杜超群，王起富，曾 勇，譚勛桃，劉 星，許業(yè)洲

（1.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430079；2.咸寧市林業(yè)科學(xué)院，湖北 咸寧 437100；3.恩施州林業(yè)科學(xué)研究所，湖北 恩施 445000；4.建始縣龍坪林業(yè)管理站，湖北 建始 445300）

杉木Cunninghamia lanceolata是我國南方亞熱帶地區(qū)特有的、重要的鄉(xiāng)土樹種，栽培歷史悠久，用途廣泛。目前全國杉木人工林面積為1.096×107hm2，蓄積量達(dá)7.26×108m3[1]，占全國造林總面積的27.45%，在我國森林資源中占有重要地位，是我國最重要的用材和商品材樹種之一[2]。

氣候是決定物種分布的最主要因素之一，近年來已有很多國內(nèi)外學(xué)者研究了氣候因子對植物適生區(qū)域的影響。在杉木研究方面，早在20世紀(jì)八、九十年代，盛煒彤等[3]采用主分量分析方法，選擇與杉木生長緊密聯(lián)系的氣候因素，對杉木產(chǎn)區(qū)進(jìn)行氣候歸類，以供全國主要杉木產(chǎn)區(qū)區(qū)劃參考；高智慧[4]利用7個(gè)主要?dú)夂蛞蜃訉⒄憬∩寄驹耘鄥^(qū)初步劃成適宜氣候區(qū)、較適宜氣候區(qū)、可生長氣候區(qū)和生長受抑制區(qū)，為該省的杉木造林規(guī)劃提供了依據(jù)，提高了造林成效；陶國祥[5]以氣候因子模糊分析法確定了云南省杉木適宜區(qū)和生產(chǎn)力范圍，對人工林的生產(chǎn)布局起到了一定的指導(dǎo)作用。近年來關(guān)于杉木適生區(qū)劃研究較少，劉建峰等[6]嘗試運(yùn)用統(tǒng)計(jì)模型Bioclim對全國杉木適生區(qū)進(jìn)行氣候劃分，結(jié)果與杉木的長期栽培經(jīng)驗(yàn)吻合。

湖北是杉木自然分布區(qū)之一，全省杉木栽培面積為2.5×105hm2，但是目前為止還沒有對該樹種進(jìn)行栽培區(qū)劃，多年來主要依靠實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行栽植區(qū)域的選擇。為了避免盲目栽植和連作障礙等問題帶來的經(jīng)濟(jì)損失，研究杉木適宜性區(qū)劃及其氣候特征，對杉木人工林發(fā)展的科學(xué)規(guī)劃，以及確定合理的培育目標(biāo)和栽培措施具有重大意義。本研究利用ArcGIS技術(shù)和最大信息熵模型，通過收集現(xiàn)有人工林地理信息和溫、濕度相關(guān)氣候因子數(shù)據(jù)，對湖北省杉木栽培區(qū)域進(jìn)行劃分，并找出影響杉木栽培的主要?dú)夂蛞蜃右约白钸m宜栽培的區(qū)域，為杉木人工林的科學(xué)布局提供參考，以提高杉木人工林質(zhì)量和產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

1 研究方法

1.1 已知分布點(diǎn)數(shù)據(jù)收集

已知分布點(diǎn)數(shù)據(jù)為2016—2017年湖北省杉木人工林標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查樣地位置信息171個(gè)，調(diào)查時(shí)利用手機(jī)GPS定位并記錄經(jīng)緯度信息。

1.2 氣候數(shù)據(jù)收集

氣候因子數(shù)據(jù)來源于世界氣候數(shù)據(jù)庫（http://www.worldclim.org/），精度30弧秒（≈1 km2），下載得到研究所需的對物種分布有重要影響的19個(gè)生物氣候因子，分別為年平均溫度 （bio01）、平均月溫度變化范圍 （bio02）、溫差等溫值（bio03）、季節(jié)性溫度變異 （bio04） 、最熱月最高溫度 （bio05）、最冷月最低溫度 （bio06）、溫度年較差 （bio07）、最濕季平均溫度 （bio08）、最干季平均溫度 （bio09）、最熱季平均溫度（bio10）、最冷季平均溫度 （bio11）、年降水量（bio12）、最濕月降水量 （bio13）、最干月降水量 （bio14）、季節(jié)性降水量變異系數(shù) （bio15）、最濕季降水量 （bio16）、最干季降水量 （bio17）、最熱季降水量 （bio18）、最冷季降水量 （bio19）。

