基于MaxEnt模型的中國裸燕麥種植氣候適宜性評價

薄曉智 石曉宇 趙炯超 林 倩 史夢霞 商蒙非 褚慶全*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)作制度重點實驗室，北京 100193；2.煙臺市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,山東 煙臺 264001)

氣候資源特征決定了農(nóng)作物的種植分布[1-2]。作物的氣候適宜性評價即在一定的時間和空間維度上，研究作物生長發(fā)育與產(chǎn)量形成所需的氣候條件與某地區(qū)可提供的氣候資源條件相吻合的程度。研究農(nóng)作物的氣候適宜性，本質(zhì)上就是建立農(nóng)作物地理分布信息與各個氣候因子之間的關(guān)系，進(jìn)而對目標(biāo)農(nóng)作物的潛在分布范圍進(jìn)行估計[3]。自20世紀(jì)70年代以來物種分布模型(Species Distribution Model, SDM)被廣泛地應(yīng)用于物種潛在分布的研究中，其中最大熵模型(Maximum Entropy Model, MaxEnt)只需要輸入“存在”(Presence only)數(shù)據(jù)和影響物種分布的環(huán)境數(shù)據(jù)，便可以對小樣本量、非規(guī)則取樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模與模擬，并獲得較好的預(yù)測結(jié)果[4-6]。近年來，學(xué)者使用最大熵模型分析了我國多種農(nóng)作物的潛在地理分布，在主要糧食作物方面，對全國的玉米[7-9]、水稻[9-11]以及冬小麥[9,12]的潛在種植分布進(jìn)行了劃分；在雜糧作物方面，使用了包括最大熵模型在內(nèi)的4種物種分布模型對我國谷子的潛在地理分布進(jìn)行了模擬，其中最大熵模型模擬效果最好[13]?；谖锓N分布模型的作物潛在種植分布研究為我國糧食作物生產(chǎn)科學(xué)布局提供了依據(jù)。

燕麥?zhǔn)俏覈匾碾s糧作物。大粒裸燕麥(AvenanudaL.)起源于中國[14-15]，又稱“莜麥”、“玉麥”和“鈴鐺麥”，是一種喜冷涼、耐旱耐瘠薄、適應(yīng)性較強(qiáng)的農(nóng)作物，是我國主要的燕麥栽培種。在我國北方地區(qū)自古以來就有種植、食用燕麥的傳統(tǒng)，燕麥較其他糧食作物在蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪以及可溶性膳食纖維等方面具有更高的營養(yǎng)價值[16-17]。近年來，隨著人們生活品質(zhì)提高與膳食結(jié)構(gòu)改善，對食品安全、營養(yǎng)和保健等方面的需求日益增加，燕麥及燕麥制品的消費需求呈現(xiàn)增長趨勢，我國燕麥?zhǔn)袌鰸摿^大[18]。然而當(dāng)前我國燕麥?zhǔn)斋@面積年際間變異大，2017年我國燕麥?zhǔn)斋@面積僅為36.2萬 hm2，且產(chǎn)區(qū)主要集中在半干旱和干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，主要依賴雨養(yǎng)。目前燕麥種植布局較為分散、缺少規(guī)劃，嚴(yán)重制約了燕麥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[19]。亟需進(jìn)行裸燕麥種植分布的適宜性研究，為燕麥生產(chǎn)提供科學(xué)規(guī)劃依據(jù)。

當(dāng)前使用物種分布模型在較高精度上對我國裸燕麥種植氣候適宜性的研究鮮有報道，本研究以我國特色農(nóng)作物大粒裸燕麥為研究對象，利用MaxEnt模型，結(jié)合裸燕麥種植分布點數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)，評估不同氣候因子對裸燕麥種植分布的貢獻(xiàn)和不同區(qū)域裸燕麥種植的氣候適宜性，旨在探究影響裸燕麥分布的主導(dǎo)氣候因子以及裸燕麥潛在適宜種植區(qū)域，以期為優(yōu)化燕麥區(qū)域生產(chǎn)布局和充分利用區(qū)域農(nóng)業(yè)資源提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1裸燕麥地理分布數(shù)據(jù)

