全球天然橡胶种植的潜在气候适宜区预测

刘少军　王斌　李伟光　蔡大鑫　张国峰

摘要：在前期研究的基础上，根据全球气候数据集和影响橡胶种植的5个主导气候因子，基于最大熵模型，预测了全球橡胶种植的地理分布。结果表明，亚洲、非洲、美洲、大洋洲均存在橡胶种植的潜在适宜区，并与实际橡胶种植的情况进行对比分析，预测结果与实况基本一致。

关键词：橡胶种植；MaxEnt；气候适宜性

中图分类号：S796；TP79 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）04-0654-03

天然橡胶是国防和经济建设不可或缺的战略物资和稀缺资源，橡胶树（Hevea brasiliensis）是最主要的原料供应植物[1]。橡胶树原产于亚马逊河流域，属典型的热带雨林树种[2]。英国人威克汉姆于1876年移植到热带地区锡兰的植物园，并以锡兰为辐射源，橡胶栽培渐渐移植到亚洲、非洲、大洋洲等适宜区域[3]。截至2014年，全球已有63个国家生产天然橡胶[4]。预测物种的实际分布和潜在分布时，常采用生态位模型[5]，主要的模型有CLIMEX生物种群生长模型[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，普遍认为最大熵模型MaxEnt的精度较高。如Elith等[12]、雷军成等[13]利用来自全球6个地区的4个生物类群226种物种的分布数据，比较了包括广义线性模型、规则集遗传算法和最大熵在内的16种物种分布模型的表现，MaxEnt模型的预测效果总体上要优于其他模型。张海涛等[5]用MaxEnt、BIOCLIM、GARP和DOMAIN等4种生态位模型预测了福寿螺在中国的潜在适生区，指出MaxEnt模型的模拟准确度最高。气候资源是满足橡胶树生长的基本需求，气候是影响植物地理分布的重要因素之一[14，15]。针对橡胶适宜性评价，不同的研究者也采用不同的气候指标组合开展了研究[16-26]。目前，关于全球范围内橡胶树氣候特征和潜在适宜区的报道较少。为此，本研究试图基于全球气候数据和橡胶的地理分布信息，利用最大熵模型预测全球橡胶树种植的空间分布，以期对天然橡胶的引种或栽培提供指导。

1 数据与方法

1.1 数据

橡胶树样本数据来源于全球生物多样性网站、中国数字植物标本馆、国内外公开发表的相关论文和实地考查数据等共141条，并将所有橡胶树分布点的坐标信息输入到Google Earth上加以确认，保证其正确性。气候数据来自网站，该数据库收集了1950～2000年全球各地气象站记录的气象信息，包括19个降水量和温度的衍生因子。根据前期研究结果[23-26]，明确了影响橡胶种植的5个主导气候因子（最冷月平均温度、极端最低温度平均值、月平均温度≥18 ℃月份、年平均气温、年平均降水量）。本研究对收集的全球数据集（1950～2000年）进行整理，通过ArcGIS 10.1空间分析工具，处理并得到以上5种数据集。

1.2 方法

全球天然橡胶种植的适宜区预测采用MaxEnt模型3.3.3k版。根据MaxEnt模型运行的需求，将最冷月平均温度、极端最低温度平均值、月平均温度≥18 ℃月份、年平均气温、年平均降水量5个因子转换为ASCII文件，坐标系为WGS-84，作为环境变量输入到最大熵模型；将全球橡胶种植分布信息点数据按经度和纬度顺序储存成csv格式的文件，作为训练样本输入到最大熵模型。选取75%的橡胶种植分布点作为训练集，25%的分布点作为验证集，采用受试者特性曲线（ROC）分析法进行模型精度检验，模型运算结果的训练集和验证集AUC值分别为0.979和0.963，表明所构建的模型的预测精度达到了“非常好”标准[27]，因此最大熵模型可以用于预测天然橡胶种植区范围。

2 结果与分析

2.1 基于MaxEnt模型预测全球橡胶种植潜在区域

考虑到气候资源不同保证率（a）以及影响全球橡胶林种植分布的5个主导气候因子，本研究取70%保证率为橡胶适宜种植区域，则某地可安全种植橡胶树的概率拟为适宜气候条件下的0.75=0.168。根据橡胶种植信息与气候关系的最大熵模型给出橡胶在待预测区的存在概率，根据概率的大小，可划分出潜在的气候适宜区。从图1中可以看出，全球橡胶种植潜在区域主要分布在亚洲、非洲、美洲、大洋州。

