基于maxen模型的玉米種植區(qū)分布?xì)夂蜻m宜性研究

基于maxen模型的玉米種植區(qū)分布?xì)夂蜻m宜性研究

植被與氣候的互動(dòng)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：植物對(duì)氣候的適應(yīng)性和植物對(duì)氣候的反映作用植物生態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)，主要植被類型表現(xiàn)了植物界對(duì)主要?dú)夂蝾愋偷倪m應(yīng)。植被的類型取決于每個(gè)氣候類型或地區(qū)的相應(yīng)植被類型。因此，氣候植被分類的研究一直受到植物學(xué)、生態(tài)學(xué)、氣候?qū)W和地理學(xué)科學(xué)家的高度重視。關(guān)于作物種植制度、適宜種植區(qū)和氣候變化之間的關(guān)系，尤其是關(guān)于中國(guó)不同氣候區(qū)玉米氣候的適應(yīng)性以及氣候反應(yīng)的研究[3.6]。然而，這些研究?jī)H限于局部區(qū)域，沒有對(duì)國(guó)家進(jìn)行分析。不同時(shí)期的數(shù)據(jù)長(zhǎng)不同，影響因素和植物生長(zhǎng)閾值的選擇也不同，導(dǎo)致了研究結(jié)果的很大差異，也限制了國(guó)家一級(jí)生產(chǎn)布局和應(yīng)對(duì)氣候變化政策的制定。玉米是世界上種植最廣泛的谷類作物之一.據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì),2003年世界玉米種植面積達(dá)1.4268×108hm2,產(chǎn)量6.3804×108t.玉米是三大谷物(水稻、小麥與玉米)之一,其種植面積僅次于水稻、小麥,但總產(chǎn)量居三大谷物之首,是近百年來全球種植面積擴(kuò)展最大、單位面積產(chǎn)量提高最快的大田作物.我國(guó)作為世界玉米生產(chǎn)大國(guó),20世紀(jì)末~21世紀(jì)初常年種植玉米面積高達(dá)2.453×107hm2,總產(chǎn)達(dá)1.2318×108t,僅次于美國(guó).當(dāng)前,玉米已成為食品、飼料、發(fā)酵工業(yè)和數(shù)以千計(jì)的精細(xì)化工產(chǎn)品重要原料,在全球食品安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有舉足輕重的地位.氣候是影響玉米生產(chǎn)的重要因素.當(dāng)前,以氣候變暖為標(biāo)志的全球變化已經(jīng)發(fā)生,并將持續(xù)到可預(yù)見的將來.研究表明,氣候變化已經(jīng)導(dǎo)致不同熟性玉米品種種植界線明顯北移東擴(kuò),早熟品種逐漸被中、晚熟品種取代,中、晚熟品種可種植面積不斷擴(kuò)大;西北地區(qū)玉米生長(zhǎng)期延長(zhǎng);根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)2000年發(fā)布的溫室氣體《排放情景特別報(bào)告》(SRES)的排放方案中的A2和B2未來氣候情景(A2情景以區(qū)域經(jīng)濟(jì)為主,人均經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與技術(shù)進(jìn)步越來越分離,該情景下至21世紀(jì)末全球平均溫度將升高3.5℃;B2情景注重強(qiáng)調(diào)區(qū)域性經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,該情景下21世紀(jì)末全球平均溫度將升高2.0℃),預(yù)測(cè)得到未來我國(guó)5個(gè)玉米主產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)量多呈下降趨勢(shì).