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        基于GIS對(duì)極小種群野生植物毛果木蓮的生態(tài)適宜性分析

        2023-10-20 09:11:30余向鑫吳哲榮安星霖艾星梅
        中國(guó)野生植物資源 2023年9期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域生態(tài)評(píng)價(jià)

        余向鑫,吳哲榮,安星霖,艾星梅*,王 斌

        (1.西南林業(yè)大學(xué) 園林園藝學(xué)院,云南 昆明 650224;2.云南民族大學(xué) 瀾湄國(guó)際職業(yè)學(xué)院,云南 昆明 650504;3.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所,云南 昆明 650205)

        毛果木蓮(Manglietia ventiiN.V.Tiep)為木蘭科(Magnoliaceae)木蓮屬(Manglietia)常綠喬木,花大純白色且芳香,是云南特有的極小種群野生植物(Plant species with extremely small populations,PSESP),具有重要的科研、經(jīng)濟(jì)、藥用、觀賞等價(jià)值。但由于它們種群數(shù)量少,分布范圍窄,隨時(shí)面臨著滅絕危險(xiǎn),迫切需要采取保護(hù)措施[1-2]。毛果木蓮有成為風(fēng)景園林樹(shù)種的潛力,具有很好的發(fā)展和推廣前景,但目前毛果木蓮在園林中應(yīng)用較少,種質(zhì)資源有待進(jìn)一步合理開(kāi)發(fā)利用,因此需要開(kāi)展其生態(tài)適宜性分析[3]。

        近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)廣泛利用地理信息系統(tǒng)(Geographical information system,GIS)研究植物的生態(tài)適宜性,如:Tri 等運(yùn)用層次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)和GIS 技術(shù)獲得了黨參(Codonopsis javanica)適 宜 栽 植 分 布 的 范 圍[4]。Chau Ngoc 等運(yùn)用APH 和GIS 技術(shù)對(duì)羽葉南洋參(Polyscias fruticosa)進(jìn)行了生態(tài)適宜性分析,為其種植區(qū)的合理選擇提供了科學(xué)依據(jù)[5]。前人對(duì)毛果木蓮的研究多為種群生態(tài)學(xué)[6]、繁殖生物學(xué)[7-9]、遺傳多樣性[10-11]、生理生化[12-13]等方面,少有研究其引種推廣的生態(tài)適宜性。AHP 是確定參數(shù)權(quán)重的有效方法,GIS 和APH 的結(jié)合使用對(duì)植物進(jìn)行適宜性分析更有優(yōu)勢(shì)[14]。因此,本研究擬利用GIS 和AHP 對(duì)PSESP 毛果木蓮的引種推廣進(jìn)行生態(tài)適宜性研究,獲取毛果木蓮在全國(guó)適宜引種推廣的區(qū)域和面積,以期為毛果木蓮及其他PSESP 的合理應(yīng)用和保護(hù)提供參考。

        1 研究方法

        1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

        數(shù)據(jù)主要包括全國(guó)的省和市級(jí)行政邊界矢量數(shù)據(jù)、高程(Digital elevation model,DEM)、年平均降雨量、年平均氣溫、≥10℃積溫、4 月平均氣溫、土壤質(zhì)地、土壤pH(表1)。

        表1 數(shù)據(jù)來(lái)源Tab.1 Data sources

        1.2 適應(yīng)性分析

        生態(tài)適宜性是指不考慮其他限制因子時(shí),實(shí)際的溫、光、水、熱、土壤等主要生態(tài)因子滿(mǎn)足植物生長(zhǎng)發(fā)育要求的程度[15],選擇主要環(huán)境因素與植物生境相似的區(qū)域作為植物適宜引種推廣的生態(tài)適宜區(qū)[16]。從地形、氣候、土壤三個(gè)方面,根據(jù)毛果木蓮的生長(zhǎng)環(huán)境選取9 個(gè)生態(tài)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo);專(zhuān)家使用成對(duì)比較法和1 ~ 9標(biāo)度,評(píng)價(jià)同一層次指標(biāo)的相對(duì)重要性,并通過(guò)算術(shù)平均法獲得各生態(tài)因子權(quán)重;此外對(duì)毛果木蓮在我國(guó)適宜引種推廣區(qū)域進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià),確定毛果木蓮適宜引種推廣區(qū)域和面積。

