可以在种质资源筛选的基础上 逐步开展人工引种栽培实验 对于未来适生区减少的区域 应对已发现百日青的区域进行优先保护 通过定点观察和动态监测 建立就地保护地 加强管理 结论本研究基于百日青的分布数据以及 个气候变量数据 利用 模型来模拟百日青当前气候情景下在中国的潜在适生区以及未来气候变化情 第 期 李福泷等:气候变化情景下百日青在中国的潜在适生区预测景下百日青在中国的适生区的时空格局 当前气候条件下 百日青在中国的总适生区面积为 主要位于西南、华南以及华东部分区域未来气候情景下 百日青在中国的总适生区面积变化幅度较小 其增加或减少的幅度均在 以内高适生区和中适生区的面积大幅度增大 将在 的 情景下达到最大 主要分布在云南南部和西藏南部等区域 且呈现出沿低适生区边缘向北扩散的趋势 气候变化情景下 百日青扩张或收缩的主要变动区集中在四川东南部、广西西部、贵州中部、云南北部、广西东部、海南南部、广东北部、福建北部、浙江南部 百日青在中国的适生区质心从当前到 和 总体先向东南方向迁移 再向西北方向迁移参考文献:.:.():.():.():.:()()().:.周礼茂吴海洋田斌.基于 优化模型对不同时期金银忍冬潜在适生区动态模拟分析/.西南林业大学学报(自然科学).().:/./.宋颖张港隆贾全全等.气候变化下花榈木在我国的潜在分布区预测.西北林学院学报():.于达勇樊智丰马长乐.不同碳排放模式下云南榧树适生区分布研究.西北林学院学报():.薛明宇郝德君赵旭东等.极端气候对美国白蛾分布及潜在适生区的影响/.南京林业大学学报(自然科学版).():/./.张彦静斯琴胡洁等.气候变化情景下裸冠菊在中国的潜在适生区分布预测.生态学报():.朱圣潮张履勤.浙江省百日青()的生态分布.杭州师范学院学报(自然科学版)():.国家林业和草原局农业农村部.国家重点保护野生植物名录.国家林业和草原局农业农村部.中华人民共和国生态环境部中国科学院.中国生物多样性红色名录高等植物卷.北京:中国科学院出版社.朱圣潮.浙江箬寮山百日青的群落生态学特征分析.热带亚热带植物学报():.邱琼杨德军陈勇等.西双版纳 年生百日青容器苗育苗试验.西部林业科学():.靳丹娅钟萍杨德军.百日青栽培及其幼林生长规律.广西林业科学():.吴晶晶黄国利詹睿等.滇产百日青的化学成分研究.海南师范大学学报(自然科学版)():.吕环鑫夏少霞顾婧婧等.基于 模型的仙居县大型兽类和珍稀鸟类栖息地适宜性评价.生态学杂志():.张春华雷晨雨田瑞杰等.用材树种高山栲潜在适生区分布区及影响因子.西部林业科学():.梁键明蒋庆莲姜垒等.基于 模型预测气候变化下厚叶木莲在中国的潜在地理分布.广西科学():.郑芳黄智聪陈利君等.基于 模型预测中国兰属植物的分布格局及主导气候因子.广西植物():.():.黄睿智于涛赵辉等.气候变化背景下濒危植物梓叶槭在中国适生分布区预测.北京林业大学学报():.夏卓异苏杰尹海伟等.气候变化背景下中国朱鹮适宜生境时空格局.应用生态学报():.():.王艳君高泰石娟.基于 模型对舞毒蛾全球适生区的预测及分析.北京林业大学学报():.下转 页西 部 林 业 科 学 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