基于MaxEnt模型的新疆紅棗生態適宜性與區劃分析

　　摘要：【目的】結合種植區資源分布現狀,利用最大熵模型(MaxEnt)預測新疆紅棗潛在適生區,為新疆紅棗區域布局和種植結構調整提供有效的理論指導和依據。【方法】以年降水量、花期降水量(5～6月)、成熟期降水量(9～10月)、年有效積溫(≥10℃)、年極端最低氣溫和平均氣溫6個氣候因子和綠洲灌溉區、沙漠敏感區2個土地因子及高程因子為環境變量,利用GIS空間分析技術獲取新疆紅棗地理分布數據,采用MaxEnt模型進行建模并預測新疆紅棗潛在適生區,使用百分比貢獻率分析其主要環境因子及生態位參數。【結果】(1)ROC評價(ReceiverOperatingCharacteristic,ROC)顯示MaxEnt模型預測新疆紅棗潛在適生區的訓練數據集和測試數據集的AUC值分別為0.921和0.904,模擬效果優秀。(2)新疆紅棗潛在適生區總面積2365.9397×104hm2,其中最適生區429.3501×104hm2,主要分布于新疆南疆的喀什地區、阿克蘇地區、和田地區、克孜勒蘇柯爾克孜自治州和巴音郭楞蒙古自治州,東疆的吐魯番市、哈密市。(3)影響新疆紅棗生長的主要環境因子是年極端最低氣溫(35.15%)、綠洲灌溉區(20.77%)、年有效積溫(19%)和成熟期降水量(13.27%)。新疆紅棗適宜生長在年極端最低氣溫≥-24.65℃,年有效積溫≥3595℃,成熟期降水量為0.54～7.64mm,且綠洲灌溉區有助于提高其適生程度。【結論】新疆紅棗潛在適生區呈現環塔里木盆地聚集,低溫是其最主要的影響因子。

　　本文源自新疆農業科學,2020,57(10):1785-1791.《新疆農業科學》(月刊)創刊于1958年，是由新疆農科院、新疆農業大學、新疆農學會主辦的國內外公開發行的綜合性農業學術期刊，是新疆創辦最早、最具影響力的農業學術刊物之一。主要刊登作物育種與栽培、植物保護、土壤肥料、園藝特產、林業、農田水利、畜牧獸醫水產、農業機械、生物技術等文章。五十余年來刊物的發展與自治區農業生產與農業科技發展緊密結合，跟進學術前沿，追蹤科技創新成果，為促進學術與科技信息交流，推進科技進步，加速農業科研、教育和生產的發>展做出了重大貢獻。

　　引言

　　【研究意義】紅棗(Zizyphusjujuba),又名中華大棗、棗、華棗,是鼠李科(Rhamnaceae)棗屬植物的果實[1],是集藥用、食用、保健三大功能為一體的果中珍品[2],主要分布于山東、河北、山西、陜西、河南、新疆等地。新疆紅棗具有含糖量高、糖酸比大等優點,果實品質顯著優于其他省區[3,4]。近年來,新疆紅棗種植面積和產量不斷增長,2017年底種植面積47.625×104hm2,產量達347.0114×104t,位居全國前列[5]。但凍害、低溫冷害等愈加頻繁,嚴重影響了新疆紅棗的產量和品質的提高[6]。通過結合紅棗種植區資源分布現狀,利用最大熵模型(MaxEnt)和聚類分析法預測新疆紅棗生態適宜性,對指導新疆紅棗區域布局和種植結構調整具有重要的實際意義。【前人研究進展】目前用于物種潛在適生區預測的模型有BIOCLIM(bioclimaticmodeling)、Domain(domainenvironmentalenvelope)、CLIMEX(climatechangeexperiment)、GARP(geneticalgorithm)和MaxEnt(maximumentropy)等[7],其中最大熵模型(MaxEnt)預測結果較其它模型預測結果精確度更高,效果最好[8]。MaxEnt模型由Jaynes于1957年提出[9],已被應用于包括細葉小羽蘚(Haplocladiummicrophyllum)[10]、春飛蓬(Erigeronphiladelphicus)[11]、祼果木(Gymnocarposprzewalskii)[12]、細辛(Asarumsieboldii)[13]、朱鹮(Nipponianippon)[14]、紅棕螨(Raoiellaindica)[15]、章魚(Octopusvulgaris)[16]等多個物種的適生區研究。該模型是在已知約束條件下對未知事物不作任何假設,得到熵值最大的概率分布,根據熵最大時的狀態參數確定物種和環境關系來估計物種的分布,具有較高的預測準確度[17]。【本研究切入點】目前,關于新疆紅棗的研究多集中于栽培與環境變量的關系、種植區氣候區劃等[18,19,20],關于其適生區的研究由于采用傳統構建指標體系的方法[21],導致其研究結果受主觀因素影響較大。利用最大熵模型(MaxEnt)和聚類分析法預測新疆紅棗生態適宜性與區劃,對地方經濟林合理布局種植紅棗具有重要的影響。【擬解決的關鍵問題】采用多種手段獲取模型輸入的分布數據和環境變量數據,利用MaxEnt模型和聚類分析法模擬和預測新疆紅棗生態適宜性,區劃適生區,分析影響新疆紅棗的主要環境因子及其生態位參數,為新疆紅棗區域布局和種植結構調整提供理論依據。

