基于MaxEnt模型的珠海市紅樹林潛在適生區(qū)分析

關(guān)鍵詞：紅樹林；潛在適生區(qū)；珠海市；MaxEnt 模型

中圖分類號：S763 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-923X（2023）12-0035-09

紅樹林是生長在熱帶、亞熱帶地區(qū)潮間帶的十分重要的自然生態(tài)資源，在防風(fēng)消浪、維護生物多樣性、凈化海水、儲碳固碳、休憩觀光、海產(chǎn)品供給等方面具有不可替代的作用，兼具生態(tài)、經(jīng)濟和社會價值[1]。由于受圍海造地、圍海養(yǎng)殖、砍伐等人為因素及外來物種入侵、氣候變化等自然因素影響，我國的紅樹林資源不斷遭到破壞減少，紅樹林大面積消失。據(jù)統(tǒng)計，我國的紅樹林面積經(jīng)歷了由急劇減少到維持穩(wěn)定到緩慢增加的過程，由約250 000 hm² 萎縮至24 578 hm²，紅樹林生態(tài)系統(tǒng)處于瀕危狀態(tài)[2]。因此，開展紅樹林適生空間分布的研究，具有重要的現(xiàn)實意義和科學(xué)價值，能為更高效地開展紅樹林保護和恢復(fù)行動提供重要的科學(xué)依據(jù)。

紅樹林適生區(qū)的研究中傳統(tǒng)采用的是經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃突貧w分析等模型，但簡單的統(tǒng)計或關(guān)系模型具有一定的局限性。隨著相關(guān)技術(shù)發(fā)展，遙感、空間分析技術(shù)和計算機建模支持下的物種分布模型已被廣泛用于預(yù)測物種的潛在適生區(qū)。目前MaxEnt 模型已被廣泛應(yīng)用于動植物物種適生區(qū)、氣候變化與物種空間分布格局的預(yù)測和評估等方面[3-5]，在瀕危物種保護、生物學(xué)及生態(tài)學(xué)等方面起著重要作用[6-12]。例如，胡文佳等[11] 利用MaxEnt 模型評估了福建省紅樹林潛在適生區(qū)；晁碧霄等[12] 利用MaxEnt 模型分析了廣東省紅樹林潛在適生區(qū)和保護空缺區(qū)；萬曉會[13] 利用MaxEnt模型預(yù)測了紅樹林在中國沿海的潛在適生區(qū)。多項研究表明，MaxEnt 模型在海洋近岸、潮間帶生態(tài)系統(tǒng)的動植物適生區(qū)模擬中取得了較好的預(yù)測效果[13-15]。

珠海是中國人工種植紅樹林面積最大的城市，淇澳島更是中國最早進行紅樹林人工種植的保護區(qū)，也是國內(nèi)紅樹種類最多的紅樹林之一，有林齡達(dá)30 a 以上的紅樹林群落[16]。1984 年以前，珠海淇澳島紅樹林自然保護區(qū)在石井灣、大澳灣、大圍灣分布有紅樹林112.2 hm²，至1998 年僅大圍灣有32.2 hm² 被保存下來[17]；但隨著紅樹林營造和修復(fù)力度的不斷加大，至2022 年僅淇澳島西北部就有紅樹林面積達(dá)490.4 hm²。雖然珠海市紅樹林在面積上得以增長，但存在資源分布碎片化、主要樹種單一、威脅因子眾多等發(fā)展限制因素。作為亞熱帶南緣地區(qū)的紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)，珠海市紅樹林資源具有很高的保護價值。本研究在分析當(dāng)前珠海市紅樹林資源空間分布格局基礎(chǔ)上，融合氣候、海洋及人為因子，利用MaxEnt 模型分析預(yù)測珠海市紅樹林適生區(qū)范圍，得出紅樹林生長的關(guān)鍵影響因子。研究結(jié)果以期為珠海市開展紅樹林中長期保護與修復(fù)行動和規(guī)劃提供關(guān)鍵的科學(xué)信息。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

珠海市位于廣東省中南部（113°04′45″ ～114°19′09″E，21°48′33″ ～ 22°32′47″N），珠海市陸地面積為1 725.2 km² ，海洋面積達(dá)6 061.8 km²，海洋生物資源豐富。珠海市屬典型的南亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候，氣候總體上呈現(xiàn)氣溫高、暴雨少，且沒有臺風(fēng)嚴(yán)重影響；年平均氣溫24.0 ℃，年最高氣溫36.3 ℃，全年未出現(xiàn)低溫日，年平均降水量達(dá)到2 058.7 mm，年平均相對濕度是79%。根據(jù)第三次全國國土調(diào)查成果數(shù)據(jù)，珠海市紅樹林群落類型比較豐富，其中主要樹種有桐花樹、老鼠簕、無瓣海桑、秋茄等。

