張 斌，尹 劍*，邱遠宏，徐澤田

(1.貴州財經(jīng)大學 西部現(xiàn)代化研究中心，貴州 貴陽 550025；2.貴州財經(jīng)大學 大數(shù)據(jù)應用與經(jīng)濟學院，貴州 貴陽 550025)

杜仲(Eucommiaulmoides)為落葉喬木，屬于杜仲科杜仲屬植物，有補益肝腎、強筋壯骨、調(diào)理沖任、固經(jīng)安胎的功效，是重要的滋補藥材[1]。杜仲同時也是重要的潛力天然橡膠資源和木本油料樹種，具有重要的國家戰(zhàn)略地位[2]。在我國杜仲的主要產(chǎn)區(qū)有四川、貴州、陜西等地，其中貴州產(chǎn)量較大，品質(zhì)也較高[3]。近年來，貴州大力發(fā)展中藥材特色產(chǎn)業(yè)，杜仲成為該省重要的中藥材發(fā)展對象[4]。杜仲生長對土壤的要求不高，在適合喬木生長的松軟土壤均可生長，氣候條件是其生長發(fā)育和藥材品質(zhì)的主要影響因素[5]。而氣候變化對種植結(jié)構(gòu)布局、產(chǎn)量、品質(zhì)及種植制度等產(chǎn)生深刻影響[6]。因此，研究杜仲生長的氣候適宜性區(qū)劃，對區(qū)域藥材種植規(guī)劃、推動區(qū)域相關(guān)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義[2]。

近年來一些研究結(jié)合氣候環(huán)境因子進行了杜仲的氣候適宜性區(qū)劃?？祩髦镜萚7]利用Maxent模型分析了貴州杜仲的氣候地形適宜區(qū)域；鄧陽川等[8]利用GPMGIS方法研究了杜仲全球產(chǎn)區(qū)的生態(tài)相似性；王寶川等[9]利用層次分析法和GIS技術(shù)探討了四川杜仲的氣候適宜性區(qū)劃。劉攀峰等[10]利用全球土壤、氣候指標分析了杜仲在我國的潛在適生區(qū)分布。上述研究主要針對歷史氣候資料或現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，而在當前全球氣候變化復雜多變的情況下，探討未來氣候變化下的物種適宜性區(qū)劃，對種植規(guī)劃的科學制定越來越重要，已成為學界關(guān)注的熱點[11-13]。

基于此，本研究以貴州栽培杜仲為研究對象，結(jié)合WorldClim發(fā)布的未來氣候變化情景，借助最大熵生態(tài)位模型分析不同氣候情景下，貴州杜仲的未來氣候適宜性種植區(qū)劃，為其生產(chǎn)布局和種植規(guī)劃提供科學依據(jù)，以推動實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)藥材資源的高品質(zhì)和高產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省(103°36′-109°35′E,24°37′-29°13′N)位于云貴高原東側(cè)。面積約17.6萬km2，平均海拔1 100 m以上，地勢西高東低(圖1)。受巖性和水力侵蝕，形成獨有的喀斯特地形。全省冬無嚴寒、夏無酷暑，年均氣溫維持在15 ℃，全年降水較為均勻。日照時數(shù)較短，但由于是高原，輻射強度較高。森林覆蓋率高，占60%以上。獨特的氣候和地形，使得貴州省適合多種藥用植物生長，杜仲廣泛分布于貴州省各地。作為全國較有特色的道地藥材生產(chǎn)基地，2019年貴州中藥材種植面積超過44萬hm2，產(chǎn)值超過150億元，帶動11.63萬戶貧困戶、37.1萬貧困人口增收。中藥材已成為貧困地區(qū)群眾增收脫貧的重要產(chǎn)業(yè)。

1.2 樣本點選取

通過查閱中國數(shù)字植物標本館(http://www.cvh.ac.cn/)、中藥資源共享數(shù)據(jù)專題服務網(wǎng)站(http://zzzy.zyzypc.com.cn)、中藥記載文獻及相關(guān)調(diào)查研究資料[14]，確定杜仲的主要分布區(qū)。于2019年7-8 月，在貴州省杜仲分布較多的大方、金沙、普安、湄潭等進行野外調(diào)查，并結(jié)合參考了第4次中藥普查數(shù)據(jù)，共選取40個優(yōu)質(zhì)杜仲藥材樣點(圖1)，通過資料整理和實地GPS測量記錄，獲取了各樣點的經(jīng)度、緯度和海拔三維數(shù)據(jù)信息。

