氣候變化對(duì)東北沼澤濕地潛在分布的影響

賀 偉，布仁倉(cāng) ，劉宏娟，熊在平，胡遠(yuǎn)滿

(1.森林與土壤生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽(yáng)110016;2.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，石家莊 050021;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

全球地表平均溫度近100年來(1906—2005年)升高了(0.74±0.18)℃，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末仍將上升1.1—6.4℃［1］。氣候變暖已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。大量研究表明，中國(guó)地區(qū)氣候變化與全球氣候變化總趨勢(shì)是一致的，而東北地區(qū)是中國(guó)增溫最顯著的地區(qū)之一［2-4］。

沼澤是一種水陸相互作用形成的半水半陸過渡性質(zhì)的生態(tài)系統(tǒng)或自然綜合體，也是濕地的核心部分或重要的濕地類型［5］。由于沼澤的空間分布取決于水熱條件，故沼澤濕地對(duì)氣候變化較為敏感。全球變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響，大尺度的研究較多的集中在森林、草地等方面［6-10］，涉及濕地潛在分布變化方面的內(nèi)容較少。沼澤對(duì)于全球變化的響應(yīng)，大多集中在微觀領(lǐng)域(比如 C 循環(huán)等)［11-12］。

東北地區(qū)位于北半球的中高緯度，是中國(guó)緯度最高的地區(qū)，是世界著名的溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，是典型的氣候脆弱區(qū)和受氣候變化影響最為敏感的地區(qū)之一［13-14］。東北地區(qū)氣候正趨于暖干化［15］。東北地區(qū)是中國(guó)濕地類型最多、面積最大、分布最廣泛的地區(qū)之一［16］，以沼澤和沼澤化草甸為主［17］。研究表明，東北地區(qū)濕地正呈現(xiàn)大面積持續(xù)減少的趨勢(shì)［16］。

近年來，已有多種模型被用于生境潛在分布研究，包括生態(tài)位模型(BIOCLIM、DOMAIN)、動(dòng)態(tài)模擬模型(CLIMEX)、基于檢驗(yàn)假設(shè)的分布預(yù)測(cè)模型 GARP［18］以及最大熵(MaxEnt)［19］模型等。研究表明，最大熵模型的預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)于同類預(yù)測(cè)模型［19-21］，在諸多研究中被證實(shí)具有最佳的預(yù)測(cè)能力和精度［21-24］。

本研究以最大熵模型(MaxEnt)模擬預(yù)測(cè)了在氣候變化背景下東北地區(qū)沼澤濕地的潛在分布，以期為評(píng)估氣候變化對(duì)東北地區(qū)沼澤濕地的影響提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為東北地區(qū)沼澤濕地保護(hù)政策的制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 沼澤空間分布數(shù)據(jù)

中國(guó)1∶400萬沼澤分布圖是中國(guó)第一幅大范圍的沼澤圖件，以地圖圖像的形式，形象地、系統(tǒng)地總結(jié)和反映了中國(guó)有關(guān)單位近40年來沼澤方面的研究成果表現(xiàn)了中國(guó)及主要典型區(qū)沼澤及沼澤化土地的類型、特性、形成及其分布規(guī)律［25］。本研究即是從中提取了東北地區(qū)沼澤濕地的空間分布數(shù)據(jù)(圖1)。將沼澤濕地的空間分布數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為5 km×5 km空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)。

1.2 環(huán)境因子

影響沼澤分布的環(huán)境因子很多，本研究共選取與沼澤分布有關(guān)的26個(gè)環(huán)境因子，探索它們與沼澤濕地的空間分布間的數(shù)量關(guān)系。環(huán)境因子包括兩類:氣候因子(19個(gè))和地形因子(7個(gè))。

(1)氣候因子氣象資料采用東北地區(qū)及附近的96個(gè)氣象站1961—1990年的氣溫和降水量數(shù)據(jù)，采用Kriging插值得到東北地區(qū)年及月平均氣溫和降水量空間數(shù)據(jù)，然后在此基礎(chǔ)上，根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算得到各氣候因子［26-27］，本文選取了19個(gè)氣候因子:包括年均溫、春季均溫、夏季均溫、秋季均溫、冬季均溫、平均最冷月溫度、平均最熱月溫度、氣溫年較差、年生物溫度、年降水、春季降水、夏季降水、秋季降水、冬季降水、5—9月降水、吉良溫暖指數(shù)、吉良寒冷指數(shù)、徐文鐸濕潤(rùn)指數(shù)、潛在蒸散率。這19個(gè)氣候因子均是1961—1990年的平均值。