1.2 珠海市紅樹林分布數(shù)據(jù)處理

以2022 年ESRI 全球遙感影像（分辨率2.5 m）為基礎(chǔ)區(qū)劃判讀依據(jù)，在2019 年全國紅樹林資源調(diào)查基礎(chǔ)上，充分參考第三次全國國土調(diào)查成果數(shù)據(jù)、公益林?jǐn)?shù)據(jù)和森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，根據(jù)遙感影像紋理特征，建立解譯標(biāo)志，采取目視解譯方法，對珠海市紅樹林進行判讀區(qū)劃。對遙感區(qū)劃范圍逐地塊進行野外現(xiàn)場勘查和核實確定。經(jīng)解譯和現(xiàn)場勘察，珠海市現(xiàn)有紅樹林共531.58 hm²，主要分布在淇澳島、橫瀝島、泥灣門水道、雞啼門水道等區(qū)域（圖1），主要群落類型有：秋茄+老鼠簕；秋茄+ 木欖；秋茄+ 桐花樹等14 個群落類型（表1）。

1.3 環(huán)境變量的選取

紅樹林因其生長在海路交錯帶，其群落分布受到陸地和海洋的雙重影響，限制因子主要有溫度、鹽度、岸坡、潮灘底質(zhì)等環(huán)境因素。為了提升紅樹林適生區(qū)分析的準(zhǔn)確性，本研究選取了包括陸地生物氣象變量數(shù)據(jù)（19 個）、植被數(shù)據(jù)（2 個）、地形數(shù)據(jù)（4 個）、生境數(shù)據(jù)（8 個）、地形數(shù)據(jù)（4 個）五大類在內(nèi)共計37 個環(huán)境變量，建立了模型的環(huán)境變量初始數(shù)據(jù)。為避免影響因子間存在的相互作用對模型結(jié)果產(chǎn)生影響，將所有環(huán)境變量數(shù)據(jù)進行主成分分析，去除相關(guān)性|r| ＞ 0.8的影響因子[18]。最終共計篩選出14 個環(huán)境變量用于模型建立，其中包括氣象（7 個）、植被（1個）、土地（2 個）、地形（2 個）、生境（2 個）（表2）。其中，氣象變量數(shù)據(jù)來源于世界氣候數(shù)據(jù)庫（WorldClim， https：//www.worldclim.org/），植被變量數(shù)據(jù)由哨兵二號衛(wèi)星遙感影像分衍得出（Sentinel2， https：//scihub.copernicus.eu/）， 土地變量數(shù)據(jù)來源于第三次全國國土調(diào)查數(shù)據(jù)庫，地形變量數(shù)據(jù)來源于全球SRTM 地形數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫（NASA SRTM1，全球SRTM 地形數(shù)據(jù)），生境變量數(shù)據(jù)來源于實地調(diào)查和插值。

本研究利用MaxEnt 3.4.4 軟件分析預(yù)測珠海市紅樹林適生區(qū)范圍，模型建立的訓(xùn)練數(shù)據(jù)來自于珠海市紅樹林分布數(shù)據(jù)的75%，模型檢驗的測試數(shù)據(jù)來自于珠海市紅樹林分布數(shù)據(jù)的25%。模型計算時設(shè)置10 次重復(fù)計算次數(shù)，并保持其他選項為默認(rèn)設(shè)置。模型運算后得到的柵格像元值代表該柵格內(nèi)紅樹林的分布概率，概率值的取值范圍為0 ～ 1，像元值越大表示紅樹林分布的可能性越高，既表示該柵格內(nèi)的生境適宜程度越高。

1.5 模型結(jié)果檢驗

受試者曲線（ROC）及曲線下的面積（AUC）通常被用于評估模型的準(zhǔn)確性， 取值范圍在0.5 ～ 1.0[19]。當(dāng)AUC 值為0.5 時，表明模型預(yù)測結(jié)果為隨機預(yù)測。一般認(rèn)為AUC 值在0.9 ～ 1.0時模型預(yù)測結(jié)果優(yōu)秀；AUC 值在0.8 ～ 0.9，模型預(yù)測結(jié)果較好；AUC 值在0.7 ～ 0.8 時，模型預(yù)測結(jié)果一般；AUC 值在0.6 ～ 0.7 時，模型預(yù)測結(jié)果較差；AUC 值在0.5 ～ 0.6 時模型預(yù)測結(jié)果差[20]。

