基于maxen和arcgis的夏玉米潛在種植分布與氣候因子關(guān)系研究

基于maxen和arcgis的夏玉米潛在種植分布與氣候因子關(guān)系研究

現(xiàn)在，世界環(huán)境的變化對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。這不僅增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性，改變了種植結(jié)構(gòu)和布局，而且加劇了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的氣象災(zāi)害。我國(guó)人口占世界人口的四分之一,糧食安全一直受到我國(guó)政府的密切關(guān)注,直接影響著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)穩(wěn)定。目前,我國(guó)糧食生產(chǎn)在很大程度上仍然依賴于農(nóng)業(yè)氣候資源狀況,糧食作物的空間分布格局與產(chǎn)量波動(dòng)無(wú)不深受氣候條件的影響。因此,準(zhǔn)確評(píng)估氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)的影響及研究農(nóng)業(yè)如何適應(yīng)氣候變化成為當(dāng)務(wù)之急。玉米是我國(guó)三大糧食作物(水稻、小麥和玉米)之一,在保障國(guó)家糧食安全中擔(dān)當(dāng)著重要角色。如何充分利用有利條件,克服不利因素,改進(jìn)玉米作物的生產(chǎn)布局,挖掘生產(chǎn)潛力,實(shí)現(xiàn)我國(guó)玉米的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效,達(dá)到未來(lái)增產(chǎn)目標(biāo)是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。關(guān)于氣候變化對(duì)作物種植制度、適宜種植區(qū)和作物產(chǎn)量的影響已有大量研究,特別是關(guān)于我國(guó)不同氣候區(qū)玉米氣候適宜性及其對(duì)氣候的響應(yīng)也已有一些研究,但這些研究所用資料的時(shí)間尺度不同,對(duì)作物生長(zhǎng)的影響因子及其閾值選取也不同,從而導(dǎo)致研究結(jié)果存在較大差異。針對(duì)這一問(wèn)題,本研究試圖基于已有研究成果,結(jié)合最大熵(MaxEnt)模型,從國(guó)家層次和年尺度定量篩選影響我國(guó)夏玉米潛在種植分布的主導(dǎo)氣候因子;進(jìn)而根據(jù)夏玉米潛在種植分布概率這一反映各主導(dǎo)因子作用的綜合指標(biāo),進(jìn)行現(xiàn)有種植制度下我國(guó)夏玉米潛在種植分布的氣候適宜性研究,以為揭示夏玉米種植區(qū)的氣候分布差異,闡明不同氣候適宜區(qū)的現(xiàn)狀、變化趨勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?合理配置夏玉米生產(chǎn)、改進(jìn)種植制度和引入新品種等提供依據(jù),同時(shí)為評(píng)估氣候變化對(duì)夏玉米種植區(qū)的影響,制定應(yīng)對(duì)氣候變化策略提供參考。1數(shù)據(jù)和方法1.1農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況數(shù)據(jù)集本研究使用的數(shù)據(jù)主要包括我國(guó)夏玉米種植區(qū)的地理分布數(shù)據(jù)和氣候數(shù)據(jù),均來(lái)自于國(guó)家氣象信息中心。夏玉米種植區(qū)的地理分布數(shù)據(jù)取自我國(guó)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況資料數(shù)據(jù)集,包括了188個(gè)夏玉米農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站(圖1)。氣候數(shù)據(jù)來(lái)自于1971-2000年756個(gè)中國(guó)基本、基準(zhǔn)地面氣象觀測(cè)站的日值數(shù)據(jù)集,包括:站點(diǎn)經(jīng)度、站點(diǎn)緯度、日平均氣溫、日最低氣溫、降水量等要素。