1.3 分析軟件及方法

利用ArcGIS 10.2軟件和最大熵模型軟件（MaxEnt version 3.4.1，下載地址為http://www.cs.princeton.edu/～schapire/maxent/）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和制圖。MaxEnt模型是一種基于最大熵理論的生態(tài)位模型，即根據(jù)已知樣點(diǎn)的環(huán)境變量得出一定的約束條件，從而尋找此約束條件下最大熵的可能分布。與同類預(yù)測模型如GARP、ENFA和BIOCLIM等相比，該模型不但具有操作簡便、運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)[7-9]，而且利用AUC值分析比較顯示，該模型的預(yù)測效果更優(yōu)[10]，目前廣泛應(yīng)用于預(yù)測物種分布、外來種入侵趨勢、森林病蟲害預(yù)測以及氣候變化對物種分布格局的影響等領(lǐng)域[11-13]。

根據(jù)MaxEnt軟件的需要，將已知分布點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為CSV格式文件，將下載的生物氣候數(shù)據(jù)用ArcGIS軟件轉(zhuǎn)換成ASCⅡ格式文件，導(dǎo)入MaxEnt軟件中運(yùn)行。具體操作過程及各參數(shù)設(shè)置參考王偉等[14]在澳洲堅(jiān)果潛在適生區(qū)劃分和崔相艷等[15]在野生油茶潛在分布區(qū)預(yù)測的方法，運(yùn)行結(jié)果再導(dǎo)入ArcGIS中結(jié)合湖北省行政區(qū)劃圖進(jìn)行分析并制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于MaxEnt模型的適生區(qū)分布

MaxEnt模型的預(yù)測結(jié)果采用0～1的分布概率值來表示該物種分布的適宜性。將MaxEnt模型的預(yù)測結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS，利用重分類工具中的自然分割法，將湖北省杉木適生區(qū)劃分為3個(gè)等級（圖1）：分布值為0～0.127 2的區(qū)域劃分為不適宜區(qū)；分布值為0.127 2～0.351 2的區(qū)域劃分為較適宜區(qū)，面積為3.23×106hm2；分布值為0.351 2～0.949 7的區(qū)域劃分為最適宜區(qū)，面積為 1.86×106hm2。

適生區(qū)主要集中在2大區(qū)域，即鄂西山區(qū)和鄂東南低山丘陵，其中鄂西山區(qū)又分為鄂西南和鄂西北兩部分：鄂西南區(qū)域主要為恩施市（每個(gè)縣市均有分布）和宜昌市的西南部（五峰、長陽和秭歸），其中最適宜區(qū)在利川、宣恩、鶴峰和五峰這4個(gè)縣（市）轄區(qū)；鄂西北區(qū)域的最適宜區(qū)集中在十堰市的竹溪和房縣，襄陽市的?？导捌渑c谷城、南漳三縣的交界處，最適宜區(qū)的周邊部分及十堰市的竹山、鄖西、鄖縣、丹江口，宜昌市的興山、宜昌市區(qū)，神農(nóng)架的東部邊緣為較適宜區(qū)。鄂東南低山丘陵主要包括咸寧市、黃石市的陽新和大冶、黃岡市的黃梅和武穴部分區(qū)域，其中咸寧市整個(gè)轄區(qū)的幾乎80%均為杉木栽植的最適宜區(qū)。另外，鄂皖交界處大別山區(qū)以及鄂中的鐘祥、京山、隨州三縣交界處有小面積適生區(qū)域。

圖1 湖北省杉木適生區(qū)劃Fig.1 Suitable planting division of C.lanceolata in Hubei

2.2 預(yù)測結(jié)果評價(jià)

2.2.1 AUC值評價(jià)

采用目前公認(rèn)的ROC曲線下的面積AUC值來評判模型的模擬效果。本研究中MaxEnt模型的ROC曲線下面積訓(xùn)練集和測試集的AUC值分別為0.936和0.916（圖2），均大于0.9，表明MaxEnt模型對杉木適生區(qū)的預(yù)測效果非常好。

2.2.2 適生區(qū)驗(yàn)證

圖2 杉木模型預(yù)測ROC曲線Fig.2 ROC curve of C.lanceolata model prediction

為了進(jìn)一步驗(yàn)證MaxEnt模型預(yù)測結(jié)果的可靠性，將湖北省二類清查數(shù)據(jù)中林齡在10 a以上、面積超過20 hm2的杉木人工林的地理信息導(dǎo)入預(yù)測圖（圖3），對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。由圖3可知，238個(gè)造林點(diǎn)中有126個(gè)屬于最適宜區(qū)，103個(gè)屬于較適宜區(qū)，占造林點(diǎn)總數(shù)的96.22 %，說明模型的預(yù)測結(jié)果較為準(zhǔn)確。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，分布在最適宜區(qū)的林分20年生平均樹高和平均胸徑分別為13.2 m和15.6 cm，分布在較適宜區(qū)的林分20年生平均樹高和平均胸徑分別為12.1 m和14.6 cm，均高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《LY/T 1384—2007 杉木速生豐產(chǎn)用材林》中Ⅱ類區(qū)樹高11.9 m、胸徑14.0 cm的低限生長量指標(biāo)。

