全球天然橡膠種植的潛在氣候適宜區預測

劉少軍　王斌　李偉光　蔡大鑫　張國峰

摘要：在前期研究的基礎上，根據全球氣候數據集和影響橡膠種植的5個主導氣候因子，基于最大熵模型，預測了全球橡膠種植的地理分布。結果表明，亞洲、非洲、美洲、大洋洲均存在橡膠種植的潛在適宜區，并與實際橡膠種植的情況進行對比分析，預測結果與實況基本一致。

關鍵詞：橡膠種植；MaxEnt；氣候適宜性

中圖分類號：S796；TP79 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）04-0654-03

天然橡膠是國防和經濟建設不可或缺的戰略物資和稀缺資源，橡膠樹（Hevea brasiliensis）是最主要的原料供應植物[1]。橡膠樹原產于亞馬遜河流域，屬典型的熱帶雨林樹種[2]。英國人威克漢姆于1876年移植到熱帶地區錫蘭的植物園，并以錫蘭為輻射源，橡膠栽培漸漸移植到亞洲、非洲、大洋洲等適宜區域[3]。截至2014年，全球已有63個國家生產天然橡膠[4]。預測物種的實際分布和潛在分布時，常采用生態位模型[5]，主要的模型有CLIMEX生物種群生長模型[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，普遍認為最大熵模型MaxEnt的精度較高。如Elith等[12]、雷軍成等[13]利用來自全球6個地區的4個生物類群226種物種的分布數據，比較了包括廣義線性模型、規則集遺傳算法和最大熵在內的16種物種分布模型的表現，MaxEnt模型的預測效果總體上要優于其他模型。張海濤等[5]用MaxEnt、BIOCLIM、GARP和DOMAIN等4種生態位模型預測了福壽螺在中國的潛在適生區，指出MaxEnt模型的模擬準確度最高。氣候資源是滿足橡膠樹生長的基本需求，氣候是影響植物地理分布的重要因素之一[14，15]。針對橡膠適宜性評價，不同的研究者也采用不同的氣候指標組合開展了研究[16-26]。目前，關于全球范圍內橡膠樹氣候特征和潛在適宜區的報道較少。為此，本研究試圖基于全球氣候數據和橡膠的地理分布信息，利用最大熵模型預測全球橡膠樹種植的空間分布，以期對天然橡膠的引種或栽培提供指導。

1 數據與方法

1.1 數據

橡膠樹樣本數據來源于全球生物多樣性網站、中國數字植物標本館、國內外公開發表的相關論文和實地考查數據等共141條，并將所有橡膠樹分布點的坐標信息輸入到Google Earth上加以確認，保證其正確性。氣候數據來自網站，該數據庫收集了1950～2000年全球各地氣象站記錄的氣象信息，包括19個降水量和溫度的衍生因子。根據前期研究結果[23-26]，明確了影響橡膠種植的5個主導氣候因子（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）。本研究對收集的全球數據集（1950～2000年）進行整理，通過ArcGIS 10.1空間分析工具，處理并得到以上5種數據集。

1.2 方法

全球天然橡膠種植的適宜區預測采用MaxEnt模型3.3.3k版。根據MaxEnt模型運行的需求，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個因子轉換為ASCII文件，坐標系為WGS-84，作為環境變量輸入到最大熵模型；將全球橡膠種植分布信息點數據按經度和緯度順序儲存成csv格式的文件，作為訓練樣本輸入到最大熵模型。選取75%的橡膠種植分布點作為訓練集，25%的分布點作為驗證集，采用受試者特性曲線（ROC）分析法進行模型精度檢驗，模型運算結果的訓練集和驗證集AUC值分別為0.979和0.963，表明所構建的模型的預測精度達到了“非常好”標準[27]，因此最大熵模型可以用于預測天然橡膠種植區范圍。

2 結果與分析

2.1 基于MaxEnt模型預測全球橡膠種植潛在區域

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個主導氣候因子，本研究取70%保證率為橡膠適宜種植區域，則某地可安全種植橡膠樹的概率擬為適宜氣候條件下的0.75=0.168。根據橡膠種植信息與氣候關系的最大熵模型給出橡膠在待預測區的存在概率，根據概率的大小，可劃分出潛在的氣候適宜區。從圖1中可以看出，全球橡膠種植潛在區域主要分布在亞洲、非洲、美洲、大洋州。

亞洲適宜種植橡膠樹的區域有中國、泰國、印度、斯里蘭卡、菲律賓、越南、緬甸、孟加拉、馬來西亞、文萊、巴布亞新幾內亞、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的區域有馬達加斯加北部、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、烏干達南部。

