基于MaxEnt模型的胡杨潜在适生区预测研究*

陈豪杰，聂 艳※，刘新华，刘 斌，张 辉

（1.华中师范大学 地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，湖北武汉 430079；2.新疆维吾尔族自治区塔里木河流域阿克苏管理局，阿克苏 841000）

0 引言

阿克苏河作为塔里木河流域最大的源流，其水源保证能力在很大程度上影响着下游广大区域社会经济发展和生态环境安全［1］。近年来，随着阿克苏河流域社会经济的快速发展，在自然和人为因素的干扰下，流域内水资源问题对当地的生产、生活和生态已经产生了一定影响；同时，胡杨等天然植被也逐渐退化，严重削弱了其涵养水源，防风固沙，释氧固碳等生态功能。因此亟待预测胡杨的潜在适生区，为胡杨的保护和管理部门开展引种栽培选区工作提供有力参考，同时也为恢复和改善阿克苏河流域生态环境和保障当地社会经济可持续发展发挥重要作用。

胡杨作为杨柳科杨属中历史最悠久的植物，是一种中型落叶天然乔木，是稀有树种之一，主要分布在我国西北荒漠区。它的首要作用在于防风固沙，创造适宜的绿洲气候和形成肥沃的土壤，对荒漠地区的生态保护和修复以及农牧业发展具有十分重要的作用。研究表明，在西北内陆干旱区，水分胁迫是限制天然植物生长发育的最直接、最主要的因素，塔里木河中下游胡杨衰败由干旱造成［2］；胡杨根蘖苗的水分主要来源于母株浅层根系远端根吸收的土壤水，对土壤水的利用取决于浅层根系对水分的吸收，对浅层土壤水的利用受到浅层土壤含水量的明显影响［3］；不同林龄胡杨的主要吸水层位不同，随着胡杨龄的增长，其主要吸水层位趋向于更深、更广，所利用的主要水源更趋近于稳定的地下水，此外降水对胡杨幼苗的影响程度明显大于成熟胡杨［4］；生态输水可以有效地遏制受水区域胡杨缺水衰败的势头，植被的覆盖率和植物种类得到增加和恢复，动物活动轨迹增多［5］。目前，学者对胡杨流域尺度的研究主要集中在塔里木河干流，如利用遥感数据研究了塔里木河流域胡杨种群结构与分布格局、生态价值以及生理特性与环境变化的关系［6-9］。而对塔里木河上游阿克苏河流域胡杨研究较少，且只涉及到胡杨物种、群落特征以及胡杨年轮生长特点等方面［10］，而对阿克苏河流域胡杨潜在适生区预测研究鲜有见闻。因此，文章选择阿克苏河流域胡杨为研究对象，基于胡杨的现状地理分布和气候环境变量，运用最大熵模型（Maximum Entropy Model，MaxEnt）和GIS技术相结合的方法，预测胡杨的潜在适生区，以期为胡杨保护恢复、引种栽培选区、生态输水工程等提供有力参考，同时也为恢复和改善阿克苏河流域生态环境和可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

阿克苏河流域位于塔里木盆地西北部，地处塔里木河上游平原地区，地理位置为40°8′～41°34′N，78°47′～82°7′E，区内地势西北高，东南低。该区属于暖温带干旱型气候，具有明显的大陆性季风气候特征，常年干燥少雨，蒸散发量和昼夜温差都比较大。流域植被主要为天然低山植被、人工防护林和平原绿洲农田植被等。水源主要来自高山冰雪融水，大气降水以及少量的地下水。该区包括乌什县、阿克苏市、温宿县、阿瓦提县、阿拉尔市及沙雅县6个辖区的部分地区，总面积3.5万km2。

2 数据来源与研究方法

2.1 样本数据

胡杨地理分布数据来源：（1）对研究区胡杨进行实地调查，获取70个胡杨生长区域的GPS定位样点。（2）以高分一号、高分二号为基础数据，利用专家决策树法解译得到70个样点。为降低群集效应造成的误差，去除经纬度重复、分布信息缺失及无法准确获得经纬度的数据点，最后获得129个有效分布样点。其中97个（75%）为试验样本，32个（25%）为验证样本。

