基于GIS對(duì)極小種群野生植物毛果木蓮的生態(tài)適宜性分析

余向鑫，吳哲榮，安星霖，艾星梅*，王 斌

（1.西南林業(yè)大學(xué) 園林園藝學(xué)院，云南 昆明 650224；2.云南民族大學(xué) 瀾湄國際職業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650504；3.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所，云南 昆明 650205）

毛果木蓮（Manglietia ventiiN.V.Tiep）為木蘭科（Magnoliaceae）木蓮屬（Manglietia）常綠喬木，花大純白色且芳香，是云南特有的極小種群野生植物（Plant species with extremely small populations，PSESP），具有重要的科研、經(jīng)濟(jì)、藥用、觀賞等價(jià)值。但由于它們種群數(shù)量少，分布范圍窄，隨時(shí)面臨著滅絕危險(xiǎn)，迫切需要采取保護(hù)措施［1-2］。毛果木蓮有成為風(fēng)景園林樹種的潛力，具有很好的發(fā)展和推廣前景，但目前毛果木蓮在園林中應(yīng)用較少，種質(zhì)資源有待進(jìn)一步合理開發(fā)利用，因此需要開展其生態(tài)適宜性分析［3］。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)廣泛利用地理信息系統(tǒng)（Geographical information system，GIS）研究植物的生態(tài)適宜性，如：Tri 等運(yùn)用層次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）和GIS 技術(shù)獲得了黨參（Codonopsis javanica）適 宜 栽 植 分 布 的 范 圍［4］。Chau Ngoc 等運(yùn)用APH 和GIS 技術(shù)對(duì)羽葉南洋參（Polyscias fruticosa）進(jìn)行了生態(tài)適宜性分析，為其種植區(qū)的合理選擇提供了科學(xué)依據(jù)［5］。前人對(duì)毛果木蓮的研究多為種群生態(tài)學(xué)［6］、繁殖生物學(xué)［7-9］、遺傳多樣性［10-11］、生理生化［12-13］等方面，少有研究其引種推廣的生態(tài)適宜性。AHP 是確定參數(shù)權(quán)重的有效方法，GIS 和APH 的結(jié)合使用對(duì)植物進(jìn)行適宜性分析更有優(yōu)勢(shì)［14］。因此，本研究擬利用GIS 和AHP 對(duì)PSESP 毛果木蓮的引種推廣進(jìn)行生態(tài)適宜性研究，獲取毛果木蓮在全國適宜引種推廣的區(qū)域和面積，以期為毛果木蓮及其他PSESP 的合理應(yīng)用和保護(hù)提供參考。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要包括全國的省和市級(jí)行政邊界矢量數(shù)據(jù)、高程（Digital elevation model，DEM）、年平均降雨量、年平均氣溫、≥10℃積溫、4 月平均氣溫、土壤質(zhì)地、土壤pH（表1）。

表1 數(shù)據(jù)來源Tab.1 Data sources

1.2 適應(yīng)性分析

生態(tài)適宜性是指不考慮其他限制因子時(shí)，實(shí)際的溫、光、水、熱、土壤等主要生態(tài)因子滿足植物生長發(fā)育要求的程度［15］，選擇主要環(huán)境因素與植物生境相似的區(qū)域作為植物適宜引種推廣的生態(tài)適宜區(qū)［16］。從地形、氣候、土壤三個(gè)方面，根據(jù)毛果木蓮的生長環(huán)境選取9 個(gè)生態(tài)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)；專家使用成對(duì)比較法和1 ～ 9標(biāo)度，評(píng)價(jià)同一層次指標(biāo)的相對(duì)重要性，并通過算術(shù)平均法獲得各生態(tài)因子權(quán)重；此外對(duì)毛果木蓮在我國適宜引種推廣區(qū)域進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，確定毛果木蓮適宜引種推廣區(qū)域和面積。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

