网络出版时间：2014-09-25 08:19
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气候变暖对中国栓皮栎地理分布格局影响的预测*
李 垚张兴旺 方炎明**
（南京林业大学森林资源与环境学院，南京210037）
摘要利用DIV A-GIS软件对中国栓皮栎的地理分布及气候特征进行研究，并用该软件中的Bioclim和Domain两个模型评估未来潜在分布区对气候变暖的响应.结果表明: 中国栓皮栎分布区可分为横断山脉区、云贵高原区、华北山地区、华东山丘区、辽鲁半岛区、台湾海岛区和秦岭巴山区7个亚区，跨越7个温度带、2个干湿区、17个气候区，包括8种气候类型.秦岭-大巴山-伏牛山为栓皮栎的现代多度中心.适合栓皮栎生长的年平均温度为7.5~19.8 ℃，年降雨量为471~1511 mm.Domain和Bioclim模型的受试者工作特征曲线下的面积(AUC值)分别为0.910、0.779，前者预测的高度适生区为秦岭、大巴山、伏牛山、桐柏山和大别山、云贵高原东部和西部、苏皖南部丘陵和华北部分山地.气候变暖趋势下栓皮栎潜在分布区可能向北回缩，面积减小.
关键词栓皮栎DIV A-GIS 地理分布潜在分布区
中图分类号Q948.13 文献标识码A
Predicting the impact of global warming on the geographical distribution pattern of Quercus variabilis in China. LI Yao, ZHANG Xing-wang, FANG Yan-ming(College of Forest Resource and Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)
Abstract: The geographical distribution of Quercus variabilis in China with its climate characteristics was analyzed bad on DIV A-GIS, which was also ud to estimate the respon of its future potential distribution regions to global warming by Bioclim and Domain models.
Analysis results showed the geographical distribution of Q. variabilis could be divided into 7 subregions: Henduan Mountains, Yunnan-Guizhou Plateau, North China, East China, Liaodong-Shandong Peninsula, Taiwan Island, and Qinling-Daba Mountains. The subregions are across 7 temperature zones, 2 moisture regions and 17 climatic subregions, including 8 climate types. The modern richness center of Q. variabilis is Qinling, Daba and Funiu mountains. The condition of mean annual temperature 7.5-19.8 ℃ and annual precipitation 471-1511mm, is suitable for Q. variabilis. Areas under the receiver operating characteristic curve (AUC values) of Domain and Boiclim models were 0.910, 0.779, the former predicted the potential regions of high suitability for Q. variabilis are Qi
nling, Daba, Funiu, Tongbai, and Dabie mountains, eastern and western Yunnan-Guizhou Plateau,hills of southern Jiangsu and Anhui, part of the mountains in North China. Global warming might lead to the shrinking in suitable regions and retreating from the south for Q. variabilis.
Key words:Quercus variabilis; DIV A-GIS; geographic distribution; potential distribution area.
神经病英语
物种地理分布受气候、土壤、地形等环境要素影响。从宏观尺度来说，气候是决定地球上物种分布的最主要因素，物种分布则是地球气候最鲜明的反映和标志[1]。依据生物-气候关系预测物种潜在地理分布，不仅可为植被划分、区系形成、物种起源等理论研究奠定扎实基础，而且对种源保护、遗传改良、引种驯化等生产实践有重要指导意义。栓皮栎(Quercus variabilis)为栎属(Quercus)落叶乔木，该属是北温带分布型属[2]，遍及北半球亚洲、欧洲、北美和北非，我国是分布中心之一[3]。栓皮栎与同属的麻栎(Quercus acutissima)、槲树(Quercus dentata)、槲栎(Quercus aliena)、枹栎(Quercus rrata)等均为广域分布类型[4]，构成了我国暖温带落叶阔叶林和亚热带常绿落叶阔叶混交林的重要成分。作为典型的东亚广布树种，栓皮栎为植物地理分布格局与气候关系研究提供了良好素材。
自20世纪80年代以来，随着全球植被-气候关系研究的不断发展，植物种地理分布与气候因子的定量和机理性关系越来越清晰[5]，基于物种分布信息和环境变量判断物种生态需求的生态位模型陆续出现[6]，如Bioclim、Domain、GARP、CLIMEX和MaxEnt等模型。Bioclim模型开发时间早，是模拟物种
