高危性外来入侵种福寿螺严重危害我国的农业生产、生态系统完整性和人体健康.为制定有效的防控策略提供科学依据,本研究通过选取最适的生态位模型以预测福寿螺在我国的潜在适生区.结合福寿螺在我国的337条分布记录和年均温、年降水量等19个生物气候变量数据,本文采用MaxEnt、GARP、BIOCLIM和DOMAIN等4种生态位模型分别模拟预测了福寿螺在我国的潜在适生区,并利用受试者工作特征曲线(ROC)和Kappa统计量分析比较不同模型的预测效果.结果表明: 4种模型均能较好地模拟福寿螺在我国的分布,其中MaxEnt模型的模拟准确度最高(受试者工作特征曲线下的面积AUC=0.955±0.004,Kappa=0.845±0.017),其次是GARP和DOMAIN,准确度相对较小的是BIOCLIM,但其平均AUC也达0.898±0.017,平均Kappa值为0.771±0.025.MaxEnt模型的预测结果显示,福寿螺的潜在适生区主要分布在30° N以南地区,但其中也有部分地区地处30°N以北.适生区面积占国土面积的13.2%,广东、广西、湖南、重庆、浙江和福建沿海地区具有高度潜在入侵风险.本研究可以为福寿螺的科学防控提供参考,并且对大尺度上外来水生生物的适生区预测具有一定的借鉴意义.
The highrisk invasive apple snail Pomacea canaliculata has greatly threatened the agriculture, ecosystem integrity and public health. In order to provide scientific evidence for effective prevention and control of P. canaliculata, a most suitable ecological niche model was selected to predict the potential suitable distribution areas of P. canaliculata in China. Based on 377 reported occurrence points and 19 bioclimatic variables, four ecological niche models, MaxEnt, GARP, BIOCLIM, and DOMAIN, the potential geographic suitable distribution areas were predicted for the invasive snail. Then, the results of different models were analyzed and compared with two statistical criteria, the area under the Receiver Operating Characteristic curve (AUC) and Kappa value. The results showed that all of the four ecological niche models could simulate the snail’s distributions very well. More specifically, the MaxEnt model outperformed the others in all aspects of predicting the snail’s potential distribution (AUC=0.955±0.004, Kappa=0.845±0.017), followed by GARP and DOMAIN. Although BIOCLIM offered the lowest prediction accuracy, its AUC was 0.898±0.017 and its Kappa value was 0.771±0.025. Based on the MaxEnt model, the prediction results showed that the potential suitable distribution areas of P. canaliculata were mainly located in the south of 30° N in China, but there was some regions spreading over the north of 30° N. The potential areas accounted for 13.2% of the national land in area. Notably, Guangdong, Guangxi, Hunan, Chongqing, Zhejiang and the coastal areas of Fujian were potentially highrisk areas. In conclusion, this study would be an important reference for the prevention and control of the invasive apple snail P. canaliculata and it also would be an example of predicting the potential distribution of aquatic alien species on large scale.
全 文 :应用多个生态位模型预测福寿螺
在中国的潜在适生区
张海涛1,2 罗 渡1,3 牟希东1,3 徐 猛1,3 韦 慧1,3 罗建仁1,3 章家恩4 胡隐昌1,3∗
( 1中国水产科学研究院珠江水产研究所 /农业部热带亚热带水产资源利用与养殖重点实验室, 广州 510380; 2上海海洋大学
水产与生命学院, 上海 201306; 3中国水产科学研究院珠江水产研究所 /中国水产科学研究院珠江流域渔业资源养护与生态
修复重点实验室, 广州 510380;4华南农业大学热带亚热带生态研究所, 广州 510642)
摘 要 高危性外来入侵种福寿螺严重危害我国的农业生产、生态系统完整性和人体健康.
