基于MaxEnt模型的胡楊潛在適生區(qū)預(yù)測研究*

陳豪杰，聶 艷※，劉新華，劉 斌，張 輝

（1.華中師范大學(xué) 地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，湖北武漢 430079；2.新疆維吾爾族自治區(qū)塔里木河流域阿克蘇管理局，阿克蘇 841000）

0 引言

阿克蘇河作為塔里木河流域最大的源流，其水源保證能力在很大程度上影響著下游廣大區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境安全［1］。近年來，隨著阿克蘇河流域社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，在自然和人為因素的干擾下，流域內(nèi)水資源問題對當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)、生活和生態(tài)已經(jīng)產(chǎn)生了一定影響；同時，胡楊等天然植被也逐漸退化，嚴(yán)重削弱了其涵養(yǎng)水源，防風(fēng)固沙，釋氧固碳等生態(tài)功能。因此亟待預(yù)測胡楊的潛在適生區(qū)，為胡楊的保護(hù)和管理部門開展引種栽培選區(qū)工作提供有力參考，同時也為恢復(fù)和改善阿克蘇河流域生態(tài)環(huán)境和保障當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。

胡楊作為楊柳科楊屬中歷史最悠久的植物，是一種中型落葉天然喬木，是稀有樹種之一，主要分布在我國西北荒漠區(qū)。它的首要作用在于防風(fēng)固沙，創(chuàng)造適宜的綠洲氣候和形成肥沃的土壤，對荒漠地區(qū)的生態(tài)保護(hù)和修復(fù)以及農(nóng)牧業(yè)發(fā)展具有十分重要的作用。研究表明，在西北內(nèi)陸干旱區(qū)，水分脅迫是限制天然植物生長發(fā)育的最直接、最主要的因素，塔里木河中下游胡楊衰敗由干旱造成［2］；胡楊根蘗苗的水分主要來源于母株淺層根系遠(yuǎn)端根吸收的土壤水，對土壤水的利用取決于淺層根系對水分的吸收，對淺層土壤水的利用受到淺層土壤含水量的明顯影響［3］；不同林齡胡楊的主要吸水層位不同，隨著胡楊齡的增長，其主要吸水層位趨向于更深、更廣，所利用的主要水源更趨近于穩(wěn)定的地下水，此外降水對胡楊幼苗的影響程度明顯大于成熟胡楊［4］；生態(tài)輸水可以有效地遏制受水區(qū)域胡楊缺水衰敗的勢頭，植被的覆蓋率和植物種類得到增加和恢復(fù)，動物活動軌跡增多［5］。目前，學(xué)者對胡楊流域尺度的研究主要集中在塔里木河干流，如利用遙感數(shù)據(jù)研究了塔里木河流域胡楊種群結(jié)構(gòu)與分布格局、生態(tài)價值以及生理特性與環(huán)境變化的關(guān)系［6-9］。而對塔里木河上游阿克蘇河流域胡楊研究較少，且只涉及到胡楊物種、群落特征以及胡楊年輪生長特點等方面［10］，而對阿克蘇河流域胡楊潛在適生區(qū)預(yù)測研究鮮有見聞。因此，文章選擇阿克蘇河流域胡楊為研究對象，基于胡楊的現(xiàn)狀地理分布和氣候環(huán)境變量，運用最大熵模型（Maximum Entropy Model，MaxEnt）和GIS技術(shù)相結(jié)合的方法，預(yù)測胡楊的潛在適生區(qū)，以期為胡楊保護(hù)恢復(fù)、引種栽培選區(qū)、生態(tài)輸水工程等提供有力參考，同時也為恢復(fù)和改善阿克蘇河流域生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

阿克蘇河流域位于塔里木盆地西北部，地處塔里木河上游平原地區(qū)，地理位置為40°8′～41°34′N，78°47′～82°7′E，區(qū)內(nèi)地勢西北高，東南低。該區(qū)屬于暖溫帶干旱型氣候，具有明顯的大陸性季風(fēng)氣候特征，常年干燥少雨，蒸散發(fā)量和晝夜溫差都比較大。流域植被主要為天然低山植被、人工防護(hù)林和平原綠洲農(nóng)田植被等。水源主要來自高山冰雪融水，大氣降水以及少量的地下水。該區(qū)包括烏什縣、阿克蘇市、溫宿縣、阿瓦提縣、阿拉爾市及沙雅縣6個轄區(qū)的部分地區(qū)，總面積3.5萬km2。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 樣本數(shù)據(jù)

