基于 GIS的水土保持植物金發(fā)草的適生區(qū)與生境分析

王文國，李 銳，王勝華 ，陳 放

(1.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610064;2.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所生物質(zhì)能技術(shù)研究中心，四川 成都 610041)

目前，水土流失、生態(tài)環(huán)境的惡化已成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素[1-2]，退化生態(tài)系統(tǒng)的面積已約占國土總面積的1/4[3]。而且，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因修建公路、鐵路和開礦等開發(fā)建設(shè)活動(dòng)破壞天然植被而留下的裸地、邊坡也將越來越多。對這些區(qū)域進(jìn)行植被恢復(fù)是治理水土流失、改善生態(tài)環(huán)境的有效途徑。我國用于治理水土流失和植被恢復(fù)的草本植物資源以草坪草為主，如黑麥草(Lolium perenne)、高羊茅(Festuca elata)等，多為引進(jìn)種[4-5]，給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來了一定的威脅[6]。所以，在治理水土流失、進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)建設(shè)中，應(yīng)加大對本土植物資源的開發(fā)利用。金發(fā)草(Pogonatherum paniceum)是我國本土的多年生草本植物，廣泛分布于華中、華南、西南以及印度、中南半島、澳大利亞等地區(qū)[7]，因形似小竹，自然形態(tài)美觀，在歐美的許多國家已被開發(fā)成園林觀賞植物;在國內(nèi)因其耐干旱貧瘠，生長迅速，根系發(fā)達(dá)，莖枝對地面覆蓋力較強(qiáng)，可以吸收菲、芘等污染物等優(yōu)點(diǎn)，也已被廣泛關(guān)注[8-10]，可以在水土流失治理、生態(tài)邊坡防護(hù)、園林綠化等方面發(fā)揮良好的作用。本文結(jié)合多年實(shí)地考察資料并查閱大量標(biāo)本和文獻(xiàn)資料，利用DIVA-GIS軟件對金發(fā)草的分布情況和適生區(qū)進(jìn)行了分析，以期為金發(fā)草的進(jìn)一步利用奠定基礎(chǔ)。

1 研究資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

1.1.1 物種分布信息

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室人員 2003—2010年的實(shí)地考察記錄并查閱標(biāo)本和文獻(xiàn)確定金發(fā)草已知的分布點(diǎn)。通過中國數(shù)字植物標(biāo)本館(簡稱CVH)、國家科技部教學(xué)標(biāo)本資源共享平臺(tái)提取國內(nèi)標(biāo)本館的金發(fā)草標(biāo)本信息，同時(shí)查閱《中國植物志》、《四川植物志》、《云南植物志》、《廣西植物志》等地方植物志以及金發(fā)草相關(guān)的研究文獻(xiàn)確定金發(fā)草的分布點(diǎn)。分布地點(diǎn)的經(jīng)緯度根據(jù)美國國家地理空間情報(bào)局地名詞典及中國數(shù)字植物標(biāo)本館的新舊地名數(shù)據(jù)庫查詢系統(tǒng)結(jié)合 Google Earth衛(wèi)星圖確定，海拔分布信息和群落信息來自實(shí)地考察記錄、標(biāo)本記錄信息及群落研究資料。

1.1.2 氣候數(shù)據(jù)

氣候數(shù)據(jù)來源于世界氣候數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫對1950—2000年來自世界各地氣象站的氣候信息采用插值法生成全球氣候數(shù)據(jù)，其空間分辨率為30″(1km2)，氣候數(shù)據(jù)的分辨率為2.5′。氣候變量選擇與溫度和降雨量相關(guān)的19個(gè)對物種分布有重要影響的生物氣候變量，包括年均溫、平均周溫度變化范圍、平均年溫度變化范圍、極端最高溫、極端最低溫、等溫性、溫度季節(jié)性變化、最濕季平均溫度、最干季平均溫度、最熱季平均溫度、最冷季平均溫度、年降雨量、最濕月降雨量、最干月降雨量、降雨量的季節(jié)性變化、最干季降雨量、最濕季降雨量、最熱季降雨量、最冷季降雨量。海拔圖和植被類型圖來自 http://www.diva-gis.org/gData，精度為30″。