为制定有效的防控策略提供科学依据,本研究通过选取最适的生态位模型以预测福寿螺在我
国的潜在适生区.结合福寿螺在我国的 337条分布记录和年均温、年降水量等 19 个生物气候
变量数据,本文采用 MaxEnt、GARP、BIOCLIM和 DOMAIN等 4种生态位模型分别模拟预测了
福寿螺在我国的潜在适生区,并利用受试者工作特征曲线(ROC)和 Kappa统计量分析比较不
同模型的预测效果.结果表明: 4 种模型均能较好地模拟福寿螺在我国的分布,其中 MaxEnt
模型的模拟准确度最高(受试者工作特征曲线下的面积 AUC = 0.955±0.004,Kappa = 0.845±
0.017),其次是 GARP 和 DOMAIN,准确度相对较小的是 BIOCLIM,但其平均 AUC 也达
0.898±0.017,平均 Kappa值为 0.771±0.025.MaxEnt 模型的预测结果显示,福寿螺的潜在适生
区主要分布在 30° N以南地区,但其中也有部分地区地处 30°N以北.适生区面积占国土面积
的13.2%,广东、广西、湖南、重庆、浙江和福建沿海地区具有高度潜在入侵风险.本研究可以为福
寿螺的科学防控提供参考,并且对大尺度上外来水生生物的适生区预测具有一定的借鉴意义.
关键词 福寿螺; 生物入侵; 适生性; 模型评价; 种群扩散; 风险分析
本文由国家自然科学基金⁃广东省联合基金项目(u1131006)和农业部农业入侵防治项目(2130108)资助 This work was supported by the National
Natural Science Foundation of China⁃Guangdong Joint Funds (u1131006) and the Agricultural Invasion and Protection Project of Ministry of Agriculture
(2130108).
2015⁃09⁃08 Received, 2016⁃01⁃25 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: huyc22@ 163.com
Predicting the potential suitable distribution area of the apple snail Pomacea canaliculata in
China based on multiple ecological niche models. ZHANG Hai⁃tao1,2, LUO Du1,3, MU Xi⁃
dong1,3, XU Meng1,3, WEI Hui1,3, LUO Jian⁃ren1,3, ZHANG Jia⁃en4, HU Yin⁃chang1,3∗ ( 1Pearl
River Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences / Key Laboratory of Tropical &
Subtropical Fishery Resource Application & Cultivation, Ministry of Agriculture, Guangzhou 510380,
China; 2College of Fisheries and Life Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, Chi⁃
na; 3Pearl River Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences / Key Laboratory of
the Conservation and Ecological Restoration of Fishery Resource in Pearl River, Chinese Academy of
Fishery Sciences, Guangzhou 510380, China; 4Institute of Tropical and Subtropical Ecology, South
China Agricultural University, Guangzhou 510642, China) .
Abstract: The high⁃risk invasive apple snail Pomacea canaliculata has greatly threatened the agri⁃
culture, ecosystem integrity and public health. In order to provide scientific evidence for effective
prevention and control of P. canaliculata, a most suitable ecological niche model was selected to
predict the potential suitable distribution areas of P. canaliculata in China. Based on 377 reported
occurrence points and 19 bioclimatic variables, four ecological niche models, MaxEnt, GARP,
BIOCLIM, and DOMAIN, the potential geographic suitable distribution areas were predicted for the
invasive snail. Then, the results of different models were analyzed and compared with two statistical
criteria, the area under the Receiver Operating Characteristic curve (AUC) and Kappa value. The
应 用 生 态 学 报 2016年 4月 第 27卷 第 4期 http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Apr. 2016, 27(4): 1277-1284 DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201604.027
results showed that all of the four ecological niche models could simulate the snail’ s distributions
very well. More specifically, the MaxEnt model outperformed the others in all aspects of predicting
the snail’s potential distribution (AUC= 0.955±0.004, Kappa= 0.845±0.017), followed by GARP
and DOMAIN. Although BIOCLIM offered the lowest prediction accuracy, its AUC was 0. 898 ±
0.017 and its Kappa value was 0.771±0.025. Based on the MaxEnt model, the prediction results
showed that the potential suitable distribution areas of P. canaliculata were mainly located in the
south of 30° N in China, but there was some regions spreading over the north of 30° N. The poten⁃
tial areas accounted for 13.2% of the national land in area. Notably, Guangdong, Guangxi, Hunan,
Chongqing, Zhejiang and the coastal areas of Fujian were potentially high⁃risk areas. In conclusion,
this study would be an important reference for the prevention and control of the invasive apple snail
P. canaliculata and it also would be an example of predicting the potential distribution of aquatic
alien species on large scale.
