陳豪杰，聶 艷※，劉新華，劉 斌，張 輝

（1.華中師范大學(xué) 地理過程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430079；2.新疆維吾爾族自治區(qū)塔里木河流域阿克蘇管理局，阿克蘇 841000）

0 引言

阿克蘇河作為塔里木河流域最大的源流，其水源保證能力在很大程度上影響著下游廣大區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境安全［1］。近年來，隨著阿克蘇河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在自然和人為因素的干擾下，流域內(nèi)水資源問題對(duì)當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)、生活和生態(tài)已經(jīng)產(chǎn)生了一定影響；同時(shí)，胡楊等天然植被也逐漸退化，嚴(yán)重削弱了其涵養(yǎng)水源，防風(fēng)固沙，釋氧固碳等生態(tài)功能。因此亟待預(yù)測(cè)胡楊的潛在適生區(qū)，為胡楊的保護(hù)和管理部門開展引種栽培選區(qū)工作提供有力參考，同時(shí)也為恢復(fù)和改善阿克蘇河流域生態(tài)環(huán)境和保障當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。

胡楊作為楊柳科楊屬中歷史最悠久的植物，是一種中型落葉天然喬木，是稀有樹種之一，主要分布在我國(guó)西北荒漠區(qū)。它的首要作用在于防風(fēng)固沙，創(chuàng)造適宜的綠洲氣候和形成肥沃的土壤，對(duì)荒漠地區(qū)的生態(tài)保護(hù)和修復(fù)以及農(nóng)牧業(yè)發(fā)展具有十分重要的作用。研究表明，在西北內(nèi)陸干旱區(qū)，水分脅迫是限制天然植物生長(zhǎng)發(fā)育的最直接、最主要的因素，塔里木河中下游胡楊衰敗由干旱造成［2］；胡楊根蘗苗的水分主要來源于母株淺層根系遠(yuǎn)端根吸收的土壤水，對(duì)土壤水的利用取決于淺層根系對(duì)水分的吸收，對(duì)淺層土壤水的利用受到淺層土壤含水量的明顯影響［3］；不同林齡胡楊的主要吸水層位不同，隨著胡楊齡的增長(zhǎng)，其主要吸水層位趨向于更深、更廣，所利用的主要水源更趨近于穩(wěn)定的地下水，此外降水對(duì)胡楊幼苗的影響程度明顯大于成熟胡楊［4］；生態(tài)輸水可以有效地遏制受水區(qū)域胡楊缺水衰敗的勢(shì)頭，植被的覆蓋率和植物種類得到增加和恢復(fù)，動(dòng)物活動(dòng)軌跡增多［5］。目前，學(xué)者對(duì)胡楊流域尺度的研究主要集中在塔里木河干流，如利用遙感數(shù)據(jù)研究了塔里木河流域胡楊種群結(jié)構(gòu)與分布格局、生態(tài)價(jià)值以及生理特性與環(huán)境變化的關(guān)系［6-9］。而對(duì)塔里木河上游阿克蘇河流域胡楊研究較少，且只涉及到胡楊物種、群落特征以及胡楊年輪生長(zhǎng)特點(diǎn)等方面［10］，而對(duì)阿克蘇河流域胡楊潛在適生區(qū)預(yù)測(cè)研究鮮有見聞。因此，文章選擇阿克蘇河流域胡楊為研究對(duì)象，基于胡楊的現(xiàn)狀地理分布和氣候環(huán)境變量，運(yùn)用最大熵模型（Maximum Entropy Model，MaxEnt）和GIS技術(shù)相結(jié)合的方法，預(yù)測(cè)胡楊的潛在適生區(qū)，以期為胡楊保護(hù)恢復(fù)、引種栽培選區(qū)、生態(tài)輸水工程等提供有力參考，同時(shí)也為恢復(fù)和改善阿克蘇河流域生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

