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四川省野核桃生态适宜性及潜在分布

王海燕 王茹琳 李锋 赵金鹏

王海燕, 王茹琳, 李锋, 等. 四川省野核桃生态适宜性及潜在分布[J]. 四川林业科技, 2023, 44(2): 143−148 doi: 10.12172/202206070003
引用本文: 王海燕, 王茹琳, 李锋, 等. 四川省野核桃生态适宜性及潜在分布[J]. 四川林业科技, 2023, 44(2): 143−148 doi: 10.12172/202206070003
WANG H Y, WANG R L, LI F, et al. Ecological climate suitability and potential distribution of Juglans cathayensis Dode. in Sichuan Province[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2023, 44(2): 143−148 doi: 10.12172/202206070003
Citation: WANG H Y, WANG R L, LI F, et al. Ecological climate suitability and potential distribution of Juglans cathayensis Dode. in Sichuan Province[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2023, 44(2): 143−148 doi: 10.12172/202206070003

四川省野核桃生态适宜性及潜在分布


doi: 10.12172/202206070003
详细信息
    作者简介:

    王海燕(1971—),女,工程师,289150206@qq.com

    通讯作者: 421508153@qq.com

Ecological Climate Suitability and Potential Distribution of Juglans cathayensis Dode. in Sichuan Province

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    Corresponding author: 421508153@qq.com
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    出版历程
    • 收稿日期:  2022-06-07
    • 网络出版日期:  2023-02-04
    • 刊出日期:  2023-04-25

    四川省野核桃生态适宜性及潜在分布

    doi: 10.12172/202206070003
      作者简介:

      王海燕(1971—),女,工程师,289150206@qq.com

      通讯作者: 421508153@qq.com

    摘要: 为进一步探究气候变化对野核桃在四川潜在分布的影响,利用野核桃在中国的实际分布点位数据、当前和未来气候情景(SSP1-2.6和SSP5-8.5)下生物气候变量,结合最大熵模型(MaxEnt),预测SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下2050 s和2090 s野核桃在四川的潜在适生范围。研究结果表明:(1)当前气候情景下,野核桃在四川的高适生面积为4.86×104 km2,中适生面积为13.35×104 km2;(2)SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下,2050 s和2090 s野核桃在四川的高适生面积分别为5.09×104 km2和8.58×104 km2,中适生面积分别为7.37×104 km2和7.02×104 km2;(3)SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下,到21世纪90年野核桃在四川的高质生区质心分别从当前位置向东南方向移动34.49 km和21.94 km。气候变暖会使野核桃在四川的适生范围扩大,但不是无限扩大。

    English Abstract

    • 野核桃(Juglans cathayensis Dode.),又叫做山核桃,是一种喜光、喜湿且耐旱的植物,主要分布于新疆 [1]、四川[2]、贵州[3]、陕西[4]等地,常长于海拔800~2000 m的杂木林中。野核桃极具营养价值[5-6]和药用价值[7],它的果实富含维生素C、维生素E等多种维生素和锌、锰、铬等多种矿物质,不仅能增强人体免疫力,促进人体生长,而且能促进人体对葡萄糖的吸收,保护心脑血管;它的果油含有不饱和酸,可有效防止动脉硬化、抑制肿瘤细胞[8-9]。在经济价值方面,野核桃也不逊色,其壳作为优质颗粒活性炭的原料能被用来制作医用口罩,其木质坚硬适合做军工用品及高档家具[10]

      由于野核桃具有极大的价值,近些年来不少国内外学者对其进行研究,范围涉及生理特性、药理活性及适生分布等多个方面。例如韩冷以新疆野核桃的生理指标、光合特性、荧光特性等多个耐旱性生理指标为切入点,研究了野核桃在干旱胁迫下的适应性及生理响应机制[11];胡钰以野核桃叶为实验材料,对野核桃的化学成分、药理活性等方面进行了探究[12];程永生运用定量分析的方法测定了山西太岳山野核桃林优势种群生态位,得到个物种的竞争力指标和在群落环境中的地位[13];吴明等人利用MaxEnt模型分析了主要生物气候变量与野核桃潜在分布的关系,并且对野核桃在四川的适生区进行了划分[14]。虽然国内对野核桃诸多方面进行了研究,但对未来气候情景下野核桃生境适应性和潜在分布的研究鲜有报道。

      吴明等人研究野核桃在四川的生境适应性及适生区划过程中仅使用了四川省内的野核桃点位数据和环境数据,不可避免会忽略同一物种区域性差异。同时,气候变化作为影响生物多样性的主要因素,直接关系着物种的分布情况和丰度变化,甚至导致物种灭绝[15-16]。基于以上两点原因,采用更广泛的野核桃点位数据和环境数据,预测当前及未来情景下野核桃在四川省内的生态适宜性及潜在分布,对全球气候变暖背景下野核桃资源的开发、利用和保护具有积极的意义。