Key words: Pomacea canaliculata; biological invasion; adaptability; model evaluation; population
dispersal; risk analysis.
外来生物入侵作为全球环境问题之一,对生物
多样性、生态环境、社会经济和人类健康造成了严重
的危害,受到了全世界的广泛关注[1] .我国是遭受生
物入侵最严重的国家之一,外来有害物种有 520 余
种[2],每年经济损失高达 500亿元,这种影响仍在加
剧.福寿螺(Pomacea canaliculata)原产于南美洲亚
马逊河流域[3],是世界 100 种恶性外来入侵物种之
一[4] .1981年作为一种水产经济动物引入我国,后
被迅速引种至全国各地.由于味道不佳遭到弃养,迅
速扩散并形成自然地理种群,造成了严重的生态和
经济损失[5] .此外福寿螺还携带广州管圆线虫(An⁃
giostrongylus cantonensis),威胁人类健康[2] .在 2003
年被国家环保总局列入首批入侵中国的 16 种“危
害最大的外来物种”之一.鉴于此,国内外许多学者
对福寿螺的形态变异和生活史特征[6]、生态幅[7]、
繁殖传播特性[8]、种群遗传结构[9]、综合防治[10]、转
化利用技术[11]做了大量的研究,这些研究对建立有
效的综合防控技术体系提供了科学数据.
早期的决策和对适生区的预测是防止外来物种
福寿螺进一步扩散和减少入侵危害的有效手段[12] .
目前对于福寿螺分布的研究主要是利用其生物学特
性和环境因素来判断福寿螺的分布区域.例如 Bae
等[13]基于福寿螺对温度的耐受性的特点,研究了全
球气候变暖的条件下福寿螺在韩国可越冬区域的分
布,结果显示福寿螺未来可越冬区的范围逐渐变大.
何铭谦等[14]基于福寿螺生长发育的特点和广东地
区水稻的种植分布情况,利用 GIS 技术对福寿螺在
广东地区的潜在生境进行划分.刘雨芳等[15]基于湖
南省福寿螺分布现状,利用 GIS mapinfo绘制出福寿
螺在湖南省的入侵扩散预警图.以上的研究数据为
我们在大尺度上预测适生区提供了数据.
生态位模型是利用已知的物种分布数据和相关
环境变量,根据构建的模型判断物种的生态需求,并
将运算结果投射至不同的时空中以预测物种的实际
分布(actual distribution)和潜在分布(potential distri⁃
bution) [16],别称有物种分布模型、物种预测模型、生
境预测模型等.近年来生态位模型已越来越广泛地
用于预测入侵生物的适生区,指导外来物种早期入
侵预警决策的制定和入侵后的科学防控[17-18] .外来
入侵生物适生区的预测主要是利用已知的物种分布
信息和相关的环境数据,基于生态位理论,得出物种
的生态位需求,预测物种的适生区[19] .主要的常用
生态位模型有 GARP 模型、MaxEnt 模型、BIOCLIM
模型、DOMAIN模型等.生态位模型的适用性因物种
差异而不同,然而截至目前仍然未见有基于环境数
据并利用多种生态模型对福寿螺潜在适生区预测的
比较研究.仅有 Byers等[20]报道通过 MaxEnt模型结
合表水的 pH值,预测了另一种福寿螺 P. insularum
在美国的潜在适生区,结果表明,P. insularum 主要
分布在美国东南沿海地区.本研究试图通过比较分
析 GARP、BIOCLIM、DOMAIN和 MaxEnt等 4种生态
模型的预测效果,找到一种预测福寿螺在中国潜在
分布的最优模型,并分析福寿螺在中国的潜在分布,
为福寿螺的风险预警和科学防控提供参考.