分布在不適宜區(qū)的部分造林點(diǎn)林分長勢較差，經(jīng)資料查詢，隨州市隨縣12年生林分平均樹高6.7 m，平均胸徑8.5 cm；十堰市鄖縣30年生林分平均樹高和平均胸徑分別為11.5 m和13.2 cm，35年生林分平均樹高和平均胸徑分別為11.6 m和12.6 cm。這些林分的平均生長量均小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ類區(qū)北帶的低限生長量指標(biāo)。

2.3 杉木適生區(qū)與氣候因子的關(guān)系

利用刀切法分析各氣候因子對分布預(yù)測所做的貢獻(xiàn)，排在前4位的主要為反應(yīng)水分條件及水熱同步的指標(biāo)（圖4），分別為最濕季平均溫度（bio08）、最濕季降水量（bio16）、年降水量（bio12）和最濕月降水量（bio13）。這說明杉木對水熱均有一定的要求，其中最濕季平均溫度的貢獻(xiàn)率達(dá)到50%。

圖3 杉木人工林在預(yù)測圖中的分布情況Fig.3 Distribution of C.lanceolata plantations in prediction map of Hubei province

圖4 刀切法檢測氣候因子對分布增益的重要性Fig.4 Effects of bioclimatie variables on gain of distribution using Jackknife test

由4個(gè)主要因子與適生區(qū)預(yù)測分布值之間的響應(yīng)曲線可知（圖5），最濕季降水量和年降水量越大，分布值越大；最濕季平均溫度和最濕季降水量則為類似拋物線的分布趨勢，即分布值先隨著溫度或降水量的增大而增大，到達(dá)頂峰后隨著溫度或降水量的繼續(xù)增大，分布值逐漸減小?？傮w來說，湖北省適合杉木生長的氣候特征為：最濕季平均溫度10.2～24.1 ℃，最濕季降水量450 mm以上，年降水量910 mm以上，最濕月降水量175 mm以上。

圖5 氣象因子與分布值之間的響應(yīng)曲線Fig.5 Response curves between prediction value and bioclimatic factors

3 結(jié)論與討論

湖北省為杉木栽培的北緣地區(qū)，傳統(tǒng)的杉木栽植中心為鄂西南的恩施市和鄂東南的咸寧市。本研究中利用MaxEnt模型將適宜區(qū)域劃分為鄂西北、鄂西南和鄂東南區(qū)域，即除了恩施和咸寧以外，鄂西北的十堰市和襄陽市被劃分為另一個(gè)栽植中心。從二類清查數(shù)據(jù)中篩選出的造林點(diǎn)的分布情況可以證實(shí)，鄂西北區(qū)域確實(shí)存在較多的人工林分，這為我省杉木栽植的整體布局和規(guī)劃提供了新的思路和依據(jù)。

杉木喜溫暖多雨，怕高溫干旱，其生長上的差別首先受大氣候的影響[3]。通過分析各氣候因子對適生區(qū)預(yù)測所做的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)水分條件及水熱同步的指標(biāo)更為重要。湖北省年均溫15～17 ℃，年均降水量在800～1 600 mm之間，其中適合杉木生長的氣候條件為最濕季平均溫度10.2～24.1 ℃、最濕季降水量450 mm以上且年降水量910 mm以上。而屬于杉木中心產(chǎn)區(qū)的中帶南嶺山地，包括閩北、贛南、粵北、湘南、桂北與黔東，年均溫18～20 ℃，7月均溫28～30 ℃，年降水量1 400～2 000 mm，生長期長，是我國杉木生產(chǎn)力最高的區(qū)域[16]。與該區(qū)域水熱條件相比，湖北省熱量不足，降水量偏少，杉木人工林生產(chǎn)力偏低，因此培育目標(biāo)以中小徑材為主，目前湖北省已發(fā)展形成具有地域特色的短周期小徑材培育模式。

本研究中MaxEnt模型預(yù)測的AUC值為0.916，說明預(yù)測效果較好。AUC值是公認(rèn)的評判預(yù)測結(jié)果優(yōu)劣的最佳方法之一[17]，一般來說，樣本量比較小時(shí)，模型的AUC值變化較大，只有樣本量足夠大時(shí)，AUC值才會比較穩(wěn)定。陳新美等[18]對MaxEnt模型中樣本量對預(yù)測精度和穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了模擬分析，認(rèn)為在樣本量達(dá)到120時(shí)，預(yù)測的結(jié)果比較穩(wěn)定。本研究中分布數(shù)據(jù)的樣本量為171個(gè)，用于模型預(yù)測結(jié)果檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)有238個(gè)，均為實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)，因此預(yù)測結(jié)果是比較可靠的。

影響杉木分布的環(huán)境因素不僅有氣候因子，還有地形和土壤等，有待今后在研究中不斷補(bǔ)充和完善。