分布的经典模型之一[7]，它采用百分比算法将全部环境变量都处于生物气候包络之内的地区作为潜在分布区[8]。Domain模型则通过计算点对点的Gower距离，利用相似性指数来预测物种潜在分布区。MaxEnt模型由Phillips等[9]在2004年提出，以信息论中的最大熵原理为统计推断工具，通过寻找服从各特征量约束条件的最大熵分布来评估潜在分布区的适宜度。
该模型诞生时间虽晚，但由于在实际应用中的良好表现，近年来在物种分布模拟及生态学领域引起了广泛兴趣，具有很高的发展潜力。这3种模型采用不同算法，各有优劣，Bioclim和Domain模型的原理简单、易于操作、结
果直观，前者所应用的环境变量n维超空间概念符合当代生态学理论，但它忽略了气候变量间的关联性、等效性和对外部干扰的敏感性，因此需增加环境变量数量来准确定义生物气候包络[10]；后者在环境变量较少时可以有效模拟物种潜在分布，但区分存在与否的临界阈值依赖不存在点数据，一般根据专业知识或者主观判断[11]。与此相比，MaxEnt模型仅依赖物种存在数据，特征量种类丰富，涵盖气候、海拔等连续变量和土壤、植被类型等分类变量，各特征量无相互作用时，还可解释环境变量与适宜度的相关性；但该模型缺少评估预测误差的方法，无固定上限的指数形式可能导致其在不存在区赋予很高的适宜度[12]。
此前，植物种潜在分布区方面的报道多集中于濒危种[8,13-14]、孑遗种[14-15]和入侵种[7,16-17]，本
土广布型种研究较少。本文以东亚广布种栓皮栎为研究材料，主要解决3个问题：依据地理-气候特征划分栓皮栎天然分布区的亚单元，在掌握亚区特性的基础上加强对分布区整体的理解；运用Bioclim和Domain模型预测栓皮栎现代潜在分布区，探讨其与实际分布区异同背后的生态学问题；应用CO2浓度加倍情况下的全球气候数据模拟栓皮栎未来潜在分布区，分析气候变暖对温带广布型种的影响。
诗歌英语
据库的空间分辨率为2.5′的世界气候数据图层，它以1950—2000年全球不同气象站的每月气象数据为基础，在空间分辨率为30″(1km2)的网格内经插值法生成，涵盖月降水量、月均温、月最高温、月最低温4个基本气候变量和据此推导出的19个生物气候变量(BIO1-BIO19)[8]。使用B.Govindasamy等应用大气环流模式CCM3模拟的CO2浓度加倍情况下的2100年全球气候数据预测栓皮栎未来潜在分布区变化情况[27]，其精度为2.5′。中国省级行政区划图来自国家基础地理信息系统数据库(v/)，海拔图来自DIV A-GIS空间数据库(www.diva-gis/Data)。
1.2 数据分析
1.2.1地理分布区 去除标本中的重复记录(同一地点多次采集)、模糊记录(仅记录到国、省和市，或仅记录普通小地名)、邻近记录(出现在同一个2.5′网格内)，筛选得到467个分布点。邵慧等[28]对包括栓皮栎在内的12种中国落叶栎研究表明，当样本容量在75~100以上时准确度最高。以海拔图为底图，在ArcGIS中绘制栓皮栎地理分布图。
1.2.2多度分析 每个2.5′×2.5′网格中选取的唯一标本代表该网格内可能出现的任一栓皮栎生长居群。分布多度定义为1°×1°网格内有栓皮栎居群出现的 2.5′×2.5′小网格的个数，其值在0~576。在以标本编号为参数，利用DIV A-GIS软件“Analysis-Points to Grids-Richness”得到多度分布栅格数据，在ArcGIS绘制栓皮栎多度分布图。
1.2.3潜在分布区预测 基于DIV A-GIS软件中的“Modeling-Bioclim/Domain”功能，分别利用1950—2000年和2100年全球气候数据测栓皮栎现代和未来潜在分布区，并用“Data-Export Gridfile”将grd格式的模拟结果转换为asc格式文件，该文件导入ArcGIS后利用“Conversion Tools-ASCⅡto Raster”转换为栅格数据绘制潜在分布区图；同时使用“Spatial Analysis Tools-Raster calculator”计算未来与现代潜在分布区适宜度的差值，绘制适宜度变化图。Bioclim和Domain模型的预测效果使用DIV A-GIS软件中的受试者工作特征曲线(ROC)进行评价[29]，该曲线以假阳性(即1-特异度)为横坐标，灵敏度为纵坐标，曲线下的面积为AUC值，0.7＜AUC＜0.8较准确，0.8＜AUC＜0.9很准确，AUC＞0.9极准确[28]。利用DIV A-GIS软件中的“Data-Extract values by ponits”提取19项生物气候数据，并用“modeling-Bioclim/Domain-histogram”分析主要气候变量的频率分布直方图，相关数据处理使
Subregion Longitude and latitude Altitude (m)
地区Region
HD 24.62°—32.50°N、
104.84°—97.02°E
2200(1000~4000)四川盆地以西，云南西部，西藏东南部
YG 21.99°—30.90°N、
99.60°—110.37°E
1500(500-3000)
云南东部，贵州，四川南部，重庆南部，湖南西部，湖北西南部，广
西北部
QB 30.70°—35.55°N、
104.68°—112.54°E
1000(200~2000)陕西南部，甘肃南部，湖北西北部，重庆北部，河南西部
NC 33.76°—41.05°N、
110.83°—119.96°E
700(50~2000)山西南部，河北北部、西部，北京，天津，山东，河南东北部
关于老师的作文600字EC 24.78°—34.73°N、111.50°
—122.39°E
240(3~1000)
高血糖的菜谱江苏，浙江，福建，江西，安徽，上海，河南东南部，湖南东部，广
东北部
LS 35.70°—40.43°N、111.39°
送别的简谱
—
124.59°E
100(10~300)辽东半岛、山东半岛
TW 22.36°—25.06°N、
120.65°—121.54°E
1000(10~3000)台湾岛
HD: 横断山脉区Region of Henduan Mountains；YG: 云贵高原区Region of Y unnan-Guizhou Plateau；QB: 秦岭巴山区Region of Qinling-Daba Mountains；NC: 华北山地区Region of North China；EC: 华东山丘区Region of East China；LS: 辽鲁半岛区Region of Liaodong-Shandong Peninsula；TW: 台湾海岛区Region of Taiwan Island.
