塞依丁·海米提，努爾巴依·阿布都沙力克*，許仲林，阿爾曼·解思斯

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆大學(xué) 智慧城市與環(huán)境建模重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830046)

我國共有23種沙拐棗屬植物，主要分布區(qū)包括新疆、青海、甘肅西部、寧夏西部和內(nèi)蒙古中部以及西部[1]。其中，僅新疆就有22種沙拐棗屬植物，是該屬植物分布最廣的省份。沙拐棗屬植物具有較強(qiáng)的耐鹽堿、耐干旱的能力和抗風(fēng)蝕沙埋的特點(diǎn)，是很好的固沙植物，并且因其生產(chǎn)速度快、枝葉繁茂、繁殖力強(qiáng)，在我國西北干旱、半干旱地區(qū)被廣泛用于防風(fēng)固沙和生態(tài)修復(fù)以及恢復(fù)工程[1-2]。蒙古沙拐棗(Calligonummongolicum)屬于沙拐棗屬刺果組，為灌木，株高差異較大，根系發(fā)達(dá)，主根深3～6 m，水平根可達(dá)20 m，側(cè)根多盤結(jié)在1.5 m沙層內(nèi)，老枝灰白色花淡紅色，當(dāng)年生幼枝灰綠色，果期為7-8月。其防風(fēng)固沙性能優(yōu)異，有強(qiáng)烈耐旱和適應(yīng)流沙的特性，是一種生命力極強(qiáng)的固沙植物。蒙古沙拐棗是沙拐棗屬植物在我國分布最廣的種，分布范圍自內(nèi)蒙古的錫林浩特，至新疆哈密、吐魯番、羅布泊南緣、若羌東面、奇臺(tái)和烏魯木齊以東的達(dá)坂城[3]。在生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)、沙漠治理、畜牧業(yè)發(fā)展、觀賞、中醫(yī)學(xué)制藥研究等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前對(duì)蒙古沙拐棗(圖1)的研究主要包括地理分布與氣候關(guān)系[3]，果實(shí)形態(tài)的差異性研究[4]，種群復(fù)合體物種生物學(xué)研究[5]，同化枝解剖結(jié)構(gòu)與地理生態(tài)因子的關(guān)系[6]，未發(fā)現(xiàn)對(duì)蒙古沙拐棗在新疆地區(qū)的潛在分布及適生性分析的研究報(bào)告。本研究基于MaxEnt模型和ArcGIS空間技術(shù)平臺(tái)，利用蒙古沙拐棗的地理分布數(shù)據(jù)、Worldclim生物氣候及人類活動(dòng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)其在新疆的潛在分布區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了適生區(qū)劃分，同時(shí)分析影響蒙古沙拐棗空間分布的主導(dǎo)環(huán)境因子[7]。潛在分布與適生劃區(qū)是指利用MaxEnt生態(tài)位模型將蒙古沙拐棗在空間所有的分布點(diǎn)所關(guān)聯(lián)的環(huán)境因子提取出來，基于一定的算法來推算其生態(tài)需求，然后將其運(yùn)算結(jié)果投影到不同的時(shí)間和空間的地理區(qū)域中，以預(yù)測(cè)其在研究區(qū)域的潛在分布范圍。并在此基礎(chǔ)上對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行適生分布劃區(qū)，分析環(huán)境因子和人類活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)其分布的影響[8-9]。研究結(jié)果可為今后我國沙拐棗屬植物資源的調(diào)查研究、新疆等西北干旱地區(qū)的沙漠防控與治理、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)、固沙植物保護(hù)、移栽與合理利用提供科學(xué)指導(dǎo)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 蒙古沙拐棗分布數(shù)據(jù)來源