　　1、材料與方法

　　1.1材料

　　新疆紅棗實際分布點數據來源于新疆特色林果資源實地調查數據,利用ArcGIS軟件的生成隨機點工具于各紅棗小班內隨機生成1～2個隨機點,將該隨機點作為新疆紅棗的實際分布點并提取其經緯度。

　　環境變量數據包括:(1)氣候數據來源于中國氣象數據網的新疆54個氣象站2010～2013年的逐日地面觀測數據,經統計整理后利用ANUSPLIN插值軟件處理后所得,包括年降水量、花期降水量(5～6月)、成熟期降水量(9～10月)、年有效積溫(≥10℃)、年極端最低氣溫、年平均氣溫。(2)地形數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)的SRTMDEM90m分辨率原始高程數據。(3)土地調查數據(綠洲灌溉區和沙漠化敏感性數據)來源于新疆第3次荒漠化土地監測數據。利用ArcGIS軟件將所有環境變量的圖層統一邊界,坐標系統統一為GCS-WGS-1984,并轉化成MaxEnt軟件所要求的ASCII格式的文件。

　　新疆行政區劃數據來源于國家基礎地理信息系統網站,地址為http://nfgis.nsdi.gov.cn。

　　1.2方法

　　利用MaxEnt軟件,從新疆紅棗實際分布點中隨機選擇25%的分布點作為測試集,75%的分布點作為訓練集,采用刀切法(Jackknifemethod)測定各環境變量的百分比貢獻率,并創建環境變量響應曲線,模型的其余參數均選擇默認值,分析結果以ASCII格式輸出。根據最大熵原理,確定適生區閾值,將新疆紅棗適生區劃分成適生區和非適生區2個等級。再通過MaxEnt軟件輸出的累積預測值和適生概率,利用聚類分析法將適生區進一步劃分成低適生區、較適生區、最適生區3個等級,最終確定新疆紅棗的適生區區劃。

　　MaxEnt模型采用受試者工作特征曲線ROC(ReceiverOperatingCharacteristic,ROC)對適生區分析結果進行精度評估,ROC曲線以假陽性率為橫坐標,真陽性率為縱坐標,曲線與橫坐標所圍成的面積值為AUC(AreaUnderCurve,AUC)。AUC值在0.5～0.6為不及格;0.6～0.7為較差;0.7～0.8為一般;0.8～0.9為良好;0.9～1.0為優秀[22]。

　　1.3數據處理

　　在MaxEnt模型的基礎上采用聚類分析法,在SPSS中,利用K-均值聚類工具。研究表明,年極端最低氣溫、綠洲灌溉區、年有效積溫、成熟期降水量是影響新疆紅棗潛在適生區分布的主要環境因子。環境變量對MaxEnt模型的貢獻率說明,年極端最低氣溫(35.15%)、綠洲灌溉區(20.77%)、年有效積溫(19%)、成熟期降水量(13.27%)的累積貢獻率達88.19%,對新疆紅棗潛在種植區分布具有重要影響;其余因子的影響率較小,貢獻值由大到小排序依次為沙漠敏感區域、花期降水量、年降水量、年平均氣溫和高程,其中年均氣溫(0.69%)和高程(0.07%)貢獻率小于1%,對新疆紅棗潛在適生區的分布基本無影響。

　　2、結果與分析

　　2.1MaxEnt模型預測效果評價

　　研究表明,訓練和測試兩套數據集的ROC曲線均遠離隨機分布模型的ROC曲線,曲線下所占的面積大,AUC值分別為0.921和0.904,MaxEnt模型對紅棗適生區閾值預測效果優秀,紅棗適生區閾值為0.2972,將新疆紅棗適生區劃分成2個等級,適生概率≤0.2972為不適生區,適生概率>0.2972為適生區。圖1

