基于MaxEnt和GIS的云南秃杉潜在分布区预测

罗开华，付小勇，周 晓

(1.云南省林业调查规划院营林分院，云南 昆明 650021；2.西南林业大学，云南 昆明 650224；3.云南省林业科学院，云南 昆明 650201)

基于MaxEnt和GIS的云南秃杉潜在分布区预测

罗开华1，付小勇2，周 晓3

(1.云南省林业调查规划院营林分院，云南 昆明 650021；2.西南林业大学，云南 昆明 650224；3.云南省林业科学院，云南 昆明 650201)

为保护云南秃杉种源区以及为规划秃杉人工栽培提供可靠依据，应用MaxEnt模型预测国家一级保护物种秃杉的潜在分布区。研究过程中收集了241个秃杉自然分布点和26个环境因子，预测准确性高和结果可信度强。结果表明，秃杉在云南省的潜在适生区面积为 232 013 km2，占国土总面积的48.6%。其中，高适生区主要分布于怒江州、保山市及德宏州，中适生区主要分布于文山州、红河州、临沧市、普洱市，低适生区主要分布于昆明市、曲靖市、昭通市。秃杉现有自然分布区都位于高适生区，中适生区虽然没有自然分布的秃杉林，但适合秃杉生长，是较好的秃杉人工引种区。

云南秃杉；MaxEnt模型；GIS；适生区；潜在分布区

秃杉是云南林产业主要树种，隶属于杉科、台湾杉属，别称香杉、木屠杉，是分布在中亚热带季风气候区的一种常绿高大乔木，树高可达70 m，胸径3 m。其树皮淡灰褐色，树冠成锥形大枝平展，小枝下垂。心材紫红褐色，纹理直，结构细密、均匀[1]。

秃杉在我国台湾、贵州、江苏、江西均有分布，在云南省的怒江、澜沧江流域的福贡、贡山、腾冲、龙陵、兰坪、维西、云龙等县也有分布。秃杉生长迅速，是重要的速生造林树种，材质优良；为第三纪古热带植物区孑遗植物，对研究古植物区系、古地理及第四纪冰期气候和杉科植物的系统发育都有重要的科学价值。由于历史上大量采伐，已导致此树种濒临绝种，现已被列为我国一级保护植物。因此，通过预测秃杉的潜在适生区并进行分级评价，对于实施秃杉自然生长区保护和在适宜区推广人工造林具有十分重要的意义。

基于MaxEnt模型预测物种的潜在分布区已被广泛应用，它依据不完全信息做出预测。该理论认为，一个物种在没有约束的情况下，会尽可能扩散到熵最大，达到最接近它的可能分布状态[2]。利用MaxEnt生态位预测模型对濒危物种异地保护及繁育已有一些应用，如利用MaxEnt预测太白米的潜在分布等[3]。研究表明，应用MaxEnt模型预测物种的潜在分布区能得到很好的结果[4,5]。

本文通过云南实地调查和全球生物多样性信息交换所GBIF数据库检索相关数字标本馆获得秃杉现存分布数据，结合分布点的气候因子提取秃杉的适生环境，利用MaxEnt生态位模型预测秃杉在云南的潜在适生区并区划适生等级，分析影响秃杉分布的主要环境因子并评价其生长气候生态特征。

1 研究区概况

云南省总面积约39万 km2，位于北纬21°8′32″～29°15′8″N，东经97°31′39″～106°11′47″E。与贵州、四川、西藏、广西交界，与缅甸、越南、老挝等国接壤。云南省地形地貌复杂，平均海拔 2 000 m左右；年温差小，为10～15℃；大部分地区年降水量在 1 100 mm；地处低纬度高原，复杂多样的气候类型使得森林的地理分布也具有复杂性。

