新疆千里光Seneciojacobaea在中國的適生區(qū)預(yù)測

田忠賽， 徐　琳， 程丹丹

中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074

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新疆千里光Seneciojacobaea在中國的適生區(qū)預(yù)測

田忠賽， 徐琳， 程丹丹*

中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074

摘要:【背景】菊科植物新疆千里光原產(chǎn)于歐亞大陸，在北美和澳洲為入侵植物，目前在中國只有新疆有分布記錄。新疆千里光一旦成為入侵植物，將對(duì)農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和人類健康都可能產(chǎn)生危害，所以需要評(píng)估其在中國的擴(kuò)散趨勢(shì)?！痉椒ā克鸭陆Ю锕庠谥袊褪澜缙渌貐^(qū)的分布記錄，結(jié)合當(dāng)前和未來(2050年)氣候條件下19種生物氣候變量，應(yīng)用Maxent模型和DivaGis軟件，定量預(yù)測新疆千里光在中國目前和未來的潛在分布區(qū)域;并通過接受者操作特征曲線(ROC)分析法對(duì)模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)。另外，通過Maxent給出新疆千里光在歐洲(原產(chǎn)地)、北美洲和大洋洲(入侵地)以及中國等4個(gè)分布區(qū)的年均溫度和年均降水量的氣候閾值?！窘Y(jié)果】用中國和全球分布的數(shù)據(jù)預(yù)測的結(jié)果有些差異。前者結(jié)果表明除了新疆地區(qū)，其他省份幾乎沒有新疆千里光的適生區(qū)；而后者顯示在中國其他幾個(gè)省份也有可能分布，且在甘肅四川交界處有較高適生性。前者模型精確度較高，但2個(gè)結(jié)果都顯示新疆千里光在中國目前和未來的分布區(qū)大部分還是在新疆地區(qū)。中國分布區(qū)年均溫度和年均降水量的閾值比其他2個(gè)地區(qū)都低。【結(jié)論與意義】新疆千里光在當(dāng)前和未來氣候條件下在中國未來的擴(kuò)散趨勢(shì)較弱，基本局限于新疆地區(qū)。用中國分布數(shù)據(jù)預(yù)測優(yōu)于全球分布數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果，新疆千里光不同分布區(qū)的氣候閾值的差異揭示分布于中國的新疆千里光與其他地區(qū)的種群的生態(tài)位有所不同，可能是一個(gè)新的亞種，希望未來能進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

關(guān)鍵詞:菊科； 入侵植物； 入侵風(fēng)險(xiǎn)； 最大熵模型

目前，我國全部已查明的外來入侵種529種中，植物占265種(Xuetal.,2012)。雖然入侵植物大多數(shù)是從其他國家引入,但并不能以行政區(qū)劃為依據(jù)定義入侵植物, 也不能把來自國外作為入侵的唯一標(biāo)準(zhǔn)(閆小玲等,2012； Py?eketal.,2004)。中國地域遼闊,東西南北的氣候、地形等差異很大,地區(qū)間相互入侵是正?，F(xiàn)象。因此,當(dāng)一個(gè)中國土著種從原產(chǎn)地進(jìn)入一個(gè)新分布區(qū)且空間跨度較大的,即使仍在中國境內(nèi)也應(yīng)該作為入侵分布而視為外來種(就地域而非國界而言)(閆小玲等,2014)。如新疆白芥SinapisarvensisL.，原產(chǎn)于歐洲、西亞、中亞,在中國只在新疆野生,但目前已經(jīng)基本覆蓋全國并被列為入侵植物(萬方浩等,2012; 徐海根和強(qiáng)勝,2004、2011)。