為確保氣候變化背景下我國(guó)玉米的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn),迫切需要弄清我國(guó)玉米的潛在種植區(qū)域以及氣候變化對(duì)我國(guó)不同地區(qū)玉米種植區(qū)的影響,以制定我國(guó)玉米應(yīng)對(duì)氣候變化的策略.解決這一問題的關(guān)鍵在于弄清影響我國(guó)玉米種植區(qū)分布的主導(dǎo)氣候因子,并進(jìn)行我國(guó)玉米種植區(qū)分布的氣候適宜性劃分.本研究將圍繞氣候變化背景下我國(guó)玉米生產(chǎn)布局及其應(yīng)對(duì)氣候變化政策制定的需求,基于已有研究成果,利用最大熵(MaxEnt)模型,從全國(guó)層次和年尺度方面篩選影響我國(guó)玉米種植分布的主導(dǎo)氣候因子,并確定各主導(dǎo)氣候因子的閾值;同時(shí),根據(jù)玉米作物在待預(yù)測(cè)地區(qū)的存在概率,結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)原理及IPCC第四次評(píng)估報(bào)告對(duì)“可能性”的表述,進(jìn)行我國(guó)玉米種植區(qū)分布的氣候適宜性等級(jí)劃分,以為評(píng)估氣候變化對(duì)不同玉米種植區(qū)的影響,制定玉米種植應(yīng)對(duì)氣候變化策略提供依據(jù).1氣候因子的篩選(ⅰ)數(shù)據(jù)來源.本研究使用的數(shù)據(jù)主要有我國(guó)玉米種植區(qū)的地理分布數(shù)據(jù)和氣候數(shù)據(jù).玉米種植區(qū)的地理分布數(shù)據(jù)取自國(guó)家氣象信息中心的農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況資料數(shù)據(jù)集,包括366個(gè)玉米農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站(圖1).氣候數(shù)據(jù)來自于國(guó)家氣象信息中心1971~2000年中國(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等人給出的截?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),將日氣候數(shù)據(jù)插值成10km×10km分辨率的空間柵格數(shù)據(jù).(ⅱ)潛在氣候因子選取.作物分布是由各地的熱量資源和水分資源共同決定的,基于已有的玉米氣候區(qū)劃與自然植被區(qū)劃研究成果,從全國(guó)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區(qū)分布的氣候因子[13~26],包括:年平均溫度、≥0℃積溫、≥10℃積溫、≥10℃積溫持續(xù)天數(shù)、無霜期、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是從熱量強(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)某地的干濕程度.濕潤(rùn)指數(shù)越大,該地區(qū)的氣候越濕潤(rùn),表示當(dāng)?shù)氐慕邓砍軡M足蒸發(fā)所需的水分外還有剩余.(ⅲ)最大熵(MaxEnt)模型.近年來,已有多種模型被用于物種潛在分布研究,包括生態(tài)位模型(BIOCLIM,BLOMAPPER,DIVA,DOMAIN)、動(dòng)態(tài)模擬模型(CLIMEX)、廣義相加模型GAM(generalizedadditivemodel)、廣義線性模型GLM(generalizedlinearmodel)、基于檢驗(yàn)假設(shè)的分布預(yù)測(cè)模型GARP(thegeneticalgorithmforrule-setprediction)以及最大熵模型(MaxEnt)等[27~31].