2 资料来源及处理

2.1 收集整理秃杉分布数据

MaxEnt模型通过物种的分布点和对应的环境因子，预测物种的潜在适生区。模型包括2类数据，即现存秃杉的地理坐标点和环境变量，通过秃杉的分布点和气候地理因子，综合分析该物种基础生态需求，并利用最大熵预测物种的潜在分布，能以图的形式呈现。

通过云南实地调查和全球生物多样性信息交换所GBIF数据库检索，共收集了现存秃杉世界分布点资料241个。秃杉在世界其它国家的分布主要有美国加州的尤里卡城和圣地亚哥市，加拿大的温哥华市，日本千叶县鸭川市和静岗县下田市，瑞典的斯德哥尔摩，越南老街南部地区，缅甸克钦邦北部地区。秃杉在中国的分布点主要有台湾，江苏南京市，江西分宜县，浙江舟山，四川西阳县，贵州雷山、剑河县和云南贡山、福贡、腾冲、龙陵、云龙县。

2.2 环境数据

环境数据主要来自全球气候数据网(http://www.Worldclim.org)。从全球气候数据网站下载的气候数据包括19个气候生态因子( biol-bio19)、6个单月数据和海拔。数据的时间跨度为1960—2010年，所有数据空间分辨率统一为1 km×1 km。

2.3 数据处理

在进行MaxEnt分析时，首先对气候因子进行运算。参数设定采取测试集为分布点的25%，训练集为分布点的75%；在环境参数设置中开启刀切法(Jackknife)来评价，各环境因子的权重采用受试者特征曲线，即ROC曲线分析法评价物种潜在分布预测模型精度，即利用ROC曲线与横坐标围成的面积(AUC)值来判断模型预测结果的精准度。本研究AUC=0.954。一般认为，AUC值为0.5～0.7时诊断价值较低，AUC值0.7～0.9时诊断价值中等，大于0.9时诊断价值较高。AUC值越接近1，说明环境变量与预测的物种地理分布之间的相关性越大，即模型预测的结果越准确[6]。

3 潜在分布区预测

3.1 适生区等级划分

利用全球241个秃杉发生点和26个环境因子，采用MaxEnt软件对秃杉适生区进行预测。MaxEnt模型预测结果给出的是秃杉在目标预测地区的适生性概率p，取值范围在0～1。在ArcGIS 10.2中加载预测结果图，将结果栅格图进行重分类。参照秃杉在世界各地区生长情况的描述，最终设定p<0.2为不适生区，0.2≤p<0.4为低适生区，0.4≤p<0.6为中适生区，p≥0.6为高适生区。云南秃杉适生区等级分布详见图1。

图1 云南秃杉潜在适生区预测等级划分Fig.1 Classification of potential suitable areas of Taiwania flousiana

利用GIS空间分析模块，计算出云南省各州(市)不同适生等级的分布面积，得到云南省分州(市)秃杉高适生区、中适生区、低适生区面积表(表1)。结果表明，秃杉在云南的潜在适生区面积为 232 013 km2，占总国土面积的48.6%。其中，高适生区面积为 15 259 km2，中等适生区面积为 60 408 km2，低适生区面积为 156 346 km2；高适生区面积占云南总面积的3. 2%。从现存秃杉分布点图与预测的秃杉高适生区看出，秃杉现存样点均位于潜在最适宜分布区。中适生区占12. 6%，这部分区域虽然没有自然分布的秃杉林，但适合秃杉生长，是较好的秃杉人工造林区。低适生区也基本符合秃杉生长环境，占32.7%。基于MaxEnt秃杉潜在分布区的预测与云南秃杉试栽情况高度一致。

3.2 适生区分布情况

3.2.1 高适生区

从云南秃杉预测结果可看出，高适生区主要分布于5个州(市)，分别为怒江州的福贡县、贡山县、泸水县、兰坪县，保山市的腾冲市、龙陵县、隆阳区、昌宁县，大理州的云龙县、永平县，德宏州的芒市、盈江县，临沧市的耿马县、临翔区、永德县。怒江州最适宜区面积最大，为 6 785 km2，其次是保山市 4 377 km2，德宏州 1 263 km2。

