近代研究表明, 人类的各种生产活动所造成的大气CO₂和其它温室气体的增加, 将导致全球气候变化(赵宗慈, 1989; 马学慧等, 1993; 任国玉, 1993; 林金星, 1993; Hecht, 1991; 安田喜, 1991; 赵营波, 1994; Dyer, 1988)。现代的观测表明, 近百年来全球普遍增暖, 尤其以中、高纬度增暖更为显著。中国的情况有点特殊, 北方增温, 而南方则降温, 属于世界上少数几个降温区之一。根据7个全球预测模型预测值的平均, 到2030年中国的气温将增加0.5℃~1.2℃, 降水也会略有增加, 但在中部地区略有下降(赵宗慈, 1989)。对古气候研究证明, 即使气温产生很小的波动, 也将会引起生物带和生物群落在地理分布上的改变。如在更新世的几个间冰期, 北美的温度仅高于现在2℃~3℃, 桑橙(Machira sp.)和泡泡(Asimina sp.)的地理分布就向北移动了几英里(Barker, 1983), 在全新世中期, 北美东部的温度比现在高2℃, 加拿大铁杉(Tsuga caradensis)和白松(Pinus strodus)在山地垂直分布的上限比现在升高了350m (Davis, 1983)。Levernz和Lev利用GISS模型的气候预测结果, 对气候变化影响下美国6个重要用材树种地理分布的变化进行了预测, 其结果表明, 气候变化将引起这些树种地理分布区的改变(徐德应, 1994)。

珙桐(Davidia involucrata Baill)是我国特有的单种属植物, 起源古老, 是第三纪古热带植物区系中的孑遗树种, 也是世界著名的观赏树种。地理分布范围如图 1所示。

关于珙桐的生物学特性和濒危状况, 曾有许多学者进行过讨论(宋朝枢, 1991; 陶金川, 1986; 朱陶员, 1989; 钟章成, 1984), 本文在前人研究的基础上, 运用地理信息系统IDRISI和专门计算机软件-生态信息系统GREEN以及全球气候预测模型(GCM_s)预测的2030年气候变化的结果, 就气候变化对珙桐地理分布的可能影响进行预测。

1 研究方法 1.1 确定适宜珙桐分布的气候参数区间

根据珙桐地理分布地点(见图 1)的经度和纬度, 应用生态信息系统GREEN (郭泉水等, 1995; 阎洪, 1989), 查出相应的气候指标, 而后将所获取的地理气候指标分别汇总, 构建适宜珙桐分布的地理气候指标数据库(略)。数据库中的每一个记录, 包括纬度、经度、海拔高度、年平均温度、最冷月平均温度、最热月平均温度、年平均降水量、干旱期、极端最低温度、干燥度等。而后从数据库中找出各气候指标的上下限, 确定适宜珙桐分布的地理气候参数区间(表 1)。

1.2 输出当前气候条件下珙桐的地理分布图和气候变化对珙桐的地理分布图

根据珙桐地理分布的气候参数区间生成珙桐地理分布图(见图 2)。根据GCM_s预测的中国2030年的气候状况, 利用相同的气候区间, 应用生态信息系统(GREEN), 生成气候变化后珙桐的地理分布图, 并与图 2叠加, 生成2030年珙桐地理分布受影响的区域变化图(见图 3)。

2 结果与分析 2.1 当前气候条件下珙桐的地理分布

应用生态信息系统GREEN生成的珙桐分布见图 2。

由图 2可知, 适宜珙桐分布的地理范围包括甘肃、陕西、湖北、湖南、四川、云南、贵州、西藏等8个省区, 图形显示的当前气候条件下适宜珙桐分布的面积约为4.54×10⁷ hm²。

适宜珙桐分布的纬度范围为北纬23°25′~33°38′, 经度范围为东经99°06′~111°18′。适宜珙桐分布的东界位于湖北省西北部武当山、神农架, 向南至武陵山北坡恩施、鹤峰, 到湖南西北部武陵山南坡至贵州省梵净山、雷公山, 最东端为北纬31°02′, 东经111°18′。适宜珙桐分布的西界是四川西南部的锦屏山、小相岭及德昌地区, 为北纬27°25′, 东经101°36′。在云南, 适宜珙桐分布的地区位于云南的东北部、东部及中部的宜良和路南, 跨东经102°06′~103°54′, 北纬24°36′~26°55′; 东段位于陕西省东南部的山阴县, 柞水县, 最北界为北纬22°38′, 东经109°00′。在陕西南部, 珙桐呈连续分布状态。

适宜珙桐分布的南界位于云南省的中南部, 约为北纬23°18′~25°19′, 东经99°48′~108°00′, 这一地区与珙桐的主分布带间隔较远, 呈星散状分布, 在云南省境内分布的北界位于云南省中部, 为北纬24°43′, 东经102°42′, 西界为点仓山, 云龙山, 东经99°06′, 北纬25°19′。

在四川, 适宜珙桐分布的北界为北纬31°26′~32°02′, 东经104°06′~105°18′, 其中包括剑阁、北川、绵州等县, 中部为北纬30°08′~31°02′, 东经103°12′~104°00′, 南部为北纬28°26′~29°08′, 东经102°30′~104°36′, 包括峨眉山、沐川、高县, 东部为北纬28°50′~31°26′, 东经107°06′~108°48′, 包括涪陵, 江北地区。