1.3 氣候數(shù)據(jù)集

研究采用了世界氣候研究計劃(WCRP)實施的第六次國際耦合模式比較計劃(CMIP6)[15]。為便于研究者有更多的氣候模式參考，CMIP6將RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5升級為SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP4-6.0和SSP5-8.5，同時增加了新的排放模式：SSP1-1.9、SSP4-3.4、SSP5-3.4OS以及SSP3-7.0。SSP情景是一套由不同社會經(jīng)濟模式驅(qū)動的新排放情景——共享社會經(jīng)濟路徑(SSPs)，代替了CMIP5中4個代表性濃度路徑(RCPs)，是CMIP6情景的重要的提升[16]。

雖然CMIP6中新情景所預測的輻射強迫與CMIP5的RCPs相似，然而排放路徑和混合排放路徑是不同的，主要在于新的SSPs情景模式從2014年開始預測，而RCPs為2007年。研究選擇WorldClim提供的國家(北京)氣候中心的中等分辨率氣候模式BCC-CSM2-MR[17]生成的未來氣候情景。BCC-CSM2-MR氣候模式由于在大氣和陸面具有更高的分辨率，對地形的描述更加細致，因此對地形降水、局地氣溫分布具有更好的模擬效果[18]。選用了SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5 4個排放情景，代表從低排放可持續(xù)發(fā)展到高排放常規(guī)發(fā)展4種最典型的情景[18]。時間段選擇2021-2040年預測值進行分析。當前氣候模式根據(jù)1970-2020的50 a均值數(shù)據(jù)，空間插值到1/4°與BCC-CSM2-MR輸出數(shù)據(jù)實現(xiàn)空間尺度匹配。高程數(shù)據(jù)做同樣的插值處理。所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一在GCS_WGS_1984坐標系統(tǒng)下。

1.4 氣候適宜性區(qū)劃

生態(tài)位模型已經(jīng)被廣泛應用于物種區(qū)劃研究[19]，其中GAPP、Maxent、BIOCLIM以及CLIMEX較為常用[20]。研究采用最大熵模型Maxent進行氣候適宜性分析。Maxent是一個密度估計和物種分布預測模型，基于熵最大時事物最接近真實狀態(tài)的原理，從符合條件的分布中選擇熵最大的分布作為最優(yōu)分布[21]。

Maxent首先確定物種的特征空間，即調(diào)查研究得出的杜仲40個樣本點的分布。接著尋找限制物種分布的約束條件。本研究主要考慮氣候變化對杜仲分布的影響，選取CMIP6下的BCC-CSM2-MR氣候模式提供的4個排放情景的19個生物氣候指標作為約束?，F(xiàn)狀數(shù)據(jù)采用1970-2020年的氣象數(shù)據(jù)插值生成，與BCC-CSM2-MR數(shù)據(jù)調(diào)整到統(tǒng)一的空間參考和分辨率。根據(jù)于靖[5]研究發(fā)現(xiàn)，影響杜仲品質(zhì)的最主要因素是海拔和氣象，因此，同時加載海拔作為分析杜仲適宜度的環(huán)境變量。預測準確性通過受試者工作特征曲線(receiver operating characteristic curve,ROC)的AUC(area under curve)值衡量[22]。當AUC>0.7為可靠，>0.8說明預測準確[23]。

在適宜性評價時，隨機選取杜仲采樣點的75%分布點作為訓練集用于構(gòu)建模型，剩余的25%作為測試集用于驗證。運行Maxent模型2輪，第1輪通過重復迭代100次運算，篩選敏感性生物氣候指標；第2輪篩選敏感性高的生物氣候指標對杜仲氣候的空間適宜度進行分析，并研究指標的重要性影響，同樣迭代100次，并提取高AUC值下的分類結(jié)果。氣候指標重要性分析選擇刀切法進行。基于確定的年平均溫度等5個主導氣候因子，運用最大熵模型預測杜仲在研究地區(qū)的存在概率并確定杜仲的氣候適宜性范圍[24]。將氣候適宜性劃分為4個等級：不適宜、低適宜、較適宜、高適宜，發(fā)生概率參考康傳志等[7]對杜仲的調(diào)查分類區(qū)分方法，將取值區(qū)間分為[0,0.25]、(0.25,0.5]、(0.5,0.75]、(0.75,1]。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要氣候變量變化趨勢

對貴州省未來19個氣候變量進行相關(guān)分析，同時結(jié)合Maxent模型檢驗，選出10個敏感性因子做為主導氣候變量，結(jié)合DEM做第2輪模擬預測。10個主要因子及其當前及未來20 a的均值如圖2所示。10個主要氣候因子在未來4種情景下的均值與方差變化率如圖3所示。研究發(fā)現(xiàn)，在4種模式下，各類指標的省域均值大部分增加，各類指標在全省范圍內(nèi)的標準差波動較大，從均值較難實現(xiàn)空間的預測。因此，需要結(jié)合空間分布劃分適宜區(qū)。