福贡县、贡山县、泸水县、兰坪县、云龙县秃杉高适生区地处高黎贡山北段，海拔 2 000～2 600 m地段。年均温11.8～15.0℃，最冷月均温4.5～7.5℃，≥10℃年积温3 240～4 535℃。年降水量 1 246～1 545 mm，11月至次年4月降水300 mm以上，占全年的35%～49%。年均相对湿度79%。该区属暖湿带至北亚热带湿润气候，森林多为中山半湿润常绿阔叶林和针阔叶混交林。

腾冲市、龙陵县、隆阳区、昌宁县、盈江县、芒市秃杉高适生区地处高黎贡山南段，海拔 1 850～2 300 m，年均温13.8～17.3℃，最冷月均温6.4～10.2℃，≥10℃年积温4 090～6 412℃。年降水量 1 366～2 096 mm，11月至次年4月的降水量为200 mm以上，占全年的8.9%～13.8%。年均相对湿度84%，干、湿季节明显。该区为北亚热带至南亚热带湿润气候类型，森林植被为季风常绿阔叶林。

表1 云南各州(市)不同等级适生区面积

该区域为阳光充足、降水量多、湿度大的湿润、半湿润环境，雨季(5—10月)降水都在900 mm以上，热量充足，水热同季，十分有利于秃杉的生长发育。

3.2.2 中适生区

从预测结果看出，中适生区主要分布于文山州各县，红河州各县，普洱市景东县、镇沅县、景谷县、宁洱县，曲靖市富源县、宣威市、陆良县，玉溪市新平县、元江县，大理州剑川县、洱源县，迪庆藏族自治州维西县，丽江市玉龙县，德宏州陇川县。其海拔 1 700～2 300 m，年均温12.8～15.2℃，最冷月均温4.3～10.5℃，≥10℃年积温 2 779～5 363 ℃，年降水量 1 200 mm左右，11月至次年4月降水量为全年降水量的20%左右，年均相对湿度75%左右。该区是人工种植及产业化发展秃杉的较适宜区。

文山州中等适生区面积最大，为 9 883 km2，广泛分布于全州各县。大理州中适生区面积第二，为7 063 km2，分布于剑川县、洱源县。红河州中适生区面积第三，达 6 457 km2，分布于全州各县。本区的气候条件虽没有自然分布的秃杉林，但热量较充足，雨量充沛，气候条件能满足秃杉生长需求。

3.2.3 低适生区

低适生区主要分布于昆明市、曲靖市、昭通市等地。昆明市低适生区面积为 14 551 km2，占全市国土面积的56.6%；昭通市低适生区面积 5 464 km2，占19.7%；曲靖市低适生区为 21 559 km2，占60.6%。昆明低适生区海拔 2 000～2 250 m，年均温14.2℃，≥10℃年积温 3 950 ℃，年降水量994 mm。昭通市低适生区年均温13.2℃，绝对最低温-9.8℃，≥10℃年积温 3 820 ℃，年降水量970 mm。在曲靖市低适生区年均温15.1℃，绝对最低温-13.5℃，≥10℃年积温 4 156 ℃，年降水量 1 015 mm。低适生区存在冬季低温过低，有时会有冰凌冻害发生，偶有倒春寒灾害，并且旱季的3—4月份降水量太少而影响秃杉萌发等现象，但热量、雨量等气候条件能满足秃杉正常生长要求。