采用Thornton等給出的截?cái)喔咚篂V波算子空間插值算法,結(jié)合數(shù)字地面高程(DEM)數(shù)據(jù),將氣候數(shù)據(jù)插值成10km×10km分辨率的空間柵格數(shù)據(jù)。1.2在預(yù)測(cè)物種可能性通常采用生態(tài)位理論研究物種潛在分布,如生態(tài)位模型(BIOCLIM、DOMAIN)、動(dòng)態(tài)模擬模型(CLIMEX)、基于檢驗(yàn)假設(shè)的分布預(yù)測(cè)模型(GARP)及最大熵(MaxEnt)模型等。其中,最大熵模型被證實(shí)為具有最佳預(yù)測(cè)能力和精度的模型[24,25,26,27,28,29],因?yàn)樗梢灶A(yù)測(cè)物種存在的相對(duì)概率,而不僅是是否存在,特別是在物種分布數(shù)據(jù)不全的情況下仍能得到較滿意的結(jié)果。在此,選取最大熵模型來(lái)進(jìn)行夏玉米的潛在種植分布研究。2影響夏玉米潛在種植區(qū)域的主導(dǎo)氣候因素分析2.1熱量資源指標(biāo)基于已有的玉米氣候區(qū)劃與自然植被區(qū)劃研究成果,從國(guó)家層次及年尺度考慮,篩選出10個(gè)具有明確生物學(xué)意義的可能影響玉米種植分布的氣候因子[13,30,31,32,33,34,35,36]作為影響我國(guó)夏玉米潛在種植分布的潛在氣候因子,即:年平均溫度、≥0℃積溫、≥10℃積溫、≥10℃積溫持續(xù)天數(shù)、無(wú)霜期、最冷月平均溫度、最熱月平均溫度、最冷最熱月平均溫度差、年降水、濕潤(rùn)指數(shù)(表1)。其中,無(wú)霜期和≥10℃積溫持續(xù)天數(shù)是從持續(xù)時(shí)間方面反映熱量資源;年平均溫度、最冷月平均溫度、最熱月平均溫度、最冷最熱月平均溫度差從熱量強(qiáng)度方面反映熱量資源;≥0℃積溫、≥10℃積溫是從熱量的累積程度方面反映熱量資源。年降水和濕潤(rùn)指數(shù)用于評(píng)價(jià)某地區(qū)的干濕狀況。濕潤(rùn)指數(shù)越大,該地區(qū)氣候越濕潤(rùn),表示當(dāng)?shù)氐慕邓砍藵M足蒸發(fā)所需水分外還有剩余。根據(jù)1971-2000年的日值空間柵格氣候數(shù)據(jù)(10km×10km分辨率),采用Fortran語(yǔ)言編程計(jì)算10個(gè)氣候因子的30年平均值,作為構(gòu)建我國(guó)夏玉米種植分布與氣候因子關(guān)系最大熵模型的環(huán)境輸入變量。2.2模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性分析通常采用ROC曲線(受試者工作特征曲線)來(lái)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型的性能,將ROC曲線下的面積即AUC值作為模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的衡量指標(biāo)。AUC的取值范圍為0.5~1,評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為:0.50~0.60(失敗);0.60~0.70(較差);0.70~0.80(一般);0.80~0.90(好);0.90~1.0(非常好)。當(dāng)AUC>0.75時(shí),認(rèn)為構(gòu)建的模型可用,AUC值越大,表示該構(gòu)建模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性越好。首先,將夏玉米種植地理分布數(shù)據(jù)及10個(gè)氣候因子導(dǎo)入最大熵模型,把整個(gè)數(shù)據(jù)分為兩個(gè)子集:訓(xùn)練子集和評(píng)估子集。通過(guò)隨機(jī)取樣取得總數(shù)據(jù)集的75%作為訓(xùn)練子集,用來(lái)訓(xùn)練模型,余下的25%作為驗(yàn)證子集,構(gòu)建我國(guó)夏玉米種植分布與氣候因子關(guān)系模型。結(jié)果表明,我國(guó)夏玉米種植分布與氣候因子關(guān)系模型的AUC值達(dá)0.834,反映出所構(gòu)建模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性達(dá)到了“好”的標(biāo)準(zhǔn),表明該模型可很好預(yù)測(cè)夏玉米的潛在分布。