2.2 適宜度模型的準確性評估

借助Maxent計算了近50 a均值和4個未來排放情景模式下的適宜性分布，5種情況下的評價精度通過ROC曲線表示(圖4)。ROC曲線圖縱軸表示真正例率(ture positive rate,TPR)，橫軸表示假正例率(false positive rate，F(xiàn)PR)，AOC曲線下方面積即為AUC值。由圖4可知，基于歷史均值和未來情景的5種氣候背景數(shù)據(jù)的預測中，AUC值均大于0.8，最大值均大于0.9，說明模擬準確較高，可較好地反映杜仲的空間適宜性分布。

表1 預測選用的主要氣候變量

2.3 杜仲適宜性區(qū)域分布

從圖5可以看出，當前高適宜區(qū)面積為31 392.96 km2，占總面積的17.82%，而未來低排放情景(SSP1-2.6)下高適宜面積得到了增加，占比達到19.58%；SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5 3種排放下高適宜區(qū)面積均小于歷史均值下的適宜區(qū)面積，分別占17.5%、16.67%和16.51%。中適宜區(qū)和高適宜區(qū)面積的總體占比變化情況與高適宜區(qū)類似，歷史均值情境下占比低于SSP1-2.6排放情景，高于另外3個排放情景。其中，SSP1-2.6情景下，中適宜區(qū)和高適宜區(qū)面積占比之和超過了總面積的1/2，達到50.67%。

從圖6可以看出，5種氣候背景下，貴州省杜仲氣候適宜區(qū)分布特點在空間上均有不同。總體來說，黔西北-黔北-黔東北呈現(xiàn)出較為集中的適宜區(qū)，黔西南也分布有較為集中的適宜區(qū)，東南地區(qū)較不適宜杜仲生長，范圍受氣候情景的影響各有不同。5種氣候情景下的高適宜區(qū)面積不僅是簡單的擴張和收縮，還包括有位置上的移動。相對于近50 a均值水平，SSP1-2.6情景下的高適宜區(qū)增加，主要表現(xiàn)在黔西南地區(qū)和黔東北地區(qū)的擴張；SSP1-2.6情景下的中適宜區(qū)的增加則表現(xiàn)為整體擴張，黔東南擴張程度較大。SSP2-4.5情景下，高適宜區(qū)在空間上分布較其他情景更為集聚，特別是黔北、黔西北區(qū)域的高適宜區(qū)集聚較為明顯；雖然總體上高適宜區(qū)有所減小但黔西北地區(qū)的高適宜區(qū)表現(xiàn)出面積的增加。SSP3-7.0情景下北部高適宜區(qū)出現(xiàn)了一定程度的向北位移，黔東南不適宜區(qū)明顯增大，黔西南區(qū)域適宜程度與近50 a均值水平相近。SSP5-8.5高排放情景下高適宜區(qū)分布破碎化增加，且有向東北方向移動的趨勢，黔東南不適宜區(qū)與近50 a均值水平相近。因貴州最北部地區(qū)海拔較低，氣候變暖影響相對顯著，與近50 a均值水平相比，除了SSP1-2.6低排放情景北部地區(qū)表現(xiàn)出適宜度變化不大外，其他3個情景均表現(xiàn)出適宜度的降低，因氣候情景的不同體現(xiàn)出不同的變化程度，SSP2-4.5情景下該區(qū)域適宜度降低較為明顯。

2.4 杜仲氣候適宜性區(qū)劃

將各類適宜度進行綜合疊加，4種未來情景下均為高適度地認定為高適宜區(qū)，有大于2種情景不適宜地認定為不適宜區(qū)，生成未來氣候變化下貴州省杜仲氣候適宜性區(qū)劃圖(圖7)。圖7表明，貴州有較大區(qū)域適合杜仲生長，高氣候適宜區(qū)主要分布在黔西北-黔中-前東北一帶，以及黔西南地區(qū)，中高氣候適宜區(qū)(2種及以上情景為高適宜其他為中適宜)分布在高適宜區(qū)周邊，中低氣候適宜區(qū)從中高適宜區(qū)向較不適宜區(qū)過渡，西北過高海拔地區(qū)和北部、東南高溫地區(qū)適宜度低。未來貴州杜仲適宜區(qū)域主要分布呈現(xiàn)東北西南走向，高氣候適宜區(qū)面積為18 708.94 km2，占全省面積的10.62%；中高氣候適宜區(qū)面積為 24 293.43 km2，占全省面積的13.79%；中低氣候適宜區(qū)面積為32 485.19 km2，占全省面積的18.44%；3種氣候適宜區(qū)共計占全省面積的42.85%，其中中高適宜度以上區(qū)域占全省面積的24.41%，開發(fā)潛力仍然較大。

