貴州省植物物種多樣性空間分布特征及影響因素

石秀雄，楊廣斌*，張 國(guó)，劉 芳，李亦秋

(1. 貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025； 2. 貴州省山地資源與環(huán)境遙感應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025；3. 貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院，貴州 貴陽(yáng) 550025； 4. 國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550025)

物種多樣性空間分布格局一直是宏觀生態(tài)學(xué)和生物地理學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1]。生物多樣性喪失與保護(hù)、生物多樣性大尺度格局及形成機(jī)制、群落維持機(jī)制等更是成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題[2]。植物物種多樣性作為群落的重要特征，是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及其穩(wěn)定性的基礎(chǔ)[3-4]。隨著生態(tài)研究的不斷深入，植物物種多樣性格局形成機(jī)制研究成為了生態(tài)學(xué)熱點(diǎn)問(wèn)題[5-6]，該方面研究是理解區(qū)域生物多樣性維持機(jī)制重要的內(nèi)容；同時(shí)對(duì)生物多樣性的保護(hù)管理等有著重要意義[7-10]。

中國(guó)西南山地是全球34個(gè)生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)之一[11-12]。我國(guó)西南地區(qū)植物多樣性空間分布及影響因素研究已取得部分成果。張凡等[13]通過(guò)對(duì)貴州生物多樣性現(xiàn)狀分析及生物多樣性重要性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)貴州生物多樣性重要性水平較高的區(qū)域多分布于遠(yuǎn)離中心城鎮(zhèn)的邊緣區(qū)域或自然保護(hù)區(qū)及周邊區(qū)域；王瑞等[14]基于生物多樣性指數(shù)，借助空間相關(guān)分析方法確定了貴州省6個(gè)生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)。金勇等[15]認(rèn)為貴州省國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)野生植物物種豐富度南部地區(qū)高于北部地區(qū)，環(huán)省界區(qū)域往內(nèi)陸呈現(xiàn)明顯減少趨勢(shì)。容麗等[16]探討了地形因子對(duì)喀斯特山地植物物種多樣性及其分布格局的影響。黃郎等[17]分析了貴州野生木本觀賞植物的組成特征、區(qū)系成分、園林運(yùn)用及多樣性空間分布格局。楊飛齡等[18]基于云南各縣(市、區(qū))的國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)野生植物統(tǒng)計(jì)信息，運(yùn)用Dobson算法篩選出了云南省的植物保護(hù)優(yōu)先區(qū)。馮建孟等[19]探討了滇西北地區(qū)溫、熱帶植物的分布格局及其控制因素，認(rèn)為生境異質(zhì)性對(duì)植物多樣性格局的影響力可能在一定程度上取決于植物的地理分布區(qū)性質(zhì)。葉鵬程等[20]研究發(fā)現(xiàn)滇西北地區(qū)高等植物物種多樣性分布格局主要與緯度和海拔高差這2個(gè)地理因子相關(guān)。

綜上可以看出，云貴高原始終是中國(guó)西南地區(qū)生物多樣性研究的熱點(diǎn)地區(qū)?？h、區(qū)是我國(guó)最為基礎(chǔ)的行政單元[21]，生物多樣性保護(hù)與資源配置最終要落實(shí)到縣級(jí)行政單元[18]。從已有研究來(lái)看，貴州植物多樣性空間分布研究尚未具體到縣級(jí)行政單元。人為干擾是影響植物物種多樣性分布與發(fā)展的一個(gè)重要因素[22]，關(guān)于植物物種多樣性空間分布影響因素的研究，多數(shù)研究均側(cè)重于自然因素分析，而對(duì)于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等人為因素影響鮮有提及?；诖?，本研究以縣級(jí)行政單元為基礎(chǔ)單位，利用地理空間自相關(guān)方法分析了貴州省植物物種多樣性宏觀分布特征；同時(shí)運(yùn)用地理探測(cè)器方法探討自然與人類活動(dòng)因素對(duì)貴州省植物物種多樣性分布的影響特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省位于廣西盆地與四川盆地之間，屬云貴高原的一部分，介于北緯24°35′～29°15′，東經(jīng)103°35′～109°35′，面積17.636萬(wàn)km2，屬于我國(guó)西南喀斯特生態(tài)脆弱地區(qū)，喀斯特地貌占全省總面積的73%，總體地勢(shì)西高東低，地形地貌復(fù)雜。2016年貴州省獲國(guó)家批準(zhǔn)成為首批3個(gè)國(guó)家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)之一，國(guó)家明確提出要開展該地區(qū)“典型脆弱生態(tài)修復(fù)與保護(hù)研究”，推動(dòng)“石漠化治理、生物多樣性保護(hù)等技術(shù)模式研發(fā)與典型示范”。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

表1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理Table 1 Data sources and preprocessing

續(xù)表1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理Table 1 Data sources and preprocessing