1 材料与方法
1 1 材料
1 1 1福寿螺分布数据的收集和处理 通过资料调
查的方法收集福寿螺在中国分布点的信息.一部分
数据来自中国外来入侵生物数据库( http: / / www.
chinaias.cn / );另一部分通过收集整理 1985 年以来
发表的学术论文和统计年鉴中有关福寿螺在中国的
8721 应 用 生 态 学 报 27卷
分布信息,共获得有效地点 337个,通过地名数据库
(http: / / geonames.nga.mil / namesgaz / )确定分布点的
坐标信息并在 Google Earth上加以确认.建立福寿螺
在中国的分布点集数据库,并将福寿螺的分布数据
保存为 shp和 csv格式.
在 DIVA⁃GIS软件中,利用 Sample Points 工具,
设置 75%的已知分布点集和 10 倍于已知分布点集
的伪不存在点集,随机生成 10组训练数据集和对应
的测试数据集[21] .
1 1 2环境数据的收集和处理 本文使用的环境数
据采用 30 s的 Worldclim v1.4 生物气候数据集(ht⁃
tp: / / www.worldclim.org / ) .环境数据利用 ArcGIS 的
Conversion Tools工具转换成 ESRI ASCII 格式,并利
用 1 ∶ 400万的中国地图作为分析底图,对环境数据
进行中国区域的提取.Worldclim 生物气候数据集包
括 19个环境变量(表 1).
1 1 3底图数据 本文使用的中国底图数据来自
国家基础地理信息系统(http: / / nfgis. nsdi. gov. cn / )
1 ∶ 400万的中国矢量地图.
1 1 4 相关软件 MaxEnt 软件(3.3.3k)由 Phillips
等[22]首次提出,利用最大熵模型,通过已知的物种分
布地和多种环境数据预测物种的可能分布范围,下载
自http: / / www.cs.princeton.edu / ~ schapire / maxent / .
表 1 中国 19个生物气候数据变量
Table 1 19 bioclimatic variables of China
变量
Variable
描述
Description
BIO1 年均温 Annual mean temperature
BIO2 昼夜温差月均值 Mean diurnal range [mean of monthly
(maximum-minimum)]
BIO3 等温性 Isothermality (BIO2 / BIO7) (∗100)
BIO4 温度季节性变化标准差 SD of temperature seasonality
BIO5 最暖月最高温度 Maximum temperature of warmest month
BIO6 最冷月最低温度 Minimum temperature of coldest month
BIO7 年均气温变化范围 Temperature annual range (BIO5-BIO6)
BIO8 最湿季度平均温度 Mean temperature of wettest quarter
BIO9 最干季度平均温度 Mean temperature of driest quarter
BIO10 最暖季度平均温度 Mean temperature of warmest quarter
BIO11 最冷季度平均温度 Mean temperature of coldest quarter
BIO12 年均降水量 Annual precipitation
BIO13 最湿月降水量 Precipitation of wettest month
BIO14 最干月降水量 Precipitation of driest month
BIO15 降水量季节性变异系数 Coefficient of variation of preci⁃
pitation seasonality
BIO16 最湿季度降水量 Precipitation of wettest quarter
BIO17 最干季度降水量 Precipitation of driest quarter
BIO18 最暖季度降水量 Precipitation of warmest quarter
BIO19 最冷季度降水量 Precipitation of coldest quarter
Desktop Garp软件(1.1.6)是一个基于 GARP 遗传算
法,用于物种预测和分析物种分布的软件包,下载自
http: / / www.nhm.ku.edu / desktopgarp / Download.html.
DIVA⁃GIS软件(7.5)是一款用于地理制图和地理数
据分析的软件,下载自 http: / / www. diva⁃gis. org /
download,用于福寿螺分布数据集的采样和 BIO⁃
CLIM、DOMAIN模型分析.ArcGIS 10.1 是由 ESRI 公
司开发的一个全面的地理信息系统平台,用于图层
合并、数据转换等.