阿克蘇河流域位于塔里木盆地西北部，地處塔里木河上游平原地區(qū)，地理位置為40°8′～41°34′N，78°47′～82°7′E，區(qū)內(nèi)地勢(shì)西北高，東南低。該區(qū)屬于暖溫帶干旱型氣候，具有明顯的大陸性季風(fēng)氣候特征，常年干燥少雨，蒸散發(fā)量和晝夜溫差都比較大。流域植被主要為天然低山植被、人工防護(hù)林和平原綠洲農(nóng)田植被等。水源主要來自高山冰雪融水，大氣降水以及少量的地下水。該區(qū)包括烏什縣、阿克蘇市、溫宿縣、阿瓦提縣、阿拉爾市及沙雅縣6個(gè)轄區(qū)的部分地區(qū)，總面積3.5萬km2。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 樣本數(shù)據(jù)

胡楊地理分布數(shù)據(jù)來源：（1）對(duì)研究區(qū)胡楊進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，獲取70個(gè)胡楊生長(zhǎng)區(qū)域的GPS定位樣點(diǎn)。（2）以高分一號(hào)、高分二號(hào)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用專家決策樹法解譯得到70個(gè)樣點(diǎn)。為降低群集效應(yīng)造成的誤差，去除經(jīng)緯度重復(fù)、分布信息缺失及無法準(zhǔn)確獲得經(jīng)緯度的數(shù)據(jù)點(diǎn)，最后獲得129個(gè)有效分布樣點(diǎn)。其中97個(gè)（75%）為試驗(yàn)樣本，32個(gè)（25%）為驗(yàn)證樣本。

2.2 MaxEnt模型簡(jiǎn)介

MaxEnt是由美國(guó)普林斯頓大學(xué)研究室研發(fā)的用于物種分布預(yù)測(cè)的專業(yè)模型，它基于最大熵理論，根據(jù)物種當(dāng)前分布的不完整信息和環(huán)境變量（氣候、植被、地形等）之間的緊密聯(lián)系，找出物種分布的最大熵，從而對(duì)物種的潛在適生區(qū)分布進(jìn)行預(yù)測(cè)［11-13］。近年來，MaxEnt模型在物種潛在適生區(qū)的預(yù)測(cè)上已得到廣泛應(yīng)用，預(yù)測(cè)精度較高［14-16］。該研究基于MaxEnt 3.4.1版本完成。

2.3 數(shù)據(jù)獲取

2.3.1 氣候因子

研究認(rèn)為影響植物生長(zhǎng)的主要環(huán)境因子有氣候、土壤和海拔［13-16］。阿克蘇河流域是我國(guó)天然胡楊的集中分布地區(qū)之一。結(jié)合已有研究成果和阿克蘇河流域胡楊生長(zhǎng)區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，選取1970—2000 年世界氣候數(shù)據(jù)庫（http： //www.worldclim.org /）的19個(gè)生物氣候變量（空間分辨率為30 m）。

表1 氣候因子Table 1 Climate factors

2.3.2 土壤因子

根據(jù)胡楊抗寒、抗熱、耐鹽堿等特性，選用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)中心發(fā)布的世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD v1.2）中的土壤有效水含量、黏土含量、沙土含量、碳酸鈣含量、土壤酸堿度、可交換鈉鹽含量、土壤容重和有機(jī)碳含量8個(gè)土壤因子（空間分辨率為30 m）。

表2 土壤因子Table 2 Soil factors

2.3.3 海拔因子

從世界氣候數(shù)據(jù)中心獲取源于（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）的高程數(shù)據(jù)（空間分辨率為30 m）。

2.3.4 地圖數(shù)據(jù)

研究區(qū)范圍內(nèi)的行政區(qū)劃圖（1∶100萬）來源于全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)（https：//www.webmap.cn/）。

