木荷适生区分析及未来气候下在中国潜在适生区预测.pdf
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1、第 43 卷第 3 期2024 年 3 月中 国 野 生 植 物 资 源Chinese Wild Plant ResourcesVol.43 No.3Mar.2024木荷适生区分析及未来气候下在中国潜在适生区预测丁德永1,段洪2,李咪者3,龙贵莲2,杨双娜3*(1.红河州发展和改革委员会,云南 蒙自 661100;2.屏边县林业和草原局,云南 屏边 661200;3.开远市林业和草原局,云南 开远 661600)摘要 目的:木荷(Schima superba)是植被演替过程中的先锋树种,构建森林防火带的理想树种。研究木荷的生态特征及预测未来气候下木荷在中国的潜在适生区,为我国培育大径级储备林、
2、增加森林碳储量、助力碳中和提供理论依据。方法:基于375个木荷分布点,以气候、土壤、地形为环境因子,采用MaxEnt模型结合GIS技术进行研究。结果:模型测试集AUC平均值0.952,训练集AUC平均值0.957,模型预测精度较高,可以准确预测环境因子对木荷分布区的影响。气候因子对木荷的分布影响最大,其中最冷季度的降雨量是影响我国木荷适生区分布最主要的环境因子,模型贡献率达76.3%,其次是年降雨量、高程、土壤类别、季节性温度变化标准差,以上5个因子贡献率累计达98.9%,对木荷的分布起决定性作用。结论:木荷在我国的潜在适生区面积约为1.818 106 km2,约占国土陆地面积的18.94%,
3、主要集中在长江以南地区的第三阶梯及第二阶梯,主要包括浙江、江西、福建、湖南、广东、广西、台湾、海南、贵州等地。在未来气候不同路径下,2060s、2080s木荷极高、高、中、低适生区的分布范围均发生变化,呈现出“南退、西扩”趋势,逐渐向高海拔地区迁移;极高适生区则有逐渐向“西南”迁移的趋势。关键词 MaxEnt模型;木荷;潜在适生区;生态特征中图分类号:Q948;S972.99 文献标识码:A 文章编号:1006-9690(2024)03-0114-10Analysis of Suitable Areas of Schima Superba and Prediction of Potential
4、 Suitable Areas in China under Future ClimateDing Deyong1,Duan Hong2,Li Mizhe3,Long Guilian2,Yang Shuangna3*(1.Honghe Prefecture Development and Reform Commission,Mengzi 661100,China;2.Pingbian Forestry and Grassland Administratio,Pingbian 661200,China;3.Kaiyuan Forestry and Grassland Administration
5、,Kaiyuan 661600,China)Abstract Objective:Schima superba was a pioneer tree in the process of vegetation succession,and an ideal tree for constructing forest fire prevention belts.The study of the ecological characteristics of S.superba and the prediction of its potential suitable areas in China in t
6、he future climate provide a theoretical basis for cultivating large-diameter reserve forests,increasing forest carbon storage and assisting China in achieving carbon neutrality.Methods:The author based on 375 distribution points of S.superba,took climate,soil and topography as environmental factors
7、and conducted the research by using MaxEnt model combined with GIS technology.Results:The results showed that the AUC values of MaxEnt model training and test data were 0.936 and 0.943 respectively,indicating that the model had high prediction accuracy and could accurately predict the impact of envi
8、ronmental factors on the distribution area of S.superba.Climatic factors had the greatest influence on the distribution of S.superba,and the rainfall in the coldest season was the most important environmental factor affecting the distribution of the suitable area of S.superba in China,with the model
