气候变暖背景下春兰和蕙兰的适生区分布预测

梁红艳,姜效雷,孔玉华,杨喜田,*

1 河南农业大学林学院,郑州 450002 2 三门峡职业技术学院,三门峡 472000

多种观测数据表明, 近百年来全球气候在显著变暖[1-2]。这种持续变暖的气候将会或正在对物种的分布产生重要影响。研究显示,全球气候变暖正在驱使植物和动物远离赤道地区向高海拔及两极地区高纬度迁移[3- 5]。在近30年我国中东部地区所统计的119个植物物种中,有80%在水平地带上发生北移[6]。我国东北主要地带性植被类型的地理中心,在1961―2013年间也发生了不同程度的移动,特别是南部地区的亚高山矮曲林,向东北方向移动了135.44 km[7]。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五份评估报告显示,未来CO2等温室气体排放量的持续增加将使平均气温进一步升高,这将会对我国物种的地理分布产生很大影响。

春兰(Cymbidiumgoeringii)和蕙兰(C.faberiRolfe)属兰科(Orchiidaceae)兰属(Cymbidium)植物,被纳入联合国《濒危野生动植物种国际贸易公约》的保护范围。野生种分布于河南南部[8]、陕西、安徽、江苏、浙江、江西、福建、四川、云南和贵州等地[9]。普遍认为,秦岭是我国春兰和蕙兰自然分布的最北端[10-11],野生春兰和蕙兰多生长在25°―34°N之间的山区[12-13],近年来有报道称在35°12′―35°40′N之间的山西阳城县太行山区也分布有野生蕙兰[14-15]。兰科植物被认为是与环境高度适应的物种[16-17],对气候变化具有敏感性,气候的持续变暖将会对我国春兰和蕙兰的地理分布产生影响,预测其适生区分布范围,对该物种的生态风险评价、保护策略制定和引种驯化等具有重要意义。此外,由于春兰和蕙兰香气浓郁、叶形优美,其野生资源正受到严重的采挖和破坏,在人工繁育和栽培工作中,明确影响其自然地理分布的限制性气候因子也是非常有必要的。

最大熵(Maximum Entropy,MaxEnt)物种分布模型是近年来在物种分布预测和生境适宜性评价中应用较多的一种模型[18],由于其具有较好的性能表现[19],已广泛应用于Tricholomamatsutake[20]、红花龙胆[21]、红松[22]、藓类[23]、野生果树[24]和单叶蔓荆[25]等物种的潜在分布区预测中。本研究采用MaxEnt物种分布模型,结合ArcGIS地理信息系统,探讨春兰和蕙兰在气候变暖条件下适宜生境范围的变化,并明确影响春兰和蕙兰分布的主要气候因子,旨在为我国野生兰科植物资源的保护和引种等提供理论依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 春兰和蕙兰地理分布数据提取

图1 春兰和蕙兰的地理分布点 Fig.1 Geographic locations of Cymbidium goeringii and C. faberi实心圆代表春兰,三角代表蕙兰

通过查阅《中国植物志》和各地方植物志、国内多家标本馆的记录及近年来发表的文献资料[26-29],从中获取可信度较高的春兰分布记录82条和蕙兰分布记录75条,利用在线地图经纬度网站查询获得相应经纬度地理坐标(图1)。

1.2 气候数据来源

所有19个生物气候因子均下载自全球气候数据库(http://www.worldclim.org/)。bio1：年均温；bio2：气温日较差；bio3：等温；bio4：温度季节性变化；bio5：最热月最高温；bio6：最冷月最低温；bio7：年均温度变化范围；bio8：最湿季度均温；bio9：最干季度均温；bio10：最暖季度均温；bio11：最冷季度均温；bio12：年均降水量；bio13：最湿月份降水量；bio14：最干月份降水量；bio15：季节性降水；bio16：最湿季度降水量；bio17：最干季度降水量；bio18：最暖季度降水量；bio19：最冷季降水量。当前气候数据为1960―1990年全球气象站点的记录,2070s气候数据为IPCC第五份评估报告公布的4个温室气体浓度情景(Representative Concentration Pathways,RCPs)数据,从低到高依次排列为RCP2.6(低)、RCP4.5(中低)、RCP6.0(中高)和RCP8.5(高),数据精度2.5 arc minutes。

