基于MaxEnt模型的新疆紅棗生態(tài)適宜性與區(qū)劃分析

李曦光，王 蕾，劉 平，羅 磊，侯曉臣，邱 琴

(1.新疆林業(yè)科學院現(xiàn)代林業(yè)研究所，烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學計算機與信息工程學院，烏魯木齊 830052)

0 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(yōu)點，果實品質(zhì)顯著優(yōu)于其他省區(qū)[3-4]。近年來，新疆紅棗種植面積和產(chǎn)量不斷增長，2017年底種植面積47.625×104hm2，產(chǎn)量達347.011 4×104t，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(chǎn)量和品質(zhì)的提高[6]。通過結(jié)合紅棗種植區(qū)資源分布現(xiàn)狀，利用最大熵模型(MaxEnt)和聚類分析法預測新疆紅棗生態(tài)適宜性，對指導新疆紅棗區(qū)域布局和種植結(jié)構(gòu)調(diào)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(qū)預測的模型有BIOCLIM(bioclimatic modeling)、Domain(domain environmental envelope)、CLIMEX(climate change experiment)、GARP(genetic algorithm)和MaxEnt(maximum entropy)等[7]，其中最大熵模型(MaxEnt)預測結(jié)果較其它模型預測結(jié)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(qū)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(shè)，得到熵值最大的概率分布，根據(jù)熵最大時的狀態(tài)參數(shù)確定物種和環(huán)境關(guān)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(guān)于新疆紅棗的研究多集中于栽培與環(huán)境變量的關(guān)系、種植區(qū)氣候區(qū)劃等[18-20]，關(guān)于其適生區(qū)的研究由于采用傳統(tǒng)構(gòu)建指標體系的方法[21]，導致其研究結(jié)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(tài)適宜性與區(qū)劃，對地方經(jīng)濟林合理布局種植紅棗具有重要的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】采用多種手段獲取模型輸入的分布數(shù)據(jù)和環(huán)境變量數(shù)據(jù)，利用MaxEnt模型和聚類分析法模擬和預測新疆紅棗生態(tài)適宜性，區(qū)劃適生區(qū)，分析影響新疆紅棗的主要環(huán)境因子及其生態(tài)位參數(shù)，為新疆紅棗區(qū)域布局和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

新疆紅棗實際分布點數(shù)據(jù)來源于新疆特色林果資源實地調(diào)查數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件的生成隨機點工具于各紅棗小班內(nèi)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(jīng)緯度。

環(huán)境變量數(shù)據(jù)包括：(1)氣候數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的新疆54個氣象站2010～2013年的逐日地面觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)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(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)的SRTMDEM 90 m分辨率原始高程數(shù)據(jù)。(3)土地調(diào)查數(shù)據(jù)(綠洲灌溉區(qū)和沙漠化敏感性數(shù)據(jù))來源于新疆第3次荒漠化土地監(jiān)測數(shù)據(jù)。利用ArcGIS軟件將所有環(huán)境變量的圖層統(tǒng)一邊界，坐標系統(tǒng)統(tǒng)一為GCS-WGS-1984，并轉(zhuǎn)化成MaxEnt軟件所要求的ASCII格式的文件。

新疆行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)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(Jackknife method)測定各環(huán)境變量的百分比貢獻率，并創(chuàng)建環(huán)境變量響應曲線，模型的其余參數(shù)均選擇默認值，分析結(jié)果以ASCII格式輸出。根據(jù)最大熵原理，確定適生區(qū)閾值，將新疆紅棗適生區(qū)劃分成適生區(qū)和非適生區(qū)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(qū)進一步劃分成低適生區(qū)、較適生區(qū)、最適生區(qū)3個等級，最終確定新疆紅棗的適生區(qū)區(qū)劃。

MaxEnt模型采用受試者工作特征曲線ROC(Receiver Operating Characteristic，ROC)對適生區(qū)分析結(jié)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(Area Under Curve，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(yōu)秀[22]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

在MaxEnt模型的基礎(chǔ)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(qū)、年有效積溫、成熟期降水量是影響新疆紅棗潛在適生區(qū)分布的主要環(huán)境因子。環(huán)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(qū)(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(qū)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(qū)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(qū)的分布基本無影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 MaxEnt模型預測效果評價

研究表明，訓練和測試兩套數(shù)據(jù)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(qū)閾值預測效果優(yōu)秀，紅棗適生區(qū)閾值為0.297 2，將新疆紅棗適生區(qū)劃分成2個等級，適生概率≤0.297 2為不適生區(qū)，適生概率>0.297 2為適生區(qū)。圖1

