全球天然橡膠種植的潛在氣候適宜區(qū)預(yù)測(cè)

劉少軍　王斌　李偉光　蔡大鑫　張國(guó)峰

摘要：在前期研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)全球氣候數(shù)據(jù)集和影響橡膠種植的5個(gè)主導(dǎo)氣候因子，基于最大熵模型，預(yù)測(cè)了全球橡膠種植的地理分布。結(jié)果表明，亞洲、非洲、美洲、大洋洲均存在橡膠種植的潛在適宜區(qū)，并與實(shí)際橡膠種植的情況進(jìn)行對(duì)比分析，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)況基本一致。

關(guān)鍵詞：橡膠種植；MaxEnt；氣候適宜性

中圖分類(lèi)號(hào)：S796；TP79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）04-0654-03

天然橡膠是國(guó)防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可或缺的戰(zhàn)略物資和稀缺資源，橡膠樹(shù)（Hevea brasiliensis）是最主要的原料供應(yīng)植物[1]。橡膠樹(shù)原產(chǎn)于亞馬遜河流域，屬典型的熱帶雨林樹(shù)種[2]。英國(guó)人威克漢姆于1876年移植到熱帶地區(qū)錫蘭的植物園，并以錫蘭為輻射源，橡膠栽培漸漸移植到亞洲、非洲、大洋洲等適宜區(qū)域[3]。截至2014年，全球已有63個(gè)國(guó)家生產(chǎn)天然橡膠[4]。預(yù)測(cè)物種的實(shí)際分布和潛在分布時(shí)，常采用生態(tài)位模型[5]，主要的模型有CLIMEX生物種群生長(zhǎng)模型[6，7]、最大熵模型MaxEnt[8，9]、BIOCLIM模型[10，11]、GARP、DOMAIN模型[5]等。在模型的精度方面，普遍認(rèn)為最大熵模型MaxEnt的精度較高。如Elith等[12]、雷軍成等[13]利用來(lái)自全球6個(gè)地區(qū)的4個(gè)生物類(lèi)群226種物種的分布數(shù)據(jù)，比較了包括廣義線(xiàn)性模型、規(guī)則集遺傳算法和最大熵在內(nèi)的16種物種分布模型的表現(xiàn)，MaxEnt模型的預(yù)測(cè)效果總體上要優(yōu)于其他模型。張海濤等[5]用MaxEnt、BIOCLIM、GARP和DOMAIN等4種生態(tài)位模型預(yù)測(cè)了福壽螺在中國(guó)的潛在適生區(qū)，指出MaxEnt模型的模擬準(zhǔn)確度最高。氣候資源是滿(mǎn)足橡膠樹(shù)生長(zhǎng)的基本需求，氣候是影響植物地理分布的重要因素之一[14，15]。針對(duì)橡膠適宜性評(píng)價(jià)，不同的研究者也采用不同的氣候指標(biāo)組合開(kāi)展了研究[16-26]。目前，關(guān)于全球范圍內(nèi)橡膠樹(shù)氣候特征和潛在適宜區(qū)的報(bào)道較少。為此，本研究試圖基于全球氣候數(shù)據(jù)和橡膠的地理分布信息，利用最大熵模型預(yù)測(cè)全球橡膠樹(shù)種植的空間分布，以期對(duì)天然橡膠的引種或栽培提供指導(dǎo)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

橡膠樹(shù)樣本數(shù)據(jù)來(lái)源于全球生物多樣性網(wǎng)站、中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館、國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的相關(guān)論文和實(shí)地考查數(shù)據(jù)等共141條，并將所有橡膠樹(shù)分布點(diǎn)的坐標(biāo)信息輸入到Google Earth上加以確認(rèn)，保證其正確性。氣候數(shù)據(jù)來(lái)自網(wǎng)站，該數(shù)據(jù)庫(kù)收集了1950～2000年全球各地氣象站記錄的氣象信息，包括19個(gè)降水量和溫度的衍生因子。根據(jù)前期研究結(jié)果[23-26]，明確了影響橡膠種植的5個(gè)主導(dǎo)氣候因子（最冷月平均溫度、極端最低溫度平均值、月平均溫度≥18 ℃月份、年平均氣溫、年平均降水量）。本研究對(duì)收集的全球數(shù)據(jù)集（1950～2000年）進(jìn)行整理，通過(guò)ArcGIS 10.1空間分析工具，處理并得到以上5種數(shù)據(jù)集。

