我國文冠果分布的氣候地理特征及未來氣候情景下適宜種植區(qū)預(yù)測

賀曉慧，寧小莉*，郭彥龍，衛(wèi)海燕

（1. 包頭師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014030；2. 中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000；3. 陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，陜西 西安 710119）

文冠果（Xanthoceras sorbifoliaBunge）為無患子科（Sapindaceae），文冠果屬，落葉灌木或小喬木植物[1]，主要分布于中國長江以北地區(qū)，雖分布較廣，但大都處于半野生狀態(tài)，類型混雜，產(chǎn)量低，經(jīng)濟(jì)效益不高[2]。文冠果具有較強(qiáng)的抗旱、抗寒、抗鹽堿能力和適應(yīng)性，是藥食兩用油料植物和生物質(zhì)能源物種，也是優(yōu)良的水土保持樹種。文冠果在中國有一千多年栽培歷史，主要在寺院和庭院附近，隨著生物柴油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及醫(yī)藥應(yīng)用價(jià)值的研究，越來越受到人們的重視，在20世紀(jì)50年代被大規(guī)模種植[3]。目前，文冠果的研究主要集中在其生長條件、生物學(xué)特征、有效成分含量等方面，對其地理分布的研究較少[4-5]。

物種的生長、發(fā)育、繁衍及多樣性等在很大程度上取決于氣候等地理環(huán)境要素的變化[6-7]。氣候等地理環(huán)境要素的變化對植物分布的影響一直是國內(nèi)外地理學(xué)家、生態(tài)學(xué)家和氣候?qū)W家所關(guān)注的熱點(diǎn)[8-9]。研究氣候等地理環(huán)境要素變化對物種的潛在地理分布、預(yù)測不同地理環(huán)境要素情景下物種的適宜性分布，有利于該物種的保護(hù)、種植及資源的可持續(xù)發(fā)展利用。本研究基于大量文獻(xiàn)和標(biāo)本采集記錄，選取了155個(gè)文冠果種群分布點(diǎn)，應(yīng)用MaxEnt模型分析了文冠果適宜種植區(qū)的主導(dǎo)氣候地理環(huán)境要素，預(yù)測當(dāng)前氣候變化情況下文冠果的種植適宜性，并預(yù)測在4種不同RCP情景下，2041—2060年和2061—2080年兩個(gè)時(shí)間段的文冠果適宜種植范圍，為文冠果的野生種植資源保護(hù)和未來的種植提供理論依據(jù)和科學(xué)參考[10-11]。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 文冠果種群分布點(diǎn)數(shù)據(jù)

本研究主要通過以下兩種途徑獲取文冠果種群分布點(diǎn)數(shù)據(jù)：①訪問中國數(shù)字植物標(biāo)本館（http://www.cvh.org.cn/），收集到571個(gè)文冠果種群分布點(diǎn)信息；②查詢文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫（中國知網(wǎng)）收錄的相關(guān)研究文獻(xiàn)，收集到127個(gè)文冠果種群分布點(diǎn)信息[2-5,12-13]，共收集文冠果種群分布點(diǎn)698個(gè)，去除重復(fù)并剔除2000年以前的種群分布點(diǎn)以及沒有確定地理信息的分布點(diǎn)，最后確定參與建模的種群分布點(diǎn)共155個(gè)。所選的155個(gè)種群分布點(diǎn)主要是文冠果野生種群的存在點(diǎn)位，故未對種植面積做最低限要求。文冠果整體呈零散分布，部分呈塊狀或片狀分布；主要集中在黃土高原地區(qū)，廣泛分布在陜西、山西、河北、甘肅等地，在新疆、內(nèi)蒙古、安徽、山東、遼寧等地區(qū)零散分布；分布區(qū)主要位于北緯30°～45°之間，東經(jīng) 100°～120°之間（見圖 1）。

