基于Maxent模型的木犀属植物分布区预测

1. 木犀属介绍

木犀属属捩花目木犀科，共31种。该属植物为常绿灌木或小乔木，单叶，对生，叶片革质，呈披针形、椭圆形或倒卵形，通常光滑无毛，偶有粗糙叶面，全缘或有锯齿，叶片先端常具尖头，渐尖、急尖或钝尖。叶基几乎都为窄楔形，具叶腺和叶柄^[1]。花期大多在9月到10月左右的秋季，根据各地有效积温会有所变化。该属植物花小，两性或退化为单性，聚伞花序簇生叶腋，或再组成短小圆锥花序，多为白色、乳白色或淡黄色，有香味；花萼4裂；花冠白色或黄色，栽培种有时呈橘红色，钟形，裂片4；苞片两枚，基部合生；雄蕊多两枚，稀四枚；花粉均呈圆球形或近长球形，且外壁表面有网状纹饰；子房呈圆形分两室，每室胚珠2^[2]。根据花和花序将该属植物分为木犀组、管花木犀组、圆锥花序组以及离瓣木犀组。果实为椭圆形或歪斜椭圆形的核果，具1枚种子。染色体基数X=23^[3]。

1. 木犀属植物分布状况

木犀属植物目前共31种，间断分布于东亚与北美，^[3]其中北美洲有北美木犀（O. americanus)和墨西哥特有的墨西哥木犀(O. mexicanus)，其余分布于东亚。除岛屿木犀（O. insularis）为日本所特有，马来木犀(O. scortechinii)为马来西亚所特有，柊树(O. heterophylla)仅分布于日本和我国台湾，牛矢果（O. matsumuranus)、香花木犀(O. suavis)、木犀（O. fragrans）、齿叶木犀(O. xfortunei)、苏门答腊木犀(O. sumatranus)等在东亚分布较广^[4]。

中国是木犀属植物的分布中心且自然分布于长江以南的地区，我国有25种加三个变种，其中18个为我国特有，石山桂花（O. fordii）和毛柄桂花(O. pubipedicellatus)为广东特有，云南特产尾叶桂花（O. caudatifolius），海南特有显脉桂花(O. hainanensis)和双瓣桂花(O. didymopetalus)，台湾特有锐叶木犀(O. lanceolatus)和无脉木犀(O. enevius),湖北的特有种是毛木犀（O. enosus）。小叶月桂（O. minor）、细脉木犀（O. gracilinervis)与网脉木犀（O. reticulatus)分布于两广、川湘赣闽地区，山桂花（O. delavayi）分布于云贵高原，野桂花（O. yunnanensis）产于川滇藏，红柄木犀(O. armatus)和坛花木犀(O. urceolatus)产于湖北、四川，短丝木犀(O. serrulatus)分布于川桂粤，蒙自桂花(O. henryi)分布于湘黔滇，狭叶木犀（O. attenuatus）分布于黔桂滇，宁波木犀（O. cooperi）分布于广西、浙江、安徽、江西、福建，厚边木犀(O. marginatus)分布甚广，华东、华中直至西南^[5]。

综上，木犀属植物大多分布于温带、亚热带及热带海拔较高的水热条件较适宜，温暖湿润的地区,在山地区域海拔对木犀属植物的影响很显著^[6]。

1. 气候变化对于植物地理分布的影响

气候是影响物种分布的决定性因素。一般地说，物种对气候的耐受范围决定了它的地理分布范围，气候状况对新陈代谢的影响从根本上决定了物种是否能够在这特定的环境中生存下去，进而评估是否有必要进行迁移^[7]。在气候变化下，物种的适当面积发生变化，空间分布格局发生变化。第四纪的周期性冰期和间冰期交替出现，对现代植物的分布有很大影响。在上一个冰川时代，亚热带常绿阔叶林从中国南部迁移到南部，该地区的热带植被消失^[8]。中全新世是一个接近现在的温和时期，中国东部的常绿阔叶林北部约200至500公里^[9]。在过去的100年中，中国的气温上升是显而易见的，最近15年是百年来的最高气温^[10]。全球变暖可能使某些种群的生存、分布区域发生变化；温度变化可能超过物种的耐受限度使物种灭绝，也可能使种群更适宜生存和繁殖从而扩大该种群的分布范围^[11]。有研究表明，气候变暖导致植物向高地或高纬度地区移动,在北部地区海拔较高的地区，由于无地撤退，栖息地萎缩，物种存在遗传多样性下降的危险。