蒙古沙拐棗的地理分布數(shù)據(jù)主要通過以下幾種方式獲得：1)2015-2017年每年9-10月在新疆境內(nèi)進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)查，調(diào)查點(diǎn)主要有哈密伊烏縣、吐魯番鄯善縣、巴州庫爾勒及若羌縣、奇臺(tái)、奎屯和精河等。發(fā)現(xiàn)蒙古沙拐棗即記為“存在點(diǎn)(presence)”，用GPS記錄經(jīng)緯度和海拔[10]。2)查找國內(nèi)外有公開發(fā)表的有關(guān)蒙古沙拐棗的期刊及論文研究，查閱有關(guān)植物文獻(xiàn)資料和書籍[11]。3)查詢GBIF(全球物種多樣性信息庫，http://www.gbif.org/)[12]。4)查看國家自然科技資源平臺(tái)教學(xué)資源共享平臺(tái)(http://muh.scu.edu.cn)中的34所標(biāo)本館[13]?？偨Y(jié)整理出蒙古沙拐棗在新疆地區(qū)的地理分布數(shù)據(jù)，再使用ArcGIS繪制出蒙古沙拐棗在新疆的分布點(diǎn)(圖2)。

1.2 生物氣候及人類活動(dòng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)

本研究共選取生物氣候因子和人類活動(dòng)強(qiáng)度因子等20環(huán)境變量(表1)。生物氣候變量由19個(gè)降水量、溫度的變化范圍和極值的變量構(gòu)成，來源于Worldclim數(shù)據(jù)集(http://www.worldclim.org/)[14-15]，此數(shù)據(jù)集分辨率為1 km，根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)地圖對(duì)生物氣候數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行影像配準(zhǔn)、裁剪和疊加[16]。人類活動(dòng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)(模型中稱為：hf-v2geo)來源于國際地球科學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)中心(CIESIN)的人類足跡(human footprint)數(shù)據(jù)層[17]，對(duì)全球人類足跡的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)與格式轉(zhuǎn)換等處理，再利用ArcGIS根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)地圖對(duì)全球人類足跡中的數(shù)據(jù)進(jìn)行影像裁剪、配準(zhǔn)和疊加(圖3)[18]。采用地理坐標(biāo)系GCS＿WGS＿1984對(duì)上述所有變量進(jìn)行投影。

1.3 研究所用地理數(shù)據(jù)及軟件

所用的中國行政區(qū)劃矢量圖，來源于國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站，地址為http:// nfgis.nsdi.gov.en[19]。MaxEnt模型是由S.J.Philliips于2004年構(gòu)建的用于預(yù)測(cè)物種分布的技術(shù)方法[20]，目前在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中被廣泛使用。所使用的MaxEnt軟件版本是3.3.3k，獲取地址為http://www.Cs.princeton.edu/-schapire/maxent/[21-23]。ArcGIS空間技術(shù)平臺(tái)是美國Esri公司研發(fā)的一套完整的GIS產(chǎn)品，本研究所使用的ArcGIS軟件版本為10.2.2版[24-25]。

注：拍于吐魯番鄯善縣蘭干村污水處理廠以南3 km(90.1°E,42.8°N,海拔224 m)。

圖2 蒙古沙拐棗在新疆的地理分布

圖3 新疆人類活動(dòng)強(qiáng)度

1.4 模型建立與適生等級(jí)分區(qū)

將蒙古沙拐棗地理分布數(shù)據(jù)和生物氣候變量及人類活動(dòng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)導(dǎo)入MaxEnt中[26]，隨機(jī)選取75%的蒙古沙拐棗分布點(diǎn)作為訓(xùn)練集(testing data)，剩余25%的蒙古沙拐棗分布點(diǎn)作為測(cè)試集(training data)[27]。運(yùn)行刀割法(Jackknife)測(cè)定各環(huán)境變量所占的權(quán)重，并創(chuàng)建環(huán)境變量響應(yīng)曲線，模型的其余參數(shù)均選擇默認(rèn)值[28]。本研究模型模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為受試者操作特征曲線(receiver operating characteristic curve,ROC曲線)下面積值[29]，即AUC值(area under curve,AUC)，不同的AUC值代表了不同預(yù)測(cè)結(jié)果(表2)。

圖4 蒙古沙拐棗潛在分布區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果的ROC曲線驗(yàn)證

圖5 蒙古沙拐棗在新疆的潛在適生區(qū)預(yù)測(cè)