2.3夏玉米種植分布的氣候因子在模型效果評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上,利用基于最大熵模型構(gòu)建的我國(guó)夏玉米種植分布與氣候因子關(guān)系模型,分析各潛在氣候因子對(duì)夏玉米種植分布影響的貢獻(xiàn)程度(圖2)。結(jié)果表明,各潛在氣候因子對(duì)我國(guó)夏玉米分布影響的重要性排序?yàn)?無(wú)霜期、年平均溫度、≥10oC積溫持續(xù)天數(shù)、≥0oC積溫、≥10oC積溫、最冷月平均溫度、最熱月平均溫度、年降水、濕潤(rùn)指數(shù)、最冷最熱月平均溫度差。根據(jù)各潛在氣候因子對(duì)我國(guó)夏玉米種植分布影響的貢獻(xiàn)程度從大到小選取變量,確定影響我國(guó)夏玉米種植分布的主導(dǎo)氣候因子為:無(wú)霜期、年平均溫度、≥10℃積溫持續(xù)天數(shù)、≥0℃積積、≥10℃積溫、最冷月平均溫度、最熱月平均溫度、年降水。這8個(gè)因子的累積貢獻(xiàn)率達(dá)85%。表明,我國(guó)夏玉米種植分布受熱量資源和水分條件的共同限制。最冷月平均溫度之所以是影響夏玉米種植分布的主導(dǎo)氣候因子之一可能是因?yàn)樗c最熱月平均溫度一起構(gòu)成了某地的熱量水平,而最冷月平均溫度通常與初霜有關(guān),從而可能對(duì)夏玉米生長(zhǎng)后期產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響夏玉米的產(chǎn)量。夏玉米一般是與其他作物,主要是冬小麥套種,需確保有足夠的生育期長(zhǎng)度,以免受到初霜的危害。3我國(guó)夏玉米潛在種植區(qū)的氣候適應(yīng)性分析3.1夏玉米的適宜性等級(jí)利用最大熵模型,結(jié)合選定的影響我國(guó)夏玉米種植分布的8個(gè)主導(dǎo)氣候因子,可以給出夏玉米在各地區(qū)的存在概率p,取值范圍為0~1。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,參考政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第四次評(píng)估報(bào)告中對(duì)“可能性”的表述,設(shè)定我國(guó)夏玉米潛在種植分布區(qū)的氣候適宜性等級(jí):p<0.05為不適宜區(qū);0.05≤p<0.33為次適宜區(qū);0.33≤p<0.66為適宜區(qū);p≥0.66為最適宜區(qū)。圖3給出了基于ArcGIS9.3的我國(guó)夏玉米潛在種植分布的氣候適宜性等級(jí)劃分。其中,夏玉米種植的氣候最適宜分布區(qū)面積占我國(guó)總面積的3%,適宜區(qū)占8%,次適宜區(qū)占49%,不適宜區(qū)占40%。陳國(guó)平(1994)指出,我國(guó)夏玉米產(chǎn)區(qū)南起北緯33°的江蘇東合縣,沿淮河經(jīng)安徽、河南入陜西,再沿秦嶺至甘肅,北止北京長(zhǎng)城以南地區(qū)(北緯40°),包括山東、河南全省、河北中南部、山西的晉中南地區(qū)、陜西關(guān)中地區(qū)、江蘇和安徽北部的徐淮地區(qū)和京津平原。本研究給出的夏玉米氣候適宜區(qū)范圍不僅包括了該區(qū)域,同時(shí)還包括四川盆地、西藏南部和新疆的庫(kù)爾勒、喀什和莎車等地。這是因?yàn)楸狙芯恐饕紤]該氣候條件下夏玉米是否存在,并沒(méi)有考慮其生長(zhǎng)發(fā)育如何,更沒(méi)有考慮產(chǎn)量因素的影響。特別是,在實(shí)際進(jìn)行玉米生產(chǎn)時(shí),不僅要考慮氣候條件是否適宜,還要考慮影響夏玉米產(chǎn)量的土壤、極端天氣氣候事件以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)技術(shù)水平等因素,甚至考慮夏玉米的經(jīng)濟(jì)效益,從而使得實(shí)際夏玉米的種植區(qū)小于夏玉米種植的氣候適宜區(qū)。這也表明,我國(guó)夏玉米生產(chǎn)還有較大的發(fā)展空間。3.2夏玉米的種植分區(qū)及氣候特點(diǎn)由于玉米的適應(yīng)性強(qiáng)、分布廣泛,我國(guó)31個(gè)省、直轄市、自治區(qū)均有玉米種植;但受氣候條件限制,夏玉米種植區(qū)主要集中在我國(guó)黃淮海平原地區(qū)的山東、河北、北京、天津、山西、陜西、河南等地,各氣候適宜區(qū)的氣候特征存在一定差異。(1)最適宜區(qū):主要包括山東和河北的大部分區(qū)域,北京、天津、山西南部、陜西中部及河南北部的部分地區(qū)。