      SSP1-2.6是一种温室气体排放浓度较低的情景模式,此模式下21世纪近期和中期,全球降水量、干旱持续时间都呈现下降趋势,到本世纪末全球变暖稳定在比工业化前升温1.8 ℃左右[17-18]。 SSP5-8.5是一种无任何气候变化政策干预的情景模式,此模式下温室气体排放和浓度不断增加,2050年CO2大约翻一番,到本世纪末全球变暖稳定在比工业化前升温4.5 ℃左右[21-22]

      本文利用从全球生物多样信息网和实际调查资料获取的野核桃在中国点位数据、WorldClim数据库获取的当前情景下生物气候变量及CCAFS数据库(http://www.ccafs-climate.org/)获取的两种未来气候(SSP1-2.6和SSP5-8.5)情景数据下生物气候变量,结合最大熵(MaxEnt)预测模型,揭示气候变化情景下野核桃在四川省的适生范围及质心变化。

      • 研究包括三部分数据,一是野核桃在中国实际点位数据,此部分数据来自全球生物多样信息网和实际调查资料;二是当前气候情景下19个生物气候变量,此变量的数据主要来自全球气候数据库WorldClim;三是SSP1-2.6和SSP5-8.5气候情景下19个生物气候变量,此部分数据主要从CCAFS数据库(http://www.ccafs-climate.org/)下载。

      • 目前用于物种分布区域预测的模型有很多,例如生态位因子分析法(EnFA)、区域环境预测模型(DOMAIN)、分类树回归树( CART)及最大熵模型(MaxEnt)等[19-21]。最大熵模型是利用物种的分布点位和环境变量数据,依据气候相似性原理,计算给定约束条件下物种的分布情况,此模型即使在分布点位不完整的条件下,亦较其他模型的预测覆盖面更广、结果更精确,所以本研究选择最大熵模型作为预测模型。

        野核桃在四川适生区预测模型的建立主要分为以下几个步骤:(1)将75%的野核桃在中国的分布点位数据、19个生物气候变量数据导入到MaxEnt软件中,并勾选创建响应曲线、刀切法测量变量的重要性及创建预测图等功能,构建初始预测模型,并利用25%的数据作为测试集验证初始预测模型。(2)根据刀切法测定的各变量权重,选择百分贡献率和累积贡献率较高的生物气候变量作为关键环境因子。(3)将确定的当前、SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下关键环境因子数据分别导入MaxEnt软件中,模拟出野核桃在以上情景下四川的潜在分布情况。

        对于模型预测结果准确性的判定,本研究选用受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic curve,ROC)法,此方法利用ROC曲线与横坐标围成的面积值AUC(Area Under Curve)作为准确性的评估值,AUC值的范围介于0~1,数值越接近1预测结果越准确。

      • 按照赵金鹏[22]等的划分标准,当野核桃分布概率大于0.66时,此区域定义为高适生区;分布概率大于0.33且小等于0.66时,此区域定义为中适生区;分布概率大于0.05且小等于0.33时,此区域定义为低适生区;分布概率小等于0.05时,此区域定义为不适生区。

        利用ArcGIS的ArcToolbox中格式转换工具将MaxEnt模型ASCII格式的预测结果转为Raster格式,并将此格式结果在ArcGIS展示后,选择“提取分析”功能获取野核桃在四川省的存在概率分布图。利用ArcToolbox中重新分类功能,结合适生等级划分标准,重新绘制野核桃在四川的分布范围,并使用不同颜色表示。

      • 根据王茹琳等[23]的方法,可计算出不同时期野核桃在四川的高适生区质心迁移情况,具体的公式如下:

        $$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {x(t) = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^{\text{N}} {\frac{{{s_i}(t) \times {X_i}(t)}}{{S(t)}}} } \\ {{\text{y}}(t) = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^{\text{N}} {\frac{{{s_i}(t) \times {Y_i}(t)}}{{S(t)}}} } \end{array}} \right. $$ (1)
        $$ {\text{D}} = \sqrt {{{[x(t + 1)- x(t)]}^2} + {{[y(t + 1) - y(t)]}^2}} $$ (2)
        $$ \theta = arctg\left({\frac{{y(t + 1) - y(t)}}{{x(t + 1) - x(t)}}} \right) $$ (3)

        其中,t表示时间; x(t)、y(t)表示t时间高适生区质心的经纬度;N表示高适生区的总栅格数; Si(t)表示t时间第i个栅格面积; S(t)表示t时间高适生区总面积; Xi(t)、Yi(t)表示t时间第i个栅格质心的经纬度;D表示t至 t+1 时间高适生区质心迁移距离; θ表示t至t+1时间高适生区质心迁移方向。

      • 图1中可看出,野核桃高适生区主要分布在盆周边山地区,经过测算,面积达到4.86×104 km2;野核桃中适生区主要分布在盆周边浅丘区和攀西山地区,总面积达到13.35×104 km2;野核桃低适生区则分布较广,主要分布在盆地底部、攀西浅丘区和川西丘状高原区,总面积达到17.13×104 km2

        图  1  当前情景下野核桃在四川的潜在分布图

        Figure 1.  Protential suitable distribution of Juglans cathayensis Dode. in Sichuan under current scenario