2.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

以研究區(qū)范圍為底圖，將129個(gè)胡楊樣點(diǎn)數(shù)據(jù)、19個(gè)生物氣候因子和海拔因子輸入ArcGIS 10.2，掩膜處理后得到研究區(qū)范圍各因子的柵格數(shù)據(jù)，借助ArcTool box 中的柵格轉(zhuǎn)ASCII工具將其轉(zhuǎn)為 ASCII 格式，以滿足MaxEnt模型對(duì)數(shù)據(jù)的要求。由于土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD v1.2）包括多種土壤屬性數(shù)據(jù)，需基于不同屬性數(shù)據(jù)中的相同字段將圖層與不同土壤屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，再借助ArcTool box中的查找表工具提取出影響胡楊生長(zhǎng)的8個(gè)土壤因子，掩膜處理后保存為 ASCII 格式備用。

2.5 適宜性因子選取

為科學(xué)預(yù)測(cè)胡楊的適宜生長(zhǎng)區(qū)域，不宜選取過多的變量。因此在應(yīng)用MaxEnt模型進(jìn)行預(yù)測(cè)前，先進(jìn)行環(huán)境變量的篩選，即借助MaxEnt模型內(nèi)置的刀切法（Jackknife），計(jì)算每個(gè)變量對(duì)預(yù)測(cè)模型的貢獻(xiàn)率，剔除對(duì)預(yù)測(cè)模型貢獻(xiàn)率較低的環(huán)境變量，保留對(duì)預(yù)測(cè)模型貢獻(xiàn)率較大的環(huán)境變量（表3）。對(duì)前述氣候、土壤和海拔的28個(gè)因子貢獻(xiàn)值進(jìn)行排序，最終選擇單個(gè)因子貢獻(xiàn)率在1%以上，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)96.8%的12個(gè)環(huán)境因子，分別為年平均氣溫（Bio1）、氣溫日較差（Bio2）、等溫性（Bio3）、最暖月最高溫度（Bio5）、最冷月最低溫度（Bio6）、最干季度平均溫度（Bio9）、最冷季度平均溫度（Bio11）、年降水量（Bio12）最干月降水量（Bio14）、上層土壤酸堿度（pH）、上層土壤可交換性鈉鹽含量（ESP）和海拔（DEM）。

表3 環(huán)境變量貢獻(xiàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical Table of Contribution Results of Environmental Variables

另外，由于環(huán)境變量之間存在著復(fù)雜的自相關(guān)性及共線性，這些變量的高度相關(guān)性會(huì)在模型預(yù)測(cè)過程中對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響。因此，利用SPSS共線性診斷，以Tolerance（容忍度）＜0.2或VIF（方差膨脹因子）＞10為依據(jù)，如果診斷結(jié)果符合此條件則表明自變量之間存在共線性，反之不然。將上述的12個(gè)環(huán)境變量輸入SPSS中進(jìn)行共線性診斷，診斷結(jié)果顯示這12個(gè)環(huán)境變量的VIF值（方差膨脹因子）均小于10，表明這12個(gè)環(huán)境變量之間不存在共線性，因此最終確定這12個(gè)因子參與MaxEnt模型預(yù)測(cè)。

2.6 最大熵模型設(shè)置

在MaxEnt模型中左列輸入胡楊樣點(diǎn)分布經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，右列輸入環(huán)境變量數(shù)據(jù)，使用刀切法（Jackknife）來測(cè)定各變量權(quán)重，并勾選創(chuàng)建變量響應(yīng)曲線來判斷物種對(duì)各環(huán)境變量的響應(yīng)特征，然后將基本設(shè)置中的隨機(jī)測(cè)試百分比設(shè)置為25%，作為測(cè)試集來驗(yàn)證模型。另外75%的胡楊分布點(diǎn)作為訓(xùn)練集進(jìn)行模擬，其他參數(shù)均設(shè)置為默認(rèn)狀態(tài)。

