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.中國農業大學 農學院/農業農村部農作制度重點實驗室，北京 100193；2.煙臺市農業技術推廣中心,山東 煙臺 264001)

氣候資源特征決定了農作物的種植分布[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，研究作物生長發育與產量形成所需的氣候條件與某地區可提供的氣候資源條件相吻合的程度。研究農作物的氣候適宜性，本質上就是建立農作物地理分布信息與各個氣候因子之間的關系，進而對目標農作物的潛在分布范圍進行估計[3]。自20世紀70年代以來物種分布模型(Species Distribution Model, SDM)被廣泛地應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)數據和影響物種分布的環境數據，便可以對小樣本量、非規則取樣的數據進行建模與模擬，并獲得較好的預測結果[4-6]。近年來，學者使用最大熵模型分析了我國多種農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]的潛在種植分布進行了劃分；在雜糧作物方面，使用了包括最大熵模型在內的4種物種分布模型對我國谷子的潛在地理分布進行了模擬，其中最大熵模型模擬效果最好[13]。基于物種分布模型的作物潛在種植分布研究為我國糧食作物生產科學布局提供了依據。

燕麥是我國重要的雜糧作物。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、適應性較強的農作物，是我國主要的燕麥栽培種。在我國北方地區自古以來就有種植、食用燕麥的傳統，燕麥較其他糧食作物在蛋白質、氨基酸、脂肪以及可溶性膳食纖維等方面具有更高的營養價值[16-17]。近年來，隨著人們生活品質提高與膳食結構改善，對食品安全、營養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增長趨勢，我國燕麥市場潛力較大[18]。然而當前我國燕麥收獲面積年際間變異大，2017年我國燕麥收獲面積僅為36.2萬 hm2，且產區主要集中在半干旱和干旱地區，生態環境脆弱，主要依賴雨養。目前燕麥種植布局較為分散、缺少規劃，嚴重制約了燕麥產業的發展[19]。亟需進行裸燕麥種植分布的適宜性研究，為燕麥生產提供科學規劃依據。

當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作物大粒裸燕麥為研究對象，利用MaxEnt模型，結合裸燕麥種植分布點數據與氣象數據，評估不同氣候因子對裸燕麥種植分布的貢獻和不同區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氣候因子以及裸燕麥潛在適宜種植區域，以期為優化燕麥區域生產布局和充分利用區域農業資源提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

1.1.1裸燕麥地理分布數據

以“燕麥”為關鍵詞在中國知網全文期刊數據庫(https:∥www.cnki.net/)進行相關文獻檢索，獲取相應裸燕麥種植分布數據。要求的文獻必須符合如下條件：1)必須在中國境內進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地理坐標或記錄詳細地點且可反查到坐標。最終得到79組分布點數據。使用基于Python的ArcGIS工具包SDMtoolbox v2.4[20]中的Spatially Rarefy Occurrence Data for SDMs模塊，篩除重復點并在10 km距離內只保留1個分布點，以減小分布點數據空間自相關引發的環境偏差過度擬合，最終保留59個裸燕麥種植分布站點(圖1)。

圖1 我國標準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氣象數據

本研究使用的氣象數據來自1991—2017年全國707個標準氣象站點的逐日氣象數據，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，并基于站點經緯度坐標進行插值。其中有關溫度和降水的指標插值結合數字高程模型(DEM)，采用樣條函數(Spline)插值的方法，其余指標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網格作為基礎數據。

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域的環境數據，可以通過模型輸出研究區內該物種分布的存在概率(P)，通過概率判斷該物種在區域內存在的可能性大小。

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]選取可以反映區域氣候特點的全年氣候指標以及影響裸燕麥生長發育與產量形成的關鍵時期氣候指標(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、干旱指數、日照時數、日均溫≥5 ℃日數、≥5 ℃活動積溫、日均溫≥30 ℃日數、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10次模擬，在模型輸出的文件中，記錄正則化訓練增益(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對所得模型的訓練增益構建95%置信區間，與訓練增益最高的模型在95%置信區間上沒有差異的最簡約模型被認定為最佳模型，構建該模型的環境因子變量即為主導氣候因子[32-34]。對保留的環境因子柵格圖層進行方差膨脹因子(VIF)檢驗，若某柵格圖層變量VIF≥10，認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