圖1 文冠果種群分布點(diǎn)的地理位置Fig. 1 Distribution points of Xanthoceras sorbifolia Bunge

1.2 氣候地理環(huán)境數(shù)據(jù)

本文通過訪問世界氣候數(shù)據(jù)庫（WORLD-CLIM version 1.4，http://www.worldclim.org），結(jié)合文冠果的特征，收集了7個(gè)生物氣候因子和3個(gè)地形因子參與建模，盡可能準(zhǔn)確地模擬文冠果的生存條件（見表1）。根據(jù)1950—2000年全球有記錄的氣象站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合地形因素，利用克里金插值法生成氣候地理環(huán)境數(shù)據(jù)，其分辨率為1 km2（30″）[14]，其精度可以保證，并已得到驗(yàn)證。本文采用的未來氣候地理環(huán)境數(shù)據(jù)的科學(xué)假設(shè)來自2013年聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第一工作組（WGI）第五次評估報(bào)告（AR5）發(fā)布的新一代排放場景，“典型濃度目標(biāo)”（representative concentration pathways，RCP），比 IPCC4的排放情景（SRES）能更詳細(xì)地考慮應(yīng)對氣候變化的各種策略對未來溫室氣體排放的影響，更加科學(xué)地預(yù)測未來氣候變化情況。RCP包括：RCP 2.6 （最低溫室氣體排放情景）、RCP 4.5（中等溫室氣體排放情景）、RCP 6.0（較高溫室氣體排放情景）和RCP 8.5（最高溫室氣體排放情景）[15-16]。然后，將選取我國4種氣體排放情景下， 2041—2060年和2061—2080年兩個(gè)時(shí)間段的氣候數(shù)據(jù)參與建模，其分辨率為1 km2（30″）。

1.3 研究方法與運(yùn)行

物種分布模型（species distribution modeling，SDM）是目前評估物種對氣候變化響應(yīng)的主要方法[17]，物種分布模型中的MaxEnt模型是根據(jù)現(xiàn)有分布點(diǎn)量化物種潛在的地理分布，能夠找出其生存概率分布的最大熵，從而對物種的分布進(jìn)行估計(jì)和預(yù)測，由于其普適性強(qiáng)，技術(shù)成熟，即使分布點(diǎn)較少也可取得較滿意的效果。因此，已被廣泛應(yīng)用于珍稀藥材、瀕危物種保護(hù)與管理、生物物種潛在分布區(qū)預(yù)測等領(lǐng)域[18-19]。

表1 文冠果潛在地理分布評價(jià)所需的氣候地理環(huán)境要素指標(biāo)Table1 Climatic and geographical index used for predicting potential spatial distribution of Xanthoceras sorbifolia Bunge

本文將選取的155個(gè)文冠果種群分布點(diǎn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入MaxEnt3.3.3版本進(jìn)行模型運(yùn)算，70%的種群分布點(diǎn)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，與氣候地理環(huán)境要素組合建模，對模型進(jìn)行訓(xùn)練；30%的種群分布點(diǎn)數(shù)據(jù)作為測試集，用于預(yù)測結(jié)果的精度評估。MaxEnt模型采用接受者操作特征曲線（ROC）下的面積作為預(yù)測模型準(zhǔn)確性的依據(jù)，通過AUC值（取值范圍0-1）來呈現(xiàn)模型的效果[10]，運(yùn)行結(jié)果顯示MaxEnt模型用于我國文冠果種群適宜性環(huán)境的分布效果很好，具有可行性。將MaxEnt模型數(shù)據(jù)輸出格式保存為ASC，每個(gè)柵格的值代表文冠果在該區(qū)的適生性，取值范圍為[0，1]，利用ArcGIS10.1平臺對結(jié)果做進(jìn)一步的處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響文冠果潛在地理分布的主導(dǎo)氣候地理環(huán)境要素

