基于GIS技术的物种适生区推算应用

顾英杰

摘要：森林资源作为地球生态系统的重要组成部分，也是重要的资源之一，有着不可替代的作用。森林资源的分布以及利用价值也是永不过时的话题。随着科学技术的不断发展，利用现代技术，用森林群落的各项生态数据建立生态位模型，以统计植物群落的分布范围，再推算潜在适生区，不仅能让森林资源的统计更加科学，并且能针对入侵物种的生态位提前做出相应保护对策。GIS技术的发展，特别是GIS 的空间分析功能，能讓数据可视化，结合生态位模型推演的范围结果，区块实现图表化，让资源调查的工作显得更加具体。本文总结了生态位模型的基本方式，以及GIS技术的应用状况。

关键词：森林资源；潜在适生区；生态位模型；GIS技术

时至今日，森林资源的重要性日益凸显。如何测量森林资源、管理森林资源；如何监测森林资源的动态变化，分析评价森林资源的数量、分布、质量、功能；如何预估森林发展趋势，已成为当前迫在眉睫需要解决的问题。

地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是20世纪60年代中期开始发展起来的新技术。最初为解决地理问题而起，应用范围也只在地理相关专业。后来随着GIS技术的发展与进步，GIS已在人类社会中无处不在，应用范围已扩大到各个领域，如旅游、通讯、房地产以及资源管理、信息服务、区域规划等。

生态位（ecological niche）是指一个种群在生态系统中，在时间空间上所占据的位置及其与相关种群之间的功能关系与作用。生态位在生态学研究种最常见的是与资源利用谱相提并论。我们熟知的“生态位宽度”和“生态位测度”都可反映出生物和环境之间的关系。因种间竞争的存在同一种生物不可能利用全部的原始生态位，所以其占据的是现实生态位而非原始生态位。

1.1 GARP模型（the Genetic Algorithm for Rule-set Prediction）

GARP模型能够自动搜索和物种分布相关的环境因子，选取最优条件并映射到研究区域去预测物种的潜在适生区，即通过物种在现有分布区与目标区域间的随机和非随机关系来预测物种的潜在适生区。GARP模型根据物种己知的生境和分布点，创建不同的组合模型，模拟物种的生态需求，而后预测区域内潜在的分布可能。在预测过程中，建模可选择Atomic、Range、Logistic Regression NegatedRange等参数，依据Anderson的方法建立最优因子集合，从而预测物种分布区。

1.2 最大熵值模型（Maximum Entropy，MaxEnt）

机器学习算法中MaxEnt模型由S.J.Phillips在2004年构建，是目前使用最为广泛的模型。该模型被广泛用于物种分布预测，研究的内容包涵了不同时期物种的分布情况，研究内容涉及生态学、林学、遗传学和物种入侵。在常见的物种分布预测软件中，MaxEnt和GARP使用最为广泛，MaxEnt的优点是更为稳定，且对计算机的配置要求不高，操作也相对GARP更加简单，且在环境条件和样点数据等参数较多时表现更好。

本文主要以收录知网的相关文献为主，用“生态位模型”作为关键词搜索，共有317条文献记录，其中与地理分布区相关联的有247篇，在这247条中关于动物方向的有123篇，关于植物方向的98篇。这些文献在讨论的话题有两个，一是本地物种的潜在适生区，二是入侵物种的潜在分布区。方法上共同的特点就是采用熵值模型模拟构建生态位模型，使用其中的点提取和ROC曲线分析等功能进行分析，从而做进一步的措施。通过检索公开发表的学术论文和查阅数字动植物标本馆、动植物主题数据库等数据库获得物种的分布数据，同时，结合地名数据库查找相应的经纬度信息，最终获得研究物种的分布记录，通过现有的资料，尽可能多地选取分布点，从而避免研究物种现有地理分布点的过度偏向性。通过全球气候数据库网站搜集相关的气候因子信息。将上千条物种分布记录放入同一个表格中，在相似的地理区间选择一个样方分布点，这样一来会得到精炼的记录，选择环境因子（一般为气象变量）。随后，将两种记录分别导入MaxEnt软件中，根据自动特征规则进行计算，MaxEnt软件进行数据处理并输出适生区预测图。最后ROC曲线绘制在DAVLA-GIS软件下完成，将预测图转换成grd栅格图，使用DAVLA-GIS软件的modeling创建验证文件，生成含有各验证点预测值的roc文件，最后在Show Roc导入相应的roc文件，得到ROC曲线的AUC值，作为模型预测精确度的衡量标准

GIS在外来物种适生性评估研究中可以把目标物种发生区域内的生物学特征和地理物理特征结合起来，研究影响物种分布的不同因素，再根据这些因素对物种适合生存的地区进行预测。从而进行进一步深入的研究。GIS应用到物种适生性评估研究有两种方式，一是直接在GIS中建模，二是与相关的软件联合对物适生区进行更深入的研究。

GIS与模型相结合时，可以直接在GIS中建模。这样可以利用物种的限制条件来建立环境包络去实现物种潜在分布区的预测。具体方法为：首先，把目标地区多年的气候数据，通过空间插值将点气候数据图转变为面气候数据图；再结合物种的生理阂值（如海拔、相对温度、相对湿度等），然后将目标区域内的气候数使在阂值内的区域显示出来，形成初步的适生图，而后根据其他限制条件（如寄主、生境等），形成多个条件的适生图，最后用图层叠加功能把图层求交集运算形成最后的适生图。此外，GIS与模型相结合还可以将统计学方法建模后与GIS结合。这种方法应该根据物种的环境变量和已有分布数据，利用统计学方法建立模型，而后将模型的预测结果转化，最后利用GIS将结果以图的方式展示。

中国拥有丰富的森林资源，但是在天然林和人工林并存的情况同时，我们应该更多的考虑对天然林的保护，以及对珍惜物种的发现与保护。用上述生态位模型结合GIS技术，可以预想，野外调查现有记录植物群落位置，做相应生态影响因子的记录，建立生态位模型，推算群落潜在适生区，再将数据用GIS技术以图的形式表现出来，再回归野外调查。生态位模型推算的方法不仅可以用在对天然植物群落的调查方面，同时可以用在对入侵物种潜在生长区的调查方向上，以及时对本土植物做保护措施，研究入侵生态位与本土生态位的冲突问题。结合第二点想法，深入研究人的生产活动与植物群落之间的冲突问题，以研究更科学生态的城市发展方向，做出更好的城市规划设计。