(2)地形因子利用1∶25萬中國(guó)地形圖的高程點(diǎn)和等高線，用ArcGIS軟件建立數(shù)字高程模型(DEM)，然后提取坡度、坡向等地形數(shù)據(jù)。本研究選取的地形因子為:海拔、坡度、轉(zhuǎn)換坡向，地面粗糙度，地表起伏度，海拔標(biāo)準(zhǔn)差和綜合地形指數(shù)。其中地形起伏度和海拔標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)定鄰域統(tǒng)計(jì)半徑為3個(gè)像元。

海拔和坡度在ArcGIS平臺(tái)計(jì)算得到。

轉(zhuǎn)換坡向(Trasp)需要將在ArcGIS中計(jì)算得到的原始坡向圖(Aspect)根據(jù)下面的公式計(jì)算得出:

式中，Trasp的值域?yàn)?—1，0表示接受的太陽(yáng)能最少，1表示接受的太陽(yáng)能最大。

地面粗糙度是指在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，地球表面積與其投影面積之比，它是反映地表形態(tài)的一個(gè)宏觀指標(biāo)。

地表起伏度指地面某一確定距離的范圍內(nèi)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高程差。

海拔標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)海拔的標(biāo)準(zhǔn)差，可以反映該點(diǎn)的粗糙程度。

綜合地形指數(shù)(CTI)代表某個(gè)空間位置的固定濕度指數(shù)，CTI與土壤的某些屬性密切相關(guān)，因此在模型中起到土壤濕度因子的作用。其計(jì)算公式為:

式中，As為上游集水區(qū)面積，β為用弧度表示的坡度。

在國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)(http://nfgis.nsdi.gov.cn/)下載中國(guó)地圖作為分析底圖(1∶400萬)。所有的柵格數(shù)據(jù)分辨率統(tǒng)一到5 km。環(huán)境因子應(yīng)用ARCGIS軟件轉(zhuǎn)換成MaxEnt軟件需要的ASCII格式。

1.3 未來氣候情景數(shù)據(jù)

本文采用中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心溫室氣體中等排放情景下(SRES A1B)跨學(xué)科研究全球模式驅(qū)動(dòng)下區(qū)域氣候模型(MIROC-RegCM)模式模擬數(shù)據(jù)(http://www.climatechange-data.cn)［28］。A1B情景是各種能源平衡發(fā)展時(shí)的中等排放情景，比較符合中國(guó)的長(zhǎng)期規(guī)劃。在A1B情景下，至2011—2040年、2041—2070年和2071—2100年?yáng)|北地區(qū)年均溫分別比基準(zhǔn)年(1961—1990年)升高了2.3，4.1℃和5.7℃;年降水量分別比基準(zhǔn)年(1961—1990年)增加了-27.5，0.4 mm和54.8 mm。

相應(yīng)的19個(gè)氣候因子分別是2011—2040年、2041—2070年和2071—2100年30a的平均值。未來氣候情景數(shù)據(jù)通過ArcGIS軟件重采樣得到分辨率5 km×5 km的柵格數(shù)據(jù)。

1.4 研究方法

將東北沼澤分布數(shù)據(jù)與環(huán)境因子數(shù)據(jù)導(dǎo)入MaxEnt軟件［20］，隨機(jī)選取70%的分布點(diǎn)作為訓(xùn)練集，剩余的30%作為測(cè)試集。其他參數(shù)為軟件默認(rèn)參數(shù)。模型運(yùn)行10次，并對(duì)10套模擬結(jié)果取平均作為最終的模擬結(jié)果。

為研究氣候變化對(duì)東北地區(qū)沼澤濕地空間分布面積的影響，需要一個(gè)概率閾值將東北沼澤濕地空間概率分布圖轉(zhuǎn)化為存在/不存在的二元分布圖，本研究采用的概率閾值為0.5，規(guī)定＞0.5為沼澤濕地存在點(diǎn)，反之為沼澤濕地不存在點(diǎn)。

2 結(jié)果和分析

2.1 模擬精度評(píng)價(jià)