據(jù)文獻(xiàn)記載數(shù)據(jù)，以及實(shí)地調(diào)查毛果木蓮的生長環(huán)境，選取地形、氣候、土壤三個(gè)方面的生態(tài)因子進(jìn)行生態(tài)適宜性分析［17］，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懨旧彽纳L發(fā)育，對(duì)其引種推廣的成敗具有決定性作用。將地形、氣候、土壤作為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，海拔、年平均氣溫、土壤質(zhì)地等9 個(gè)生態(tài)因子作為二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)毛果木蓮引種推廣的生態(tài)適宜性［18-19］。

1.4 確定各生態(tài)因子權(quán)重

層次分析法是一種基于多準(zhǔn)則決策的方法，用于分析涉及多準(zhǔn)則的復(fù)雜決策［20］，利用AHP 確定各生態(tài)因子權(quán)重，首先采用1 ～ 9標(biāo)度法（表2），分別對(duì)9 個(gè)生態(tài)因子（海拔、坡度、坡向、年平均氣溫、年平均降水量、≥10℃積溫、4 月平均氣溫、土壤質(zhì)地、土壤pH）進(jìn)行兩兩重要性對(duì)比判斷，構(gòu)建n×n判斷矩陣，aij為因子（因子i到j(luò)），aij= 1/aij（表3）［21］。然后運(yùn)用算術(shù)平均法計(jì)算判斷矩陣，確定各生態(tài)因子的歸一化權(quán)重（表4）［22］。判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)是AHP成功決策的重要指標(biāo)之一，最后對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)（表5）［23-24］。

表2 相對(duì)重要性取值的1 ～ 9標(biāo)度法Tab.2 The 1 to 9 scale of relative importance values

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性兩兩比較判斷矩陣Tab.3 Pairwise comparison matrix for the importance of evaluation indicators

1.5 適宜性評(píng)價(jià)

確定各生態(tài)因子權(quán)重，評(píng)價(jià)毛果木蓮在我國適宜引種推廣區(qū)域的生態(tài)適宜性。適宜性計(jì)算公式如下：

G為毛果木蓮?fù)茝V引種區(qū)域的生態(tài)適宜性；n為評(píng)價(jià)因子的個(gè)數(shù)；Mi為準(zhǔn)則層各因子的權(quán)重；Ki為決策層各因子的權(quán)重。i≤n，n= 1，2 …… 9［25］。

2 結(jié)果與分析

2.1 地形因素

通常情況下，海拔高度的變化會(huì)影響植物開花期［26］，這直接影響毛果木蓮的景觀效果。毛果木蓮的適生海拔高度為800 ～ 2 000 m。坡度和坡向直接影響植物的生長和分布。坡度影響土壤條件，如：土壤侵蝕、土壤深度、土壤水分等；坡向影響植物對(duì)太陽能的吸收，從而影響其光合作用［27］，據(jù)野外實(shí)地調(diào)查毛果木蓮在自然分布區(qū)域每個(gè)坡向上均有生長，坡度為0 ～ 75°。利用ArcGIS 10.8 首先處理空間分辨率為1 km × 1 km 的全國DEM 柵格影像，然后將地形各生態(tài)因子進(jìn)行“重分類”以確定適合毛果木蓮生長的海拔、坡度、坡向范圍（表6）。

表6 毛果木蓮適生生態(tài)因子分布表Tab.6 Table of the distribution of suitable ecological factors for M. ventii

2.2 氣候因素

溫度會(huì)影響植物的生長速度，毛果木蓮自然分布區(qū)域氣候溫暖，年平均氣溫為16.4 ～ 22.6℃，≥10℃積溫5 105 ～ 8 240℃。溫度過低會(huì)影響開花時(shí)間［28］，毛果木蓮正?；ㄆ跒? 月開始，適宜區(qū)4 月平均氣溫應(yīng)大于它生境的最低氣溫9℃。毛果木蓮適宜年平均降水量為800 ～ 2 960 mm。在ArcGIS 10.8 中分別對(duì)空間分辨率為 1 km × 1 km 的全國年平均氣溫、年平均降水量、≥10℃積溫柵格影像處理后，對(duì)氣候各生態(tài)因子進(jìn)行“重分類”，確定適合毛果木蓮生長的年均氣溫、年均降水量、≥10℃積溫范圍。在ArcGIS 10.8 中處理空間分辨率為1 km ×1 km 的全國最冷月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，選擇全國4 月平均氣溫進(jìn)行重分類，確定適合毛果木蓮生長的全國4月平均氣溫范圍（表6）。