將MaxEnt模型輸出的結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS軟件中進(jìn)行生境適宜性分析[30]，首先通過ArcGIS進(jìn)行重分類操作，并根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)法將蒙古沙拐棗生境分布區(qū)劃分成4個(gè)等級(jí)：0～0.40為不適宜區(qū)，0.40～0.60為低適宜區(qū)，0.60～0.80為中適宜區(qū)，0.80～1.00為高適宜區(qū)[31]。運(yùn)用ArcGIS的SDM工具箱和統(tǒng)計(jì)工具Zonal計(jì)算4類分區(qū)的面積。

表1 研究所用變量

表2 AUC評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 MaxEnt模型預(yù)測(cè)結(jié)果檢測(cè)

ROC曲線分析法是指通過計(jì)算曲線下方的面積即AUC值的大小來判斷模型模擬的精確度[32]。本研究的預(yù)測(cè)結(jié)果(圖4)顯示訓(xùn)練集的AUC值為0.906,測(cè)試集的AUC值為0.989，表明MaxEnt模型的預(yù)測(cè)結(jié)果可靠，此次預(yù)測(cè)的地理分布結(jié)果與實(shí)際分布區(qū)域的相符度較高，預(yù)測(cè)結(jié)果可用于蒙古沙拐棗的適生區(qū)劃[33]。

2.2 蒙古沙拐棗在新疆的潛在分布預(yù)測(cè)

MaxEnt模型預(yù)測(cè)結(jié)果(圖5)及4類分區(qū)的面積(表3)表明。蒙古沙拐棗在新疆的適生總面積為334 600 km2。其中高適宜區(qū)面積為71 700 km2，主要位于哈密地區(qū)、吐魯番地區(qū)、巴音郭楞蒙古自治州的若羌、且末縣和昌吉回族自治州的東部地區(qū)。中適宜區(qū)面積為108 200 km2，主要位于阿克蘇地區(qū)、塔城地區(qū)和阿勒泰地區(qū)。低適宜區(qū)面積為108 200 km2，分布范圍較為廣泛，主要位于高適宜區(qū)和中適宜區(qū)及其四周。將MaxEnt模型預(yù)測(cè)的蒙古沙拐棗適生區(qū)分布與實(shí)際分布點(diǎn)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)其記錄分布點(diǎn)都分布于高適生區(qū)內(nèi)，表明該研究可信度較高[34]。

表3 蒙古沙拐棗在新疆的適生區(qū)面積匯總

2.3 刀割法測(cè)定各變量權(quán)重

在MaxEnt模型中運(yùn)行刀割法，運(yùn)行的結(jié)果顯示出各研究變量在影響蒙古沙拐棗生長適宜度中所占的權(quán)重(圖6)。分析對(duì)模型預(yù)測(cè)貢獻(xiàn)率較高的變量(表4)得知。hf_v2geo人類活動(dòng)強(qiáng)度(30.2%)、BIO7年溫度變化范圍(25.1%)、BIO19最冷季降雨量(21.9%)、BIO12年降雨量(8.1%)、BIO4溫度季節(jié)性變化(5.2%)等5個(gè)因子影響蒙古沙拐棗的潛在分布的總貢獻(xiàn)率高達(dá)90.5%，是影響蒙古沙拐棗潛在分布的主導(dǎo)環(huán)境變量。19個(gè)生物氣候變量中年溫度變化范圍是影響蒙古沙拐棗潛在分布的決定因子，最冷季降雨量是次要因子。人類活動(dòng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率最高(30.2%)，可見人口壓力、 土地利用、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、交通運(yùn)輸?shù)纫幌盗械娜祟惢顒?dòng)對(duì)蒙古沙拐棗的繁殖棲息具有一定的影響[35-36]。

