外來(lái)入侵植物意大利蒼耳在新疆的潛在分布及擴(kuò)散趨勢(shì)

塞依丁?海米提 努爾巴依?阿布都沙力克

摘要：明確外來(lái)物種適宜生境的分布對(duì)外來(lái)物種風(fēng)險(xiǎn)分析具有重要意義，可以較早地建立隔離帶和監(jiān)測(cè)區(qū)，以有效防止入侵物種向潛在棲息地蔓延。以外來(lái)入侵植物意大利蒼耳（Xanthium italicum）為研究對(duì)象，以其呈快速擴(kuò)散趨勢(shì)的新疆地區(qū)為研究區(qū)域，利用生態(tài)位模型（MaxEnt）和地理信息系統(tǒng)（ArcGIS），結(jié)合226個(gè)意大利蒼耳地理分布數(shù)據(jù)和19個(gè)生物氣候變量及人類活動(dòng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，對(duì)入侵植物意大利蒼耳在新疆的潛在分布和適生等級(jí)進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析意大利蒼耳在新疆的擴(kuò)散趨勢(shì)及影響其潛在分布的主導(dǎo)環(huán)境因子。結(jié)果表明：訓(xùn)練集和測(cè)試集的AUC值分別為 0.986、0.981，模型預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)秀;人類活動(dòng)強(qiáng)度、最干月降水量、極端最低溫、年溫度變化范圍、溫度季節(jié)性變化等5個(gè)因子的貢獻(xiàn)率總和為92.5%，是影響意大利蒼耳潛在分布的主導(dǎo)環(huán)境因子;意大利蒼耳在新疆的分布未達(dá)到飽和，呈現(xiàn)以伊犁地區(qū)和博州地區(qū)為中心，向東北方向輻射狀擴(kuò)散的趨勢(shì)，塔城地區(qū)、五家渠市、克拉瑪依市、北屯市、巴州北部及阿克蘇中部等地具有極高的入侵風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)針對(duì)意大利蒼耳的適生區(qū)建立2條隔離監(jiān)測(cè)帶，預(yù)防其向新疆東北部和南部擴(kuò)散。研究結(jié)果可為入侵植物意大利蒼耳在新疆的入侵風(fēng)險(xiǎn)分析及相應(yīng)預(yù)防控制措施的制定提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：外來(lái)入侵植物;意大利蒼耳;MaxEnt模型;擴(kuò)散趨勢(shì);入侵風(fēng)險(xiǎn)分析

中圖分類號(hào)：S459 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）13-0126-05

除生態(tài)環(huán)境破壞外，外來(lái)植物的入侵成為破壞全球生物多樣性的重要因素，而在我國(guó)，這一問(wèn)題同樣十分突出。位于我國(guó)西部邊陲的新疆，因?yàn)槠涓珊蛋敫珊祷哪?、綠洲的生態(tài)環(huán)境，其脆弱的生態(tài)系統(tǒng)更容易被外來(lái)植物入侵所破壞。近60年來(lái)，新疆農(nóng)林外來(lái)入侵生物數(shù)量多達(dá)79種，包括草害10種、病害19種和害蟲(chóng)50種。近20年來(lái)，入侵生物更是呈現(xiàn)暴發(fā)式增長(zhǎng)，平均每年就會(huì)增加2～3種，成為我國(guó)外來(lái)入侵生物數(shù)量最多的地區(qū)之一[1-3]。外來(lái)入侵植物靠搶奪當(dāng)?shù)刂参锏年?yáng)光、養(yǎng)料、土壤和水分來(lái)生存，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消滅，會(huì)威脅到當(dāng)?shù)刂参锏纳?，從而破壞生態(tài)平衡[4-6]。本研究發(fā)現(xiàn)，意大利蒼耳作為一種入侵植物在新疆快速蔓延，給新疆的農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和生物多樣性帶來(lái)了不同程度的危害。