以“燕麥”為關(guān)鍵詞在中國知網(wǎng)全文期刊數(shù)據(jù)庫(https:∥www.cnki.net/)進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)檢索，獲取相應(yīng)裸燕麥種植分布數(shù)據(jù)。要求的文獻(xiàn)必須符合如下條件：1)必須在中國境內(nèi)進(jìn)行大田試驗并完成裸燕麥完整生育期收獲籽粒；2)必須記錄試驗地詳細(xì)地理坐標(biāo)或記錄詳細(xì)地點且可反查到坐標(biāo)。最終得到79組分布點數(shù)據(jù)。使用基于Python的ArcGIS工具包SDMtoolbox v2.4[20]中的Spatially Rarefy Occurrence Data for SDMs模塊，篩除重復(fù)點并在10 km距離內(nèi)只保留1個分布點，以減小分布點數(shù)據(jù)空間自相關(guān)引發(fā)的環(huán)境偏差過度擬合，最終保留59個裸燕麥種植分布站點(圖1)。

圖1 我國標(biāo)準(zhǔn)氣象站點與裸燕麥種植分布點地理分布圖Fig.1 Distribution of standard meteorological stations and naked oat planting in China

1.1.2氣象數(shù)據(jù)

本研究使用的氣象數(shù)據(jù)來自1991—2017年全國707個標(biāo)準(zhǔn)氣象站點的逐日氣象數(shù)據(jù)，包括平均大氣壓、日蒸散量、日最高氣溫、日最低氣溫、日降水量以及日照時數(shù)等。利用上述氣象要素計算所需的潛在氣候因子的氣象要素多年平均值，并基于站點經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行插值。其中有關(guān)溫度和降水的指標(biāo)插值結(jié)合數(shù)字高程模型(DEM)，采用樣條函數(shù)(Spline)插值的方法，其余指標(biāo)使用普通克里金插值的方法。將各氣象要素插值到1 km×1 km網(wǎng)格作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

本研究使用最大熵模型MaxEnt 3.4.1版本，通過輸入物種的地理分布信息及研究區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)，可以通過模型輸出研究區(qū)內(nèi)該物種分布的存在概率(P)，通過概率判斷該物種在區(qū)域內(nèi)存在的可能性大小。

1.2.1影響裸燕麥分布的潛在氣候因子

基于已有研究報道[21-31]選取可以反映區(qū)域氣候特點的全年氣候指標(biāo)以及影響裸燕麥生長發(fā)育與產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時期氣候指標(biāo)(表1)，包括：年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫、年降水量、年降水天數(shù)、干旱指數(shù)、日照時數(shù)、日均溫≥5 ℃日數(shù)、≥5 ℃活動積溫、日均溫≥30 ℃日數(shù)、氣溫年較差、最熱月降水、最熱月平均氣溫、6—8月平均氣溫、6—8月降水和6—8月平均最高氣溫等16個影響裸燕麥分布的潛在氣候因子。

表1 影響燕麥種植分布的潛在氣候因子Table 1 Potential climatic factors affecting oat planting distribution

1.2.2主導(dǎo)氣候因子篩選

將裸燕麥分布的地理信息以及所有的潛在氣候因子作為MaxEnt模型的輸入項，重復(fù)10次模擬，在模型輸出的文件中，記錄正則化訓(xùn)練增益(Regularized training gain)，并在下一次模擬中，刪除Training gain without variable值最大的變量，重復(fù)此步驟直至僅剩1個潛在氣候因子。使用SPSS v25.0對所得模型的訓(xùn)練增益構(gòu)建95%置信區(qū)間，與訓(xùn)練增益最高的模型在95%置信區(qū)間上沒有差異的最簡約模型被認(rèn)定為最佳模型，構(gòu)建該模型的環(huán)境因子變量即為主導(dǎo)氣候因子[32-34]。對保留的環(huán)境因子?xùn)鸥駡D層進(jìn)行方差膨脹因子(VIF)檢驗，若某柵格圖層變量VIF≥10，認(rèn)為變量間存在多重共線性，將該因子從最佳模型中刪除。

1.2.3裸燕麥種植的氣候適宜性劃分

在統(tǒng)計學(xué)原理中，當(dāng)P<0.05時，說明在該地區(qū)裸燕麥種植分布的概率很小，將其定義為裸燕麥種植分布的不適宜區(qū)；根據(jù)IPCC第四次報告[35]對可能性的分類，將可種植區(qū)的適宜性劃分為3個級別：0.05≤P<0.33歸為次適宜區(qū)，0.33≤P<0.66歸為適宜區(qū)，0.66≤P歸為最適宜區(qū)。使用ArcGIS 10.4版本的重分類功能，根據(jù)以上分級標(biāo)準(zhǔn)，對模型輸出結(jié)果進(jìn)行適宜性劃分。本研究從中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)獲取了2015年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，使用該數(shù)據(jù)對重分類后圖層進(jìn)行疊加，剔除最適宜區(qū)、適宜區(qū)與次適宜區(qū)中的沙地、戈壁、鹽堿地、高寒荒漠以及苔原等不適宜種植作物的土地類型。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型效果評價