1.2 地理分布分析

在標(biāo)本記錄和文獻(xiàn)記載信息收集的基礎(chǔ)上，用 DIVA-GIS軟件繪制金發(fā)草的地理分布圖，每個(gè)分布點(diǎn)至少有一份標(biāo)本采集或是在文獻(xiàn)中有過確切記載，分別以海拔圖層和植被類型圖層作為底圖。

1.3 適生區(qū)域預(yù)測分析

選用DIVA-GIS中整合的 BIOCLIM模型，根據(jù)標(biāo)本及文獻(xiàn)記錄確定的 60個(gè)有效分布點(diǎn)對金發(fā)草的適生區(qū)域進(jìn)行預(yù)測分析。

1.4 生境分析

通過實(shí)地考察記錄金發(fā)草生存地的海拔、地理坐標(biāo)、植被類型、生長基質(zhì)、伴生植物等指標(biāo)，并參考部分文獻(xiàn)，對典型生境進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 金發(fā)草的地理分布

圖1是金發(fā)草在我國的分布情況，從圖中可看出金發(fā)草分布在我國的中南、東南和西南的中低海拔地區(qū)。標(biāo)本記錄和群落調(diào)查顯示，金發(fā)草在四川、重慶、浙江、廣西、福建等省份分布的海拔多在1000m以下，在云南的分布主要在1000m以上，最高可達(dá) 2000m。結(jié)合群落研究資料、標(biāo)本記錄和實(shí)地考察記錄的分析表明，金發(fā)草分布地的植被類型主要為草地、人工林、灌叢等。

圖1 金發(fā)草在我國的分布

2.2 分布區(qū)預(yù)測分析

BIOCLIM模型是根據(jù)物種所有已知分布點(diǎn)的氣候數(shù)據(jù)來確定適合此物種生存的氣候變量的變化范圍的，只要?dú)夂驐l件在變化范圍內(nèi)的地區(qū)就被認(rèn)為是適合此物種生存的，已被廣泛應(yīng)用于植物分布區(qū)的預(yù)測[11-12]。該模型利用分布百分比算法對分布區(qū)域中各網(wǎng)格的每個(gè)環(huán)境變量進(jìn)行多元單邊分析，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的環(huán)境適生度。如果網(wǎng)格中所有的環(huán)境變量都在物種分布的氣候包絡(luò)之內(nèi)，就認(rèn)為這個(gè)地方是適合該物種生存的。根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格中的所有環(huán)境變量的得分，BIOCLIM模型將預(yù)測的結(jié)果分為非適生(0)、低度適生(0～2.5%)、中度適生(2.5% ～5%)、高度適生(5%～10%)、極適生(10% ～20%)、最適生(20%～40%)6個(gè)等級[12]。從預(yù)測圖(圖 2)分析可知，金發(fā)草在我國華南和西南地區(qū)有著廣泛的適生區(qū)域，高度適生區(qū)、極適生區(qū)、最適生區(qū)主要分布在川東丘陵、云貴高原、閩浙丘陵、兩廣丘陵等地區(qū)。

圖2 金發(fā)草適生區(qū)預(yù)測

2.3 生境多樣性分析

根據(jù)實(shí)地考察和文獻(xiàn)資料，對金發(fā)草的適生生境進(jìn)行了分析(表1)。金發(fā)草對生長環(huán)境有較廣泛的適應(yīng)性，包括風(fēng)化巖石表面、干燥的裸土表面、石縫、草地、林下等;可適應(yīng)土壤類型廣泛，包括紅壤、黃壤、紫色土、燥紅土等。從調(diào)查結(jié)果看，金發(fā)草對水分的適應(yīng)性也較為廣泛，具有極強(qiáng)的耐旱性，可以在干燥的風(fēng)化巖石表面生存，也可以適應(yīng)潮濕的河邊灘涂等生活環(huán)境。另外，我們調(diào)查發(fā)現(xiàn)金發(fā)草主要生長在受人為影響較大的環(huán)境，一般是作為先鋒植物生長在較為惡劣的生境中，伴生植物以蕨類植物為主，在較好的生境中競爭性較弱，所以一般不會(huì)作為雜草對農(nóng)田等造成危害。因此，金發(fā)草可以作為環(huán)境受破壞較為嚴(yán)重地區(qū)植被恢復(fù)的先鋒植物。