将图 2与图 1进行对照比较可以看出, 应用生态信息系统GREEN生成的珙桐分布与实际考察所得到的天然分布状况基本上是吻合的。

2.2 气候变化对珙桐地理分布的影响

根据GCM_s气候预测结果, 生成的2030年珙桐分布变化情况见图 3。

由图 3可知, 到2030年适宜珙桐分布的东界约向西移动0°12′~1°18′, 北界基本上没有变化, 仅北界东段向南移动了0°12′~0°42′, 西界北段没有变化, 西界中南段向东移了约0°18′~1°54′, 南界基本上没有变化。云南境内的珙桐分布变化较大, 北界约南移0°06′~1°24′, 变化最大的为云南西部, 到2030年因受气候变化的影响, 将呈星散分布状态。

气候变化后珙桐的可能分布面积为3.62×10⁷ hm²，较当前气候条件下的适宜分布面积约减少0.92×10⁷ hm²。

3 结果与讨论

(1) 到2030年, 气候变化对珙桐适宜分布区的北界和南界影响不大, 仅北界东段约向南移动0°12′~0°42′, 东界约向西移动0°18′~1°18′, 西界东南段约向东移动0°18′~1°54′, 适宜珙桐分布的面积比当前气候条件下适宜珙桐分布的面积约减少20%。

(2) 本文应用生态信息系统GREEN, 直接查询珙桐分布区的气候指标, 定义适宜珙桐分布的气候参数区间, 据此用图形显示的珙桐极限分布图, 反映了珙桐现代天然分布的轮廓, 可以认为用这种方法确定的树种生态气候适应范围是可行的。另外, 也说明气候因素是限定珙桐天然分布区的最重要的因子, 应用这种方法进行引种繁殖研究也是可行的。

(3) 珙桐化石出现于老第三纪(王荷生, 1989), 我国西南地区, 纬度较低, 受第四纪冰川的影响较小, 基本上保持着第三纪古热带较稳定的气候, 加之这一地区地形较为复杂, 北面是东西走向的秦岭山脉, 东面的大巴山与大娄山交汇, 南面是古老的云贵高原, 西面紧靠青藏高原, 而且珙桐分布区内的山脉大多呈北东——南西走向, 山脉的中小地形更是复杂, 因此, 在这里形成了古老植物的“避难所”。珙桐属单属、单种, 在分类学上居于较孤立的位置, 因而它在时间和空间分布上与古气候有着密切关系, 各分布区大都伴生有古老群落的树种, 属具有残遗性质的混交林, 其星散分布状况也说明了珙桐是一种衰退性的种群。

关于珙桐的“迁移”问题, 决定于许多因素, 首先是迁移的能力如何?其次是有多大的适宜地区可供迁移?珙桐种子较大, 千粒重6400g左右, 光滑而重, 落在陡坡上的种子可因重力作用向下坡方向滚动传播; 大型动物在取食珙桐种子的过程中也可起到种子传播作用, 但目前研究表明, 除野猪取食珙桐种子外, 其他取食动物尚未发现。因此, 由动物搬运向高处传播的可能性不大, 另外珙桐的种子外壳坚硬, 种子成熟落地后, 自然发芽需要2~3年时间, 而且在发芽过程中对湿度要求苛刻, 这些可能是它“迁移”过程中的主要限制因子; 珙桐在混交林中因受到其它树种的挤压, 树形一般不圆满, 开花结果都不理想; 另外, 珙桐的分布地点大部分处于我国生态环境的“危急区”, 少部分处在“极危急区”和“较危急区” (杨勤业等, 1992; 牛文元, 1989), 这些因素的存在, 更增加了气候变化影响下逐渐“消失”的可能性。

(4) 应用GREEN确定的珙桐地理分布的气候参数区间, 是珙桐进行生长和繁衍所依赖的环境条件范围, 可视为珙桐的基本生态位, 通常情况下, 由于物种之间的生存竞争, 或不能忍受某些植物影响的环境, 物种只能占据基本生态位的一部分, 除非在某些情况下, 物种受到特殊环境胁迫的限制, 基本生态位与现实生态位才可能趋于一致(Booth et al., 1988), 珙桐具有小树喜阴, 大树中庸偏阳的特点, 幼树可以在林冠下生存, 利用那些喜阳植物的空余生态位, 而大树中庸偏阳的特性则有利于占据空间生态位, 因此珙桐群落中有各种年龄阶段的幼苗, 幼树。这种分布格局表明珙桐在群落内是一种比较稳定的成员。然而珙桐仅分布在我国亚热带凉爽湿润, 云多雾重, 相对湿度85%以上的山谷地段, 呈星散分布状态, 这说明珙桐是一种衰退的亚热带森林类型, 环境的变化, 如气候变干, 必将影响到珙桐的天然更新, 缩小其分布区。

(5) 上述预测的2030年珙桐地理分布的改变, 是建立在“如果气候发生变化, 珙桐分布将紧随其后发生改变”这种“平衡假设”理论基础之上的, 实际上这种假设从几百年到几千年的时间尺度上是成立的, 但从目前预测的时间尺度上看, 珙桐的变化可能跟不上气候的迅速变化以保持平衡, 因此到2030年珙桐的实际反应可能与我们的预测结果大有出入。本文仅在我们现有的研究技术和水平上, 提出了到2030年气候变化影响下珙桐地理分布改变的尺度和方向, 更深入的问题有待今后进一步研究。