基于Maxent模型的中國喜旱蓮子草時空傳播規(guī)律研究

劉曉梅+邢芬+武梅+周紅杰+李宏群

摘 要：該研究基于喜旱蓮子草（Alternanthera philoxeroides）在中國部分地區(qū)的標(biāo)本采集分布數(shù)據(jù)，選取影響喜旱蓮子草分布的19個生物氣候變量作為環(huán)境因子，采用Maxent模型預(yù)測出目前喜旱蓮子草的潛在分布區(qū)。根據(jù)潛在分布區(qū)預(yù)測結(jié)果，可以對相關(guān)地區(qū)提出預(yù)警，幫助有關(guān)部門制定合理的防治措施，避免喜旱蓮子草進(jìn)一步擴(kuò)散造成更大的危害。

關(guān)鍵詞：生物入侵；喜旱蓮子草；Maxent模型；ROC曲線；刀切

中圖分類號 S451 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）23-0036-02

1 引言

喜旱蓮子草為世界性入侵惡性雜草，原產(chǎn)于巴西，現(xiàn)多入侵定居在溫帶至熱帶地區(qū)。該物種20世紀(jì)30年代作為馬飼料引入中國，而后在國內(nèi)大面積逸生導(dǎo)致草災(zāi)。2003年，喜旱蓮子草被列入我國首批入侵植物名單，其嚴(yán)重危害我國原有生態(tài)系統(tǒng)及生物多樣性，造成高達(dá)每年6億元的經(jīng)濟(jì)損失[1]。研究表明，生物入侵防治為先，對防治目標(biāo)地進(jìn)行風(fēng)險評估后，才能提出經(jīng)濟(jì)有效的防治計劃，而對潛在適生區(qū)進(jìn)行分析即是首要前提[2]。

MAXENT模型是近些年發(fā)展的一種新型生態(tài)位模型，具有操作簡便、精度高的優(yōu)點。前人應(yīng)用表明：用最大熵模型預(yù)測物種分布的結(jié)果要優(yōu)于同是生態(tài)位模型的GARP、CLIMEX、BIOCLIM等[3]。本文將氣候匹配法應(yīng)用于MAXENT模型中，采用刀切法對影響喜旱蓮子草的19個環(huán)境因子預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分析，找出喜旱蓮子草生長最敏感的環(huán)境因子，并且根據(jù)其生長特性和預(yù)測的潛在分布適生等級區(qū)域，為喜旱蓮子草的預(yù)警、監(jiān)控、預(yù)防提供理論依據(jù)，并對相關(guān)部門提供可行的治理建議。

2 研究方法

2.1 軟件工具 MAXENT軟件從（http：//www.cs.princeton.edu/schapire/maxent/）下載，版本為3.3.3k；GIS軟件，版本為ArcGIS 9.3。

2.2 數(shù)據(jù)來源 喜旱蓮子草的分布數(shù)據(jù)來源于教學(xué)標(biāo)本資源共享平臺（http：//mnh.scu.edu.cn/）和中國數(shù)字植物標(biāo)本館（http：//www.cvh.org.cn）。環(huán)境數(shù)據(jù)為影響喜旱蓮子草分布的19個生物氣候變量（1）多年平均溫；（2）晝夜溫差月平均值；（3）晝夜溫差與年溫差比值；（4）溫度變化方差；（5）最熱月最高氣溫值；（6）最冷月最低氣溫；（7）年氣溫變化限度；（8）最濕季度均溫；（9）最干季度均溫；（10）最暖季度均溫；（11）最冷季度均溫；（12）年降水量；（13）最濕月降水量；（14）最干月降水量；（15）降水量變化方差；（16）最濕季度降水量；（17）最干季度降水量；（18）最暖季度降水量；（19）最冷季度降水量）。數(shù)據(jù)來自于Worldclim數(shù)據(jù)庫。

2.3 模型預(yù)測 導(dǎo)入物種分布點數(shù)據(jù)和環(huán)境變量因子，選擇繪制預(yù)測分布圖、刀切法；MAXENT運(yùn)行時只用物種分布數(shù)據(jù)的一部分預(yù)測可能分布地，另一部分作為預(yù)測的驗證分析。因此在運(yùn)行前，設(shè)置好作為驗證的分布數(shù)據(jù)的比例（占總分布數(shù)據(jù)）25%（一般為20%～30%），其余采用默認(rèn)參數(shù)。預(yù)測結(jié)果分布圖利用ArcGis分析處理，加上坐標(biāo)、比例尺、圖例等，完善喜旱蓮子草在中國的適生區(qū)分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 喜旱蓮子草在中國的潛在分布 利用MAXENT模型預(yù)測得到的中國喜旱蓮子草的適生區(qū)分布圖（圖1），按照喜旱蓮子草適生等級的大小將其潛在分布區(qū)域劃分為以下3個等級：（1）適宜生長區(qū)。該區(qū)域主要集中在四川東部與重慶接壤周邊地區(qū)、重慶中西部、湖北西南部、湖北片區(qū)、湖南中東部、江西北部、安徽西、中、東部，江蘇西南及東南地區(qū)以及上海、浙江北部及沿海地區(qū)、福建沿海地區(qū)、廣西和河北有零星分布。（2）可生長區(qū)域。該區(qū)域廣泛，主要在適宜生長區(qū)周邊，包括川東地區(qū)，除重慶西部大范圍，廣西廣東近乎全境，湖南、湖北、安徽、江西、江蘇、浙江大半部，福建沿海區(qū)及少數(shù)內(nèi)陸區(qū)，山東半島的東南部，臺灣和海南北部，云南和河南河北也有分布。（3）不適應(yīng)生長區(qū)。除適宜生長區(qū)和可生長區(qū)外，其余的均為不適應(yīng)生長區(qū)。