在入侵生物學(xué)領(lǐng)域，最大熵(maximum entropy,Maxent)模型被廣泛運(yùn)用于預(yù)測外來入侵物種的潛在分布，能夠在分布點(diǎn)較少的情況下得到較滿意的結(jié)果。國內(nèi)已利用Maxent模型成功進(jìn)行了入侵植物紫莖澤蘭EupatoriumadenophoraSpreng.、飛機(jī)草Chromolaenaodorata(L.) R.M. King & H. Rob.、加拿大一枝黃花SolidagocanadensisL.、薇甘菊MikaniamicranthaKunth(Weberetal.,2008)、黃頂菊Flaveriabidentis(L.) Kuntze、草胡椒PeperomiapellucidaL.、刺軸含羞草MimosapigraL.、南美蟛蜞菊Wedeliatrilobata(L.) Pruski、齒裂大戟EuphorbiadentataMichx.等在我國的分布區(qū)及潛在分布區(qū)預(yù)測(曹向鋒等,2010; 董旭等,2013; 雷軍成和徐海根,2010; 劉勇濤等,2013; 王翀等,2014; 徐小偉等,2014; 楊波等,2009； 岳茂峰等,2013; 張路,2015)。另外，一些研究運(yùn)用多種模型預(yù)測植物的分布區(qū)，其比較結(jié)果都表明Maxent的穩(wěn)定性最好(曹向鋒等,2010; 劉欣,2012; 王運(yùn)生等,2007、2009)。

新疆千里光Seneciojacobaea(Asteraceae)，異名JacobaeavulgarisGaertn，屬菊科千里光屬，中文名又名異果千里光、臭千里光(安爭夕等，1999； 劉剛，2007)。多年生草本，生于疏林或草地，在土地、路旁和牧場生長豐富(林容和陳藝林,1985)。新疆千里光原產(chǎn)于歐亞大陸,在全球分布廣泛，在歐洲、北美洲、大洋洲、亞洲、非洲、南美洲都有其分布記錄(Bain,1991; Cameron,1935; Coombsetal.,1991; Hodálováetal.,2015; McLarenetal.,2000)(圖1)。新疆千里光在中國分布于新疆北部阿爾泰、布爾津、北屯，奇臺(tái)、阜康、烏魯木齊、石河子、瑪納斯、和布克賽爾、額敏、塔城、托里、溫泉、霍城、沙灣、察布查爾、伊寧、特克斯、鞏留、塔什庫爾干等地(安爭夕等,1999)及江蘇(江陰);但據(jù)可靠記錄,應(yīng)該只分布在新疆地區(qū)，在江蘇的出現(xiàn)可能為引種迭生的結(jié)果(林容和陳藝林,1985)。

新疆千里光含有吡咯里西啶生物堿(PAs)，這種生物堿對(duì)食草動(dòng)物和致病真菌有化學(xué)防御作用(Hartmann,1999)，能導(dǎo)致細(xì)胞畸變、癌變，造成動(dòng)物的急性、亞急性或慢性病變(王躍虎等，2002)。同時(shí)，新疆千里光擴(kuò)散較快，在受影響地區(qū)，其種子會(huì)發(fā)芽并與牧草植物競爭空間和資源，導(dǎo)致牧場生產(chǎn)率下降，尤其對(duì)澳大利亞的農(nóng)業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)造成了很大影響(McLarenetal.,2000)。對(duì)新疆千里光的控制主要為牧場管理、機(jī)械去除和化學(xué)防治，澳大利亞、新西蘭、北美和加拿大開展了生物防治(Leiss,2011)。

新疆千里光被納入中華人民共和國進(jìn)境植物檢疫性有害生物名錄(劉剛,2007)，在中國最早記錄于1951年，目前并未擴(kuò)散，在國內(nèi)還不是入侵植物，把其放入有害生物名錄也許是為了防止新疆千里光進(jìn)一步擴(kuò)散到新疆以外的其他地區(qū)，或是為了避免從其他國家?guī)胫袊睾５鹊亍?/p>

