基于MaxEnt与Arcgis模型的内蒙古自治区文冠果适宜性区划分析*

李英杰，德永军，刘宇欣，张国盛

(内蒙古农业大学 林学院，内蒙古 呼和浩特 010019)

文冠果(XanthocerassorbifoliumBunge)，为无患子科(Sapindaceae)文冠果属(Xanthoceras)落叶灌木或小乔木[1]，具有耐寒、耐旱、耐瘠薄、不耐涝、适应性强等特点[2]。广泛分布于内蒙古、陕西、山西、甘肃、宁夏等干旱、半干旱地区的丘陵、沟谷与荒坡，具有防风固沙、涵养水源、净化空气等生态防护功能。同时，作为国家中长期重点发展的生物质能源树种之一[3]，具有较好的经济价值。文冠果用途广泛，被称为北方宝树，不但具有良好的观赏价值，而且其枝、叶、花、果既可用于生产食物油、工业油，又可加工用于中医药保健品，是具有较高开发潜质的优良树种。

近些年，随着生态文明、精准扶贫的大力推进，越来越多的学者开始关注物种资源开发、利用以及种植规划，因此关于物种资源潜在分布与预测方面的研究便成为更多学者关注的热点。MaxEnt模型工作原理是基于物种已知分布区信息与生态环境因子变量，确定其占有的生态位，由此预测物种的潜在地理分布模型[4-8]。最大熵模型MaxEnt[4-8]，因其较Climax、Garp、Bioclim、Domain等生态位模型更具稳定性[4,6]，预测效果更具真实性，被认为是预测物种潜在分布应用最广、最常用的软件。同时，结合Arcgis地理信息系统[5-6]校准、重分类、建模与显示功能，析出物种生态适宜性区划图，可使物种潜在地理分布更具准确化、直观化与具体化。

以往学者对文冠果的研究大多关注其生物学特性、繁殖与栽培技术、化学成分以及应用价值等方面，自2010年以来，不少学者开始关注文冠果生态适宜性区划方面的研究。如韩蓓蓓等[9]、张东旭等[10]以欧氏距离方法分别探讨陕西省、山西省文冠果生态适宜性区划；如朱仁斌[11]、代光辉[12]、谢彩香等[13]、贺晓慧等[14]、张殷波等[15]以不同视角、不同形式借助MaxEnt模型研究文冠果在全国范围的适宜生境与区划情况。内蒙古自治区作为文冠果的原生地，人工栽培文冠果已有千年历史，伴随着国家对特色产业、朝阳产业以及脱贫攻坚的重视与大力支持，推广文冠果生态种植，具有很好的经济、社会以及生态效益，故针对文冠果适宜性区划方面的研究具有重要意义。本文基于内蒙古林业部门所提供的文冠果分布资料与实地调研资料，借助国内外网络数字平台数据，以MaxEnt模型与Arcgis软件为手段，探讨文冠果与气候、地形等生态因子的关系，定量析出内蒙古地区文冠果生态适宜性区划图，为文冠果生态种植基地选取与科学规划布局提供有力的理论依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区域概况

内蒙古自治区(简称：内蒙古)，地处中国北部边疆，位于97°12′～126°04′E，37°24′～53°23′N，东西直线距离2 400 km左右，南北直线距离1 700 km左右，全区总面积118.30×104km2，共有12个地级行政区，103个县级行政区。全区平均海拔>1 000 m，有高原、山地、平原等地形。气候以温带大陆性气候为主，年降水量少且分布不均匀，主要集中在6、7、8月，大风天气居多，寒暑变化强烈，夏季气温炎热而短暂，冬季多寒潮天气，气温寒冷而时间漫长。

1.2 分布点来源

根据中国数字标本馆(CVH,http://www.cvh.org.cn/)、内蒙古各林业部门资料以及实地调研资料，共获取129个文冠果的分布点，剔除分布点重复、邻近与无地理信息的数据，然后利用Arcgis软件对分布点进行地理坐标校核、转化与筛选，最终确定79个分布点。

1.3 生态因子来源

研究区域气象数据来源于Worldclim官网的全球范围数据，包括1—12月平均降水量与1—12月平均温度计24个气温降水因子变量、19个生物气候因子变量；地形因子来源于国家基础地理信息中心，包括高程、坡度、坡向3个变量，分辨率为 30″的高程数据，坡度、坡向数据利用Arcgis软件由高程数据分析得出；海拔数据来源于Worldclim官网的全球海拔数据。共计47个生态因子(表1)。