北美洲適宜種植橡膠樹的區域有美國的南部、牙買加、洪都拉斯、哥斯達黎加、巴拿馬、危地馬拉、多米尼加、多巴哥和特立尼達、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的區域有秘魯的中部、巴西南部及東部沿海區域、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的區域有澳大利亞的北部及東部沿海局部區域、巴布亞新幾內亞、新喀里多尼亞、斐濟等。

2.2 全球橡膠種植現狀

目前，巴西的天然橡膠種植與生產占有絕對優勢[28]。1870年末，巴西三葉橡膠樹（簡稱橡膠樹）經英國引種到東南亞地區，并迅速發展。根據國際橡膠研究小組的歷史統計數據，東南亞地區1900年的天然橡膠產量占全球的1%，1910年占全球的11%，1921年達到90%。1941年為97%。第二次世界大戰期間，澳大利亞北部、熱帶非洲以及中南美洲等國家和地區開始發展天然橡膠。截至2012年，世界橡膠樹種植面積達1 272萬hm2，其中印度尼西亞植膠面積居世界第一，泰國第二，馬來西亞與中國相近，并列第三，越南第五，印度第六，前六國植膠面積約占世界種植總面積的72%[28]。根據莫業勇[4]的統計，全球目前有63個國家生產天然橡膠（圖2）。從宏觀上看，通過MaxEnt模型預測全球橡膠種植潛在區域（圖1）與實際統計的橡膠種植區域分布（圖2）的對比分析，可以看出預測的潛在適宜區出現在亞洲、非洲、美洲、大洋洲，與目前全球橡膠種植實際區域整體一致。

目前，東南亞是天然橡膠的主產區，其中泰國、印度尼西亞和馬來西亞的產量分別為370萬、326萬、95萬t，占全球產量的66%[28]。為此，根據Li等[29]利用MODIS衛星數據提取的東南亞橡膠種植的對比分析可以看出，通過MaxEnt模型預測全球橡膠種植潛在區域與實際種植情況一致（圖3）。

3 小結與討論

決定植物分布的控制因子有能忍受的最低溫度、生長季熱量、水分供應3類[30]。橡膠樹生長發育的溫度指標以平均氣溫計量。10 ℃時，細胞可進行有絲分裂，15 ℃為組織分化的臨界溫度，18 ℃為正常生長的臨界溫度，20～30 ℃為適宜生長和產膠溫度，其中，26～27 ℃時橡膠樹生長最旺盛。適宜橡膠樹生長和產膠的降水指標以年降雨量在1 500 mm以上為宜。年降雨量在1 500～2 500 mm，相對濕度80%以上，年降雨日>150 d，最適宜于橡膠的生長和產膠。年降雨量大于2 500 mm，降水日數過多，不利于割膠生產，且病蟲害易流行。一般認為月降雨量>100 mm，月雨日>10 d適宜橡膠樹生長；月降雨量>150 mm最適宜生長[31]。徐其興[32]提出的生產性植膠溫度北界指標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上[23-26]，基于最大熵模型，充分考慮了5個影響因子（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）的內在相互作用，得到了全球橡膠種植潛在適宜區。通過對比分析，結果顯示模型預測的橡膠種植分布區與實際分布區基本吻合。更加客觀反映了橡膠種植的潛在空間分布，對合理選擇有利的地理位置開展橡膠生產具有一定的指導意義。

為了保證MaxEnt預測結果更為準確，需要具備兩個條件，一是需要一定數量的代表性橡膠分布點的位置信息，二是需要影響橡膠種植分布的關鍵環境變量[33]。由于本研究收集的橡膠種植的樣本有限，分布數據大部分只精確到國家層面，未對各國具體位置進行詳細的驗證工作；同時對區域內的氣象災害未考慮在列，對適宜區等級的劃分有待進一步的研究。

通過對全球氣候數據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域，可為進一步開展全球橡膠種植區劃提供參考。

參考文獻：

[1] 張 箭.試論中國橡膠（樹）史和橡膠文化[J].中國農史，2015， 34（4）：72-81.

[2] 江愛良.橡膠樹北移的幾個農業氣象學問題[J].農業氣象，1983， 5（1）：9-21.

[3] 張 箭.世界橡膠（樹）發展傳播史初論[J].中國農史，2015，34（3）：3-16.

[4] 莫業勇.全球有60多個國家生產天然橡膠[J].中國熱帶農業，2014（5）：75-76.

[5] 張海濤，羅 渡，牟希東，等.應用多個生態位模型預測福壽螺在中國的潛在適生區[J].應用生態學報，2016，27（4）：1277-1284.

[6] SUTHERST R W，MAYWALD G F. A computerized system for matching climates in ecology[J].Agri Ecosystems and Environ，1985，13：281-299.

