气候变化对杉木适生区和生态位的影响

doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2022.01.016

摘要/Abstract

摘要：

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我国主要的造林树种之一，具有重要的药用、经济和生态服务功能。在全球变暖趋势持续的背景下，气候成为制约物种生存和发展的重要因素，其中空间分布和生态位变化对生态过程的解释至关重要。基于211个杉木分布点和20个环境变量，利用MaxEnt模型和R语言的ecospat软件包对杉木适生区和生态位的变化进行研究，分析杉木对未来气候持续变暖的响应。结果表明杉木当前潜在适生区219.67万km²，约占国土总面积的22.88％，主要分布在我国800 mm等降水量线以东的地区，年均温、昼夜温差日均值和最干月降雨量是影响杉木分布的最主要环境变量。未来杉木适生区分布将沿着经纬度方向迁移，高度和低度适生区面积均不断减少。主成分分析（PCA）表明杉木气候生态位在不同时段不同代表性浓度路径下发生转移和扩展，气候生态位中心将向年均温和最暖季降雨量移动。生态位重叠指数均呈现不断下降的趋势，且RCP8.5情景下的生态位重叠率下降最为明显。结果表明全球气候变暖会改变物种的空间分布区域，并将对现存的生态系统产生不同程度的影响。杉木与气候变化关系的研究拓展了人们对气候变化与植物物种生态特征的认识，为杉木乃至乔木树种的保护和利用提供了理论依据。

关键词: 杉木, MaxEnt模型, 气候变化, 潜在适生区, 生态位变化

Abstract:

Cunninghamia lanceolata is the main afforestation tree species in China， which has important functions of medicine， economy and ecological service. With the trend of continued global warming， climate has become an important factor restricting the survival and development of species， among which spatial distribution and niche changes are crucial to the interpretation of ecological processes. To analyze the response of C. lanceolata to future climate warming， 211 C. lanceolata distribution points and 20 environmental variables were taken， MaxEnt model and ecospat R software package were used as methods. The results showed that the current potential suitable area of C. lanceolata was 2.196 7 million km²， about 22.88% of the total land area， mainly distributed in the east of 800 mm equivalent precipitation line. Mean annual temperature， diurnal mean temperature difference and driest monthly rainfall were the main environmental factors affecting the distribution of C. lanceolata. The suitable area of C. lanceolata would migrate along the latitude and longitude directions， and the area of highly and moderately suitable habitats continue to decrease. Principal component analysis（PCA） showed that the climatic niches of C. lanceolata shifted and expanded under different representative concentration paths in different periods， and the centers of the climatic niches would move to the average annual temperature and the warmest seasonal rainfall. The niche overlap index would show a trend of continuous decline， and the niche overlap rate of RCP8.5 show the most obvious decline. The results showed that global warming would change the spatial distribution of species， and affect the existing ecosystem to varying degrees. The research on the relationship between C. lanceolata and climate change expanded people’s understanding of climate change and the ecological characteristics of plant species， and provided a theoretical basis for the protection and utilization of C. lanceolata and even arbors species.

Key words: Cunninghamia lanceolata')">Cunninghamia lanceolata, MaxEnt model, climate change, potential suitable area, niche changes

中图分类号:

S791.27

唐兴港, 袁颖丹, 张金池. 气候变化对杉木适生区和生态位的影响[J]. 植物研究, 2022, 42(1): 151-160.

Xinggang Tang, Yingdan Yuan, Jinchi Zhang. Effects of Climate Change on the Suitable Area and Niche of Cunninghamia lanceolata[J]. Bulletin of Botanical Research, 2022, 42(1): 151-160.