由圖2可知，基于所有潛在氣候因子所構(gòu)建的最大熵模型AUC值為0.917，表明模型的準(zhǔn)確性非常好，可以用于我國燕麥種植氣候適宜區(qū)的分析。

圖2 燕麥MaxEnt模型的接收者工作特征曲線Fig.2 Receiver operating characteristic curve of naked oat MaxEnt model

2.2 影響裸燕麥種植的主導(dǎo)氣候因子

由圖3可知，影響我國裸燕麥種植分布的主導(dǎo)氣候因子為年降水量、年平均最低溫、日均溫≥30 ℃ 日數(shù)以及氣溫年較差。各主導(dǎo)氣候因子對我國裸燕麥種植分布影響的重要性排序為：年降水量>年平均最低溫>日均溫≥30 ℃日數(shù)>氣溫年較差，年降水量對裸燕麥種植分布的貢獻(xiàn)最大；年降水量的綠色條帶較短，說明年降水量是不可替代的氣候因子。

圖3 基于Jackknife的主導(dǎo)氣候因子對我國裸燕麥種植分布的貢獻(xiàn)Fig.3 Contribution of dominant climatic factors to the distribution of naked oat based on Jackknife test

2.3 主導(dǎo)氣候因子閾值的確定

以存在概率P≥0.66為劃分界限，得到氣候最適宜區(qū)主導(dǎo)氣候因子的閾值。由表2可知，裸燕麥種植氣候最適宜區(qū)日均溫≥30 ℃日數(shù)在2.3～21.1 d，年降水量在302.7～462.8 mm，年平均最低氣溫在-3.5～1.0 ℃，氣溫年較差在29.2～37.4 ℃。

表2 不同適宜性的氣候因子閾值劃分Table 2 Threshold division of climatic factors with different suitability

2.4 裸燕麥種植的氣候適宜性分布

由圖4可知，裸燕麥種植的最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)面積分別為386.37×103、780.72×103、2 593.53×103和5 894.10×103km2，分別占我國陸地總面積的4.00%、8.09%、26.86%和61.05%。

圖4 裸燕麥種植的氣候適宜性分布Fig.4 Climatic suitability division of naked oat planting

我國裸燕麥種植的氣候最適宜區(qū)主要分布在我國華北地區(qū)的陰山山脈南北以及西北地區(qū)，大部分位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部、河北省北部、山西省北部，在寧夏回族自治區(qū)南部、甘肅省南部、青海省西部、西藏自治區(qū)的山南地區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)西部也有分布。內(nèi)蒙古、甘肅、新疆、青海、西藏、河北、山西和寧夏8個省(自治區(qū))的最適宜區(qū)面積占全國最適宜區(qū)總面積的83.59%。陰山山脈南北的氣候最適宜區(qū)，西起鄂爾多斯市經(jīng)朔州市、大同市、呼和浩特市、烏蘭察布市、張家口市、錫林郭勒盟、承德市直至最東端赤峰市。位于西北的氣候最適宜區(qū)包括寧夏回族自治區(qū)的固原市，甘肅省的定西市、臨夏回族自治州、武威市、張掖市，青海省的海西蒙古族藏族自治州、海東市、西寧市、海北藏族自治州以及海南藏族自治州，在云貴川三省交界地帶、新疆維吾爾自治區(qū)的塔城地區(qū)、伊犁哈薩克自治州、喀什地區(qū)和奇臺縣也有零星的最適宜區(qū)分布；除上述地區(qū)外，在西藏自治區(qū)的山南地區(qū)也存在一定面積的最適宜區(qū)。

裸燕麥種植的氣候適宜區(qū)基本呈現(xiàn)環(huán)繞最適宜區(qū)分布的格局，主要分布在東北、華北以及西北地區(qū)，大部分位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中東部、黑龍江省的西南與東部、吉林省的西部與東部、陜西省北部，在遼寧省、河北省、山西省、寧夏回族自治區(qū)和甘肅省以及西南地區(qū)各省(自治區(qū))的高山也有分布。最適宜區(qū)與適宜區(qū)基本涵蓋了我國目前燕麥的主要產(chǎn)區(qū)。

裸燕麥種植的氣候次適宜區(qū)涵蓋華北和東北大部分地區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)和陜西省的北部、青藏高原以及云貴川三省交界地帶。不適宜區(qū)主要包括華東、華中和華南大部分地區(qū)，還有黑龍江省北部、內(nèi)蒙古自治區(qū)西部與東北部、新疆維吾爾自治區(qū)天山山脈以南的地區(qū)以及西藏自治區(qū)北部。