3 結(jié)果與分析

3.1 預(yù)測(cè)結(jié)果

由于MaxEnt輸出的結(jié)果是ASCII格式，需利用ArcGIS的ArcTool box格式轉(zhuǎn)換工具，將ASCII格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格以便在ArcGIS中顯示。而后利用ArcGIS重分類命令中的自然間斷點(diǎn)分級(jí)法進(jìn)行適生等級(jí)劃分，將阿克蘇河流域胡楊適生區(qū)劃分為4個(gè)等級(jí)，分別為不適生區(qū)（分布概率P＜0.11）、低適生區(qū)（0.11≤P＜0.33）、中適生區(qū)（0.31≤P＜0.66）和高適生區(qū)（P≥0.66），最終得到阿克蘇河流域胡楊的潛在適生分布圖（圖1）。

圖1 基于MaxEnt模型的胡楊潛在適生區(qū)預(yù)測(cè)Fig.1 Populus euphratica forest potential suitable area prediction based on MaxEnt model

流域內(nèi)胡楊高適宜區(qū)總面積約1 109.77 km2，占研究區(qū)總面積的3.14%；自北向南主要分布在流域東北方向溫宿縣五團(tuán)場(chǎng)南部邊緣、省道207途徑的多浪水庫周邊地區(qū)、流域南側(cè)阿瓦提縣豐收三場(chǎng)周邊、阿拉爾市十二團(tuán)場(chǎng)南部邊緣和十六團(tuán)場(chǎng)南部邊緣。流域內(nèi)胡楊中適宜區(qū)總面積約2 728.51 km2，占研究區(qū)總面積的7.73%；主要分布阿克蘇溫宿機(jī)場(chǎng)與阿克蘇市中間地帶；阿克蘇市阿依庫勒鎮(zhèn)西北以及喀勒塔勒鎮(zhèn)東部；溫宿縣五團(tuán)場(chǎng)部分地區(qū)以及古勒阿瓦提鄉(xiāng)南北延伸一帶；阿瓦提縣三團(tuán)場(chǎng)、豐收大渠、豐收二場(chǎng)、博斯坦鄉(xiāng)周邊地區(qū)；阿拉爾市西北部七團(tuán)場(chǎng)、八團(tuán)場(chǎng)部分地區(qū)以及西南部與阿克蘇市南區(qū)接壤地區(qū)。流域內(nèi)胡楊低適宜區(qū)總面積約6 249.39 km2，占研究區(qū)總面積的17.71%；主要分布在中適宜區(qū)的外圍，并形成對(duì)中適宜區(qū)的包圍之勢(shì)。流域內(nèi)胡楊不適宜區(qū)面積最大，面積約25 206.15 km2，占研究區(qū)總面積的71.42%，主要分布在前三者以外的大部分區(qū)域。

3.2 預(yù)測(cè)精度評(píng)價(jià)

MaxEnt模型中的受試者工作特征曲線（ROC）可反映模型的精確度，其與橫坐標(biāo)所圍成的面積（即AUC值）為0～1，其值越大模型預(yù)測(cè)越精準(zhǔn)，AUC值為0.5～0.6表示預(yù)測(cè)失敗，0.6～0.7表示預(yù)測(cè)較差，0.7～0.8表示模型預(yù)測(cè)良好，0.8～0.9表示預(yù)測(cè)效果好，大于0.9說明預(yù)測(cè)結(jié)果可靠性極好，能較準(zhǔn)確地反映物種潛在分布。

使用ROC曲線對(duì)當(dāng)前氣候條件下阿克蘇河流域胡楊潛在適生區(qū)分布的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖2所示?？梢姡?xùn)練數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的ROC曲線都位于隨機(jī)分布模型ROC曲線的上方且相距較遠(yuǎn)，訓(xùn)練集和測(cè)試集的 AUC 值分別達(dá)到了 0.926和 0.910，明顯大于隨機(jī)分布模型的AUC值0.5，說明此次MaxEnt 模型對(duì)阿克蘇河流域胡楊潛在適生區(qū)分布的預(yù)測(cè)結(jié)果可靠性極好，此次預(yù)測(cè)結(jié)果與胡楊實(shí)際地理分布情況比較吻合，結(jié)果可用于阿克蘇河流域胡楊的潛在適生區(qū)預(yù)測(cè)。

