气候变化情境下木荷潜在地理分布及生态适宜性分析.pdf

第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:福建农林大学科技创新基金()福建农林大学高峰学科项目()收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./文国卫黄秋良吕增伟赖文峰施晨阳朱晓如蒋天雨张国防.气候变化情境下木荷潜在地理分布及生态适宜性分析.生态学报():.():.气候变化情境下木荷潜在地理分布及生态适宜性分析文国卫黄秋良吕增伟赖文峰施晨阳朱晓如蒋天雨张国防福建农林大学林学院福州 摘要:木荷()是中国南方常见的速生阔叶耐火树种之一在生态修复和维持环境稳定方面具有重要作用因而预测其潜在适生区变化具有重要意义 基于 模型结合 条木荷在中国的有效分布记录和筛选后的 个生物气候变量预测木荷现代和 年 种气候排放浓度情景下木荷的潜在分布区 模型的可靠性以受试者工作特征曲线来判断综合气候因子的贡献率、置换重要值和刀切法检验来分析并探讨制约木荷地理分布的重要气候因子 结果表明:()模型训练和测试数据的 值分别为.和.表明模型的预测精度极高()现代木荷潜在地理分布的总适生区面积.占中国国土面积的.主要位于在中国长江以南的大部分地区包括福建、浙江、台湾、江西、湖南、广东、海南、广西、贵州、云南、重庆以及四川、河南和安徽部分区域()制约木荷潜在地理分布的重要生物气候因子为降水因子(最干月降水量 、年降水量 和最湿季降水量 )和温度因子(气温年变化.)()使用 模型模拟的木荷适生区面积大于其实际分布面积暗示着木荷人工林在未来有较大的发展潜力本研究结果可为木荷种质资源收集和人工林种植奠定理论基础对维持区域性生态系统安全和稳定、缓解气候变化和 年实现碳中和目标具有战略性意义关键词:木荷 模型气候变化潜在适生区生态适宜性 :.:().().:/.().().:气候变化和全球变暖是全世界重点关注的问题也是当今社会讨论最多的问题之一对物种的分布格局造成了巨大影响 自第一次工业革命以来人类对化石能源的使用量日益增加和森林面积的大幅减少导致大气层 含量逐年递增浓度上升了近 使气候变暖的趋势愈发明显 现如今为应对气候变化带来的负面影响中国政府已宣布将于 年达到全国碳排放峰值、年实现碳中和的目标 其中植树造林不仅能够满足人类社会对林产品的市场需求也增加了森林的覆盖率并提高了森林对 的吸收是实现碳中和不可或缺的重要途径 因此在未来研究主要造林树种的潜在适生区分布格局变化将有助于我们制定更有效的营林措施以提高碳汇成效是全球气候变化背景下实现碳中和愿景的有效手段之一生态位模型()对物种的潜在适生区变化有较好预测常用于模拟物种的生态位 目前生态位模型主要有:最大熵模型()、模型、规则集遗传算法模型()、广义线性模型()和随机森林()等 其中 模型采用最大熵来推算物种的潜在地理分布具有失真小、稳定性好和操作简单等优势已成为使用次数最多的生态位模型之一 另外正是由于 模型能够对物种的未来潜在地理分布区进行准确预测并实现物种适生区空间格局变化的可视化已被国内外研究者广泛应用于珍稀濒危动植物保护、入侵物种的治理和预防、病虫害防治和物种的潜在分布区探索等方面木荷()为山茶科()木荷属()的常绿阔叶高大乔木是中国南方广泛分布的速生用材树种之一也是亚热带森林中重要的耐火树种之一 在经济价值方面木荷树干通直、材质坚硬、耐腐耐磨、纹理优美是制作地板、高档家具和雕刻木雕等优良用材 其次木荷茎叶提取液具有杀虫和抑菌活性的功效可作为杀虫剂的补充和替代药物主成分 在生态价值方面木荷落叶分解快、养分含量高对林地土壤起改良增肥作用 在社会价值方面木荷因花开白色新叶和秋叶绚丽多彩是很好的园林绿化树种可应用于城市道路两侧、公园、庭院等方面 目前关于木荷的研究主要集中遗传改良、群落演替、凋落物分解、混交林种植和根系等方面 然而上述均未系统的研究气候变量与木荷分布格局之间关系但在未来不同的气候排放情景下木荷潜在地理分布将如何变化以及影响木荷地理分布的主导气候变量也尚未清楚通过木荷分布点数据和生物气候变量利用 模型模拟现代(年)和未来时间段(年)在低浓度(.