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Potential distribution of Tausch’s goatgrass (Aegilops tauschii) in both China and the rest of the world as predicted by MaxEnt

基于MaxEnt的麦田恶性杂草节节麦的潜在分布区预测



全 文 :书基于 犕犪狓犈狀狋的麦田恶性杂草节节麦的
潜在分布区预测
房锋1,2,张朝贤1,黄红娟1,李燕3,陈景超1,杨龙1,魏守辉1
(1.中国农业科学院植物保护研究所 农业部作物有害生物综合治理重点实验室,北京100193;2.山东省农业科学院
植物保护研究所,山东 济南250100;3.山东省农业科学院高新技术研究中心,山东 济南250100)
摘要:节节麦是麦田恶性杂草,明确节节麦在全球及中国的潜在分布对有效控制其扩散蔓延有重要的指导意义。
利用 MaxEnt生态位模型对节节麦在全球及中国的潜在分布进行了预测。结果表明,西亚、中东、欧洲东南部和非
洲北部地中海沿岸是节节麦在全球的主要适生区;节节麦在我国的适生区主要分布在冬小麦主产区河南、河北、山
东、山西西南部、陕西关中平原、宁夏中南部、甘肃东南部、湖北、江苏和安徽北部。节节麦在全球的潜在分布区主
要分布于北纬30°~45°的冬小麦主产区。随着全球气候的变化,温室气体在 A1b排放情景下,到2050年,节节麦
的潜在分布范围将有扩大趋势;A2a和B2a排放情景下,节节麦低风险区和中风险区则有缩减趋势,但高风险区变
化不明显。
关键词:节节麦;MaxEnt;潜在分布;预测
中图分类号:S451.22+1  文献标识码:A  文章编号:10045759(2013)02006209
  节节麦(犃犲犵犻犾狅狆狊狋犪狌狊犮犺犻犻)主要分布于地中海气候的非洲北部、欧洲南部及包括外高加索在内的亚洲西南
部[1]。在我国,节节麦首先在黄河中部地区和新疆伊犁河两岸发现分布,是一种进境危险性杂草[2,3]。随种子自
由贸易、引种、调种和大型联合收割机的跨区作业,以及麦田除草剂的使用导致杂草群落演替,节节麦在我国冬小
麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)种植区成为危害最重的恶性杂草之一[4]。近年来节节麦在河北、河南北部、山西西南部、
陕西关中平原以及山东部分地区的麦田发生严重,发生面积正在迅速扩大,给我国小麦生产带来严重危害,造成
巨大经济损失。因此,开展对节节麦在全球及我国的适生性研究是十分有必要的。
随着气候变化对全球生态影响的不断加剧,人们愈发关注气候变化。而全球变暖作为气候变化问题的代表,
尤为受到关注[5]。2007年11月17日,在西班牙通过的政府间气候变化专门委员会(IPCC)《第四次评估报告》
(AR4)分析表明,最近100年(1906-2005年)的温度线性趋势上升了0.74℃(0.56~0.92℃),这一趋势高于《第
三次评估报告》(AR3)给出的0.6℃(0.4~0.8℃)。据预测,到2100年全球温度比1990年上升1.4~5.8℃,是
20世纪上升值的2~10倍,我国气候到2050年平均上升2.2℃,降水也将随之变化[6]。
气候是决定物种地理分布范围的最主要因素[7],气候变暖可能造成物种分布范围的扩大(如生物入侵)、转移
和缩小(如物种灭绝)。同时对农作物需水量也有着不同的影响,近年来的观察也表明了这一趋势[811]。在气候
变化的动态环境影响下对生物分布区域进行预测是我们所面临的一个挑战[12]。
最大熵模型(maximumentropymodel,MaxEnt)主要通过物种已知分布数据和环境数据找出物种概率分布
的最大熵,从而对物种的分布进行估计和预测[13]。对其预测结果进行AUC(areasundercurve)分析后显示,其
结果要优于同类预测模型如GARP、CLIMEX和BIOCLIM,特别是在物种分布数据不全的情况下,MaxEnt仍然