亚洲适宜种植橡胶树的区域有中国、泰国、印度、斯里兰卡、菲律宾、越南、缅甸、孟加拉、马来西亚、文莱、巴布亚新几内亚、柬埔寨、老挝、印度尼西亚、尼泊尔、东帝汶。

非洲适宜种植橡胶树的区域有马达加斯加北部、莫桑比克中部、坦桑尼亚中南部、马拉维的西部、赞比亚的北部、安哥拉西北、赤道几内亚、刚果的西南部、肯尼亚西部、埃塞俄比亚西部、中非西部、客麦隆的西部、尼日利亚南部、加蓬、多哥、加纳的南部、科特迪瓦、利比里亚的西部、乌干达南部。

北美洲适宜种植橡胶树的区域有美国的南部、牙买加、洪都拉斯、哥斯达黎加、巴拿马、危地马拉、多米尼加、多巴哥和特立尼达、伯利兹、萨尔瓦多、墨西哥、尼加拉瓜、瓜德罗普岛。

南美洲适宜种植橡胶树的区域有秘鲁的中部、巴西南部及东部沿海区域、阿根廷的西北部、玻利维亚的中部、巴拉圭的南部、哥伦比亚的西北部、委内瑞拉的南部和西北部、厄瓜多尔、圭亚那的西部。

大洋洲适宜种植橡胶树的区域有澳大利亚的北部及东部沿海局部区域、巴布亚新几内亚、新喀里多尼亚、斐济等。

2.2 全球橡胶种植现状

目前，巴西的天然橡胶种植与生产占有绝对优势[28]。1870年末，巴西三叶橡胶树（简称橡胶树）经英国引种到东南亚地区，并迅速发展。根据国际橡胶研究小组的历史统计数据，东南亚地区1900年的天然橡胶产量占全球的1%，1910年占全球的11%，1921年达到90%。1941年为97%。第二次世界大战期间，澳大利亚北部、热带非洲以及中南美洲等国家和地区开始发展天然橡胶。截至2012年，世界橡胶树种植面积达1 272万hm2，其中印度尼西亚植胶面积居世界第一，泰国第二，马来西亚与中国相近，并列第三，越南第五，印度第六，前六国植胶面积约占世界种植总面积的72%[28]。根据莫业勇[4]的统计，全球目前有63个国家生产天然橡胶（图2）。从宏观上看，通过MaxEnt模型预测全球橡胶种植潜在区域（图1）与实际统计的橡胶种植区域分布（图2）的对比分析，可以看出预测的潜在适宜区出现在亚洲、非洲、美洲、大洋洲，与目前全球橡胶种植实际区域整体一致。

目前，东南亚是天然橡胶的主产区，其中泰国、印度尼西亚和马来西亚的产量分别为370万、326万、95万t，占全球产量的66%[28]。为此，根据Li等[29]利用MODIS卫星数据提取的东南亚橡胶种植的对比分析可以看出，通过MaxEnt模型预测全球橡胶种植潜在区域与实际种植情况一致（图3）。

3 小结与讨论

决定植物分布的控制因子有能忍受的最低温度、生长季热量、水分供应3类[30]。橡胶树生长发育的温度指标以平均气温计量。10 ℃时，细胞可进行有丝分裂，15 ℃为组织分化的临界温度，18 ℃为正常生长的临界温度，20～30 ℃为适宜生长和产胶温度，其中，26～27 ℃时橡胶树生长最旺盛。适宜橡胶树生长和产胶的降水指标以年降雨量在1 500 mm以上为宜。年降雨量在1 500～2 500 mm，相对湿度80%以上，年降雨日>150 d，最适宜于橡胶的生长和产胶。年降雨量大于2 500 mm，降水日数过多，不利于割胶生产，且病虫害易流行。一般认为月降雨量>100 mm，月雨日>10 d适宜橡胶树生长；月降雨量>150 mm最适宜生长[31]。徐其兴[32]提出的生产性植胶温度北界指标为最冷月平均温度和极端最低温平均值。本研究在前期研究基础上[23-26]，基于最大熵模型，充分考虑了5个影响因子（最冷月平均温度、极端最低温度平均值、月平均温度≥18 ℃月份、年平均气温、年平均降水量）的内在相互作用，得到了全球橡胶种植潜在适宜区。通过对比分析，结果显示模型预测的橡胶种植分布区与实际分布区基本吻合。更加客观反映了橡胶种植的潜在空间分布，对合理选择有利的地理位置开展橡胶生产具有一定的指导意义。

