未来气候变化下贵州杜仲气候适宜性区划研究

张 斌，尹 剑*，邱远宏，徐泽田

(1.贵州财经大学 西部现代化研究中心，贵州 贵阳 550025；2.贵州财经大学 大数据应用与经济学院，贵州 贵阳 550025)

杜仲(Eucommiaulmoides)为落叶乔木，属于杜仲科杜仲属植物，有补益肝肾、强筋壮骨、调理冲任、固经安胎的功效，是重要的滋补药材[1]。杜仲同时也是重要的潜力天然橡胶资源和木本油料树种，具有重要的国家战略地位[2]。在我国杜仲的主要产区有四川、贵州、陕西等地，其中贵州产量较大，品质也较高[3]。近年来，贵州大力发展中药材特色产业，杜仲成为该省重要的中药材发展对象[4]。杜仲生长对土壤的要求不高，在适合乔木生长的松软土壤均可生长，气候条件是其生长发育和药材品质的主要影响因素[5]。而气候变化对种植结构布局、产量、品质及种植制度等产生深刻影响[6]。因此，研究杜仲生长的气候适宜性区划，对区域药材种植规划、推动区域相关产业高质量发展具有重要意义[2]。

近年来一些研究结合气候环境因子进行了杜仲的气候适宜性区划。康传志等[7]利用Maxent模型分析了贵州杜仲的气候地形适宜区域；邓阳川等[8]利用GPMGIS方法研究了杜仲全球产区的生态相似性；王宝川等[9]利用层次分析法和GIS技术探讨了四川杜仲的气候适宜性区划。刘攀峰等[10]利用全球土壤、气候指标分析了杜仲在我国的潜在适生区分布。上述研究主要针对历史气候资料或现状数据，而在当前全球气候变化复杂多变的情况下，探讨未来气候变化下的物种适宜性区划，对种植规划的科学制定越来越重要，已成为学界关注的热点[11-13]。

基于此，本研究以贵州栽培杜仲为研究对象，结合WorldClim发布的未来气候变化情景，借助最大熵生态位模型分析不同气候情景下，贵州杜仲的未来气候适宜性种植区划，为其生产布局和种植规划提供科学依据，以推动实现优质药材资源的高品质和高产。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

贵州省(103°36′-109°35′E,24°37′-29°13′N)位于云贵高原东侧。面积约17.6万km2，平均海拔1 100 m以上，地势西高东低(图1)。受岩性和水力侵蚀，形成独有的喀斯特地形。全省冬无严寒、夏无酷暑，年均气温维持在15 ℃，全年降水较为均匀。日照时数较短，但由于是高原，辐射强度较高。森林覆盖率高，占60%以上。独特的气候和地形，使得贵州省适合多种药用植物生长，杜仲广泛分布于贵州省各地。作为全国较有特色的道地药材生产基地，2019年贵州中药材种植面积超过44万hm2，产值超过150亿元，带动11.63万户贫困户、37.1万贫困人口增收。中药材已成为贫困地区群众增收脱贫的重要产业。

1.2 样本点选取

通过查阅中国数字植物标本馆(http://www.cvh.ac.cn/)、中药资源共享数据专题服务网站(http://zzzy.zyzypc.com.cn)、中药记载文献及相关调查研究资料[14]，确定杜仲的主要分布区。于2019年7-8 月，在贵州省杜仲分布较多的大方、金沙、普安、湄潭等进行野外调查，并结合参考了第4次中药普查数据，共选取40个优质杜仲药材样点(图1)，通过资料整理和实地GPS测量记录，获取了各样点的经度、纬度和海拔三维数据信息。

1.3 气候数据集

研究采用了世界气候研究计划(WCRP)实施的第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)[15]。为便于研究者有更多的气候模式参考，CMIP6将RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5升级为SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP4-6.0和SSP5-8.5，同时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会经济模式驱动的新排放情景——共享社会经济路径(SSPs)，代替了CMIP5中4个代表性浓度路径(RCPs)，是CMIP6情景的重要的提升[16]。

虽然CMIP6中新情景所预测的辐射强迫与CMIP5的RCPs相似，然而排放路径和混合排放路径是不同的，主要在于新的SSPs情景模式从2014年开始预测，而RCPs为2007年。研究选择WorldClim提供的国家(北京)气候中心的中等分辨率气候模式BCC-CSM2-MR[17]生成的未来气候情景。BCC-CSM2-MR气候模式由于在大气和陆面具有更高的分辨率，对地形的描述更加细致，因此对地形降水、局地气温分布具有更好的模拟效果[18]。选用了SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5 4个排放情景，代表从低排放可持续发展到高排放常规发展4种最典型的情景[18]。时间段选择2021-2040年预测值进行分析。当前气候模式根据1970-2020的50 a均值数据，空间插值到1/4°与BCC-CSM2-MR输出数据实现空间尺度匹配。高程数据做同样的插值处理。所有数据统一在GCS_WGS_1984坐标系统下。