图/表 6

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表 1

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参考文献 46

1	Dawson T P，Jackson S T，House J I，et al.Beyond predictions：biodiversity conservation in a changing climate［J］.Science，2011，332（6025）：53-58.
2	黎磊，陈家宽.气候变化对野生植物的影响及保护对策［J］.生物多样性，2014，22（5）：549-563.
	Li L，Chen J K.Influence of climate change on wild plants and the conservation strategies［J］.Biodiversity Science，2014，22（5）：549-563.
3	Elliott M，Borja Á，Mcquatters-Gollop A，et al.Force majeure：will climate change affect our ability to attain Good Environmental Status for marine biodiversity？［J］.Marine Pollution Bulletin，2015，95（1）：7-27.
4	吴军，徐海根，陈炼.气候变化对物种影响研究综述［J］.生态与农村环境学报，2011，27（4）：1-6.
	Wu J，Xu H G，Chen L.A review of impacts of climate change on species［J］.Journal of Ecology and Rural Environment，2011，27（4）：1-6.
5	Kozak K H，Graham C H，Wiens J J.Integrating GIS-based environmental data into evolutionary biology［J］.Trends in Ecology & Evolution，2008，23（3）：141-148.
6	Prevéy J S，Parker L E，Harrington C A，et al.Climate change shifts in habitat suitability and phenology of huckleberry（Vaccinium membranaceum）［J］.Agricultural and Forest Meteorology，2020，280：107803.
7	Al-Qaddi N，Vessella F，Stephan J，et al.Current and future suitability areas of kermes oak（Quercus coccifera L.） in the Levant under climate change［J］.Regional Environmental Change，2017，17（1）：143-156.
8	Bellard C，Bertelsmeier C，Leadley P，et al.Impacts of climate change on the future of biodiversity［J］.Ecology Letters，2012，15（4）：365-377.
9	Weltzin J F，Bridgham S D，Pastor J，et al.Potential effects of warming and drying on peatland plant community composition［J］.Global Change Biology，2003，9（2）：141-151.
10	翁恩生，周广胜.用于全球变化研究的中国植物功能型划分［J］.植物生态学报，2005，29（1）：81-97.
	Weng E S，Zhou G S.Defining plant functional types in China for global change studies［J］.Acta Phytoecologica Sinica，2005，29（1）：81-97.
11	Anderson R P.A framework for using niche models to estimate impacts of climate change on species distributions［J］.Annals of the New York Academy of Sciences，2013，1297（1）：8-28.
12	Mantyka-Pringle C S，Martin T G，Rhodes J R.Interactions between climate and habitat loss effects on biodiversity：a systematic review and meta‐analysis［J］.Global Change Biology，2013，19（5）：1642-1644.
13	Xu K，Wang X P，Jiang C，et al.Assessing the vulnerability of ecosystems to climate change based on climate exposure，vegetation stability and productivity［J］.Forest Ecosystems，2020，7（3）：315-326.
14	Wiegand T，Moloney K A.Rings，circles，and null‐models for point pattern analysis in ecology［J］.Oikos，2004，104（2）：209-229.
15	Law R，Illian J，Burslem D F R P，et al.Ecological information from spatial patterns of plants：insights from point process theory［J］.Journal of Ecology，2009，97（4）：616-628.
16	Bi J，Blanco J A，Seely B，et al.Yield decline in Chinese-fir plantations：a simulation investigation with implications for model complexity［J］.Canadian Journal of Forest Research，2007，37（9）：1615-1630.
17	晏姝，胡德活，郑会全，等.16年生杉木2代种子园家系区域测定分析［J］.森林与环境学报，2018，38（4）：414-418.
	Yan S，Hu D H，Zheng H Q，et al.Regional experiment on 16-year-old families of the 2nd generation seed orchard of Cunninghamia lanceolata［J］.Journal of Forest and Environment，2018，38（4）：414-418.
18	覃祚玉，唐健，曹继钊，等.基于主成分和聚类分析相结合的连栽杉木土壤肥力评价［J］.林业资源管理，2015（5）：81-87.
	Qin Z Y，Tang J，Cao J Z，et al.Assessment of soil fertility of continuous plantation of Chinese fir based on principal component and cluster analysis［J］.Forest Resources Management，2015（5）：81-87.
19	杨桂娟，胡海帆，孙洪刚，等.林分年龄、造林密度和林分自然稀疏对杉木人工林个体大小分化和生产力关系的影响［J］.林业科学，2019，55（11）：126-136.
	Yang G J，Hu H F，Sun H G，et al.The influences of stand age，planting density and self-thinning on relationship between size inequality and periodic annual increment in Chinese fir（Cunninghamia lanceolata） plantations［J］.Scientia Silvae Sinicae，2019，55（11）：126-136.
20	Rao K K，Patwardhan S K，Kulkarni A，et al.Projected changes in mean and extreme precipitation indices over India using PRECIS［J］.Global and Planetary Change，2014，113：77-90.
21	姜大膀，富元海.2 ℃全球变暖背景下中国未来气候变化预估［J］.大气科学，2012，36（2）：234-246.
	Jiang D B，Fu Y H.Climate change over China with a 2 ℃ global warming［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences，2012，36（2）：234-246.
22	Yu H，Cooper A R，Infante D M.Improving species distribution model predictive accuracy using species abundance：application with boosted regression trees［J］.Ecological Modelling，2020，432：109202.
23	Kass J M，Vilela B，Aiello‐Lammens M E，et al.Wallace：a flexible platform for reproducible modeling of species niches and distributions built for community expansion［J］.Methods in Ecology and Evolution，2018，9（4）：1151-1156.
24	Di Cola V，Broennimann O，Petitpierre B，et al.Ecospat：an R package to support spatial analyses and modeling of species niches and distributions［J］.Ecography，2017，40（6）：774-787.
25	李宏群，刘晓莉，汪建华，等.基于MaxEnt模型荔枝在中国的潜在种植区预测［J］.长江流域资源与环境，2020，29（2）：394-400.
	Li H Q，Liu X L，Wang J H，et al.Prediction on potential planting area of Litchi chinensis in China by using MaxEnt model［J］.Resources and Environment in the Yangtze Basin，2020，29（2）：394-400.