表1 生态因子数据表Tab.1 Table of ecological factors

1.4 研究方法

1.4.1 生态因子数据预处理

利用Arcgis软件从Worldclim数据库中模拟提取内蒙古地区数据网格图层，将地形数据以模拟提取出来的气象数据为基础进行重采样，确保气象与地形数据属同空间参数且均能在MaxEnt软件中运算，将数据生成为“.asc”格式。文冠果分布点数据生成为“.csv”格式。

1.4.2 模型模拟法

将预处理“.asc”格式的气象数据与“.csv”格式的文冠果数据导入MaxEnt软件中，设置模型相关运行参数，利用Arcgis软件中的Sample Point工具随机选取75%的分布点为训练集[8]，用于构建模型；余下的25%分布点为训练集，用于检验与评估模型的准确度，模型重复次数(replicates)设置为10次，其余参数为默认值，输出图层格式为ASCII栅格式，适宜性指数范围为0～1。在10次重复中，选择模拟精度最高的运算结果进行分布预测，进而用Arcgis进行直观模拟。

1.4.3 主要生态因子相关性分析

采用Pearson方法中的双变量相关分析法[16-17]，以消除变量之间相关性所带来的影响。在线性相关性分析中，相关系数是描述线性关系程度和方向的量，一般用r表示，│r│≥0.8表示高度相关；0.5≤│r│<0.8表示中度相关；0.3≤│r│<0.5表示低度相关；│r│<0.3表示关系极弱。当2项生态因子的│r│≥0.8时，剔除贡献率较小[5]的生态因子，将最终筛选保留的生态因子再次导入模型，进而得到分布预测结果。

1.4.4 区划结果可信度与准确度分析

ROC(Receiver Operating Characteristic)曲线是目前认可度较高的物种潜在分布预测评价指标[5]。AUC(Area Under Curve)值是ROC曲线下的面积值[5]，在物种分布预测中作为评价模型的拟合程度的指标，AUC值越高说明预测越准确，结果越可靠。AUC值结果在0.9～1之间为最好，0.8～0.9之间为较好，0.7～0.8之间为一般，0.6～0.7 之间为较差，0.6～0.5之间为失败。

1.4.5 生态适宜性区划

将MaxEnt模拟计算的分布预测结果导入Arcgis中进行叠加运算，绘制出基于主导因子的文冠果生态适宜性区划图，基于生态相似度理念，利用Arcgis的重分类功能进行人工分级，共划分高适宜区(≥50%)、中适宜区(30%～50%)、低适宜区(10%～30%)与非适宜区(≤10%)4个等级，并制作成生态适宜性区划图导出。

2 结果与分析

2.1 主要生态因子相关性与贡献率分析

将47个生态因子导入MaxEnt软件进行10次运算，获取28个贡献率>0的生态因子，并运用Pearson方法进行相关性分析[16-17]，消除因相关性对实验结果所带来的影响，最终获得14个生态因子(表2)。将筛选所得生态因子导入MaxEnt软件中二次运算，生成各生态因子的贡献率。计算结果表明2月平均温度的贡献率最大为45%，且2月平均温度、5月平均降水量、最潮湿月份降雨量、3月平均降水量、9月平均降水量、平均日较差、坡度与坡向8个生态因子的累计贡献率98.50%，足以表明文冠果的种植环境特征，将其确定为文冠果生境适宜度的主导生态因子。

表2 14个生态因子贡献率Tab.2 Contribution rate of 14 ecological factors

2.2 区划结果可信度与准确度评价

通过MaxEnt软件分析，ROC曲线测试集的AUC值为0.933、训练集的AUC值为0.912(图1)，均在0.9以上，说明模型模拟预测结果准确，效果很好，用MaxEnt模拟计算的文冠果生态适宜性区划图的可信度与准确度较高。

图1 适宜性区划结果的ROC曲线预测评价Fig.1 ROC curve prediction and evaluation of suitability region

2.3 文冠果适宜区生态特征分析

生态因子响应曲线可判断文冠果的存在概率与生态因子之间的关系，以存在概率≥0.5为适宜范围，确定适宜文冠果分布的单因子范围值；以存在概率达到峰值确定为生态因子的最适值(图2)，从这些曲线图中可获取文冠果适宜区的生态特征(表3)。