3 討 論

3.1 影響裸燕麥種植分布的氣候因子

在任何基于物種分布模型進(jìn)行的研究中，選擇合適的環(huán)境變量都是重要環(huán)節(jié)[36]。本研究首先預(yù)選1組與裸燕麥生長發(fā)育和產(chǎn)量形成有關(guān)的潛在氣候因子，隨后逐步刪除對模型貢獻(xiàn)較小的潛在氣候因子并構(gòu)建最簡約模型?；贘ackknife的逐步篩選方法可以有效剔除潛在的無關(guān)變量，減少模型模擬的過擬合并獲得更加理想的預(yù)測結(jié)果[37]。經(jīng)篩選，本研究保留了日均溫≥30 ℃日數(shù)、氣溫年較差、年平均最低溫以及年降水量4個指標(biāo)作為影響裸燕麥種植分布的主導(dǎo)氣候因子。燕麥?zhǔn)窍怖錄雠赂邷氐淖魑铮谏趦?nèi)的最適溫度一般在17～20 ℃，最高溫度可以達(dá)到30 ℃[27]。我國春播的燕麥在拔節(jié)、抽穗、開花和灌漿等生育時期正值高溫期，此時氣溫高于最適溫度會影響產(chǎn)量形成甚至危害燕麥生長發(fā)育，生育期內(nèi)尤其是拔節(jié)后適宜的溫度與晝夜溫差有利于干物質(zhì)的合成與積累。燕麥主要栽培在干旱半干旱地區(qū)，大多依靠雨養(yǎng)，降水是燕麥產(chǎn)量形成的主要影響因素。本研究結(jié)果表明裸燕麥種植的氣候最適宜區(qū)年降水量在302.7～462.8 mm，分布在400 mm等降水量線附近，這一分布狀況也與我國裸燕麥實際種植分布相符。

年平均氣溫、年平均最低氣溫以及年平均最高氣溫都是反映年內(nèi)總體熱量條件的指標(biāo)，其中最低氣溫指標(biāo)受氣候變化影響最大，在我國北方地區(qū)，最低氣溫的上升趨勢尤為明顯[38]，這一趨勢可能導(dǎo)致氣溫日較差變小，進(jìn)而影響燕麥的大田生長期持續(xù)時間、物候、產(chǎn)量與品質(zhì)；在明確裸燕麥潛在種植分布的前提下，若要探究氣候變化對裸燕麥種植的氣候適宜性影響，年平均最低氣溫和生育期內(nèi)的最低氣溫可能是構(gòu)建最大熵模型的重要指標(biāo)。本研究結(jié)果表明燕麥種植的氣候最適宜區(qū)氣溫年較差在29.2～37.4 ℃，表明燕麥主要分布在氣溫年較差較大，大陸性氣候較強(qiáng)的地區(qū)，這一氣候條件下作物生長季氣候涼爽且雨熱同期，光照充足，光溫水資源配置適合喜涼作物生長。

3.2 燕麥的氣候適宜性和種植適宜性

本研究進(jìn)行裸燕麥種植的氣候適宜性研究，主要考慮氣候因素的影響。在實際生產(chǎn)中裸燕麥種植也受土壤、地形、土地利用以及社會經(jīng)濟(jì)等因素的制約。一些學(xué)者也進(jìn)行了燕麥種植適宜性的研究，例如，萬帆[25]和王貞[39]采用多標(biāo)準(zhǔn)評價(MCE)方法對我國裸燕麥種植適宜性進(jìn)行評價，通過專家打分界定各環(huán)境因子的影響權(quán)重，認(rèn)為黑龍江省、內(nèi)蒙古自治區(qū)南部與東部、山西省北部、甘肅省定西地區(qū)是最適宜區(qū)，由于研究方法和研究內(nèi)涵的差異，對裸燕麥種植適宜區(qū)的評價結(jié)果有所不同。裸燕麥種植的氣候最適宜區(qū)主要位于我國農(nóng)牧交錯帶，不僅是生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)，也是經(jīng)濟(jì)相對貧困地區(qū)[40]，在未來裸燕麥種植規(guī)劃布局過程中，要綜合考慮除氣候條件外其他生態(tài)條件與社會經(jīng)濟(jì)條件對裸燕麥種植分布的影響，并探究相應(yīng)的兼顧作物豐產(chǎn)與資源環(huán)境可持續(xù)的農(nóng)作制度[41]，對裸燕麥生產(chǎn)布局進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 基于氣候適宜性的我國裸燕麥種植分區(qū)