      • 从SSP1-2.6情景下2050 s和2090 s野核桃在四川的适生分布情况(见图2)可看出,2050 s和2090 s野核桃在四川的高适生和中适生面积不断增加,而低适生面积不断减小。高适生区面积到2050 s达到5.09×104 km2,较当前情景下增加了4.9%,适生范围由盆地山地区向盆地浅丘区扩展,到2090 s高适生面积达到7.37×104 km2;中适生区面积到2050 s达到13.79×104 km2,较当前情景下增加了3.3%,适生范围由盆地浅丘区向盆地底部扩展、攀西山地区向攀西浅丘区扩展,到2090 s高适生面积达到14.31×104 km2;低适生区面积到2050 s减至13.47×104 km2,较当前情景下减少了21.33%,到2090 s减至10.8×104 km2

        图  2  SSP1-2.6情景下野核桃在四川的潜在分布图(a.2050 s b.2090 s)

        Figure 2.  Protential suitable distribution of Juglans cathayensis Dode. in Sichuan under SSP1-2.6 scenario (a. 2050 s; b. 2090 s)

      • 从SSP5-8.5情景下2050 s和2090 s野核桃在四川的适生分布情况图(见图3)可看出,2050 s和2090 s野核桃在四川的高适生较当前情景下均有增加,中适生面积在2050 s减少、2090 s增加,而低适生面积均有减少。具体来看,高适生区面积到2050 s达到8.59×104 km2,较当前情景下增加了76.73%,适生范围由盆地山地区向盆地浅丘区扩展,到2090 s高适生面积为7.02×104 km2;中适生区面积到2050 s达到13.14×104 km2,较当前情景下减少1.55%,适生范围由盆地浅丘区向盆地底部扩展、攀西山地区向攀西浅丘区扩展,到2090 s高适生面积达到14.67×104 km2;低适生区面积到2050 s减至7.06 cm2,较当前情景下减少了58.8%,到2090 s减至12.34×104 km2

        图  3  SSP5-8.5情景下野核桃在四川的潜在分布图(a.2050 s b.2090 s)

        Figure 3.  Protential suitable distribution of Juglans cathayensis Dode. in Sichuan under SSP5-8.5 scenario(a. 2050 s; b. 2090 s)s)

      • 在SSP1-2.6情景下,野核桃在四川的高适生区质心到2050 s沿东向南68.02°方向移动了14.79 km,然后到2090 s沿东向南5.62°方向又移动了27.5 km;在SSP5-8.5情景下,野核桃在四川的高适生区质心到2050 s沿东向南6.96°方向移动了43.04 km,然后到2090 s沿西向南23.45°方向又移动了34.49 km。总体上来看,SSP1-2.6情景下野核桃在四川的高适生区质心到2090 s沿东向南63.5°方向共移动36.77 km,而SSP5-8.5情景下沿东向南59.66°方向共移动21.94 km(见图4)。

        图  4  未来情景下野核桃高适生区质心迁移轨迹图

        Figure 4.  Trajectory diagram of the high distribution center of Juglans cathayensis Dode. under the future scenario

      • 研究利用WorldClim全球气候数据库和CCAFS数据库的生物气候变量及野核桃在中国实际点位数据,结合最大熵MaxEnt预测模型,对当前及未来气候情景下,野核桃在四川的潜在分布进行了预测。MaxEnt生态位模型作为近几年较为流行的预测模型,其相较其他预测模型具有很多优势,它在数据集不完整及物种分布点少等情况下仍然具有较好的模拟性能。研究利用MaxEnt模型对野核桃在四川适生区进行10次重复预测,经测算AUC值均在0.9以上,这表明此模型预测准确性较高。

        研究表明,当前情景下野核桃在四川的总适生面积为35.34×104 km2,其中高适生区主要分布在盆周边山地区,面积达到4.86×104 km2;中适生区主要分布在盆周边浅丘区和攀西山地区,总面积达到13.35×104 km2;低适生区主要分布在盆地底部、攀西浅丘区和川西丘状高原区,总面积达到17.13×104 km2。此研究结果与吴明[14]等人的研究在野核桃总适生面积、高适生区分布方位和中适生区面积上相差不大,但在高适生区面积和中适生区分布方位上相差很大,之所以造成这种差别,主要是二者在建立预测模型过程中使用了不同野核桃点位数据。根据朱益川[24]等人的研究,核桃在四川北缘及东北缘、川西高山峡谷、川西南山地及盆地中部四个区域适宜种植,这与研究预测适生区域相吻合。

        在只考虑气象因素对野核桃的生存影响,SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下2090 s野核桃在四川的高适生区面积分别增至7.37×104 km2和7.02×104 km2,中适生区面积分别增至14.31×104 km2和14.67×104 km2,这表明气候变暖更适宜野核桃的生存。SSP5-8.5情景下2050 s到2090 s,野核桃在四川的高适生区面积由8.59×104 km2减至7.02×104 km2,不适生区面积由7.06×104 km2增至12.34×104 km2,由此可看出,气候变暖加剧并不会使野核桃的适生范围无限扩大,并且由图3可得出,野核桃在四川的适生区随着气候变暖向高山区方向移动。

    参考文献 (24)

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