1.6 宜林地分析

根據(jù)模型運算后得到的柵格像元值，劃分出3類紅樹林適生區(qū)等級：最優(yōu)適生區(qū)（＞ 0.7），中等適生區(qū)（0.5 ～ 0.7），低等適生區(qū)（0.1 ～ 0.5）。本研究選取像元值＞ 0.69 的適生區(qū)，剔除純水域部分，在2019 年全國紅樹林資源調(diào)查基礎(chǔ)上，充分參考第三次全國國土調(diào)查成果數(shù)據(jù)，選擇沿海灘涂、內(nèi)陸灘涂、河流水面、坑塘水面等地類，開展遙感判讀區(qū)劃。記錄圖斑所處的行政位置、權(quán)屬、地類等屬性因子，形成遙感判讀成果數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境變量影響程度分析

基于MaxEnt 模型預(yù)測珠海市紅樹林平均AUC 值為0.825（圖2），AUC 值均大于隨機分布模型（0.5），說明MaxEnt 模型預(yù)測珠海市紅樹林適生區(qū)的結(jié)果可靠，可以通過利用參考文獻、實地調(diào)查分布點數(shù)據(jù)和篩選后的環(huán)境變量構(gòu)建珠海市紅樹林的適生區(qū)分布特征模型。

選取的14 個環(huán)境變量對紅樹林的潛在分布影響程度差異較大（表3）。從環(huán)境變量的重要性來看，高程對模型的影響程度最大（35.6%），土地利用類型（20.9%）、底質(zhì)類型（18.2%）、水源地距離（16.6%）對模型也具有十分顯著的影響。從貢獻度來看，水體鹽度的貢獻度最高，達(dá)到了38.8%，其次是土地利用類型（26.2%）、底質(zhì)類型（13.4%）、水源地距離（9.9%）、高程（3.3%），這5 個環(huán)境變量累計貢獻率達(dá)91.6%。其中，水體鹽度和土地利用類型2 個變量的貢獻度在模型中的表現(xiàn)優(yōu)于重要性，說明環(huán)境因子之間的影響提高了其重要性，而底質(zhì)類型、水源地距離、高程3個變量的貢獻度低于重要性，說明環(huán)境因子間的相互影響減弱了其重要性。

2.2 紅樹林適生環(huán)境因子范圍

環(huán)境變量響應(yīng)關(guān)系曲線分析表明（圖3），珠海市紅樹林最適宜生長的環(huán)境條件為：水體鹽度適宜值為25%～28%，水源地距離100 m 以內(nèi)為宜，高程適宜值為-10 ～ 50 m，最適值為0 m，最低溫度高于20 ℃為宜，最高溫度低于25.5 ℃為宜，平均溫度適宜值為22.5 ～ 23.5 ℃，降水量適宜值為1 750 ～ 1 910 mm。

2.3 紅樹林宜林區(qū)分析

在ArcGIS10.2 軟件中對模型模擬的結(jié)果進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和可視化表達(dá)，得到珠海市紅樹林生境適宜性預(yù)測值的地理空間分布圖（圖4）。結(jié)果顯示，珠海市紅樹林宜林地共篩選出15 個斑塊，面積521.11 hm2（表4），空間分布在斗門區(qū)、金灣區(qū)、香洲區(qū)，分布地點主要在鶴洲東側(cè)、二井灣濕地公園、淇澳島西側(cè)、雞啼門大橋南雞啼門水道西側(cè)、淇澳島北部等。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

