我国文冠果分布的气候地理特征及未来气候情景下适宜种植区预测

贺晓慧，宁小莉*，郭彦龙，卫海燕

（1. 包头师范学院资源与环境学院，内蒙古 包头014030；2. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000；3. 陕西师范大学地理科学与旅游学院，陕西 西安 710119）

文冠果（Xanthoceras sorbifoliaBunge）为无患子科（Sapindaceae），文冠果属，落叶灌木或小乔木植物[1]，主要分布于中国长江以北地区，虽分布较广，但大都处于半野生状态，类型混杂，产量低，经济效益不高[2]。文冠果具有较强的抗旱、抗寒、抗盐碱能力和适应性，是药食两用油料植物和生物质能源物种，也是优良的水土保持树种。文冠果在中国有一千多年栽培历史，主要在寺院和庭院附近，随着生物柴油产业的发展及医药应用价值的研究，越来越受到人们的重视，在20世纪50年代被大规模种植[3]。目前，文冠果的研究主要集中在其生长条件、生物学特征、有效成分含量等方面，对其地理分布的研究较少[4-5]。

物种的生长、发育、繁衍及多样性等在很大程度上取决于气候等地理环境要素的变化[6-7]。气候等地理环境要素的变化对植物分布的影响一直是国内外地理学家、生态学家和气候学家所关注的热点[8-9]。研究气候等地理环境要素变化对物种的潜在地理分布、预测不同地理环境要素情景下物种的适宜性分布，有利于该物种的保护、种植及资源的可持续发展利用。本研究基于大量文献和标本采集记录，选取了155个文冠果种群分布点，应用MaxEnt模型分析了文冠果适宜种植区的主导气候地理环境要素，预测当前气候变化情况下文冠果的种植适宜性，并预测在4种不同RCP情景下，2041—2060年和2061—2080年两个时间段的文冠果适宜种植范围，为文冠果的野生种植资源保护和未来的种植提供理论依据和科学参考[10-11]。

1 研究数据与方法

1.1 文冠果种群分布点数据

本研究主要通过以下两种途径获取文冠果种群分布点数据：①访问中国数字植物标本馆（http://www.cvh.org.cn/），收集到571个文冠果种群分布点信息；②查询文献数据库（中国知网）收录的相关研究文献，收集到127个文冠果种群分布点信息[2-5,12-13]，共收集文冠果种群分布点698个，去除重复并剔除2000年以前的种群分布点以及没有确定地理信息的分布点，最后确定参与建模的种群分布点共155个。所选的155个种群分布点主要是文冠果野生种群的存在点位，故未对种植面积做最低限要求。文冠果整体呈零散分布，部分呈块状或片状分布；主要集中在黄土高原地区，广泛分布在陕西、山西、河北、甘肃等地，在新疆、内蒙古、安徽、山东、辽宁等地区零散分布；分布区主要位于北纬30°～45°之间，东经 100°～120°之间（见图 1）。

图1 文冠果种群分布点的地理位置Fig. 1 Distribution points of Xanthoceras sorbifolia Bunge

1.2 气候地理环境数据

本文通过访问世界气候数据库（WORLD-CLIM version 1.4，http://www.worldclim.org），结合文冠果的特征，收集了7个生物气候因子和3个地形因子参与建模，尽可能准确地模拟文冠果的生存条件（见表1）。根据1950—2000年全球有记录的气象站点观测数据，结合地形因素，利用克里金插值法生成气候地理环境数据，其分辨率为1 km2（30″）[14]，其精度可以保证，并已得到验证。本文采用的未来气候地理环境数据的科学假设来自2013年联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第一工作组（WGI）第五次评估报告（AR5）发布的新一代排放场景，“典型浓度目标”（representative concentration pathways，RCP），比 IPCC4的排放情景（SRES）能更详细地考虑应对气候变化的各种策略对未来温室气体排放的影响，更加科学地预测未来气候变化情况。RCP包括：RCP 2.6 （最低温室气体排放情景）、RCP 4.5（中等温室气体排放情景）、RCP 6.0（较高温室气体排放情景）和RCP 8.5（最高温室气体排放情景）[15-16]。然后，将选取我国4种气体排放情景下， 2041—2060年和2061—2080年两个时间段的气候数据参与建模，其分辨率为1 km2（30″）。

1.3 研究方法与运行

物种分布模型（species distribution modeling，SDM）是目前评估物种对气候变化响应的主要方法[17]，物种分布模型中的MaxEnt模型是根据现有分布点量化物种潜在的地理分布，能够找出其生存概率分布的最大熵，从而对物种的分布进行估计和预测，由于其普适性强，技术成熟，即使分布点较少也可取得较满意的效果。因此，已被广泛应用于珍稀药材、濒危物种保护与管理、生物物种潜在分布区预测等领域[18-19]。

