基于MaxEnt模型的中国裸燕麦种植气候适宜性评价

薄晓智 石晓宇 赵炯超 林 倩 史梦霞 商蒙非 褚庆全*

(1.中国农业大学 农学院/农业农村部农作制度重点实验室，北京 100193；2.烟台市农业技术推广中心,山东 烟台 264001)

气候资源特征决定了农作物的种植分布[1-2]。作物的气候适宜性评价即在一定的时间和空间维度上，研究作物生长发育与产量形成所需的气候条件与某地区可提供的气候资源条件相吻合的程度。研究农作物的气候适宜性，本质上就是建立农作物地理分布信息与各个气候因子之间的关系，进而对目标农作物的潜在分布范围进行估计[3]。自20世纪70年代以来物种分布模型(Species Distribution Model, SDM)被广泛地应用于物种潜在分布的研究中，其中最大熵模型(Maximum Entropy Model, MaxEnt)只需要输入“存在”(Presence only)数据和影响物种分布的环境数据，便可以对小样本量、非规则取样的数据进行建模与模拟，并获得较好的预测结果[4-6]。近年来，学者使用最大熵模型分析了我国多种农作物的潜在地理分布，在主要粮食作物方面，对全国的玉米[7-9]、水稻[9-11]以及冬小麦[9,12]的潜在种植分布进行了划分；在杂粮作物方面，使用了包括最大熵模型在内的4种物种分布模型对我国谷子的潜在地理分布进行了模拟，其中最大熵模型模拟效果最好[13]。基于物种分布模型的作物潜在种植分布研究为我国粮食作物生产科学布局提供了依据。

燕麦是我国重要的杂粮作物。大粒裸燕麦(AvenanudaL.)起源于中国[14-15]，又称“莜麦”、“玉麦”和“铃铛麦”，是一种喜冷凉、耐旱耐瘠薄、适应性较强的农作物，是我国主要的燕麦栽培种。在我国北方地区自古以来就有种植、食用燕麦的传统，燕麦较其他粮食作物在蛋白质、氨基酸、脂肪以及可溶性膳食纤维等方面具有更高的营养价值[16-17]。近年来，随着人们生活品质提高与膳食结构改善，对食品安全、营养和保健等方面的需求日益增加，燕麦及燕麦制品的消费需求呈现增长趋势，我国燕麦市场潜力较大[18]。然而当前我国燕麦收获面积年际间变异大，2017年我国燕麦收获面积仅为36.2万 hm2，且产区主要集中在半干旱和干旱地区，生态环境脆弱，主要依赖雨养。目前燕麦种植布局较为分散、缺少规划，严重制约了燕麦产业的发展[19]。亟需进行裸燕麦种植分布的适宜性研究，为燕麦生产提供科学规划依据。

当前使用物种分布模型在较高精度上对我国裸燕麦种植气候适宜性的研究鲜有报道，本研究以我国特色农作物大粒裸燕麦为研究对象，利用MaxEnt模型，结合裸燕麦种植分布点数据与气象数据，评估不同气候因子对裸燕麦种植分布的贡献和不同区域裸燕麦种植的气候适宜性，旨在探究影响裸燕麦分布的主导气候因子以及裸燕麦潜在适宜种植区域，以期为优化燕麦区域生产布局和充分利用区域农业资源提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

1.1.1裸燕麦地理分布数据

以“燕麦”为关键词在中国知网全文期刊数据库(https:∥www.cnki.net/)进行相关文献检索，获取相应裸燕麦种植分布数据。要求的文献必须符合如下条件：1)必须在中国境内进行大田试验并完成裸燕麦完整生育期收获籽粒；2)必须记录试验地详细地理坐标或记录详细地点且可反查到坐标。最终得到79组分布点数据。使用基于Python的ArcGIS工具包SDMtoolbox v2.4[20]中的Spatially Rarefy Occurrence Data for SDMs模块，筛除重复点并在10 km距离内只保留1个分布点，以减小分布点数据空间自相关引发的环境偏差过度拟合，最终保留59个裸燕麦种植分布站点(图1)。

图1 我国标准气象站点与裸燕麦种植分布点地理分布图Fig.1 Distribution of standard meteorological stations and naked oat planting in China

1.1.2气象数据

本研究使用的气象数据来自1991—2017年全国707个标准气象站点的逐日气象数据，包括平均大气压、日蒸散量、日最高气温、日最低气温、日降水量以及日照时数等。利用上述气象要素计算所需的潜在气候因子的气象要素多年平均值，并基于站点经纬度坐标进行插值。其中有关温度和降水的指标插值结合数字高程模型(DEM)，采用样条函数(Spline)插值的方法，其余指标使用普通克里金插值的方法。将各气象要素插值到1 km×1 km网格作为基础数据。