9、 contribution rate reaching 76.3%.Clidoi:10.3969/j.issn.1006-9690.2024.03.017收稿日期:2023-04-26,录用日期:2024-03-08作者简介:丁德永(1988-),男,云南宣威人,工程师,学士,研究方向为森林资源管理、森林经营和林业调查规划设计、林业碳汇。E-mail:*通讯作者:杨双娜(1994-),女,云南陆良人,助理工程师,硕士,研究方向为森林资源管理、森林经营、林木种苗培育、林业碳汇。E-mail: 114第 3 期丁德永,等:木荷适生区分析及未来气候下在中国潜在适生区预测mate factors ha
10、d the greatest influence on the distribution of S.superba,and the rainfall in the coldest season was the most important environmental factor affecting the distribution of the suitable area of S.superba in China,with the model contribution rate as high as 76.3%.The following factors were annual rainf
11、all,elevation,soil category and standard deviation of seasonal temperature variation.The contribution rate of the above five factors reached 98.9%,which played a decisive role in the distribution of S.superba.Conclusion:The potential suitable area of S.superba in China was approximately 1.818 106 km
12、2,accounting for approximately 18.94%of the countrys land area.There mainly concentrated in the third and second steps south of the Yangtze River,including Zhejiang,Jiangxi,Fujian,Hunan,Guangdong,Guangxi,Taiwan,Hainan,Guizhou,and other places.Under different future climate scenarios in the 2060s and
13、 2080s,the distribution range of S.superba extremely high,high,medium,and low suitable areas changed,showing a trend of southward retreat and westward expansion,gradually migrating to higher altitude areas.The extremely suitable area gradually showed a trend of southwestward migration.Key words MaxE
14、nt model;Schima superba;Potential habitat area;Ecological characteristics木荷(Schima superba Gardn.et Champ.)为山茶科(Theaceae)木荷属(Schima Reinw.ex Blume)乔木,别名荷树、荷木,是亚热带常绿阔叶林中常见树种1;具有耐火、抗火、难燃、生态位较宽等特性2-3,是构建森林防火带的理想树种,是我国南亚热带地区重要的生态恢复乡土树种,是植被演替过程中的先锋树种。木荷具有早期速生、持续生长时间较长等特点,符合作为大径材树种的培育要求,是我国南方主要大径级木材储备林树种4
15、。木荷是森林生态系统碳库的重要组成树种,其碳汇功能目前已得到科学界的高度关注,纯木荷人工林在生态系统中的碳汇效果十分突出,在调节CO2浓度、减缓温室效应、维持和调节大气碳氧平衡、遏制气候变暖方面发挥着重要作用5,根据已有的测算,纯木荷碳储量为177.50 t hm-2,净碳汇为3.70 t hm-2 a-1 6。目前,国内外专家学者对木荷的研究大多是选育、生境特征、生长特性、栽培、木材加工等方向7-8,尚无专家学者研究木荷适生区及其在未来气候下的潜在适生区区划。生态位模型是基于生态位理论研究的新兴领域9,主要运用于物种潜在分布研究10。MaxEnt模型是一种贝叶斯推断方法11,通过计算目标地区
16、概率分布的最大熵来估计物种的概率分布12。MaxEnt模型可以应用于多个生态学研究方向的预测,例如:物种地理分布、物种丰富度分布状态及食物网的拓扑结构等13-15。目前,已有专家学者基于MaxEnt模型围绕物种地理分布预测开展深入探索和研究16-17。李慧等18对伊洛河流域油松研究认为影响其分布最主要的环境因子是年平均降水量。何馨等19对华榛潜在分布区研究认为影响其分布的主要因子是温度。张晓玮等20对中国沙棘的研究认为影响其分布的主导气候因子是年降雨情况。多数研究认为,MaxEnt模型与GIS相结合预测物种潜在分布具有更高的准确性、结果可信度和较强的稳定性21。本文基于MaxEnt模型、GIS
17、技术研究我国木荷地理分布与环境因子之间的关系,分析影响木荷分布的关键环境因子及木荷当下的潜在适生区,并对未来气候下我国木荷潜在分布区进行模拟和预测。1数据来源与预处理1.1木荷分布点数据获取与预处理木荷分布点数据主要来源于中国数字植物标本馆(https:/ 954份。在保留的分布点数据中,剔除国外、采集地记录不详细、模糊和人工栽培等数据,利用 ArcGIS 10.6.0(https:/ 777个,根据样本记录将位置信息精度划分为5级:市(州)31个、县274个、乡(镇)474个、自然村807个、点191个。为降低采样偏差和数据冗余,选取精度为自然村和点级别的 998 个数据为基础,利用 Arc