結(jié)合貴州省土地利用，提取林地、草地用地類型與氣候適宜度區(qū)劃進行疊加，對各縣區(qū)氣候適宜度為中高適宜和高度適宜等級的杜仲種植優(yōu)勢進行了統(tǒng)計。面積>500 km2的為第1級，200～500 km2為第2級，<100 km2的為第3級，<10 km2為第4級。表2列出了貴州各縣區(qū)的杜仲氣候適宜性種植優(yōu)勢，其中貞豐縣、甕安縣、晴隆縣、大方縣、德江縣、匯川區(qū)、金沙縣、黃平縣、黔西縣、施秉縣、紅花崗區(qū)、興仁縣、石阡縣、思南縣、綏陽縣、余慶縣、興義市、湄潭縣、鳳岡縣、安龍縣、七星關(guān)區(qū)的種植優(yōu)勢面積大于500 km2，是開發(fā)潛力較大的區(qū)域。

表2 貴州各縣杜仲氣候適宜性種植優(yōu)勢

2.5 主導氣候因子分析

刀切法(Jackknife)可較為直觀地甄別氣候因子對適宜性的影響程度，進而分析主導氣候因子對杜仲種植的重要性。在使用某個單獨氣候因子識別適宜性時，各因子的貢獻程度不同，但5種氣候背景下的差異不大。增益前五名依次為：最濕季平均溫(0.846 3)、最暖季平均溫(0.795 2)，年平均溫度(0.785 9)、最熱月極高溫度(0.782 6)、年均降雨量(0.730 5)。貢獻率排名前5的為：最暖季平均溫(38.7%)、年平均溫度(22%)、最濕季平均溫(14%)、最熱月極高溫度(7.4%)、年平均降水量(6.3%)，占全部指標貢獻率的88.4%。重要性排名前5的為：最暖季平均溫(30.6)、海拔(15.4)、最熱月極高溫度(12.6)、最濕季平均溫(10.9)、年平均溫度(8.1)。研究發(fā)現(xiàn)，多個溫度相關(guān)指標貢獻率大，因此溫度是影響杜仲種植分布的主導因素，海拔的置換重要性較大，因此海拔仍然對種植適宜度有較大影響。

表3 氣候變量的貢獻率和置換重要值

基于上述分析，圖8顯示了海拔和5個主導氣候變量的響應區(qū)間。取概率值0.6作為氣候最佳適宜性的臨界條件，得出貴州省杜仲生長最適宜氣候條件為年均溫度約在15～17.5 ℃、最暖季平均溫度在23～26 ℃、最濕季節(jié)平均溫在22.4～24.7 ℃，最熱月極高溫度在27.5～32 ℃、年平均降水量在1 000 mm以上。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

鑒于氣候條件是影響杜仲生長的關(guān)鍵因素，研究基于近50 a生物氣候變量和未來4種排放條件下的氣候情景，使用了19個生物氣候變量并結(jié)合高程數(shù)據(jù)進行計算，討論了未來氣候變化下貴州省杜仲的氣候適宜性空間區(qū)劃。4種未來氣候情景下的杜仲生長的氣候適宜度體現(xiàn)出不同的空間分布變化特點。SSP1-2.6情景下的適宜度較歷史平均水平有所增加，空間分布較為相似，可能的原因在于該氣候情景是低排放情景。SSP2-4.5和SSP3-7.0情景下貴州東南部非適宜區(qū)擴大，該區(qū)域是貴州省海拔較低地區(qū)，多數(shù)地域海拔小于500 m，而本研究得出的貴州杜仲的高程適宜值為700～1 400 m，因此該區(qū)域本就是杜仲海拔適宜區(qū)的邊界區(qū)；該區(qū)域不適宜區(qū)增大的可能原因是：在未來排放增加的條件下，低海拔地區(qū)升溫明顯，而杜仲生長對溫度敏感，從而使得該區(qū)域在未來氣候情景下適宜度降低。SSP5-8.5情景下，高適宜區(qū)空間分布集聚性變低，西北—中北—東北走向的連片高適宜區(qū)變得破碎化，東部、南部、西北高海拔地區(qū)的不適宜區(qū)、低適宜區(qū)擴大，東部、南部的原因與SSP2-4.5和SSP3-7.0情景下的可能原因類似，西北部地區(qū)可能是因為過高的海拔本不太適宜杜仲生長，在區(qū)域氣溫全面升高的情況下，高海拔臨界適宜區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿m宜區(qū)。SSP5-8.5情景下，東南區(qū)域一部分原本在其他氣候情景下的不適宜區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榈瓦m宜區(qū)，可能是排放升高導致該區(qū)域降水、氣溫等綜合條件改變導致的，但總體來說高排放下，整體適宜度降低。SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5 3種氣候情景下，北部地區(qū)適宜度都有所降低，該區(qū)域海拔普遍小于700 m，在排放增加、溫度升高的情景下，該區(qū)域氣候變化影響了杜仲生長的適宜度。