表1 文冠果潜在地理分布评价所需的气候地理环境要素指标Table1 Climatic and geographical index used for predicting potential spatial distribution of Xanthoceras sorbifolia Bunge

本文将选取的155个文冠果种群分布点数据，导入MaxEnt3.3.3版本进行模型运算，70%的种群分布点数据作为训练集，与气候地理环境要素组合建模，对模型进行训练；30%的种群分布点数据作为测试集，用于预测结果的精度评估。MaxEnt模型采用接受者操作特征曲线（ROC）下的面积作为预测模型准确性的依据，通过AUC值（取值范围0-1）来呈现模型的效果[10]，运行结果显示MaxEnt模型用于我国文冠果种群适宜性环境的分布效果很好，具有可行性。将MaxEnt模型数据输出格式保存为ASC，每个栅格的值代表文冠果在该区的适生性，取值范围为[0，1]，利用ArcGIS10.1平台对结果做进一步的处理分析。

2 结果与分析

2.1 影响文冠果潜在地理分布的主导气候地理环境要素

本文选取10个气候地理环境因子，运行MaxEnt3.3.3对文冠果潜在分布建立模型，利用迭代算法计算各个气候地理环境因子对预测结果的贡献率。结果表明：年降水量贡献率最高为41.70%，年平均气温、温度年较差、高程、最干季降水量、坡度、坡向、等温性、降水量的季节性变化和平均日较差的贡献率依次为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、年平均气温、温度年较差、高程、最干季降水量这5个因子的累积贡献率高达92.00%，基本可用于表征文冠果适宜种植区的气候地理环境特征。为了更清楚地了解文冠果在当前气候环境下潜在种植区的气候地理环境特征，并消除主导气候地理环境因子间的相互影响，将占主导的5个影响因子分别导入MaxEnt模型，得到相应的单变量响应曲线（见图2），即文冠果种植分布概率与主导气候地理环境因子的关系，并以此为基础计算各主导气候地理环境因子的阈值（存在概率＞0.5），年降水量为350～600 mm，年平均气温约为7～11℃，温度年较差为35～45℃，高程为900～1 800 m、最干季降水量为10～20 mm。这些数据基本定量地描述了文冠果适宜种植区的气候环境特征。结果表明：文冠果适宜种植区集中分布于我国西北部偏干旱的温带季风气候区，并且文冠果具有耐旱的特性。

图2 文冠果分布概率和主导因子响应曲线Fig. 2 Relationships between distribution probabilities and impacting factors of Xanthoceras sorbifolia Bunge

2.2 文冠果地理分布模拟

运用ArcGIS10.1对MaxEnt模型输出的栅格数据进行分类，参照相关研究及模型结果特征[10,20]，将文冠果种植适宜性等级划分为4类，并计算各省份、自治区的文冠果适宜种植区面积及所占面积的百分比（见图3，表2）。不适宜种植区[0-0.3)：全国大部分区域属于该等级，约占全国总面积的92.20%。低适宜种植区[0.3-0.5)：主要分布在新疆局部地区、宁夏、甘肃、内蒙古、山西、河北、河南、北京、辽宁、山东等局部地区，位于适宜种植区的周围，其中宁夏的低适宜种植区面积30 619.16 km2，占宁夏总面积的46.39%，北京的低适宜种植区面积6 298.86 km2，占北京总面积的38.41%。适宜种植区[0.5-0.7)：主要分布在宁夏、甘肃、河南、河北、北京等局部地区，陕西和山西的大部分地区，山西的适宜种植区面积为68 515.16 km2，约占山西总面积的43.72%，陕西的适宜种植区面积为67 308.06 km2，约占陕西总面积的32.71%。高适宜种植区[0.7-1]：基本分布于山西、陕西、甘肃，其他区域有很少的高适宜种植区，其中山西的高适宜种植区面积为35 913.47 km2，约占山西总面积的22.92%，主要集中在太原市、运城市中部地区、临汾市、吕梁市、晋中市、长治市等地区，陕西的高适宜种植区面积为46 122.59 km2，约占陕西总面积的22.41%，集中在榆林市、延安市、渭南市北部地区、咸阳市中部地区、宝鸡市等地区，甘肃的高适宜种植区面积为22 117.88 km2，约占甘肃总面积的4.88%，集中在西峰市、平凉市、天水市等地区。由此可见，黄土高原地区是文冠果的高适宜种植区和适宜种植区，周围有一些低适宜种植区，种植区几乎覆盖了整个黄土高原和中国绝大部分黄土区。分布区覆盖范围有贺兰山、秦岭、吕梁山、太行山、子午岭等山脉，主要生长在低山区黄土坡上[5]。