温室气体排放较低)、中浓度(.温室气体排放一般)和高浓度(.温室气体排放浓度较高)种气候情景下木荷的潜在适生区并通过 进行可视化处理进一步探讨影响木荷在未来全球气候变化下地理变迁的关键因素旨在了解气候变量对木荷潜在地理分布的制约机制为木荷种质资源的高效利用提供科学依据生 态 学 报 卷:/.材料与方法.木荷分布点收集与整理通过检索全球物种多样性信息库(:/.)、中国植物图像库(:/.)、国家标本平台(:/.)、中国数字植物标本馆(:/.)分别获得样本记录 条、条、条和 条共计 条又查阅中国知网(:/.)关于木荷相关的文献搜集到分布点 条 本研究对只记录有地点名称却缺少准确经纬度坐标的标本通过经纬度查询(:/./)输入地点名称来确定经纬度 此外为降低群集效应所产生的误差将获取的分布点以物种名、经度、纬度和地点整理成 格式文件导入 .中进行缓冲区分析以 范围内的多个样本点只保留一个分布点的原则最终得到 个有效分布记录(图)图 木荷的分布点数据.生物气候因子数据获取与筛选研究所用的当前(年)和未来(年)的 个生物气候变量均来源于世界气候数据库(:/.)数据空间分辨率为.其中 个气候变量分别为年均温()、平间日较差()、等温性()、温度季节变动系数()、最热月最高气温()、最冷月最低气温()、温度年较差()、最湿季度平均气温()、最干季度平均气温()、最暖季度平均气温()、最冷季度平均气温()、年降水量()、最湿月降水量()、最干月降水量()、降水量季节性变化()、最湿季度降水量()、最干季度降水量()、最暖季度降水量()、最冷季度降水量()未来生物气候变量数据为第六次国际耦合模式比较计 期 文国卫 等:气候变化情境下木荷潜在地理分布及生态适宜性分析:/.划()的 气候模式包括共享社会经济路径()和代表性浓度路径()本研究在.()、.()和.()种典型浓度排放情景下对木荷未来潜在适生区进行模拟 其中 是可持续发展途径代表温室气体排放浓度处于低水平 是一般发展途径代表温室气体排放浓度处于中等水平而 是以化石燃料利用为主的发展途径代表温室气体排放浓度处于高水平研究所使用的 的中国国界和省界行政区划图来源于国家基础地理信息中心(:/./)以中国行政区划矢量地图为底图将 个生物气候栅格数据添加到 .中进行掩膜提取并转换为 模型可用的 格式备用 为了避免 个生物气候变量引起多重共线性而导致模型过度拟合参照张华的方法对生物气候变量进行筛选 筛选方法为将 个现代生物气候变量和筛选后的木荷分布点数据导入 软件中每次运行后剔除结果中贡献率小于 的气候变量共运行 次最终筛选出 个气候变量(表)累计贡献率大于 用于木荷潜在适生区面积分布的预测 其中筛选后的 个气候变量依次为昼夜温差月均值()、最冷月最低气温()、气温年变化范围()、最湿季平均气温()、年降水量()、最干月降水量()、最湿季降水量()和最暖季降水量().数据处理与分析把筛选后的木荷分布点和 个气候变量数据导入 .中随机选取 分布点数据作为训练集作为测试集并使用交叉验证方法()重复 次最大背景点数量为 个最大迭代次数为 次其余为默认设置最终输出 格式的结果文件 然后挑选出结果中的平均值 格式文件导入.软件中利用空间分析工具()中的重分类命令()利用自然间断点分级法()将适宜度分为 个等级分别为非适生区(.)、低适生区(.)、一般适生区(.)、最佳适生区(.)