全 文 ：第 30卷 第 5期 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 Vol.30 No.5
2010年 5月 JournalofCentralSouthUniversityofForestry＆Technology May2010
收稿日期:2010-03-05
基金项目:中南林业科技大学青年基金重点项目(05010A)
作者简介:邱 罗(1984-),女 ,湖南株洲人 ,硕士 ,主要从事林业信息工程方面的研究
通讯作者:杨志高(1971-),男 ,湖南桃江人 ,副教授 , 主要从事林业信息工程方面的研究
广州薇甘菊潜在空间分布预测分析
邱 罗 , 杨志高 , 陈 伟 , 熊启明 , 于 洋
(中南林业科技大学 理学院 , 湖南 长沙 410004)
摘 要:薇甘菊是广州最主要的林业有害入侵植物之一。基于广州薇甘菊的实际调查数据及其对应的 14个环境因
子的定量关系 , 利用主成分分析确定主要影响因子 , 据此结合 GIS预测其潜在分布区。结果表明:海拔 、年平均温
度 、年均日照时数 、以及降水因子年平均降水量 、最湿季度降水量 、最干季度降水量这 6个因子对薇甘菊的分布影响
最大。薇甘菊的高度适生区为黄浦区 、萝岗区;适生区分布在广州南沙区 、天河区 ,以及增城市 、从化市 、番禺区局部
地区;荔湾区 、海珠区以及番禺和从化局部地区为非适生区。广州 96%以上的区域均适合薇甘菊的生长 ,潜在分布区
与实际分布区有较好的对应。
关键词:森林经理学;薇甘菊;空间分布;预测;广州
中图分类号:S757 文献标志码:A 文章编号:1673— 923X(2010)05— 0128 — 06
Forecastinganalysispotentialspacedistributionof
MikaniamicranthainGuangzhou
QIULuo, YANGZhi-gao, CHENWei, XIONGQi-ming, YUYang
(SchoolofScience, CentralSouthUniversityofForestry＆Technology, Changsha410004, Hunan, China)
Abstract:MikaniamicranthaisoneoftheleadingharmfulandinvasiveforestryplantsinGuangzhou.Weselected14envi-
ronmentalfactorsanddeterminedtheirquantitativerelationshipwiththeactualdistributionofthespecieinGuangzhou.Byu-
singprincipalcomponentanalysis, wedeterminedmaininfluencingfactors.Basedontheresults, weestimatedthepotential
distributionofMikaniamicrantha.Resultsshowthat:sixfactorsincludingelevation, meanannualtemperature, annualmean
sunshineduration, meanannualprecipitation, wetquarterprecipitation, dryquarterprecipitationimportantlyaffectedthedistri-
butionofM.micrantha.ThemostsuitablenormalregionwasHuangpu, Luoguang;suitablenormalregionwasNansha, Tianhe
andpartsofdistrictsofZengcheng, ConghuaandPanyu;unsuitableareawasLiwan, Haizhu, smalareaofPanyuandCong-
hua.Above96% areaofGuangzhouwassuitableforthegrowthofM.micrantha.Andthepotentialdistributionmatchedactu-
aldistribution.