胡楊地理分布數(shù)據(jù)來源：（1）對研究區(qū)胡楊進(jìn)行實地調(diào)查，獲取70個胡楊生長區(qū)域的GPS定位樣點。（2）以高分一號、高分二號為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用專家決策樹法解譯得到70個樣點。為降低群集效應(yīng)造成的誤差，去除經(jīng)緯度重復(fù)、分布信息缺失及無法準(zhǔn)確獲得經(jīng)緯度的數(shù)據(jù)點，最后獲得129個有效分布樣點。其中97個（75%）為試驗樣本，32個（25%）為驗證樣本。

2.2 MaxEnt模型簡介

MaxEnt是由美國普林斯頓大學(xué)研究室研發(fā)的用于物種分布預(yù)測的專業(yè)模型，它基于最大熵理論，根據(jù)物種當(dāng)前分布的不完整信息和環(huán)境變量（氣候、植被、地形等）之間的緊密聯(lián)系，找出物種分布的最大熵，從而對物種的潛在適生區(qū)分布進(jìn)行預(yù)測［11-13］。近年來，MaxEnt模型在物種潛在適生區(qū)的預(yù)測上已得到廣泛應(yīng)用，預(yù)測精度較高［14-16］。該研究基于MaxEnt 3.4.1版本完成。

2.3 數(shù)據(jù)獲取

2.3.1 氣候因子

研究認(rèn)為影響植物生長的主要環(huán)境因子有氣候、土壤和海拔［13-16］。阿克蘇河流域是我國天然胡楊的集中分布地區(qū)之一。結(jié)合已有研究成果和阿克蘇河流域胡楊生長區(qū)的環(huán)境特點，選取1970—2000 年世界氣候數(shù)據(jù)庫（http： //www.worldclim.org /）的19個生物氣候變量（空間分辨率為30 m）。

表1 氣候因子Table 1 Climate factors

2.3.2 土壤因子

根據(jù)胡楊抗寒、抗熱、耐鹽堿等特性，選用聯(lián)合國糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)中心發(fā)布的世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD v1.2）中的土壤有效水含量、黏土含量、沙土含量、碳酸鈣含量、土壤酸堿度、可交換鈉鹽含量、土壤容重和有機碳含量8個土壤因子（空間分辨率為30 m）。

表2 土壤因子Table 2 Soil factors

2.3.3 海拔因子

從世界氣候數(shù)據(jù)中心獲取源于（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）的高程數(shù)據(jù)（空間分辨率為30 m）。

2.3.4 地圖數(shù)據(jù)

研究區(qū)范圍內(nèi)的行政區(qū)劃圖（1∶100萬）來源于全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)（https：//www.webmap.cn/）。

2.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

以研究區(qū)范圍為底圖，將129個胡楊樣點數(shù)據(jù)、19個生物氣候因子和海拔因子輸入ArcGIS 10.2，掩膜處理后得到研究區(qū)范圍各因子的柵格數(shù)據(jù)，借助ArcTool box 中的柵格轉(zhuǎn)ASCII工具將其轉(zhuǎn)為 ASCII 格式，以滿足MaxEnt模型對數(shù)據(jù)的要求。由于土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD v1.2）包括多種土壤屬性數(shù)據(jù)，需基于不同屬性數(shù)據(jù)中的相同字段將圖層與不同土壤屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，再借助ArcTool box中的查找表工具提取出影響胡楊生長的8個土壤因子，掩膜處理后保存為 ASCII 格式備用。

2.5 適宜性因子選取

為科學(xué)預(yù)測胡楊的適宜生長區(qū)域，不宜選取過多的變量。因此在應(yīng)用MaxEnt模型進(jìn)行預(yù)測前，先進(jìn)行環(huán)境變量的篩選，即借助MaxEnt模型內(nèi)置的刀切法（Jackknife），計算每個變量對預(yù)測模型的貢獻(xiàn)率，剔除對預(yù)測模型貢獻(xiàn)率較低的環(huán)境變量，保留對預(yù)測模型貢獻(xiàn)率較大的環(huán)境變量（表3）。對前述氣候、土壤和海拔的28個因子貢獻(xiàn)值進(jìn)行排序，最終選擇單個因子貢獻(xiàn)率在1%以上，累計貢獻(xiàn)率達(dá)96.8%的12個環(huán)境因子，分別為年平均氣溫（Bio1）、氣溫日較差（Bio2）、等溫性（Bio3）、最暖月最高溫度（Bio5）、最冷月最低溫度（Bio6）、最干季度平均溫度（Bio9）、最冷季度平均溫度（Bio11）、年降水量（Bio12）最干月降水量（Bio14）、上層土壤酸堿度（pH）、上層土壤可交換性鈉鹽含量（ESP）和海拔（DEM）。