图3 文冠果潜在空间种植适宜性分布预测结果Fig. 3 Predicted potential areas of Xanthoceras sorbifolia Bunge

表2 研究区文冠果不同等级适生区面积及占比Table 2 Suitability of Xanthoceras sorbifolia Bunge in the study area

在中国所有的种植分布区内，文冠果有自然分布和人工栽培两种，分布区覆盖了中国东北、华北、西北以及新疆等地区，分布于新疆、西藏、青海、四川、甘肃、内蒙古、宁夏、陕西、山西、湖北、河南、河北、北京、天津、安徽、江苏、山东、辽宁、吉林等19个省份、自治区。其中，山西约66.64%、陕西约55.12%、河北约20.53%、宁夏约18.33%、甘肃约16.18%的面积处于文冠果的高度适宜种植区和适宜种植区。

2.3 环境要素对文冠果适宜种植区分布的影响

利用MaxEnt模型以及相同的气候环境指标对气候变化影响下文冠果的适宜种植区分布变化进行模拟，同时按照与上文相同的标准将研究区未来气候条件下文冠果的适宜种植区按等级划分为不适宜种植区、低适宜种植区、适宜种植区和高度适宜种植区，得出未来气候条件下文冠果潜在适宜种植区的空间分布（见图4），并计算各等级适宜生境面积及占全国总面积的百分比（见表3）。

模型结果表明，当前地理环境下文冠果潜在高度适宜种植区面积为112 245.58 km2，占全国总面积的1.17%，适宜种植区面积为273 815.35 km2，占全国总面积的2.85%，低适宜种植区面积为362 989.26 km2，占全国总面积的3.78%，不适宜种植区面积为8 850 949.81 km2，占总面积的92.20%。在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0、RCP8.5四种排放情景下，2041—2060年和2061—2080年两个时间段，文冠果的高适宜种植区、适宜种植区和低适宜种植区基本都是呈面积扩大趋势（见表3）。在2041—2060年的时间段，文冠果的适宜种植区面积、低适宜种植区面积在RCP4.5情景下略有减少，高适宜种植区面积在扩大，但仍比当前情景下的面积大。在RCP2.6气候情景下，2041—2060年和2061—2080年这两个时间段文冠果的可种植区域比当前情景下有所增加。在RCP4.5气候情景下，文冠果的可种植区域继续增加，尤其是适宜种植区，面积比例增加了约0.15%，即大约增加的适宜种植区面积约为14 400 km2。在RCP6.0、RCP8.0气候情景下，随着时间的推移，文冠果的高适宜种植区、适宜种植区、低适宜种植区面积均呈明显增加趋势，RCP8.5情景下，2061—2080年这一时间段的高适宜种植区、适宜种植区、低适宜种植区的面积比例比当前情景下分别增加了约2.30%、1.49%、1.69%。从图4可见，文冠果的高适宜种植区仍在黄土高原地带，集中在陕西、山西、甘肃等地，适宜种植区有逐步外延的趋势，如：新疆阿图什市、阿瓦提县西北部、伊宁市、博乐市，四川的康定县、马尔康县、绵阳市，青海的共和县、平安县、同仁县、西宁市，内蒙的赤峰市，辽宁的锦州市，山东的泰安市、淄博市等地。

3 结论与讨论

3.1 结论

本文通过收集文冠果的种群分布点，采用MaxEnt模型对影响文冠果的主导气候地理环境因子进行分析，对当前气候条件下的种植适宜性进行研究，并对未来不同气候情景下的潜在种植适宜性分区进行预测，研究表明：年降水量、年平均气温、温度年较差、高程和最干季降水量是影响文冠果种植分布的主要因子；文冠果集中分布在黄土高原地区，在当前气候情景下，文冠果的高适宜种植区面积、适宜种植区面积、低适宜种植区面积和不适宜种植区面积分别占全国总面积的1.17%、2.85%、3.78%和92.20%，高适宜种植区主要分布在陕西、山西和甘肃；在未来不同的气候情景下，文冠果的高适宜种植区、适宜种植区的面积均呈扩大趋势，并随着时间的推移，文冠果的高适宜种植区和适宜种植区的面积也在呈逐步扩大趋势。本文的研究对文冠果种植规划区提供了一定的依据，对于文冠果的资源调查、保护与开发等方面能提供重要的参考价值。