基于MaxEnt 模型預(yù)測植物物種分布的研究中，多數(shù)僅選取氣候因子作為環(huán)境變量。本研究考慮到紅樹林主要分布于潮間帶區(qū)域，影響紅樹林種植的環(huán)境因子應(yīng)該包括氣候因素和海灘的地理條件，特別是溫度和雨量[21]。因此，在選取環(huán)境變量時，本研究融合氣候因子和海洋環(huán)境因子，最終篩選出14 個相關(guān)環(huán)境變量。MaxEnt 模型運算結(jié)果表明，水體鹽度、土地利用類型、底質(zhì)類型、水源地距離、高程是制約珠海市紅樹林分布的關(guān)鍵環(huán)境因子，其中水體鹽度的影響程度大于氣候，而先前關(guān)于植物適生區(qū)的模型研究中較少選用氣候和海洋因子融合的環(huán)境因子。當(dāng)前，我國紅樹林分布區(qū)的年平均溫度約為19 ～ 26 ℃，降水量在1 200 ～ 1 400 mm，年均海表溫度在21 ～28 ℃ [22]。本研究MaxEnt 模型的輸出結(jié)果中，珠海市紅樹林適生區(qū)范圍最低溫度高于20 ℃為宜，最高溫度低于25.5 ℃為宜，平均溫度適宜值為22.5 ～ 23.5 ℃，降水量適宜值為1 750 ～1 910 mm，雖然氣溫、降水量率高于全國的適生范圍，但與晁碧霄等[12] 應(yīng)用MaxEnt 模型模擬廣東省紅樹林適宜生境的研究結(jié)果基本一致，這可能與珠海市位于我國東南地區(qū)沿海，緯度較大，因此氣溫和降水量均高于國內(nèi)平均值。紅樹林由于其分布地理位置特殊，易受到海洋鹽水周期性浸淹的影響[23]。同時易受降水的影響，當(dāng)降水發(fā)生異常時，主要是由于降水時紅樹林生境中的鹽度會發(fā)生變化，也會直接影響紅樹林自身代謝過程，如光合作用、呼吸作用等[24]。水體鹽度是影響紅樹林生長的重要因素，一般在35% 鹽度的環(huán)境中均能生長[25]。本研究根據(jù)MaxEnt 模型模擬結(jié)果，珠海市紅樹林降水量適宜值為1 750 ～1 910 mm，水體鹽度適宜值為25 ～ 28%，與應(yīng)用MaxEnt 模型模擬廣東省紅樹林適宜生境的研究結(jié)果基本一致[14]。

紅樹林生態(tài)系統(tǒng)具有極高的生態(tài)服務(wù)功能，尤其是在維持濱海濕地生物多樣性、維護海岸生態(tài)安全方面起著至關(guān)重要的作用[26]。然而，在全球氣候變化、城市化進程加劇等多方面背景下，全球紅樹林種植面積仍在不斷減少，紅樹林的修復(fù)和保護工作仍需加強[27-28]。珠海作為中國人工種植紅樹林面積最大的城市，更需要進一步加強紅樹林營造和修復(fù)力度。因此，本研究基于MaxEnt 模型預(yù)測得出珠海市紅樹林適生區(qū)面積為521.11 hm2，建議可在鶴洲東側(cè)、二井灣濕地公園、淇澳島西側(cè)、雞啼門大橋南雞啼門水道西側(cè)、淇澳島北部等適生區(qū)區(qū)域開展紅樹林優(yōu)先保護和修復(fù)工作，同時建議加大以紅樹林為依托的生態(tài)產(chǎn)業(yè)的培育、完善保護管理體制，不斷擴大紅樹林面積，恢復(fù)紅樹林生態(tài)自然狀態(tài)，發(fā)揮紅樹林生態(tài)整體功能。MaxEnt 模型預(yù)測紅樹林適生區(qū)的研究中，環(huán)境變量的選取尤為重要。本研究雖然對比篩選了14 種氣候、海洋環(huán)境和人為因子進行模型模擬，但仍忽略了一些較為重要的環(huán)境因素，如，海表溫度、溫度季節(jié)性變化標(biāo)準(zhǔn)差、生物入侵等因子。下一步研究可增加海溫、生物入侵等環(huán)境因子，進一步提升MaxEnt 模型預(yù)測的可靠性和科學(xué)性，繼續(xù)深入分析珠海市紅樹林保護空缺，提出更為具體合理的修復(fù)建議。

3.2 結(jié)論

本研究基于MaxEnt 模型對珠海市紅樹林潛在適生區(qū)進行預(yù)測。結(jié)果表明，MaxEnt 模型能夠較好地預(yù)測珠海市紅樹林適生區(qū)，通過模擬得出珠海市紅樹林適生區(qū)面積為521.11 hm²，空間分布在斗門區(qū)、金灣區(qū)、香洲區(qū)。5 類14 個環(huán)境變量中水體鹽度的貢獻度最高，其次是土地利用類型、底質(zhì)類型、水源地距離、高程。珠海市紅樹林最適宜生長的環(huán)境條件為：水體鹽度適宜值為25% ～ 28%，水源地距離100 m 以內(nèi)為宜，高程適宜值為-10 ～ 50 m，最適值為0 m，最低溫度高于 20 ℃為宜，最高溫度低于25.5 ℃為宜，平均溫度適宜值為22.5 ～ 23.5 ℃，降水量適宜值為1 750 ～ 1 910 mm。本研究結(jié)果以期為今后珠海市紅樹林保護修復(fù)提供新的思路與理論依據(jù)。

[ 本文編校：羅列]