1 2 预测方法
1 2 1 MaxEnt模型 应用 MaxEnt 软件(3.3.3k),导
入 10组 csv格式的训练数据集和 asc格式环境数据
集,开启刀切法(Jackknife)来评价各环境因子的权
重,结果以 asc格式输出.
1 2 2 GARP 模型 首先在 Garp Dataset Manager 中
将 asc格式环境数据集转换成 RAW格式的数据,然
后在 Desktop GARP 中进行 GARP 模型的运行.在
Species List 中添加训练数据集,在 Environmental
Layers中添加环境数据集.设定训练数据比例为
100%,循环次数为 20 次.从循环产生的运行结果中
选择测试精度(TestAcc)最高的 10 个最优预测结
果,以 ESRI栅格图形式输出,并在 ArcGIS中进行叠
加得到[0,10]的结果图层.
1 2 3 BIOCLIM模型和 DOMAIN模型 BIOCLIM模
型利用已知的物种分布资料和环境数据产生以生态
位为基础的物种生态需求,探索物种已知分布区的
环境特征与研究区域的非随机关系.DOMAIN 模型
利用 Gower算法通过点和点之间的相似矩阵来计算
目标点上环境变量的适宜程度,最终确定物种的分
布范围[23] .应用 BIOCLIM 和 DOMAIN 模型预测时,
首先在 DIVA⁃GIS中将 19个生物气候数据图层转换
成 grd格式,再生成 stack数据集.然后添加 shp格式
的训练数据集,在 Modeling⁃Bioclim / Domain 模块中
添加 stack 格式的环境数据集,进行 BIOCLIM 和
DOMAIN模型的预测,选择 CLASS_REP 字段作为
匹配项[24] .
1 3 模型结果显示
根据 BIOCLIM、DOMAIN和 MaxEnt模型默认等
级划分,参考 Yun[25]对物种适生区的等级划分,利
用 ArcGIS软件将各模型的预测结果以地图的形式
显示,并将预测结果划分为 6个适生等级区域,即最
佳适生区、较高适生区、适生区、低适生区、边缘适生
区和非适生区.各个模型的对应适生等级划分如表 2
所示.
97214期 张海涛等: 应用多个生态位模型预测福寿螺在中国的潜在适生区
表 2 模型的适生等级划分
Table 2 Classification of suitable areas for each model
适生等级 Suitable rank BIOCLIM DOMAIN GARP MaxEnt
非适生区
Unsuitable area
0 -42~50 0 0~0.15
边缘适生区
Marginally suitable area
1~25 51~90 1~2 0.16~0.30
低适生区
Lowly suitable area
26~50 91~95 3~4 0.31~0.45
适生区
Suitable area
51~100 96~97 5~6 0.46~0.60
较高适生区
Highly suitable area
101~200 98~99 7~8 0.61~0.75
最佳适生区
Excellently suitable area
201~385 100 9~10 0.76~1
1 4 模型精度验证
采用受试者工作特征曲线 ( receiver operating
characteristic curve,ROC曲线)和 Kappa统计量以验
证模型预测精度,其中 ROC曲线广泛用于雷达信号
的接收能力、医学诊断试验性能的评价[26]以及物种
潜在分布预测模型评价[27-29] .ROC 曲线下的面积即
为 AUC 值 ( area under curve). AUC 值取值范围
[0.5,1],AUC= 0.5说明模型是随机分布的,越接近
1,说明离随机分布越远,模型预测的结果越准
确[30] .
Kappa统计量也是一种广泛用于模型评价的方
法[31] .其综合考虑了物种分布率、灵敏度和特异度,
取值范围为[-1,+1],当 Kappa 统计量为 1 时表示
预测模型理想,等于或小于 0 时表示模型预测效果
没有随机模型好[32] .