1.3 研究方法

莫蘭指數(shù)(Moran′sI)能夠反映一個(gè)區(qū)域單元上某一屬性值與鄰近區(qū)域單元上同一現(xiàn)象或?qū)傩灾档南嚓P(guān)程度[24]。通過(guò)測(cè)算全局Moran′sI指數(shù)來(lái)分析貴州省植物物種多樣性是否存在集聚特性。其表達(dá)式為：

(1)

(2)

式中：Ii表示局部空間自相關(guān)指數(shù)；Zi、Zj分別為觀測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)化形式；Wij為標(biāo)準(zhǔn)化空間權(quán)重系統(tǒng)矩陣；Ii為正表明區(qū)域鄰近單元屬于相似值集聚；Ii為負(fù)表明區(qū)域鄰近單元屬于非相似值集聚；Ii為0表示區(qū)域鄰近單元值屬于隨機(jī)分布[25]。冷熱點(diǎn)分析是一種探索局部空間聚類分布特征的有效手段，它可以將變量空間分布聚集的程度通過(guò)冷點(diǎn)與熱點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分。計(jì)算公式為：

(3)

對(duì)公式(3)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到(4)：

(4)

地理探測(cè)器是探測(cè)空間分異性，以及揭示其背后影響因素的一種新的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[27]，其理論核心是通過(guò)空間異質(zhì)性來(lái)探測(cè)因變量與自變量之空間分布格局的一致性。本研究采用地理探測(cè)器中的因子探測(cè)和交互作用探測(cè)模型探析降水(X1)、氣溫(X2)、海拔(X3)、土壤(X4)、土地利用(X5)、人口(X6)、GDP(X7)對(duì)貴州省植物物種多樣性分布的影響程度及特點(diǎn)(圖1)。

因子探測(cè)：探測(cè)植物物種多樣性Y的空間分異性，以及探測(cè)因子X(jué)多大程度上解釋了植物物種Y的空間分異，用q值度量。表達(dá)式為：

(5)

圖1 植物物種多樣性分布影響因素作用框架Fig. 1 The framework of factors influencing the distribution of plant species diversity

2 結(jié)果與分析

2.1 植物物種數(shù)總體分布特征

由表2可知，貴州省植物物種數(shù)達(dá)到極豐富的地區(qū)有興義市、安龍縣、荔波縣、榕江縣、黎平縣、劍河縣、臺(tái)江縣、雷山縣、江口縣、印江縣、道真縣等11個(gè)縣市，這一結(jié)果與這些地區(qū)多布置得重要自然保護(hù)地的情況形成了呼應(yīng)，良好的自然生態(tài)環(huán)境往往孕育著豐富的生物物種。地區(qū)物種數(shù)量類型占比最高的是豐富型，說(shuō)明貴州省植物物種數(shù)量總體豐富度較高。利用自然斷裂法對(duì)植物物種分布密度進(jìn)行5級(jí)劃分，高密度區(qū)僅有雷山縣、臺(tái)江縣和道真縣3處，一定程度上反映了雷公山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)與大沙河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)兩處保護(hù)地豐富的生物多樣性。總的來(lái)看，貴州省植物物種分布密度以中低密度分布為主(表3)。

2.2 空間自相關(guān)分析

利用Arcgis10.5對(duì)貴州省縣域植物物種分布進(jìn)行空間自相關(guān)分析，結(jié)果如圖2所示。貴州省植物物種數(shù)量的Moran′sI指數(shù)為0.207，Z值得分為2.9，P值<0.01，表明貴州省植物物種多樣性在空間分布上有顯著聚集的特征。局部空間自相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，貴州省植物物種多樣性集聚類型僅有"高-高"集聚一種，區(qū)域?yàn)榕d義市、安龍縣、雷山縣和正安縣。由于貴州省植物物種多樣性總體豐富度高，僅有少數(shù)高值區(qū)域明顯突出，故未有"低-高"、"高-低"類異常集聚以及“低-低”聚類現(xiàn)象出現(xiàn)。從冷熱點(diǎn)分析結(jié)果來(lái)看，置信度為99%的熱點(diǎn)區(qū)域是興義市和正安縣；置信度為95%的熱點(diǎn)區(qū)域是安龍縣、三都縣、雷山縣和道真縣；置信度為90%的熱點(diǎn)區(qū)域是榕江縣和松桃縣。冷點(diǎn)區(qū)域有六枝特區(qū)、普定縣和西秀區(qū)，置信度為90%。貴州省植物物種多樣性分布熱點(diǎn)區(qū)縣有8個(gè)，冷點(diǎn)區(qū)縣僅有3個(gè)，其他地區(qū)不明顯。冷熱點(diǎn)分析結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了空間自相關(guān)分析結(jié)果的可靠性，證明了貴州省植物物種多樣性在空間分布上具有顯著的聚集性。

表2 貴州省植物物種多樣性數(shù)量統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of plant speciesdiversity in Guizhou Province