1.3 物种分布模型预测

利用MaxEnt Version 3.3.3k物种分布模型,对当前时期和2070年4个温室气体浓度情景下春兰和蕙兰的潜在分布区进行预测。随机抽取25%样点记录作为检验集[30],以便模型对数据进行简单的统计分析,获得检验数据AUC值的标准误差,AUC为受试者工作特征曲线下面积(The area under the receiver operating characteristic curve)。选中“create response curves”并在Advanced菜单中选中“write plot data”,即可获得主要气候因子响应曲线和气候因子贡献率,其他参数均为默认选项。建模后,利用“ROCR”包对数据进行ROC分析,生成ROC曲线。根据AUC评价模型的拟合效果,0―1范围内,AUC数值越高,表明模型预测效果越好。

1.4 春兰和蕙兰的适生区划分

通过ArcGIS 9.3地理信息系统,对物种分布适宜区进行等级划分,划分等级设为5级[31],分别为非适生区(P<0.05)、低适生区(0.05

2 结果及分析

2.1 当前和2070年气候数据比较

对提取的当前和2070年RCP 2.6情景下部分温度气候因子和降水因子进行比较,数值为82个春兰分布点的均值和75个蕙兰分布点的均值,结果如图2所示。

图2 当前和2070年(RCP2.6情景)部分气候变量的比较
Fig.2 Comparison of bioclimatic variables in current and 2070 (RCP 2.6 scenario)

图中数值为分布点的气候数据区间；bio1: 年均温Annual mean temperature；bio11：最冷季度均温Mean temperature of coldest quarter；bio5：最热月最高温Maximum temperature of warmest month；bio6：最冷月最低温Minimum temperature of coldest month；bio12：年均降水量Annual precipitation；bio14：最干月份降水量Precipitation of driest month；bio16：最湿季度降水量Precipitation of wettest quarter；bio17：最干季度降水量Precipitation of driest quarter

由图可知,预测到2070年,所有分布点的bio1、bio5、bio6和bio11数值均增加,即气温与当前气温相比有明显升高,春兰和蕙兰分布点的bio12和bio16也明显增加。

2.2 模型预测效果评价

图3 “ROCR”包生成的受试者工作特征曲线 Fig.3 Receiver operating characteristic curve generated by “ROCR”

模型预测结果显示,AUC值在0.9―1.0之间,表明MaxEnt模型对春兰和蕙兰适生区分布预测结果可信度较高,图3为建模后所得到的ROC曲线。

2.3 影响春兰和蕙兰分布的主要气候因子

影响春兰和蕙兰当前及2070年分布主要气候因子的贡献率如图4所示。由图可知,影响春兰当前分布的限制性气候因子为最冷季平均温度(bio11)和年均降水量(bio12),分别占到了62.3%和22.4%的比例；影响蕙兰当前分布的主要气候因子为最冷季平均温度(bio11)(48.9%)。预测到2070年,年均降水量(bio12)将成为影响春兰分布的主要气候因子,而最干月份降水量(bio14)、最冷月最低温度(bio6)和年均降水量(bio12)将成为影响蕙兰分布的主要气候因子。

图4 影响春兰和蕙兰分布的19个气候因子贡献率(RCP2.6情景)Fig.4 The contribution of 19 bioclimatic factors affecting the distribution of C. goeringii and C. faberi (RCP2.6)

主要气候因子响应曲线(图5)表明：预测到2070年(RCP2.6情景),当年均降水量(bio12)在1392 mm左右时,该区域成为春兰适生区的概率最大；当最冷月最低温度(bio6)在30℃左右、年均降水量(bio12)在1439 mm左右、最干月份降水量(bio14)大于37 mm时,该区域成为蕙兰适生区的概率最大。

