贵州省植物物种多样性空间分布特征及影响因素

石秀雄，杨广斌*，张 国，刘 芳，李亦秋

(1. 贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550025； 2. 贵州省山地资源与环境遥感应用重点实验室，贵州 贵阳 550025；3. 贵州师范大学 喀斯特研究院，贵州 贵阳 550025； 4. 国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州 贵阳 550025)

物种多样性空间分布格局一直是宏观生态学和生物地理学研究的热点问题之一[1]。生物多样性丧失与保护、生物多样性大尺度格局及形成机制、群落维持机制等更是成为国内外学者重点关注的问题[2]。植物物种多样性作为群落的重要特征，是生态系统结构、功能及其稳定性的基础[3-4]。随着生态研究的不断深入，植物物种多样性格局形成机制研究成为了生态学热点问题[5-6]，该方面研究是理解区域生物多样性维持机制重要的内容；同时对生物多样性的保护管理等有着重要意义[7-10]。

中国西南山地是全球34个生物多样性热点地区之一[11-12]。我国西南地区植物多样性空间分布及影响因素研究已取得部分成果。张凡等[13]通过对贵州生物多样性现状分析及生物多样性重要性评价，发现贵州生物多样性重要性水平较高的区域多分布于远离中心城镇的边缘区域或自然保护区及周边区域；王瑞等[14]基于生物多样性指数，借助空间相关分析方法确定了贵州省6个生物多样性热点地区。金勇等[15]认为贵州省国家重点保护野生植物物种丰富度南部地区高于北部地区，环省界区域往内陆呈现明显减少趋势。容丽等[16]探讨了地形因子对喀斯特山地植物物种多样性及其分布格局的影响。黄郎等[17]分析了贵州野生木本观赏植物的组成特征、区系成分、园林运用及多样性空间分布格局。杨飞龄等[18]基于云南各县(市、区)的国家重点保护野生植物统计信息，运用Dobson算法筛选出了云南省的植物保护优先区。冯建孟等[19]探讨了滇西北地区温、热带植物的分布格局及其控制因素，认为生境异质性对植物多样性格局的影响力可能在一定程度上取决于植物的地理分布区性质。叶鹏程等[20]研究发现滇西北地区高等植物物种多样性分布格局主要与纬度和海拔高差这2个地理因子相关。

综上可以看出，云贵高原始终是中国西南地区生物多样性研究的热点地区。县、区是我国最为基础的行政单元[21]，生物多样性保护与资源配置最终要落实到县级行政单元[18]。从已有研究来看，贵州植物多样性空间分布研究尚未具体到县级行政单元。人为干扰是影响植物物种多样性分布与发展的一个重要因素[22]，关于植物物种多样性空间分布影响因素的研究，多数研究均侧重于自然因素分析，而对于社会和经济等人为因素影响鲜有提及。基于此，本研究以县级行政单元为基础单位，利用地理空间自相关方法分析了贵州省植物物种多样性宏观分布特征；同时运用地理探测器方法探讨自然与人类活动因素对贵州省植物物种多样性分布的影响特征。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

贵州省位于广西盆地与四川盆地之间，属云贵高原的一部分，介于北纬24°35′～29°15′，东经103°35′～109°35′，面积17.636万km2，属于我国西南喀斯特生态脆弱地区，喀斯特地貌占全省总面积的73%，总体地势西高东低，地形地貌复杂。2016年贵州省获国家批准成为首批3个国家生态文明试验区之一，国家明确提出要开展该地区“典型脆弱生态修复与保护研究”，推动“石漠化治理、生物多样性保护等技术模式研发与典型示范”。

1.2 数据来源及预处理

表1 数据来源及预处理Table 1 Data sources and preprocessing

续表1 数据来源及预处理Table 1 Data sources and preprocessing

1.3 研究方法

莫兰指数(Moran′sI)能够反映一个区域单元上某一属性值与邻近区域单元上同一现象或属性值的相关程度[24]。通过测算全局Moran′sI指数来分析贵州省植物物种多样性是否存在集聚特性。其表达式为：

(1)

(2)

式中：Ii表示局部空间自相关指数；Zi、Zj分别为观测值标准化形式；Wij为标准化空间权重系统矩阵；Ii为正表明区域邻近单元属于相似值集聚；Ii为负表明区域邻近单元属于非相似值集聚；Ii为0表示区域邻近单元值属于随机分布[25]。冷热点分析是一种探索局部空间聚类分布特征的有效手段，它可以将变量空间分布聚集的程度通过冷点与热点进行区分。计算公式为：

(3)

对公式(3)进行标准化处理后得到(4)：

(4)

地理探测器是探测空间分异性，以及揭示其背后影响因素的一种新的统计学方法[27]，其理论核心是通过空间异质性来探测因变量与自变量之空间分布格局的一致性。本研究采用地理探测器中的因子探测和交互作用探测模型探析降水(X1)、气温(X2)、海拔(X3)、土壤(X4)、土地利用(X5)、人口(X6)、GDP(X7)对贵州省植物物种多样性分布的影响程度及特点(图1)。

因子探测：探测植物物种多样性Y的空间分异性，以及探测因子X多大程度上解释了植物物种Y的空间分异，用q值度量。表达式为：

(5)

图1 植物物种多样性分布影响因素作用框架Fig. 1 The framework of factors influencing the distribution of plant species diversity

