湖北省杉木栽培区划及气候特征研究

杜超群，王起富，曾 勇，谭勋桃，刘 星，许业洲

（1.湖北省林业科学研究院，湖北 武汉 430079；2.咸宁市林业科学院，湖北 咸宁 437100；3.恩施州林业科学研究所，湖北 恩施 445000；4.建始县龙坪林业管理站，湖北 建始 445300）

杉木Cunninghamia lanceolata是我国南方亚热带地区特有的、重要的乡土树种，栽培历史悠久，用途广泛。目前全国杉木人工林面积为1.096×107hm2，蓄积量达7.26×108m3[1]，占全国造林总面积的27.45%，在我国森林资源中占有重要地位，是我国最重要的用材和商品材树种之一[2]。

气候是决定物种分布的最主要因素之一，近年来已有很多国内外学者研究了气候因子对植物适生区域的影响。在杉木研究方面，早在20世纪八、九十年代，盛炜彤等[3]采用主分量分析方法，选择与杉木生长紧密联系的气候因素，对杉木产区进行气候归类，以供全国主要杉木产区区划参考；高智慧[4]利用7个主要气候因子将浙江省杉木栽培区初步划成适宜气候区、较适宜气候区、可生长气候区和生长受抑制区，为该省的杉木造林规划提供了依据，提高了造林成效；陶国祥[5]以气候因子模糊分析法确定了云南省杉木适宜区和生产力范围，对人工林的生产布局起到了一定的指导作用。近年来关于杉木适生区划研究较少，刘建峰等[6]尝试运用统计模型Bioclim对全国杉木适生区进行气候划分，结果与杉木的长期栽培经验吻合。

湖北是杉木自然分布区之一，全省杉木栽培面积为2.5×105hm2，但是目前为止还没有对该树种进行栽培区划，多年来主要依靠实践中积累的经验进行栽植区域的选择。为了避免盲目栽植和连作障碍等问题带来的经济损失，研究杉木适宜性区划及其气候特征，对杉木人工林发展的科学规划，以及确定合理的培育目标和栽培措施具有重大意义。本研究利用ArcGIS技术和最大信息熵模型，通过收集现有人工林地理信息和温、湿度相关气候因子数据，对湖北省杉木栽培区域进行划分，并找出影响杉木栽培的主要气候因子以及最适宜栽培的区域，为杉木人工林的科学布局提供参考，以提高杉木人工林质量和产量，实现可持续发展。

1 研究方法

1.1 已知分布点数据收集

已知分布点数据为2016—2017年湖北省杉木人工林标准地调查样地位置信息171个，调查时利用手机GPS定位并记录经纬度信息。

1.2 气候数据收集

气候因子数据来源于世界气候数据库（http://www.worldclim.org/），精度30弧秒（≈1 km2），下载得到研究所需的对物种分布有重要影响的19个生物气候因子，分别为年平均温度 （bio01）、平均月温度变化范围 （bio02）、温差等温值（bio03）、季节性温度变异 （bio04） 、最热月最高温度 （bio05）、最冷月最低温度 （bio06）、温度年较差 （bio07）、最湿季平均温度 （bio08）、最干季平均温度 （bio09）、最热季平均温度（bio10）、最冷季平均温度 （bio11）、年降水量（bio12）、最湿月降水量 （bio13）、最干月降水量 （bio14）、季节性降水量变异系数 （bio15）、最湿季降水量 （bio16）、最干季降水量 （bio17）、最热季降水量 （bio18）、最冷季降水量 （bio19）。

1.3 分析软件及方法

利用ArcGIS 10.2软件和最大熵模型软件（MaxEnt version 3.4.1，下载地址为http://www.cs.princeton.edu/～schapire/maxent/）进行数据分析和制图。MaxEnt模型是一种基于最大熵理论的生态位模型，即根据已知样点的环境变量得出一定的约束条件，从而寻找此约束条件下最大熵的可能分布。与同类预测模型如GARP、ENFA和BIOCLIM等相比，该模型不但具有操作简便、运算速度快的优点[7-9]，而且利用AUC值分析比较显示，该模型的预测效果更优[10]，目前广泛应用于预测物种分布、外来种入侵趋势、森林病虫害预测以及气候变化对物种分布格局的影响等领域[11-13]。

根据MaxEnt软件的需要，将已知分布点的经纬度坐标转化为CSV格式文件，将下载的生物气候数据用ArcGIS软件转换成ASCⅡ格式文件，导入MaxEnt软件中运行。具体操作过程及各参数设置参考王伟等[14]在澳洲坚果潜在适生区划分和崔相艳等[15]在野生油茶潜在分布区预测的方法，运行结果再导入ArcGIS中结合湖北省行政区划图进行分析并制图。

2 结果与分析

2.1 基于MaxEnt模型的适生区分布

MaxEnt模型的预测结果采用0～1的分布概率值来表示该物种分布的适宜性。将MaxEnt模型的预测结果导入ArcGIS，利用重分类工具中的自然分割法，将湖北省杉木适生区划分为3个等级（图1）：分布值为0～0.127 2的区域划分为不适宜区；分布值为0.127 2～0.351 2的区域划分为较适宜区，面积为3.23×106hm2；分布值为0.351 2～0.949 7的区域划分为最适宜区，面积为 1.86×106hm2。

