基于Maxent模型的中国喜旱莲子草时空传播规律研究

刘晓梅+邢芬+武梅+周红杰+李宏群

摘 要：该研究基于喜旱莲子草（Alternanthera philoxeroides）在中国部分地区的标本采集分布数据，选取影响喜旱莲子草分布的19个生物气候变量作为环境因子，采用Maxent模型预测出目前喜旱莲子草的潜在分布区。根据潜在分布区预测结果，可以对相关地区提出预警，帮助有关部门制定合理的防治措施，避免喜旱莲子草进一步扩散造成更大的危害。

关键词：生物入侵；喜旱莲子草；Maxent模型；ROC曲线；刀切

中图分类号 S451 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）23-0036-02

1 引言

喜旱莲子草为世界性入侵恶性杂草，原产于巴西，现多入侵定居在温带至热带地区。该物种20世纪30年代作为马饲料引入中国，而后在国内大面积逸生导致草灾。2003年，喜旱莲子草被列入我国首批入侵植物名单，其严重危害我国原有生态系统及生物多样性，造成高达每年6亿元的经济损失[1]。研究表明，生物入侵防治为先，对防治目标地进行风险评估后，才能提出经济有效的防治计划，而对潜在适生区进行分析即是首要前提[2]。

MAXENT模型是近些年发展的一种新型生态位模型，具有操作简便、精度高的优点。前人应用表明：用最大熵模型预测物种分布的结果要优于同是生态位模型的GARP、CLIMEX、BIOCLIM等[3]。本文将气候匹配法应用于MAXENT模型中，采用刀切法对影响喜旱莲子草的19个环境因子预测结果进行分析，找出喜旱莲子草生长最敏感的环境因子，并且根据其生长特性和预测的潜在分布适生等级区域，为喜旱莲子草的预警、监控、预防提供理论依据，并对相关部门提供可行的治理建议。

2 研究方法

2.1 软件工具 MAXENT软件从（http：//www.cs.princeton.edu/schapire/maxent/）下载，版本为3.3.3k；GIS软件，版本为ArcGIS 9.3。

2.2 数据来源 喜旱莲子草的分布数据来源于教学标本资源共享平台（http：//mnh.scu.edu.cn/）和中国数字植物标本馆（http：//www.cvh.org.cn）。环境数据为影响喜旱莲子草分布的19个生物气候变量（1）多年平均温；（2）昼夜温差月平均值；（3）昼夜温差与年温差比值；（4）温度变化方差；（5）最热月最高气温值；（6）最冷月最低气温；（7）年气温变化限度；（8）最湿季度均温；（9）最干季度均温；（10）最暖季度均温；（11）最冷季度均温；（12）年降水量；（13）最湿月降水量；（14）最干月降水量；（15）降水量变化方差；（16）最湿季度降水量；（17）最干季度降水量；（18）最暖季度降水量；（19）最冷季度降水量）。数据来自于Worldclim数据库。

2.3 模型预测 导入物种分布点数据和环境变量因子，选择绘制预测分布图、刀切法；MAXENT运行时只用物种分布数据的一部分预测可能分布地，另一部分作为预测的验证分析。因此在运行前，设置好作为验证的分布数据的比例（占总分布数据）25%（一般为20%～30%），其余采用默认参数。预测结果分布图利用ArcGis分析处理，加上坐标、比例尺、图例等，完善喜旱莲子草在中国的适生区分布图。

3 结果与分析

3.1 喜旱莲子草在中国的潜在分布 利用MAXENT模型预测得到的中国喜旱莲子草的适生区分布图（图1），按照喜旱莲子草适生等级的大小将其潜在分布区域划分为以下3个等级：（1）适宜生长区。该区域主要集中在四川东部与重庆接壤周边地区、重庆中西部、湖北西南部、湖北片区、湖南中东部、江西北部、安徽西、中、东部，江苏西南及东南地区以及上海、浙江北部及沿海地区、福建沿海地区、广西和河北有零星分布。（2）可生长区域。该区域广泛，主要在适宜生长区周边，包括川东地区，除重庆西部大范围，广西广东近乎全境，湖南、湖北、安徽、江西、江苏、浙江大半部，福建沿海区及少数内陆区，山东半岛的东南部，台湾和海南北部，云南和河南河北也有分布。（3）不适应生长区。除适宜生长区和可生长区外，其余的均为不适应生长区。

3.2 模型精度检验 采用ROC曲线对本实验的MAXENT模型的精度检验显示：训练和测试数据的AUC值分别为0.947和0.875，2个值均>0.5，所以预测精确度比较高。

3.3 環境因子分析 刀切法能够检验所使用的各环境因子在预测喜旱莲子草分布区中的效用。此法是每次去掉一个环境因子，再用余下的样本进行模型重建，检验被去掉的因子的重要性[3]。图2为模型自动生成的各环境因子的贡献值概况。由图2可知，19个环境因子中最干月份降水量的贡献值最大，其他贡献值较大的环境因子依次为最干季度降水量、最冷季度降水量、年平均温、年降水量等。经过分析比较可知，喜旱莲子草在干旱季度的生长过程中对水分的需求量十分敏感。

4 讨论

根据潜在分布区划分的适生等级区域的气候类型上来看，主要为热带至温带季风气候。这表示旱莲子草喜欢温暖、湿润的气候，由此可以根据气候特征制定合理及切实有效的治理方法。

本文研究的结果从预测分布的广泛度来看，要大于实际的发现区域，所以喜旱莲子草的分布范围很可能会进一步扩大，存在潜在大规模扩散的威胁，因此，相关部门要引起重视，防止喜旱莲子草的继续扩散。对于已经大规模暴发的地区，必须采取科学的治理方法：（1）在未入侵的适生区域严防死控；（2）在干旱季节（出芽前），深挖喜旱莲子草除其根茎，进行物理治理，减少其出芽率；（3）对水域区，特别是已经成为入侵灾区的水域，进行捕捞作业，达到清理、控制等目的。

如果结合化学防治方法进行清除时，应注意避免喜旱莲子草的根、茎器官外流造成扩散，还要防止施用化学药剂时对水域造成大面积的污染。对于可生长区，应做好检疫工作，及时发现及时根除。对于不适应生长也要重视警惕。有文献表明，喜旱莲子草在被带入中国后，在形态、生理、结构等反面发生了很多适应性变化，并表现出很强的可塑性[5]；加之全球气温都有升高的趋势，也许现在的不适宜生长区也会随着气候的变化而变成适宜生长区。

参考文献

[1]中华人民共和国国务院公报.关于发布中国第一批外来入侵物种名单的通知[Z].2003：2-3.

[2]黎燕琼，郑绍伟，龚国堂，等.生物多样性研究进展[J].四川林业科技，2011，32（4）：12-19.

[3]王运生.生态位模型在外来入侵物种风险评估中的应用研究[D].长沙：湖南林业大学，2007：18-20.

[4]王运生，谢丙，万方浩，等ROC曲线分析在评价入侵物种分布模型中的应用[J].生物多样性，2007，15（4）：365-372.

[5]翁伯琦，林嵩，玉义祥.空心莲子草在我国的适应性及入侵机制[J].生态学报，2006，7（26）：2373-2381.

（责编：张宏民）