表3 貴州省植物物種多樣性密度統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of plant speciesdiversity density in Guizhou Province

圖3 貴州省植物物種多樣性空間自相關(guān)Fig. 3 Spatial autocorrelation of plant species diversity in Guizhou province

2.3 植物物種多樣性空間分布影響因素探測(cè)

2.3.1 因子探測(cè)

因子探測(cè)器分析結(jié)果如表4所示，對(duì)貴州省植物物種多樣性分布影響最大的因子是降水(0.08)，最小的是海拔和土地利用(0.01)?？偟膩?lái)說(shuō)，降水、氣溫、海拔、土壤、土地利用、人口、GDP對(duì)貴州省植物物種多樣性空間分布均有一定的影響，但影響力較微弱，單因子對(duì)植物多樣分布影響作用不大?？λ固氐貐^(qū)自然生態(tài)環(huán)境復(fù)雜多樣，q值整體水平不高的原因在于影響植物物種分布因子繁多，某一種因素很難從單方面概括性的去解釋其成因，故單因子q值水平普遍不高。

表4 因子探測(cè)結(jié)果Table 4 Factor detection results

2.3.2 交互作用探測(cè)

地理交互探測(cè)結(jié)果如表5所示。降水除與氣溫疊加后對(duì)貴州植物多樣性分布解釋水平不變外，與其余因子兩兩疊加后解釋水平均較明顯增強(qiáng)，說(shuō)明降水因子是影響貴州省植物物種多樣性空間分布的主導(dǎo)因素。值得注意的是，當(dāng)它與人類活動(dòng)影響因子交互作用時(shí)，特別是與人口因子疊加對(duì)貴州省植物物種多樣性分布的解釋水平達(dá)到最高(0.23)。由此可說(shuō)明，喀斯特地區(qū)植物生長(zhǎng)對(duì)水分條件的敏感性高，抗非自然干擾能力弱，在人類活動(dòng)影響微弱且水分充足的地方更容易產(chǎn)生植物多樣性。

表5 交互探測(cè)結(jié)果Table 5 Interactive detection results

3 結(jié)論與討論

本研究以貴州省82個(gè)區(qū)縣為基礎(chǔ)研究單元，分別運(yùn)用地理空間自相關(guān)和地理探測(cè)器方法分析了貴州省植物物種多樣性的空間分布特征與影響因素，結(jié)論如下：

(1)興義市、安龍縣、荔波縣、榕江縣、劍河縣、臺(tái)江縣、雷山縣、江口縣、印江縣、道真縣及黎平縣是貴州省植物物種豐富度最高的地區(qū)；雷山縣、臺(tái)江縣和道真縣是貴州省植物物種多樣性密度最高的地區(qū)。

(2)貴州植物物種多樣性在空間分布上顯著聚集，但聚類型僅有"高-高"集聚一種；貴州省植物物種多樣分布熱點(diǎn)區(qū)為興義市、正安縣、安龍縣、三都縣、雷山縣、道真縣、榕江縣及松桃縣。

(3)貴州省植物多樣性分布最大的影響因子是降水，但單因子對(duì)植物物種多樣性分布的驅(qū)動(dòng)力不明顯。雙因子交互作用對(duì)植物物種多樣性分布的解釋力均大于單因子作用，降水與人口因子交互作用對(duì)植物物種多樣性分布影響最大。

植物多樣性是生物多樣性中的一個(gè)重要分支，植物多樣性是以植物為主體，由植物、植物與環(huán)境形成的復(fù)合體及與此相關(guān)的生態(tài)過(guò)程的總和[28]。植物物種豐富度在不同的類群和尺度上都大不相同，一些地方物種貧乏，而一些地區(qū)物種非常豐富。影響植物物種的分布及格局的形成原因有多種，如該區(qū)域的自然環(huán)境因子及人類活動(dòng)干擾等[29]。本研究以行政單元為基礎(chǔ)對(duì)貴州省植物物種多樣性分布進(jìn)行空間分析及影響因素探析，簡(jiǎn)潔清晰展示了其總體分布特征及熱點(diǎn)分布具體區(qū)縣，也從總體上解釋了貴州省植物物種多樣性分布的影響因素。但從植物多樣性分布與生長(zhǎng)機(jī)制來(lái)看，其形成過(guò)程受到復(fù)雜的環(huán)境條件影響，將植物物種分布區(qū)域化表達(dá)，容易影響環(huán)境因素對(duì)其分布特征解釋的準(zhǔn)確性。如要提升植物物種多樣性分布位置識(shí)別的準(zhǔn)確性，深入了解其影響因子的影響過(guò)程及特點(diǎn)，需把植物物種分布范圍進(jìn)一步空間細(xì)化，如具體到某一棲息生境范圍(山脈、小流域等)，再結(jié)合精度相當(dāng)?shù)南嚓P(guān)影響因子進(jìn)行綜合的關(guān)聯(lián)性分析，值得未來(lái)繼續(xù)探究。