表1 幾種金發(fā)草典型生境分析

3 結(jié) 論

金發(fā)草作為一種對極端環(huán)境耐受性極強(qiáng)的草本植物已引起廣泛的關(guān)注。應(yīng)用 GIS技術(shù)分析表明，金發(fā)草在我國的適生區(qū)域主要在川東丘陵、云貴高原、閩浙丘陵、兩廣丘陵等地區(qū)，這些區(qū)域也是我國水土流失較為嚴(yán)重的地區(qū)，極易遭受干旱、洪澇等自然災(zāi)害。金發(fā)草對極端干旱、貧瘠環(huán)境的耐受性和對各種生境的廣泛適應(yīng)性使其可以作為優(yōu)良水土保持植物用于這些區(qū)域的道路邊坡、礦區(qū)等受損環(huán)境的水土流失治理和植被恢復(fù)。

[1]劉權(quán)，王忠靜，馬鐵民.面向 21世紀(jì)中國生態(tài)環(huán)境問題與策略探討[J].人民長江，2004，35(11):4-6.

[2]蘇鳳環(huán)，王玉寬.長江上游及西南諸河水土流失的危害[J].中國水土保持，2009(1):42-43.

[3]任海，彭少麟.恢復(fù)生態(tài)學(xué)導(dǎo)論[M].北京:科學(xué)出版社，2001:12-13.

[4]潘樹林，王麗，辜彬.論邊坡的生態(tài)恢復(fù)[J].生態(tài)學(xué)雜志，2005，24(2):217-221.

[5]高志民，王雁.草坪草引種栽培研究現(xiàn)狀及存在的問題[J].中國草地，2000(3):60-65.

[6]郭傳友，王中生，方炎明.外來種入侵與生態(tài)安全[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，27(2):73-78.

[7]中國科學(xué)院中國植物志編輯委員會(huì).中國植物志:第十卷第二分冊[M].北京:科學(xué)出版社，1997:102-104.

[8]潘聲旺，魏世強(qiáng)，袁馨，等.金發(fā)草對土壤中菲、芘的修復(fù)機(jī)制[J].環(huán)境科學(xué)，2009，30(5):1273-1279.

[9]謝賢健，蘭代萍，白景文.三種野生巖生草本植物的抗旱性綜合評價(jià)[J].草業(yè)學(xué)報(bào)，2009，18(4):75-80.

[10]李紹才，孫海龍，楊志榮，等.護(hù)坡植物根系與巖體相互作用的力學(xué)特性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(10):2051-2057.

[11]邵慧，田佳倩，郭柯，等.樣本容量和物種特征對 BIOCLIM模型模擬物種分布準(zhǔn)確度的影響——以12個(gè)中國特有落葉櫟樹種為例[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，33(5):870-877.

[12]徐曉婷，楊永，王利松.白豆杉的地理分布及潛在分布區(qū)估計(jì)[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，32(5):1134-1145.

[13]程瑞梅，肖文發(fā).三峽庫區(qū)森林植物群落數(shù)量分類與排序[J].林業(yè)科學(xué)，2008，44(4):20-27.

[14]賈明.統(tǒng)景風(fēng)景區(qū)植被及其開發(fā)利用[J].重慶師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1989，3(6):43-83.

[15]劉杰，崔保山，董世魁，等.縱向嶺谷區(qū)高速公路干擾下群落組分及其水平分布格局變化研究[J].科學(xué)通報(bào)，2007，52(Z2):185-194.