1.4 气候适宜性区划

生态位模型已经被广泛应用于物种区划研究[19]，其中GAPP、Maxent、BIOCLIM以及CLIMEX较为常用[20]。研究采用最大熵模型Maxent进行气候适宜性分析。Maxent是一个密度估计和物种分布预测模型，基于熵最大时事物最接近真实状态的原理，从符合条件的分布中选择熵最大的分布作为最优分布[21]。

Maxent首先确定物种的特征空间，即调查研究得出的杜仲40个样本点的分布。接着寻找限制物种分布的约束条件。本研究主要考虑气候变化对杜仲分布的影响，选取CMIP6下的BCC-CSM2-MR气候模式提供的4个排放情景的19个生物气候指标作为约束。现状数据采用1970-2020年的气象数据插值生成，与BCC-CSM2-MR数据调整到统一的空间参考和分辨率。根据于靖[5]研究发现，影响杜仲品质的最主要因素是海拔和气象，因此，同时加载海拔作为分析杜仲适宜度的环境变量。预测准确性通过受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic curve,ROC)的AUC(area under curve)值衡量[22]。当AUC>0.7为可靠，>0.8说明预测准确[23]。

在适宜性评价时，随机选取杜仲采样点的75%分布点作为训练集用于构建模型，剩余的25%作为测试集用于验证。运行Maxent模型2轮，第1轮通过重复迭代100次运算，筛选敏感性生物气候指标；第2轮筛选敏感性高的生物气候指标对杜仲气候的空间适宜度进行分析，并研究指标的重要性影响，同样迭代100次，并提取高AUC值下的分类结果。气候指标重要性分析选择刀切法进行。基于确定的年平均温度等5个主导气候因子，运用最大熵模型预测杜仲在研究地区的存在概率并确定杜仲的气候适宜性范围[24]。将气候适宜性划分为4个等级：不适宜、低适宜、较适宜、高适宜，发生概率参考康传志等[7]对杜仲的调查分类区分方法，将取值区间分为[0,0.25]、(0.25,0.5]、(0.5,0.75]、(0.75,1]。

2 结果与分析

2.1 主要气候变量变化趋势

对贵州省未来19个气候变量进行相关分析，同时结合Maxent模型检验，选出10个敏感性因子做为主导气候变量，结合DEM做第2轮模拟预测。10个主要因子及其当前及未来20 a的均值如图2所示。10个主要气候因子在未来4种情景下的均值与方差变化率如图3所示。研究发现，在4种模式下，各类指标的省域均值大部分增加，各类指标在全省范围内的标准差波动较大，从均值较难实现空间的预测。因此，需要结合空间分布划分适宜区。

2.2 适宜度模型的准确性评估

借助Maxent计算了近50 a均值和4个未来排放情景模式下的适宜性分布，5种情况下的评价精度通过ROC曲线表示(图4)。ROC曲线图纵轴表示真正例率(ture positive rate,TPR)，横轴表示假正例率(false positive rate，FPR)，AOC曲线下方面积即为AUC值。由图4可知，基于历史均值和未来情景的5种气候背景数据的预测中，AUC值均大于0.8，最大值均大于0.9，说明模拟准确较高，可较好地反映杜仲的空间适宜性分布。

表1 预测选用的主要气候变量

2.3 杜仲适宜性区域分布

从图5可以看出，当前高适宜区面积为31 392.96 km2，占总面积的17.82%，而未来低排放情景(SSP1-2.6)下高适宜面积得到了增加，占比达到19.58%；SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5 3种排放下高适宜区面积均小于历史均值下的适宜区面积，分别占17.5%、16.67%和16.51%。中适宜区和高适宜区面积的总体占比变化情况与高适宜区类似，历史均值情境下占比低于SSP1-2.6排放情景，高于另外3个排放情景。其中，SSP1-2.6情景下，中适宜区和高适宜区面积占比之和超过了总面积的1/2，达到50.67%。