其中,最大熵模型(MaxEnt)被證實(shí)具有最佳的預(yù)測(cè)能力和精度[32~38].該模型是從符合條件的分布中選擇熵最大的分布作為最優(yōu)分布.首先確定特征空間,即物種已知分布區(qū)域;進(jìn)而尋找限制物種分布的約束條件(環(huán)境變量),構(gòu)筑約束集合;在此基礎(chǔ)上,建立二者之間的相互關(guān)系.2結(jié)果分析2.1模型的驗(yàn)證數(shù)據(jù)為驗(yàn)證最大熵模型對(duì)我國(guó)玉米種植分布區(qū)研究的適用性,首先需要基于訓(xùn)練子集(將整個(gè)數(shù)據(jù)隨機(jī)取樣取得總數(shù)據(jù)集的75%作為訓(xùn)練子集)來訓(xùn)練模型,獲取模型的相關(guān)參數(shù),構(gòu)建針對(duì)我國(guó)玉米種植區(qū)分布的最大熵模型;然后,基于沒有參與模型構(gòu)建的所有數(shù)據(jù)用作評(píng)估子集(即余下的25%數(shù)據(jù)),用來驗(yàn)證模型.模型運(yùn)行需要兩組數(shù)據(jù),一是目標(biāo)物種的地理分布數(shù)據(jù),即我國(guó)玉米種植區(qū)的366個(gè)玉米農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站的地理分布數(shù)據(jù);二是全國(guó)范圍的環(huán)境變量,即基于已有研究成果從全國(guó)層次及年尺度篩選出的10個(gè)潛在氣候因子(表1).通常采用ROC曲線(受試者工作特征曲線)對(duì)模型的模擬精度進(jìn)行評(píng)價(jià).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,其評(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.研究表明,基于潛在氣候因子構(gòu)建的我國(guó)玉米種植區(qū)分布的最大熵模型的AUC值達(dá)0.818,表明所構(gòu)建模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性達(dá)到“好”的標(biāo)準(zhǔn),可以用于我國(guó)玉米種植區(qū)分布的研究.2.2篩選主導(dǎo)氣候因子由于這些影響玉米種植區(qū)分布的潛在氣候因子主要來源于已有的研究成果,并沒有從全國(guó)層次和年尺度上定量評(píng)價(jià)這些潛在氣候因子對(duì)我國(guó)玉米種植區(qū)分布影響的貢獻(xiàn)程度,從而將影響我國(guó)玉米種植區(qū)分布最大熵模型構(gòu)建變量的準(zhǔn)確選擇,進(jìn)而將影響我國(guó)玉米種植區(qū)分布模擬的準(zhǔn)確性.為此,需要定量評(píng)價(jià)這些潛在氣候因子對(duì)我國(guó)玉米種植區(qū)分布影響的貢獻(xiàn)程度,篩選影響我國(guó)玉米種植區(qū)分布的主導(dǎo)氣候因子.圖2是基于最大熵模型的Jackknife模塊給出的各潛在氣候因子對(duì)玉米種植區(qū)分布影響的貢獻(xiàn).各潛在氣候因子對(duì)我國(guó)玉米種植區(qū)分布影響的重要性排序?yàn)?無霜期、年平均溫度、≥0℃積溫、≥10℃積溫持續(xù)天數(shù)、≥10℃積溫、年降水、最熱月平均溫度、濕潤(rùn)指數(shù)、最冷月平均溫度、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)玉米種植區(qū)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)玉米種植區(qū)分布的主導(dǎo)氣候因子為:無霜期、年平均溫度、≥0℃積溫、≥10℃積溫持續(xù)天數(shù)、≥10℃積溫、年降水、最熱月平均溫度、濕潤(rùn)指數(shù).