从而确定木荷的潜在适生区分布情况贡献率()是通过持续修正单一要素的系数并以百分比的形式给出其决定某一个气候变量对该物种的贡献大小置换重要值()是测定随机置换训练点集上环境变量的数值归一化后也以百分比表示 气候变量的贡献率和置换重要值越大说明该气候变量对物种的潜在地理分布起的作用也就越重要 刀切法()检验则是依次使用和排除某一变量来建立新的模型并通过比较模型间正则化训练增益()、测试增益()和 值的差异来衡量生物气候变量的重要性 通过 模拟结果的贡献率、置换重要值和刀切法来评价影响物种分布的主导气候变量并分析生物气候变量在制约木荷现代地理分布格局中的重要性根据受试者工作特征曲线()的 值()来判断模型预测的准确度 值是评价预测结果可靠的重要指标 值范围在 到 之间值越大表明预测结果的准确性就越好 若 值小于.表明模拟结果失败.预测结果较差.预测结果一般.预测结果准确若大于.则表明预测结果极为准确可以较精准地反映出物种潜在分布范围 结果与分析.模型模拟精度评价根据木荷分布点数据和 个气候变量(表)应用 模型进行模拟获得训练数据(红线)和测试数据(蓝线)的受试者工作曲线(曲线)和 曲线下的面积(值)用来验证分布点数据对模型的契合度(图)如图本研究重复 次得到训练数据的 值为.测试数据的 值为.表明采用 模型预测木荷潜在适生区范围有很高的可信度.影响木荷分布的主导气候变量气候变量对木荷适生区分布的影响主要通过贡献率、置换重要值和 检验结果三个指标来进行生 态 学 报 卷:/.图 模型对木荷的 曲线预测结果.:曲线下面积值 :受试者工作特征曲线 综合评价 从贡献率来看排前三位的气候变量依次是:最干月降水量(.)、年降水量(.)、气温年变化范围(.)累计贡献率为.(表)表明此三个气候变量对木荷的地理分布有重要影响 从置换重要值来看排前三位的气候变量依次是:气温年变化范围(.)、最暖季降水量(.)、最干月降水量(.)累计贡献率为.(表)也表明了气温年变化范围和最干月降水量是影响木荷的地理分布的关键气候变量 从刀切法检验结果来看(图)正则化训练增益、测试增益和 值的仅此变量排前三位的气候变量均为最湿季降水量()、年降水量()、最暖季降水量()表明降水变量是影响木荷地理分布的主要气候限制因素 综上降水因子变量(年降水量、最干月降水量、最湿季降水量)和温度因子变量(气温年变化范围)是影响现代木荷潜在地理分布的主导生物气候变量表 主导气候变量评价 变量指标 贡献率/置换重要值/变量指标 贡献率/置换重要值/.:昼夜温差月均值 :最冷月最低气温 :气温年变化范围 :最湿季平均气温 :年降水量 :最干月降水量 :最湿季降水量 :最暖季降水量 .主导气候变量影响木荷分布的响应曲线分析根据响应曲线来判断木荷的分布概率与主导气候变量之间的联系 当木荷的分布概率大于.时是有利于木荷生长繁殖的从而获得对应的生物气候变量的范围值 其中四个主导气候变量对木荷的适生区面积影响较大 一是气温年变化范围(为.为.)变化曲线为倒“”型即气温年变化在.范围时木荷分布概率最大(.)随着气温年变化范围的增加木荷的分布概率开始下降当气温年变化范围达到 时分布概率下降到.以下表明适合木荷生长的气温年变化范围:.(图)二是年降水量(为.为.)从 开始木荷分布概率不断增加当年降水量达到 时木荷分布概率达到.并在 为最高分布概率(.)之后到 后分布概率再次小于.表明适合木荷生长的年降水量范围:(图)三是最干月降水量(为.为.)在 以下时木荷分布存在的概率小于.随着最干月降水量的增加木荷的分布概率逐渐增加在 范围内分布概率快速增加增幅为 并在 时达到最大分布值(.)表明适合木荷生长的最干月降水量范围:(图)四是最湿季降水量(为.为.)从 开始木荷的分布概率急速增加到 时分布概率达到.