将 4 种模型的预测结果和 10 组测试数据集导
入到 DIVA⁃GIS中,利用 ROC 曲线分析和 Kappa 统
计量的分析模块计算 AUC值和 Kappa统计量.
2 结果与分析
2 1 不同生态位模型预测结果的比较
总体来讲,4种生态位模型的预测结果显示,福
寿螺在我国的潜在适生区主要分布在我国南方地区
(图 1).BIOCLIM的预测结果表明,福寿螺的最佳适
生区主要分布在广西中东部、广东东部和西北部、福
建和浙江南部、江西中南部.DOMAIN 的预测结果较
为分散,福寿螺的最佳适生区主要在广西、广东、湖
南、浙江、云南、四川、重庆、海南.GARP 预测的福寿
螺的最佳适生区分布范围最广,分布在广西、广东、
江西、福建、浙江、湖南中东部、湖北东部、云南中南
部、四川东部、重庆西部、安徽境内和湖北、江西交接
图 1 基于 4种生态位模型预测的福寿螺在我国的潜在适生区
Fig.1 Potential suitable distributions of Pomacea canaliculata in China based on BIOCLIM, DOMAIN, GARP and MaxEnt models.
Ⅰ: 非适生区 Unsuitable area; Ⅱ: 边缘适生区 Marginally suitable area; Ⅲ: 低适生区 Lowly suitable area; Ⅳ: 适生区 Suitable area; Ⅴ: 较高适
生区 Highly suitable area; Ⅵ: 最佳适生区 Excellently suitable area. 下同 The same below.
0821 应 用 生 态 学 报 27卷
地区、海南中部、台湾西北部.MaxEnt 的预测结果表
明,福寿螺的最佳适生区主要分布在广西、广东中西
部、湖南东南部、江西西南部、浙江东部、云南南部、
四川东南部、重庆西部.
4种模型的预测结果中,DOMAIN 模型对福寿
螺适生区预测的范围最大,占全国土地面积的
16 8%.GARP 对福寿螺最佳适生区的预测范围最
大,达到了全国土地面积的 10.8%.4 种模型对福寿
螺适生区预测的结果中,均在贵州、湖南西北部一带
出现一个明显的非适生区将四川东南部和重庆的适
生区与其他地区隔开.
2 2 模型评价
从图 2可以看出,4 种模型的 AUC 均值(mean
AUC) 分别为 BIOCLIM 0. 898 ± 0. 017、 DOMAIN
0 942±0.003、GARP 0. 925 ± 0. 006、MaxEnt 0. 955 ±
0 004,均显著大于随机分布模型的 AUC 值(AUC =
0 5),并且 DOMIAN、GARP 和 MaxEnt 的 AUC 值均
在 0.9以上,说明 4 种模型对福寿螺适生区的预测
效果均好于随机分布模型,且有较高的诊断价值.
MaxEnt模型的 AUC值最大,说明其预测效果最好.
4 种生态位模型的最佳预测结果分析表明:
MaxEnt模型最高,AUC值为 0.955;BIOCLIM模型最
低,AUC 值为 0. 898. 4 种模型 AUC 值的标准差为
BIOCLIM > GARP > MaxEnt > DOMAIN.对 4种模型
进行 F检验,模型之间差异显著(P<0 05);多重比
较结果显示,各模型两两之间差异显著(P<0.05).
综上所述,模型预测的总体水平以 MaxEnt 模型最
高,模型预测结果的离散程度以 DOMAIN 最小,
MaxEnt其次.综合比较,MaxEnt 模型的效果最好,
DOMAIN其次.
Kappa统计量与AUC值结果类似,且两个判断
图 2 4种生态位模型之间的 AUC值和 Kappa统计量比较
Fig.2 Comparisons of AUC and Kappa values among the four
ecological niche models.
图 3 4种生态位模型的 AUC⁃Kappa关系
Fig.3 Relationship of AUC and Kappa of the four ecological
niche models.