3.2 模型精度檢驗 采用ROC曲線對本實驗的MAXENT模型的精度檢驗顯示：訓(xùn)練和測試數(shù)據(jù)的AUC值分別為0.947和0.875，2個值均>0.5，所以預(yù)測精確度比較高。

3.3 環(huán)境因子分析 刀切法能夠檢驗所使用的各環(huán)境因子在預(yù)測喜旱蓮子草分布區(qū)中的效用。此法是每次去掉一個環(huán)境因子，再用余下的樣本進(jìn)行模型重建，檢驗被去掉的因子的重要性[3]。圖2為模型自動生成的各環(huán)境因子的貢獻(xiàn)值概況。由圖2可知，19個環(huán)境因子中最干月份降水量的貢獻(xiàn)值最大，其他貢獻(xiàn)值較大的環(huán)境因子依次為最干季度降水量、最冷季度降水量、年平均溫、年降水量等。經(jīng)過分析比較可知，喜旱蓮子草在干旱季度的生長過程中對水分的需求量十分敏感。

4 討論

根據(jù)潛在分布區(qū)劃分的適生等級區(qū)域的氣候類型上來看，主要為熱帶至溫帶季風(fēng)氣候。這表示旱蓮子草喜歡溫暖、濕潤的氣候，由此可以根據(jù)氣候特征制定合理及切實有效的治理方法。

本文研究的結(jié)果從預(yù)測分布的廣泛度來看，要大于實際的發(fā)現(xiàn)區(qū)域，所以喜旱蓮子草的分布范圍很可能會進(jìn)一步擴(kuò)大，存在潛在大規(guī)模擴(kuò)散的威脅，因此，相關(guān)部門要引起重視，防止喜旱蓮子草的繼續(xù)擴(kuò)散。對于已經(jīng)大規(guī)模暴發(fā)的地區(qū)，必須采取科學(xué)的治理方法：（1）在未入侵的適生區(qū)域嚴(yán)防死控；（2）在干旱季節(jié)（出芽前），深挖喜旱蓮子草除其根莖，進(jìn)行物理治理，減少其出芽率；（3）對水域區(qū)，特別是已經(jīng)成為入侵災(zāi)區(qū)的水域，進(jìn)行捕撈作業(yè)，達(dá)到清理、控制等目的。

如果結(jié)合化學(xué)防治方法進(jìn)行清除時，應(yīng)注意避免喜旱蓮子草的根、莖器官外流造成擴(kuò)散，還要防止施用化學(xué)藥劑時對水域造成大面積的污染。對于可生長區(qū)，應(yīng)做好檢疫工作，及時發(fā)現(xiàn)及時根除。對于不適應(yīng)生長也要重視警惕。有文獻(xiàn)表明，喜旱蓮子草在被帶入中國后，在形態(tài)、生理、結(jié)構(gòu)等反面發(fā)生了很多適應(yīng)性變化，并表現(xiàn)出很強(qiáng)的可塑性[5]；加之全球氣溫都有升高的趨勢，也許現(xiàn)在的不適宜生長區(qū)也會隨著氣候的變化而變成適宜生長區(qū)。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國國務(wù)院公報.關(guān)于發(fā)布中國第一批外來入侵物種名單的通知[Z].2003：2-3.

[2]黎燕瓊，鄭紹偉，龔國堂，等.生物多樣性研究進(jìn)展[J].四川林業(yè)科技，2011，32（4）：12-19.

[3]王運(yùn)生.生態(tài)位模型在外來入侵物種風(fēng)險評估中的應(yīng)用研究[D].長沙：湖南林業(yè)大學(xué)，2007：18-20.

[4]王運(yùn)生，謝丙，萬方浩，等ROC曲線分析在評價入侵物種分布模型中的應(yīng)用[J].生物多樣性，2007，15（4）：365-372.

[5]翁伯琦，林嵩，玉義祥.空心蓮子草在我國的適應(yīng)性及入侵機(jī)制[J].生態(tài)學(xué)報，2006，7（26）：2373-2381.

（責(zé)編：張宏民）