红花玉兰适生区域研究
红花玉兰适生区域研究
【摘要】： 红花玉兰(Magnolia wufengensis)是木兰科玉兰属植物新种,具有极高的观赏价值和科研价值。但是红花玉兰野生种群生境狭窄,数量稀少,处于极度濒危状态,亟需保护和引种栽培,扩大适生区域。目前关于红花玉兰引种适生区尚不明确,也不明晰影响红花玉兰生长的限制因子以及对全球气候变暖的响应。因此本研究以湖北省五峰土家族自治县栽培的1年生红花玉兰实生苗为研究对象,将其引种到北京海淀、河南南阳、云南大理3个不同气候区开展区域化试验,以原产地湖北五峰为对照试验地,并将其与各个试验地主栽玉兰种进行对比研究,探究红花玉兰适应性。同时采用Maxent、GARP、Bioclim和Domain4种物种分布模型模拟了红花玉兰在现代(1970-2000)气候条件下的中国潜在引种适生区分布,筛选最优模型,并优化相关参数,划分适生等级,确定影响红花玉兰在中国的潜在适生区分布的主要环境因子及其阈值。最终利用筛选出的最优模型模拟红花玉兰在3个时期(现代、2050年(2041-2060年),2070年(2061-2080年))不同气候变化情景下(RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5)的全球潜在引种适生区分布,最后将其与望春玉兰、白玉兰和紫玉兰相关环境限制因子以及全球适生区进行对比分析,以评价红花玉兰的适生性及确定潜在引种适生区。主要研究结论如下:(1)区域化试验中,从不同试验地环境条件对比可以看出3个试验地南阳试验地环境条件和五峰最接近,大理次之,海淀与五峰环境条件差异稍大,但是均能满足红花玉兰的生长需求。在南阳和大理试验地生长适应性较好,苗高生长量达到五峰70%以上,地径生长量高于五峰,高径比小于五峰,冠幅与五峰差异不显著,移栽成活率和保存率均达到80%以上。海淀试验地生长适应性稍弱于五峰,苗高生长量同样达到五峰70%以上,地径生长量较小,高径比大于五峰,侧枝数、最大侧枝长和冠幅均低于五峰,移栽成活率和保存率达到70%以上。红花玉兰在南阳和大理试验地抗热性总体评价均为II级、海淀试验地为III级,抗寒性总体评价均为I级(抗性最强),抗病虫害能力综合评价均为II级及以上。但与当地种白玉兰和望春玉兰相比,抗逆性差异不显著,在形态及生理适应性方面稍弱,这也体现出红花玉兰尚需多年的引种驯化适应期。(2)基于49条红花玉兰现代分布记录和16个环境变量图层数据,利用4种物种分布模型模拟红花玉兰在中国的潜在引种适生区分布,4种模型预测的结果均显示红花玉兰潜在适生区范围主要在中国北纬40°以南,东经97°以东地区,具有较高的分布潜力。通过4种模型的AUC和Kappa值可以得出,Maxent模型模拟的AUC值最高,一致性检验Kappa值最好,预测红花玉兰潜在适生区表现最佳。Maxent模型模拟红花玉兰引种适生区最佳参数是特征组合LQ,调控倍频系数为3.5,该参数下模型过拟合程度较低,复杂性明显改善,模型转移能力提高。(3)通过Maxent模型模拟得出影响红花玉兰在中国潜在引种适生区分布主导环境因子及阈值为最冷月最低温(-13.36～9.84℃)、最冷季均温(-6.06～12.66℃)、年平均温度≥4.49℃、海拔(0-2803.93m)。现代气候条件下,红花玉兰在中国潜在引种高度适生区主要包括黄淮平原、长江中下游平原,江南丘陵北部,总面积46.60×10~4km~2;中度适生区包括华北平原、江南丘陵大部、两广丘陵北部、四川盆地东部、云贵高原东北部,总面积122.82×10~4km~2;低度适生区四川盆地东南部、云贵高原南部、两广丘陵以南、雷州半岛、海南岛和台湾岛西部、晋冀鲁山地丘陵地带、辽东半岛南部、黄土高原东南部及青藏高原东南部地区,总面积96.36×10~4km~2;不适生区包括东北平原、辽东半岛大部、黄土高原西北部、青藏高原西北部、新疆和内蒙古等地,总面积694.84×10~4km~2。在未来气候变化情景下,红花玉兰高度适生区呈现先减少后增加趋势,总体减少4.53%-29.98%,中度适生区总体增加6.45%-27.09%,低度适生区变化范围在-4.25%-21.86%,红花玉兰未来适生区质心整体向东北高纬度方向迁移。(4)Maxent模型模拟结果显示影响红花玉兰全球引种适生区分布主导环境因子及阈值为最冷季均温(-6.75～14.31℃)、气温日较差(≤14.29℃)、最热季均温(≥12.93℃)、最冷月最低温(-13.73～10.77℃)、年平均温度(4.47～24.56℃)和最湿月降雨量(40.99～715.42mm)。现代气候条件下,红花玉兰的全球潜在适生区主要分布在北纬20°～40°范围内的亚洲、欧洲、非洲和北美洲,以及南纬35°～45°范围内的南美洲西部地区,共约490.89×10~4km~2,其中高度、中度和低度适生区总面积分别是146.15×10~4km~2、119.88×10~4km~2及224.87×10~4km~2,主要分布在东亚和欧洲地区。在未来气候变化情景下,红花玉兰全球潜在引种适生区不断减少,破碎化程度增加,红花玉兰高度适生区总体减少8.37%-39.14%;中度适生区减少4.76%-16.39%;低度适生区减少6.65%-39.08%,适生区质心整体向东北方向移动。(5)红花玉兰与白玉兰、望春玉兰和紫玉兰的全球适生区分布均受到最冷季均温、最冷月最低温、气温日较差、最热季均温和年平均温度的影响,其中低温因子是最重要的限制因子。现代气候条件下,白玉兰、望春玉兰、紫玉兰全球适生区分布与红花玉兰具有一定相似性。在未来气候变化情景下,白玉兰、望春玉兰和紫玉兰的全球适生区范围均大幅度减少,变化趋势与红花玉兰类似。白玉兰和紫玉兰全球适生区均向东北方向迁移,而望春玉兰主要向东南方向移动。因此红花玉兰可以参照以上玉兰种进行全球范围的引种栽培。综上所述,通过区域化试验表明红花玉兰在海淀、南阳和大理均具有良好的适应性。Maxent模型是4种物种分布模型模拟红花玉兰潜在引种适生区分布的最佳模型,影响红花玉兰在中国及全球适生区分布的主导因子存在一定差异,但是均显示低温因子最重要的限制因子,模型模拟红花玉兰潜在适生区分布结果与区域化试验结果具有一致性。未来气候变化下会对红花玉兰适生区分布产生显著影响,部分适生区消失,破碎化程度增加,适生区整体东北方向移动。红花玉兰与白玉兰、望春玉兰和紫玉兰在全球的潜在引种适生区分布及对未来气候变化的响应具有一定相似性。以上结果可以为红花玉兰在中国以及全球开展有效保护和精准引种栽培提供理论依据。
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2021
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