四川省野核桃生境適應(yīng)性及適生區(qū)劃研究

吳明, 李鋒, 王茹琳, 趙金鵬

1. 南江縣林業(yè)局，四川 南江 636000；

2. 四川省農(nóng)村經(jīng)濟綜合信息中心，四川 成都 610072；

3. 南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點實驗室，四川 成都 610066；

4. 中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，四川 成都 610072

野核桃（Juglans cathayensisDode），別名山核桃，隸屬胡桃科胡桃屬，落葉喬木或小喬木，主要分布在甘肅、陜西、山西、云南、四川、湖北、湖南等省份[1-4]。野核桃全身都是寶，其木質(zhì)優(yōu)良，可用于軍工和高檔裝飾；其果實內(nèi)含有亞油酸、亞麻酸及多種微量元素，經(jīng)常食用可以健腦，也可預(yù)防高血壓、心腦血管等疾病[5]；其葉和青皮含有黃酮類、醌類化合物，可用來提取天然活性產(chǎn)物。

近年來，對野核桃的研究主要集中于野核桃資源現(xiàn)狀分析、種群生命表與波動周期、葉及根皮的化學(xué)成分等方面[6]，對野核桃資源現(xiàn)狀分析的研究雖有涉及，但僅集中于新疆、山西等幾個省份，尚未見有關(guān)于四川的研究。

研究利用MaxEnt模型，結(jié)合全球生物多樣性信息網(wǎng)、文獻(xiàn)查詢及實地考察的野生核桃存在點位數(shù)據(jù)，分析影響野核桃分布的關(guān)鍵氣象因子，并劃分野核桃在四川的適生范圍，以期為四川野核桃的種質(zhì)資源保護和開發(fā)利用提供相關(guān)參考。

1 材料和方法

1.1 環(huán)境及物種數(shù)據(jù)的獲取

研究主要涉及三方面的數(shù)據(jù)資料：一是具有較強生物學(xué)意義的19個生物氣候變量，此數(shù)據(jù)主要來自全球氣候數(shù)據(jù)庫WorldClim下載，數(shù)據(jù)的空間分辨率為2.5 arc-minutes（約4.5 km2）；二是野核桃在四川實際分布數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)主要來自全球生物多樣性信息網(wǎng)、文獻(xiàn)及實際考察資料，數(shù)據(jù)需過濾重復(fù)、模糊及相鄰等影響模型準(zhǔn)確度和運行效率的記錄；三是海拔高度數(shù)據(jù)，這是為了探究海拔因素對野生核桃分布的影響。

1.2 模型評價及檢驗方法

MaxEnt預(yù)測模型與實際情況的吻合度采用受試者工作特征曲線ROC（Receiver Operating Characteristic Curve）分析方法評價，該方法根據(jù)ROC曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積（AUC，Area under ROC Curve）值來判定，王茹琳等[7]在研究美味獼猴桃地理分布模擬與氣候變化影響分析時給出了具體的評判標(biāo)準(zhǔn)。通l過評判標(biāo)準(zhǔn)可看出，在排除空間自相關(guān)的情況下，AUC值越大，預(yù)測模型與實際情況的吻合度越高。

1.3 適生區(qū)判定及顯示方法

利用ArcGIS的ArcToolbox的格式轉(zhuǎn)換工具，將預(yù)測模型輸出結(jié)果轉(zhuǎn)換成Raster格式，然后利用ArcGIS“提取分析”功能，構(gòu)建野核桃在四川存在概率分布圖。根據(jù)野核桃在四川的實際存在情況并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，參照趙金鵬等[8-9]在研究軟棗獼猴桃在四川潛在分布過程中的劃分標(biāo)準(zhǔn)，利用ArcGIS對野核桃在四川的分布概率（P）進行重分類。

2 結(jié)果分析

2.1 預(yù)測模型準(zhǔn)確性評價

研究利用測試數(shù)據(jù)集檢驗構(gòu)建的預(yù)測模型準(zhǔn)確性，繪制了ROC曲線圖（見圖1）。從圖1中可得出，AUC值為0.990，根據(jù)模型準(zhǔn)確性評判標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測模型能很好的模擬野核桃在四川分布。