1.2 研究方法

本研究使用最大熵模型MaxEnt 3.4.1版本，通过输入物种的地理分布信息及研究区域的环境数据，可以通过模型输出研究区内该物种分布的存在概率(P)，通过概率判断该物种在区域内存在的可能性大小。

1.2.1影响裸燕麦分布的潜在气候因子

基于已有研究报道[21-31]选取可以反映区域气候特点的全年气候指标以及影响裸燕麦生长发育与产量形成的关键时期气候指标(表1)，包括：年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温、年降水量、年降水天数、干旱指数、日照时数、日均温≥5 ℃日数、≥5 ℃活动积温、日均温≥30 ℃日数、气温年较差、最热月降水、最热月平均气温、6—8月平均气温、6—8月降水和6—8月平均最高气温等16个影响裸燕麦分布的潜在气候因子。

表1 影响燕麦种植分布的潜在气候因子Table 1 Potential climatic factors affecting oat planting distribution

1.2.2主导气候因子筛选

将裸燕麦分布的地理信息以及所有的潜在气候因子作为MaxEnt模型的输入项，重复10次模拟，在模型输出的文件中，记录正则化训练增益(Regularized training gain)，并在下一次模拟中，删除Training gain without variable值最大的变量，重复此步骤直至仅剩1个潜在气候因子。使用SPSS v25.0对所得模型的训练增益构建95%置信区间，与训练增益最高的模型在95%置信区间上没有差异的最简约模型被认定为最佳模型，构建该模型的环境因子变量即为主导气候因子[32-34]。对保留的环境因子栅格图层进行方差膨胀因子(VIF)检验，若某栅格图层变量VIF≥10，认为变量间存在多重共线性，将该因子从最佳模型中删除。

1.2.3裸燕麦种植的气候适宜性划分

在统计学原理中，当P<0.05时，说明在该地区裸燕麦种植分布的概率很小，将其定义为裸燕麦种植分布的不适宜区；根据IPCC第四次报告[35]对可能性的分类，将可种植区的适宜性划分为3个级别：0.05≤P<0.33归为次适宜区，0.33≤P<0.66归为适宜区，0.66≤P归为最适宜区。使用ArcGIS 10.4版本的重分类功能，根据以上分级标准，对模型输出结果进行适宜性划分。本研究从中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)获取了2015年中国陆地生态系统宏观结构数据，使用该数据对重分类后图层进行叠加，剔除最适宜区、适宜区与次适宜区中的沙地、戈壁、盐碱地、高寒荒漠以及苔原等不适宜种植作物的土地类型。

2 结果与分析

2.1 模型效果评价

由图2可知，基于所有潜在气候因子所构建的最大熵模型AUC值为0.917，表明模型的准确性非常好，可以用于我国燕麦种植气候适宜区的分析。

图2 燕麦MaxEnt模型的接收者工作特征曲线Fig.2 Receiver operating characteristic curve of naked oat MaxEnt model

2.2 影响裸燕麦种植的主导气候因子

由图3可知，影响我国裸燕麦种植分布的主导气候因子为年降水量、年平均最低温、日均温≥30 ℃ 日数以及气温年较差。各主导气候因子对我国裸燕麦种植分布影响的重要性排序为：年降水量>年平均最低温>日均温≥30 ℃日数>气温年较差，年降水量对裸燕麦种植分布的贡献最大；年降水量的绿色条带较短，说明年降水量是不可替代的气候因子。

图3 基于Jackknife的主导气候因子对我国裸燕麦种植分布的贡献Fig.3 Contribution of dominant climatic factors to the distribution of naked oat based on Jackknife test

2.3 主导气候因子阈值的确定

以存在概率P≥0.66为划分界限，得到气候最适宜区主导气候因子的阈值。由表2可知，裸燕麦种植气候最适宜区日均温≥30 ℃日数在2.3～21.1 d，年降水量在302.7～462.8 mm，年平均最低气温在-3.5～1.0 ℃，气温年较差在29.2～37.4 ℃。

表2 不同适宜性的气候因子阈值划分Table 2 Threshold division of climatic factors with different suitability

2.4 裸燕麦种植的气候适宜性分布

由图4可知，裸燕麦种植的最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区面积分别为386.37×103、780.72×103、2 593.53×103和5 894.10×103km2，分别占我国陆地总面积的4.00%、8.09%、26.86%和61.05%。