2.2 MaxEnt模型简介

MaxEnt是由美国普林斯顿大学研究室研发的用于物种分布预测的专业模型，它基于最大熵理论，根据物种当前分布的不完整信息和环境变量（气候、植被、地形等）之间的紧密联系，找出物种分布的最大熵，从而对物种的潜在适生区分布进行预测［11-13］。近年来，MaxEnt模型在物种潜在适生区的预测上已得到广泛应用，预测精度较高［14-16］。该研究基于MaxEnt 3.4.1版本完成。

2.3 数据获取

2.3.1 气候因子

研究认为影响植物生长的主要环境因子有气候、土壤和海拔［13-16］。阿克苏河流域是我国天然胡杨的集中分布地区之一。结合已有研究成果和阿克苏河流域胡杨生长区的环境特点，选取1970—2000 年世界气候数据库（http： //www.worldclim.org /）的19个生物气候变量（空间分辨率为30 m）。

表1 气候因子Table 1 Climate factors

2.3.2 土壤因子

根据胡杨抗寒、抗热、耐盐碱等特性，选用联合国粮农组织数据中心发布的世界土壤数据库（HWSD v1.2）中的土壤有效水含量、黏土含量、沙土含量、碳酸钙含量、土壤酸碱度、可交换钠盐含量、土壤容重和有机碳含量8个土壤因子（空间分辨率为30 m）。

表2 土壤因子Table 2 Soil factors

2.3.3 海拔因子

从世界气候数据中心获取源于（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）的高程数据（空间分辨率为30 m）。

2.3.4 地图数据

研究区范围内的行政区划图（1∶100万）来源于全国地理信息资源目录服务系统（https：//www.webmap.cn/）。

2.4 数据预处理

以研究区范围为底图，将129个胡杨样点数据、19个生物气候因子和海拔因子输入ArcGIS 10.2，掩膜处理后得到研究区范围各因子的栅格数据，借助ArcTool box 中的栅格转ASCII工具将其转为 ASCII 格式，以满足MaxEnt模型对数据的要求。由于土壤数据库（HWSD v1.2）包括多种土壤属性数据，需基于不同属性数据中的相同字段将图层与不同土壤属性数据进行连接，再借助ArcTool box中的查找表工具提取出影响胡杨生长的8个土壤因子，掩膜处理后保存为 ASCII 格式备用。

2.5 适宜性因子选取

为科学预测胡杨的适宜生长区域，不宜选取过多的变量。因此在应用MaxEnt模型进行预测前，先进行环境变量的筛选，即借助MaxEnt模型内置的刀切法（Jackknife），计算每个变量对预测模型的贡献率，剔除对预测模型贡献率较低的环境变量，保留对预测模型贡献率较大的环境变量（表3）。对前述气候、土壤和海拔的28个因子贡献值进行排序，最终选择单个因子贡献率在1%以上，累计贡献率达96.8%的12个环境因子，分别为年平均气温（Bio1）、气温日较差（Bio2）、等温性（Bio3）、最暖月最高温度（Bio5）、最冷月最低温度（Bio6）、最干季度平均温度（Bio9）、最冷季度平均温度（Bio11）、年降水量（Bio12）最干月降水量（Bio14）、上层土壤酸碱度（pH）、上层土壤可交换性钠盐含量（ESP）和海拔（DEM）。

表3 环境变量贡献结果统计表Table 3 Statistical Table of Contribution Results of Environmental Variables

另外，由于环境变量之间存在着复杂的自相关性及共线性，这些变量的高度相关性会在模型预测过程中对预测结果产生一定程度的影响。因此，利用SPSS共线性诊断，以Tolerance（容忍度）＜0.2或VIF（方差膨胀因子）＞10为依据，如果诊断结果符合此条件则表明自变量之间存在共线性，反之不然。将上述的12个环境变量输入SPSS中进行共线性诊断，诊断结果显示这12个环境变量的VIF值（方差膨胀因子）均小于10，表明这12个环境变量之间不存在共线性，因此最终确定这12个因子参与MaxEnt模型预测。

2.6 最大熵模型设置

在MaxEnt模型中左列输入胡杨样点分布经纬度数据，右列输入环境变量数据，使用刀切法（Jackknife）来测定各变量权重，并勾选创建变量响应曲线来判断物种对各环境变量的响应特征，然后将基本设置中的随机测试百分比设置为25%，作为测试集来验证模型。另外75%的胡杨分布点作为训练集进行模拟，其他参数均设置为默认状态。