26	Zhang M G，Slik J W F，Ma K P.Using species distribution modeling to delineate the botanical richness patterns and phytogeographical regions of China［J］.Scientific Reports，2016，6（1）：22400.
27	郭杰，刘小平，张琴，等.基于MaxEnt模型的党参全球潜在分布区预测［J］.应用生态学报，2017，28（3）：992-1000.
	Guo J，Liu X P，Zhang Q，et al.Prediction for the potential distribution area of Codonopsis pilosula at global scale based on MaxEnt model［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2017，28（3）：992-1000.
28	谭钰凡，左小清.基于GIS与MaxEnt模型的金花茶潜在适生区与保护研究［J］.热带亚热带植物学报，2018，26（1）：24-32.
	Tan Y F，Zuo X Q.Studies on potential suitable growth areas and protection of Camellia nitidissima based on GIS and MaxEnt model［J］.Journal of Tropical and Subtropical Botany，2018，26（1）：24-32.
29	朱耿平，范靖宇，王梦琳，等.ROC曲线形状在生态位模型评价中的重要性—以美国白蛾为例［J］.生物安全学报，2017，26（3）：184-190.
	Zhu G P，Fan J Y，Wang M L，et al.The importance of the shape of receiver operating characteristic（ROC） curve in ecological niche model evaluation—case study of Hlyphantria cunea［J］.Journal of Biosafety，2017，26（3）：184-190.
30	Broennimann O，Fitzpatrick M C，Pearman P B，et al.Measuring ecological niche overlap from occurrence and spatial environmental data［J］.Global Ecology and Biogeography，2012，21（3-4）：481-497.
31	王哲，李波，肖井雷，等.基于MaxEnt和ArcGIS的吉林省穿龙薯蓣分布区划研究［J］.中国中药杂志，2017，42（22）：4373-4377.
	Wang Z，Li B，Xiao J L，et al.Regionalization study of Dioscorea nipponica in Jilin province based on MaxEnt and ArcGIS［J］.China Journal of Chinese Materia Medica，2017，42（22）：4373-4377.
32	付永硕，李昕熹，周轩成，等.全球变化背景下的植物物候模型研究进展与展望［J］.中国科学：地球科学，2020，50（9）：1206-1218.
	Fu Y S，Li X X，Zhou X C，et al.Progress in plant phenology modeling under global climate change［J］.Science China Earth Sciences，2020，63（9）：1237-1247.
33	Zhang K L，Zhang Y，Zhou C，et al.Impact of climate factors on future distributions of Paeonia ostii across China estimated by MaxEnt［J］.Ecological Informatics，2019，50：62-67.
34	Li H Q，Liu X H，Wang J H，et al.Maxent modelling for predicting climate change effects on the potential planting area of tuber mustard in China［J］.The Journal of Agricultural Science，2019，157（5）：375-381.
35	郭飞龙，徐刚标，牟虹霖，等.伯乐树潜在地理分布时空格局模拟［J］.植物科学学报，2020，38（2）：185-194.
	Guo F L，Xu G B，Mou H L，et al.Simulation of potential spatiotemporal population dynamics of Bretschneidera sinensis Hemsl.based on MaxEnt model［J］.Plant Science Journal，2020，38（2）：185-194.
36	Hamid M，Khuroo A A，Charles B，et al.Impact of climate change on the distribution range and niche dynamics of Himalayan birch，a typical treeline species in Himalayas［J］.Biodiversity and Conservation，2019，28（1）：2345-2370.
37	Villaverde T，González-Moreno P，Rodríguez-Sánchez F，et al.Niche shifts after long‐distance dispersal events in bipolar sedges（Carex，Cyperaceae）［J］.American Journal of Botany，2017，104（11）：1765-1774.
38	申关望，沈光辉，扶定.城市行道树杉木栽培技术及应用［J］.现代农村科技，2013（17）：52.
	Shen G W，Shen G H，Fu D.Cultivation technology and application of urban street tree Cunninghamia lanceolata［J］.Modern Rural Science and Technology，2013（17）：52.
39	江一帆，李明阳，刘雅楠，等.气候变化对湖南省马尾松适宜生境影响分析［J］.南京林业大学学报：自然科学版，2019，43（4）：94-100.
	Jiang Y F，Li M Y，Liu Y N，et al.Impact of climate change on suitable habitats of Pinus massoniana in Hunan province［J］.Journal of Nanjing Forestry University：Natural Sciences Edition，2019，43（4）：94-100.
40	吕振刚，李文博，黄选瑞，等.气候变化情景下河北省3个优势树种适宜分布区预测［J］.林业科学，2019，55（3）：13-21.
	Lü Z G，Li W B，Huang X R，et al.Predicting suitable distribution area of three dominant tree species under climate change scenarios in Hebei province［J］.Scientia Silvae Sinicae，2019，55（3）：13-21.
41	张殷波，高晨虹，秦浩.山西翅果油树的适生区预测及其对气候变化的响应［J］.应用生态学报，2018，29（4）：1156-1162.
	Zhang Y B，Gao C H，Qin H.Prediction of the suitable distribution and responses to climate change of Elaeagnus mollis in Shanxi province，China［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2018，29（4）：1156-1162.
42	胡秀，郭微，吴福川，等.MaxEnt生态学模型在野生植物近自然林引种区划中的应用——以红姜花为例［J］.广西植物.2015，35（3）：325-330.
	Hu X，Guo W，Wu F C，et al.Application of MaxEnt ecology model in near-nature forestry plant introduction regionalization with Hedychium coccineum as an example［J］.Guihaia，2015，35（3）：325-330.
43	Zhang K L，Zhang Y，Zhou C，et al.Impact of climate factors on future distributions of Paeonia ostii across China estimated by MaxEnt［J］.Ecological Informatics，2019，50（1）：62-67.
44	徐思远，李斌成，田浩园，等.连香树在东南亚潜在分布区预测与分析［J］.山西农业大学学报：自然科学版，2020，40（4）：104-110.
	Xu S Y，Li B C，Tian H Y，et al.Simulation and analysis of the potential distribution area of Cercidiphyllum japonicum in Southeast Asia［J］.Journal of Shanxi Agricultural University：Natural Science Edition，2020，40（4）：104-110.
45	秦思思，颜玉娟，欧阳晟.基于MAXENT模型和ArcGIS预测蜡梅适生域在中国的潜在分布［J］.生态科学，2020，39（3）：49-56.
	Qin S S，Yan Y J，Ouyang S.Prediction of the potential distribution of Chimonanthus praecox in China based on MAXENT model and ArcGIS［J］.Ecological Science，2020，39（3）：49-56.
46	Walter C，Rossel R A V，Mcbratney A B.Spatio-temporal simulation of the field-scale evolution of organic carbon over the landscape［J］.Soil science society of America Journal，2003，67（5）：1477-1486.