适生区主要集中在2大区域，即鄂西山区和鄂东南低山丘陵，其中鄂西山区又分为鄂西南和鄂西北两部分：鄂西南区域主要为恩施市（每个县市均有分布）和宜昌市的西南部（五峰、长阳和秭归），其中最适宜区在利川、宣恩、鹤峰和五峰这4个县（市）辖区；鄂西北区域的最适宜区集中在十堰市的竹溪和房县，襄阳市的保康及其与谷城、南漳三县的交界处，最适宜区的周边部分及十堰市的竹山、郧西、郧县、丹江口，宜昌市的兴山、宜昌市区，神农架的东部边缘为较适宜区。鄂东南低山丘陵主要包括咸宁市、黄石市的阳新和大冶、黄冈市的黄梅和武穴部分区域，其中咸宁市整个辖区的几乎80%均为杉木栽植的最适宜区。另外，鄂皖交界处大别山区以及鄂中的钟祥、京山、随州三县交界处有小面积适生区域。

图1 湖北省杉木适生区划Fig.1 Suitable planting division of C.lanceolata in Hubei

2.2 预测结果评价

2.2.1 AUC值评价

采用目前公认的ROC曲线下的面积AUC值来评判模型的模拟效果。本研究中MaxEnt模型的ROC曲线下面积训练集和测试集的AUC值分别为0.936和0.916（图2），均大于0.9，表明MaxEnt模型对杉木适生区的预测效果非常好。

2.2.2 适生区验证

图2 杉木模型预测ROC曲线Fig.2 ROC curve of C.lanceolata model prediction

为了进一步验证MaxEnt模型预测结果的可靠性，将湖北省二类清查数据中林龄在10 a以上、面积超过20 hm2的杉木人工林的地理信息导入预测图（图3），对预测结果进行检验。由图3可知，238个造林点中有126个属于最适宜区，103个属于较适宜区，占造林点总数的96.22 %，说明模型的预测结果较为准确。

经统计，分布在最适宜区的林分20年生平均树高和平均胸径分别为13.2 m和15.6 cm，分布在较适宜区的林分20年生平均树高和平均胸径分别为12.1 m和14.6 cm，均高于行业标准《LY/T 1384—2007 杉木速生丰产用材林》中Ⅱ类区树高11.9 m、胸径14.0 cm的低限生长量指标。

分布在不适宜区的部分造林点林分长势较差，经资料查询，随州市随县12年生林分平均树高6.7 m，平均胸径8.5 cm；十堰市郧县30年生林分平均树高和平均胸径分别为11.5 m和13.2 cm，35年生林分平均树高和平均胸径分别为11.6 m和12.6 cm。这些林分的平均生长量均小于行业标准中Ⅱ类区北带的低限生长量指标。

2.3 杉木适生区与气候因子的关系

利用刀切法分析各气候因子对分布预测所做的贡献，排在前4位的主要为反应水分条件及水热同步的指标（图4），分别为最湿季平均温度（bio08）、最湿季降水量（bio16）、年降水量（bio12）和最湿月降水量（bio13）。这说明杉木对水热均有一定的要求，其中最湿季平均温度的贡献率达到50%。

图3 杉木人工林在预测图中的分布情况Fig.3 Distribution of C.lanceolata plantations in prediction map of Hubei province

图4 刀切法检测气候因子对分布增益的重要性Fig.4 Effects of bioclimatie variables on gain of distribution using Jackknife test

由4个主要因子与适生区预测分布值之间的响应曲线可知（图5），最湿季降水量和年降水量越大，分布值越大；最湿季平均温度和最湿季降水量则为类似抛物线的分布趋势，即分布值先随着温度或降水量的增大而增大，到达顶峰后随着温度或降水量的继续增大，分布值逐渐减小。总体来说，湖北省适合杉木生长的气候特征为：最湿季平均温度10.2～24.1 ℃，最湿季降水量450 mm以上，年降水量910 mm以上，最湿月降水量175 mm以上。

图5 气象因子与分布值之间的响应曲线Fig.5 Response curves between prediction value and bioclimatic factors

3 结论与讨论

湖北省为杉木栽培的北缘地区，传统的杉木栽植中心为鄂西南的恩施市和鄂东南的咸宁市。本研究中利用MaxEnt模型将适宜区域划分为鄂西北、鄂西南和鄂东南区域，即除了恩施和咸宁以外，鄂西北的十堰市和襄阳市被划分为另一个栽植中心。从二类清查数据中筛选出的造林点的分布情况可以证实，鄂西北区域确实存在较多的人工林分，这为我省杉木栽植的整体布局和规划提供了新的思路和依据。

杉木喜温暖多雨，怕高温干旱，其生长上的差别首先受大气候的影响[3]。通过分析各气候因子对适生区预测所做的贡献，发现反应水分条件及水热同步的指标更为重要。湖北省年均温15～17 ℃，年均降水量在800～1 600 mm之间，其中适合杉木生长的气候条件为最湿季平均温度10.2～24.1 ℃、最湿季降水量450 mm以上且年降水量910 mm以上。而属于杉木中心产区的中带南岭山地，包括闽北、赣南、粤北、湘南、桂北与黔东，年均温18～20 ℃，7月均温28～30 ℃，年降水量1 400～2 000 mm，生长期长，是我国杉木生产力最高的区域[16]。与该区域水热条件相比，湖北省热量不足，降水量偏少，杉木人工林生产力偏低，因此培育目标以中小径材为主，目前湖北省已发展形成具有地域特色的短周期小径材培育模式。

本研究中MaxEnt模型预测的AUC值为0.916，说明预测效果较好。AUC值是公认的评判预测结果优劣的最佳方法之一[17]，一般来说，样本量比较小时，模型的AUC值变化较大，只有样本量足够大时，AUC值才会比较稳定。陈新美等[18]对MaxEnt模型中样本量对预测精度和稳定性的影响进行了模拟分析，认为在样本量达到120时，预测的结果比较稳定。本研究中分布数据的样本量为171个，用于模型预测结果检验的数据有238个，均为实际调查数据，因此预测结果是比较可靠的。

影响杉木分布的环境因素不仅有气候因子，还有地形和土壤等，有待今后在研究中不断补充和完善。