表3 環(huán)境變量貢獻(xiàn)結(jié)果統(tǒng)計表Table 3 Statistical Table of Contribution Results of Environmental Variables

另外，由于環(huán)境變量之間存在著復(fù)雜的自相關(guān)性及共線性，這些變量的高度相關(guān)性會在模型預(yù)測過程中對預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響。因此，利用SPSS共線性診斷，以Tolerance（容忍度）＜0.2或VIF（方差膨脹因子）＞10為依據(jù)，如果診斷結(jié)果符合此條件則表明自變量之間存在共線性，反之不然。將上述的12個環(huán)境變量輸入SPSS中進(jìn)行共線性診斷，診斷結(jié)果顯示這12個環(huán)境變量的VIF值（方差膨脹因子）均小于10，表明這12個環(huán)境變量之間不存在共線性，因此最終確定這12個因子參與MaxEnt模型預(yù)測。

2.6 最大熵模型設(shè)置

在MaxEnt模型中左列輸入胡楊樣點分布經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，右列輸入環(huán)境變量數(shù)據(jù)，使用刀切法（Jackknife）來測定各變量權(quán)重，并勾選創(chuàng)建變量響應(yīng)曲線來判斷物種對各環(huán)境變量的響應(yīng)特征，然后將基本設(shè)置中的隨機測試百分比設(shè)置為25%，作為測試集來驗證模型。另外75%的胡楊分布點作為訓(xùn)練集進(jìn)行模擬，其他參數(shù)均設(shè)置為默認(rèn)狀態(tài)。

3 結(jié)果與分析

3.1 預(yù)測結(jié)果

由于MaxEnt輸出的結(jié)果是ASCII格式，需利用ArcGIS的ArcTool box格式轉(zhuǎn)換工具，將ASCII格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格以便在ArcGIS中顯示。而后利用ArcGIS重分類命令中的自然間斷點分級法進(jìn)行適生等級劃分，將阿克蘇河流域胡楊適生區(qū)劃分為4個等級，分別為不適生區(qū)（分布概率P＜0.11）、低適生區(qū)（0.11≤P＜0.33）、中適生區(qū)（0.31≤P＜0.66）和高適生區(qū)（P≥0.66），最終得到阿克蘇河流域胡楊的潛在適生分布圖（圖1）。

圖1 基于MaxEnt模型的胡楊潛在適生區(qū)預(yù)測Fig.1 Populus euphratica forest potential suitable area prediction based on MaxEnt model

流域內(nèi)胡楊高適宜區(qū)總面積約1 109.77 km2，占研究區(qū)總面積的3.14%；自北向南主要分布在流域東北方向溫宿縣五團場南部邊緣、省道207途徑的多浪水庫周邊地區(qū)、流域南側(cè)阿瓦提縣豐收三場周邊、阿拉爾市十二團場南部邊緣和十六團場南部邊緣。流域內(nèi)胡楊中適宜區(qū)總面積約2 728.51 km2，占研究區(qū)總面積的7.73%；主要分布阿克蘇溫宿機場與阿克蘇市中間地帶；阿克蘇市阿依庫勒鎮(zhèn)西北以及喀勒塔勒鎮(zhèn)東部；溫宿縣五團場部分地區(qū)以及古勒阿瓦提鄉(xiāng)南北延伸一帶；阿瓦提縣三團場、豐收大渠、豐收二場、博斯坦鄉(xiāng)周邊地區(qū)；阿拉爾市西北部七團場、八團場部分地區(qū)以及西南部與阿克蘇市南區(qū)接壤地區(qū)。流域內(nèi)胡楊低適宜區(qū)總面積約6 249.39 km2，占研究區(qū)總面積的17.71%；主要分布在中適宜區(qū)的外圍，并形成對中適宜區(qū)的包圍之勢。流域內(nèi)胡楊不適宜區(qū)面積最大，面積約25 206.15 km2，占研究區(qū)總面積的71.42%，主要分布在前三者以外的大部分區(qū)域。