图4 裸燕麦种植的气候适宜性分布Fig.4 Climatic suitability division of naked oat planting

我国裸燕麦种植的气候最适宜区主要分布在我国华北地区的阴山山脉南北以及西北地区，大部分位于内蒙古自治区中部、河北省北部、山西省北部，在宁夏回族自治区南部、甘肃省南部、青海省西部、西藏自治区的山南地区和新疆维吾尔自治区西部也有分布。内蒙古、甘肃、新疆、青海、西藏、河北、山西和宁夏8个省(自治区)的最适宜区面积占全国最适宜区总面积的83.59%。阴山山脉南北的气候最适宜区，西起鄂尔多斯市经朔州市、大同市、呼和浩特市、乌兰察布市、张家口市、锡林郭勒盟、承德市直至最东端赤峰市。位于西北的气候最适宜区包括宁夏回族自治区的固原市，甘肃省的定西市、临夏回族自治州、武威市、张掖市，青海省的海西蒙古族藏族自治州、海东市、西宁市、海北藏族自治州以及海南藏族自治州，在云贵川三省交界地带、新疆维吾尔自治区的塔城地区、伊犁哈萨克自治州、喀什地区和奇台县也有零星的最适宜区分布；除上述地区外，在西藏自治区的山南地区也存在一定面积的最适宜区。

裸燕麦种植的气候适宜区基本呈现环绕最适宜区分布的格局，主要分布在东北、华北以及西北地区，大部分位于内蒙古自治区中东部、黑龙江省的西南与东部、吉林省的西部与东部、陕西省北部，在辽宁省、河北省、山西省、宁夏回族自治区和甘肃省以及西南地区各省(自治区)的高山也有分布。最适宜区与适宜区基本涵盖了我国目前燕麦的主要产区。

裸燕麦种植的气候次适宜区涵盖华北和东北大部分地区、内蒙古自治区和陕西省的北部、青藏高原以及云贵川三省交界地带。不适宜区主要包括华东、华中和华南大部分地区，还有黑龙江省北部、内蒙古自治区西部与东北部、新疆维吾尔自治区天山山脉以南的地区以及西藏自治区北部。

3 讨 论

3.1 影响裸燕麦种植分布的气候因子

在任何基于物种分布模型进行的研究中，选择合适的环境变量都是重要环节[36]。本研究首先预选1组与裸燕麦生长发育和产量形成有关的潜在气候因子，随后逐步删除对模型贡献较小的潜在气候因子并构建最简约模型。基于Jackknife的逐步筛选方法可以有效剔除潜在的无关变量，减少模型模拟的过拟合并获得更加理想的预测结果[37]。经筛选，本研究保留了日均温≥30 ℃日数、气温年较差、年平均最低温以及年降水量4个指标作为影响裸燕麦种植分布的主导气候因子。燕麦是喜冷凉怕高温的作物，在生育期内的最适温度一般在17～20 ℃，最高温度可以达到30 ℃[27]。我国春播的燕麦在拔节、抽穗、开花和灌浆等生育时期正值高温期，此时气温高于最适温度会影响产量形成甚至危害燕麦生长发育，生育期内尤其是拔节后适宜的温度与昼夜温差有利于干物质的合成与积累。燕麦主要栽培在干旱半干旱地区，大多依靠雨养，降水是燕麦产量形成的主要影响因素。本研究结果表明裸燕麦种植的气候最适宜区年降水量在302.7～462.8 mm，分布在400 mm等降水量线附近，这一分布状况也与我国裸燕麦实际种植分布相符。

年平均气温、年平均最低气温以及年平均最高气温都是反映年内总体热量条件的指标，其中最低气温指标受气候变化影响最大，在我国北方地区，最低气温的上升趋势尤为明显[38]，这一趋势可能导致气温日较差变小，进而影响燕麦的大田生长期持续时间、物候、产量与品质；在明确裸燕麦潜在种植分布的前提下，若要探究气候变化对裸燕麦种植的气候适宜性影响，年平均最低气温和生育期内的最低气温可能是构建最大熵模型的重要指标。本研究结果表明燕麦种植的气候最适宜区气温年较差在29.2～37.4 ℃，表明燕麦主要分布在气温年较差较大，大陆性气候较强的地区，这一气候条件下作物生长季气候凉爽且雨热同期，光照充足，光温水资源配置适合喜凉作物生长。