为了保证MaxEnt预测结果更为准确，需要具备两个条件，一是需要一定数量的代表性橡胶分布点的位置信息，二是需要影响橡胶种植分布的关键环境变量[33]。由于本研究收集的橡胶种植的样本有限，分布数据大部分只精确到国家层面，未对各国具体位置进行详细的验证工作；同时对区域内的气象灾害未考虑在列，对适宜区等级的划分有待进一步的研究。

通过对全球气候数据及已有橡胶种植信息的汇总，基于MaxEnt模型和ArcGIS空间分析，给出了全球橡胶种植的适宜气候分布区域，可为进一步开展全球橡胶种植区划提供参考。

参考文献：

[1] 张 箭.试论中国橡胶（树）史和橡胶文化[J].中国农史，2015， 34（4）：72-81.

[2] 江爱良.橡胶树北移的几个农业气象学问题[J].农业气象，1983， 5（1）：9-21.

[3] 张 箭.世界橡胶（树）发展传播史初论[J].中国农史，2015，34（3）：3-16.

[4] 莫业勇.全球有60多个国家生产天然橡胶[J].中国热带农业，2014（5）：75-76.

[5] 张海涛，罗 渡，牟希东，等.应用多个生态位模型预测福寿螺在中国的潜在适生区[J].应用生态学报，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.样本容量和物种特征对BIOCLIM模型模拟物种分布准确度的影响——以12个中国特有落叶栎树种为例[J].植物生态学报，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，吴 军，等.气候变化情景下物种适宜生境预测研究进展[J].四川动物，2015，34（5）：794-800.

[14] 吴建国，周巧富.中国嵩草属植物地理分布模式和适应的气候特征[J].植物生态学报，2012，36（3）：199-221.

[15] 王 欢，李 慧，曾凡琳，等.黄花蒿空间分布及全球潜在气候适宜区[J].中药材，2015，38（3）：460-466.

[16] 王 菱.我国橡胶树生长北界的地理环境评价[J].资源科学，1987，11（2）：54-61.

[17] 王利溥.橡胶树气象[M].北京：气象出版社，1989.230.

[18] 中国农林作物气候区划协作组.中国农林作物气候区划[M].北京：气象出版社，1987.205.

[19] 张莉莉.基于GIS的海南岛橡胶种植适宜性区划[M].海口：海南大学，2012.

[20] 苏文地，张培松，罗 微.基于主成分分析的橡胶种植适宜性评价——以海南省儋州市为例[J].热带农业科学，2014，34（3）：69-75.

[21] 齐福佳，邱彭华，吴晓涛，等.基于GIS的临高县橡胶种植土地适宜性评价[J].林业资源管理，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] 刘少军，周广胜，房世波.中国橡胶树种植气候适宜性区划[J].中国农业科学，2015，48（12）：2335-2345.

[24] 刘少军，周广胜，房世波，等.未来气候变化对中国天然橡胶种植气候适宜区的影响[J].应用生态学报，2015，26（7）：2083-2090.

[25] 刘少军，周广胜，房世波.中国橡胶种植北界初步研究[J].生态学报，2016，36（5）：1272-1280.

[26] 刘少军，房世波.海南岛天然橡胶气候适宜性及变化趋势分析——以第一蓬叶生长期为例[J].农业现代化研究，2015（6）：1062-1066.

[27] 车 乐，曹 博，白成科，等.基于MaxEnt和ArcGIS对太白米的潜在分布预测及适宜性评价[J].生态学杂志，2014，33（6）：1623-1628.

[28] 曾 霞，郑服丛，黄茂芳，等.世界天然橡胶技术现状与展望[J].中国热带农业，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，周广胜.中国单季稻种植北界的初步研究[J].气象学报，2012，70（5）：1166-1172.

[31] 中国热带农业科学院，华南热带农业大学.中国热带作物栽培学[M].北京：中国农业出版社，1998.

[32] 徐其兴.温度、热量与橡胶产量的关系及橡胶树北移的温度指标分析[J].广西热带农业，1988，1（1）：9-16.

[33] 曾 輝，黄冠胜，林 伟，等.利用MaxEnt预测橡胶南美叶疫病菌在全球的潜在地理分布[J].植物保护，2008，34（3）：88-92.