2.2 模型構(gòu)建關(guān)鍵因子選擇

研究首先利用刀切法檢驗了各環(huán)境變量在預(yù)測模型構(gòu)建過程中的重要程度（見圖2），從圖中可看出年均溫、最暖季降水量、最冷季均溫和最干季均溫4個因子的規(guī)則化訓(xùn)練得分最高，是影響野生核桃分布的最主要因素；最干月降水量、最干季降水量、最冷季降水量、降水量變異系數(shù)、最暖月最高溫、年均溫變化范圍、海拔高度7個因子的規(guī)則化訓(xùn)練得分較低，對模型構(gòu)建的影響較低。綜上所述，選取年均溫、日較差月均值、等溫性、溫度季節(jié)性標(biāo)準(zhǔn)差、最冷月最低溫、最濕季均溫、最干季均溫、最暖季均溫、最冷季均溫、年降水量、最濕月降水量、最濕季降水量、最暖季降水量13個變量作為構(gòu)建野生核桃分布預(yù)測模型的主要環(huán)境因子。

圖 1 MaxEnt模型適用性檢驗AUC值Fig. 1 AUC value for the applicability test of the MaxEnt model

圖 2 影響野核桃分布的環(huán)境變量重要性分析Fig. 2 Analysis on the importance of environmental variables affecting the distribution of Juglans cathayensis Dode

2.3 環(huán)境變量對野核桃影響評估

研究利用MaxEnt軟件對環(huán)境變量和野核桃的關(guān)系進行了分析，以存在概率0.4為閾值對各變量的適宜范圍進行分級， 可得出影響野核桃在四川潛在地理分布的環(huán)境變量適宜范圍（見表1）。

表 1 影響野核桃在四川潛在地理分布的環(huán)境變量適宜范圍Tab. 1 Suitable range of environmental variables affecting the potential distribution of Juglans cathayensis Dode in Sichuan province

2.4 當(dāng)前情景下野核桃在四川的潛在分布

研究按照野核桃存在概率將四川省劃分為高適生、中適生、低適生及不適生四個區(qū)域（見圖3），從圖中可看出，野核桃主要分布在盆地區(qū)和攀西地區(qū)，川西高原整體適生性較低。從氣候類型來看，適生區(qū)以暖溫帶、山地北亞熱帶以及中亞熱帶為主，部分為溫帶和局部河谷南亞熱帶；從海拔高度來看，該區(qū)域海拔高度主要在200～3500 m；從地形來看，主要包含成都平原、盆周山區(qū)、盆地淺丘及丘陵區(qū)、盆東北平行嶺谷區(qū)、安寧河平原，以及攀西山地區(qū)。綜上所述，野核桃高適生區(qū)主要分布在盆周山地區(qū)及攀西山地區(qū)；適生性次高的區(qū)域主要集中在成都平原、盆中淺丘區(qū)、盆南丘陵區(qū)及安寧河平原。

圖 3 基于MaxEnt模型的野核桃在四川潛在分布Fig. 3 Potential suitable distribution of Juglans cathayensis Dode based on MaxEnt model in Sichuan province

3 討論與結(jié)論

3.1 模型的選擇

常用的生境評價模型主要是機理模型、回歸模型和Maxent生態(tài)位模型。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究，生態(tài)位模型較其他兩種模型更有優(yōu)勢，其不僅可以避免其他兩種模式的缺點[10-11]，而且在物種分布數(shù)據(jù)不足的情況下仍能得到較為滿意的結(jié)果[12-14]。因此，研究選取MaxEnt 生態(tài)位模型作為野核桃在四川潛在分布的預(yù)測模型。研究使用的生物氣候變量取自全球氣候數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集所包含的19個具有較強生物學(xué)意義的生物氣候變量存在自相關(guān)性，所以對這19個生物氣候變量進行篩選，從而剔除模擬過程中的冗余信息，提高模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。

3.2 野核桃與氣象因素的關(guān)系

氣象要素與植物的生長影響密切，在一定條件下，氣象要素對植物的生存起決定性作用。研究利用刀切法檢驗了溫度、降水及海拔對野核桃生長影響的重要性，結(jié)果表明年均溫、最暖季降水量、最冷季均溫和最干季均溫等4個變量的規(guī)則化得分均超過2.18，表明溫度和降水對野核桃分布影響較大。通過MaxEnt建立野核桃存在概率與氣象變量之間的響應(yīng)曲線，可以得出二者的關(guān)系。下面以年均溫為例，當(dāng)年均溫在-10℃～15.66℃時，野核桃存在概率隨著年均溫升高而增加；15.66℃～25℃時，野核桃存在概率隨著年均溫升高而降低；以存在概率0.4為分界點，則野核桃年均溫適宜溫度范圍為9.68～18.88℃，其中15.66℃為最適溫度值，此結(jié)果與有些學(xué)者的研究較為吻合[15-17]。

