摘要 為了探索環(huán)境因子對(duì)云南哀牢山喬木物種的影響，加強(qiáng)環(huán)境因子的保護(hù)和利用，本文利用GIS技術(shù)和MaxEnt建模軟件，分析各環(huán)境因子對(duì)該地區(qū)喬木群落的影響。結(jié)果表明，降水量季節(jié)性變異系數(shù)（Bio15）、土壤有機(jī)碳、年平均溫（Bio1）和pH值水4個(gè)因子是影響喬木群落分布的主要因子，降水量季節(jié)性變異系數(shù)（Bio15）81.5～84.0，土壤有機(jī)碳150～210 g/kg，年平均溫（Bio1）14～16 ℃，pH值水56.0～57.5（土壤pH 5.6～5.7）是喬木群落的最佳生長環(huán)境。平均日較差（Bio2）、晝夜溫差與年溫差比值（Bio3）、溫度季節(jié)變化（Bio4）、坡向、最暖季度平均降水量（Bio18）、陽離子交換容量、坡度以及與道路的距離8個(gè)環(huán)境因子是次要影響因子，貢獻(xiàn)率20.4%；氣候、土壤、地形和道路干擾等12個(gè)環(huán)境因子對(duì)喬木群落分布均有一定影響。為了保護(hù)研究區(qū)喬木物種多樣性，提出積極應(yīng)對(duì)極端天氣變化對(duì)喬木的影響和嚴(yán)格管控喬木林區(qū)人為活動(dòng)等建議。

關(guān)鍵詞 喬木；分布格局；環(huán)境解釋；土壤；降水量；物種多樣性

中圖分類號(hào) S757" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A" " 文章編號(hào) 1007-7731（2024）15-0064-06

DOI號(hào) 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.15.015

李根會(huì)等[1]研究認(rèn)為，喬木群落是野生動(dòng)物的重要棲息地之一。付卓文[2]研究指出，全球氣候變化背景下，自然保護(hù)區(qū)的交通條件不斷完善，可能會(huì)對(duì)喬木群落的環(huán)境因子造成一定影響。因此，研究喬木的生物多樣性環(huán)境影響因子具有重要意義。湯丹丹等[3]通過野外調(diào)查、標(biāo)本查閱，對(duì)云南哀牢山地區(qū)附生維管植物物種組成及分布進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果顯示，哀牢山地區(qū)附生維管植物共有23科83屬218種；李潔瓊等[4]調(diào)查了哀牢山地區(qū)林下樹種幼苗物種組成、個(gè)體數(shù)量的海拔分布格局及其季節(jié)動(dòng)態(tài)，結(jié)果表明，隨著海拔的升高，樹種幼苗物種豐富度均先增加后下降，優(yōu)勢(shì)種也發(fā)生了明顯的變化。本文將RS技術(shù)[5]、GIS技術(shù)[6]和MaxEnt[7]等相結(jié)合，克服了人工調(diào)查環(huán)境因子受調(diào)查人員技術(shù)水平、設(shè)備儀器和地理環(huán)境影響的局限性，充分發(fā)揮相關(guān)技術(shù)軟件快速、高效和實(shí)時(shí)更新的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行大規(guī)模調(diào)查。王健銘等[8]結(jié)合地理數(shù)據(jù)分析，對(duì)植被群落的生境進(jìn)行解釋，為制定科學(xué)的喬木群落保護(hù)管理對(duì)策，加強(qiáng)自然保護(hù)區(qū)的管理提供依據(jù)，對(duì)本研究有一定的借鑒意義。同時(shí)，本文把研究區(qū)林區(qū)道路、土壤pH值水和土壤有機(jī)碳等納入喬木群落環(huán)境影響因子，以進(jìn)一步解釋喬木多樣性空間分布格局的形成機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)基本情況