能得到较为满意的结果[14]。因此,本研究利用 MaxEnt软件对目前和未来2050年气候变暖情况下节节麦在全
球及中国的潜在分布进行了预测,为明确该杂草在全球及中国的潜在分布区域及其变化趋势,进一步控制其扩散
蔓延提供重要依据。
62-70
2013年4月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第22卷 第2期
Vol.22,No.2
收稿日期:20120312;改回日期:20120405
基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD19B02)和公益性行业(农业)科研专项(200903004)资助。
作者简介:房锋(1982),男,山东宁阳人,在读博士。Email:weedfang@163.com
通讯作者。Email:shwei@ippcaas.cn
1 材料与方法
1.1 软件来源
MaxEnt软件在 MAXENT主页(http://www.cs.princeton.edu/~schapire/MaxEnt/)下载,版本为3.3.1
版。GIS软件采用ArcGIS9.3,由中国农业科学院植物保护研究所提供。
1.2 环境数据
环境变量:环境数据采用 WORLDCLIM(http://www.worldclim.org/)下载的当前(1950-2000年监测数
据)以及2050年3种温室气体排放情景下气候变暖的19个生物气候变量(表1),数据空间分辨率为5min。
表1 犅犻狅犮犾犻犿19项数据描述列表
犜犪犫犾犲1 犆狅狀狋犲狀狋犻狀犳狅狉犿犪狋犻狅狀狅犳19犅犻狅犮犾犻犿犱犪狋犪
编号
Number
描述
Description
编号
Number
描述
Description
Bio1 年平均温度Annualmeantemperature Bio11 最冷季度平均温度 Meantemperatureofthecoldestquarter
Bio2 昼夜温差月均值 Monthlymeandiurnaltemperaturerange Bio12 年均降水量Annualaverageprecipitation
Bio3 等温性Isothermality[(Bio2/Bio7)×100] Bio13 最湿月降水量Precipitationofthewettestmonth
Bio4 温度季节性变化标准差Standarddeviationoftemperatureseasonalchange Bio14 最干月降水量Precipitationofthedriestmonth
Bio5 最暖月最高温 Maxtemperatureofthewarmestmonth Bio15 降水量变异系数CVofprecipitation
Bio6 最冷月最低温 Mintemperatureofthecoldestmonth Bio16 最湿季度降水量Precipitationofthewettestquarter
Bio7 年均温变化范围Rangeofannualtemperature Bio17 最干季度降水量Precipitationofthedriestquarter
Bio8 最湿季度平均温度 Meantemperatureofthewettestquarter Bio18 最暖季度降水量Precipitationofthewarmestquarter
Bio9 最干季度平均温度 Meantemperatureofthedriestquarter Bio19 最冷季度降水量Precipitationofthecoldestquarter
Bio10 最暖季度平均温度 Meantemperatureofthewarmestquarter
地图资料:从DIVA-GIS网站(http://www.divagis.org/)国家基础地理信息系统(http://nfgis.nsdi.