本文選取10個(gè)氣候地理環(huán)境因子，運(yùn)行MaxEnt3.3.3對文冠果潛在分布建立模型，利用迭代算法計(jì)算各個(gè)氣候地理環(huán)境因子對預(yù)測結(jié)果的貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明：年降水量貢獻(xiàn)率最高為41.70%，年平均氣溫、溫度年較差、高程、最干季降水量、坡度、坡向、等溫性、降水量的季節(jié)性變化和平均日較差的貢獻(xiàn)率依次為23.30%、13.40%、9.20%、4.40%、4.00%、1.90%、1.00%、0.70%和0.40%，其中年降水量、年平均氣溫、溫度年較差、高程、最干季降水量這5個(gè)因子的累積貢獻(xiàn)率高達(dá)92.00%，基本可用于表征文冠果適宜種植區(qū)的氣候地理環(huán)境特征。為了更清楚地了解文冠果在當(dāng)前氣候環(huán)境下潛在種植區(qū)的氣候地理環(huán)境特征，并消除主導(dǎo)氣候地理環(huán)境因子間的相互影響，將占主導(dǎo)的5個(gè)影響因子分別導(dǎo)入MaxEnt模型，得到相應(yīng)的單變量響應(yīng)曲線（見圖2），即文冠果種植分布概率與主導(dǎo)氣候地理環(huán)境因子的關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算各主導(dǎo)氣候地理環(huán)境因子的閾值（存在概率＞0.5），年降水量為350～600 mm，年平均氣溫約為7～11℃，溫度年較差為35～45℃，高程為900～1 800 m、最干季降水量為10～20 mm。這些數(shù)據(jù)基本定量地描述了文冠果適宜種植區(qū)的氣候環(huán)境特征。結(jié)果表明：文冠果適宜種植區(qū)集中分布于我國西北部偏干旱的溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，并且文冠果具有耐旱的特性。

圖2 文冠果分布概率和主導(dǎo)因子響應(yīng)曲線Fig. 2 Relationships between distribution probabilities and impacting factors of Xanthoceras sorbifolia Bunge

2.2 文冠果地理分布模擬

運(yùn)用ArcGIS10.1對MaxEnt模型輸出的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，參照相關(guān)研究及模型結(jié)果特征[10,20]，將文冠果種植適宜性等級劃分為4類，并計(jì)算各省份、自治區(qū)的文冠果適宜種植區(qū)面積及所占面積的百分比（見圖3，表2）。不適宜種植區(qū)[0-0.3)：全國大部分區(qū)域?qū)儆谠摰燃墸s占全國總面積的92.20%。低適宜種植區(qū)[0.3-0.5)：主要分布在新疆局部地區(qū)、寧夏、甘肅、內(nèi)蒙古、山西、河北、河南、北京、遼寧、山東等局部地區(qū)，位于適宜種植區(qū)的周圍，其中寧夏的低適宜種植區(qū)面積30 619.16 km2，占寧夏總面積的46.39%，北京的低適宜種植區(qū)面積6 298.86 km2，占北京總面積的38.41%。適宜種植區(qū)[0.5-0.7)：主要分布在寧夏、甘肅、河南、河北、北京等局部地區(qū)，陜西和山西的大部分地區(qū)，山西的適宜種植區(qū)面積為68 515.16 km2，約占山西總面積的43.72%，陜西的適宜種植區(qū)面積為67 308.06 km2，約占陜西總面積的32.71%。高適宜種植區(qū)[0.7-1]：基本分布于山西、陜西、甘肅，其他區(qū)域有很少的高適宜種植區(qū)，其中山西的高適宜種植區(qū)面積為35 913.47 km2，約占山西總面積的22.92%，主要集中在太原市、運(yùn)城市中部地區(qū)、臨汾市、呂梁市、晉中市、長治市等地區(qū)，陜西的高適宜種植區(qū)面積為46 122.59 km2，約占陜西總面積的22.41%，集中在榆林市、延安市、渭南市北部地區(qū)、咸陽市中部地區(qū)、寶雞市等地區(qū)，甘肅的高適宜種植區(qū)面積為22 117.88 km2，約占甘肅總面積的4.88%，集中在西峰市、平?jīng)鍪?、天水市等地區(qū)。由此可見，黃土高原地區(qū)是文冠果的高適宜種植區(qū)和適宜種植區(qū)，周圍有一些低適宜種植區(qū)，種植區(qū)幾乎覆蓋了整個(gè)黃土高原和中國絕大部分黃土區(qū)。分布區(qū)覆蓋范圍有賀蘭山、秦嶺、呂梁山、太行山、子午嶺等山脈，主要生長在低山區(qū)黃土坡上[5]。