18、GIS 按照 10 km 10 km网格对木荷分布区进行划分,每个网格保留1个分布数据,最终选取375个分布点参与模型测算(如图1)。115中 国 野 生 植 物 资 源第 43 卷1.2地图数据底图数据来源于国家基础地理信息中心全国地理信息资源目录服务系统(https:/ 100万公众版基础地理信息数据(2021),数据整体现势性达到 2019年,数据采用CGCS2000坐标系,审图号:GS(2016)2556号。1.3环境因子选取1.3.1环境因子数据来源由于气候因子、土壤因子、地形因子是植物生长分布的直接影响因素,因此本文选择此3类环境因子探究木荷地理分布与环境因子之间的关系。本研究共选
19、取 30个环境因子变量用于建模(如表1),包括气候因子19个、地形因子6个、土壤因子5个。其中,气候因子数据来源于世界气象数据库(https:/www.worldclim.org/),空间分辨率为30(约1 km),当下气候为1970 2000年平均值,未来气候模 拟 数 据 为 2060s(2061 2080)、2080s(2081 2100)的国家气候中心第二代气候系统模式BCC-CSM2-MR模拟数据,该气候模式在大气和陆地具有更高分辨率,对地形的描述更加细致,对地形降水、局部气温分布具有更好的模拟效果,选用可持续发展路径(SSP126)、中间路径(SSP245)、区域竞争 路 径(SS
20、P370)、化 石 燃 料 为 主 的 发 展 路 径(SSP585)4种典型排放情景的模拟数据。土壤因子数据为基于世界土壤数据库(HWSD)的中国土壤数据集,来源于国家冰川冻土沙漠科学数据中心(http:/),空间分辨率为 30(约 1 km)。地形因子的数字高程数据来源于地理空间数据云(http:/ 90 m分辨率原始高程数据。1.3.2环境因子数据预处理环境因子筛选应用 ArcGIS 将高程为 10 m 的数字高程数据重采样得到空间分辨率 1 km 的高程数据;利用重采样的高程数据提取坡度、坡向数据。将坡向数据重分类为西北、北、东北、东、东南、南、西南、西、无。所有数据空间分辨率重采样为
21、 1 km,3 个环境因子数据坐标系均为 WGS1984,转换坐标系为CGCS2000,基于国家基础地理信息中心中国行政区数据裁剪 30 个环境变量因子栅格图层,转为图1木荷样本分布点示意图Fig.1Diagram of distribution points of S.superba samples注:该图基于国家基础地理信息中心全国地理信息资源目录服务系统下载的审图号为GS(2016)2556号的地图制作,底图无修改。下同。表1研究选用的环境因子Tab.1Environmental factors selected for the study类型气候因子代码bio_1bio_2bio_3b
22、io_4bio_5bio_6bio_7bio_8bio_9bio_10bio_11bio_12bio_13bio_14bio_15环境因子年平均温度()每月最高温与最低温差值的平均值()温差等温值季节性温度变化标准差最热月的最高温度()最冷月的最低温度()温度的年较差()最湿季度的平均温度()最干季度的平均温度()最热季度的平均温度()最冷季度的平均温度()年降雨量(mm)最湿月的降雨量(mm)最干月的降雨量(mm)降雨量季节性变异系数(%)类型气候因子地形因子土壤因子代码bio_16bio_17bio_18bio_19altitudeslopeaspect_9su_sym90ref_dept
23、hawc_classt_gravelt_oct_pht_text_sand环境因子最湿季度的降雨量(mm)最干季度的降雨量(mm)最热季度的降雨量(mm)最冷季度的降雨量(mm)高程(m)坡度()坡向土壤类别土壤参考深度土壤有效水含量上层土壤碎石体积百分比(%vol.)上层土壤有机碳含量(%wt.)上层土壤酸碱度-log(H+)上层土壤质地上层土壤含沙量(%wt.)116第 3 期丁德永,等:木荷适生区分析及未来气候下在中国潜在适生区预测ASCII格式文件。本研究初步选择30个环境因子参与建模,为避免因子较多导致模型分析结果不确定性增加,消除因子之间存在的多重共线性,降低模型复杂性,减少模型相
24、应关系和贡献判断难度。本次研究,先构建预选模型将 30 个环境因子带入 MaxEnt 3.4.1 模型(http:/biodiversityinformatics.amnh.org/open_source/maxent/),运用刀切法分别检测环境因子变量的贡献率,剔除贡献率为 0的环境变量,初步筛选出 17个环境因子变量;再次构建预选模型,并采用SPSS v24.0软件做多重共线性分析,当相关系数绝对值大于0.8时,选取与生物生长相关增益值较大、贡献率高且与植物生长相关的环境因子。最终选取8个环境因子变量参与模拟构建,分别是季节性温度变化标准差、最干季度的平均温度、年降雨量、降雨量季节性变异系
25、数、最热季度的降雨量、最冷季度的降雨量、高程、土壤类别。2研究方法2.1MaxEnt模型构建本研究在建模过程中将生态因子数据和坐标点信息加载到MaxEnt软件运行10次,设置25%的坐标点为测试样本,75%的坐标点信息为训练样本,设置最大背景点数为20 000,其余参数用MaxEnt软件默认值,取平均值评价模型有效性,木荷潜在分布预测结果即为模型预测平均结果22。2.2MaxEnt模型精度验证AUC值在物种分布模型评价指标方面不受物种分布率和阈值的影响,具有评价精度稳定的特征23。本文采用受试者工作特征曲线(ROC曲线)检验模型精度,得到ROC曲线的面积就是AUC值,AUC值为 0.5 1.0
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