基于MaxEnt模型的长蕊木兰在云南省的分布预测及适应性分析

冯鸿能，杨德宏，沈聪颖

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

长蕊木兰Alcimandra cathcartii是木兰科Magnoliaceae长蕊木兰属Alcimandra的单种属植物，分布于中国云南西南部至东南部及西藏南部和东南部、印度东北部、不丹、缅甸北部和越南北部[1]。《国家重点保护野生植物名录（第一批）》将其列为I级保护植物，世界自然联盟（International Union for Conservation of Nature，IUCN）《濒危物种红色名录》将其列为濒危（EN）物种[2]。长蕊木兰喜温暖湿润的环境，常成片或散生于海拔1 100～2 800 m的山地季风常绿阔叶林、半湿润常绿阔叶林或中山湿性常绿阔叶林中[3]。

目前，物种潜在适生分布区预测研究主要的生态位模型有环境包络、生态位因子分析、最大熵模型和基于遗传算法的规则组合预测模型等[4-5]。最大熵模型不受样本量大小的限制，具有优越稳定的性能，通常作为物种分布预测的首选模型[6]。本研究结合GIS（地理信息系统）和MaxEnt模型，构建了长蕊木兰潜在的空间分布模型，分析了影响长蕊木兰分布的关键性环境因子，为制定长蕊木兰的保护规划提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

获取长蕊木兰的分布数据来自以下几个方面：中国数字植物标本馆(http://www.cvh.org.cn/)、全球生物多样性信息平台（GBIF）、教学标本标准化整理整合与资源共享平台（http://mnh.scu.edu.cn/）、查阅已有文献等数据库获得标本采集地信息。将收集到的51条分布数据保存为.csv格式备用。标本信息基本覆盖长蕊木兰在云南省的现有分布区（图1）。

图1 通过数据获取云南省长蕊木兰的分布点Figure 1 Distribution of A.cathcartii in Yunnan province by different databases

1.2 环境数据和底图

表1中19个生物气候数据，以及3、7、11月的最高温度、最低温度、平均温度、太阳辐射强度、月平均降水量，来源于世界气候数据库（http://www.worldclimorg/），数据年份为1950—2000年，空间分辨率为1 km ×1 km。地形因子来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/），下载分辨率为30 m的数字高程地图（DEM），从中提取坡向、坡度以及海拔。

表1 变量类型Table 1 Types of variable

中国地图与中国省级行政区划图（1∶400万）来源于国家基础地理信息系统网站（http://mail.nsdi.gov.cn/）。将下载的生物气候数据统一栅格大小，并统一地理坐标系（WGS84坐标），在ArcGIS10.2的空间分析中通过省界淹模得到云南地区的环境因子。

1.3 研究方法

MaxEnt模型是基于最大熵原理的一种生境评价模型[7]，该模型通过找到在可获取实际存在数据的约束下熵值最大的概率分布来预测物种的分布，具有很好的预测能力。将环境因子导入MaxEnt 3.4.1模型中。建模中随机选择75% 的分布点作为训练子集，来获取建立最大熵模型的参数，剩余的25%作为测试子集，用来验证模型的准确性。环境参数中设置为获取刀切法来获得每个环境因子的重要性，其他参数为软件默认参数。刀切法（Jackknife）可以判断每个环境因子对其分布的影响，并得到29种环境变量对云南省长蕊木兰潜在分布区影响的贡献率。通常采用接受者操作特性曲线（ROC）分析法检验模型精度，ROC曲线下的面积（AUC）值的大小来判断模型的准确度。AUC值的评估一般标准为：预测较差（0.5～0.6），预测一般（＞0.6～0.7），预测较准确（＞0.7～0.8），预测很准确（＞0.8～0.9），预测极准确（＞0.9～1）[8]。

将MaxEnt所得到的结果文件导入ArcGIS 10.2中，经格式转换与重采样，并将适应区分为4个梯度：非适生区（0～0.09）、低适生区（＞0.09～0.30）、中适生区（＞0.30～0.64）、高适生区（＞0.64～1）。

2 结果与分析

2.1 模型精度分析

ROC曲线评价结果显示，模型的训练AUC=0.946，测试AUC=0.942，表明Maxent模型对长蕊木兰在云南地区的潜在适宜分布区的预测结果极好（图2）。

图2 模型接受者操作特性曲线AUC分析Figure 2 Area under the receiver operating characteristic curve