應(yīng)用最大熵模型模擬輸出的受試者工作特征曲線(ROC)的曲線下面積(AUC)值評(píng)估模型模擬的準(zhǔn)確性。由于AUC不受診斷閾值的影響，且對(duì)物種發(fā)生率不敏感，因此目前被公認(rèn)為是最佳的評(píng)價(jià)指標(biāo)［29］。AUC值為0.5—0.7，預(yù)測(cè)較差;0.7—0.9，預(yù)測(cè)較準(zhǔn)確，0.9—1.0，預(yù)測(cè)極準(zhǔn)確［30］。ROC曲線的繪制及AUC具體計(jì)算由最大熵模型直接輸出。

經(jīng)計(jì)算，本研究中最大熵模型的平均AUC為0.826±0.005，表明所建模型可用于東北地區(qū)沼澤濕地的潛在分布研究。

2.2 東北地區(qū)沼澤濕地潛在分布

將基于最大熵模型模擬的東北地區(qū)沼澤濕地概率分布圖轉(zhuǎn)化為二元分布圖(圖1)。圖1表明，最大熵模型模擬的沼澤濕地適宜分布圖與從中國(guó)沼澤圖中提取的東北沼澤濕地分布范圍大體吻合。模擬結(jié)果表明:東北地區(qū)沼澤濕地潛在分布區(qū)主要為大小興安嶺和三江平原地區(qū)，模擬結(jié)果對(duì)沼澤濕地呈現(xiàn)零星分布的平原地區(qū)模擬效果欠佳。

2.3 東北地區(qū)沼澤濕地潛在分布對(duì)氣候變化的響應(yīng)

對(duì)東北地區(qū)沼澤濕地分布概率大于0.5的地區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，與基準(zhǔn)氣候條件下的潛在分布區(qū)進(jìn)行比較。

氣候變化條件下分布區(qū)面積的變化是由兩方面原因造成的，一是原有分布區(qū)的消失，二是新適宜分布區(qū)的增加(表1)。模擬結(jié)果表明，隨著時(shí)間的推進(jìn)，東北地區(qū)原有沼澤濕地潛在分布面積明顯減少，而新增潛在分布面積較少，總潛在分布面積呈現(xiàn)急劇減少趨勢(shì)。至2071—2100年，原有沼澤濕地潛在分布面積將減少99.80%，新增潛在分布面積僅2.48%，總潛在分布面積減少97.32%。

由東北地區(qū)沼澤濕地適宜分布區(qū)變化圖(圖1)可看出東北地區(qū)沼澤濕地潛在分布區(qū)空間分布上呈現(xiàn)由東向西遷移，南北向中心收縮的趨勢(shì)。

圖1 東北沼澤濕地實(shí)際分布及潛在分布圖Fig．1 Realized distribution and potential distribution of mire in Northeastern China

表1 未來氣候條件下東北沼澤濕地潛在分布區(qū)面積變化Table 1 Potential distribution area change for mire under future climate in Northeastern China

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，最大熵模型可以利用現(xiàn)有的東北地區(qū)沼澤濕地分布數(shù)據(jù)，進(jìn)行東北沼澤濕地潛在分布的預(yù)測(cè)(平均AUC值為(0.826±0.005))。主要原因可能是該模型算法明確，而且其規(guī)則化程序可以阻止在小樣本的情況下發(fā)生過度擬合［19-20］。但是，模型用有限的發(fā)生數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)得到的潛在分布區(qū)，通常代表了與分布區(qū)相似的環(huán)境條件，而不能作為沼澤濕地的實(shí)際分布界限。

本文采用的基于生態(tài)位理論的模型，其建模本質(zhì)是生境分布區(qū)與環(huán)境因子之間建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系，并假設(shè)生境與環(huán)境之間是一種靜態(tài)平衡關(guān)系，這種相關(guān)關(guān)系模型(而非因果關(guān)系的)并不一定能保證模型在外推到新的空間時(shí)，這種相關(guān)性不變，因此模型外推可能具有極大的不確定性。

隨著時(shí)間的推移，東北地區(qū)沼澤濕地分布面積會(huì)急劇減少，這與前人的研究結(jié)果相同［31］。在沼澤濕地面積急劇減少的同時(shí)，伴隨著少量新增，但沼澤濕地分布受很多因素制約，在氣候因素和地形因素適宜的情況產(chǎn)生新沼澤濕地的可能性仍然是很低的［32］。除自然因素外，人類活動(dòng)對(duì)生境分布模擬的影響不可忽略［33］，如能在模擬過程中綜合更多對(duì)沼澤濕地分布存在影響的因素，預(yù)測(cè)結(jié)果將更為準(zhǔn)確。

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