[1]	李宁宁, 张爱平, 张林, 王克清, 罗红燕, 潘开文. 气候变化下青藏高原两种云杉植物的潜在适生区预测[J]. 植物研究, 2019, 39(3): 395-406.
[2]	周泽建, 刘妮妮, 伍冰倩, 张红, 赵珩. 3种速生树种落叶水浸提液对走马胎幼苗生长的化感效应[J]. 植物研究, 2018, 38(4): 568-574.
[3]	朱李奎, 唐亮, 赵贝贝, 路兆庚, 王莉. 杉木小孢子叶球发育过程中形态结构变化[J]. 植物研究, 2018, 38(3): 349-356.
[4]	刘然, 王春晶, 何健, 张志翔. 气候变化背景下中国冷杉属植物地理分布模拟分析[J]. 植物研究, 2018, 38(1): 37-46.
[5]	梅光义;孙玉军*;许昊. 杉木风景游憩林冠径与胸径关系研究[J]. 植物研究, 2013, 33(4): 416-420.
[6]	袁博;白红英*;章杰;马新萍. 秦岭山地植被净初级生产力及对气候变化的响应[J]. 植物研究, 2013, 33(2): 225-231.
[7]	车少辉;张建国*. 基于自稀疏理论的杉木人工林密度指标研究[J]. 植物研究, 2012, 32(3): 343-347.
[8]	齐　明. 杉木远交亲本群体遗传多样性研究[J]. 植物研究, 2008, 28(3): 299-303.
[9]	姜乃准, 段文标. 黑龙江省未来气候生态与森林的作用研究[J]. 植物研究, 1996, 16(2): 242-245.