3.2 預(yù)測精度評價

MaxEnt模型中的受試者工作特征曲線（ROC）可反映模型的精確度，其與橫坐標(biāo)所圍成的面積（即AUC值）為0～1，其值越大模型預(yù)測越精準(zhǔn)，AUC值為0.5～0.6表示預(yù)測失敗，0.6～0.7表示預(yù)測較差，0.7～0.8表示模型預(yù)測良好，0.8～0.9表示預(yù)測效果好，大于0.9說明預(yù)測結(jié)果可靠性極好，能較準(zhǔn)確地反映物種潛在分布。

使用ROC曲線對當(dāng)前氣候條件下阿克蘇河流域胡楊潛在適生區(qū)分布的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行驗證，結(jié)果如圖2所示?？梢姡?xùn)練數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)的ROC曲線都位于隨機分布模型ROC曲線的上方且相距較遠(yuǎn)，訓(xùn)練集和測試集的 AUC 值分別達(dá)到了 0.926和 0.910，明顯大于隨機分布模型的AUC值0.5，說明此次MaxEnt 模型對阿克蘇河流域胡楊潛在適生區(qū)分布的預(yù)測結(jié)果可靠性極好，此次預(yù)測結(jié)果與胡楊實際地理分布情況比較吻合，結(jié)果可用于阿克蘇河流域胡楊的潛在適生區(qū)預(yù)測。

圖2 基于 MaxEnt 模型預(yù)測結(jié)果的 ROC 曲線分析Fig.2 ROC curve analysis based on MaxEnt model prediction results

3.3 基于MaxEnt模型預(yù)測結(jié)果的環(huán)境因子分析

基于MaxEnt模型，運用刀切法對各環(huán)境因子進(jìn)行分析，可判斷不同環(huán)境因子與胡楊適生區(qū)分布之間的關(guān)系。判定標(biāo)準(zhǔn)：藍(lán)色條帶代表“僅此變量”，條帶越長表示分?jǐn)?shù)越高，說明該變量對物種分布具有較強的預(yù)測能力；青色條帶代表“除此變量”，即除該變量外剩余變量貢獻(xiàn)之和的訓(xùn)練得分，如果“除此變量”得分較低，則說明該變量含有某些獨特信息，對物種分布同樣比較重要；紅色條帶代表所有環(huán)境變量對所建模型的累積貢獻(xiàn)率。

基于MaxEnt模型預(yù)測結(jié)果的環(huán)境因子訓(xùn)練增益結(jié)果如圖3所示。橫坐標(biāo)表示規(guī)范訓(xùn)練增益的大小，縱坐標(biāo)表示環(huán)境變量，條帶顯示的規(guī)范訓(xùn)練增益數(shù)值越大，則說明此環(huán)境變量對胡楊的分布影響越大。由圖3可見，在所分析的12個環(huán)境因子中，等溫性（Bio3）、最暖月最高溫度（Bio5）、最干季度平均溫度（Bio9）、年降水量（Bio12）、上層土壤可交換性鈉鹽含量（ESP）、和海拔（DEM）6個因子的“僅此變量”訓(xùn)練增益得分均接近或高于0.3，對胡楊分布區(qū)的預(yù)測結(jié)果有較大的影響，其中最干季度平均溫度（Bio9）和海拔（DEM）的“僅此變量”訓(xùn)練增益得分均達(dá)到0.4，說明二者對胡楊分布影響最大。此外，上層土壤可交換性鈉鹽含量（ESP）的“除此變量”訓(xùn)練增益得分最低，幾乎接近1.4，說明該變量可能含有較多的獨特信息，對物種分布較為重要。

圖3 基于MaxEnt模型預(yù)測結(jié)果的環(huán)境因子規(guī)范訓(xùn)練增益Fig.3 Regularized training gain of environmental factors based on Maxent model prediction results

3.4 基于MaxEnt模型預(yù)測結(jié)果的主導(dǎo)環(huán)境因子響應(yīng)