2.2 适宜分布区划分

将Maxent模型的预测结果导入ArcGIS 10.2中，将预测结果进行重新分类处理，从而得到了长蕊木兰的适宜分布，见图3。由图3可知，长蕊木兰在云南省主要分布地区有马关县、屏边苗族自治县、西畴县、腾冲县、贡山独龙族怒族自治县等地区，其中，高适生区所占面积为1 233.68 km2，中适生区所占面积为1 862.78 km2，低适生区所占面积为7 155.07 km2。

图3 云南长蕊木兰适宜分布区Figure 3 Suitable areal for A.cathcartii in Yunnan

2.3 环境变量贡献率分析

由图4可知，影响长蕊木兰分布的主要环境变量有5个，根据刀切法分析得出影响云南地区长蕊木兰潜在分布的5个主要环境因子依次为：7月的降水量（34.36%）、昼夜温差月均值（9.64%）、年均温变化范围（8.48%）、最冷季度降水量（7.88%）、年均降水量（7.77%），这5个主导因子的累积贡献率为68.13%。从图5可知，长蕊木兰最适生环境为平均降水量（prec-7）的阈值为150～400 mm，在400 mm时其生境最高；昼夜温差月均值（bio-2）为7～9℃，在8℃时其生境最高；年均温变化范围（bio-7）为17～19℃；最冷季度降水量（bio-19）为60～120 mm，年均降水量（bio-12）为1 000～2 000 mm。

图4 基于AUC的Jackknife法环境变量重要性测试图Figure 4 Contribution rate of environmental variables by Jackknife method

图5 长蕊木兰的潜在分布概率与主导影响因子的关系Figure 5 Relationship between potential distribution of A.cathcartii and dominant influence factors

3 结论

由分布预测结果表明，其中高适生区所占面积为1 233.68 km2，中适生区所占面积为1 862.78 km2，二者面积占云南省国土总面积的2.6%。长蕊木兰在云南省的高适生区主要有马关县、屏边苗族自治县、西畴县、腾冲县、贡山独龙族怒族自治县等地区。在高适生区和中适生区，可以适当划定保护小区，对长蕊木兰进行就地保护，与此同时，可以将各个种群联系以来，以增加物种的稳定性。

影响长蕊木兰在云南省分布的主要环境变量有5个，依次为7月的降水量（34.36%，贡献率）、昼夜温差月均值（9.64%）、年均温变化范围（8.48%）、最冷季度降水量（7.88%）、年均降水量（7.77%），这5个主导因子的累积贡献率为68.13%。长蕊木兰最适生环境的平均降水量的阈值为150～400 mm，昼夜温差月均值为7～9℃，年均温变化范围为17～19℃，最冷温度降水量为60～120 mm，年均降水量为1 000～2 000 mm。

4 讨论

本研究中，利用MaxEnt软件对长蕊木兰生境适宜度进行了分析，结果显示，AUC值接近1且模型预测结果与前期野外考察结果及文献记载一致，证明所构建模型的准确性高，可靠性好，MaxEnt模型的刀切法检验和主导因子响应曲线分析结果表明，降水量和温度是影响长蕊木兰的分布的主导因子，温凉湿润的气候条件，对长蕊木兰的分布至关重要。长蕊木兰易生长于西部偏干性北热带季雨林、雨林地带及南亚热带季风绿阔叶温凉湿润以至潮湿的生境。本文选用的是与温度、降水量等有关的34个生物气候变量和3个地形变量，由于条件的限制，缺少土壤类型、植被类型、全球变暖等其他因子，这可能对适生区的预测带来一定的偏差。本研究作为预测型研究，主要为帮助相关学者缩小实地考察时的范围，节省了人力和时间。珍稀物种具体落点还需要结合实地考察再作定论。

根据此结果，能科学有效地获取长蕊木兰在云南省的未知分布区域，扩展保护范围，弥补保护漏洞，避免生境破碎化对长蕊木兰种群产生不利影响，明确长蕊木兰重点保护区域范围，对重点区域加大管理力度，减少人类活动对其生境的影响。通过明确影响长蕊木兰的主导因子，可为长蕊木兰繁育种植区域营造一个适宜的生长环境，从而促进长蕊木兰的生长，为保护减轻压力，为今后实现资源合理开发利用提供科学依据。