雖然新疆千里光目前只分布在新疆地區(qū)，但是仍存在從新疆?dāng)U散到中國其他地區(qū)成為入侵種的可能性。另外，新疆千里光的擴(kuò)散能力和繁殖能力較強(qiáng)，且在其他國家地區(qū)分布廣泛，為何在中國只分布在新疆地區(qū)？因此應(yīng)進(jìn)一步預(yù)測新疆千里光的分布區(qū)，觀察在未來的分布趨勢(shì)，判斷是否會(huì)成為入侵種及入侵不同地區(qū)的可能性。若發(fā)現(xiàn)有入侵風(fēng)險(xiǎn)，可以及早提出預(yù)防措施，將其控制在一定范圍內(nèi)。本文通過利用中國和全球分布數(shù)據(jù)分別預(yù)測新疆千里光在中國目前和未來的潛在分布區(qū)，判斷新疆千里光在中國是否會(huì)擴(kuò)散到其他地區(qū)，以及通過這2種方法預(yù)測結(jié)果比較中國的新疆千里光和其他地區(qū)新疆千里光的不同。

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)收集與處理

新疆千里光在中國的地理分布信息來自中國數(shù)字植物標(biāo)本館(Chinese Virtual Herbarium，CVH)。根據(jù)地名查找相應(yīng)的經(jīng)緯度，經(jīng)核對(duì)后錄入到Excel表中，刪除經(jīng)緯度不明確的記錄，共有127個(gè)分布記錄。

新疆千里光在世界的地理分布信息來自全球生物多樣性信息網(wǎng)絡(luò)(global biodiversity information facility，GBIF)，選取1950—2000年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分布區(qū)預(yù)測。在GBIF下載的分布數(shù)據(jù)不包括中國，為了能預(yù)測在中國的分布情況，加上了中國的分布記錄點(diǎn)。另外，將新疆千里光的分布數(shù)據(jù)按地區(qū)分為歐洲、北美洲、大洋洲和中國4個(gè)部分，以便比較不同分布區(qū)的氣候閾值。

通過Worldclim網(wǎng)站下載當(dāng)前的環(huán)境數(shù)據(jù)(1950—2000年監(jiān)測數(shù)據(jù))以及IPCC報(bào)告中各種能源的平衡發(fā)展SRES AIB模式下美國國家大氣研究中心(NCAR)、英國氣象局(UKMO)和加拿大氣候中心(CCCma)預(yù)測的2050年全球環(huán)境數(shù)據(jù)，共19個(gè)生物氣候變量(表1)。地圖資料從DivaGIS官方網(wǎng)站(http:∥www.divagis.org)下載。

1.2建模方法

運(yùn)用Maxent模型對(duì)新疆千里光在我國的潛在分布區(qū)進(jìn)行預(yù)測，包括當(dāng)前氣候條件下的分布區(qū)預(yù)測及2050年氣候條件下的分布區(qū)預(yù)測。為提高準(zhǔn)確性，設(shè)置時(shí)隨機(jī)選取25%的分布點(diǎn)作為測試集(test date)、75%作為訓(xùn)練集(training date)。預(yù)測2050年新疆千里光在中國的分布區(qū)時(shí)，為排除邊緣值的影響,選擇10%的訓(xùn)練閾值(10 percentile training presence)。

用全球數(shù)據(jù)預(yù)測新疆千里光分布區(qū)時(shí)的方法與用中國的分布數(shù)據(jù)預(yù)測方法相同。預(yù)測當(dāng)前氣候條件下的分布區(qū)時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有的新疆千里光在中國的分布記錄點(diǎn)來判斷，用中國的分布數(shù)據(jù)預(yù)測新疆千里光結(jié)果要好于用全球分布數(shù)據(jù)預(yù)測，因此在預(yù)測2050年新疆千里光在中國的分布時(shí)，只采用了中國的分布數(shù)據(jù)。

用歐洲、北美洲、大洋洲和中國的分布數(shù)據(jù)分別在Maxent中得到氣候閾值，溫度和降水是決定植物分布的主要因子，所以選取年均溫度和年均降水量分析不同分布區(qū)的氣候差異。