2.3 土壤因素

土壤質(zhì)地影響土壤含水量分以及土壤養(yǎng)分的有效性，毛果木蓮的適生土壤砂土雖然保水性差，但透氣性好。土壤的pH 值影響土壤中元素的溶解度和微生物的活動(dòng)，對(duì)土壤養(yǎng)分的有效性有重要影響［29］，pH 值過高或者過低都會(huì)對(duì)植物造成損害，適合毛果木蓮生長的pH 為4.8 ～ 5.7，呈酸性［30］。在ArcGIS 10.8 中對(duì)空間分辨率為1 km × 1 km 的土壤柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行“定義投影”處理后，提取出我國的土壤數(shù)據(jù)，并進(jìn)行“重分類”，確定適宜的土壤土質(zhì)和土壤pH（表6）。

2.4 適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果與面積統(tǒng)計(jì)

運(yùn)用ArcGIS 10.8 軟件進(jìn)行如下操作，以確定毛果木蓮在全國適宜引種推廣區(qū)域。首先運(yùn)用“加權(quán)總和”功能得到適宜引種推廣的范圍，該過程即為適宜性評(píng)價(jià)公式的運(yùn)算，并將結(jié)果歸一化；其次運(yùn)用“柵格計(jì)算器”功能將歸一化數(shù)據(jù)乘100；然后運(yùn)用“復(fù)制柵格”功能將其轉(zhuǎn)為8 位無符號(hào)整型；最后運(yùn)用“重分類”功能進(jìn)行分類，采用百分制將適宜栽培區(qū)域劃分為3 個(gè)等級(jí)；90 ≤G≤ 100 為最適宜引種推廣區(qū)域；70 ≤G≤ 90 為適宜引種推廣區(qū)域；0 ≤G≤ 70為不適宜引種推廣區(qū)域［19，31］。

在ArcGIS 10.8 中運(yùn)用“按屬性提取”功能從毛果木蓮在全國適宜引種推廣區(qū)域中，提取出最適宜和適宜引種推廣區(qū)域，并進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)。毛果木蓮在全國18個(gè)省適宜引種推廣，最適宜和適宜引種推廣區(qū)域面積分別為188 467 km2、930 603 km2，總面積為1 119 070 km2（表7）。我國適宜引種推廣毛果木蓮的區(qū)域主要在云南省，適宜面積為226 092 km2；其次廣西壯族自治區(qū)，適宜面積為139 965 km2；再次貴州省，適宜面積為120 992 km2；廣東省、江西省、四川省、福建省、湖南省、重慶省、湖北省、陜西省、西藏自治區(qū)、浙江省、臺(tái)灣省、安徽省、海南省、甘肅省、河南省等地也適宜引種推廣毛果木蓮。

表7 毛果木蓮全國適宜引種推廣區(qū)域面積統(tǒng)計(jì)Tab.7 The area statistics of the suitable areas for the introduction and promotion of M. ventii in China