　　2.2建立適宜性綜合評價等級

　　將適生概率大于0.2972的數據分成三類。研究表明,SIG≤0.05,1、2、3組之間存在顯著差異。表1,表2

　　圖1MaxEnt模型的ROC曲線

　　表1最終聚類中心

　　表2方差分析

　　研究表明,新疆紅棗適宜性綜合評價等級分為P≤0.2972為不適生區,0.29720.7895為最適生區。

　　2.3新疆紅棗潛在分布區分析

　　研究表明,新疆紅棗潛在適生區總面積為2365.9397×104hm2。其中,最適生區面積429.3501×104hm2,主要分布在新疆南疆喀什地區、阿克蘇地區、和田地區、克孜勒蘇柯爾克孜自治州和巴音郭楞蒙古自治州,東疆的吐魯番市、哈密市。較適生區總面積846.0960×104hm2,主要位于高適生區周邊,集中于南疆各地區,新疆東南部的巴音郭楞蒙古自治州,以及北疆的昌吉、伊犁、塔城和博州部分地區等地。低適生區面積1090.4936×104hm2,分布范圍較為廣泛,主要位于高適生區和較適生區周邊區域。將MaxEnt模型預測的新疆紅棗適生區分布與實際分布點進行比較,其記錄分布點多分布于高適生區和較適生區。圖2,表3

　　圖2新疆紅棗潛在適生區分布

　　表3新疆紅棗潛在種植區分地區統計

　　2.3主導環境因子

　　影響新疆紅棗潛在適生區分布的主要環境因子可劃分為兩大類型:(1)可量化環境變量,包括年極端最低氣溫、綠洲灌溉區、年有效積溫、成熟期降水量;(2)非量化環境變量,即綠洲灌溉區。針對可量化環境變量,根據其響應曲線可判斷新疆紅棗存在概率與環境變量的關系,以分布值0.2972為閾值,可提取新疆紅棗主要環境因子變化范圍。年極端最低氣溫≥-24.65℃,年積溫低于≥3595℃,成熟期降水量在0.54～7.64mm。新疆紅棗適生性較高區域多分布于綠洲灌溉區及其周邊區域,綠洲灌溉區對于新疆紅棗適生性的提高具有顯著作用。圖3

　　圖3主導環境因子響應曲線

　　3、討論

　　年極端最低氣溫、綠洲灌溉區、年有效積溫、成熟期降水量等4個因子在影響新疆紅棗潛在分布的總貢獻率高達88.19%,是影響新疆紅棗潛適生區的主導環境變量,其適宜取值區間為年極端最低氣溫≥-24.65℃,年有效積溫≥3595℃,成熟期降水量為0.54～7.64mm,綠洲灌溉區有利于新疆紅棗適生程度的提高。年極端最低氣溫的貢獻率35.15%,是影響新疆紅棗適生性的最重要的環境因子,主要是由于低溫直接影響新疆紅棗能否安全過冬,引起新疆紅棗凍害,影響棗樹正常開花授粉、坐果和果實發育、成熟,周麗等[21]在研究新疆紅棗優生區氣候特征時指出冬季極端低溫及其持續時間是影響新疆紅棗生長的重要限制因子,與研究的分析結果一致。綠洲灌溉區和年有效積溫是影響新疆紅棗分布的次要因子,綠洲灌溉區得益于高山冰川融水的灌溉,可滿足棗樹生長、結果對土壤水分的需求,進而保證棗樹在干旱環境下的水分供應;年有效積溫是反映光照強度和熱量的重要指標,紅棗是喜光和熱的植物,光照強度、時間和熱量直接影響光合作用,進而對紅棗生長產生影響,因此,年有效積溫成為其重要影響因子之一。另外,降水量,尤其是成熟期降水量也是影響新疆紅棗適生性的重要因素,主要是由于棗果著色轉紅期遇到雨、露會造成裂果、爛果,嚴重影響棗品質量。

　　4、結論

　　4.1MaxEnt模型和聚類分析法較好的預測了新疆紅棗的潛在適生區分布,通過AUC參數評估,新疆紅棗訓練集的AUC值為0.921,測試集的為0.904,模型預測結果達到優秀水平(0.9≤AUC<1.0),其具有較高的準確性,對于新疆紅棗區域布局和種植結構調整具有重要的參考價值和指導意義。

　　4.2紅棗在新疆的適生區呈現環塔里木盆地聚集。研究預測的適生區面積遠遠小于張山清等[20]的研究結果,其主要原因是張山清[20]等在預測新疆紅棗適宜種植區時僅考慮了氣候因素的影響,忽略了綠洲灌溉和沙漠化敏感性對新疆紅棗適生區分布的影響,研究綜合考慮影響新疆紅棗分布的氣候因素及綠洲灌溉區、沙漠分布等環境要素的影響。研究預測的紅棗最適生區分布范圍與周麗等[21]的研究結果基本一致,大面積栽植紅棗時,可參考此結果進行區域布局。

　　4.3研究分析了氣溫、降雨、土地利用狀況等環境因子對新疆紅棗種植的影響情況,未考慮土壤性質[4,23]、氣候變暖等其他環境因子的影響。在對新疆紅棗生態適宜性的區劃分析過程中繼續通過研究其他環境因素進行區劃,發揮該區域內的特色林果業的經濟優勢。

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