基于GIS对极小种群野生植物毛果木莲的生态适宜性分析

余向鑫，吴哲荣，安星霖，艾星梅*，王 斌

（1.西南林业大学 园林园艺学院，云南 昆明 650224；2.云南民族大学 澜湄国际职业学院，云南 昆明 650504；3.云南省农业科学院 生物技术与种质资源研究所，云南 昆明 650205）

毛果木莲（Manglietia ventiiN.V.Tiep）为木兰科（Magnoliaceae）木莲属（Manglietia）常绿乔木，花大纯白色且芳香，是云南特有的极小种群野生植物（Plant species with extremely small populations，PSESP），具有重要的科研、经济、药用、观赏等价值。但由于它们种群数量少，分布范围窄，随时面临着灭绝危险，迫切需要采取保护措施［1-2］。毛果木莲有成为风景园林树种的潜力，具有很好的发展和推广前景，但目前毛果木莲在园林中应用较少，种质资源有待进一步合理开发利用，因此需要开展其生态适宜性分析［3］。

近年来，国内外学者已经广泛利用地理信息系统（Geographical information system，GIS）研究植物的生态适宜性，如：Tri 等运用层次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）和GIS 技术获得了党参（Codonopsis javanica）适 宜 栽 植 分 布 的 范 围［4］。Chau Ngoc 等运用APH 和GIS 技术对羽叶南洋参（Polyscias fruticosa）进行了生态适宜性分析，为其种植区的合理选择提供了科学依据［5］。前人对毛果木莲的研究多为种群生态学［6］、繁殖生物学［7-9］、遗传多样性［10-11］、生理生化［12-13］等方面，少有研究其引种推广的生态适宜性。AHP 是确定参数权重的有效方法，GIS 和APH 的结合使用对植物进行适宜性分析更有优势［14］。因此，本研究拟利用GIS 和AHP 对PSESP 毛果木莲的引种推广进行生态适宜性研究，获取毛果木莲在全国适宜引种推广的区域和面积，以期为毛果木莲及其他PSESP 的合理应用和保护提供参考。

1 研究方法

1.1 数据来源

数据主要包括全国的省和市级行政边界矢量数据、高程（Digital elevation model，DEM）、年平均降雨量、年平均气温、≥10℃积温、4 月平均气温、土壤质地、土壤pH（表1）。

表1 数据来源Tab.1 Data sources

1.2 适应性分析

生态适宜性是指不考虑其他限制因子时，实际的温、光、水、热、土壤等主要生态因子满足植物生长发育要求的程度［15］，选择主要环境因素与植物生境相似的区域作为植物适宜引种推广的生态适宜区［16］。从地形、气候、土壤三个方面，根据毛果木莲的生长环境选取9 个生态因子作为评价指标；专家使用成对比较法和1 ～ 9标度，评价同一层次指标的相对重要性，并通过算术平均法获得各生态因子权重；此外对毛果木莲在我国适宜引种推广区域进行适宜性评价，确定毛果木莲适宜引种推广区域和面积。

1.3 评价指标

据文献记载数据，以及实地调查毛果木莲的生长环境，选取地形、气候、土壤三个方面的生态因子进行生态适宜性分析［17］，因为它们直接影响毛果木莲的生长发育，对其引种推广的成败具有决定性作用。将地形、气候、土壤作为一级评价指标，海拔、年平均气温、土壤质地等9 个生态因子作为二级评价指标，评价毛果木莲引种推广的生态适宜性［18-19］。

1.4 确定各生态因子权重

层次分析法是一种基于多准则决策的方法，用于分析涉及多准则的复杂决策［20］，利用AHP 确定各生态因子权重，首先采用1 ～ 9标度法（表2），分别对9 个生态因子（海拔、坡度、坡向、年平均气温、年平均降水量、≥10℃积温、4 月平均气温、土壤质地、土壤pH）进行两两重要性对比判断，构建n×n判断矩阵，aij为因子（因子i到j），aij= 1/aij（表3）［21］。然后运用算术平均法计算判断矩阵，确定各生态因子的归一化权重（表4）［22］。判断矩阵的一致性检验是AHP成功决策的重要指标之一，最后对所有数据进行一致性检验（表5）［23-24］。