3 討論與結(jié)論

利用 GIS 和 AHP 對(duì)毛果木蓮在全國引種推廣的生態(tài)適宜性進(jìn)行分析，該方法科學(xué)、準(zhǔn)確、快速，為毛果木蓮及其他極小種群野生植物的合理應(yīng)用和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和參考。進(jìn)行成對(duì)比較的專家對(duì)毛果木蓮及其生長壞境有長期的研究和實(shí)地調(diào)查經(jīng)驗(yàn)，能準(zhǔn)確的對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。運(yùn)用AHP時(shí)，評(píng)價(jià)因子不超過9 個(gè)所求得的權(quán)重結(jié)果才比較準(zhǔn)確［32］，本研究結(jié)合數(shù)據(jù)可用性，僅選取了對(duì)毛果木蓮生長發(fā)育影響最大的地形、氣候、土壤等9個(gè)生態(tài)因子，提高結(jié)果準(zhǔn)確性。人為打分具有主觀性，隨著國家對(duì)保護(hù)PSESP 的重視，越來越多的科研工作者正在開展對(duì)毛果木蓮的保護(hù)研究，未來可邀請(qǐng)更多相關(guān)專家進(jìn)行打分，增加評(píng)價(jià)樣本，整合專家意見，選取更詳細(xì)的數(shù)據(jù)、先進(jìn)的技術(shù)，進(jìn)一步縮小到市和縣級(jí)研究范圍提高精確性。在實(shí)際引種推廣過程中應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)情況、交通狀況、園林養(yǎng)護(hù)程度等影響因素進(jìn)行引種，同時(shí)需確保進(jìn)行檢疫及試種，避免破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)，并且需進(jìn)一步研究毛果木蓮在風(fēng)景園林中運(yùn)用時(shí)如何與其他植物搭配最佳，發(fā)揮其最大的園林價(jià)值［33］。

據(jù)野外調(diào)查，毛果木蓮生境附近種植香蕉、橘子、姜等經(jīng)濟(jì)作物，雖然已經(jīng)建立了保護(hù)小區(qū)，但因其影響經(jīng)濟(jì)作物生長，及其本身樹干通直適合作為棺材、建筑材料的特性，仍存在被砍伐破壞的現(xiàn)象。野外每棵野生毛果木蓮的保護(hù)責(zé)任應(yīng)具體到個(gè)人，上級(jí)相關(guān)部門定期監(jiān)督和審查下級(jí)的保護(hù)工作；建立完整的毛果木蓮資源數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行定期和連續(xù)的野外檢測(cè)，掌握動(dòng)態(tài)變化［34］；相關(guān)部門可根據(jù)毛果木蓮的生境位置就近安排周邊村民參與保護(hù)工作，給予一定的報(bào)酬，讓村民有參與感的同時(shí)提高保護(hù)意識(shí)，并加大宣傳破壞PSESP的法律責(zé)任。

歐陽志勤［35］等人曾在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)卮迕裨谏降爻善N植毛果木蓮，但由于沒有市場(chǎng)，所以村民改為種植香蕉、菠蘿等能快速獲得經(jīng)濟(jì)效益的農(nóng)產(chǎn)品；據(jù)本團(tuán)隊(duì)近期實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，云南屏邊有苗木公司種植毛果木蓮，但銷路不佳，種植數(shù)量較少。所以，需充分利用毛果木蓮的觀賞和潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值。適宜引種推廣的地區(qū)，應(yīng)積極開展毛果木蓮引種、馴化，并在利用過程中加以保護(hù)，結(jié)合其觀賞特性、園林用途和生態(tài)價(jià)值等，在賦予其新的內(nèi)涵的同時(shí)，擴(kuò)大市場(chǎng)需求以提升知名度［36］。屆時(shí)，農(nóng)村也可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境條件和市場(chǎng)需求，適度規(guī)劃毛果木蓮種植業(yè)的發(fā)展；鄉(xiāng)村振興人員要廣泛開展合作交流，尋找優(yōu)質(zhì)種苗，擴(kuò)大銷渠道，增加村民收入，積極響應(yīng)國家的鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略［37］。因此，這既為當(dāng)?shù)卣痛迕癜l(fā)展毛果木蓮種植產(chǎn)業(yè)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，又能達(dá)到進(jìn)一步擴(kuò)大其種群數(shù)量、保護(hù)毛果木蓮的目的。