意大利蒼耳（Xanthium italicum）屬于菊科（Compositae）蒼耳屬（Xanthium L.）一年生草本植物，以種子繁殖，原產(chǎn)地為北美洲，具有長(zhǎng)達(dá)2.1 m的側(cè)根分支，直根深達(dá)1.3 m，可以在缺氧環(huán)境中發(fā)育出很大的氣腔，植株一般高20～150 cm，葉片狹長(zhǎng)，長(zhǎng)度為6.0～7.5 mm，通常宿存于成熟植物體上。果實(shí)較小，表面覆蓋著倒鉤刺、毛、具柄腺體，刺和體表無(wú)毛或有少量腺毛，頂部有2條內(nèi)彎的喙?fàn)畲执蹋烤哂惺湛s的總苞柄[7]。意大利蒼耳在全球范圍內(nèi)擴(kuò)散蔓延，已擴(kuò)張至歐洲、亞洲、大洋洲的多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。1991年首次在北京市昌平區(qū)發(fā)現(xiàn)有分布，現(xiàn)在已經(jīng)蔓延至山東、河北、深圳、新疆、遼寧等國(guó)內(nèi)的多個(gè)省（市、區(qū)）。意大利蒼耳在新疆主要分布于伊犁、博州、阿勒泰、吉木乃、石河子、昌吉、烏魯木齊等地區(qū)[8]，由于其根系發(fā)達(dá)，很容易搶奪當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物和其他植物的生存資源，對(duì)入侵地的生物多樣性和生態(tài)平衡構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

目前對(duì)于意大利蒼耳的研究主要包括意大利蒼耳對(duì)土壤微生物的影響及其生態(tài)效應(yīng)[9]、對(duì)土壤微生物群落和土壤養(yǎng)分的影響[10]、適生分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[11]、分布現(xiàn)狀及防控措施[2]、化感作用等[12]，尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)入侵種意大利蒼耳在新疆的潛在分布及擴(kuò)散趨勢(shì)研究的報(bào)道。適合外來(lái)物種的適宜生境是指能夠滿足外來(lái)物種生存和繁殖所需條件的地區(qū)，是判定外來(lái)物種是否能夠?qū)υ摰貐^(qū)造成危害的重要指標(biāo)。本研究鑒于意大利蒼耳在新疆的分布現(xiàn)狀、擴(kuò)散趨勢(shì)和潛在危害，利用生態(tài)位模型（MaxEnt）和地理信息系統(tǒng)軟件（ArcGIS）預(yù)測(cè)其在新疆的潛在分布和適生等級(jí)以控制其進(jìn)一步擴(kuò)散蔓延，目的在于較早地做好預(yù)防和控制措施以控制入侵種意大利蒼耳往潛在的適生區(qū)擴(kuò)散，為政府制定相應(yīng)的管理和控制措施提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 意大利蒼耳分布數(shù)據(jù)來(lái)源

意大利蒼耳的226個(gè)地理分布數(shù)據(jù)通過(guò)以下4種方式獲得：（1）2015—2017年每年7—10月在新疆境內(nèi)進(jìn)行野外實(shí)地采樣，調(diào)查點(diǎn)主要有伊犁地區(qū)、博州地區(qū)、阿勒泰地區(qū)、石河子市、昌吉市和烏魯木齊市，發(fā)現(xiàn)意大利蒼耳即記為“存在點(diǎn)（presence）”，用全球定位系統(tǒng)（GPS）記錄經(jīng)緯度和海拔;（2）查詢?nèi)蛏锒鄻有孕畔⒎?wù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)（Global Biodiversity Information Facility，簡(jiǎn)稱GBIF，網(wǎng)址為http：//www.gbif.org/）;（3）查找國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的有關(guān)意大利蒼耳的相關(guān)研究報(bào)道，查閱有關(guān)植物文獻(xiàn)資料和書(shū)籍;（4）查看國(guó)家自然科技資源平臺(tái)教學(xué)資源共享平臺(tái)（http：//muh.scu.edu.cn）的34所標(biāo)本館。總結(jié)整理意大利蒼耳在新疆的地理分布數(shù)據(jù)，通過(guò)ArcGIS繪制出意大利蒼耳在新疆地區(qū)的分布點(diǎn)（圖1）。