3 结果与分析

3.1 预测结果

由于MaxEnt输出的结果是ASCII格式，需利用ArcGIS的ArcTool box格式转换工具，将ASCII格式数据转换为栅格以便在ArcGIS中显示。而后利用ArcGIS重分类命令中的自然间断点分级法进行适生等级划分，将阿克苏河流域胡杨适生区划分为4个等级，分别为不适生区（分布概率P＜0.11）、低适生区（0.11≤P＜0.33）、中适生区（0.31≤P＜0.66）和高适生区（P≥0.66），最终得到阿克苏河流域胡杨的潜在适生分布图（图1）。

图1 基于MaxEnt模型的胡杨潜在适生区预测Fig.1 Populus euphratica forest potential suitable area prediction based on MaxEnt model

流域内胡杨高适宜区总面积约1 109.77 km2，占研究区总面积的3.14%；自北向南主要分布在流域东北方向温宿县五团场南部边缘、省道207途径的多浪水库周边地区、流域南侧阿瓦提县丰收三场周边、阿拉尔市十二团场南部边缘和十六团场南部边缘。流域内胡杨中适宜区总面积约2 728.51 km2，占研究区总面积的7.73%；主要分布阿克苏温宿机场与阿克苏市中间地带；阿克苏市阿依库勒镇西北以及喀勒塔勒镇东部；温宿县五团场部分地区以及古勒阿瓦提乡南北延伸一带；阿瓦提县三团场、丰收大渠、丰收二场、博斯坦乡周边地区；阿拉尔市西北部七团场、八团场部分地区以及西南部与阿克苏市南区接壤地区。流域内胡杨低适宜区总面积约6 249.39 km2，占研究区总面积的17.71%；主要分布在中适宜区的外围，并形成对中适宜区的包围之势。流域内胡杨不适宜区面积最大，面积约25 206.15 km2，占研究区总面积的71.42%，主要分布在前三者以外的大部分区域。

3.2 预测精度评价

MaxEnt模型中的受试者工作特征曲线（ROC）可反映模型的精确度，其与横坐标所围成的面积（即AUC值）为0～1，其值越大模型预测越精准，AUC值为0.5～0.6表示预测失败，0.6～0.7表示预测较差，0.7～0.8表示模型预测良好，0.8～0.9表示预测效果好，大于0.9说明预测结果可靠性极好，能较准确地反映物种潜在分布。

使用ROC曲线对当前气候条件下阿克苏河流域胡杨潜在适生区分布的预测结果进行验证，结果如图2所示。可见，训练数据和测试数据的ROC曲线都位于随机分布模型ROC曲线的上方且相距较远，训练集和测试集的 AUC 值分别达到了 0.926和 0.910，明显大于随机分布模型的AUC值0.5，说明此次MaxEnt 模型对阿克苏河流域胡杨潜在适生区分布的预测结果可靠性极好，此次预测结果与胡杨实际地理分布情况比较吻合，结果可用于阿克苏河流域胡杨的潜在适生区预测。

图2 基于 MaxEnt 模型预测结果的 ROC 曲线分析Fig.2 ROC curve analysis based on MaxEnt model prediction results

3.3 基于MaxEnt模型预测结果的环境因子分析

基于MaxEnt模型，运用刀切法对各环境因子进行分析，可判断不同环境因子与胡杨适生区分布之间的关系。判定标准：蓝色条带代表“仅此变量”，条带越长表示分数越高，说明该变量对物种分布具有较强的预测能力；青色条带代表“除此变量”，即除该变量外剩余变量贡献之和的训练得分，如果“除此变量”得分较低，则说明该变量含有某些独特信息，对物种分布同样比较重要；红色条带代表所有环境变量对所建模型的累积贡献率。

基于MaxEnt模型预测结果的环境因子训练增益结果如图3所示。横坐标表示规范训练增益的大小，纵坐标表示环境变量，条带显示的规范训练增益数值越大，则说明此环境变量对胡杨的分布影响越大。由图3可见，在所分析的12个环境因子中，等温性（Bio3）、最暖月最高温度（Bio5）、最干季度平均温度（Bio9）、年降水量（Bio12）、上层土壤可交换性钠盐含量（ESP）、和海拔（DEM）6个因子的“仅此变量”训练增益得分均接近或高于0.3，对胡杨分布区的预测结果有较大的影响，其中最干季度平均温度（Bio9）和海拔（DEM）的“仅此变量”训练增益得分均达到0.4，说明二者对胡杨分布影响最大。此外，上层土壤可交换性钠盐含量（ESP）的“除此变量”训练增益得分最低，几乎接近1.4，说明该变量可能含有较多的独特信息，对物种分布较为重要。