哀牢山自然保護(hù)區(qū)綜合考察團(tuán)[9]考察結(jié)果顯示，哀牢山自然保護(hù)區(qū)位于云南中部地區(qū)，23°36′～24°56′ N，100°44′～101°30′ E，跨越多個(gè)縣市，面積677 km2。年平均氣溫11 ℃，年降水量1 840 mm，兼有垂直與水平分布規(guī)律的山原型土壤分帶。邱學(xué)忠等[10]、孫晨娜等[11]研究結(jié)果顯示，該地植被類型多樣，包含熱帶北緣季雨林、南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林、中山濕性常綠闊葉林、針闊混交林、亞高山草甸和干熱河谷稀樹灌木草叢等，保護(hù)區(qū)內(nèi)共有1 486種高等植物和800多種動(dòng)物。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)收集" 下載的數(shù)據(jù)包括保護(hù)區(qū)高程數(shù)據(jù)［地理空間數(shù)據(jù)云（https：//www.gscloud.cn/sources/）］，從DEM中提取坡度、坡向信息；下載氣候數(shù)據(jù)（氣候數(shù)據(jù)網(wǎng)站https：//www.worldclim.org/），包括氣溫和降水等主要相關(guān)影響因子，未來生物氣候變量參考了張艷芳[12]在其研究中應(yīng)用的CMIP6模式ACCESS-ESM1-5，SSP5-8.5氣候情境下2021—2040年預(yù)測(cè)的氣候數(shù)據(jù)集；下載土壤數(shù)據(jù)（地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站https：//www.geodata.cn/），主要參考了董蘇君等[13]研究應(yīng)用的土壤有機(jī)碳密度數(shù)據(jù)集、土壤陽離子交換量數(shù)據(jù)集和土壤酸堿度數(shù)據(jù)集；下載研究區(qū)所在的縣（市）行政區(qū)劃圖層、哀牢山自然保護(hù)區(qū)矢量化圖層和交通數(shù)據(jù)（全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)http：//www.webmap.cn/），這些數(shù)據(jù)資料在許格希等[14]的研究中亦有所應(yīng)用；通過GIS 10.2空間分析工具裁剪26個(gè)環(huán)境變量柵格圖層，生成距離道路的柵格圖層，統(tǒng)一像元大小和坐標(biāo)系，搜集研究區(qū)森林資源二類調(diào)查喬木183個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，用于模型構(gòu)建。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理" 將選取的坐標(biāo)點(diǎn)整理并保存為xls.格式，通過GIS 10.2中的文件—添加數(shù)據(jù)—添加XY數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為矢量化點(diǎn)圖層，地理坐標(biāo)系GCS-WGS-1984；通過分析工具—領(lǐng)域分析—緩沖區(qū)功能，設(shè)置半徑500 m的緩沖區(qū)，當(dāng)同一類型多個(gè)地理分布點(diǎn)緩沖區(qū)存在相互重疊的情況時(shí)，參考許格希等[14]的研究方法，隨機(jī)保留1個(gè)緩沖區(qū)，避免后續(xù)模型分析過度擬合。保留100個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，選擇75%的坐標(biāo)點(diǎn)作為訓(xùn)練集，其余坐標(biāo)點(diǎn)作為測(cè)試集，通過GIS 10.2轉(zhuǎn)換工具—Excel—表轉(zhuǎn)Excel，將矢量化點(diǎn)圖層的屬性表保存為xls.格式的表格，用于模型構(gòu)建?？紤]到各環(huán)境變量之間的空間具有自相關(guān)性，利用ArcGIS中的SDMtoolbox插件剔除空間自相關(guān)性絕對(duì)值≥0.80的環(huán)境因子，最終保留12個(gè)環(huán)境變量，如表1所示。通過GIS 10.2轉(zhuǎn)換工具—由柵格轉(zhuǎn)出—柵格轉(zhuǎn)ASCll，將環(huán)境變量柵格全部轉(zhuǎn)為asc.格式保存，用于模型構(gòu)建。

1.2.3 參數(shù)設(shè)置" 參考許格希等[14]的研究方法，MaxEnt 3.4.1模型中的調(diào)控倍率、最大迭代次數(shù)和收斂閾值等保持默認(rèn)，對(duì)模型進(jìn)行10次自舉法重復(fù)，以平均指數(shù)作為最終模型結(jié)果。運(yùn)用Jackknife刀切法確定生物與非生物因子的貢獻(xiàn)率，模型自動(dòng)生成喬木的特征曲線（Receiver operation characteristiccurve，ROC）以及曲線下面積值（Areas under curves，AUC），用于評(píng)估模型預(yù)測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度。AUC值0.9～1.0為優(yōu)，0.8～0.9為良，0.7～0.8為中，0.6～0.7為差，0.6以下為模擬失敗。為提高精準(zhǔn)度，本研究原則上只采用AUC值在0.9以上的模型預(yù)測(cè)結(jié)果。在Lithocarpus_glaber_Thunb._Nakai中，分析各環(huán)境變量的貢獻(xiàn)率，得到影響喬木的主要因子和次要因子，分析喬木的各環(huán)境因子范圍及原因，提出研究區(qū)喬木群落的保護(hù)對(duì)策以供參考。