在統計學原理中，當P<0.05時，說明在該地區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；根據IPCC第四次報告[35]對可能性的分類，將可種植區的適宜性劃分為3個級別：0.05≤P<0.33歸為次適宜區，0.33≤P<0.66歸為適宜區，0.66≤P歸為最適宜區。使用ArcGIS 10.4版本的重分類功能，根據以上分級標準，對模型輸出結果進行適宜性劃分。本研究從中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)獲取了2015年中國陸地生態系統宏觀結構數據，使用該數據對重分類后圖層進行疊加，剔除最適宜區、適宜區與次適宜區中的沙地、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建的最大熵模型AUC值為0.917，表明模型的準確性非常好，可以用于我國燕麥種植氣候適宜區的分析。

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氣候因子

由圖3可知，影響我國裸燕麥種植分布的主導氣候因子為年降水量、年平均最低溫、日均溫≥30 ℃ 日數以及氣溫年較差。各主導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>氣溫年較差，年降水量對裸燕麥種植分布的貢獻最大；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的主導氣候因子對我國裸燕麥種植分布的貢獻Fig.3 Contribution of dominant climatic factors to the distribution of naked oat based on Jackknife test

2.3 主導氣候因子閾值的確定

以存在概率P≥0.66為劃分界限，得到氣候最適宜區主導氣候因子的閾值。由表2可知，裸燕麥種植氣候最適宜區日均溫≥30 ℃日數在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、適宜區、次適宜區和不適宜區面積分別為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主要分布在我國華北地區的陰山山脈南北以及西北地區，大部分位于內蒙古自治區中部、河北省北部、山西省北部，在寧夏回族自治區南部、甘肅省南部、青海省西部、西藏自治區的山南地區和新疆維吾爾自治區西部也有分布。內蒙古、甘肅、新疆、青海、西藏、河北、山西和寧夏8個省(自治區)的最適宜區面積占全國最適宜區總面積的83.59%。陰山山脈南北的氣候最適宜區，西起鄂爾多斯市經朔州市、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包括寧夏回族自治區的固原市，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、新疆維吾爾自治區的塔城地區、伊犁哈薩克自治州、喀什地區和奇臺縣也有零星的最適宜區分布；除上述地區外，在西藏自治區的山南地區也存在一定面積的最適宜區。

裸燕麥種植的氣候適宜區基本呈現環繞最適宜區分布的格局，主要分布在東北、華北以及西北地區，大部分位于內蒙古自治區中東部、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、寧夏回族自治區和甘肅省以及西南地區各省(自治區)的高山也有分布。最適宜區與適宜區基本涵蓋了我國目前燕麥的主要產區。

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

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行的研究中，選擇合適的環境變量都是重要環節[36]。本研究首先預選1組與裸燕麥生長發育和產量形成有關的潛在氣候因子，隨后逐步刪除對模型貢獻較小的潛在氣候因子并構建最簡約模型。基于Jackknife的逐步篩選方法可以有效剔除潛在的無關變量，減少模型模擬的過擬合并獲得更加理想的預測結果[37]。經篩選，本研究保留了日均溫≥30 ℃日數、氣溫年較差、年平均最低溫以及年降水量4個指標作為影響裸燕麥種植分布的主導氣候因子。燕麥是喜冷涼怕高溫的作物，在生育期內的最適溫度一般在17～20 ℃，最高溫度可以達到30 ℃[27]。我國春播的燕麥在拔節、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量形成甚至危害燕麥生長發育，生育期內尤其是拔節后適宜的溫度與晝夜溫差有利于干物質的合成與積累。燕麥主要栽培在干旱半干旱地區，大多依靠雨養，降水是燕麥產量形成的主要影響因素。本研究結果表明裸燕麥種植的氣候最適宜區年降水量在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總體熱量條件的指標，其中最低氣溫指標受氣候變化影響最大，在我國北方地區，最低氣溫的上升趨勢尤為明顯[38]，這一趨勢可能導致氣溫日較差變小，進而影響燕麥的大田生長期持續時間、物候、產量與品質；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的最低氣溫可能是構建最大熵模型的重要指標。本研究結果表明燕麥種植的氣候最適宜區氣溫年較差在29.2～37.4 ℃，表明燕麥主要分布在氣溫年較差較大，大陸性氣候較強的地區，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。在實際生產中裸燕麥種植也受土壤、地形、土地利用以及社會經濟等因素的制約。一些學者也進行了燕麥種植適宜性的研究，例如，萬帆[25]和王貞[39]采用多標準評價(MCE)方法對我國裸燕麥種植適宜性進行評價，通過專家打分界定各環境因子的影響權重，認為黑龍江省、內蒙古自治區南部與東部、山西省北部、甘肅省定西地區是最適宜區，由于研究方法和研究內涵的差異，對裸燕麥種植適宜區的評價結果有所不同。裸燕麥種植的氣候最適宜區主要位于我國農牧交錯帶，不僅是生態環境脆弱地區，也是經濟相對貧困地區[40]，在未來裸燕麥種植規劃布局過程中，要綜合考慮除氣候條件外其他生態條件與社會經濟條件對裸燕麥種植分布的影響，并探究相應的兼顧作物豐產與資源環境可持續的農作制度[41]，對裸燕麥生產布局進行進一步優化。