表2 相对重要性取值的1 ～ 9标度法Tab.2 The 1 to 9 scale of relative importance values

表3 评价指标重要性两两比较判断矩阵Tab.3 Pairwise comparison matrix for the importance of evaluation indicators

1.5 适宜性评价

确定各生态因子权重，评价毛果木莲在我国适宜引种推广区域的生态适宜性。适宜性计算公式如下：

G为毛果木莲推广引种区域的生态适宜性；n为评价因子的个数；Mi为准则层各因子的权重；Ki为决策层各因子的权重。i≤n，n= 1，2 …… 9［25］。

2 结果与分析

2.1 地形因素

通常情况下，海拔高度的变化会影响植物开花期［26］，这直接影响毛果木莲的景观效果。毛果木莲的适生海拔高度为800 ～ 2 000 m。坡度和坡向直接影响植物的生长和分布。坡度影响土壤条件，如：土壤侵蚀、土壤深度、土壤水分等；坡向影响植物对太阳能的吸收，从而影响其光合作用［27］，据野外实地调查毛果木莲在自然分布区域每个坡向上均有生长，坡度为0 ～ 75°。利用ArcGIS 10.8 首先处理空间分辨率为1 km × 1 km 的全国DEM 栅格影像，然后将地形各生态因子进行“重分类”以确定适合毛果木莲生长的海拔、坡度、坡向范围（表6）。

表6 毛果木莲适生生态因子分布表Tab.6 Table of the distribution of suitable ecological factors for M. ventii

2.2 气候因素

温度会影响植物的生长速度，毛果木莲自然分布区域气候温暖，年平均气温为16.4 ～ 22.6℃，≥10℃积温5 105 ～ 8 240℃。温度过低会影响开花时间［28］，毛果木莲正常花期为4 月开始，适宜区4 月平均气温应大于它生境的最低气温9℃。毛果木莲适宜年平均降水量为800 ～ 2 960 mm。在ArcGIS 10.8 中分别对空间分辨率为 1 km × 1 km 的全国年平均气温、年平均降水量、≥10℃积温栅格影像处理后，对气候各生态因子进行“重分类”，确定适合毛果木莲生长的年均气温、年均降水量、≥10℃积温范围。在ArcGIS 10.8 中处理空间分辨率为1 km ×1 km 的全国最冷月平均气温数据，选择全国4 月平均气温进行重分类，确定适合毛果木莲生长的全国4月平均气温范围（表6）。

2.3 土壤因素

土壤质地影响土壤含水量分以及土壤养分的有效性，毛果木莲的适生土壤砂土虽然保水性差，但透气性好。土壤的pH 值影响土壤中元素的溶解度和微生物的活动，对土壤养分的有效性有重要影响［29］，pH 值过高或者过低都会对植物造成损害，适合毛果木莲生长的pH 为4.8 ～ 5.7，呈酸性［30］。在ArcGIS 10.8 中对空间分辨率为1 km × 1 km 的土壤栅格数据进行“定义投影”处理后，提取出我国的土壤数据，并进行“重分类”，确定适宜的土壤土质和土壤pH（表6）。

2.4 适宜性评价结果与面积统计

运用ArcGIS 10.8 软件进行如下操作，以确定毛果木莲在全国适宜引种推广区域。首先运用“加权总和”功能得到适宜引种推广的范围，该过程即为适宜性评价公式的运算，并将结果归一化；其次运用“栅格计算器”功能将归一化数据乘100；然后运用“复制栅格”功能将其转为8 位无符号整型；最后运用“重分类”功能进行分类，采用百分制将适宜栽培区域划分为3 个等级；90 ≤G≤ 100 为最适宜引种推广区域；70 ≤G≤ 90 为适宜引种推广区域；0 ≤G≤ 70为不适宜引种推广区域［19，31］。