并在 时达到最大分布概率值(.)后开始 期 文国卫 等:气候变化情境下木荷潜在地理分布及生态适宜性分析:/.图 木荷 个气候变量的 检验结果.:昼夜温差月均值 :最冷月最低气温 :气温年变化范围 :最湿季平均气温 :年降水量 :最干月降水量 :最湿季降水量 :最暖季降水量 下降在约 时木荷的分布概率下降到.表明适合木荷生长的最湿季降水量范围:(图)图 木荷适宜性概率对主导气候变量的响应曲线.不同气候情景下木荷的潜在适生区变化根据 模型模拟结果在 .软件中绘制出木荷在现代()气候条件的潜在地理分布生 态 学 报 卷:/.(图)在木荷分布点记录的分布概率逻辑值中最大分布概率逻辑值分布在湖南炎陵县龙渣瑶族乡为.最小分布概率逻辑值分布在广西东兴市江平镇为.平均分布逻辑概率值为.在现代气候条件下木荷总适生区主要分布在中国长江以南的大部分地区包括福建、浙江、台湾、江西、湖南、广东、海南、广西、贵州、云南、重庆以及四川、河南和安徽部分区域面积.占中国总面积的.(图 表)而木荷最佳适生区主要分布于福建、广东和广西北部、贵州南部、云南东部面积为.占中国总面积的.(图 表)此外从 模型预测结果来看木荷潜在适生区分布范围一定程度上超过了其在现代分布的范围(图 图)表 现代及未来不同排放情景下适生区面积/()等级时期 现代 年.低适生区 .一般适生区 .最佳适生区 .总适生区 .图 现代及未来不同排放情景下木荷的潜在适生区分布.同时使用 模型模拟了未来(年)种排放情景下(.、.、.)木荷的潜在地理分布并绘制出其在未来气候条件的潜在地理分布(图)以及算出了不同排放情景下木荷各潜在适生等级的面积(表)在.排放情景下木荷的总适生区面积.最佳适生区面积.较现代气候情景下木荷的总适生区面积和最佳适生区面积分别增加了.和.在.排放情景下木荷的总适生区面积.最佳适生区面积.较现代气候情景下木荷的总适生区面积基本一致但最佳适生区面积增加.在.排放情景下木荷的总适生区面积.最佳适生区面积.较现代气候情景下木荷的总适生区面积减少了.最佳适生区面积增加.综上在.排放情景下木荷的总适生区面积最大在.排放情景下木荷的总适生区面积最小与现代相比未来 种排放情景下最佳适生区 期 文国卫 等:气候变化情境下木荷潜在地理分布及生态适宜性分析:/.的面积均有略微增加表明木荷的适生能力较强能够较好地适应未来各种气候变化可作为未来植树造林的主要树种之一 讨论.木荷潜在地理分布对生物气候变量的响应根据 模型模拟后获得的贡献率、置换重要值和 检验结果得出年降水量()、最干月降水量()、最湿季降水量()和气温年变化范围()是影响现代木荷潜在地理分布的主导气候变量即制约木荷分布格局最重要的因子为降水因子其次为温度因子 娄俊鹏研究表明植被的总初级生产力()在年尺度上与温度因子差异不大降水因子对植被的动态变化要大于温度因子本文结果与之相一致 黄石德等通过研究木荷和马尾松()混交林凋落物和土壤呼吸与环境因子之间的联系结果表明无降水情景下凋落物对土壤呼吸的贡献率显著低于降水情景(.)仅为.表明了降水因子的重要性与本研究结果一致 张静芬研究了气候变化对中国亚热带地区木荷的气候适应性变化及其空间差异结果表明在经度地带性特征上木荷对气候变化的适应性自东向西递减降水因子是造成云南西南部地区木荷适应性较弱的主要因素这两点也表明了降水因子对木荷适宜性生长和地理分布的重要性 此外高德强对广东鼎湖山森林的研究结果表明在常绿阔叶林中亚乔木层木荷对降水利用率最高闫慧等通过探究不同降水及氮添加对木荷、枫香树()等幼苗的影响结果也表明:降水和氮素对树木幼苗的生理特征及生长有影响尤其在干季降水对净光合速率、气孔导度等指标有显著的影响此两点也从侧面表明了降水因子是影响木荷地理分布的主导气候变量 