3.2 燕麦的气候适宜性和种植适宜性

本研究进行裸燕麦种植的气候适宜性研究，主要考虑气候因素的影响。在实际生产中裸燕麦种植也受土壤、地形、土地利用以及社会经济等因素的制约。一些学者也进行了燕麦种植适宜性的研究，例如，万帆[25]和王贞[39]采用多标准评价(MCE)方法对我国裸燕麦种植适宜性进行评价，通过专家打分界定各环境因子的影响权重，认为黑龙江省、内蒙古自治区南部与东部、山西省北部、甘肃省定西地区是最适宜区，由于研究方法和研究内涵的差异，对裸燕麦种植适宜区的评价结果有所不同。裸燕麦种植的气候最适宜区主要位于我国农牧交错带，不仅是生态环境脆弱地区，也是经济相对贫困地区[40]，在未来裸燕麦种植规划布局过程中，要综合考虑除气候条件外其他生态条件与社会经济条件对裸燕麦种植分布的影响，并探究相应的兼顾作物丰产与资源环境可持续的农作制度[41]，对裸燕麦生产布局进行进一步优化。

3.3 基于气候适宜性的我国裸燕麦种植分区

本研究首次使用最大熵模型对我国裸燕麦种植的气候适宜性进行了分析，模拟结果表明我国裸燕麦种植的气候最适宜区主要集中在华北、西北和东北地区，这一研究结果基本与我国燕麦生产现状相符。根据本研究的燕麦气候适宜性评价结果，结合我国裸燕麦生产实际情况，可以将裸燕麦适宜种植区划分为以下区域：华北燕麦区、西北燕麦区、东北燕麦区以及西南燕麦区。华北燕麦区位于阴山山脉南北一带，主要包括内蒙古自治区中南部、河北省北部、山西省北部，这一地区较为冷凉、夏季雨热同期，在燕麦生育后期降水较少，有利于燕麦产量与品质形成。华北燕麦区有悠久的裸燕麦种植与食用历史，是我国燕麦的传统优势产区，当前我国已经形成了以张家口市、呼和浩特市和大同市为中心的华北燕麦产业群[42]。西北燕麦区主要包括陕西省北部、甘肃和宁夏两省(自治区)的南部、青海省中东部及新疆维吾尔自治区的伊犁哈萨克自治州、塔城和喀什地区。在西北地区，裸燕麦多作为粮饲兼用作物种植；新疆维吾尔自治区的奇台县、昭苏县和沙湾市等地是近年来新兴的燕麦产区，但整体生产规模较小。东北燕麦区主要包括内蒙古自治区的东四盟以及东北三省西部，该地区位于农牧交错带东部，气候条件与河北省北部相似，但年均温和积温等热量条件均好于河北省北部，可以在一年收一季籽粒的条件下再收一季饲草[43]。东北地区的气候适宜区面积大，发展裸燕麦规模种植的潜力较高，近年来该地区也成为了我国新兴的燕麦产区[44]，燕麦在东北地区西部种植业结构转变过程中的作用日益凸显[45]。西南燕麦区主要包括四川省西部与南部、贵州省西部以及云南省西北部，该区域主要是高寒山区，海拔较高，能较好满足燕麦喜冷凉的生物学特性，但燕麦生长季光照不足，燕麦生育期较长。在生产中，西南燕麦区是我国传统的燕麦种植区之一，但生产规模小，裸燕麦多与马铃薯、荞麦等作物轮作。

4 结 论

影响我国裸燕麦种植分布的4个主导气候因子按贡献程度从大到小为：年降水量>年平均最低气温>日均温≥30 ℃日数>气温年较差；各主导因子气候最适宜阈值分别为年降水量302.7～462.8 mm，年平均最低气温-3.5～1.0 ℃，日均温≥30 ℃日数2.3～21.1 d，气温年较差29.2～37.4 ℃；我国裸燕麦种植的气候最适宜区、适宜区、次适宜区与不适宜区面积分别为386.37×103、780.72×103、2 593.53×103和5 894.10×103km2，分别占我国陆地总面积的4.00%、8.09%、26.86%和61.05%。

我国裸燕麦种植的气候最适宜区主要分布在华北和西北地区，主要包括内蒙古自治区中部、河北与山西两省北部、宁夏回族自治区南部、甘肃省南部以及青海省，另外在新疆维吾尔自治区西部和西藏自治区山南地区也有零星最适宜区分布。在东北地区西部存在大面积气候适宜区。根据模拟得到的适宜性结果结合裸燕麦实际生产分布，可以将我国裸燕麦种植区划分为华北燕麦区、西北燕麦区、东北燕麦区以及西南燕麦区。