研究同時分析了未來氣候變化下杜仲適宜性的主導氣候變量的貢獻率和響應情況。最暖季平均溫、海拔、最熱月極高溫度、最濕季平均溫、年平均溫度、年均降雨量是貢獻率較大的因子。劉攀峰等[8]對我國杜仲適生區(qū)的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，年均降雨量在700～1 450 mm條件下最為適宜。本研究得出貴州地區(qū)年均降雨量在1 000～1 500 mm條件下最適宜，主要是由于貴州省絕大多數(shù)地區(qū)年均降雨量大于1 000 mm，而全省的年均降雨極大值接近1 500 mm。本研究中最佳適宜的海拔區(qū)間為700～1 400 m，全國調(diào)查發(fā)現(xiàn)杜仲在1 400 m以上適宜性變差[3]，因此本研究得出的貴州省杜仲適宜區(qū)與全國調(diào)查結(jié)果整體上相吻合。

研究根據(jù)貴州各縣區(qū)杜仲氣候適宜性區(qū)域面積，對各縣區(qū)進行了杜仲種植優(yōu)勢等級的劃分。其中第1級的大方縣、黔西縣、金沙縣和畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)都是調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)的高品質(zhì)杜仲產(chǎn)區(qū)[3,7]。由于本研究僅討論氣候變化對杜仲的生長適宜性影響，而在生產(chǎn)實踐中，需要根據(jù)氣候適宜性區(qū)劃與區(qū)域土地利用、土壤、地質(zhì)等條件相結(jié)合來進行合理規(guī)劃。一些農(nóng)林用地可能被限制開發(fā)，這些變化勢必會對杜仲的種植布局產(chǎn)生一定程度的影響。本研究在氣候因子方面進行適宜性區(qū)劃研究，若考慮到杜仲藥材的產(chǎn)量及品質(zhì)與氣候因子的相關(guān)性，還需進一步研究探討。另外，除自然因素外還有如人為因素的干擾，因此得到的適宜區(qū)并不一定就是最優(yōu)種植區(qū)，但可作為相關(guān)區(qū)域的杜仲種植開發(fā)的參考。

本研究通過2輪的生態(tài)位模型運行和氣候因子相關(guān)性，剔除了一部分冗余變量，而生態(tài)位模型預測的不確定性可能也是值得關(guān)注的問題，在變量減少后，計算消耗降低，但也帶來氣候因子不完整性導致的結(jié)果偏差風險，因此選取合適的不確定性分析方法討論生態(tài)位模型的參數(shù)敏感性也值得思考。

3.2 結(jié)論

CMIP6發(fā)布的未來氣候情景下，貴州省杜仲種植的高氣候適宜區(qū)主要分布在黔中、黔西南地區(qū)，中高氣候適宜和中低氣候適宜區(qū)依次分布在高適宜區(qū)周邊。低適宜和不適宜區(qū)主要分布于西北高海拔區(qū)和北部、東南部低海拔高溫地區(qū)。僅考慮氣候條件，中等適宜度以上區(qū)域面積約占全省面積的42.85%，中高適宜度和高適宜度區(qū)域占全省面積的24.41%。以中高氣候適宜度的可種植面積進行排序，七星關(guān)區(qū)、大方縣、金沙縣和黔西縣等縣區(qū)種植優(yōu)勢較大。杜仲的氣候適宜度對溫度氣候變量最為敏感。貴州杜仲生長最適宜氣候條件為年均溫度在15～17.5 ℃、最暖季平均溫度在23～26 ℃、最濕季節(jié)平均溫在22.4～24.7 ℃，最熱月極高溫度在27.5～32 ℃、年均降水量在1 000 mm以上。研究結(jié)果可為貴州省栽培杜仲資源的選地、合理生產(chǎn)布局提供科學的理論指導。