圖2 基于 MaxEnt 模型預(yù)測(cè)結(jié)果的 ROC 曲線分析Fig.2 ROC curve analysis based on MaxEnt model prediction results

3.3 基于MaxEnt模型預(yù)測(cè)結(jié)果的環(huán)境因子分析

基于MaxEnt模型，運(yùn)用刀切法對(duì)各環(huán)境因子進(jìn)行分析，可判斷不同環(huán)境因子與胡楊適生區(qū)分布之間的關(guān)系。判定標(biāo)準(zhǔn)：藍(lán)色條帶代表“僅此變量”，條帶越長(zhǎng)表示分?jǐn)?shù)越高，說明該變量對(duì)物種分布具有較強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力；青色條帶代表“除此變量”，即除該變量外剩余變量貢獻(xiàn)之和的訓(xùn)練得分，如果“除此變量”得分較低，則說明該變量含有某些獨(dú)特信息，對(duì)物種分布同樣比較重要；紅色條帶代表所有環(huán)境變量對(duì)所建模型的累積貢獻(xiàn)率。

基于MaxEnt模型預(yù)測(cè)結(jié)果的環(huán)境因子訓(xùn)練增益結(jié)果如圖3所示。橫坐標(biāo)表示規(guī)范訓(xùn)練增益的大小，縱坐標(biāo)表示環(huán)境變量，條帶顯示的規(guī)范訓(xùn)練增益數(shù)值越大，則說明此環(huán)境變量對(duì)胡楊的分布影響越大。由圖3可見，在所分析的12個(gè)環(huán)境因子中，等溫性（Bio3）、最暖月最高溫度（Bio5）、最干季度平均溫度（Bio9）、年降水量（Bio12）、上層土壤可交換性鈉鹽含量（ESP）、和海拔（DEM）6個(gè)因子的“僅此變量”訓(xùn)練增益得分均接近或高于0.3，對(duì)胡楊分布區(qū)的預(yù)測(cè)結(jié)果有較大的影響，其中最干季度平均溫度（Bio9）和海拔（DEM）的“僅此變量”訓(xùn)練增益得分均達(dá)到0.4，說明二者對(duì)胡楊分布影響最大。此外，上層土壤可交換性鈉鹽含量（ESP）的“除此變量”訓(xùn)練增益得分最低，幾乎接近1.4，說明該變量可能含有較多的獨(dú)特信息，對(duì)物種分布較為重要。

圖3 基于MaxEnt模型預(yù)測(cè)結(jié)果的環(huán)境因子規(guī)范訓(xùn)練增益Fig.3 Regularized training gain of environmental factors based on Maxent model prediction results

3.4 基于MaxEnt模型預(yù)測(cè)結(jié)果的主導(dǎo)環(huán)境因子響應(yīng)