        1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

        據(jù)文獻(xiàn)記載數(shù)據(jù),以及實(shí)地調(diào)查毛果木蓮的生長(zhǎng)環(huán)境,選取地形、氣候、土壤三個(gè)方面的生態(tài)因子進(jìn)行生態(tài)適宜性分析[17],因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懨旧彽纳L(zhǎng)發(fā)育,對(duì)其引種推廣的成敗具有決定性作用。將地形、氣候、土壤作為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo),海拔、年平均氣溫、土壤質(zhì)地等9 個(gè)生態(tài)因子作為二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo),評(píng)價(jià)毛果木蓮引種推廣的生態(tài)適宜性[18-19]。

        1.4 確定各生態(tài)因子權(quán)重

        層次分析法是一種基于多準(zhǔn)則決策的方法,用于分析涉及多準(zhǔn)則的復(fù)雜決策[20],利用AHP 確定各生態(tài)因子權(quán)重,首先采用1 ~ 9標(biāo)度法(表2),分別對(duì)9 個(gè)生態(tài)因子(海拔、坡度、坡向、年平均氣溫、年平均降水量、≥10℃積溫、4 月平均氣溫、土壤質(zhì)地、土壤pH)進(jìn)行兩兩重要性對(duì)比判斷,構(gòu)建n×n判斷矩陣,aij為因子(因子i到j(luò)),aij= 1/aij(表3)[21]。然后運(yùn)用算術(shù)平均法計(jì)算判斷矩陣,確定各生態(tài)因子的歸一化權(quán)重(表4)[22]。判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)是AHP成功決策的重要指標(biāo)之一,最后對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)(表5)[23-24]。

        表2 相對(duì)重要性取值的1 ~ 9標(biāo)度法Tab.2 The 1 to 9 scale of relative importance values

        表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性?xún)蓛杀容^判斷矩陣Tab.3 Pairwise comparison matrix for the importance of evaluation indicators

        1.5 適宜性評(píng)價(jià)

        確定各生態(tài)因子權(quán)重,評(píng)價(jià)毛果木蓮在我國(guó)適宜引種推廣區(qū)域的生態(tài)適宜性。適宜性計(jì)算公式如下:

        G為毛果木蓮?fù)茝V引種區(qū)域的生態(tài)適宜性;n為評(píng)價(jià)因子的個(gè)數(shù);Mi為準(zhǔn)則層各因子的權(quán)重;Ki為決策層各因子的權(quán)重。i≤n,n= 1,2 …… 9[25]。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 地形因素

        通常情況下,海拔高度的變化會(huì)影響植物開(kāi)花期[26],這直接影響毛果木蓮的景觀效果。毛果木蓮的適生海拔高度為800 ~ 2 000 m。坡度和坡向直接影響植物的生長(zhǎng)和分布。坡度影響土壤條件,如:土壤侵蝕、土壤深度、土壤水分等;坡向影響植物對(duì)太陽(yáng)能的吸收,從而影響其光合作用[27],據(jù)野外實(shí)地調(diào)查毛果木蓮在自然分布區(qū)域每個(gè)坡向上均有生長(zhǎng),坡度為0 ~ 75°。利用ArcGIS 10.8 首先處理空間分辨率為1 km × 1 km 的全國(guó)DEM 柵格影像,然后將地形各生態(tài)因子進(jìn)行“重分類(lèi)”以確定適合毛果木蓮生長(zhǎng)的海拔、坡度、坡向范圍(表6)。

        表6 毛果木蓮適生生態(tài)因子分布表Tab.6 Table of the distribution of suitable ecological factors for M. ventii