圖1 MaxEnt模型的ROC曲線

2.2 建立適宜性綜合評價等級

將適生概率大于0.297 2的數(shù)據(jù)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

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≤0.297 2為不適生區(qū)，0.297 20.789 5為最適生區(qū)。

2.3 新疆紅棗潛在分布區(qū)分析

研究表明，新疆紅棗潛在適生區(qū)總面積為2 365.939 7×104hm2。其中，最適生區(qū)面積429.350 1×104hm2，主要分布在新疆南疆喀什地區(qū)、阿克蘇地區(qū)、和田地區(qū)、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(qū)總面積846.096 0×104hm2，主要位于高適生區(qū)周邊，集中于南疆各地區(qū)，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(qū)等地。低適生區(qū)面積1 090.493 6×104hm2，分布范圍較為廣泛，主要位于高適生區(qū)和較適生區(qū)周邊區(qū)域。將MaxEnt模型預測的新疆紅棗適生區(qū)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(qū)和較適生區(qū)。圖2，表3

注：該圖采用的行政邊界來自新疆維吾爾自治區(qū)測繪地理信息局網(wǎng)站http://www.xjch.gov.cn/

表3 新疆紅棗潛在種植區(qū)分地區(qū)統(tǒng)計

2.3 主導環(huán)境因子

影響新疆紅棗潛在適生區(qū)分布的主要環(huán)境因子可劃分為兩大類型：(1)可量化環(huán)境變量，包括年極端最低氣溫、綠洲灌溉區(qū)、年有效積溫、成熟期降水量；(2)非量化環(huán)境變量，即綠洲灌溉區(qū)。針對可量化環(huán)境變量，根據(jù)其響應曲線可判斷新疆紅棗存在概率與環(huán)境變量的關(guān)系，以分布值0.297 2為閾值，可提取新疆紅棗主要環(huán)境因子變化范圍。年極端最低氣溫≥-24.65℃，年積溫低于≥3 595℃，成熟期降水量在0.54～7.64 mm。新疆紅棗適生性較高區(qū)域多分布于綠洲灌溉區(qū)及其周邊區(qū)域，綠洲灌溉區(qū)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(huán)境因子響應曲線

3 討 論

年極端最低氣溫、綠洲灌溉區(qū)、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(qū)的主導環(huán)境變量，其適宜取值區(qū)間為年極端最低氣溫≥-24.65℃，年有效積溫≥3 595℃，成熟期降水量為0.54～7.64 mm，綠洲灌溉區(qū)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(huán)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(fā)育、成熟，周麗等[21]在研究新疆紅棗優(yōu)生區(qū)氣候特征時指出冬季極端低溫及其持續(xù)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(jié)果一致。綠洲灌溉區(qū)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(qū)得益于高山冰川融水的灌溉，可滿足棗樹生長、結(jié)果對土壤水分的需求，進而保證棗樹在干旱環(huán)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(chǎn)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(zhuǎn)紅期遇到雨、露會造成裂果、爛果，嚴重影響棗品質(zhì)量。

4 結(jié) 論

4.1 MaxEnt模型和聚類分析法較好的預測了新疆紅棗的潛在適生區(qū)分布，通過AUC參數(shù)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(jié)果達到優(yōu)秀水平(0.9≤AUC<1.0)，其具有較高的準確性，對于新疆紅棗區(qū)域布局和種植結(jié)構(gòu)調(diào)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(qū)呈現(xiàn)環(huán)塔里木盆地聚集。研究預測的適生區(qū)面積遠遠小于張山清等[20]的研究結(jié)果，其主要原因是張山清[20]等在預測新疆紅棗適宜種植區(qū)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(qū)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(qū)、沙漠分布等環(huán)境要素的影響。研究預測的紅棗最適生區(qū)分布范圍與周麗等[21]的研究結(jié)果基本一致，大面積栽植紅棗時，可參考此結(jié)果進行區(qū)域布局。

4.3 研究分析了氣溫、降雨、土地利用狀況等環(huán)境因子對新疆紅棗種植的影響情況，未考慮土壤性質(zhì)[4，23]、氣候變暖等其他環(huán)境因子的影響。在對新疆紅棗生態(tài)適宜性的區(qū)劃分析過程中繼續(xù)通過研究其他環(huán)境因素進行區(qū)劃，發(fā)揮該區(qū)域內(nèi)的特色林果業(yè)的經(jīng)濟優(yōu)勢。