图5 主要气候因子响应曲线
Fig.5 Response curves of major bioclimatic factors

2.4 春兰、蕙兰当前和2070年适生区预测

当前,春兰和蕙兰的分布地域相近,主要分布在我国的西南和东南地区。预测到2070年,春兰在全国的适生区分布范围总体将会有所减小(表1,图6),推测与春兰性喜凉爽、湿润的环境有关。在低温室气体排放情景下(RCP2.6),部分省份如陕西和河南等地的适生区范围将会减小(P>0.05),但也有省份如湖北和台湾等地区P>0.54的适生区分布范围将会有所增加(表2)。预测蕙兰的适生区分布范围总体将会有所增加,但在温室气体排放高的情景(RCP8.5)下,适生区分布范围又会略有减小(表1,图7)。预测陕西、山西、河南和山东等地P>0.18的适生区将增加,而广西和广东的高适生区范围明显减小(P>0.34),整体呈现向北迁移的趋势(表2)。此外,从图7还可以看出,当前气候条件下,山西阳城县蕙兰的适生等级为0.05

表1 我国春兰和蕙兰在不同温室气体浓度情景下的适生区面积预测/×104 km2

适生等级1：0.54

图6 春兰当前及2070年不同温室气体浓度情景下分布范围预测
Fig.6 Distribution prediction ofC.goeringiiin current and 2070

表2 春兰和蕙兰RCP2.6和8.5情景下部分省、自治区的适生区面积预测/×104 km2

由于小数点只取两位数,表中数据均为近似值。适生等级1：0.54

图7 蕙兰当前及2070年不同温室气体浓度情景下分布范围预测
Fig.7 Distribution prediction ofC.faberiin current and 2070

3 讨论

3.1 当前春兰和蕙兰自然分布区内的气候条件

揭示植物的地理分布格局及其成因是植物地理学研究的核心问题[32]。气候作为影响植物生长发育的因素之一,对植物的地理分布有着重要作用。从本次统计结果来看,极端低温和年均降水量将是影响春兰和蕙兰自然分布范围的主要气候因子。当前春兰自然分布点的最冷月最低温度为-7.2℃(陕西商洛),最冷季平均温度最低为-1.5℃；蕙兰自然分布点的最冷月最低温度为-9.9℃(四川黑水),其次为-8.8℃(山西阳城),最冷季平均温度最低为-3.7℃。当前春兰自然分布区内的年均降水量范围为791 mm(陕西商洛)至2037 mm(江西怀玉),蕙兰自然分布区内的年均降水量范围则为520 mm(河南灵宝)至2038 mm(江西婺源)。

3.2 气候变暖对物种生存和分布的影响

RCP 8.5是温室气体排放量相对较高的一种情景,在该情景下,预估未来区域平均气温将以每10年大约升高0.54℃的速率变暖[33-35],将会使诸多迁移扩散能力弱的物种面临适宜生境丧失、数量减少甚至灭绝的威胁[36]。有研究表明,气候变暖若按目前趋势持续下去,那么到2100年全球将有六分之一的物种面临灭绝风险[37]；Wiens对976种植物和动物的研究表明,有47%的物种已经发生灭绝[38]。但也有研究者认为,全球气候变暖不足以导致有些物种的灭绝[39]。

从本研究结果来看,在RCP8.5情景下,2070年春兰P>0.18的适生区分布面积较当前分布面积减小了约17.5万km2。蕙兰的预测结果显示,在温室气体排放低、中低、中高的情景下,适生区分布面积均会增加,但在RCP8.5情景下,适生区分布范围预测也会有所减小,且整体有向北迁移的趋势,太行山系南端未来的气候可能适宜蕙兰的生长,这种向北迁移趋势与其他物种如昆虫[40-42]、脊椎和无脊椎动物[43]、鸟类[44]、美国红枫[45]以及Betulapopulifolia等16个树种[46]的研究结果是一致的。