从图6可以看出，5种气候背景下，贵州省杜仲气候适宜区分布特点在空间上均有不同。总体来说，黔西北-黔北-黔东北呈现出较为集中的适宜区，黔西南也分布有较为集中的适宜区，东南地区较不适宜杜仲生长，范围受气候情景的影响各有不同。5种气候情景下的高适宜区面积不仅是简单的扩张和收缩，还包括有位置上的移动。相对于近50 a均值水平，SSP1-2.6情景下的高适宜区增加，主要表现在黔西南地区和黔东北地区的扩张；SSP1-2.6情景下的中适宜区的增加则表现为整体扩张，黔东南扩张程度较大。SSP2-4.5情景下，高适宜区在空间上分布较其他情景更为集聚，特别是黔北、黔西北区域的高适宜区集聚较为明显；虽然总体上高适宜区有所减小但黔西北地区的高适宜区表现出面积的增加。SSP3-7.0情景下北部高适宜区出现了一定程度的向北位移，黔东南不适宜区明显增大，黔西南区域适宜程度与近50 a均值水平相近。SSP5-8.5高排放情景下高适宜区分布破碎化增加，且有向东北方向移动的趋势，黔东南不适宜区与近50 a均值水平相近。因贵州最北部地区海拔较低，气候变暖影响相对显著，与近50 a均值水平相比，除了SSP1-2.6低排放情景北部地区表现出适宜度变化不大外，其他3个情景均表现出适宜度的降低，因气候情景的不同体现出不同的变化程度，SSP2-4.5情景下该区域适宜度降低较为明显。

2.4 杜仲气候适宜性区划

将各类适宜度进行综合叠加，4种未来情景下均为高适度地认定为高适宜区，有大于2种情景不适宜地认定为不适宜区，生成未来气候变化下贵州省杜仲气候适宜性区划图(图7)。图7表明，贵州有较大区域适合杜仲生长，高气候适宜区主要分布在黔西北-黔中-前东北一带，以及黔西南地区，中高气候适宜区(2种及以上情景为高适宜其他为中适宜)分布在高适宜区周边，中低气候适宜区从中高适宜区向较不适宜区过渡，西北过高海拔地区和北部、东南高温地区适宜度低。未来贵州杜仲适宜区域主要分布呈现东北西南走向，高气候适宜区面积为18 708.94 km2，占全省面积的10.62%；中高气候适宜区面积为 24 293.43 km2，占全省面积的13.79%；中低气候适宜区面积为32 485.19 km2，占全省面积的18.44%；3种气候适宜区共计占全省面积的42.85%，其中中高适宜度以上区域占全省面积的24.41%，开发潜力仍然较大。

结合贵州省土地利用，提取林地、草地用地类型与气候适宜度区划进行叠加，对各县区气候适宜度为中高适宜和高度适宜等级的杜仲种植优势进行了统计。面积>500 km2的为第1级，200～500 km2为第2级，<100 km2的为第3级，<10 km2为第4级。表2列出了贵州各县区的杜仲气候适宜性种植优势，其中贞丰县、瓮安县、晴隆县、大方县、德江县、汇川区、金沙县、黄平县、黔西县、施秉县、红花岗区、兴仁县、石阡县、思南县、绥阳县、余庆县、兴义市、湄潭县、凤冈县、安龙县、七星关区的种植优势面积大于500 km2，是开发潜力较大的区域。

表2 贵州各县杜仲气候适宜性种植优势

2.5 主导气候因子分析

刀切法(Jackknife)可较为直观地甄别气候因子对适宜性的影响程度，进而分析主导气候因子对杜仲种植的重要性。在使用某个单独气候因子识别适宜性时，各因子的贡献程度不同，但5种气候背景下的差异不大。增益前五名依次为：最湿季平均温(0.846 3)、最暖季平均温(0.795 2)，年平均温度(0.785 9)、最热月极高温度(0.782 6)、年均降雨量(0.730 5)。贡献率排名前5的为：最暖季平均温(38.7%)、年平均温度(22%)、最湿季平均温(14%)、最热月极高温度(7.4%)、年平均降水量(6.3%)，占全部指标贡献率的88.4%。重要性排名前5的为：最暖季平均温(30.6)、海拔(15.4)、最热月极高温度(12.6)、最湿季平均温(10.9)、年平均温度(8.1)。研究发现，多个温度相关指标贡献率大，因此温度是影响杜仲种植分布的主导因素，海拔的置换重要性较大，因此海拔仍然对种植适宜度有较大影响。

表3 气候变量的贡献率和置换重要值

基于上述分析，图8显示了海拔和5个主导气候变量的响应区间。取概率值0.6作为气候最佳适宜性的临界条件，得出贵州省杜仲生长最适宜气候条件为年均温度约在15～17.5 ℃、最暖季平均温度在23～26 ℃、最湿季节平均温在22.4～24.7 ℃，最热月极高温度在27.5～32 ℃、年平均降水量在1 000 mm以上。