這8個(gè)因子的累積貢獻(xiàn)百分率達(dá)91.5%.2.3玉米生產(chǎn)地區(qū)的氣候特點(diǎn)基于最大熵模型以及選定的影響我國(guó)玉米種植區(qū)分布的8個(gè)主導(dǎo)氣候因子,可以給出玉米作物在待預(yù)測(cè)地區(qū)的存在概率p,取值范圍為0～1.由統(tǒng)計(jì)學(xué)原理可知,當(dāng)玉米作物在某一地區(qū)的存在概率p<0.05時(shí),其出現(xiàn)的概率很小,即小概率事件,在此定義為不能種植玉米區(qū).參考IPCC第四次評(píng)估報(bào)告中對(duì)于“可能性”的表述,對(duì)我國(guó)玉米種植區(qū)分布作氣候適宜性等級(jí)劃分,即: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)玉米種植區(qū)分布的氣候適宜性等級(jí)劃分,不同顏色代表不同氣候條件下的玉米生長(zhǎng)適宜程度.其中,玉米種植的氣候最適宜分布區(qū)面積占我國(guó)陸地總面積的4%,適宜區(qū)占25%,次適宜區(qū)占40%,不適宜區(qū)占31%.由于玉米作物的適應(yīng)性強(qiáng),分布廣泛,我國(guó)31個(gè)省、直轄市、自治區(qū)均有玉米作物分布;但受氣候條件限制,玉米種植區(qū)主要呈現(xiàn)東北-西南的狹長(zhǎng)帶狀分布(圖3).玉米生產(chǎn)主要集中在黑龍江、吉林、遼寧、河北、河南、山西、山東、陜西、湖北、四川、云南等省區(qū),各氣候適宜區(qū)的氣候特征存在一定差異(表2).處在玉米種植氣候最適宜區(qū)的吉林、遼寧、河北、山西、陜西、甘肅、河南等地區(qū)主要屬于中溫帶和寒溫帶半干旱、半濕潤(rùn)氣候,熱量條件適宜,且沒有高溫危害,自然降水基本滿足玉米生長(zhǎng)需求.除玉米種植氣候最適宜區(qū)外,氣候適宜區(qū)包含黑龍江、內(nèi)蒙中西部、青藏高原南部、山東、江蘇、安徽、湖北、重慶、四川、云南等地,大部分為暖溫帶半濕潤(rùn)氣候,平均溫度適宜,多有灌溉設(shè)施,對(duì)保證玉米生產(chǎn)起到重大作用.玉米種植氣候次適宜區(qū)主要包括新疆、內(nèi)蒙西部、甘肅大部、浙江、江西、貴州、湖南、廣西、廣東、福建、海南、臺(tái)灣等地.其中,新疆、內(nèi)蒙、甘肅大部光照充足,晝夜溫差大,但自然降水少,氣候干燥,有灌溉條件才能夠種植玉米;而浙江、江西、貴州、湖南、廣西、廣東、福建、海南、臺(tái)灣等地雖然具備雨熱條件,但熱害嚴(yán)重,降水量過多,不能充分發(fā)揮水資源利用效率,是我國(guó)水稻的主產(chǎn)區(qū),玉米處于附屬地位.青海、西藏的大部分地區(qū)、新疆北部和南部、黑龍江北部和內(nèi)蒙古東部、四川西北部屬于玉米種植的氣候不適宜區(qū),這些地區(qū)氣候高寒、干旱、或無灌溉條件,不宜種植玉米.比較中國(guó)農(nóng)林作物氣候區(qū)劃協(xié)作組編著的中國(guó)玉米氣候區(qū)劃可見,本研究給出的我國(guó)玉米種植區(qū)的氣候最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)范圍與之基本一致,但最適宜區(qū)的主體南移,包括了河南和山東兩省的大部,而西北內(nèi)陸地區(qū)大部由原來的氣候最適宜區(qū)變成了氣候適宜區(qū)與次適宜區(qū);原內(nèi)蒙西部的氣候不適宜區(qū)變成了氣候適宜及次適宜區(qū).這是因?yàn)樵杏衩讌^(qū)劃主要基于生育期長(zhǎng)短、降水量與產(chǎn)量,氣候變暖與玉米作物品種的改良使玉米作物的生育期延長(zhǎng)、抗旱能力增強(qiáng),從而造成玉米種植區(qū)分布的氣候最適宜區(qū)南移.高蓉等人研究指出,西北干旱半干旱過渡區(qū)近50年的年降水量呈明顯下降趨勢(shì),且近10年來降水出現(xiàn)劇烈下降,隨著溫度的進(jìn)一步上升,土壤蒸發(fā)散的增加,未來干旱化將進(jìn)一步加劇.