圖3 文冠果潛在空間種植適宜性分布預(yù)測結(jié)果Fig. 3 Predicted potential areas of Xanthoceras sorbifolia Bunge

表2 研究區(qū)文冠果不同等級適生區(qū)面積及占比Table 2 Suitability of Xanthoceras sorbifolia Bunge in the study area

在中國所有的種植分布區(qū)內(nèi)，文冠果有自然分布和人工栽培兩種，分布區(qū)覆蓋了中國東北、華北、西北以及新疆等地區(qū)，分布于新疆、西藏、青海、四川、甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏、陜西、山西、湖北、河南、河北、北京、天津、安徽、江蘇、山東、遼寧、吉林等19個(gè)省份、自治區(qū)。其中，山西約66.64%、陜西約55.12%、河北約20.53%、寧夏約18.33%、甘肅約16.18%的面積處于文冠果的高度適宜種植區(qū)和適宜種植區(qū)。

2.3 環(huán)境要素對文冠果適宜種植區(qū)分布的影響

利用MaxEnt模型以及相同的氣候環(huán)境指標(biāo)對氣候變化影響下文冠果的適宜種植區(qū)分布變化進(jìn)行模擬，同時(shí)按照與上文相同的標(biāo)準(zhǔn)將研究區(qū)未來氣候條件下文冠果的適宜種植區(qū)按等級劃分為不適宜種植區(qū)、低適宜種植區(qū)、適宜種植區(qū)和高度適宜種植區(qū)，得出未來氣候條件下文冠果潛在適宜種植區(qū)的空間分布（見圖4），并計(jì)算各等級適宜生境面積及占全國總面積的百分比（見表3）。

