中国云杉属植物历史分布动态重建及未来分布预测

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云杉属(Picea)植物是北半球中、高纬度地区针叶林群落的主要建群植物属之一,我国是云杉属最大的多样性和分布中心,我国云冷杉林林分蓄积量居各树种之首。云杉属植物是优良的木材和理想的工业原料,具有很高的经济价值,云杉属植物也具有很好的水源涵养功能,是其分布地重要的造林树种。因此研究云杉属植物的分布变化动态及其与气候变化的关系具有重要的意义。而目前云杉属植物历史分布变化、现代潜在分布以及未来分布变化趋势还尚不清楚。本研究基于云杉属植物各物种的现代分布信息和世界气候数据库(Wordclim)提供的19个环境变量数据,利用最大熵模型(MaxEnt)模拟了我国12种主要的云杉物种在末次间冰期、末次盛冰期、现代、以及2050s、2070s RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5气候情景下的潜在分布,并利用云杉孢粉数据对历史分布模拟结果进行验证,从而探讨物种分布动态与气候变化的关系,推测其生物避难所和未来分布变化趋势。本研究表明最大熵模型对云杉属植物的模拟效果较好,并得出了以下主要结果:  1.影响12种云杉属植物分布的主要气候因子存在一定差异,但除新疆云杉对降水最敏感外,其他云杉属植物对温度因子的响应最敏感,且影响大多数云杉属植物分布的首要环境因子为“最暖季均温”,次要环境因子为“年降水量”。即云杉属植物总体上受温度因子的影响更大,这与云杉属植物喜寒习性和所处生境的水热条件密不可分。  2.末次盛冰期降温对云杉属植物分布产生了显著的影响,12种云杉属植物主要分为两种响应特征类型。第一种为向低海拔地区扩张型,即处于高山峡谷地区的云杉属植物(云杉、麦吊云杉、青海云杉、丽江云杉、白杆、大果青杆、新疆云杉、紫果云杉、雪岭云杉和青杆),由于大的海拔落差优势和云杉属植物喜寒的习性,在末次盛冰期都出现了不同程度的扩张;第二种为向低纬迁移型,即东北高纬地区分布的云杉属植物(鱼鳞云杉和红皮云杉),由于分布海拔低,主要以南迁的方式来响应低温气候。  3.根据模拟结果、化石数据和古气候数据,推测青杆、紫果云杉和大果青杆在末次间冰期存在永久避难所,依次位于湖北神农架地区,四川的二郎山地区,以及重庆金佛山和贵州梵净山地区。云杉在末次间冰期也存在临时避难所,位于云南的高黎贡山北段地区。  4.未来时期,不同云杉属植物和同一物种不同气候情景下的未来分布变化趋势存在一定的差异。但12种云杉属植物整体都呈现出适生区北移或向高海拔地区迁移的趋势,这主要是受气温上升和所在生境的地形条件的影响。随着时间推移,云杉属植物的适生区面积整体上呈缩小的趋势,其中白杆面积缩减显著,存在灭绝的风险。  总之,最大熵模型较准确地模拟了12种云杉属植物在过去、现代和未来的潜在分布区,并发现了云杉、大果青杆、紫果云杉和青杆的间冰期避难所,这对深入认识我国云杉属植物历史分布格局变化与气候变化的关系以及准确预测其未来分布变化趋势提供了科学依据,对云杉属植物物种多样性保护具有重要的参考价值。
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