2 结果与分析

2.1 植物物种数总体分布特征

由表2可知，贵州省植物物种数达到极丰富的地区有兴义市、安龙县、荔波县、榕江县、黎平县、剑河县、台江县、雷山县、江口县、印江县、道真县等11个县市，这一结果与这些地区多布置得重要自然保护地的情况形成了呼应，良好的自然生态环境往往孕育着丰富的生物物种。地区物种数量类型占比最高的是丰富型，说明贵州省植物物种数量总体丰富度较高。利用自然断裂法对植物物种分布密度进行5级划分，高密度区仅有雷山县、台江县和道真县3处，一定程度上反映了雷公山国家级自然保护区与大沙河国家级自然保护区两处保护地丰富的生物多样性。总的来看，贵州省植物物种分布密度以中低密度分布为主(表3)。

2.2 空间自相关分析

利用Arcgis10.5对贵州省县域植物物种分布进行空间自相关分析，结果如图2所示。贵州省植物物种数量的Moran′sI指数为0.207，Z值得分为2.9，P值<0.01，表明贵州省植物物种多样性在空间分布上有显著聚集的特征。局部空间自相关分析发现，贵州省植物物种多样性集聚类型仅有"高-高"集聚一种，区域为兴义市、安龙县、雷山县和正安县。由于贵州省植物物种多样性总体丰富度高，仅有少数高值区域明显突出，故未有"低-高"、"高-低"类异常集聚以及“低-低”聚类现象出现。从冷热点分析结果来看，置信度为99%的热点区域是兴义市和正安县；置信度为95%的热点区域是安龙县、三都县、雷山县和道真县；置信度为90%的热点区域是榕江县和松桃县。冷点区域有六枝特区、普定县和西秀区，置信度为90%。贵州省植物物种多样性分布热点区县有8个，冷点区县仅有3个，其他地区不明显。冷热点分析结果进一步验证了空间自相关分析结果的可靠性，证明了贵州省植物物种多样性在空间分布上具有显著的聚集性。

表2 贵州省植物物种多样性数量统计表Table 2 Statistical table of plant speciesdiversity in Guizhou Province

表3 贵州省植物物种多样性密度统计表Table 3 Statistical table of plant speciesdiversity density in Guizhou Province

图3 贵州省植物物种多样性空间自相关Fig. 3 Spatial autocorrelation of plant species diversity in Guizhou province

2.3 植物物种多样性空间分布影响因素探测

2.3.1 因子探测

因子探测器分析结果如表4所示，对贵州省植物物种多样性分布影响最大的因子是降水(0.08)，最小的是海拔和土地利用(0.01)。总的来说，降水、气温、海拔、土壤、土地利用、人口、GDP对贵州省植物物种多样性空间分布均有一定的影响，但影响力较微弱，单因子对植物多样分布影响作用不大。喀斯特地区自然生态环境复杂多样，q值整体水平不高的原因在于影响植物物种分布因子繁多，某一种因素很难从单方面概括性的去解释其成因，故单因子q值水平普遍不高。

表4 因子探测结果Table 4 Factor detection results

2.3.2 交互作用探测

地理交互探测结果如表5所示。降水除与气温叠加后对贵州植物多样性分布解释水平不变外，与其余因子两两叠加后解释水平均较明显增强，说明降水因子是影响贵州省植物物种多样性空间分布的主导因素。值得注意的是，当它与人类活动影响因子交互作用时，特别是与人口因子叠加对贵州省植物物种多样性分布的解释水平达到最高(0.23)。由此可说明，喀斯特地区植物生长对水分条件的敏感性高，抗非自然干扰能力弱，在人类活动影响微弱且水分充足的地方更容易产生植物多样性。

表5 交互探测结果Table 5 Interactive detection results

3 结论与讨论

本研究以贵州省82个区县为基础研究单元，分别运用地理空间自相关和地理探测器方法分析了贵州省植物物种多样性的空间分布特征与影响因素，结论如下：

(1)兴义市、安龙县、荔波县、榕江县、剑河县、台江县、雷山县、江口县、印江县、道真县及黎平县是贵州省植物物种丰富度最高的地区；雷山县、台江县和道真县是贵州省植物物种多样性密度最高的地区。

(2)贵州植物物种多样性在空间分布上显著聚集，但聚类型仅有"高-高"集聚一种；贵州省植物物种多样分布热点区为兴义市、正安县、安龙县、三都县、雷山县、道真县、榕江县及松桃县。

(3)贵州省植物多样性分布最大的影响因子是降水，但单因子对植物物种多样性分布的驱动力不明显。双因子交互作用对植物物种多样性分布的解释力均大于单因子作用，降水与人口因子交互作用对植物物种多样性分布影响最大。

植物多样性是生物多样性中的一个重要分支，植物多样性是以植物为主体，由植物、植物与环境形成的复合体及与此相关的生态过程的总和[28]。植物物种丰富度在不同的类群和尺度上都大不相同，一些地方物种贫乏，而一些地区物种非常丰富。影响植物物种的分布及格局的形成原因有多种，如该区域的自然环境因子及人类活动干扰等[29]。本研究以行政单元为基础对贵州省植物物种多样性分布进行空间分析及影响因素探析，简洁清晰展示了其总体分布特征及热点分布具体区县，也从总体上解释了贵州省植物物种多样性分布的影响因素。但从植物多样性分布与生长机制来看，其形成过程受到复杂的环境条件影响，将植物物种分布区域化表达，容易影响环境因素对其分布特征解释的准确性。如要提升植物物种多样性分布位置识别的准确性，深入了解其影响因子的影响过程及特点，需把植物物种分布范围进一步空间细化，如具体到某一栖息生境范围(山脉、小流域等)，再结合精度相当的相关影响因子进行综合的关联性分析，值得未来继续探究。