3.2 讨论

图4-1 不同气候变化情景下文冠果生境适宜性分布Fig. 4-1 Habitat suitability for Xanthoceras sorbifolia Bunge under different climate change scenarios

图4-2 不同气候变化情景下文冠果生境适宜性分布Fig. 4-2 Habitat suitability for Xanthoceras sorbifolia Bunge under different climate change scenarios

表3 不同气候变化情景下文冠果不同等级适生区占比Table 3 Statistics of habitat suitability for Xanthoceras sorbifolia Bunge under different climate change scenarios

1）文冠果的种群分布点集中分布于北纬30°～45°，东经 100°～120°之间的黄土高原地区，广泛分布于山西、陕西、甘肃、河北，零散分布在内蒙古、新疆、青海、安徽、山东、辽宁等19个省、自治区。在当前气候条件下，文冠果的适宜种植区面积约占全国总面积的92.20%，低适宜种植区面积约占全国总面积的3.78%，适宜种植区面积约占全国总面积的2.85%，高适宜种植区面积约占全国总面积的1.17%。高适宜种植区分布在秦岭以北，吕梁山、太行山、贺兰山等山脉，主要集中在陕西的榆林市、延安市、宝鸡市、渭南市、咸阳市等地区，山西的太原市、运城市、临汾市、吕梁市、晋中市、长治市等地区，甘肃的西峰市、平凉市、天水市等地区。本研究通过物种分布模型得到的文冠果潜在适宜空间分布结果与文献记载的分布区基本符合，说明了建模的科学性与准确性。同时，文冠果目前处于低产、良种资源缺乏、人工栽培历史短的状态[12]，对于文冠果的野生资源应加强核心种植区的保护与管理，加大人工种植力度，扩大种群数量，提高种群质量，不断提升其经济效益；文冠果的种植区几乎覆盖了整个黄土高原和中国绝大多数的黄土区，加强其种植管理也能改善黄土高原脆弱的生态环境，提升环境质量，实现生态保护。

2）目前，对文冠果的研究主要集中于生长条件、生物学特征、有效成分含量等，对其地理分布的研究较少。本文则是对其生境的研究，通过选取10种单一物种分布模型的评价因子贡献率分析，得知影响文冠果生长的主导气候因子有年降水量、年平均气温、温度年较差、高程和最干季降水量，这5个因子的累积贡献率高达92.00%，通过对单变量的响应曲线进行分析，文冠果适宜生长的条件为：年降水量在350～600 mm、年平均气温约为7～11℃、温度年较差为35～45℃、高程为 900～1 800 m、最干季降水量为10～20 mm，这与查阅文献所得到的文冠果适宜种植区偏干旱、半干旱，属于温带季风气候区，垂直分布在300～1 500 m的丘陵及荒山坡，其中海拔80～1 800 m的黄土丘陵沟壑区分布最多，少量文冠果也能生长在地势比较平坦的平原地区，具有耐干旱、瘠薄，有较强适应性和抗逆性[2-5]的特性相吻合。

3）采用 RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和 RCP8.5四种排放情景的气候数据对2041—2060年、2061—2080年两个时间段进行气候变化对文冠果种植适宜性分布影响的模拟。结果表明在不同气候情景下，文冠果的适宜种植面积以及分布都有所不同，说明气候变化对文冠果的潜在分布影响有一定的不确定性。但模型结果表明，在所有排放情景下，随着时间的推移，文冠果的高度适宜种植区面积、适宜种植区面积和低适宜种植区面积基本都是呈增长趋势，但高度适宜种植区面积仍在黄土高原地带，适宜种植区有逐步外延的趋势。这与文冠果作为生物柴油物种越来越受到人们的重视有紧密的关系。“十一五”期间，我国已在河北、陕西、内蒙古、新疆等地发展文冠果生物能源林，逐步在陕西、吉林、山东等建立文冠果示范基地[2]。文冠果具有较强适应性，未来将会在很多地区种植文冠果。

4）在现有技术条件下，物种分布模型是当前应用最广、预测效果最好的模型之一。而采样点的数量、准确性及影响物种分布因子的选取会直接影响模型预测的准确性。在本研究中，搜集到的698个种群分布点中除去重复及2000年前的分布点仅有155个有确定的地理信息，能够参与模型计算；基于目前的研究条件，本文仅选取10个影响因子进行研究，对于其他因子未作考虑。若能够获取到所有种群分布点的地理信息、考虑物种适宜生境的土壤等因子，文冠果种植适宜区的面积将会缩小，其生境景观特征也将更加破碎，预测结果将会更加精确。