1.3 環(huán)境因子解釋

提取數(shù)據(jù)庫預(yù)測(cè)的2021—2040年年均溫、年均日較差等19個(gè)未來氣候變量，土壤有機(jī)碳、土壤pH值水和土壤陽離子交換容量3個(gè)土壤變量，海拔、坡度和坡向3個(gè)地形變量，以及與道路距離這1個(gè)環(huán)境干擾變量，剔除相關(guān)性大于0.8的環(huán)境變量，最終選用12個(gè)環(huán)境變量。通過構(gòu)建最大熵模型輸出氣候變量結(jié)果，利用總有機(jī)碳分析儀測(cè)定土壤樣品的有機(jī)碳含量，采用電極法測(cè)定土壤樣品的pH值，使用測(cè)繪儀器測(cè)量坡度和坡向，利用現(xiàn)有的遙感成果、GIS空間分析技術(shù)以及模型構(gòu)建，解釋環(huán)境因子對(duì)喬木群落的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型模擬

模型輸出結(jié)果重復(fù)10次得到的AUC值均大于0.970，表現(xiàn)出較好的可靠性，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集平均AUC值為0.980，模型的擬合程度高，預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)，能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)喬木林的環(huán)境因子。保留12個(gè)環(huán)境因子用于模型構(gòu)建，該模型計(jì)算得出貢獻(xiàn)率最高的是降水量季節(jié)性變異系數(shù)（Bio15），為28.6%，其次是土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，為25.4%，年平均溫（Bio1）貢獻(xiàn)率18.4%，pH值水貢獻(xiàn)率7.2%，這4個(gè)因子是主要的環(huán)境影響因子，貢獻(xiàn)率達(dá)到79.6%。平均日較差（Bio2）貢獻(xiàn)率6.0%，晝夜溫差與年溫差比值（Bio3）貢獻(xiàn)率4.8%，溫度季節(jié)變化（Bio4）貢獻(xiàn)率4.7%，坡向貢獻(xiàn)率2.1%，最暖季度平均降水量（Bio18）貢獻(xiàn)率1.4%，陽離子交換容量貢獻(xiàn)率1.1%，坡度貢獻(xiàn)率0.2%，貢獻(xiàn)率最低的是與道路的距離，為0.1%，這8個(gè)環(huán)境因子是次要影響因子，貢獻(xiàn)率20.4%。

2.2 環(huán)境因子解釋

2.2.1 氣候環(huán)境" 李宸鐘等[15]、周文潔[16]對(duì)不同地區(qū)植被群落特征進(jìn)行分析，認(rèn)為喬木群落結(jié)構(gòu)受多種非生物環(huán)境因子影響。唐安齊[17]、袁春明等[18]研究認(rèn)為，哀牢山的喬木群落結(jié)構(gòu)受溫度和降水量的影響。19個(gè)未來氣候變量保留了6個(gè)氣候因子，占12個(gè)保留因子的50%，其貢獻(xiàn)率達(dá)到63.9%，因此氣候是影響喬木多樣性的主要環(huán)境因子之一。氣候影響因子中（圖1～2），研究區(qū)的降水量季節(jié)性變異系數(shù)（Bio15）74.3～93.3，降水量季節(jié)性變異系數(shù)在81.5～84.0時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率在50%以上，其中，降水量季節(jié)性變異系數(shù)在82.0時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率最高，為72%。年平均溫（Bio1）為13.0～24.9 ℃，年平均溫在14.0～16.0 ℃時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率達(dá)到50%，其中，年平均溫在14.8 ℃時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率最高，為78%。研究區(qū)平均日較差（Bio2）在10.0～12.5 ℃，平均日較差在10.3～11.1 ℃時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率達(dá)到50%，其中，平均日較差在10.7 ℃時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率最高，為67%。晝夜溫差與年溫差比值（Bio3）在45.6～50.7，晝夜溫差與年溫差比值在48.2～49.3時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率在50%以上，其中，晝夜溫差與年溫差比值在49.2時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率最高，為63%。溫度季節(jié)變化（Bio4）在372～469，溫度季節(jié)變化在387～396和402～415時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率在50%以上，溫度季節(jié)變化在390時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率最高，為67%。最暖季度平均降水量（Bio18）在305～719 mm，最暖季度平均降水量在465～580 mm時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率在50%以上，其中，最暖季度平均降水量在480 mm時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率最高，為58%。

2.2.2 土壤環(huán)境" 陳浩等[19]研究認(rèn)為，土壤是植物根系生長的重要環(huán)境，本研究保留了3個(gè)土壤因子，其貢獻(xiàn)率達(dá)到33.7%。土壤因子中（圖3），研究區(qū)土壤有機(jī)碳在83～252 g/kg，土壤有機(jī)碳在150～210 g/kg時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率在50%以上，其中，土壤有機(jī)碳在180時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率最高，為75%。pH值水在55.0～71.0（土壤pH 5.5～7.1），pH值水在56.0～57.5（土壤pH 5.6～5.7）時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率在50%以上，其中，pH值水為55.0時(shí)（土壤pH 5.5）時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率最高，為89%。土壤陽離子交換容量為150～243 mol/kg，土壤陽離子交換容量在185～243 mol/kg時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率在50%以上，其中，土壤陽離子交換容量在190 mol/kg時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率最高，為60%。