        2.2 氣候因素

        溫度會(huì)影響植物的生長(zhǎng)速度,毛果木蓮自然分布區(qū)域氣候溫暖,年平均氣溫為16.4 ~ 22.6℃,≥10℃積溫5 105 ~ 8 240℃。溫度過(guò)低會(huì)影響開(kāi)花時(shí)間[28],毛果木蓮正?;ㄆ跒? 月開(kāi)始,適宜區(qū)4 月平均氣溫應(yīng)大于它生境的最低氣溫9℃。毛果木蓮適宜年平均降水量為800 ~ 2 960 mm。在ArcGIS 10.8 中分別對(duì)空間分辨率為 1 km × 1 km 的全國(guó)年平均氣溫、年平均降水量、≥10℃積溫柵格影像處理后,對(duì)氣候各生態(tài)因子進(jìn)行“重分類(lèi)”,確定適合毛果木蓮生長(zhǎng)的年均氣溫、年均降水量、≥10℃積溫范圍。在ArcGIS 10.8 中處理空間分辨率為1 km ×1 km 的全國(guó)最冷月平均氣溫?cái)?shù)據(jù),選擇全國(guó)4 月平均氣溫進(jìn)行重分類(lèi),確定適合毛果木蓮生長(zhǎng)的全國(guó)4月平均氣溫范圍(表6)。

        2.3 土壤因素

        土壤質(zhì)地影響土壤含水量分以及土壤養(yǎng)分的有效性,毛果木蓮的適生土壤砂土雖然保水性差,但透氣性好。土壤的pH 值影響土壤中元素的溶解度和微生物的活動(dòng),對(duì)土壤養(yǎng)分的有效性有重要影響[29],pH 值過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)對(duì)植物造成損害,適合毛果木蓮生長(zhǎng)的pH 為4.8 ~ 5.7,呈酸性[30]。在ArcGIS 10.8 中對(duì)空間分辨率為1 km × 1 km 的土壤柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行“定義投影”處理后,提取出我國(guó)的土壤數(shù)據(jù),并進(jìn)行“重分類(lèi)”,確定適宜的土壤土質(zhì)和土壤pH(表6)。

        2.4 適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果與面積統(tǒng)計(jì)

        運(yùn)用ArcGIS 10.8 軟件進(jìn)行如下操作,以確定毛果木蓮在全國(guó)適宜引種推廣區(qū)域。首先運(yùn)用“加權(quán)總和”功能得到適宜引種推廣的范圍,該過(guò)程即為適宜性評(píng)價(jià)公式的運(yùn)算,并將結(jié)果歸一化;其次運(yùn)用“柵格計(jì)算器”功能將歸一化數(shù)據(jù)乘100;然后運(yùn)用“復(fù)制柵格”功能將其轉(zhuǎn)為8 位無(wú)符號(hào)整型;最后運(yùn)用“重分類(lèi)”功能進(jìn)行分類(lèi),采用百分制將適宜栽培區(qū)域劃分為3 個(gè)等級(jí);90 ≤G≤ 100 為最適宜引種推廣區(qū)域;70 ≤G≤ 90 為適宜引種推廣區(qū)域;0 ≤G≤ 70為不適宜引種推廣區(qū)域[19,31]。

        在ArcGIS 10.8 中運(yùn)用“按屬性提取”功能從毛果木蓮在全國(guó)適宜引種推廣區(qū)域中,提取出最適宜和適宜引種推廣區(qū)域,并進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)。毛果木蓮在全國(guó)18個(gè)省適宜引種推廣,最適宜和適宜引種推廣區(qū)域面積分別為188 467 km2、930 603 km2,總面積為1 119 070 km2(表7)。我國(guó)適宜引種推廣毛果木蓮的區(qū)域主要在云南省,適宜面積為226 092 km2;其次廣西壯族自治區(qū),適宜面積為139 965 km2;再次貴州省,適宜面積為120 992 km2;廣東省、江西省、四川省、福建省、湖南省、重慶省、湖北省、陜西省、西藏自治區(qū)、浙江省、臺(tái)灣省、安徽省、海南省、甘肅省、河南省等地也適宜引種推廣毛果木蓮。

        表7 毛果木蓮全國(guó)適宜引種推廣區(qū)域面積統(tǒng)計(jì)Tab.7 The area statistics of the suitable areas for the introduction and promotion of M. ventii in China

