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基于大数据的城市绿化树种气候适宜性匹配研究

日期:2023-08-19 23:21:48     作者:徐捷    浏览:0    
核心提示:园林绿化树种在城市景观中发挥着重要作用,是减轻气候变化负面影响的有力工具。以中国重要林业树种木兰属植物为例,基于物种分布和气候的大数据集构建了物种分布模型。
基于大数据的城市绿化树种气候适宜性匹配研究
 
摘要:园林绿化树种在城市景观中发挥着重要作用,是减轻气候变化负面影响的有力工具。以中国重要林业树种木兰属植物为例,基于物种分布和气候的大数据集构建了物种分布模型。结果表明:
 
1)我国木兰属植物在气候适宜性方面存在显著的种间差异,且在水分-热量条件的权衡限制下占据着特定的气候生态位;
 
2)在54种木兰中筛选出潜在的耐旱型木兰14种、耐热型木兰10种、耐寒型木兰6种;
 
3)以华北地区3个代表性城市沈阳、北京、西安为例进行了树种与城市之间的气候适宜性匹配,证明水分条件是制约木兰属植物在我国暖温带及中温带地区分布的关键因素,并筛选确定了一系列具有推广种植潜力的木兰种。
 
采用的数据分析方法为不同气候条件下的城市绿化树种选择提供了理论指导,可用于我国木本植物区系的快速筛选,在植物引种和迁地保护等方面具有长远的应用前景。
 
 
园林绿化树种是城市绿色基础设施的重要组成部分,通过提供一系列复杂的生态系统服务,在固碳释氧、改善小气候和生物多样性保护等方面为减轻气候变化的负面影响发挥了关键作用[1-2]。在城市绿化树种的选择中,适地适树是发挥树种最大价值和提高其应对非生物胁迫能力的关键原则。传统的树种选择依赖于专业书籍及园林从业者的经验,但其所能涵盖的物种范围有限,且缺乏对属内种间具体性状差异的讨论。随着风景园林技术手段的进步,城市景观的精细化管理不断升级,在物种层面对城市树种选择提出了更具针对性的匹配要求。这一点在欧洲城市绿化树种的选择中已得到了很好的应用[3],但在我国研究尚少。
 
气候是在宏观尺度下影响物种分布的决定性因素[4],这一概念常常被应用于生态学领域的研究中。而大数据的发展使绿化树种与城市环境之间的气候适宜性匹配成为可能。全球生物多样性信息在线网站(GBIF,www.gbif.org)是世界生物物种数字化资源记录的最大数据门户,包括所有生物类群的约8.5亿份数据[5-6]。从标本记录中提取GPS信息并与全球空间插值的气候数据集连接,可用于物种分布制图和建模[7]。木兰属(Magnolia)植物约90种,在我国栽培历史悠久,原生及引种总计分布50余种,是重要的林业绿化用材。尽管木兰属以不能忍受极端气候而闻名,但其观赏特性受到高度关注,干旱和低温胁迫是限制木兰属植物在北方城市景观中应用的关键因素[8-9]。
 
目前,针对我国木兰属植物的研究大多集中在栽培育种、遗传发育和功能性状等方面,缺乏该属物种气候适宜性评价的定量研究[10-12]。本文通过将木兰属植物的地理分布及对应的环境数据进行链接,反演出其对原生气候的容忍度,并将所得数据与我国各大主要城市的气候条件进行匹配,尝试构建物种水平的城市绿化树种选择框架和定量评价方法,并探讨此方法在园林应用中的适用性。
 
基于大数据的城市绿化树种气候适宜性匹配研究
 
1研究方法
 
1.1物种分布数据
 
基于GBIF(DOI:10.15468/dl.ajyf67)的标本记录提取木兰属植物的分布数据。所有标本数据利用ArcGIS10.2在WGS-84空间坐标系统中转换为GPS坐标点。由于采样强度不匀会导致分析误差[13],将所得坐标点在0.1°网格进行重采样,即在每个网格单元内只随机选取一个标本点。
 
相较于年平均温度,温暖指数WI考虑了生长季的能量强度,并排除了可能对年平均值产生扭曲影响的冷季温度。因此,本研究采用WI来表征木兰属植物对应的热量条件。从国家生态科学数据中心下载了1971—2000年全国30年累计平均温暖指数。
 
1.3数据分析
 
使用MicrosoftExcel(v15.26)进行数据制表,使用IBMSPSSVersion20.0进行数据处理和统计分析。对木兰属植物对应的气候变量进行非参数方差分析,从而定量评估木兰属内是否存在显著的种间差异。使用多年平均降雨量(AP,mm)与温暖指数(WI)绘制散点图,创建基础物种分布模型(SDM)以表征木兰属植物对应的水-热权衡关系。绘制回归直线和95%置信区间,并将种间变异程度记录为R2。
 
绘制箱线图,以确定每个物种的气候需求,并筛选潜在的气候耐受型木兰种。使用干湿分布区的降雨量[18]划分标准来定义水分条件,即干旱半干旱区,AP≤400;半湿润区,400<AP≤800;湿润区,AP>800(单位:mm)。利用植被气候带生物温度[19]的划分标准来定义热量条件,即寒带,WI≤15;亚寒带,15<WI≤50;温带,50<WI≤90;暖温带,90<WI≤175;亚热带,175<WI≤240;热带,WI>240(单位:℃·月)。
 
在对木兰属植物现状分布对应的气候条件进行分析后发现,仅有9种木兰属植物的部分标本分布于AP≤800mm的半湿润地区,而72.2%的木兰属植物倾向于在WI>175℃·月的亚热带及热带地区分布。木兰属植物具有重要的景观及生态价值,在黄河流域以南区域广泛分布[20]。

为对原生分布较少的北方地区木兰的引种驯化及抗逆育种研究提出针对性建议,丰富和改善北方城市木兰属植物的选种应用,推动当地园林景观工作的开展,筛选了华北地区省会城市对应的环境条件,随机提取中心城区3个坐标点对应的环境数据,求平均值记为该城市的气候条件。将AP≤800mm、WI≤175℃·月作为选择依据,以不同维度梯度和水热条件的沈阳、北京及西安作为匹配对象进行气候适宜性分析。使用木兰属的SDMs筛选环境边缘种群[21],并在散点图中将目标种群与选定的城市环境进行比对,以定量描述木兰属植物与各大城市气候之间的潜在匹配度。
 
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