海拔的規(guī)則化得分僅為1.22，表明其對野核桃潛在分布的影響較小，分析其和野核桃存在概率發(fā)現(xiàn)，當(dāng)概率選為0.5以上時，從海拔300 m到3800 m都適宜核桃生長。當(dāng)海拔高度為2100 m時，野核桃的存在概率最高，達(dá)到95%以上。海拔之所以對野核桃潛在分布影響較小，很大可能是海拔高度影響氣溫和降水，即三者之間具有相關(guān)性。

3.3 野核桃在四川潛在地理分布

研究表明，野核桃在四川總適生面積為363 993 km2，其中高適生面積為141 459 km2，中適生面積為116 474 km2。參考朱益川等[18]區(qū)劃方法，綜合考慮自然地理、氣候因子、核桃栽培歷史及資源狀況，可將野核桃在四川潛在地理分布劃分為四塊（根據(jù)適生區(qū)判定標(biāo)準(zhǔn)，低適生區(qū)野核桃的存在概率低于0.4，所以在劃分產(chǎn)區(qū)時不做考慮）。具體劃分情況如下：1.盆北及盆東北區(qū)，以西北-東南走向的米倉山、大巴山及東北-西南走向的龍門山的廣闊低山、深丘為主，一般海拔為600～1 200 m，包括廣元、南充北部、達(dá)州、巴中及綿陽。此區(qū)域高適生面積為62 465 km2，中適生面積為4 045 km2，一直以來是我省核桃重要產(chǎn)區(qū)，為野核桃的研究和保護提供重要的基因樣本。2.川西高山峽谷區(qū)，以南-北走向的邛崍山脈及川西和川西北高山峽谷地區(qū)為主，一般海拔為1 500 m～4 500 m，包括阿壩東部和南部、甘孜中部和東北部、德陽西北部、成都西部及雅安。此區(qū)域高適生區(qū)面積為20 879 km2，中適生面積為33 701 km2，野核桃樹生長旺盛，果仁品質(zhì)高。3.川西南山地區(qū)，以西北-東南走向的涼山高原與四川盆地過渡地帶的丘陵、山地和攀西高原為主，一般海拔為1 700～3 000 m，包括樂山西南部、宜賓西南部、瀘州南部、涼山和攀枝花。此區(qū)域高適生面積51 701 km2，中適生面積為24 982 km2，具有獨特的生態(tài)氣候條件，適宜野核桃的生長發(fā)育。4.盆中地區(qū)，以平原、淺丘、深丘地貌為主，包括廣安、南充南部、遂寧、德陽東南、成都東部、資陽、內(nèi)江、眉山、樂山東北部、宜賓東北部、自貢、瀘州北部。此區(qū)域高適生面積為5 859 km2，中適生面積為47 629 km2，是野核桃一般栽培區(qū)。

3.4 研究不足和局限

研究涉及的數(shù)據(jù)包括野核桃在四川的分布數(shù)據(jù)和環(huán)境變量，兩部分?jǐn)?shù)據(jù)在完整性和準(zhǔn)確性上還存在一定的問題。野核桃的分布數(shù)據(jù)部分來源于查閱文獻(xiàn)和檢索數(shù)據(jù)庫，有些點位無明確的經(jīng)緯度記錄，所以需要使用坐標(biāo)定位軟件來確定，這就不可避免地存在地理誤差；部分來源于實地調(diào)研的數(shù)據(jù)，雖然較為系統(tǒng)且能準(zhǔn)確的反映野核桃的分布情況，但也不能保證毫無遺漏。相關(guān)研究表明，野核桃的分布雖然與氣候因素有很大的關(guān)系，但與地形特征、土壤類型、地區(qū)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)等因素同樣關(guān)系密切，所以僅針對氣候因素的分布范圍模擬，不可避免的會造成預(yù)測生態(tài)位比實際生態(tài)位要寬。基于以上問題，本課題組在今后將盡可能獲取更全面、準(zhǔn)確的分布數(shù)據(jù)、環(huán)境變量、土壤情況及其他因素數(shù)據(jù)，進一步提高野核桃適生范圍預(yù)測的準(zhǔn)確性。