模型結(jié)果表明，當(dāng)前地理環(huán)境下文冠果潛在高度適宜種植區(qū)面積為112 245.58 km2，占全國總面積的1.17%，適宜種植區(qū)面積為273 815.35 km2，占全國總面積的2.85%，低適宜種植區(qū)面積為362 989.26 km2，占全國總面積的3.78%，不適宜種植區(qū)面積為8 850 949.81 km2，占總面積的92.20%。在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0、RCP8.5四種排放情景下，2041—2060年和2061—2080年兩個(gè)時(shí)間段，文冠果的高適宜種植區(qū)、適宜種植區(qū)和低適宜種植區(qū)基本都是呈面積擴(kuò)大趨勢（見表3）。在2041—2060年的時(shí)間段，文冠果的適宜種植區(qū)面積、低適宜種植區(qū)面積在RCP4.5情景下略有減少，高適宜種植區(qū)面積在擴(kuò)大，但仍比當(dāng)前情景下的面積大。在RCP2.6氣候情景下，2041—2060年和2061—2080年這兩個(gè)時(shí)間段文冠果的可種植區(qū)域比當(dāng)前情景下有所增加。在RCP4.5氣候情景下，文冠果的可種植區(qū)域繼續(xù)增加，尤其是適宜種植區(qū)，面積比例增加了約0.15%，即大約增加的適宜種植區(qū)面積約為14 400 km2。在RCP6.0、RCP8.0氣候情景下，隨著時(shí)間的推移，文冠果的高適宜種植區(qū)、適宜種植區(qū)、低適宜種植區(qū)面積均呈明顯增加趨勢，RCP8.5情景下，2061—2080年這一時(shí)間段的高適宜種植區(qū)、適宜種植區(qū)、低適宜種植區(qū)的面積比例比當(dāng)前情景下分別增加了約2.30%、1.49%、1.69%。從圖4可見，文冠果的高適宜種植區(qū)仍在黃土高原地帶，集中在陜西、山西、甘肅等地，適宜種植區(qū)有逐步外延的趨勢，如：新疆阿圖什市、阿瓦提縣西北部、伊寧市、博樂市，四川的康定縣、馬爾康縣、綿陽市，青海的共和縣、平安縣、同仁縣、西寧市，內(nèi)蒙的赤峰市，遼寧的錦州市，山東的泰安市、淄博市等地。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本文通過收集文冠果的種群分布點(diǎn)，采用MaxEnt模型對影響文冠果的主導(dǎo)氣候地理環(huán)境因子進(jìn)行分析，對當(dāng)前氣候條件下的種植適宜性進(jìn)行研究，并對未來不同氣候情景下的潛在種植適宜性分區(qū)進(jìn)行預(yù)測，研究表明：年降水量、年平均氣溫、溫度年較差、高程和最干季降水量是影響文冠果種植分布的主要因子；文冠果集中分布在黃土高原地區(qū)，在當(dāng)前氣候情景下，文冠果的高適宜種植區(qū)面積、適宜種植區(qū)面積、低適宜種植區(qū)面積和不適宜種植區(qū)面積分別占全國總面積的1.17%、2.85%、3.78%和92.20%，高適宜種植區(qū)主要分布在陜西、山西和甘肅；在未來不同的氣候情景下，文冠果的高適宜種植區(qū)、適宜種植區(qū)的面積均呈擴(kuò)大趨勢，并隨著時(shí)間的推移，文冠果的高適宜種植區(qū)和適宜種植區(qū)的面積也在呈逐步擴(kuò)大趨勢。本文的研究對文冠果種植規(guī)劃區(qū)提供了一定的依據(jù)，對于文冠果的資源調(diào)查、保護(hù)與開發(fā)等方面能提供重要的參考價(jià)值。

3.2 討論

圖4-1 不同氣候變化情景下文冠果生境適宜性分布Fig. 4-1 Habitat suitability for Xanthoceras sorbifolia Bunge under different climate change scenarios

圖4-2 不同氣候變化情景下文冠果生境適宜性分布Fig. 4-2 Habitat suitability for Xanthoceras sorbifolia Bunge under different climate change scenarios

表3 不同氣候變化情景下文冠果不同等級適生區(qū)占比Table 3 Statistics of habitat suitability for Xanthoceras sorbifolia Bunge under different climate change scenarios

1）文冠果的種群分布點(diǎn)集中分布于北緯30°～45°，東經(jīng) 100°～120°之間的黃土高原地區(qū)，廣泛分布于山西、陜西、甘肅、河北，零散分布在內(nèi)蒙古、新疆、青海、安徽、山東、遼寧等19個(gè)省、自治區(qū)。在當(dāng)前氣候條件下，文冠果的適宜種植區(qū)面積約占全國總面積的92.20%，低適宜種植區(qū)面積約占全國總面積的3.78%，適宜種植區(qū)面積約占全國總面積的2.85%，高適宜種植區(qū)面積約占全國總面積的1.17%。高適宜種植區(qū)分布在秦嶺以北，呂梁山、太行山、賀蘭山等山脈，主要集中在陜西的榆林市、延安市、寶雞市、渭南市、咸陽市等地區(qū)，山西的太原市、運(yùn)城市、臨汾市、呂梁市、晉中市、長治市等地區(qū)，甘肅的西峰市、平?jīng)鍪?、天水市等地區(qū)。本研究通過物種分布模型得到的文冠果潛在適宜空間分布結(jié)果與文獻(xiàn)記載的分布區(qū)基本符合，說明了建模的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。同時(shí)，文冠果目前處于低產(chǎn)、良種資源缺乏、人工栽培歷史短的狀態(tài)[12]，對于文冠果的野生資源應(yīng)加強(qiáng)核心種植區(qū)的保護(hù)與管理，加大人工種植力度，擴(kuò)大種群數(shù)量，提高種群質(zhì)量，不斷提升其經(jīng)濟(jì)效益；文冠果的種植區(qū)幾乎覆蓋了整個(gè)黃土高原和中國絕大多數(shù)的黃土區(qū)，加強(qiáng)其種植管理也能改善黃土高原脆弱的生態(tài)環(huán)境，提升環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)。