在ArcGIS 10.8 中运用“按属性提取”功能从毛果木莲在全国适宜引种推广区域中，提取出最适宜和适宜引种推广区域，并进行面积统计。毛果木莲在全国18个省适宜引种推广，最适宜和适宜引种推广区域面积分别为188 467 km2、930 603 km2，总面积为1 119 070 km2（表7）。我国适宜引种推广毛果木莲的区域主要在云南省，适宜面积为226 092 km2；其次广西壮族自治区，适宜面积为139 965 km2；再次贵州省，适宜面积为120 992 km2；广东省、江西省、四川省、福建省、湖南省、重庆省、湖北省、陕西省、西藏自治区、浙江省、台湾省、安徽省、海南省、甘肃省、河南省等地也适宜引种推广毛果木莲。

表7 毛果木莲全国适宜引种推广区域面积统计Tab.7 The area statistics of the suitable areas for the introduction and promotion of M. ventii in China

3 讨论与结论

利用 GIS 和 AHP 对毛果木莲在全国引种推广的生态适宜性进行分析，该方法科学、准确、快速，为毛果木莲及其他极小种群野生植物的合理应用和保护提供科学依据和参考。进行成对比较的专家对毛果木莲及其生长坏境有长期的研究和实地调查经验，能准确的对各指标进行评价。运用AHP时，评价因子不超过9 个所求得的权重结果才比较准确［32］，本研究结合数据可用性，仅选取了对毛果木莲生长发育影响最大的地形、气候、土壤等9个生态因子，提高结果准确性。人为打分具有主观性，随着国家对保护PSESP 的重视，越来越多的科研工作者正在开展对毛果木莲的保护研究，未来可邀请更多相关专家进行打分，增加评价样本，整合专家意见，选取更详细的数据、先进的技术，进一步缩小到市和县级研究范围提高精确性。在实际引种推广过程中应结合当地的经济情况、交通状况、园林养护程度等影响因素进行引种，同时需确保进行检疫及试种，避免破坏当地生态系统，并且需进一步研究毛果木莲在风景园林中运用时如何与其他植物搭配最佳，发挥其最大的园林价值［33］。

据野外调查，毛果木莲生境附近种植香蕉、橘子、姜等经济作物，虽然已经建立了保护小区，但因其影响经济作物生长，及其本身树干通直适合作为棺材、建筑材料的特性，仍存在被砍伐破坏的现象。野外每棵野生毛果木莲的保护责任应具体到个人，上级相关部门定期监督和审查下级的保护工作；建立完整的毛果木莲资源数据库，进行定期和连续的野外检测，掌握动态变化［34］；相关部门可根据毛果木莲的生境位置就近安排周边村民参与保护工作，给予一定的报酬，让村民有参与感的同时提高保护意识，并加大宣传破坏PSESP的法律责任。

欧阳志勤［35］等人曾在调查过程中发现当地村民在山地成片种植毛果木莲，但由于没有市场，所以村民改为种植香蕉、菠萝等能快速获得经济效益的农产品；据本团队近期实地调查发现，云南屏边有苗木公司种植毛果木莲，但销路不佳，种植数量较少。所以，需充分利用毛果木莲的观赏和潜在经济价值。适宜引种推广的地区，应积极开展毛果木莲引种、驯化，并在利用过程中加以保护，结合其观赏特性、园林用途和生态价值等，在赋予其新的内涵的同时，扩大市场需求以提升知名度［36］。届时，农村也可以根据当地的气候环境条件和市场需求，适度规划毛果木莲种植业的发展；乡村振兴人员要广泛开展合作交流，寻找优质种苗，扩大销渠道，增加村民收入，积极响应国家的乡村振兴战略［37］。因此，这既为当地政府和村民发展毛果木莲种植产业提供坚实的基础，又能达到进一步扩大其种群数量、保护毛果木莲的目的。