3.3 基于氣候適宜性的我國裸燕麥種植分區

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行了分析，模擬結果表明我國裸燕麥種植的氣候最適宜區主要集中在華北、西北和東北地區，這一研究結果基本與我國燕麥生產現狀相符。根據本研究的燕麥氣候適宜性評價結果，結合我國裸燕麥生產實際情況，可以將裸燕麥適宜種植區劃分為以下區域：華北燕麥區、西北燕麥區、東北燕麥區以及西南燕麥區。華北燕麥區位于陰山山脈南北一帶，主要包括內蒙古自治區中南部、河北省北部、山西省北部，這一地區較為冷涼、夏季雨熱同期，在燕麥生育后期降水較少，有利于燕麥產量與品質形成。華北燕麥區有悠久的裸燕麥種植與食用歷史，是我國燕麥的傳統優勢產區，當前我國已經形成了以張家口市、呼和浩特市和大同市為中心的華北燕麥產業群[42]。西北燕麥區主要包括陜西省北部、甘肅和寧夏兩省(自治區)的南部、青海省中東部及新疆維吾爾自治區的伊犁哈薩克自治州、塔城和喀什地區。在西北地區，裸燕麥多作為糧飼兼用作物種植；新疆維吾爾自治區的奇臺縣、昭蘇縣和沙灣市等地是近年來新興的燕麥產區，但整體生產規模較小。東北燕麥區主要包括內蒙古自治區的東四盟以及東北三省西部，該地區位于農牧交錯帶東部，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]。東北地區的氣候適宜區面積大，發展裸燕麥規模種植的潛力較高，近年來該地區也成為了我國新興的燕麥產區[44]，燕麥在東北地區西部種植業結構轉變過程中的作用日益凸顯[45]。西南燕麥區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，該區域主要是高寒山區，海拔較高，能較好滿足燕麥喜冷涼的生物學特性，但燕麥生長季光照不足，燕麥生育期較長。在生產中，西南燕麥區是我國傳統的燕麥種植區之一，但生產規模小，裸燕麥多與馬鈴薯、蕎麥等作物輪作。

4 結 論

影響我國裸燕麥種植分布的4個主導氣候因子按貢獻程度從大到小為：年降水量>年平均最低氣溫>日均溫≥30 ℃日數>氣溫年較差；各主導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、適宜區、次適宜區與不適宜區面積分別為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主要分布在華北和西北地區，主要包括內蒙古自治區中部、河北與山西兩省北部、寧夏回族自治區南部、甘肅省南部以及青海省，另外在新疆維吾爾自治區西部和西藏自治區山南地區也有零星最適宜區分布。在東北地區西部存在大面積氣候適宜區。根據模擬得到的適宜性結果結合裸燕麥實際生產分布，可以將我國裸燕麥種植區劃分為華北燕麥區、西北燕麥區、東北燕麥區以及西南燕麥區。