参数之间具有良好的相关性和一致性.将 4 种模型
的 AUC值和 Kappa统计量作双向误差散点图,结果
如图 3所示.二者总体变化趋势是 AUC值越大,对应
的 Kappa 统计量越大,但是 DOMAIN 的 AUC 值较
GARP 的略大,其Kappa统计量却比GARP 的略小.图
中越靠近右上角的点,说明模型的预测结果越理想,
可以看出,4种模型中 MaxEnt的预测效果最好.
2 3 福寿螺在中国的适生区
根据模型评价的结果,选择 MaxEnt 模型,使用
全部的 337个已知分布点数据对福寿螺在中国的潜
在适生区进行预测.结果表明,福寿螺在中国的适生
区主要集中在南方各省,如广东、广西、福建、江西、
湖南、云南、海南、重庆、四川等省.福寿螺在我国的
非适生区占 86.8%,适生区占 13.2%,主要集中在我
国南方地区;其中适生区等级以上区域占 5.1%,主要
分布在南方沿海地区、广东、广西、湖南东南部、江西、
四川东部和云南南部,低适生区和边缘适生区占
8 1%,主要分布在广东、广西、福建、江西、浙江、云
南、江苏南部、湖南东部、贵州南部和四川东部(图 4).
3 讨 论
应用生态位模型预测物种潜在适生区的前提是
假设物种的生态位需求是保守的,但是由于入侵物
种的生态位有时会发生漂移,应用源产地的分布数
据来预测入侵地的潜在分布可能会带来偏差[33],且
福寿螺已经在我国南方大部分地区定殖[34] .因此,
本研究对福寿螺在中国的适生区预测中,采用福寿
螺在中国的分布数据,可以减少由于入侵物种生态
位的漂移产生的误差,提高适生区预测的可靠性.
ROC曲线和 Kappa 统计量广泛应用于物种分
布模型的评价[35-36] ,如Qin等[37]用ROC曲线评价
18214期 张海涛等: 应用多个生态位模型预测福寿螺在中国的潜在适生区
图 4 福寿螺在中国的潜在适生区
Fig.4 Potential suitable distribution of Pomacea canaliculata in China.
了 MaxEnt 和 GARP 模型对入侵生物南美蟛蜞菊
(Wedelia trilobata)适生区预测的效果.Koo 等[38]利
用 ROC曲线和 Kappa 统计量评价了气候模型对常
绿木本植物在韩国分布的预测效果.因此本研究采
用 ROC曲线和 Kappa 统计量对 4 种生态位模型的
预测精度进行评价,通过 10 组数据的 AUC 值和
Kappa值来验证模型的稳定性,两种方法都表现出
了很好的稳定性,且两种方法对模型的评价结果基
本一致.另外,在对物种的适生区进行模拟预测时,
还应考虑已知物种分布点的分布情况和环境因子变
量的选择[39] .分布点数据收集的越多对模型训练越
有利,此外还可提高训练数据的比例来达到相同的
效果[40] .为更加有利于模型预测效果的提高,环境
变量数据的选择应尽量根据物种的生物学特性和生
活习性来进行.
4种生态位模型对福寿螺在中国的潜在适生区
预测均有较好的效果,都可以被用于预测其在中国
的潜在适生区.对其他外来物种在中国的适生区预
测具有一定的参考价值.从评价结果可以看出:尽管
每种模型选取的分布数据和环境数据均相同,但是
两两模型之间均存在显著差异.推测其原因可能是
由于每种模型算法的不同导致了预测结果的差异.
MaxEnt模型采用的是最大熵算法[22];BIOCLIM 模
型采用的是环境包络 ( environmental envelope)理
论[18];DOMAIN 模型利用的是 Gower 算法[23];
GARP 模型采用的是预测规则的遗传算法[41] .这种
差异性在入侵生物黄顶菊的适生区的预测中也有所
体现[24] .