為了進(jìn)一步明確主導(dǎo)環(huán)境因子對(duì)胡楊生長(zhǎng)的響應(yīng)關(guān)系，基于MaxEnt模型得出上述單一環(huán)境因子（Bio3、 Bio5、 Bio9、Bio12、 ESP、 DEM）的響應(yīng)曲線（圖4）。這些曲線顯示了物種分布的預(yù)測(cè)概率是如何隨每個(gè)環(huán)境變量的變化而變化，并將所有其他環(huán)境變量保持在其平均樣本值。由圖4可見，隨著環(huán)境條件的改變，胡楊適生區(qū)分布變化較大。其中胡楊對(duì)等溫性（Bio3）的響應(yīng)表現(xiàn)為隨著等溫性的提高其分布概率就越高，直到等溫性提高至35，胡楊的分布概率達(dá)到最大值1。最暖月最高溫度（Bio5）對(duì)胡楊分布概率影響表現(xiàn)為從26～34.4℃胡楊分布概率一直都維持在接近0.7的高度，隨著溫度繼續(xù)升高，分布概率呈現(xiàn)出近乎直線下降，并在35.5℃降至0。最干季度平均溫度（Bio9）對(duì)胡楊分布概率影響表現(xiàn)為在-7℃以下時(shí)，分布概率極低，但在-7～-5℃之間時(shí)，分布概率急劇上升，并且在約-4.5℃時(shí)分布概率達(dá)到最大值0.7，隨后在-4.5～4℃之間分布概率一直較高。年降水量（Bio12）對(duì)胡楊分布概率影響表現(xiàn)為在年降雨量約30～42 mm時(shí)胡楊分布概率都極高，在0.9以上，但是年降雨量在約42～44 mm之間時(shí)胡楊的分布概率呈現(xiàn)出近乎直線下降的過程，然后隨著降雨量不斷增加，分布概率也不斷增加，直到降雨量達(dá)到153 mm左右時(shí)，分布概率達(dá)到約0.9，且不再增加。海拔（DEM）對(duì)胡楊分布概率影響表現(xiàn)為從1 000 m時(shí)的接近于0的概率迅速上升到1 100 m時(shí)的0.72左右，然后隨著海拔繼續(xù)增加，其分布概率一路下滑，在1 600 m時(shí)就接近為0。上層土壤可交換性鈉鹽含量（ESP）對(duì)胡楊分布概率影響表現(xiàn)為上層土壤可交換性鈉鹽含量為0時(shí)，胡楊分布概率最大，隨著上層土壤可交換性鈉鹽含量增加，分布概率一直下降，達(dá)到3.5%時(shí)分布概率幾乎為0。以上結(jié)果表明，胡楊潛在分布區(qū)受氣候，土壤，海拔因子的共同影響，胡楊適宜分布的區(qū)域有以下特征：最暖月最高溫度在26～34.4℃，最干季度平均溫度在-4.5～4℃，年降水量約30～42 mm，海拔1 100 m左右，上層土壤可交換性鈉鹽含量不高于1.5%。

圖4 單一主導(dǎo)環(huán)境因子響應(yīng)曲線Fig.4 Response curve of a single dominant environmental factor

4 結(jié)論

（1）阿克蘇河流域的胡楊潛在高適宜區(qū)和中適宜區(qū)面積約為3 838.28 km2（其中高適宜區(qū)為1 109.77 km2，中適宜區(qū)為2 728.51 km2），共占阿克蘇河流域總面積的10.88%。

（2）影響胡楊潛在分布的環(huán)境因子主要有等溫性（Bio3）、最暖月最高溫度（Bio5）、最干季度平均溫度（Bio9）、年降水量（Bio12）、上層土壤可交換性鈉鹽含量（ESP）、和海拔（DEM）等，其中主導(dǎo)因子有最干季平均溫度和海拔。胡楊適宜分布的區(qū)域?yàn)樽钆伦罡邷囟仍?6～34.4℃，最干季度平均溫度在-4.5～4℃，年降水量約30～42 mm，海拔1 100 m左右，上層土壤可交換性鈉鹽含量不高于1.5%。

（3）流域東北方向溫宿縣五團(tuán)場(chǎng)南部邊緣、省道207途徑的多浪水庫周邊地區(qū)、流域南側(cè)阿瓦提縣豐收三場(chǎng)周邊、阿拉爾市十二團(tuán)場(chǎng)南部邊緣和十六團(tuán)場(chǎng)南部邊緣是胡楊的高潛在適生區(qū)。這些區(qū)域應(yīng)鼓勵(lì)適當(dāng)?shù)囟嘁N胡楊，同時(shí)實(shí)施生態(tài)輸水工程，不僅可以提高胡楊的成活率和成木率，逐漸恢復(fù)其防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源的生態(tài)保護(hù)功能，改善生態(tài)環(huán)境，還可以開發(fā)其旅游資源價(jià)值，實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)社會(huì)的高質(zhì)量發(fā)展。同時(shí)在不適宜胡楊生存的潛在分布區(qū)，應(yīng)盡量減少胡楊的引種，避免造成人力、物力和財(cái)力的無謂浪費(fèi)。