1.2 環(huán)境變量來(lái)源

本研究共選取生物氣候因子和人類活動(dòng)強(qiáng)度因子等20個(gè)環(huán)境變量（表1）。生物氣候變量由19個(gè)降水量、溫度的變化范圍和極值的變量構(gòu)成，來(lái)源于WorldClim數(shù)據(jù)集（http：//www.worldclim.org/）[13-14]，此數(shù)據(jù)集分辨率為1 km，根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)地圖，對(duì)生物氣候數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行影像配準(zhǔn)、裁剪和疊加。人類活動(dòng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)（模型中稱為hf_v2geo）來(lái)源于國(guó)際地球科學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)中心（Center for International Earth Science Information Network，簡(jiǎn)稱CIESIN）的人類足跡（Human Footprint）數(shù)據(jù)層[15]，對(duì)全球人類足跡的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)與格式轉(zhuǎn)換等處理，再利用ArcGIS根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)地圖對(duì)全球人類足跡中的數(shù)據(jù)進(jìn)行影像裁剪、配準(zhǔn)和疊加（圖2）。采用地理坐標(biāo)系GCS_WGS_1984對(duì)上述所有變量進(jìn)行投影[16]。

1.3 地理數(shù)據(jù)及軟件來(lái)源

本研究所用的中國(guó)行政區(qū)劃矢量圖，來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站，地址為http：//nfgis. nsdi. gov. en[17]。本研究應(yīng)用的MaxEnt生態(tài)位模型是由Philliips于2004年構(gòu)建的用于預(yù)測(cè)物種分布的技術(shù)方法，目前在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中被廣泛使用[18]。應(yīng)用的MaxEnt軟件版本為3.3.3k版，獲取地址為http：// www. Cs. princeton. edu/-schapire/maxent/[19]。ArcGIS空間技術(shù)平臺(tái)是美國(guó)ESRI公司研發(fā)的一套完整的GIS產(chǎn)品，本研究使用的ArcGIS軟件版本為10.2.2版[20-21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 模型構(gòu)建 將意大利蒼耳地理分布數(shù)據(jù)和19個(gè)生物氣候變量及人類活動(dòng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)導(dǎo)入MaxEnt軟件中，隨機(jī)選取75%的意大利蒼耳分布點(diǎn)作為訓(xùn)練集（testing data），剩余的25%作為測(cè)試集（training data）[22-23]。在模型中運(yùn)用刀割法（Jackknife）測(cè)定各環(huán)境變量所占的權(quán)重，并創(chuàng)建環(huán)境變量響應(yīng)曲線，模型的其余參數(shù)均選擇默認(rèn)值[24]。采用“percentile training persence logistic threshold”（即百分位訓(xùn)練邏輯閾值）進(jìn)行重分類操作。本研究模型模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為受試者操作特征曲線（receiver operating characteristic curve，簡(jiǎn)稱ROC曲線）下方面積值，即AUC值（area under curve，中文為曲線下面積）為判據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)模型模擬結(jié)果[25]。ROC曲線可由MaxEnt模型自動(dòng)生成，不同的AUC值代表了不同的預(yù)測(cè)結(jié)果（表2）。

1.4.2 適生區(qū)劃 使用MaxEnt模型對(duì)意大利蒼耳的潛在分布區(qū)進(jìn)行適生區(qū)劃，將模型輸出的結(jié)果（ASCII文件）導(dǎo)入ArcGIS軟件轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)型柵格數(shù)據(jù)，進(jìn)行重分類操作[26]。再通過(guò)自然間斷點(diǎn)分級(jí)法（Jenks）基于生態(tài)相似度劃分成4個(gè)等級(jí)：0～0.40為不適宜區(qū)，0.40～0.60為次適宜區(qū)，0.60～0.80為適宜區(qū)，0.80～1.00為最適宜區(qū)[27]，并確定意大利蒼耳生態(tài)適宜分布區(qū)與行政歸屬范圍。

2 結(jié)果與分析

2.1 MaxEnt模型預(yù)測(cè)結(jié)果檢測(cè)

ROC曲線分析法是指通過(guò)計(jì)算曲線下方的面積即AUC值的大小來(lái)判斷模型模擬的精確度[28]。本研究的預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，訓(xùn)練集的AUC值為0.986，測(cè)試集的AUC值為0.981（圖3）。表明MaxEnt模型的預(yù)測(cè)結(jié)果達(dá)到優(yōu)秀水平，此次預(yù)測(cè)的地理分布結(jié)果與實(shí)際分布區(qū)域的相符度較高，預(yù)測(cè)結(jié)果可用于意大利蒼耳的適生區(qū)劃[29]。