MaxEnt 模型相对于其他模型 ( GARP、 BIO⁃
CLIM、DOAMIN)表现出了最好的预测效果.与此对
应,Elith 等[36]比较研究了 16 种生态位模型对 226
个物种的适生区预测效果,其研究也表明 MaxEnt模
型比 BIOCLIM、DOMAIN和 GARP 有更好的预测效
果.同时,MaxEnt 模型在对其他外来生物如斑马贝
(Dreissena polymorpha)的生境预测中也表现出了突
出的效果[42],因此 MaxEnt 模型是预测许多外来物
种适生区的首选模型.但是,并不能说明 MaxEnt 模
型在对物种适生区预测上就一定比其他生态位模型
的效果好.由于不同物种的生活习性、适应性等不
同,预测时用到的环境变量不同,所以其预测的效果
可能有差异[43] .因此在对水生动物福寿螺的潜在适
生区进行预测时,对最佳模型的选择和验证是十分
必要的.气候、地形地貌、生态系统类型、栖息地小生
境等都是影响福寿螺潜在分布的重要因素,但是气
候因子是决定生物分布的首要因素,在大尺度上起
决定性作用[44] .因此本研究采用的分析方法主要考
虑生物气候因子,但是当预测福寿螺在某一具体区
域的适生性时,则应充分考虑福寿螺与其他各种因
素之间的相互关系,综合分析福寿螺的潜在适生区.
从研究结果中可以看出,福寿螺的潜在适生区
主要分布在我国 30° N 以南地区,部分地区跨过了
30°线.随着全球气候变暖,气温升高,福寿螺可以越
冬的区域增加,因此福寿螺的适生区有向北扩散的
趋势[45] .同时,福寿螺的潜在适生区在贵州省出现
一个带状的真空区域,可能是由于该地的山区、高原
等地理因素的影响,且冬季受到南下冷空气的影响,
导致冬季的气温低且雨雪冰冻灾害严重[46-47] .福寿
螺在 8 ℃条件下休眠、6 ℃以下即可致死,因此其无
法在此区域定殖[48] .而四川东部和重庆地区的气温
相对较高,冬季冰雪天气较少,给福寿螺的越冬和繁
殖提供了良好的温度基础,因此福寿螺可以成功定
殖.这就造成了福寿螺的适生区在贵州省出现一个
真空地带的分布状况.
研究表明,福寿螺在广东、广西、湖南、重庆、浙
2821 应 用 生 态 学 报 27卷
江和福建沿海地区较为严重,这与最初福寿螺引种
养殖的地区基本一致[4] .从这个意义上说,应用模型
预测入侵物种在入侵地的潜在分布对于发现其潜在
的初始定殖地区具有重要的参考价值,及早发现和
早期预警具有重要意义.考虑到福寿螺对农业生产
和生态环境产生的巨大危害,将福寿螺的潜在适生
区与我国水稻种植区对比发现,在大尺度上30° N以
南地区福寿螺的潜在适生性与水稻种植面积有一定
的相关性[49] .可以预见,随着福寿螺的进一步扩散,
将会给农业生产和生态系统产生更加深远的影响.
适生等级为边缘适生区和低适生区的地区,有可能
是福寿螺进一步入侵和扩散的地区.由于福寿螺运
动能力较弱,自然状态下的种群扩散主要属于被动
扩散,水流传播和人为携带运输是其主要传播途径,
这些地区应加强对福寿螺入侵的防范,防止其入侵
种群随水流和人为方式扩张,并且要列为福寿螺的
重点防范区,加强对福寿螺的监测,一旦发现及时杀
灭.因此,通过利用生态位模型对福寿螺在中国的适
生区的研究表明:借助外来物种发生数据,采用
MaxEnt生态位模型和地理信息系统,对福寿螺在中
国大陆的潜在适生区进行预测,预测的精度高,研究
方法对大尺度上的外来物种在中国的生境预测具有
一定的借鉴意义.
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作者简介 张海涛,男,1989 年生,硕士研究生.主要从事水
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责任编辑 肖 红
张海涛, 罗渡, 牟希东, 等. 应用多个生态位模型预测福寿螺在中国的潜在适生区. 应用生态学报, 2016, 27(4): 1277-1284
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