Keywords:forestmanagement;Mikaniamicrantha;spacedistribution;forecasting;Guangzhou
外来生物入侵目前已经遍及全球几乎所有的农
业和自然生态系统 ,对生态系统的生物多样性和生
产力造成了严重的威胁 ,受到国际社会与科学家的
高度重视。最近的研究表明 ,大多数国家植物区系
中的 20%为外来区系[ 1] ,生物入侵已成为 21世纪 3
个最棘手的环境问题之一 [ 2] 。生物入侵给世界各
国经济造成了巨大的损失 ,据美国 、印度 、南非向联
合国提交的报告称 , 3个国家平均每年由此造成的
直接或间接经济损失分别高达 1 500亿美元 、1 300
亿美元 、800亿美元 ,我国每年仅几种主要外来入侵
DOI :10.14067/j.cnki .1673-923x.2010.05.016
第 5期 邱 罗 , 等:广州薇甘菊潜在空间分布预测分析
物种造成的经济损失就达 574亿元人民币[ 3] 。据初
步统计 ,目前我国已知的外来入侵物种至少包括
300种入侵植物 , 40种入侵动物 , 11种入侵微生物 。
从 2000年起 ,我国展开生物入侵研究 ,研究水平步
入了国际生物入侵研究的前列 。福州 、广州的生物
入侵研究走在了全国前沿 ,分别顺利召开了第 1、2
届全国生物入侵学术研讨会 ,并在生物入侵物种调
查 、检验检疫技术 、有害生物监测与控制技术等领域
取得了一定成绩 。
薇甘菊 Mikaniamicrantha也称小花蔓泽兰或小
花假泽兰 ,系菊科假泽兰属多年生攀援草本 ,茎细
长 ,匍匐或攀缘 ,多分枝 ,兼有性繁殖和无性繁殖方
式 。薇甘菊原产于中美洲 ,现已广泛传播到亚洲热
带地区 ,成为当今世界热带 、亚热带地区危害最严重
的杂草之一;因其蔓延速度极快 ,故英文名称又叫
“一分钟一英里的杂草 ” [ 4] 。大约在 1919年薇甘菊
作为杂草在中国香港出现 , 1984年在深圳发现 ,
2008年来已广泛分布在珠江三角洲地区。目前我
国对薇甘菊的生物防治与综合治理技术较多 ,比如
廖飞勇等 [ 5] 研究了薇苷菊的生物学特性 ,陈瑞屏
等 [ 6]研究了紫红短须螨对薇苷菊的生物防治。关
于薇甘菊空间分布预测方面的研究较少 ,因此笔者
以广州薇甘菊的实际调查数据为基础 ,运用统计学
原理和 GIS软件 ,定量分析物种分布与环境因子的
关系 ,预测其潜在入侵区域 ,为广州预防薇甘菊制定
合理的措施提供科学依据 。
1 研究区概况
广州地理坐标为 112°57′～ 114°30′E, 22°26′～
23°56′N,市域总面积为 7 434.4 km2 ,其中农业耕地
面积 122 700 hm2 ,林业用地面积 309 200 hm2。广
州地势自北向南降低 ,地形复杂 ,最高峰为北部从化
市与龙门县交处的天堂顶 ,海拔为 1 210 m。广州
地处南亚热带 ,属南亚热带典型的季风海洋气候 ,
各地平均气温在 21.4 ～ 21.9 ℃之间 , 降水量为
1 689.3 ～ 1 876.5 mm,年平均日照时数为 1 875.1
～ 1 959.9 h,年平均相对湿度值较高 ,一般为 80%。
广州地带性植被为南亚热带季风常绿阔叶林 ,但天
然林已极少 ,山地丘陵的森林都是次生林和人工林 。
2 材料与方法
2.1 环境因子数据
广州地面气象数据格式为带站点信息的 Excel
文档 ,内容包括年平均温度 、极端最高气温 、极端最
低气温 、相对湿度 、降水量 、最湿季度降水量 、最干季
度降水量 、日降水量≥0.1 mm日数 、年均日照时数 、
土壤温度;以及物种分布地海拔高度 、坡度 、坡向 、坡
位。气象数据处理时将站点编号和经纬度信息提
取 ,利用 ArcGIS软件创建气象站点分布矢量图 ,制
作各种气象指标连续分布表面图层 。海拔数据来源
于广州市 1∶10 000基础地理信息数据 ,坡度 、坡向
基于海拔数据生成 。
2.2 薇甘菊分布数据
薇甘菊主要分布于萝岗 、增城 、南沙 、番禺 、白云
和黄埔区 ,发生面积约为 4 000 hm2 ,其中林地发生
面积约为 1 000 hm2。实际分布数据来源于广州各
区 30个样地调查记录 ,数据内容包括 GPS地理坐
标 、海拔高度 、坡度 、坡向 、坡位 、危害面积。
表 1 薇甘菊在广州的主要分布
Table1 DistributionofM.micranthainGuangzhou
地区 生境 样地调查数量 分布面积 /m2
南沙区 ABCD 64 8 670