3 结论与讨论

3.1 讨论

鉴于气候条件是影响杜仲生长的关键因素，研究基于近50 a生物气候变量和未来4种排放条件下的气候情景，使用了19个生物气候变量并结合高程数据进行计算，讨论了未来气候变化下贵州省杜仲的气候适宜性空间区划。4种未来气候情景下的杜仲生长的气候适宜度体现出不同的空间分布变化特点。SSP1-2.6情景下的适宜度较历史平均水平有所增加，空间分布较为相似，可能的原因在于该气候情景是低排放情景。SSP2-4.5和SSP3-7.0情景下贵州东南部非适宜区扩大，该区域是贵州省海拔较低地区，多数地域海拔小于500 m，而本研究得出的贵州杜仲的高程适宜值为700～1 400 m，因此该区域本就是杜仲海拔适宜区的边界区；该区域不适宜区增大的可能原因是：在未来排放增加的条件下，低海拔地区升温明显，而杜仲生长对温度敏感，从而使得该区域在未来气候情景下适宜度降低。SSP5-8.5情景下，高适宜区空间分布集聚性变低，西北—中北—东北走向的连片高适宜区变得破碎化，东部、南部、西北高海拔地区的不适宜区、低适宜区扩大，东部、南部的原因与SSP2-4.5和SSP3-7.0情景下的可能原因类似，西北部地区可能是因为过高的海拔本不太适宜杜仲生长，在区域气温全面升高的情况下，高海拔临界适宜区转变为不适宜区。SSP5-8.5情景下，东南区域一部分原本在其他气候情景下的不适宜区转变为低适宜区，可能是排放升高导致该区域降水、气温等综合条件改变导致的，但总体来说高排放下，整体适宜度降低。SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5 3种气候情景下，北部地区适宜度都有所降低，该区域海拔普遍小于700 m，在排放增加、温度升高的情景下，该区域气候变化影响了杜仲生长的适宜度。

研究同时分析了未来气候变化下杜仲适宜性的主导气候变量的贡献率和响应情况。最暖季平均温、海拔、最热月极高温度、最湿季平均温、年平均温度、年均降雨量是贡献率较大的因子。刘攀峰等[8]对我国杜仲适生区的调查中发现，年均降雨量在700～1 450 mm条件下最为适宜。本研究得出贵州地区年均降雨量在1 000～1 500 mm条件下最适宜，主要是由于贵州省绝大多数地区年均降雨量大于1 000 mm，而全省的年均降雨极大值接近1 500 mm。本研究中最佳适宜的海拔区间为700～1 400 m，全国调查发现杜仲在1 400 m以上适宜性变差[3]，因此本研究得出的贵州省杜仲适宜区与全国调查结果整体上相吻合。

研究根据贵州各县区杜仲气候适宜性区域面积，对各县区进行了杜仲种植优势等级的划分。其中第1级的大方县、黔西县、金沙县和毕节市七星关区都是调查研究发现的高品质杜仲产区[3,7]。由于本研究仅讨论气候变化对杜仲的生长适宜性影响，而在生产实践中，需要根据气候适宜性区划与区域土地利用、土壤、地质等条件相结合来进行合理规划。一些农林用地可能被限制开发，这些变化势必会对杜仲的种植布局产生一定程度的影响。本研究在气候因子方面进行适宜性区划研究，若考虑到杜仲药材的产量及品质与气候因子的相关性，还需进一步研究探讨。另外，除自然因素外还有如人为因素的干扰，因此得到的适宜区并不一定就是最优种植区，但可作为相关区域的杜仲种植开发的参考。

本研究通过2轮的生态位模型运行和气候因子相关性，剔除了一部分冗余变量，而生态位模型预测的不确定性可能也是值得关注的问题，在变量减少后，计算消耗降低，但也带来气候因子不完整性导致的结果偏差风险，因此选取合适的不确定性分析方法讨论生态位模型的参数敏感性也值得思考。

3.2 结论

CMIP6发布的未来气候情景下，贵州省杜仲种植的高气候适宜区主要分布在黔中、黔西南地区，中高气候适宜和中低气候适宜区依次分布在高适宜区周边。低适宜和不适宜区主要分布于西北高海拔区和北部、东南部低海拔高温地区。仅考虑气候条件，中等适宜度以上区域面积约占全省面积的42.85%，中高适宜度和高适宜度区域占全省面积的24.41%。以中高气候适宜度的可种植面积进行排序，七星关区、大方县、金沙县和黔西县等县区种植优势较大。杜仲的气候适宜度对温度气候变量最为敏感。贵州杜仲生长最适宜气候条件为年均温度在15～17.5 ℃、最暖季平均温度在23～26 ℃、最湿季节平均温在22.4～24.7 ℃，最热月极高温度在27.5～32 ℃、年均降水量在1 000 mm以上。研究结果可为贵州省栽培杜仲资源的选地、合理生产布局提供科学的理论指导。