2.2 意大利蒼耳在新疆的潛在分布預(yù)測(cè)

預(yù)測(cè)結(jié)果如圖4所示，意大利蒼耳在新疆的適宜生境主要分布在天山以北，大致呈現(xiàn)以伊犁地區(qū)和博州地區(qū)為中心，向東北方向輻射狀擴(kuò)散分布。最適宜區(qū)主要包括伊犁地區(qū)、博州地區(qū)、阿勒泰地區(qū)。適宜區(qū)和次適宜區(qū)主要包括塔城地區(qū)、昌吉市、石河子市、烏魯木齊市、五家渠市、克拉瑪依市、北屯市、巴州北部及阿克蘇中部。將MaxEnt模型預(yù)測(cè)的意大利蒼耳潛在分布區(qū)與實(shí)際分布點(diǎn)進(jìn)行比較，筆者發(fā)現(xiàn)意大利蒼耳在新疆的分布并未飽和，即將在新疆北部進(jìn)入一個(gè)快速擴(kuò)散階段，且除了已知分布的地區(qū)外，塔城地區(qū)、五家渠市、克拉瑪依市、北屯市、巴州北部及阿克蘇中部等地的意大利蒼耳生

境適合度較高，預(yù)示了這些地區(qū)具有極高的入侵風(fēng)險(xiǎn)?？梢暂^早地做好防范和控制措施，以有效防止入侵物種意大利蒼耳向潛在棲息地蔓延。應(yīng)該針對(duì)意大利蒼耳的適生區(qū)建立2條隔離監(jiān)測(cè)帶，第1條建立在塔城地區(qū)和克拉瑪依市，預(yù)警和控制意大利蒼耳繼續(xù)向東北方向擴(kuò)散蔓延;第2條建立在天山南北分界線附近，預(yù)防意大利蒼耳擴(kuò)散至天山以南的區(qū)域，通過(guò)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)抑制該物種在新疆的進(jìn)一步擴(kuò)散[30-31]。

2.3 主導(dǎo)環(huán)境變量分析

在MaxEnt模型運(yùn)行時(shí)開(kāi)啟刀割法，運(yùn)行結(jié)果可以顯示不同的生態(tài)因子在影響意大利蒼耳生長(zhǎng)適宜度中所占的權(quán)重（圖5）。由表3可知，影響意大利蒼耳潛在分布的主導(dǎo)環(huán)境因子有hf_v2geo（人類活動(dòng)強(qiáng)度）、BIO14（最干月降水量）、BIO6（極端最低溫）、BIO7（年溫度變化范圍）、BIO4（溫度季節(jié)性變化），貢獻(xiàn)率分別為40.0%、38.1%、6.7%、6.0%、1.7%，貢獻(xiàn)率總和為92.5%。其中，hf_v2geo（人類活動(dòng)強(qiáng)度）的貢獻(xiàn)率最高，為40.0%，BIO14（最干月降水量）的貢獻(xiàn)率次之，為38.1%，說(shuō)明人類活動(dòng)強(qiáng)度是影響外來(lái)入侵種意大利蒼耳潛在分布的決定因子，最干月降水量是次要因子。由此分析可知，意大利蒼耳在新疆的擴(kuò)散蔓延與人類的活動(dòng)呈正相關(guān)[32-34]。

3 討論與結(jié)論

本研究利用生態(tài)位模型（MaxEnt）和地理信息系統(tǒng)（ArcGIS）定量地反映了外來(lái)入侵植物意大利蒼耳在新疆的潛在分布及擴(kuò)散趨勢(shì)，評(píng)估了影響其潛在分布的主導(dǎo)環(huán)境因子，對(duì)保護(hù)新疆的生物多樣性和預(yù)防控制入侵種意大利蒼耳的擴(kuò)散有重要的研究意義。MaxEnt模型檢測(cè)結(jié)果顯示：訓(xùn)練集的AUC值為0.986，測(cè)試集的AUC值為0.981，模型的預(yù)測(cè)結(jié)果達(dá)到優(yōu)秀水平（0.9≤AUC<1.0），表明模型預(yù)測(cè)的地理分布與意大利蒼耳實(shí)際分布的擬合度較高。