增城市 ABCD 26 6 158
黄浦区 ABCD 11 1 034
白云区 ABCD 26 8 950
天河区 ABCD 31 2 756
番禺区 ABCD 30 9 320
A:向阳;B:干扰地区;C:湿润土壤;D:路边平地。
2.3 数据处理方法
应用主成分分析方法(Principalcomponentanal-
ysisPCA)对薇甘菊实际分布点所对应的 14个环境
因子数据进行定量分析 ,根据各种环境要素因子得
分 ,确定不同因子对薇甘菊分布的独立影响程度 ,并
按大小排序。主成分分析及相关计算在 SPSS13.0
上进行 ,环境图层栅格计算及叠加在 ArcGIS9.2上
进行 。
3 结果与分析
3.1 主要环境因子的确定
利用 SPSS13.0对薇甘菊实际分布点所对应的
129
中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 第 30卷
14个环境因子数据进行主成分分析 ,确定前 4个主
成分贡献率(见表 2)。主成分分值是通过坐标转换
得到的 ,由各指标的线性组合构成 ,它的大小和正负
只在具体评价中才有具体意义 。负号表明它对主成
分的影响是负相关关系 [ 7] ,故选取贡献率较高的前
2个主成分进行分析 。
表 2 影响薇甘菊分布的环境因子前 4个主成分贡献率
Table2 Contributionofenvironmentalfactorsinfirst
fourprinciplecomponents
主成分次序 贡献率 /%
1 39.755
2 18.769
3 13.896
4 8.122
累计 80.542
表 3列举了影响薇甘菊空间分布的前 2个主成
分上 的负荷 量。第 一主成 分的贡献 率高达
39.755%,在全部主成分中处于最重要的位置。从
第一主成分特征向量来看 ,影响薇甘菊分布的环境
因子中年平均温度 、极端最低气温 、土壤温度 、海拔
高度 、坡向 、坡位的得分值为负值 ,表示它们对薇甘
菊的分布具有负影响 ,即它们的数值越高则越不适
合薇甘菊的分布。其余 8项指标———极端最高气
温 、相对湿度 、降水量 、最干季度降水量 、最湿季度降
水量 、日降水量≥0.1 mm日数 、年均日照时数 、坡度
的得分为正值 ,表明他们对薇甘菊的分布具有正的
影响 ,即数值越高越有利于薇甘菊的分布 。由载荷
矩阵可以看出排在前 4个的环境因子依次为最湿季
度降水量 (X6 , 0.975 400)、年平均温度 (X1 ,
-0.963 200)、最干季度降水量(X7 , 0.909 100)和
海拔高度(X11 , -0.906 430)。其中降水因子 X6和
X7在第一主成分中以较突出的正值出现 ,这说明降
水量越丰富越越适合薇甘菊生长;温度因子 X1则以
负值出现 ,与薇甘菊的分布呈显著负相关关系 。地
形因子 X11则对薇甘菊的生长具有负的影响 ,即海拔
越高 ,越不适合其生长 。第二个主成分的贡献率为
18.769%,它所代表意义不如第一主成分重要 ,但与
其他主成分相比较 ,仍然具有重要的地位 。从特征
向量来看 ,降水量(X5)、年均日照时数(X9)的分值
较高 ,且与薇甘菊的分布均呈正相关关系 。
根据以上结果 ,选取年平均降水量 、最湿季度降
水量 、最干季度降水量 、海拔高度 、年均日照时数和
年平均温度 6个主要环境因子在 GIS中建模 ,分析
并预测它们对薇甘菊空间分布的影响。数据分析
时 ,将 X5 、X6 、X7一并划分为降水类因子处理。
表 3 影响薇甘菊分布的 14个环境因子在前 2个主成分
上的载荷量
Table3 Loadof14 environmentalindexesinthefirst
twoprinciplecomponentsthataffectingthe
distributionofM.micrantha
环境指标 主成分 1 主成分 2
最湿季度降水量(X6) 0.975 400 0.633 200
年平均温度(X1) -0.963 200 0.638 990
最干季度降水量(X7) 0.909 100 -0.680 980
海拔高度(X11) -0.906 430 0.515 070
年平均降水量(X
5
) 0.761 600 0.983 000
日降水量≥ 0.1 mm日数(X8) 0.751 300 -0.077 836
坡向(X13) -0.734 620 -0.752 660
极端最低气温(X3) -0.623 600 -0.004 112
相对湿度(X4) 0.566 800 -0.716 580