圖6 MaxEnt模型刀割法測(cè)定各變量權(quán)重

表4 主要的環(huán)境變量對(duì)預(yù)測(cè)的貢獻(xiàn)率

3 結(jié)論與討論

蒙古沙拐棗繁殖棲息地的潛在分布預(yù)測(cè)及適生區(qū)劃分對(duì)于該物種的保護(hù)與科學(xué)研究具有十分重要的價(jià)值。本研究基于2015-2017年的野外實(shí)地調(diào)查，應(yīng)用最大熵模型MaxEnt和ArcGIS空間分析技術(shù)，預(yù)測(cè)了蒙古沙拐棗在新疆的潛在分布格局，分析評(píng)估了影響其潛在分布的主導(dǎo)環(huán)境變量。為我國沙拐棗屬植物資源的調(diào)查，固沙植物蒙古沙拐棗的棲息與環(huán)境因子關(guān)系方面的研究，新疆等西北干旱、半干旱地區(qū)的沙漠防控與治理及固沙植物保護(hù)、移栽與合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

本次研究所用的MaxEnt模型近年來被廣泛的應(yīng)用于物種潛在地理分布區(qū)預(yù)測(cè)，與同類的其他模型相比，此模型更為穩(wěn)定和精準(zhǔn)。本研究用ArcGIS對(duì)MaxEnt模型生成的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行了投影處理，將蒙古沙拐棗的地理分布數(shù)據(jù)和人類活動(dòng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)以及生物氣候變量在柵格單元上相互對(duì)應(yīng)，縮小了系統(tǒng)誤差，使得數(shù)據(jù)的可信度和準(zhǔn)確性得到了有效提高。MaxEnt模型檢測(cè)結(jié)果顯示，訓(xùn)練集的AUC值為0.906,測(cè)試集的AUC值為0.989，模型的預(yù)測(cè)結(jié)果達(dá)到優(yōu)秀水平(0.9≤AUC<1.0)，此次預(yù)測(cè)的地理分布結(jié)果與實(shí)際分布區(qū)域的相符度較高。蒙古沙拐棗在新疆的適生總面積為334 600 km2。其中高適宜區(qū)面積為71 700 km2，主要位于哈密地區(qū)、吐魯番地區(qū)、巴音郭楞蒙古自治州的若羌、且末縣和昌吉回族自治州的東部地區(qū)。中適宜區(qū)面積為108 200 km2，主要位于阿克蘇地區(qū)、塔城地區(qū)和阿勒泰地區(qū)。低適宜區(qū)面積為108 200 km2，分布范圍較為廣泛，主要位于高適宜區(qū)和中適宜區(qū)及其四周。將MaxEnt模型預(yù)測(cè)的蒙古沙拐棗適生區(qū)分布與實(shí)際分布點(diǎn)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)其記錄分布點(diǎn)都分布于高適生區(qū)內(nèi)，研究結(jié)果的可信度較高。此結(jié)果可為蒙古沙拐棗的植苗移栽和壓條造林提供科學(xué)指導(dǎo)和理論依據(jù)。本次研究還發(fā)現(xiàn)蒙古沙拐棗的分布范圍有擴(kuò)張和西移趨勢(shì)，這也證實(shí)了劉娜[3]等對(duì)蒙古沙拐棗分布范圍外擴(kuò)的猜測(cè)。

hf_v2geo人類活動(dòng)強(qiáng)度(30.2%)、BIO7年溫度變化范圍(25.1%)、BIO19最冷季降雨量(21.9%)、BIO12年降雨量(8.1%)、BIO4溫度季節(jié)性變化(5.2%)等5個(gè)因子影響蒙古沙拐棗的潛在分布的總貢獻(xiàn)率高達(dá)90.5%，是影響蒙古沙拐棗潛在分布的主導(dǎo)環(huán)境變量。19個(gè)生物氣候變量中年溫度變化范圍是影響蒙古沙拐棗潛在分布的決定因子，最冷季降雨量是次要因子。人類活動(dòng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率最高(30.2%)，可見蒙古沙拐棗在新疆的生長繁殖與人類活動(dòng)密切相關(guān)，這值得我們警覺和深思，建議在今后的土地利用規(guī)劃、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、 交通運(yùn)輸、道路建設(shè)和自然資源管理等方面給予沙拐棗屬植物更多關(guān)注。當(dāng)然還有一些其他對(duì)蒙古沙拐棗適生區(qū)預(yù)測(cè)有影響的因子在本研究中未考慮到，如河流、植被、種間競(jìng)爭、生物相互作用等，在今后的研究中需要進(jìn)一步考慮環(huán)境變量的選取。