表3 主要生态因子适宜范围Tab.3 Suitable value range for main ecological factors

图2 主要生态因子响应曲线Fig.2 Response curves of main ecological factors

2.4 生态适宜区划分

将MaxEnt模型中文冠果在内蒙古分布的预测结果导入Arcgis中，适宜性综合评价等级按照重分类中的自然间断点分级法(Jenks)进行适宜区划分(图3)。分布结果显示适宜区面积为36.024×104km2，其中高适宜区面积为8.807×104km2，约占内蒙古土地总面积的7.444%；中适宜区面积为13.022×104km2，约占内蒙古土地总面积的11.008%；低适宜区的面积为14.195×104km2，约占内蒙古土地总面积的11.999%。非适宜区的面积为82.276×104km2，约占内蒙古土地总面积的69.549%(表4)。

表4 适宜区面积及占比Tab.4 Area and proportion of suitable areas

图3 内蒙古地区文冠果的生态适宜性区划Fig.3 Ecology suitability areas of X.sorbifolium Bung in Inner Mongolia

(1)适宜区主要分布于扎鲁特旗、鄂托克旗、阿鲁科尔沁旗、翁牛特旗、鄂托克前旗、乌审旗、扎赉特旗、科尔沁右翼中旗、科尔沁左翼后旗、科尔沁右翼前旗(中部、东部)、科尔沁左翼中旗、准格尔旗、巴林右旗、敖汉旗、奈曼旗、达拉特旗、正蓝旗、杭锦旗(东南部)、克什克腾旗(东部、中局部)、乌拉特前旗、正镶白旗、阿拉善左旗(东局部)、扎兰屯市(东南部)、松山区、巴林左旗、伊金霍洛旗、镶黄旗、固阳县、突泉县、苏尼特右旗(东南局部)、开鲁县、库伦旗、达尔罕茂明安联和旗(南局部)、商都县、宁城县、苏尼特左旗(南部)、乌拉特中旗(东南角)、武川县、察哈尔右翼中旗、科尔沁区、多伦县、林西县、察哈尔右翼后旗、兴和县、凉城县、和林格尔县、太仆寺旗、喀喇沁旗、卓资县、土默特左旗、察哈尔右翼前旗、清水河县、化德县、土默特右旗、阿荣旗(南局部)、四子王旗(局部)、东胜区、托克托县、丰镇市、赛罕区、九原区、乌兰浩特、元宝山区、石拐区、新城区、海南区、红山区、东河区、五原县(局部)、海勃湾区、青山区、昆都仑区、回民区、玉泉区、乌达区、白云鄂博矿区(南部)、集宁区等地。此外，还有阿巴嘎旗、乌拉特后旗、莫力达瓦达尔罕族自治旗、锡林浩特市、东乌珠穆沁旗等地有零星分布。

(2)非适宜区主要分布于额济纳旗、阿拉善左旗、阿拉善右旗、鄂伦春自治旗、东乌珠穆沁旗、额尔古纳市、牙克石市、苏尼特左旗、阿巴嘎旗、新巴尔虎右旗、根河市、乌拉特后旗、西乌珠穆沁旗、新巴尔虎左旗、四子王旗、苏尼特右旗、鄂温克族自治旗、陈巴尔虎旗、乌拉特中旗、锡林浩特市、达尔罕茂明安联合旗、扎兰屯市、克什克腾旗(南部、北部)、莫力达瓦达翰尔族自治旗、杭锦旗(中西部)、阿荣旗、科尔沁右翼前旗(西部、北部)、阿尔山市、鄂托克旗(西北部)、磴口县、扎鲁特旗(西北部)、科尔沁右翼中旗(西北部)、正蓝旗(东北角)、临河区、五原县、阿鲁科尔沁旗(西北部)、杭锦后旗、海拉尔、巴林左旗(北边界)、巴林右旗(北局部)、乌拉特前旗(局部)、扎赉特旗(西局部)、武川县(北边界局部)、霍林郭勒市、满洲里市、突泉县、库伦旗等地。此外，察哈尔右翼中旗、科尔沁左翼后旗、林西县、突泉县、库伦旗等地有零星分布。