2結(jié)果與分析

2.1新疆千里光在中國的分布記錄

1951—1960年,新疆千里光有42個(gè)記錄點(diǎn)，分布在新疆的阿爾泰地區(qū)、昌吉回族自治州、烏魯木齊、博爾塔拉回族自治州、塔城地區(qū)和伊犁地區(qū)(圖2A)。1961—1970年巴音郭楞蒙古自治州(圖2B)、1971—1980年喀什地區(qū)(圖2C)、1981—2002年阿克蘇地區(qū)(圖2D)均分別出現(xiàn)一個(gè)新分布記錄點(diǎn)。從上述變化圖可以看出，新疆千里光自1950年至今沒有從新疆?dāng)U散到中國其他地區(qū)，且分布不很廣泛，基本集中在北疆地區(qū)。

2.2在當(dāng)前氣候條件下新疆千里光的適生區(qū)預(yù)測

新疆的山脈地形特點(diǎn)是山脈與盆地相間排列，盆地與高山環(huán)抱，喻稱“三山夾二盆”。北部阿爾泰山，南部為昆侖山系，天山橫亙于新疆中部，把新疆分為南北2個(gè)部分。新疆千里光的高適生區(qū)和適生區(qū)基本位于北疆的阿勒泰地區(qū)、伊犁地區(qū)、塔城地區(qū)、博爾塔拉蒙古自治州和昌吉回族自治州，與收集到的目前的分布記錄位置和密集程度基本一致。在阿克蘇地區(qū)、蘇勒孜克自治州(克孜勒蘇柯爾克孜自治州)、哈密和吐魯番分布記錄較少，但有低適生區(qū)和邊緣適生區(qū)，甚至有一定面積的高適生區(qū)。另外，在甘肅酒泉市和陜西關(guān)中地區(qū)有新疆千里光的可能分布區(qū)，但為低適生區(qū)，有新疆千里光的可能性比較小(圖3)。

用全球分布數(shù)據(jù)預(yù)測的新疆的總體潛在分布區(qū)面積和地區(qū)與僅用中國分布數(shù)據(jù)預(yù)測的結(jié)果基本一致，但是適應(yīng)性等級(jí)沒有僅用中國分布數(shù)據(jù)預(yù)測顯示的高。值得注意的是，結(jié)果顯示在西藏、甘肅、四川、陜西、重慶、湖北、湖南、云南、臺(tái)灣也有潛在分布區(qū)，大部分為低適生區(qū)，但在甘肅和四川的交界處還有一些較高的適應(yīng)性等級(jí)區(qū)域(圖4)。

2.32050年全球氣候條件下新疆千里光的適生區(qū)預(yù)測

2050年新疆千里光未來在中國的分布區(qū)略有增大，總的分布位置和目前保持一致，阿克蘇地區(qū)和蘇勒孜克自治州的適應(yīng)區(qū)面積變大，且部分地區(qū)表現(xiàn)為高適應(yīng)性，表明未來擴(kuò)散到該地可能性大。在新疆以外其他地方的適應(yīng)性等級(jí)減小，在其他地區(qū)分布的可能性更小(圖5)。

2.4氣候閾值

新疆千里光在中國分布區(qū)的年均溫閾值為-10～20 ℃，在6 ℃左右存在概率最大(圖6A)。在歐洲、北美洲和大洋洲的年均溫閾值基本在0～20 ℃之間:在歐洲10 ℃左右存在概率最大，大洋洲為12 ℃，北美洲為5和11 ℃，可能因?yàn)樾陆Ю锕庠诒泵乐薜姆植际窃跂|西海岸，東海岸和西海岸存在氣候差異(圖6B、C、D)。