4 结论

本研究利用MaxEnt生态位模型对国家保护物种秃杉进行了潜在分布预测和适宜性评价。结果表明，秃杉在云南的潜在适生区面积为232 013 km2，占总国土面积的48.6%。云南秃杉高适生区主要分布于福贡县、贡山县、泸水县、兰坪县、腾冲市、龙陵县、隆阳区、昌宁县、云龙县、芒市、盈江县。中适生区主要分布于在文山州、红河州全州各县、临沧市、普洱市景东县、镇沅县、景谷县、宁洱县，曲靖市富源县、宣威市、陆良县，玉溪市的新平县、元江县，大理州剑川县、洱源县，迪庆藏族自治州维西县，丽江市玉龙县。其低适生区主要分布于昆明市、曲靖市、昭通市等地。

秃杉适生区的气候条件主要表现为：适生海拔 1 500～2 700 m，年均温11.4～16.9℃，最冷月均温3.6～10.8℃，绝对最低温-1.3～-8.9℃，≥10℃年积温 3 079～6 063 ℃，年降水量860～2 300 mm，处于暖温带至亚热带的气候环境。依据研究结果，可在预测的最适生区规划秃杉种源区或成立自然保护区，并合理规划秃杉引种栽培地区。秃杉在云南的适生区研究可以引导秃杉种植到适合地区，避免人力、物力的和财力的浪费，以提高秃杉的成活率和生长量。

[1] 中国科学院中国植物志编辑委员会.中国植物志[M].北京：科学出版社, 2004.

[2] 张海娟,陈勇,黄烈健,等.基于生态位模型的薇甘菊在中国适生区的预测[J].农业工程学报,2011(3):425-430.

[3] 车乐,曹博,白成科,等. 基于MaxEnt和ArcGIS对太白米的潜在分布预测及适宜性评价 [J].生态学报,2014, 33(6):1623-1628.

[4] 郝朝运,谭乐和,范睿,等. 利用最大熵模型预测药用植物海南药的潜在地理布局[J].热带作物学报， 2011，32 (8):1561-1566.

[5] 马松梅,张明理,张宏祥,等. 利用最大熵模型和规则集遗传算法模型预测孑遗植物裸果木的潜在地理分布及格局[J].植物生态学报, 2010，34(11):1327-1335.

[6] HANLEY JA, MCNEIL BJ. The mearung and use of the area under a Receiver Operating Characteristic(ROC) curve[J].Radiology, 1982，143: 29-36.

Prediction of the Potential Geographic Distribution ofTaiwaniaFlousianain Yunnan Based on MaxEnt and GIS

LUO Kaihua, FU Xiaoyong, ZHOU Xiao

(1.Forest Management Branch of Yunnan Forest Inventory and Planning Institute, Kunming 650201,China; 2.Southwest Forestry University, Kunming 650224, China; 3.Yunnan Academy of Forestry, Kunming 650201, China)

MaxEnt model was applied to forecast the potential geographic distribution ofTaiwaniaflousiana, a first-class national protected species, to provide reliable evidence for protecting provenance region and planning artificial cultivation ofTaiwaniaflousiana. 241 natural distribution points and 26 environment factors were collected in this research which had highly accurate prediction and authentic results. The research showed that the potential suitable area ofTaiwaniaflousianain yunnan was 232013 km2, accounting for 48.6% of the total land area, among which, the high-level suitable area focused in Nujiang, Baoshan and Dehong, the moderate-level suitable area focused in Wenshan, Honghe, Lincang and Puer, and the low-level suitable area focused in Kunming, Qujin and Zhaotong. At present the natural distribution ofTaiwaniaflousianaall concentrated in high-level suitable area but wasn′t in moderate-level suitable area which was suitable for artificial introduction ofTaiwaniaflousiana.

Taiwaniaflousiana; MaxEnt model; GIS; suitable areas; potential geographic distribution

10.3969/j.issn.1671-3168.2017.04.002

S717；S791.27；P208；TP31

A

1671-3168(2017)04-0007-04

2017-03-01.

罗开华(1977-)，男，云南镇雄人，工程师，硕士.从事林业调查规划工作.

周 晓，女，四川泸州人，硕士，助理研究员.从事遥感与地理信息系统在林业中的应用研究.