2.2.3 地形環(huán)境及干擾因子" 姚志良等[20]研究指出，坡度和坡向是影響物種多樣性的因素。如圖4所示，研究區(qū)周邊及林區(qū)道路有人為活動(dòng)，占12個(gè)保留因子的25%。研究區(qū)坡向?yàn)?°～359.8°，即8個(gè)坡向均有分布，坡向在200.0°～330.0°（西南坡和西北坡）時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率在50%以上；坡向在270.0°（西北坡）時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率最高，為62%。坡度為0°～52.6°，坡度在20.0°～52.0°時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率在50%以上，坡度在27.0°時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率最高，為53%。與道路的距離在9 727 m以內(nèi)，與道路的距離在2 000～9 727 m時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率在50%以上，其中，與道路的距離在8 000 m時(shí)，喬木林出現(xiàn)概率最高，為70%。

3 結(jié)論與討論

本文利用GIS技術(shù)和MaxEnt建模，分析各環(huán)境因子對(duì)喬木群落的影響，解釋環(huán)境因子對(duì)喬木的影響。結(jié)果表明，降水量季節(jié)性變異系數(shù)（Bio15）、土壤有機(jī)碳、年平均溫（Bio1）和pH值水4個(gè)因子是影響喬木群落分布的主要因子，喬木群落降水量季節(jié)性變異系數(shù)（Bio15）輸出結(jié)果81.5～84.0，降水量實(shí)測(cè)結(jié)果與蘇藝等[21]、楊光輝等[22]和尚升海等[23]的研究結(jié)果相吻合。研究區(qū)喬木林群落預(yù)測(cè)的2021—2040年均溫（Bio1）為14～16 ℃，與劉洋等[24]監(jiān)測(cè)哀牢山年均溫18.0～7.6 ℃的結(jié)論吻合。喬木群落土壤有機(jī)碳含量150～210 g/kg，與孔令遷等[25]、趙雙梅等[26]實(shí)測(cè)的土壤碳分布特征基本相符。喬木群落土壤pH 5.6～5.7，與羅鈺穎等[27]實(shí)測(cè)的哀牢山表層土壤呈弱酸性，pH 5.06～6.97相吻合。因此，本文所預(yù)測(cè)的2021—2040年的結(jié)果具有一定的可信度。

針對(duì)氣候變化趨勢(shì)，建議按照海拔梯度建立氣象觀測(cè)站，加強(qiáng)研究區(qū)內(nèi)的氣候監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)工作，觀測(cè)氣候變化情況，積極應(yīng)對(duì)極端天氣變化對(duì)喬木群落的影響，這與周曉宇等[28]的研究觀點(diǎn)相一致。針對(duì)周邊經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，考慮到原住居民對(duì)自然資源依賴程度較高，滕?，揫29]研究認(rèn)為，要加強(qiáng)巡山護(hù)林工作，尤其是海拔在2 000 m以下的區(qū)域，要嚴(yán)格限制人為活動(dòng)，如禁止過度放牧、采集植物和采石取土等；發(fā)展生態(tài)產(chǎn)業(yè)時(shí)，要減少非科學(xué)研究以外的人為干擾對(duì)喬木群落的破壞；投入更多資金和技術(shù)力量，多方聯(lián)動(dòng)，加強(qiáng)對(duì)森林資源的監(jiān)測(cè)力度，加大喬木群落的科研力度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和成果共享，共同保護(hù)好喬木群落，維護(hù)研究區(qū)自然保護(hù)的生態(tài)平衡，這與顧環(huán)宇等[5]的研究思路相一致。

本研究暫未研究太陽輻射、風(fēng)速、喬林林下藤本植物和昆蟲等對(duì)喬木群落的影響，也未研究這些環(huán)境因子與當(dāng)前的12個(gè)環(huán)境因子之間是否存在相關(guān)性。今后，應(yīng)加強(qiáng)喬木群落的研究，建立固定的喬木群落監(jiān)測(cè)樣方，尤其是喬木群落下的灌木層、草本層植物和土壤層的研究，大尺度地綜合分析各類環(huán)境因子對(duì)喬木群落多樣性分布格局的綜合影響。

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（責(zé)任編輯：楊 歡）