[7] WOMER S P. Ecoclimatic assessment of potential establishment of exotic pests[J].Journal of Economic Entomology，1988，81（4）：973-983.

[8] PHILLIPS S J，ANDERSON R P，SCHAPIRE R E. Maximum entropy modeling of species geographic distributions[J].Ecological Modelling，2006，190（3-4）：231-259.

[9] PHILLIPS S J，DUDIK M. Modeling of species distributions with maxent：New extensions and a comprehensive evaluation[J].Ecography，2008，31（2）：161-175.

[10] FISCHER J，LINDENMAYER D B，NIX H A，et al. Climate and animal distribution： A climatic analysis of the Australian marsupial Trichosurus caninus[J].Journal of Biogeography，2001， 28（3）：293-304.

[11] 邵 慧，田佳倩，郭 柯，等.樣本容量和物種特征對BIOCLIM模型模擬物種分布準確度的影響——以12個中國特有落葉櫟樹種為例[J].植物生態學報，2009，33（5）：870-877.

[12] ELITH J，GRAHAM C H，ANDERSON R P，et al. Novel methods improve prediction of speciesdistributions from occurrence data[J]. Ecography，2006，29（2）：129-151.

[13] 雷軍成，徐海根，吳 軍，等.氣候變化情景下物種適宜生境預測研究進展[J].四川動物，2015，34（5）：794-800.

[14] 吳建國，周巧富.中國嵩草屬植物地理分布模式和適應的氣候特征[J].植物生態學報，2012，36（3）：199-221.

[15] 王 歡，李 慧，曾凡琳，等.黃花蒿空間分布及全球潛在氣候適宜區[J].中藥材，2015，38（3）：460-466.

[16] 王 菱.我國橡膠樹生長北界的地理環境評價[J].資源科學，1987，11（2）：54-61.

[17] 王利溥.橡膠樹氣象[M].北京：氣象出版社，1989.230.

[18] 中國農林作物氣候區劃協作組.中國農林作物氣候區劃[M].北京：氣象出版社，1987.205.

[19] 張莉莉.基于GIS的海南島橡膠種植適宜性區劃[M].海口：海南大學，2012.

[20] 蘇文地，張培松，羅 微.基于主成分分析的橡膠種植適宜性評價——以海南省儋州市為例[J].熱帶農業科學，2014，34（3）：69-75.

[21] 齊福佳，邱彭華，吳曉濤，等.基于GIS的臨高縣橡膠種植土地適宜性評價[J].林業資源管理，2014（1）：114-119.

[22] ARSHAD A M，ARMANTO M E，ADZEMI A F. Evaluation of climate suitability for rubber（Hevea brasiliensis） cultivation in Peninsular Malaysia[J].Journal of Environmental Science and Engineering，2013，2（5）：293-298.

[23] 劉少軍，周廣勝，房世波.中國橡膠樹種植氣候適宜性區劃[J].中國農業科學，2015，48（12）：2335-2345.

[24] 劉少軍，周廣勝，房世波，等.未來氣候變化對中國天然橡膠種植氣候適宜區的影響[J].應用生態學報，2015，26（7）：2083-2090.

[25] 劉少軍，周廣勝，房世波.中國橡膠種植北界初步研究[J].生態學報，2016，36（5）：1272-1280.

[26] 劉少軍，房世波.海南島天然橡膠氣候適宜性及變化趨勢分析——以第一蓬葉生長期為例[J].農業現代化研究，2015（6）：1062-1066.

[27] 車 樂，曹 博，白成科，等.基于MaxEnt和ArcGIS對太白米的潛在分布預測及適宜性評價[J].生態學雜志，2014，33（6）：1623-1628.

[28] 曾 霞，鄭服叢，黃茂芳，等.世界天然橡膠技術現狀與展望[J].中國熱帶農業，2014（1）：31-35.

[29] LI Z，FOX J M. Mapping rubber tree growth in mainland Southeast Asia using time-series MODIS 250 m NDVI and statistical data[J].Applied Geography，2012，32（2）：420-432.

[30] 段居琦，周廣勝.中國單季稻種植北界的初步研究[J].氣象學報，2012，70（5）：1166-1172.

[31] 中國熱帶農業科學院，華南熱帶農業大學.中國熱帶作物栽培學[M].北京：中國農業出版社，1998.

[32] 徐其興.溫度、熱量與橡膠產量的關系及橡膠樹北移的溫度指標分析[J].廣西熱帶農業，1988，1（1）：9-16.

[33] 曾 輝，黃冠勝，林 偉，等.利用MaxEnt預測橡膠南美葉疫病菌在全球的潛在地理分布[J].植物保護，2008，34（3）：88-92.