气候变化下中国栎属物种及其丰富度潜在分布格局模拟预测研究

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工业革命以来,随着经济和人口的不断增长,大气中温室气体的浓度逐渐升高,引起温室效应,导致全球气候变暖。由于气候变化对自然生态环境以及人类社会影响逐渐加剧,得到了越来越多的重视,受到了国际社会的广泛关注。物种的地理分布是物种重要的空间特征,也是物种和环境之间长期进行相互作用所产生的结果。在宏观尺度来说,众多影响物种地理分布的因素中,气候起着最主要的作用。由于人类活动导致的温室效应使全球气温持续升高,并进一步影响降水格局,气候极端事件发生频率增加,这些都不可避免的会影响物种的地理分布,改变区域物种组成、丰富度分布格局以及生物多样性,最终对生态系统的结构和功能产生一定程度的影响。目前,主要利用物种分布模型来探究物种地理分布及其对气候变化响应。在众多物种分布模型之中,以最大熵原理为基础的MaxEnt模型在模拟预测时只需要物种分布的存在数据,且在仅有少量数据时也可以获得较好的模拟预测结果,被认为是众多物种分布模型中最为可靠、常用的模型之一。本文所选择的研究对象为栎属物种。中国有栎属物种35种,全国各地均有分布,是我国森林生态系统重要组成树种和优势物种,在维持生态系统稳定与生物多样性方面起着重要作用。当前,世界各地已经对栎属物种进行了大量研究,但对于气候变化下栎属物种丰富度分布格局的改变及其种群动态变化的研究还鲜有报道。本文基于35个栎属物种大量精确的分布数据以及气候数据,使用MaxEnt模型模拟预测了在当前气候条件以及未来2个时期(2050年和2070年)、3个排放情景(RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5)下的中国栎属物种丰富度的潜在分布格局与空间变化。根据研究结果所获得的主要结论如下:1.利用MaxEnt模型与ArcGIS软件,基于35个栎属物种的分布数据与当前气候数据,模拟了当前气候条件下中国栎属物种及其丰富度的潜在分布,探索了中国栎属物种丰富度分布的格局与特点。根据物种分布数据得到的中国栎属物种丰富度实际分布可知,栎属物种主要分布在中国西南部山区。虽然中国栎属物种分布广泛,但栎属物种丰富度整体呈现出了一个破碎化、斑块化的分布格局。而利用MaxEnt模型模拟出的中国栎属物种丰富度潜在分布与实际分布格局基本一致,横断山脉到秦岭山脉、大巴山脉这一区域仍然是栎属物种分布的热点区域。由AUC值的评估结果可知,所有栎属物种模拟结果的准确度都达到了较好及以上的水平,证明可以采用MaxEnt模型对中国栎属物种的潜在分布进行模拟预测研究。2.利用MaxEnt模型与ArcGIS软件,筛选了影响中国栎属物种及其丰富度分布的主导因子,并分析主导因子的阈值,探讨了栎属物种丰富度分布与生物气候因子间关系。根据研究结果可以看出,年降水量与季节性温度变化方差是影响中国栎属物种及其丰富度分布的主导因子,说明热量和水分条件的共同作用在塑造中国栎属物种及其丰富度分布格局上起着重要作用。干旱和温度的不稳定性可能会对栎属物种的分布造成威胁,导致部分物种分布范围的变化和缩小,从而改变栎属物种丰富度的分布格局。3.利用MaxEnt模型与ArcGIS软件,基于35个栎属物种的分布数据与未来气候数据,预测了气候变化影响下中国栎属物种及其丰富度的潜在分布,探索了中国栎属物种丰富度分布的格局与变化。根据研究结果可以看出,气候变化将会影响栎属物种丰富度的分布格局,而且随着气候变化的加剧,这种影响也将逐渐增强。栎属物种丰富度分布格局的改变是由于气候变化会导致部分物种的分布区范围发生变化与收缩,并且随着温度的不断升高,这些物种会迁移到高海拔或者高纬度地区所造成的。同时,本研究还发现山地是栎属物种丰富度分布的热点区域。即使是在气候变化的影响下,从喜马拉雅山脉东部沿山地区域一直延伸到中部的秦岭山脉、大巴山脉这一地区仍然是栎属物种分布的核心区域,这就证明了山地在维持气候变化下物种丰富度方面发挥着重要作用。4.结合模拟与预测结果以及栎属物种丰富度分布与生物气候因子间关系,对气候变化下栎属物种灭绝风险进行评估,并对栎属物种保护关键区进行识别。研究结果表明,虽然随着气候变化的加剧,面积收缩型物种的数目以及它们分布区缩小的面积均将有所增加。但是在不同未来时期与排放情景下各栎属物种分布区面积收缩都在30%以内,表明未来栎属物种在中国的分布基本保持稳定,没有灭绝的风险。识别出在气候变化影响下栎属物种分布集中且物种丰富度能够维持在较高水平的区域、极易受到气候变化影响(即物种丧失率较高且物种丰富度减少较多)的区域,以及高海拔地区作为中国栎属物种保护的关键区域。针对气候变化下栎属物种及其关键区提出了有效的保护措施。本文所得到的研究结果对于生物多样性保护有重要的实际意义,同时,也对中国森林的可持续利用与管理具有一定的启示作用。本文的创新之处在于:首先,通过分析中国栎属物种及其丰富度分布的面积变化、边界变化以及中心迁移探究了中国栎属物种及其丰富度分布在气候变化影响下随时间推移的动态变化趋势,是对以往只关注分布格局研究的细化和补充;其次,综合考虑多时期(2050和2070年)、多排放情景(RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5)与多全球气候模型,尽量多的考虑到可能的未来潜在气候变化,降低了研究中的不确定性;第三,评估了中国栎属物种灭绝风险并识别出栎属物种保护关键区,有助于在时间和空间尺度上对中国栎属物种进行有效保护和合理利用。本研究基于中国栎属物种分布数据以及当前与未来气候数据,利用MaxEnt模型,模拟预测了栎属物种丰富度的潜在分布格局,探讨了中国栎属物种丰富度分布与生物气候因子间关系,并对气候变化下栎属物种灭绝风险进行了评估,对栎属物种保护关键区进行了识别。本研究重点关注植被的种群动态变化及其对全球气候变化的响应。模拟预测气候变化下栎属物种丰富度分布的潜在变化有助于更深入地了解栎属物种的生物地理特性及其空间分布格局,为全球变化背景下栎属物种的适应性管理和可持续利用提供了理论指导,也对进一步探索生物多样性保护具有重要意义。
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