本研究首次使用最大熵模型對我國裸燕麥種植的氣候適宜性進(jìn)行了分析，模擬結(jié)果表明我國裸燕麥種植的氣候最適宜區(qū)主要集中在華北、西北和東北地區(qū)，這一研究結(jié)果基本與我國燕麥生產(chǎn)現(xiàn)狀相符。根據(jù)本研究的燕麥氣候適宜性評價結(jié)果，結(jié)合我國裸燕麥生產(chǎn)實際情況，可以將裸燕麥適宜種植區(qū)劃分為以下區(qū)域：華北燕麥區(qū)、西北燕麥區(qū)、東北燕麥區(qū)以及西南燕麥區(qū)。華北燕麥區(qū)位于陰山山脈南北一帶，主要包括內(nèi)蒙古自治區(qū)中南部、河北省北部、山西省北部，這一地區(qū)較為冷涼、夏季雨熱同期，在燕麥生育后期降水較少，有利于燕麥產(chǎn)量與品質(zhì)形成。華北燕麥區(qū)有悠久的裸燕麥種植與食用歷史，是我國燕麥的傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，當(dāng)前我國已經(jīng)形成了以張家口市、呼和浩特市和大同市為中心的華北燕麥產(chǎn)業(yè)群[42]。西北燕麥區(qū)主要包括陜西省北部、甘肅和寧夏兩省(自治區(qū))的南部、青海省中東部及新疆維吾爾自治區(qū)的伊犁哈薩克自治州、塔城和喀什地區(qū)。在西北地區(qū)，裸燕麥多作為糧飼兼用作物種植；新疆維吾爾自治區(qū)的奇臺縣、昭蘇縣和沙灣市等地是近年來新興的燕麥產(chǎn)區(qū)，但整體生產(chǎn)規(guī)模較小。東北燕麥區(qū)主要包括內(nèi)蒙古自治區(qū)的東四盟以及東北三省西部，該地區(qū)位于農(nóng)牧交錯帶東部，氣候條件與河北省北部相似，但年均溫和積溫等熱量條件均好于河北省北部，可以在一年收一季籽粒的條件下再收一季飼草[43]。東北地區(qū)的氣候適宜區(qū)面積大，發(fā)展裸燕麥規(guī)模種植的潛力較高，近年來該地區(qū)也成為了我國新興的燕麥產(chǎn)區(qū)[44]，燕麥在東北地區(qū)西部種植業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中的作用日益凸顯[45]。西南燕麥區(qū)主要包括四川省西部與南部、貴州省西部以及云南省西北部，該區(qū)域主要是高寒山區(qū)，海拔較高，能較好滿足燕麥喜冷涼的生物學(xué)特性，但燕麥生長季光照不足，燕麥生育期較長。在生產(chǎn)中，西南燕麥區(qū)是我國傳統(tǒng)的燕麥種植區(qū)之一，但生產(chǎn)規(guī)模小，裸燕麥多與馬鈴薯、蕎麥等作物輪作。

4 結(jié) 論

影響我國裸燕麥種植分布的4個主導(dǎo)氣候因子按貢獻(xiàn)程度從大到小為：年降水量>年平均最低氣溫>日均溫≥30 ℃日數(shù)>氣溫年較差；各主導(dǎo)因子氣候最適宜閾值分別為年降水量302.7～462.8 mm，年平均最低氣溫-3.5～1.0 ℃，日均溫≥30 ℃日數(shù)2.3～21.1 d，氣溫年較差29.2～37.4 ℃；我國裸燕麥種植的氣候最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)與不適宜區(qū)面積分別為386.37×103、780.72×103、2 593.53×103和5 894.10×103km2，分別占我國陸地總面積的4.00%、8.09%、26.86%和61.05%。

我國裸燕麥種植的氣候最適宜區(qū)主要分布在華北和西北地區(qū)，主要包括內(nèi)蒙古自治區(qū)中部、河北與山西兩省北部、寧夏回族自治區(qū)南部、甘肅省南部以及青海省，另外在新疆維吾爾自治區(qū)西部和西藏自治區(qū)山南地區(qū)也有零星最適宜區(qū)分布。在東北地區(qū)西部存在大面積氣候適宜區(qū)。根據(jù)模擬得到的適宜性結(jié)果結(jié)合裸燕麥實際生產(chǎn)分布，可以將我國裸燕麥種植區(qū)劃分為華北燕麥區(qū)、西北燕麥區(qū)、東北燕麥區(qū)以及西南燕麥區(qū)。