极端最高气温(X2) 0.561 430 0.585 510
坡位(X14) -0.521 480 -0.426 130
土壤温度(X10) -0.499 800 0.087 564
年均日照时数(X9) 0.497 390 0.906 300
坡度(X12) 0.038 745 -0.222 600
3.2 主要环境因子阈值指标预测
划分物种的适生等级时 ,可以根据某物种发生
地适生等级密度值作为指标 ,确定高于或等于这一
密度的所有区域为相应的等级适生区。此外 ,也可
以按照以往研究经验 ,根据已知分布地危害程度 ,人
为确定数值指标 ,并划分出有关区域适生等级 。适
生区地图可以通过合适的插值方法予以实现 , Krig-
ing插值就是最佳方法之一 [ 8] 。
区域尺度上研究物种分布 ,起主导作用的是地
形因子[ 9] 。坡向与坡度对薇甘菊的影响不大 ,而海
拔的影响比较显著 [ 10] ,薇甘菊主要集中在低海拔地
区 ,但海拔过低反而不利于其生长 ,因此本研究中选
择海拔 1 m作为薇甘菊分布的临界线 [ 11] 。除了海
拔 ,影响薇甘菊分布的因子还有温度 、日照和降
水[ 12] 。气候因子阈值划分依据薇甘菊原产地气候
分布情况 [ 13] ,并结合实际调查点所对应的主要因子
的平均值 、最大值和最小值(见表 4),从理论上划分
出各因子阈值指标等级(见表 5)。
(1)降水量等级划分
从图 1可以看出 ,粉红色区域是薇甘菊最适合
生长地区 ,主要覆盖白云区 、萝岗区 、番禺区大部 ,花
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第 5期 邱 罗 , 等:广州薇甘菊潜在空间分布预测分析
表 4 影响广州薇甘菊分布的 4个主要环境因子指标
Table4 Fourmainenvironmentalindexesaffecting
thedistributionofM.micrantha
环境指标 最小值 最大值 均值 标准偏差
X1 20.1 23.2 21.5 0.326 17
X5 1 601.5 1 902.3 1 756.4 101.23
X9 1 720.5 1 983.2 1 887.2 59.365
X
11 1 600 221 44.959
都区局部 ,以及整个天河区和黄埔区。这片区域的
年平均降水量为 1 700 ～ 1 800 mm,给薇甘菊的生
长提供了有利的降水条件。绿色区域覆盖了广州最
南端 、从化市中部地区 、越秀区 、荔湾区 、海珠区以及
番禺区西部地区 ,这些地方的降水达不到薇甘菊生
长的适合条件 ,即使传入了薇甘菊 ,也不会大面积扩
散。图中蓝色和紫红色区域覆盖地方的年均降水量
表 5 薇甘菊适生性的因子指标及其等级划分
Table5 GradesofindexfactorforthepotentialestablishmentofM.micrantha
等级 年平均温度 / ℃ 年平均降水量 / mm 日照时数 / h 海拔高度 / m
高度适生区 21.8～ 22.6 1 700～ 1 800 1 850 ～ 1 950 50～ 200
适生区 21.4～ 21.8 1 600～ 1 700 1 750 ～ 1 850 200～ 600, 1 ～ 50
轻度适生区 21.0～ 21.4 1 800～ 2 200 1 700 ～ 1 750 600 ～ 1 171
非适生区 <21.0 1 400～ 1 600 <1 700 -61～ 1
图 1 降水量等级划分
Fig.1 Rankofprecipitation
为薇甘菊的生长提供了不同程度的适生条件。
(2)年平均温度等级划分
图 2为广州薇甘菊生长适宜条件的年平均温度
划分图 。从图上看出 ,整个广州区域的温度条件均
有利于薇甘菊的生长 ,其中广州南部的年平均温度
为 21.8 ～ 22.6 ℃,成为薇甘菊的高度适生区 。广州
越秀区 、海珠区 、天河区 、黄埔区 ,以及番禺区 、萝岗
区 、花都区 、增城市大部分地区为适生区;广州北部
地区为一般适生区。
图 2 年平均温度等级划分
Fig.2 Rankofmeanannualtemperature
(3)日照时数等级划分
日照时数插值结果(见图 3)表明 ,广州的光照
条件对薇甘菊的生长也是相当有利的。图中绿色图
块为薇甘菊的高度适生区 ,范围包括广州东南部大
部分地区 ,以及广州西部的花都区和白云区局部地
区。这些地区年平均日照时数达到 1 850 ～
1 950 h,给薇甘菊的生长提供了充足的光照条件 。