        3 討論與結(jié)論

        利用 GIS 和 AHP 對(duì)毛果木蓮在全國(guó)引種推廣的生態(tài)適宜性進(jìn)行分析,該方法科學(xué)、準(zhǔn)確、快速,為毛果木蓮及其他極小種群野生植物的合理應(yīng)用和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和參考。進(jìn)行成對(duì)比較的專(zhuān)家對(duì)毛果木蓮及其生長(zhǎng)壞境有長(zhǎng)期的研究和實(shí)地調(diào)查經(jīng)驗(yàn),能準(zhǔn)確的對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。運(yùn)用AHP時(shí),評(píng)價(jià)因子不超過(guò)9 個(gè)所求得的權(quán)重結(jié)果才比較準(zhǔn)確[32],本研究結(jié)合數(shù)據(jù)可用性,僅選取了對(duì)毛果木蓮生長(zhǎng)發(fā)育影響最大的地形、氣候、土壤等9個(gè)生態(tài)因子,提高結(jié)果準(zhǔn)確性。人為打分具有主觀性,隨著國(guó)家對(duì)保護(hù)PSESP 的重視,越來(lái)越多的科研工作者正在開(kāi)展對(duì)毛果木蓮的保護(hù)研究,未來(lái)可邀請(qǐng)更多相關(guān)專(zhuān)家進(jìn)行打分,增加評(píng)價(jià)樣本,整合專(zhuān)家意見(jiàn),選取更詳細(xì)的數(shù)據(jù)、先進(jìn)的技術(shù),進(jìn)一步縮小到市和縣級(jí)研究范圍提高精確性。在實(shí)際引種推廣過(guò)程中應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)情況、交通狀況、園林養(yǎng)護(hù)程度等影響因素進(jìn)行引種,同時(shí)需確保進(jìn)行檢疫及試種,避免破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng),并且需進(jìn)一步研究毛果木蓮在風(fēng)景園林中運(yùn)用時(shí)如何與其他植物搭配最佳,發(fā)揮其最大的園林價(jià)值[33]。

        據(jù)野外調(diào)查,毛果木蓮生境附近種植香蕉、橘子、姜等經(jīng)濟(jì)作物,雖然已經(jīng)建立了保護(hù)小區(qū),但因其影響經(jīng)濟(jì)作物生長(zhǎng),及其本身樹(shù)干通直適合作為棺材、建筑材料的特性,仍存在被砍伐破壞的現(xiàn)象。野外每棵野生毛果木蓮的保護(hù)責(zé)任應(yīng)具體到個(gè)人,上級(jí)相關(guān)部門(mén)定期監(jiān)督和審查下級(jí)的保護(hù)工作;建立完整的毛果木蓮資源數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)行定期和連續(xù)的野外檢測(cè),掌握動(dòng)態(tài)變化[34];相關(guān)部門(mén)可根據(jù)毛果木蓮的生境位置就近安排周邊村民參與保護(hù)工作,給予一定的報(bào)酬,讓村民有參與感的同時(shí)提高保護(hù)意識(shí),并加大宣傳破壞PSESP的法律責(zé)任。

        歐陽(yáng)志勤[35]等人曾在調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)卮迕裨谏降爻善N植毛果木蓮,但由于沒(méi)有市場(chǎng),所以村民改為種植香蕉、菠蘿等能快速獲得經(jīng)濟(jì)效益的農(nóng)產(chǎn)品;據(jù)本團(tuán)隊(duì)近期實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn),云南屏邊有苗木公司種植毛果木蓮,但銷(xiāo)路不佳,種植數(shù)量較少。所以,需充分利用毛果木蓮的觀賞和潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值。適宜引種推廣的地區(qū),應(yīng)積極開(kāi)展毛果木蓮引種、馴化,并在利用過(guò)程中加以保護(hù),結(jié)合其觀賞特性、園林用途和生態(tài)價(jià)值等,在賦予其新的內(nèi)涵的同時(shí),擴(kuò)大市場(chǎng)需求以提升知名度[36]。屆時(shí),農(nóng)村也可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境條件和市場(chǎng)需求,適度規(guī)劃毛果木蓮種植業(yè)的發(fā)展;鄉(xiāng)村振興人員要廣泛開(kāi)展合作交流,尋找優(yōu)質(zhì)種苗,擴(kuò)大銷(xiāo)渠道,增加村民收入,積極響應(yīng)國(guó)家的鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略[37]。因此,這既為當(dāng)?shù)卣痛迕癜l(fā)展毛果木蓮種植產(chǎn)業(yè)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),又能達(dá)到進(jìn)一步擴(kuò)大其種群數(shù)量、保護(hù)毛果木蓮的目的。

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