1. 植物种地理分布模拟概况

特定区域特有的稀有物种或物种的分布在维持生物多样性和生态系统平衡方面发挥着重要作用，具有重要的科学价值。然而，近年来全球气候变化和人为干扰导致某些物种的栖息地遭到破坏，这减少了物种总数和物种数量，并导致物种灭绝^[12]。因此，研究特定物种的分布并评估其栖息地非常重要。然而，某些物种需要特定的，有时是苛刻的生态条件，并且仅存在于具有极其复杂的地理环境的地区。受极端地形和高度等环境条件以及不发达的交通和通信基础设施的阻碍，如果估算仅基于区域调查，则某些植物物种的分配非常困难。准确预测物种分布，使用人们掌握的有限信息来改变生态和栖息地，建模是预测物种分布的重要方法，在植物空间分布研究中具有重要意义。在生态保护和应用研究中，研究人员经常使用生态模型来研究物种对物种的反应。目前主要的预测模型如CLIMEX模型（气候指数），BIOCLIM模型（生物气候模型）和DOMAIN模型（基于生物气候数据）还有基于生态位的模型，例如GARP（Genetic Algorithm for Rule-set Prediction）模型，ENFA (Environmental-Niche Factor Analysis) 模型 和MaxEnt(Maximum entropy method)模型和LR(Logistic Regression)和CART(Classification And Regression Tree）模型。

1. MaxEnt模型基本原理

植被与气候之间相互关系的研究一直是植物学、生态学和生物地理学等领域探讨的热点问题。近百年来，受人类活动和自然条件的影响，全球气候正经历着以变暖为主要特征的显著变化。IPCC第五次评估报告显示:预计至21世纪末(2081年至2100年)，与基准期(1986年至2005年)相比，全球平均地表温度将升高0.3℃ ~ 4.8℃^[13]。为了应对这一变化，物种的适宜分布范围可能会发生较大改变，如在气候变化下，兴安落叶松适生区将因逐渐攀升的气温、缓慢增加的降水量逐渐向北向东迁移，其适生区面积将大幅减少，适生性也随之降低^[14]。已有研究结果表明:气候变暖将驱使动物种向高海拔或高纬度区域迁移，如伊朗中部的短枝水蚤的分布区域将转移到更高的海拔^[15]。此外，气候变化导致一些物种灭绝也获得了许多证据的支持。研究物种分布格局对未来气候变化的响应对制定有效的生物多样性保护策略具有重要的理论和实践价值。

全球变化研究中的核心是通过模拟预测植被或者生态系统对全球变化的响应来采取科学的对策，而模型是理解和预测全球变化可能造成的各种影响的有效的关键工具之一，这是将“点”的研究成果拓宽到“面”上的一种重要手段^[16]。物种分布模型(Species Distribution Model SDM)为预测不同气候情景下物种分布格局可能产生的变化的有效方法之一。该模型将环境变量和物种发生数据进行当前关联，通过统计或机器学习程序推导出物种生态位模型，然后将物种生态位模型与未来气候情景下物种的空间分布预测结果相结合，从而得出物种的适宜分布区^[17]。而与物种地理分布模拟（SGDM）相关联的主要概念是生态位。生态位表示物种为了维持自身的长期生存在本质上必需的一组资源和生态条件。一般说来，生态位模拟工具都会生成物种的一个近似生态位信息。