gov.cn/)下载1∶400万的中国行政区划图,作为中国分析的底图。
1.3 节节麦分布数据的收集与处理
节节麦分布数据的获取主要通过检索GBIF(全球生物多样性资讯机构)网站(http://www.gbif.org/)、中
国数字植物标本馆(http://www.cvh.org.cn/)、中国物种信息系统(http://www.chinabiodiversity.com/)、教
学标本标准化整理整合与资源共享平台(http://mnh.scu.edu.cn/)、查阅国内公开发表的论文以及本实验室近
几年的调查数据。根据 MaxEnt软件要求,将收集到的节节麦144个实际分布点按物种名、分布点经度和纬度顺
序生成后缀为.csv格式的文件。
1.4 研究方法
将节节麦分布数据和环境数据分别导入 MaxEnt的“Samples”和“Enviromentallayers”,随机选取25%的分
布点作为测试集(testdata),剩余的作为训练集(trainingdata)。MaxEnt通过节节麦实际分布点的环境变量建
立预测模型,再根据模型计算出节节麦在全球其他地方的适生指数。生成格式为ASCII栅格图层的分析结果,
将结果导入ArcGIS9.3后分别与世界行政区划图和1∶400万的中国行政区划图叠加,得到节节麦在全球和中
国的预测分布图。根据适生指数大小,将风险等级(risklevel,RI)划分为4级[1518],分别为高风险区(RI>
25.00)、中风险区(5.00<RI≤25.00)、低风险区(0.01<RI≤5.00)和非适生区(0.00≤RI≤0.01),使预测结果
分级显示。
2 结果与分析
2.1 节节麦在全球的适生性分析
根据目前节节麦在全球的分布数据,利用 MaxEnt软件,获得节节麦在全球的适生性分布结果见图1。全球
36第22卷第2期 草业学报2013年
节节麦分布的高风险地区主要包括西亚、中东、地中海沿岸的欧洲东南部和非洲北部、中国的黄河流域以及美国
中西部零星地区。中风险区主要是高度风险区向周边地区的延伸,包括美国中西部地区、欧洲中南部和中国的长
江中下游地区。
图1 节节麦在全球的适生区预测
犉犻犵.1 犘狅狋犲狀狋犻犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犜犪狌狊犮犺’狊犵狅犪狋犵狉犪狊狊犻狀狋犺犲狑狅狉犾犱
图2 节节麦在中国的适生区预测
犉犻犵.2 犘狅狋犲狀狋犻犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犜犪狌狊犮犺’狊犵狅犪狋犵狉犪狊狊犻狀犆犺犻狀犪
46 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.2
2.2 节节麦在中国的适生性分析
利用ArcGIS将 MaxEnt运行的结果和中国省级行政分区图叠加,得到节节麦在中国的适生性分布结果见
图2。根据目前节节麦的分布及气象条件,节节麦在我国高风险潜在分布区主要在冬小麦主产区的河南大部分
地区、河北中南部延伸至天津和北京、山东、山西西南部、陕西关中平原、宁夏中南部、甘肃东南部、湖北北部,以及
江苏和安徽北部、新疆伊犁河流域。中风险区分布范围进一步扩大,主要分布于上海、江苏、安徽、湖北、贵州、重
庆等省、市的大部分地区,辽宁西南部和辽宁半岛,四川东部,江西、内蒙古、甘肃、青海、新疆和西藏等省、自治区
的部分地区。上述结果表明,节节麦的适生范围非常大,几乎涵盖所有冬小麦种植区和部分春小麦种植区。
图3 犃1犫能源利用模式下2050年节节麦适生区预测
犉犻犵.3 犘狅狋犲狀狋犻犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犜犪狌狊犮犺’狊犵狅犪狋犵狉犪狊狊狌狀犱犲狉犃1犫犻狀2050
图4 犃2犪能源利用模式下2050年节节麦适生区预测
犉犻犵.4 犘狅狋犲狀狋犻犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犜犪狌狊犮犺’狊犵狅犪狋犵狉犪狊狊狌狀犱犲狉犃2犪犻狀2050
56第22卷第2期 草业学报2013年
2.3 2050年气候变暖情况下节节麦适生区变化
根据IPCCAR4,温室气体在A1b(各种能源之间的平衡)、A2a(较高能源需求)和B2a(较低能源需求)3种排
放情景下,2050年节节麦在全球的预测结果如图3~图5,和当前气候条件预测结果相比较,节节麦适生范围有
一定变化。在温室气体A1b排放情景下,节节麦在2050年的预测分布结果显示高风险区有增加趋势;中风险区
也有扩大趋势,尤其是美国,由中西部往东部蔓延明显。温室气体在A2a和B2a排放情景下,节节麦在2050年
的预测分布结果则有缩减趋势,但高风险区变化不大。
图5 犅2犪能源利用模式下2050年节节麦适生区预测
犉犻犵.5 犘狅狋犲狀狋犻犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犜犪狌狊犮犺’狊犵狅犪狋犵狉犪狊狊狌狀犱犲狉犅2犪犻狀2050