3 讨论与结论

3.1 讨论

内蒙古地域辽阔，相对人口并不密集，全区地貌较为复杂，有高原与平原、山地与丘陵，亦有沙漠与河流等多种形态，如若按照传统的方法调查文冠果的资源分布情况，虽获得更为准确可靠的结论，但所耗人力、物力、财力与时间成本太高，实施与开展会存在巨大困难。本研究在借鉴前人MaxEnt模型预测物种分布的方法基础之上，融入Arcgis手段，将截取的地图与文冠果分布点数据先进行空间校准再预测，提高预测结果精确度[18]的同时，最大限度地提高了效率成本。研究所得结论与实际分布高度吻合，说明研究所选生态因子变量合理、研究方法可行，结论具有科学性、可靠性与实用性。

3.1.1 影响文冠果区划的主要生态因子

气候作为影响植物生长发育[19]、植物品质特征[15]与地理分布格局的主要影响因素，是生态位模型评估植物生长与分布的重要变量。如张殷波等[15]选取19个生物气候生态因子，借助MaxEnt模型预测文冠果适宜生境，确定年均温、等温性、年均温变化、年均降水量与降水量变异为影响文冠果分布的主要5个生态因子，与谢彩香等[13]的研究结果高度吻合，说明限制文冠果分布的主要生态因子是温度与降水[7,20]。本研究在沿用19个生物气候因子变量的基础之上，将年均降水量与年均温2个具有直接影响的生态因子细分为1—12月平均降水与1—12月平均温，合计24个生态因子变量，由全年数值量化为月平均数值，较前人对生态因子变量的选取更为具体与全面；与此同时，本研究兼顾考虑了高程、坡度、坡向、海拔等非气象类因子，从而使预测结果更具客观性与科学性。研究确定了2月平均温度、5月平均降水量、最潮湿月份降雨量、9月平均降水量、3月平均降水量、坡度、平均日较差与坡向8个主要生态因子及其适用范围，此研究结果与文冠果实际生长习性与生长发育规律相一致。文冠果具有不耐水涝与喜光性[11]，所以最潮湿月份降雨量、坡度与坡向以及平均日较差作为影响文冠果分布的主导生态因子与其怕涝、喜光的生长习性相符合。内蒙古的2月份易出现极端天气，而此时正值树体内部由休眠期向生长期过渡，抗寒能力降低，气温过低会严重影响文冠果的生长发育，故2月平均温度对文冠果适宜性区划的贡献率最大。最适宜坡度为47°与最适宜坡向30°的研究结果与其多分布于丘陵沟壑区[15]，可在阳坡崖畔、半阳坡与半阴坡陡坡[14,21]生境下生存的特点，具有较强的适应性与抗性相吻合。同时，最潮月份降雨量、9月平均降水、3月平均降水及其适用范围与谢彩香等[13]利用19个环境因子对全国文冠果生态适宜性区划分析中的最潮湿月份降雨量(11～ 219 mm)、最干月份降水量(0 ～ 29 mm)有一定吻合；与贺晓慧等[14]年降水量为 (350～600 mm)、最干季降水量(10～20 mm)也极为相似。