適生區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，意大利蒼耳在新疆北部適生區(qū)非常廣泛，分布未達(dá)到飽和，即將在新疆北部進(jìn)入一個(gè)快速擴(kuò)散階段，大致呈現(xiàn)以伊犁地區(qū)和博州地區(qū)為中心，向東北方向輻射狀擴(kuò)散分布。適生區(qū)劃結(jié)果為：最適宜區(qū)主要包括伊犁地區(qū)、博州地區(qū)、阿勒泰地區(qū);適宜區(qū)和次適宜區(qū)主要包括塔城地區(qū)、昌吉市、石河子市、烏魯木齊市、五家渠市、克拉瑪依市、北屯市、巴州北部及阿克蘇中部，且除了已知分布的地區(qū)外，塔城地區(qū)、五家渠市、克拉瑪依市、北屯市、巴州北部及阿克蘇中部等地的意大利蒼耳生境適合度較高，預(yù)示了這些地區(qū)具有極高的入侵風(fēng)險(xiǎn)，此結(jié)果對(duì)外來(lái)物種意大利蒼耳的擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)研究具有重要的意義?？梢暂^早地做好防范措施從而有效防止入侵物種往潛在的適生區(qū)蔓延，應(yīng)該針對(duì)意大利蒼耳的適生區(qū)建立2條隔離監(jiān)測(cè)帶，第1條建立在塔城地區(qū)和克拉瑪依市，預(yù)警和控制意大利蒼耳繼續(xù)向東北方向擴(kuò)散蔓延;第2條建立在天山南北分界線附近，預(yù)防意大利蒼耳擴(kuò)散至天山以南的區(qū)域，通過(guò)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)抑制該物種在新疆的進(jìn)一步擴(kuò)散。

刀割法檢驗(yàn)結(jié)果顯示：hf_v2geo（人類活動(dòng)強(qiáng)度）、BIO14（最干月降水量）、BIO6（極端最低溫）、BIO7（年溫度變化范圍）、BIO4（溫度季節(jié)性變化貢獻(xiàn)率）的分別為40.0%、38.1%、6.7%、6.0%、1.7%，5種因子影響意大利蒼耳的潛在分布的貢獻(xiàn)率高達(dá)92.5%。其中，hf_v2geo（人類活動(dòng)強(qiáng)度）的貢獻(xiàn)率最高，為40.0%，BIO14（最干月降水量）的貢獻(xiàn)率次之，為38.1%，說(shuō)明人類活動(dòng)強(qiáng)度是影響外來(lái)入侵種意大利蒼耳潛在分布的決定因子，最干月降水量是次要因子。由此分析可知，意大利蒼耳在新疆的擴(kuò)散蔓延與人類的活動(dòng)密切相關(guān)，這也證實(shí)了意大利蒼耳在我國(guó)的擴(kuò)散與人類活動(dòng)密切相關(guān)的研究成果[1]。

由于意大利蒼耳在我國(guó)的蔓延與人類活動(dòng)呈正相關(guān)，因此在適生區(qū)尤其是人類活動(dòng)頻繁的適生區(qū)要加強(qiáng)對(duì)意大利蒼耳的監(jiān)測(cè)，如旅游區(qū)、城市周邊工廠區(qū)和校園等。對(duì)于剛開(kāi)始入侵程度還不嚴(yán)重的地區(qū)，要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取清除措施，再在其周圍加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，防止其再度入侵。防治意大利蒼耳的入侵，重在預(yù)防，但也要做到“防”“治”并施，防止其對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。當(dāng)然還有一些其他對(duì)意大利蒼耳潛在分布有影響的因子在本研究中未考慮到，如河流、植被、種間競(jìng)爭(zhēng)、生物相互作用等，在今后的研究中需要進(jìn)一步考慮環(huán)境變量的選取。

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