1.2 方法

全球天然橡膠種植的適宜區(qū)預(yù)測(cè)采用MaxEnt模型3.3.3k版。根據(jù)MaxEnt模型運(yùn)行的需求，將最冷月平均溫度、極端最低溫度平均值、月平均溫度≥18 ℃月份、年平均氣溫、年平均降水量5個(gè)因子轉(zhuǎn)換為ASCII文件，坐標(biāo)系為WGS-84，作為環(huán)境變量輸入到最大熵模型；將全球橡膠種植分布信息點(diǎn)數(shù)據(jù)按經(jīng)度和緯度順序儲(chǔ)存成csv格式的文件，作為訓(xùn)練樣本輸入到最大熵模型。選取75%的橡膠種植分布點(diǎn)作為訓(xùn)練集，25%的分布點(diǎn)作為驗(yàn)證集，采用受試者特性曲線(xiàn)（ROC）分析法進(jìn)行模型精度檢驗(yàn)，模型運(yùn)算結(jié)果的訓(xùn)練集和驗(yàn)證集AUC值分別為0.979和0.963，表明所構(gòu)建的模型的預(yù)測(cè)精度達(dá)到了“非常好”標(biāo)準(zhǔn)[27]，因此最大熵模型可以用于預(yù)測(cè)天然橡膠種植區(qū)范圍。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于MaxEnt模型預(yù)測(cè)全球橡膠種植潛在區(qū)域

考慮到氣候資源不同保證率（a）以及影響全球橡膠林種植分布的5個(gè)主導(dǎo)氣候因子，本研究取70%保證率為橡膠適宜種植區(qū)域，則某地可安全種植橡膠樹(shù)的概率擬為適宜氣候條件下的0.75=0.168。根據(jù)橡膠種植信息與氣候關(guān)系的最大熵模型給出橡膠在待預(yù)測(cè)區(qū)的存在概率，根據(jù)概率的大小，可劃分出潛在的氣候適宜區(qū)。從圖1中可以看出，全球橡膠種植潛在區(qū)域主要分布在亞洲、非洲、美洲、大洋州。

亞洲適宜種植橡膠樹(shù)的區(qū)域有中國(guó)、泰國(guó)、印度、斯里蘭卡、菲律賓、越南、緬甸、孟加拉、馬來(lái)西亞、文萊、巴布亞新幾內(nèi)亞、柬埔寨、老撾、印度尼西亞、尼泊爾、東帝汶。

非洲適宜種植橡膠樹(shù)的區(qū)域有馬達(dá)加斯加北部、莫桑比克中部、坦桑尼亞中南部、馬拉維的西部、贊比亞的北部、安哥拉西北、赤道幾內(nèi)亞、剛果的西南部、肯尼亞西部、埃塞俄比亞西部、中非西部、客麥隆的西部、尼日利亞南部、加蓬、多哥、加納的南部、科特迪瓦、利比里亞的西部、烏干達(dá)南部。

北美洲適宜種植橡膠樹(shù)的區(qū)域有美國(guó)的南部、牙買(mǎi)加、洪都拉斯、哥斯達(dá)黎加、巴拿馬、危地馬拉、多米尼加、多巴哥和特立尼達(dá)、伯利茲、薩爾瓦多、墨西哥、尼加拉瓜、瓜德羅普島。

南美洲適宜種植橡膠樹(shù)的區(qū)域有秘魯?shù)闹胁?、巴西南部及東部沿海區(qū)域、阿根廷的西北部、玻利維亞的中部、巴拉圭的南部、哥倫比亞的西北部、委內(nèi)瑞拉的南部和西北部、厄瓜多爾、圭亞那的西部。