新疆千里光在中國分布區(qū)的年均降水量閾值為0～1000 mm，在100～300 mm時(shí)存在概率較大(圖7A)；歐洲分布區(qū)的年均降水量的閾值基本在500～2500 mm之間，700 mm左右時(shí)存在概率最大(圖7B)；北美洲分布區(qū)的年均降水量的閾值為0～5000 mm，1100 mm時(shí)存在概率最大(圖7C)；大洋洲分布區(qū)的年均降水量在2100 mm時(shí)對(duì)新疆千里光分布有抑制，超過2100 mm后隨降水量增加新疆千里光存在概率增大(圖7D)。

3討論

標(biāo)本記錄、調(diào)查報(bào)告和發(fā)表的文獻(xiàn)都為一個(gè)物種在給定時(shí)間和地點(diǎn)的存在提供了明確的證據(jù)。雖然這些數(shù)據(jù)來源并不能表明物種在被發(fā)現(xiàn)之前存在了多久，但是植物的標(biāo)本記錄相對(duì)于其他方式可以提供一個(gè)物種出現(xiàn)的更準(zhǔn)確的地點(diǎn)和時(shí)間(Wang & Wang,2006)。本試驗(yàn)使用的當(dāng)前中國的分布記錄數(shù)據(jù)來源于CHV，基本為植物標(biāo)本記錄，全球的分布數(shù)據(jù)來源于GBIF，記錄包括標(biāo)本記錄、人為觀察、文獻(xiàn)記錄和機(jī)器記錄等。另外，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選與整理，將不準(zhǔn)確的記錄刪除，所以使用的分布記錄可靠，預(yù)測的結(jié)果也較可靠。

利用Maxent模型計(jì)算的ROC曲線可以檢驗(yàn)預(yù)測的精確度。AUC(areas under curve，ROC曲線下面積)值為ROC曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積值,AUC值大于0.5時(shí)，AUC值越大，表示輸入的環(huán)境變量與該物種的地理分布相關(guān)性越大，模型判斷物種在該區(qū)域有無分布的能力就越強(qiáng)，其預(yù)測效果也就越好(雷軍成和徐海根,2010)。在預(yù)測新疆千里光在中國的分布時(shí)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)的AUC值分別為0.977和0.967，說明模型與實(shí)際擬合度很好，能更好地模擬新疆千里光在我國的分布，結(jié)果可靠。用全球分布數(shù)據(jù)預(yù)測新疆千里光的分布區(qū)時(shí)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)的AUC值分別為0.858和0.856。該結(jié)果沒有僅用中國的分布數(shù)據(jù)預(yù)測的精度高，但結(jié)果仍較好。預(yù)測結(jié)果顯示新疆千里光在中國的入侵風(fēng)險(xiǎn)性較小，基本分布在新疆地區(qū)。但是如果其成為入侵種則會(huì)給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)和人類健康帶來一定危害，所以應(yīng)該加大監(jiān)管力度，在適生區(qū)進(jìn)行合理防治以防止其擴(kuò)散，在非適生區(qū)也要進(jìn)行監(jiān)控，將其控制在一定范圍內(nèi)。

中國分布數(shù)據(jù)和全球分布數(shù)據(jù)的預(yù)測結(jié)果均表示新疆千里光目前和未來都還在新疆大量分布，雖然用全球分布數(shù)據(jù)預(yù)測一些其他省份有潛在分布區(qū)，但適應(yīng)性等級(jí)較低，顯示的一些可能分布區(qū)并沒有發(fā)現(xiàn)有新疆千里光的存在。用全球分布數(shù)據(jù)預(yù)測的AUC值沒有僅用中國分布數(shù)據(jù)高，所以對(duì)于預(yù)測的新疆千里光在中國的潛在分布區(qū)，用中國分布數(shù)據(jù)預(yù)測的結(jié)果更可靠。不過2個(gè)結(jié)果都顯示在陜西和甘肅有潛在分布區(qū)，且用全球分布數(shù)據(jù)預(yù)測的結(jié)果顯示，在甘肅、四川有較高的適應(yīng)性等級(jí)，可以重點(diǎn)到陜西、甘肅、四川進(jìn)行考察確認(rèn)其是否有分布。