综上降水因子对木荷的潜在地理分布和生长起着极其重要的作用但在制约木荷潜在地理分布的环境因素中温度因子也不可忽视有着不可替代的作用这与本文的研究结果相一致也证实了本研究结果的准确性然而由于未来时期的土壤和地形等环境变量数据不易获取本研究仅使用了气候变量参与建模对木荷的未来潜在地理分布进行了预测 但影响物种分布的因素是复杂多样的需要我们综合进行考虑以更好的了解物种的生活习性 曾超越等使用 模型结合分布点和 个环境变量数据模拟连香树()在中国的地理潜在适生区分析影响其地理位置分布变化和种群特征差异的主要环境因子结果表明除温度和降水因子外地形因子也影响着连香树的地理分布 李莎等采用 模型结合 个环境变量和 份分布数据对马尾松进行潜在适生区预测结果表明土壤因子是影响湖北省马尾松适宜性的主要因子之一 从连香树和马尾松这两种物种中得知除降水和温度因子外地形和土壤因子也制约着物种的分布同理地形和土壤因子对木荷的分布也起着一定的作用 此外造成物种空间分布差异的因素还包括紫外线、种间竞争、人为活动和物种自身特性等 因此在以后对木荷的研究中加入上述变量也许会提高模型对木荷预测的准确性 但本研究结果可以作为整体规划的第一步对未来木荷种植措施的制定起参考作用.未来不同气候排放情景下木荷潜在地理分布格局在未来通过 模型模拟 种气候排放浓度情景下木荷的潜在地理分布预测结果表明:年 种气候排放情景下木荷的总适生区面积与现代基本一致但高浓度排放情景下(.)总面积略小比现代小.减少部分为低适生区和一般适生区的面积 马丽娜等对中国亚热带地区的木荷进行气候适宜性研究结果表明随着时间的推移在未来气候变化情景下木荷适宜性有所下降这与本研究结果有一定类似之处 张春华等研究发现未来不同气候排放浓度情景条件下高山栲()的潜在适生区面积变化幅度与现代相差不大由于木荷和高山栲均为防火阔叶树种有着极其相似的生态位两者的生活习性也都极为相似适生范围也基本一致这从侧面验证了本研究结果的准确性与现代相比未来 种排放情景下最佳适生区的面积均有略微增加低(.)、中(.)和高(.)浓度情境下依次增加了.和.一方面可能是因为木荷自身生 态 学 报 卷:/.特性决定的其具有喜光、耐荫和适应性广等生物学特性 另一方面也可能是外界环境条件的变化更加符合木荷的生长条件了 因此在木荷最佳适生区内和其它树种一起大量种植这对维持生态系统稳定、缓解气候变化和实现碳中和目标具有重要意义 虽然本研究仅使用了 年这一时间段的生物气候变量数据对木荷潜在地理分布进行预测但这对中国政府在 年实现碳中和有一定的理论参考价值 结论通过 模型分析表明降水因子是影响木荷分布的主导气候变量其次为温度因子 同时明确了木荷潜在适生区的 个主导气候变量范围 其中木荷潜在适生区的最干月降水量 、年降水量、最湿季降水量 和气温年变化.在现代气候条件下木荷潜在适生区主要分布中国福建、浙江、台湾、江西、湖南、广东、海南、广西、贵州、云南、重庆以及四川、河南和安徽部分区域总适生区面积.占中国总面积的.且未来不同气候排放浓度情景下的总适生区面积与现代相差不大 综上气候变化对木荷总适生区面积无明显影响但最佳适生区面积有所增加在最佳适生区内加大对木荷树种的种植这不仅能够有效缓解气候变化也对碳达峰目标的实现有益是中国南方造林树种的最佳选择之一参考文献():.():.():.():.():.:.:.:.(:).():.(/):.:.():.:.:.:.():.():.():.():.:.():.:.:.期 文国卫 等:气候变化情境下木荷潜在地理分布及生态适宜性分析:/.:.:.().():.:.赵育敏.马占相思人工林中木荷的天然更新.林业勘察设计 ():.:():.():.杨智杰 陈光水 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