图3 基于MaxEnt模型预测结果的环境因子规范训练增益Fig.3 Regularized training gain of environmental factors based on Maxent model prediction results

3.4 基于MaxEnt模型预测结果的主导环境因子响应

为了进一步明确主导环境因子对胡杨生长的响应关系，基于MaxEnt模型得出上述单一环境因子（Bio3、 Bio5、 Bio9、Bio12、 ESP、 DEM）的响应曲线（图4）。这些曲线显示了物种分布的预测概率是如何随每个环境变量的变化而变化，并将所有其他环境变量保持在其平均样本值。由图4可见，随着环境条件的改变，胡杨适生区分布变化较大。其中胡杨对等温性（Bio3）的响应表现为随着等温性的提高其分布概率就越高，直到等温性提高至35，胡杨的分布概率达到最大值1。最暖月最高温度（Bio5）对胡杨分布概率影响表现为从26～34.4℃胡杨分布概率一直都维持在接近0.7的高度，随着温度继续升高，分布概率呈现出近乎直线下降，并在35.5℃降至0。最干季度平均温度（Bio9）对胡杨分布概率影响表现为在-7℃以下时，分布概率极低，但在-7～-5℃之间时，分布概率急剧上升，并且在约-4.5℃时分布概率达到最大值0.7，随后在-4.5～4℃之间分布概率一直较高。年降水量（Bio12）对胡杨分布概率影响表现为在年降雨量约30～42 mm时胡杨分布概率都极高，在0.9以上，但是年降雨量在约42～44 mm之间时胡杨的分布概率呈现出近乎直线下降的过程，然后随着降雨量不断增加，分布概率也不断增加，直到降雨量达到153 mm左右时，分布概率达到约0.9，且不再增加。海拔（DEM）对胡杨分布概率影响表现为从1 000 m时的接近于0的概率迅速上升到1 100 m时的0.72左右，然后随着海拔继续增加，其分布概率一路下滑，在1 600 m时就接近为0。上层土壤可交换性钠盐含量（ESP）对胡杨分布概率影响表现为上层土壤可交换性钠盐含量为0时，胡杨分布概率最大，随着上层土壤可交换性钠盐含量增加，分布概率一直下降，达到3.5%时分布概率几乎为0。以上结果表明，胡杨潜在分布区受气候，土壤，海拔因子的共同影响，胡杨适宜分布的区域有以下特征：最暖月最高温度在26～34.4℃，最干季度平均温度在-4.5～4℃，年降水量约30～42 mm，海拔1 100 m左右，上层土壤可交换性钠盐含量不高于1.5%。

图4 单一主导环境因子响应曲线Fig.4 Response curve of a single dominant environmental factor

4 结论

（1）阿克苏河流域的胡杨潜在高适宜区和中适宜区面积约为3 838.28 km2（其中高适宜区为1 109.77 km2，中适宜区为2 728.51 km2），共占阿克苏河流域总面积的10.88%。

（2）影响胡杨潜在分布的环境因子主要有等温性（Bio3）、最暖月最高温度（Bio5）、最干季度平均温度（Bio9）、年降水量（Bio12）、上层土壤可交换性钠盐含量（ESP）、和海拔（DEM）等，其中主导因子有最干季平均温度和海拔。胡杨适宜分布的区域为最暖月最高温度在26～34.4℃，最干季度平均温度在-4.5～4℃，年降水量约30～42 mm，海拔1 100 m左右，上层土壤可交换性钠盐含量不高于1.5%。

（3）流域东北方向温宿县五团场南部边缘、省道207途径的多浪水库周边地区、流域南侧阿瓦提县丰收三场周边、阿拉尔市十二团场南部边缘和十六团场南部边缘是胡杨的高潜在适生区。这些区域应鼓励适当地多引种胡杨，同时实施生态输水工程，不仅可以提高胡杨的成活率和成木率，逐渐恢复其防风固沙、涵养水源的生态保护功能，改善生态环境，还可以开发其旅游资源价值，实现区域经济社会和生态社会的高质量发展。同时在不适宜胡杨生存的潜在分布区，应尽量减少胡杨的引种，避免造成人力、物力和财力的无谓浪费。