图6 犃1犫能源利用模式下2050年节节麦在中国的适生区预测
犉犻犵.6 犘狅狋犲狀狋犻犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犜犪狌狊犮犺’狊犵狅犪狋犵狉犪狊狊犻狀犆犺犻狀犪狌狀犱犲狉犃1犫犻狀2050
66 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.2
  2050年节节麦在中国的预测结果和全球预测趋势一致,如图6~图8,和当前气候条件预测结果相比较,温
室气体在A1b排放情景下,节节麦在2050年的预测分布结果显示高风险区有增加趋势,特别是江苏省北部和山
西省南部部分地区;中度风险区也有所变化,在浙江省、湖南省和内蒙古自治区有扩大趋势。温室气体在A2a和
B2a排放情景下,节节麦在2050年的预测分布结果表明中度风险区则有减小趋势,但高风险区变化不大,主要分
布在黄河流域和河北省等地区。
图7 犃2犪能源利用模式下2050年节节麦在中国的适生区预测
犉犻犵.7 犘狅狋犲狀狋犻犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犜犪狌狊犮犺’狊犵狅犪狋犵狉犪狊狊犻狀犆犺犻狀犪狌狀犱犲狉犃2犪犻狀2050
图8 犅2犪能源利用模式下2050年节节麦在中国的适生区预测
犉犻犵.8 犘狅狋犲狀狋犻犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犜犪狌狊犮犺’狊犵狅犪狋犵狉犪狊狊犻狀犆犺犻狀犪狌狀犱犲狉犅2犪犻狀2050
76第22卷第2期 草业学报2013年
2.4 精度检验
近年来,受试者工作特征曲线(receiveroperatingcharacteristiccurve,ROC)分析方法在物种潜在分布预测
模型评价中应用越来越广泛[1921]。ROC曲线下的面积为AUC值,AUC值因不受阈值影响,是目前最常用的模
型评价指标之一。一般认为AUC值0.5~0.7时诊断价值较低,0.7~0.9时诊断价值中等,大于0.9时诊断价
值较高[11]。本研究所得的AUC值为0.958(图9),在2050年3种排放情景预测中,AUC值分别为0.953,0.937
和0.956,比随机分布模型的AUC值(约为0.5)大,说明预测结果具有较高的可信度。
图9 犚犗犆曲线及犃犝犆值
犉犻犵.9 犚犗犆犮狌狉狏犲犪狀犱犃犝犆狏犪犾狌犲
3 结论与讨论
小麦是我国主要的粮食作物,在国家粮食安全、国民经济和人民生活中起重要作用。2000年以前,我国关于
节节麦作为麦田杂草的报道很少,主要是有关节节麦作为种质资源在小麦育种方面的应用报道,2000年以后关
于节节麦为麦田杂草的报道则越来越多。近十多年来,节节麦在我国冬小麦种植区逐渐成为危害最重的恶性杂
草之一,发生面积达33万hm2,且正在迅速蔓延,有泛滥成灾之势。给我国小麦生产带来严重危害,造成巨大经
济损失,也给国家粮食安全带来威胁[4]。段美生等[22]2005年报道在河北省南部一般造成冬小麦减产10%~
25%。
全球气候变化已经给人类社会和自然界的各个方面带来了巨大的影响。据IPCCAR4报告,气候是决定大
范围内物种地理分布的主要因素[7,8],随着全球气候变暖,很多物种有向高纬度地区扩散的趋势[11]。近年来一些
研究表明全球气温升高会扩大入侵物种的潜在适生区,增大其原有分布区丰度,如 Morrison等[23]预测红火蚁
(犛狅犾犲狀狅狆狊犻狊犻狀狏犻犮狋犪)在美国40~50年后的适生区域将比现有区域扩大5%,到21世纪末,这个数字则会大于
21%。因此,在进行入侵物种的适生区预测时应考虑未来气温升高对入侵物种潜在分布区的影响[24]。
根据IPCCAR4,排放情景特别报告(specialreportonemissionscenarios,SRES)[6]的几种情景近年来已被
运用到气候变化对物种分布的影响,如Skov和Svenning[25]采用Bl和A2两种排放情景研究了气候变化对欧洲
26种森林草本植物分布区的影响;Tuck等[26]采用AlFl、B1、A2和B2四种情景研究了气候变化条件下欧洲能源
作物的适生分布区差异。钟艮平[27]采用 AlFl、B1、A2和B2四种情景研究了银胶菊(犘犪狉狋犺犲狀犻狌犿犺狔狊狋犲狉狅狆犺狅
狉狌狊)在中国的适生区扩展趋势。岳茂峰等[28]采用A1b、B2a和A2a情景研究了五爪金龙(犐狆狅犿狅犲犪犮犪犻狉犻犮犪)在中
国的适生区变化。
86 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.2
本研究利用 MaxEnt模型对节节麦在全球及我国的适生区进行了预测,并选择了SRES中3种温室气体排
放情景A1b、A2a和B2a对节节麦2050年在全球和中国的可能适生区域进行了预测。研究结果表明节节麦主要
潜在分布区集中在北纬30°~45°的冬小麦主产区。根据已有报道和本实验室人员的调查,我国节节麦主要分布
在河北中南部、河南北部部分地区、山西临汾和运城、陕西关中部分地区和山东部分地区,尚未在全国小麦种植区
全面爆发。