大洋洲適宜種植橡膠樹(shù)的區(qū)域有澳大利亞的北部及東部沿海局部區(qū)域、巴布亞新幾內(nèi)亞、新喀里多尼亞、斐濟(jì)等。

2.2 全球橡膠種植現(xiàn)狀

目前，巴西的天然橡膠種植與生產(chǎn)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[28]。1870年末，巴西三葉橡膠樹(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)橡膠樹(shù)）經(jīng)英國(guó)引種到東南亞地區(qū)，并迅速發(fā)展。根據(jù)國(guó)際橡膠研究小組的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，東南亞地區(qū)1900年的天然橡膠產(chǎn)量占全球的1%，1910年占全球的11%，1921年達(dá)到90%。1941年為97%。第二次世界大戰(zhàn)期間，澳大利亞北部、熱帶非洲以及中南美洲等國(guó)家和地區(qū)開(kāi)始發(fā)展天然橡膠。截至2012年，世界橡膠樹(shù)種植面積達(dá)1 272萬(wàn)hm2，其中印度尼西亞植膠面積居世界第一，泰國(guó)第二，馬來(lái)西亞與中國(guó)相近，并列第三，越南第五，印度第六，前六國(guó)植膠面積約占世界種植總面積的72%[28]。根據(jù)莫業(yè)勇[4]的統(tǒng)計(jì)，全球目前有63個(gè)國(guó)家生產(chǎn)天然橡膠（圖2）。從宏觀上看，通過(guò)MaxEnt模型預(yù)測(cè)全球橡膠種植潛在區(qū)域（圖1）與實(shí)際統(tǒng)計(jì)的橡膠種植區(qū)域分布（圖2）的對(duì)比分析，可以看出預(yù)測(cè)的潛在適宜區(qū)出現(xiàn)在亞洲、非洲、美洲、大洋洲，與目前全球橡膠種植實(shí)際區(qū)域整體一致。

目前，東南亞是天然橡膠的主產(chǎn)區(qū)，其中泰國(guó)、印度尼西亞和馬來(lái)西亞的產(chǎn)量分別為370萬(wàn)、326萬(wàn)、95萬(wàn)t，占全球產(chǎn)量的66%[28]。為此，根據(jù)Li等[29]利用MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取的東南亞橡膠種植的對(duì)比分析可以看出，通過(guò)MaxEnt模型預(yù)測(cè)全球橡膠種植潛在區(qū)域與實(shí)際種植情況一致（圖3）。

3 小結(jié)與討論

決定植物分布的控制因子有能忍受的最低溫度、生長(zhǎng)季熱量、水分供應(yīng)3類(lèi)[30]。橡膠樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育的溫度指標(biāo)以平均氣溫計(jì)量。10 ℃時(shí)，細(xì)胞可進(jìn)行有絲分裂，15 ℃為組織分化的臨界溫度，18 ℃為正常生長(zhǎng)的臨界溫度，20～30 ℃為適宜生長(zhǎng)和產(chǎn)膠溫度，其中，26～27 ℃時(shí)橡膠樹(shù)生長(zhǎng)最旺盛。適宜橡膠樹(shù)生長(zhǎng)和產(chǎn)膠的降水指標(biāo)以年降雨量在1 500 mm以上為宜。年降雨量在1 500～2 500 mm，相對(duì)濕度80%以上，年降雨日>150 d，最適宜于橡膠的生長(zhǎng)和產(chǎn)膠。年降雨量大于2 500 mm，降水日數(shù)過(guò)多，不利于割膠生產(chǎn)，且病蟲(chóng)害易流行。一般認(rèn)為月降雨量>100 mm，月雨日>10 d適宜橡膠樹(shù)生長(zhǎng)；月降雨量>150 mm最適宜生長(zhǎng)[31]。徐其興[32]提出的生產(chǎn)性植膠溫度北界指標(biāo)為最冷月平均溫度和極端最低溫平均值。本研究在前期研究基礎(chǔ)上[23-26]，基于最大熵模型，充分考慮了5個(gè)影響因子（最冷月平均溫度、極端最低溫度平均值、月平均溫度≥18 ℃月份、年平均氣溫、年平均降水量）的內(nèi)在相互作用，得到了全球橡膠種植潛在適宜區(qū)。通過(guò)對(duì)比分析，結(jié)果顯示模型預(yù)測(cè)的橡膠種植分布區(qū)與實(shí)際分布區(qū)基本吻合。更加客觀反映了橡膠種植的潛在空間分布，對(duì)合理選擇有利的地理位置開(kāi)展橡膠生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

為了保證MaxEnt預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確，需要具備兩個(gè)條件，一是需要一定數(shù)量的代表性橡膠分布點(diǎn)的位置信息，二是需要影響橡膠種植分布的關(guān)鍵環(huán)境變量[33]。由于本研究收集的橡膠種植的樣本有限，分布數(shù)據(jù)大部分只精確到國(guó)家層面，未對(duì)各國(guó)具體位置進(jìn)行詳細(xì)的驗(yàn)證工作；同時(shí)對(duì)區(qū)域內(nèi)的氣象災(zāi)害未考慮在列，對(duì)適宜區(qū)等級(jí)的劃分有待進(jìn)一步的研究。

通過(guò)對(duì)全球氣候數(shù)據(jù)及已有橡膠種植信息的匯總，基于MaxEnt模型和ArcGIS空間分析，給出了全球橡膠種植的適宜氣候分布區(qū)域，可為進(jìn)一步開(kāi)展全球橡膠種植區(qū)劃提供參考。

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