基于Maxent模型的中國喜旱蓮子草時空傳播規律研究

劉曉梅+邢芬+武梅+周紅杰+李宏群

摘 要：該研究基于喜旱蓮子草（Alternanthera philoxeroides）在中國部分地區的標本采集分布數據，選取影響喜旱蓮子草分布的19個生物氣候變量作為環境因子，采用Maxent模型預測出目前喜旱蓮子草的潛在分布區。根據潛在分布區預測結果，可以對相關地區提出預警，幫助有關部門制定合理的防治措施，避免喜旱蓮子草進一步擴散造成更大的危害。

關鍵詞：生物入侵；喜旱蓮子草；Maxent模型；ROC曲線；刀切

中圖分類號 S451 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）23-0036-02

1 引言

喜旱蓮子草為世界性入侵惡性雜草，原產于巴西，現多入侵定居在溫帶至熱帶地區。該物種20世紀30年代作為馬飼料引入中國，而后在國內大面積逸生導致草災。2003年，喜旱蓮子草被列入我國首批入侵植物名單，其嚴重危害我國原有生態系統及生物多樣性，造成高達每年6億元的經濟損失[1]。研究表明，生物入侵防治為先，對防治目標地進行風險評估后，才能提出經濟有效的防治計劃，而對潛在適生區進行分析即是首要前提[2]。

MAXENT模型是近些年發展的一種新型生態位模型，具有操作簡便、精度高的優點。前人應用表明：用最大熵模型預測物種分布的結果要優于同是生態位模型的GARP、CLIMEX、BIOCLIM等[3]。本文將氣候匹配法應用于MAXENT模型中，采用刀切法對影響喜旱蓮子草的19個環境因子預測結果進行分析，找出喜旱蓮子草生長最敏感的環境因子，并且根據其生長特性和預測的潛在分布適生等級區域，為喜旱蓮子草的預警、監控、預防提供理論依據，并對相關部門提供可行的治理建議。

2 研究方法

2.1 軟件工具 MAXENT軟件從（http：//www.cs.princeton.edu/schapire/maxent/）下載，版本為3.3.3k；GIS軟件，版本為ArcGIS 9.3。

2.2 數據來源 喜旱蓮子草的分布數據來源于教學標本資源共享平臺（http：//mnh.scu.edu.cn/）和中國數字植物標本館（http：//www.cvh.org.cn）。環境數據為影響喜旱蓮子草分布的19個生物氣候變量（1）多年平均溫；（2）晝夜溫差月平均值；（3）晝夜溫差與年溫差比值；（4）溫度變化方差；（5）最熱月最高氣溫值；（6）最冷月最低氣溫；（7）年氣溫變化限度；（8）最濕季度均溫；（9）最干季度均溫；（10）最暖季度均溫；（11）最冷季度均溫；（12）年降水量；（13）最濕月降水量；（14）最干月降水量；（15）降水量變化方差；（16）最濕季度降水量；（17）最干季度降水量；（18）最暖季度降水量；（19）最冷季度降水量）。數據來自于Worldclim數據庫。

2.3 模型預測 導入物種分布點數據和環境變量因子，選擇繪制預測分布圖、刀切法；MAXENT運行時只用物種分布數據的一部分預測可能分布地，另一部分作為預測的驗證分析。因此在運行前，設置好作為驗證的分布數據的比例（占總分布數據）25%（一般為20%～30%），其余采用默認參數。預測結果分布圖利用ArcGis分析處理，加上坐標、比例尺、圖例等，完善喜旱蓮子草在中國的適生區分布圖。

3 結果與分析

3.1 喜旱蓮子草在中國的潛在分布 利用MAXENT模型預測得到的中國喜旱蓮子草的適生區分布圖（圖1），按照喜旱蓮子草適生等級的大小將其潛在分布區域劃分為以下3個等級：（1）適宜生長區。該區域主要集中在四川東部與重慶接壤周邊地區、重慶中西部、湖北西南部、湖北片區、湖南中東部、江西北部、安徽西、中、東部，江蘇西南及東南地區以及上海、浙江北部及沿海地區、福建沿海地區、廣西和河北有零星分布。（2）可生長區域。該區域廣泛，主要在適宜生長區周邊，包括川東地區，除重慶西部大范圍，廣西廣東近乎全境，湖南、湖北、安徽、江西、江蘇、浙江大半部，福建沿海區及少數內陸區，山東半島的東南部，臺灣和海南北部，云南和河南河北也有分布。（3）不適應生長區。除適宜生長區和可生長區外，其余的均為不適應生長區。

3.2 模型精度檢驗 采用ROC曲線對本實驗的MAXENT模型的精度檢驗顯示：訓練和測試數據的AUC值分別為0.947和0.875，2個值均>0.5，所以預測精確度比較高。

3.3 環境因子分析 刀切法能夠檢驗所使用的各環境因子在預測喜旱蓮子草分布區中的效用。此法是每次去掉一個環境因子，再用余下的樣本進行模型重建，檢驗被去掉的因子的重要性[3]。圖2為模型自動生成的各環境因子的貢獻值概況。由圖2可知，19個環境因子中最干月份降水量的貢獻值最大，其他貢獻值較大的環境因子依次為最干季度降水量、最冷季度降水量、年平均溫、年降水量等。經過分析比較可知，喜旱蓮子草在干旱季度的生長過程中對水分的需求量十分敏感。

4 討論

根據潛在分布區劃分的適生等級區域的氣候類型上來看，主要為熱帶至溫帶季風氣候。這表示旱蓮子草喜歡溫暖、濕潤的氣候，由此可以根據氣候特征制定合理及切實有效的治理方法。

本文研究的結果從預測分布的廣泛度來看，要大于實際的發現區域，所以喜旱蓮子草的分布范圍很可能會進一步擴大，存在潛在大規模擴散的威脅，因此，相關部門要引起重視，防止喜旱蓮子草的繼續擴散。對于已經大規模暴發的地區，必須采取科學的治理方法：（1）在未入侵的適生區域嚴防死控；（2）在干旱季節（出芽前），深挖喜旱蓮子草除其根莖，進行物理治理，減少其出芽率；（3）對水域區，特別是已經成為入侵災區的水域，進行捕撈作業，達到清理、控制等目的。

如果結合化學防治方法進行清除時，應注意避免喜旱蓮子草的根、莖器官外流造成擴散，還要防止施用化學藥劑時對水域造成大面積的污染。對于可生長區，應做好檢疫工作，及時發現及時根除。對于不適應生長也要重視警惕。有文獻表明，喜旱蓮子草在被帶入中國后，在形態、生理、結構等反面發生了很多適應性變化，并表現出很強的可塑性[5]；加之全球氣溫都有升高的趨勢，也許現在的不適宜生長區也會隨著氣候的變化而變成適宜生長區。

參考文獻

[1]中華人民共和國國務院公報.關于發布中國第一批外來入侵物種名單的通知[Z].2003：2-3.

[2]黎燕瓊，鄭紹偉，龔國堂，等.生物多樣性研究進展[J].四川林業科技，2011，32（4）：12-19.

[3]王運生.生態位模型在外來入侵物種風險評估中的應用研究[D].長沙：湖南林業大學，2007：18-20.

[4]王運生，謝丙，萬方浩，等ROC曲線分析在評價入侵物種分布模型中的應用[J].生物多樣性，2007，15（4）：365-372.

[5]翁伯琦，林嵩，玉義祥.空心蓮子草在我國的適應性及入侵機制[J].生態學報，2006，7（26）：2373-2381.

（責編：張宏民）