图1 栓皮栎地理分布
Fig. 1 Geographical distribution of Quercus variabilis.
HD: 横断山脉区Region of Henduan Mountains；YG: 云贵高原区Region of Y unnan-Guizhou Plateau；QB: 秦岭巴山区Region of Qinling-Daba Mountains；NC: 华北山地区Region of North China；EC: 华东山丘区Region of East China；LS: 辽鲁半岛区Region of Liaodong-Shandong Peninsula；TW: 台湾海岛区Region of Taiwan Island.
2.2中国栓皮栎多度分布图
在由近100个1°×1°网格组成的栓皮栎分布区中，如有数十个连接网格具有高水平多度值，可将其认为是多度分布中心。由图2可以看出，中国栓皮栎多度极大处在陕甘交界处的汉中、陇南；极大值所在的秦岭-大巴山-伏牛山区共有16个高多度值网格相连(其中多度值为11~12的1°×1°网格1个，8~10的网格4个，6~7的网格6个，3~5的网格5个)，为栓皮栎的现代分布中心。云贵高原(其中多度值为8~10的1°×1°网格1个，6~7的网格3个，3~5的网格5个)是一个密集度相对较低的分布中心。
图2栓皮栎多度分布
Fig. 2 Richness distribution of Quercus variabilis.
2.3 中国栓皮栎分布区气候特征
嗝嗝老师
由于栓皮栎环境适应能力强，对温度、降雨和土壤要求不严格[32]，其天然分布区极其广泛，区内气候类型极其丰富。根据中国气候区划新方案[33]，栓皮栎分布区跨越7个温度带、2个干湿区、17个气候区，包括8种气候类型。横断山脉区为高原温带湿润气候(横断山脉东南，如泸定、德钦)和高原亚热带湿润气候(东喜马拉雅南翼高原山地，如察隅)，云贵高原区为南亚热带湿润气候(云南中南、西南山地，如景东、临沧)和中亚热带湿润气候(四川西南和云南北部山地、贵州高原)，秦岭巴山区为北亚热带湿润气候，华东山丘区为中亚热带湿润气候(江南山地)和北亚热带湿润气候(大别山与苏北平原)，华北山地区为暖温带半湿润气候，辽鲁半岛区为暖温带湿润气候(辽东半岛)和暖温带半湿润气候(山东半岛)，台湾海岛区为南亚热带湿润地区(北部山地)和边缘热带湿润地区(南部山地)。栓皮栎分布区虽跨越众多温度带，但主要分布在湿润区和半湿润区。
由表3可以看出，栓皮栎分布区的年均温度为14.0℃，年均温最高的地区为台湾台东(23.9℃)、云南元江(22.5℃)、台湾高雄(22.0℃)，最低的地区为四川理县(-0.6℃)、河北蔚县(1.7℃)、云南德钦(3.1℃)；平均全年极端高温为28.4℃，全国最高值为34.3℃(江西赣州、湖南长沙、广东乐昌)；平均
全年极端低温为-1.9℃，全国最低值为-20.9℃(河北蔚县、河北丰宁)；栓皮栎分布区的年均降雨量为1079mm，最大值为3592mm(台湾宜兰)，最小值为471mm(河北涞源)；平均最湿季降雨量为541.9mm，最高值为1816mm(台湾高雄)；平均最干季降雨量为67.4mm，最低值为10mm(四川九龙、辽宁绥中)。
花婆婆的故事台湾海岛区的年均温最高(17.4℃)，年降雨量最大(2696mm)，温度年较差最小(16.8℃)，降雨季节性变化较小(66.1)；华北山地区年均温最低(10.4℃)，年降雨量最小(630mm)，温度年较差最大(39.3℃)，降雨季节性变化最大(108.0)。这两个地区反映了暖温带半湿润气候与边缘热带、南亚热带湿润气候特征的明显不同。辽鲁半岛区与华北山地区相比，年均温和年极端高、低温以及年降雨量均无显著差异(P>0.05)，但受海洋性气候影响，该地区变得更加湿润温和，其最湿季降雨量显著增加(721mm) (P<0.05)，温度年较差极显著减小(36.5℃) (P<0.01)。横断山脉区属于高原温带，它与中亚热带的云贵高原区山地纬度相同，但由于其地处青藏、云贵高原过渡区，高
山深谷纵横，垂直气候带分布明显，温带性质显著，年均温(12.7℃)、年极端低温(-0.5℃)极显著小于云贵高原