2）目前，對文冠果的研究主要集中于生長條件、生物學(xué)特征、有效成分含量等，對其地理分布的研究較少。本文則是對其生境的研究，通過選取10種單一物種分布模型的評價(jià)因子貢獻(xiàn)率分析，得知影響文冠果生長的主導(dǎo)氣候因子有年降水量、年平均氣溫、溫度年較差、高程和最干季降水量，這5個(gè)因子的累積貢獻(xiàn)率高達(dá)92.00%，通過對單變量的響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，文冠果適宜生長的條件為：年降水量在350～600 mm、年平均氣溫約為7～11℃、溫度年較差為35～45℃、高程為 900～1 800 m、最干季降水量為10～20 mm，這與查閱文獻(xiàn)所得到的文冠果適宜種植區(qū)偏干旱、半干旱，屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，垂直分布在300～1 500 m的丘陵及荒山坡，其中海拔80～1 800 m的黃土丘陵溝壑區(qū)分布最多，少量文冠果也能生長在地勢比較平坦的平原地區(qū)，具有耐干旱、瘠薄，有較強(qiáng)適應(yīng)性和抗逆性[2-5]的特性相吻合。

3）采用 RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和 RCP8.5四種排放情景的氣候數(shù)據(jù)對2041—2060年、2061—2080年兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行氣候變化對文冠果種植適宜性分布影響的模擬。結(jié)果表明在不同氣候情景下，文冠果的適宜種植面積以及分布都有所不同，說明氣候變化對文冠果的潛在分布影響有一定的不確定性。但模型結(jié)果表明，在所有排放情景下，隨著時(shí)間的推移，文冠果的高度適宜種植區(qū)面積、適宜種植區(qū)面積和低適宜種植區(qū)面積基本都是呈增長趨勢，但高度適宜種植區(qū)面積仍在黃土高原地帶，適宜種植區(qū)有逐步外延的趨勢。這與文冠果作為生物柴油物種越來越受到人們的重視有緊密的關(guān)系。“十一五”期間，我國已在河北、陜西、內(nèi)蒙古、新疆等地發(fā)展文冠果生物能源林，逐步在陜西、吉林、山東等建立文冠果示范基地[2]。文冠果具有較強(qiáng)適應(yīng)性，未來將會在很多地區(qū)種植文冠果。

4）在現(xiàn)有技術(shù)條件下，物種分布模型是當(dāng)前應(yīng)用最廣、預(yù)測效果最好的模型之一。而采樣點(diǎn)的數(shù)量、準(zhǔn)確性及影響物種分布因子的選取會直接影響模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。在本研究中，搜集到的698個(gè)種群分布點(diǎn)中除去重復(fù)及2000年前的分布點(diǎn)僅有155個(gè)有確定的地理信息，能夠參與模型計(jì)算；基于目前的研究條件，本文僅選取10個(gè)影響因子進(jìn)行研究，對于其他因子未作考慮。若能夠獲取到所有種群分布點(diǎn)的地理信息、考慮物種適宜生境的土壤等因子，文冠果種植適宜區(qū)的面積將會縮小，其生境景觀特征也將更加破碎，預(yù)測結(jié)果將會更加精確。