因此,氣候暖干化使得西北內(nèi)陸地區(qū)大部分玉米種植區(qū)由氣候最適宜區(qū)變成了氣候適宜區(qū)與次適宜區(qū).內(nèi)蒙西部由于氣候變暖使得原來玉米種植分布的氣候不適宜區(qū)變成了氣候適宜及次適宜區(qū).基于同樣的方法,根據(jù)我國(guó)216個(gè)春玉米、188個(gè)夏玉米的農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站資料與10km×10km空間分辨率1971~2000年的氣候資料,給出了我國(guó)春玉米和夏玉米種植區(qū)分布的氣候適宜區(qū)劃分,見表3和4.從表2～4可知,影響不同品種玉米種植分布的主導(dǎo)氣候因子重要性及其氣候閾值并不相同.據(jù)比較,本研究給出玉米種植區(qū)分布的氣候適宜性劃分與已有的研究結(jié)果基本一致、春玉米種植北界與張建平等人根據(jù)歷年玉米種植面積得到的種植界線基本一致.這表明,在實(shí)際研究中需要針對(duì)不同的品種、熟性開展作物種植區(qū)分布的氣候適宜性研究,以取得更為準(zhǔn)確的種植分布區(qū)信息;但關(guān)于已有玉米與春玉米種植區(qū)分布的氣候適宜性研究表明,最大熵模型方法可以有效地用于玉米作物種植區(qū)分布的氣候適宜性研究.2.4玉米種植區(qū)主導(dǎo)氣候因子的閾值分析作物生長(zhǎng)發(fā)育需要一定的氣候條件,氣候條件的差異制約著作物的生長(zhǎng)發(fā)育,進(jìn)而影響作物的布局.采用最大熵模型確定的影響我國(guó)玉米種植區(qū)分布的8個(gè)主導(dǎo)氣候因子:無霜期、年平均溫度、≥0℃積溫、≥10℃積溫持續(xù)天數(shù)、≥10℃積溫、年降水、最熱月平均溫度和濕潤(rùn)指數(shù),結(jié)合我國(guó)玉米種植區(qū)分布的適宜性等級(jí)劃分,從玉米種植區(qū)分布面積(可采用柵格數(shù)表示)與主導(dǎo)氣候因子的關(guān)系給出各主導(dǎo)氣候因子的閾值,并分析我國(guó)玉米種植區(qū)的氣候特征.由圖4(a)~(h)可見,影響我國(guó)玉米種植區(qū)分布的主導(dǎo)氣候因子閾值為:無霜期≥62d、年平均溫度-0.51~24.9℃、≥0℃積溫1419.4~7980.7℃d、≥10℃積溫持續(xù)天數(shù)82~310d、≥10℃積溫291.57~7980.7℃d、年降水53.3~2203.3mm、最熱月平均溫度8.7~30.8℃、濕潤(rùn)指數(shù)0.01~0.50.3溫度水平均溫度基于已有研究成果,從全國(guó)層次和年尺度篩選出的影響我國(guó)玉米種植區(qū)分布的10個(gè)潛在氣候因子結(jié)合實(shí)際玉米種植區(qū)的地理分布信息,分析了最大熵模型對(duì)我國(guó)玉米種植區(qū)分布研究的適用性.結(jié)果表明:基于最大熵模型構(gòu)建的我國(guó)玉米種植區(qū)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0.818),表明最大熵模型可用于研究影響我國(guó)玉米種植區(qū)分布的主導(dǎo)氣候因子及我國(guó)玉米種植區(qū)分布的氣候適宜性等級(jí)劃分.基于我國(guó)玉米種植區(qū)的地理分布信息,結(jié)合最大熵模型,根據(jù)各氣候因子的貢獻(xiàn)程度確定了影響我國(guó)玉米種植區(qū)分布的8個(gè)主導(dǎo)氣候因子,并給出了我國(guó)玉米種植區(qū)分布的主導(dǎo)氣候因子閾值:無霜期≥62d,-0.51℃≤年平均溫度≤24.9℃,1419.4℃d≤≥0℃積溫≤7980.7℃d,82d≤≥10℃積溫持續(xù)天數(shù)≤310d,291.57℃d≤≥10℃積溫≤7980.7℃d53.3mm≤年降水≤2203.3mm,8.7℃≤最熱月平均溫度≤30.8℃,0.01≤濕潤(rùn)指數(shù)≤0.50.針對(duì)氣候變化對(duì)玉米種植區(qū)的可能影響,基于影響我國(guó)玉米種植區(qū)分布的主