本區(qū)無(wú)霜期通常大于200天,年平均氣溫高于10oC,≥10oC積溫持續(xù)天數(shù)在196~263天,≥0oC積溫大于4200oC·d,≥10oC積溫大于3700oC·d,最冷月的平均溫度高于-6.4oC,最熱月的平均溫度在22.0~27.1oC之間,年降水514.1~901.7mm。大部分地區(qū)的熱量和水分條件充足,夏玉米種植面積大,單產(chǎn)水平較高。(2)適宜區(qū):不僅包含了黃淮海平原的河北、山東、河南、山西、江蘇、安徽等省,還包括陜西南部、湖北北部、四川東部,以及甘肅南部、重慶西部、新疆西部和西藏南部的局部地區(qū)。這里氣候類型多樣,無(wú)霜期195~359天,年平均氣溫8.9~22.1oC,≥10oC積溫持續(xù)天數(shù)為183~309天,≥0oC積溫3506.3~7179.8oC·d,≥10oC積溫2822.6~7164.3oC·d,最冷月平均溫度-10.4~15.1oC,最熱月平均溫度17.7~30.8oC,年降水90.2~1407.6mm,且多地具備灌溉條件,對(duì)保證夏玉米生產(chǎn)起到重要作用。(3)次適宜區(qū):主要包括除黑龍江北部和內(nèi)蒙古東部以外的我國(guó)北方地區(qū),除甘肅西部和內(nèi)蒙古西部的西北地區(qū),除廣東大部、江西西北部、廣西和福建局部、海南大部以外的我國(guó)南方地區(qū)。其中的北方地區(qū)熱量條件較差,更適宜種植春玉米;西北地區(qū)雖然熱量足夠,但自然降水少,氣候干燥,有灌溉條件才能夠種植夏玉米,夏玉米的種植受到制約;南方地區(qū)盡管玉米的可生育期較長(zhǎng),但是溫度偏高,降水偏多,對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育不利。該區(qū)域內(nèi)的無(wú)霜期116~366天,年平均氣溫-0.7~23.3oC,≥10oC積溫持續(xù)天數(shù)77~309天,≥0oC積溫1254.5~7480.4oC·d,≥10oC積溫154.0~7472.6oC·d,最冷月平均溫度-24.9~18.5oC,最熱月平均溫度8.5~30.7oC,年降水53.5~2938.5mm。(4)不適宜區(qū):主要包括了除西藏南端的青藏地區(qū),黑龍江北部、吉林東南部、內(nèi)蒙古西部和東部、甘肅北部,廣東、廣西局部、江西和福建的局部以及海南大部。其中北部的省區(qū)溫度偏低或海拔偏高,不適宜玉米生長(zhǎng);南部各省區(qū)降水多,日照少,更適宜種植秋、冬玉米或水稻。本區(qū)無(wú)霜期61~366天,年平均氣溫-10.2~24.9oC,≥10oC積溫持續(xù)天數(shù)11~310天,≥0oC積溫44.9~7980.7oC·d,≥10oC積溫1.5~7980.7oC·d,最冷月平均溫度-29.8~20.0oC,最熱月平均溫度-0.42~29.27oC,年降水52.0~2203.29mm。4夏玉米的潛在種植區(qū)劃研究表明:最大熵模型適于模擬我國(guó)夏玉米的潛在種植分布,基于最大熵模型構(gòu)建的我國(guó)夏玉米潛在種植分布與氣候因子關(guān)系模型的準(zhǔn)確性達(dá)到“好”的標(biāo)準(zhǔn)(AUC值為0.834)。影響我國(guó)夏玉米潛在種植分布的主導(dǎo)氣候因子有8個(gè):無(wú)霜期、年平均溫度、≥10oC積溫持續(xù)天數(shù)、≥0oC積溫、≥10oC積溫、最冷月平均溫度、最熱月平均溫度和年降水,其累積貢獻(xiàn)率達(dá)85%。根據(jù)我國(guó)夏玉米的存在概率,可將我國(guó)的夏玉米潛在種植區(qū)劃分成4個(gè)等級(jí):不適宜區(qū)(占全國(guó)面積的40%)、次適宜區(qū)(49%)、適宜區(qū)(8%)和最適宜區(qū)(3%)。夏玉米的可種植區(qū)(包括氣候次適宜區(qū)、適宜區(qū)和最適宜區(qū))約占全國(guó)面積的60%,大于實(shí)際夏玉米的種植范圍。這是因?yàn)楸狙芯恐饕紤]該氣候條件下夏玉米是否能夠存在,并未考慮產(chǎn)量等因素。這也表明,我國(guó)夏玉米生產(chǎn)還有較大的發(fā)展空間。以往關(guān)于作物區(qū)劃或自然植被分區(qū)大都基于多個(gè)限制因子的閾值來(lái)逐步確定其分布區(qū)。由于影響作物生長(zhǎng)因子的多樣性及相互間關(guān)系的復(fù)雜性,特別是限制因子閾值的選擇存在一定誤差,這種累積誤差可能導(dǎo)致最后確定的分布區(qū)與實(shí)際分布差異較大。為減小這一誤差,本研究選取作物在待預(yù)測(cè)地區(qū)的存在概率這一綜合指標(biāo)來(lái)劃分作物