广州中部小块区域以及北部地区为轻度适生区 ,其
余地区为一般适生区。
(4)海拔高度等级划分
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中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 第 30卷
图 3 日照时数等级划分
Fig.3 Rankofsunshineduration
从图 4可以看出 ,薇甘菊高度适生区主要为萝
岗区 、白云区 、增城市 、从化市 、花都区局部地区 ,以
及番禺区和南沙区 、黄浦区小部分地区 ,这些区域的
海拔高度适合薇甘菊的生长。红色区域的海拔高度
一般为 1 ～ 50 m或者 200 ～ 600 m,是薇甘菊的适生
区 。图中显示的蓝色区域较小 ,这部分地区海拔超
图 4 海拔高度等级划分
Fig.4 Rankofelevation
过 600 m,适宜程度降低。黄色区域覆盖地区海拔
低于 1 m,不适合薇甘菊的生长。
3.3 薇甘菊潜在空间分布预测
将海拔高度作为决定性地形因子 ,降水 、温度 、
日照作为限制性因子。对以上 4个图层进行空间叠
加分析 ,剔除不满足限制性条件因子的区域 ,并将得
到的结果图重新插值 ,用密度间隔的方法分为 4个
等级 ,即高度适生区 、适生区 、轻度适生区和非适生
区(见图 5),并计算各等级所占广州市域总面积的
比例 。
荔湾区 、海珠区以及番禺和从化局部地区为非
适生区 ,面积约为 300 km2 ,占广州总面积的 4%。
这说明 ,广州 96%以上的地区对薇甘菊的生长具有
不同程度的适宜性 。黄埔区和萝岗区大部分地区是
薇甘菊的高度适生区 ,占广州总面积的 3.47%;适
生区分布在广州南沙区 、天河区 ,以及增城市 、从化
市 、番禺区局 部地区 , 占广州区域总面 积的
19.64%;广州花都区 、白云区 、从化 、增城 、番禺大部
分地区 ,以及南沙局部地区为薇甘菊轻度适生区 ,占
广州总面积的 72.89%。综合得知 ,广州绝大部分
地区适合薇甘菊的生长 ,且预测的空间分布区与实
际分布区有较好的对应 。
图 5 薇甘菊潜在空间分布区
Fig.5 PotentialspacedistributionofM.micrantha
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第 5期 邱 罗 , 等:广州薇甘菊潜在空间分布预测分析
4 结论与讨论
(1)利用主成分主成分分析方法剔除 14种环
境因子间的相关性 ,使结果能够直接反映各环境因
子对薇甘菊分布的影响。选择了气象因子中的年平
均温度 、年均日照时数 、年平均降水量 、最湿季度降
水量 、最干季度降水量 ,以及地形因子中的海拔高度
6个主要影响因子。
(2)将年平均降水量 、最湿季度降水量 、最干季
度降水量归为降水类因子 ,利用 GIS插值方法 ,建立
降水 、温度 、日照 、海拔 4大环境指标的阈值预测图
层 ,分别反映出不同影响因素对薇甘菊分布的适生
性等级划分 。
(3)将影响因子图层叠加 ,得到薇甘菊在广州
的潜在空间分布图 。结果显示广州 96%以上区域
适宜薇甘菊的生长 ,非适生区面积只有 300 km2 ,主
要包括荔湾区 、海珠区及番禺和从化局部地区 。预
测结果表明薇甘菊的潜在空间分布与实际分布有较
好的一致性 。
物种的分布受到很多因素影响 ,包括温度 、降
水 、海拔 、土壤类型 、物种间的关系及历史原因等其
他非生物因子和生物因子 ,在创建模型时若是考虑
过多因子将会使得模型庞大 ,也使预测变得更加繁
琐 。在预测物种分布时 ,模型参数选择是以气候 、地
形因子为主要因子 ,得出的预测结果无疑有一定局
限性。其次运用物种空间分布预测模型进行预测
时 ,需要获得物种已知分布数据和用于描述环境因
子的栅格图层数据 。物种已知分布数据可分为两
类 ,一类是已知物种在某地区存在的数据 ,称为正样
本数据;另一类是已知物种在某地区不存在的数据 ,
称为负样本数据 。由于负样本数据难以准确获取和
评估 , 使得预测模型的可靠性降低[ 14] 。第三 ,本研
究中各因子阈值指标划分是根据前人经验推断和相
关计算得到的 ,由于没有确定标准 ,研究结果还有待
进一步优化处理。
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[本文编校:吴 毅 ]
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