用世界分布數(shù)據(jù)和中國數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果的差異一方面可能由于全球數(shù)據(jù)太多導(dǎo)致預(yù)測精度不高，另一方面可能由于中國的新疆千里光和其他國家地區(qū)的新疆千里光存在差異。新疆千里光在世界范圍內(nèi)分布廣泛，但在中國僅分布在新疆。另外，通過氣候閾值比較的結(jié)果可以看出，新疆分布區(qū)的年均溫度和年均降水量與其他3個(gè)分布區(qū)差異較大，年均溫度較低，年均降水量較少(圖6、7)，進(jìn)一步說明在中國的新疆千里光與其他地區(qū)的新疆千里光可能存在差異。Hodálováetal.(2010、2015)曾用AFLP分析比較在歐洲采集的新疆千里光的細(xì)胞型，鑒定出新的亞種。在以后的研究中，可以通過形態(tài)比較、細(xì)胞型比較、DNA序列信息學(xué)分析以及PAs多樣性分析等方法進(jìn)一步確認(rèn)分布于中國的新疆千里光和其他地區(qū)新疆千里光的不同。

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● 兼容開放。平臺(tái)軟件與監(jiān)控設(shè)備特別是攝像頭的兼容性是長期存在的矛盾，由于沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的產(chǎn)品專用或是軟硬件被綁定，不能實(shí)現(xiàn)兼容。為了解決這個(gè)問題，平臺(tái)軟件廠商要么通過集成設(shè)備商產(chǎn)品的私有SDK、要么支持國際通用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議onvif或pisa，要么支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如GB/T28181和SIP517。

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(責(zé)任編輯:郭瑩)

Prediction of the potential distribution ofSeneciojacobaeain China

Zhong-sai TIAN, Lin XU, Dan-dan CHENG*

SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China

Abstract:【Background】Seneciojacobaea, a common weed native in Eurasia and invasive in North American, Australia and New Zealand. However, the occurrence records of this species in Xinjiang, China, are limited. Once successfully introducted,S.jacobaeacan be damaging to crop, livestock farming, and human health. Hence, it is urgent to estimate the potential distribution ofS.jacobaeain China. 【Method】 Based on 19 current and predicted (2050) climate variables and occurrence records from China and the other areas in the world, we quantitatively predicted the current and future potential distribution ofS.jacobaeain China with the Maxent and DivaGIS. The predicted models were evaluated by the receiver operator characteristic (ROC) curve. In addition, we calculated the climate thresholds of annual mean temperature and annual precipitation of theS.jacobaeadistribution in different areas (Europe — the native area, North America and Oceania — the invasive area, and China) by modeling in Maxent. 【Result】 The model built with occurrence data from China is better than that with the data from the whole world in relation to ROC curve and comparison to the occurrence record from China, but results of both model show that the current and future distribution area ofS.jacobaeais in Xinjiang, China. The annual average temperature and precipitation in China are lower than in other regions forS.Jacobaeainvasion. 【Conclusion and significance】S.jacobaeais and will be limited in Xinjiang China. The differences between two predicting models and different climatic thresholds ofS.jacobaeadistribution in China compared to that in other regions indicate that the populations ofS.jacobaeain Xinjiang differ from those in other regions and may be a different subspecies.

Key words:Asteracea; invasive plant; invasive risk; Maxent

收稿日期(Received)：2015-07-03接受日期(Accepted)： 2015-11-13

基金項(xiàng)目:中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(CUG130411); 國家自然科學(xué)基金(C031302)

作者簡介:田忠賽， 女， 碩士研究生。 研究方向： 植物生態(tài)學(xué)。 E-mail: zhongsai_tian@qq.com *通訊作者(Author for correspondence), E-mail: dandan.cheng@cug.edu.cn

DOI:10. 3969/j.issn.2095-1787.2016.02.006