3.1.2 文冠果生态适宜性区划

很多学者研究分析与证明，在物种分布点数据不全的情况下，MaxEnt模型仍能获得较为满意的预测结果，也因此被广泛应用于物种适宜区预测[22]。本研究以MaxEnt模型结合Arcgis技术，基于79个分布点数据与47个生态因子变量，对内蒙古地区文冠果的潜在地理分布进行预测与等级划分。区划结果表明，文冠果的潜在分布区主要位于内蒙古的东中西部以南，比较文冠果分布点与生态适宜性区划图(图3)可知，实际分布点均位于潜在分布区内，说明预测的生态适宜性区划与文冠果实际分布情况高度吻合。高适宜区主要集中分布在鄂尔多斯、赤峰等地区，这与鄂尔多斯鄂托克前旗建有家系最全的文冠果良种繁育基地、赤峰市巴林左旗有天然文冠果次生林以及翁牛特旗有人工文冠果采种基地等实际分布情况相符；非适宜区主要分布在阿拉善盟、呼伦贝尔市、锡林郭勒盟等地区，这是因为阿拉善盟的降水量少且年蒸发量大，很难满足文冠果各阶段生长发育所需水分而不宜生存；呼伦贝尔市和锡林郭勒盟的气温偏低，且极端气温低于文冠果安全越冬的-41.4 ℃，常受冻害而较难生存。文冠果适宜区面积为36.024×104km2，其中高适宜区面积为8.807×104km2，约占内蒙古土地总面积的7.444%；中适宜区面积为13.022×104km2，约占内蒙古土地总面积的11.008%；低适宜区的面积为14.195×104km2，约占内蒙古土地总面积的11.999%。非适宜区的面积为82.276×104km2，约占内蒙古土地总面积的69.549%。这一结果与朱仁斌[11]的研究结果有所不同，朱仁斌在17个省区的155个分布点数据与20个生态因子变量的基础上，分析全国潜在分布区时得出内蒙古地区文冠果潜在分布位于内蒙西南部，高适宜区19.10×104km2与中适宜区15.60×104km2远高于本研究所得数据。出现这一偏差的主要原因在于生态因子变量选取的不同，本研究更侧重每个月份平均温度、平均降水量以及地形对文冠果分布的影响，从而缩小了适宜区范围。与代光辉[12]的内蒙古东部和南部、谢彩琴等[13]的内蒙古中南部的适宜区分布范围相比有所扩大，是因为分布点采集范围与数量导致，本研究的分布点主要来源于林业部门数据采集以及调查基础之上，以中国数字标本馆数据为辅，所以样本采集更充分。一般而言，物种样本的分布点数量越多、覆盖区域越广[23-24]，反映物种与环境之间的关系越真实，MaxEnt模型预测的精度也就越高[22,24]，所得结果亦越具稳定性与可靠性。

本研究从生物气候、气温降水与地形因子中筛选8个主导生态因子作为文冠果的区划指标，如若考虑土壤因子的影响，文冠果适宜性区划面积可能会有一定程度的缩小，预测结果可能会更精确。土壤作为影响植物分布的重要因子未作考虑，一方面由于土壤因子从土壤质地、理化性质、结构、生物特征、土壤肥力等方面对植物生长发育产生影响，加之人为干扰、水文条件、温度等环境因素与之相互影响、相互制约，关系错综复杂、不确定的影响因素诸多。另一方面由于文冠果对土壤的适应性强，具有很强的耐瘠薄、耐盐碱能力，在退耕地、农耕地、撂荒地、草沙地、黄土地与黏土地[21]，乃至丘陵、沟壑边缘、山坡、多石山区等均能生长[15]，仅在排水不佳的低洼地、重度盐碱地以及未固定的沙地不适宜生长[21]，故构建区划指标时可不予以考虑，而在适宜性区划预测结果的基础之上，本着因地制宜的原则，进行实地引种或栽培实验时，对研究结果予以进一步地验证。

3.2 结论

利用MaxEnt与Arcgis针对内蒙古地区文冠果的生态适宜性区划建模，较全国视角下研究文冠果分布情况，在适宜范围上更具体化与精准化。研究结果显示AUC值均在0.9以上，表明预测结果极好。研究结果对内蒙古地区文冠果生态种植基地选取与科学规划布局具有很好的参考价值与实践指导意义。所得结论如下。

(1)对47个气候因子变量进行相关性分析，最终确定2月平均温度(-11.2℃～-7.4℃)、5月平均降水量(21～34 mm)、最潮湿月份降雨量(83～128 mm)、9月平均降水量(35～47 mm)、3月平均降水量(6.8～12 mm)、坡度(U<2°或U≥11°)、平均日较差(≤13 ℃)、与坡向(20°～175°)8个主要生态因子以及其适宜范围。

(2)分布结果显示适宜区面积为36.024×104km2，主要分布：鄂尔多斯市中东部和南部大部分地区、巴彦淖尔市东南部、包头市中南部、呼和浩特市、乌兰察布市中南部、锡林郭勒盟西南部、赤峰市、通辽市、兴安盟中东部和东南部。其中鄂尔多斯市的高适宜分布面积最大，为2.133×104km2，约占鄂尔多斯市总面积的24.519%。非适宜区的面积为82.276×104km2，约占内蒙古土地总面积的69.549%。主要分布在阿拉善盟、呼伦贝尔市、巴彦淖尔市绝大部分地区、鄂尔多斯市的西北部、包头市中北部、乌兰察布市中北部、锡林郭勒盟绝大部分地区、兴安盟中西部和北部。其中阿拉善盟的非适宜区的分布面积最大，为25.797×104km2，约占阿拉善盟总面积的97.237%。