為了進(jìn)一步明確主導(dǎo)環(huán)境因子對胡楊生長的響應(yīng)關(guān)系，基于MaxEnt模型得出上述單一環(huán)境因子（Bio3、 Bio5、 Bio9、Bio12、 ESP、 DEM）的響應(yīng)曲線（圖4）。這些曲線顯示了物種分布的預(yù)測概率是如何隨每個環(huán)境變量的變化而變化，并將所有其他環(huán)境變量保持在其平均樣本值。由圖4可見，隨著環(huán)境條件的改變，胡楊適生區(qū)分布變化較大。其中胡楊對等溫性（Bio3）的響應(yīng)表現(xiàn)為隨著等溫性的提高其分布概率就越高，直到等溫性提高至35，胡楊的分布概率達(dá)到最大值1。最暖月最高溫度（Bio5）對胡楊分布概率影響表現(xiàn)為從26～34.4℃胡楊分布概率一直都維持在接近0.7的高度，隨著溫度繼續(xù)升高，分布概率呈現(xiàn)出近乎直線下降，并在35.5℃降至0。最干季度平均溫度（Bio9）對胡楊分布概率影響表現(xiàn)為在-7℃以下時，分布概率極低，但在-7～-5℃之間時，分布概率急劇上升，并且在約-4.5℃時分布概率達(dá)到最大值0.7，隨后在-4.5～4℃之間分布概率一直較高。年降水量（Bio12）對胡楊分布概率影響表現(xiàn)為在年降雨量約30～42 mm時胡楊分布概率都極高，在0.9以上，但是年降雨量在約42～44 mm之間時胡楊的分布概率呈現(xiàn)出近乎直線下降的過程，然后隨著降雨量不斷增加，分布概率也不斷增加，直到降雨量達(dá)到153 mm左右時，分布概率達(dá)到約0.9，且不再增加。海拔（DEM）對胡楊分布概率影響表現(xiàn)為從1 000 m時的接近于0的概率迅速上升到1 100 m時的0.72左右，然后隨著海拔繼續(xù)增加，其分布概率一路下滑，在1 600 m時就接近為0。上層土壤可交換性鈉鹽含量（ESP）對胡楊分布概率影響表現(xiàn)為上層土壤可交換性鈉鹽含量為0時，胡楊分布概率最大，隨著上層土壤可交換性鈉鹽含量增加，分布概率一直下降，達(dá)到3.5%時分布概率幾乎為0。以上結(jié)果表明，胡楊潛在分布區(qū)受氣候，土壤，海拔因子的共同影響，胡楊適宜分布的區(qū)域有以下特征：最暖月最高溫度在26～34.4℃，最干季度平均溫度在-4.5～4℃，年降水量約30～42 mm，海拔1 100 m左右，上層土壤可交換性鈉鹽含量不高于1.5%。

圖4 單一主導(dǎo)環(huán)境因子響應(yīng)曲線Fig.4 Response curve of a single dominant environmental factor

4 結(jié)論

（1）阿克蘇河流域的胡楊潛在高適宜區(qū)和中適宜區(qū)面積約為3 838.28 km2（其中高適宜區(qū)為1 109.77 km2，中適宜區(qū)為2 728.51 km2），共占阿克蘇河流域總面積的10.88%。

（2）影響胡楊潛在分布的環(huán)境因子主要有等溫性（Bio3）、最暖月最高溫度（Bio5）、最干季度平均溫度（Bio9）、年降水量（Bio12）、上層土壤可交換性鈉鹽含量（ESP）、和海拔（DEM）等，其中主導(dǎo)因子有最干季平均溫度和海拔。胡楊適宜分布的區(qū)域為最暖月最高溫度在26～34.4℃，最干季度平均溫度在-4.5～4℃，年降水量約30～42 mm，海拔1 100 m左右，上層土壤可交換性鈉鹽含量不高于1.5%。

（3）流域東北方向溫宿縣五團場南部邊緣、省道207途徑的多浪水庫周邊地區(qū)、流域南側(cè)阿瓦提縣豐收三場周邊、阿拉爾市十二團場南部邊緣和十六團場南部邊緣是胡楊的高潛在適生區(qū)。這些區(qū)域應(yīng)鼓勵適當(dāng)?shù)囟嘁N胡楊，同時實施生態(tài)輸水工程，不僅可以提高胡楊的成活率和成木率，逐漸恢復(fù)其防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源的生態(tài)保護(hù)功能，改善生態(tài)環(huán)境，還可以開發(fā)其旅游資源價值，實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟社會和生態(tài)社會的高質(zhì)量發(fā)展。同時在不適宜胡楊生存的潛在分布區(qū)，應(yīng)盡量減少胡楊的引種，避免造成人力、物力和財力的無謂浪費。