鉴于节节麦在中国部分地区对小麦造成的严重损失以及快速蔓延的态势,从2007年起本实验室人员多次赴
北京、河北、河南、山东、山西、陕西、江苏、安徽等省、市麦田进行调查,开展了对节节麦生物生态学以及发生规律
等方面的研究,建立了有针对性的防控技术体系。各级政府、农机部门和有关人员应高度重视节节麦的防控,要
切实采取有效措施,阻断其传播扩散途径,遏制其发生危害,以确保我国粮食安全和农民增收。
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犘狅狋犲狀狋犻犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犜犪狌狊犮犺’狊犵狅犪狋犵狉犪狊狊(犃犲犵犻犾狅狆狊狋犪狌狊犮犺犻)犻狀犫狅狋犺犆犺犻狀犪犪狀犱
狋犺犲狉犲狊狋狅犳狋犺犲狑狅狉犾犱犪狊狆狉犲犱犻犮狋犲犱犫狔犕犪狓犈狀狋
FANGFeng1,2,ZHANGChaoxian1,HUANGHongjuan1,LIYan3,
CHENJingchao1,YANGLong1,WEIShouhui1
(1.InstituteofPlantProtection,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,KeyLaboratoryofIntegrated
PestManagementinCrops,MinistryofAgriculture,Beijing100193;2.InstituteofPlantProtection,
ShandongAcademyofAgriculturalSciences,Ji’nan250100,China;3.High&
NewTechnologyResearchCenterofShandongAcademyof
AgriculturalSciences,Ji’nan250100,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Tausch’sgoatgrass(犃犲犵犻犾狅狆狊狋犪狌狊犮犺犻犻)isaseriousweedworldwide.Determinationofthepotential
geographicaldistributionofTausch’sgoatgrassisanimportantfactorforeffectivelycontrolingthespreading
ofthisweed.ThepotentialdistributionofTausch’sgoatgrassinChinaandintherestoftheworldwerepredic
tedusingtheMaxEntmodel.WestAsia,theMiddleeast,theMediterraneancoastofsoutheasternEurope
andnorthernAfricaarethemainsuitableareasforgrowthofTausch’sgoatgrass.InChinathesuitableareas
aremainlydistributedinHenan,Hebei,Shandong,southwestofShanxi,GuanzhongPlainofShaanxi,the
centralandsouthofNingxia,southeastofGansu,northofHubei,JiangsuandAnhuiprovinces.Theglobal
potentialdistributionareaofTausch’sgoatgrassismainlybetween30°to45°degreesnorthinthelatitudeof
themainwinterwheatproducingareas.Astheglobalclimatechanges,thepotentialdistributionrangeof
Tausch’sgoatgrasswilvaryaccordingtodifferentemissionsscenarios.WithgreenhousegasesundertheA1b
emissionsscenario,by2050,thepotentialdistributionofTausch’sgoatgrasswilhaveatendencytoexpand,
whileunderA2aandB2aemissionsscenarios,thelowandmediumriskareaswiltendtodecrease,butthe
highriskareaswilnotchangesignificantly.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犃犲犵犻犾狅狆狊狋犪狌狊犮犺犻犻;MaxEnt;potentialdistribution;prediction
07 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.2