基于MaxEnt模型预测青海地区露地栽培香瓜茄适生区.pdf

青海农林科技问 题 探 讨 年第 期收稿日期:基金项目:青海省科技厅科技特派员专项()作者简介:侯智超()女硕士研究生内蒙古赤峰人主要研究方向为作物栽培与生理通讯作者:邵登魁男副研究员 :.杨世鹏男助理研究员 :.基于 模型预测青海地区露地栽培香瓜茄适生区侯智超王丽慧张广楠司 诚田雪珂孙 祝邵登魁 杨世鹏马本霞(青海大学青海 西宁 青海大学农林科学院青海 西宁.青海省海东市乐都区蔬菜技术服务中心青海 乐都)摘 要:本研究采用 结合 模型预测香瓜茄适生区预测结果 值为 影响香瓜茄分布的主要气候因子为:季节性温度变化标准差、年均温、最冷季度平均温度、海拔、昼夜温差与年温差比值气候因子累计贡献率为 香瓜茄潜在适生区为云贵高原云南省、黄土高原河西走廊和青海地区低海拔地区主要海拔分布范围在 总适生区面积占国土面积的 占青海省总面积的 年香瓜茄的潜在区将有所增加但主要潜在分布中心并不会大规模迁移关键词:香瓜茄适生区环境因素中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:.:香瓜茄()是茄科植物与番茄和马铃薯关系密切 推测香瓜茄的遗传起源中心位于哥伦比亚南部从哥伦比亚南部边界扩展到智利中部圣地亚哥 香瓜茄通常作为水果食用成熟果实具有独特的果香部分品种被作为蔬菜 香瓜茄含水量较高(占鲜重的)热量低(/)具有抗氧化、降血糖、消炎和抗肿瘤的特性 深受大众喜爱 香瓜茄引入中国 余年栽培历史较短起初仅在南方种植近年来逐渐向北方扩展但在青海高原还未有露天种植的报道 青海省平均海拔 以上夏季冷凉适宜露地种植的草本水果很少因此本研究对于青海高原地区发展露地果品种植产业具有重要探索意义 气候因素是决定物种分布范围的最重要因素植物对气候响应十分敏感 现有报道香瓜茄仅在云贵高原南部低海拔低纬度区种植青藏高原的适生区研究未见报道 青海地区属于高原大陆性气候类型周年温度低、昼夜温差大、降水少且集中、日照时间长、太阳辐射强等特点生态系统脆弱 而随着全球气候变暖青海地区也有大幅度的气候变暖气候变暖促进了耕地面积的扩大导致整个青海地区作物种植类型和面积扩展 模型因其运行用时少、操作简便、性能好、精度高等优点应用最广泛 而且 模型考虑更多的社会经济因素比它可以确定优先领域减少人类活动与自然生态之间的矛盾、尽量减少人类活动对物种的影响 模型更加强调基于自然环境变量(如温度、降水和土壤)的物种分布的适宜性 据报道 模型在生态预测方面取得精准的结果可为改善生态物种分布以及明确生态气候变化提供理论依据除此之外还成功应用于预测水稻作物的适宜性模型计算 年中国夏玉米气候分布模拟中国马铃薯气候适宜性变化等预测结果客观准确还可以有效避免模型过拟合造成结果出现偏差 这类研究可以对农作物潜在的种植区进行预测以及对种植区面积的估算同时还可以为作物产业化种植等提供理论依据本研究以香瓜茄为研究对象利用最大熵模型 对香瓜茄在青海省的潜在分布进行预测结合 软件划分香瓜茄适生等级明确香瓜茄适生区气候特点和关键影响因子以期为优化香瓜茄区域生产布局和充分利用区域农业资源提供参考 材料与方法 数据来源研究材料为青海省农林科学院提供品种青甜香 分布数据主要来源于文献搜集和全球多样性信息网(:/./)数据库共 个采样点将采样点的经纬度输入 转换为 格式保存 环境数据来源于(:/.)的 个环境变量包括 个气候因子和海拔输入模型格式为 格式 所需要的行政区划图(万)来源于国家基础地理信息系统网站(:/./)环境变量的处理本研究应用的软件为最大熵模型 .版本 版本 输入 数据为采样点经纬度以及环境变量数据 为避免出现过拟合现象挺高模型的精确度对环境数据在使用前进行筛选分析环境变量之间的相关性分析各环境因子的贡献率去除高度相关且贡献率较小的环境因子 环境因子贡献率需使用 的 法判断 模型的使用将搜集的 个采样点经纬度以 格式输入模型的 将筛选出的环境因子通过 转换为 格式输入模型的 设置参数选择 等选项 设置为 测试集为训练集为 重复次数为 次开始运行 模型预测精度以 曲线下面积 值判断以自然间断点分级法将 分为以下四类:(失败)(较差)(一般)(良好)当 小于 时一般认为模型不可使用 适生等级划分通过 软件划分适生等级将 预测结果输出为 格式输入 利用软件的重分类功能将适生等级划分为四级分别为低潜力适生区、一般潜力适生区、优秀潜力适生区以及高潜力适生区 以不同颜色标注插入指北针、图例、比例尺得到香瓜茄适生范围划分图 结果与分析 模型精度评价在模型预测过程中通常应用受试者工作特征曲线()下面积 值来判定模型预测精确度 本预测进行了 次运算选取第 次结果进行分析可最大限度的减小误差 值越大表明模型预测可靠性越强其评价标准为:模型不可靠 模型可靠性较差 模型可靠性一般 模型可靠性较好 模型可靠性优秀 值越接近 证明物种的地理分布与环境变量越相关模型预测结果越准确 本次预测过程中十次运算结果显示:值为 高于 (图)证明预测结果可靠为后续分析提供准确的评判图 香瓜茄分布模型的可靠性测试 环境因子筛选研究本研究共选择 个环境变量(表)根据环境因素相关性和刀切法检验各环境变量对模型精度的重要性根据各变量的贡献率筛选出以下环境变量:(季节性温度变化标准差)、(年均温)、(最冷季度平均温度)、(海拔)、(昼夜温差与年温差比值)在所有环境变量内当(海拔)缺少时模型的增益值下降最多说明海拔具备其它变量没有的信息对模型的精确度有不可替代的作用(图)而(气温季节性变动系数)贡献率为 、(年均温)贡献率为、(最冷季度平均温度)贡献率为 、(海拔)贡献率为 、(昼夜温差与年温差比值)贡献率为、以上各个环境变量贡献率均在 以上累积贡献率达到 对模型的贡献最大是非常重要的环境变量(表)由此可见温度和海拔对香瓜茄生长极为重要香瓜茄适宜在高海拔地区生长但是海拔过高会对香瓜茄的生长有一定的威胁表 研究中使用的环境因子缩写环境因子单位年平均气温平均气温日较差昼夜温差与年温差比值气温季节性变动系数最热月份最高温度最冷月份最低温度气温年较差最湿季度平均温度最干季度平均温度最暖季度平均温度最冷季度平均温度年降水量最湿月份降水量最干月份降水量降水量季节性变化最干季度降水量最湿季度降水量最暖季度降水量最冷季度降水量海拔图 法检验环境因子重要性表 环境因素贡献率环境因子贡献率()环境因子贡献率()香瓜茄适生区预测如图所示根据自然断点法对香瓜茄适生区进行等级划分共分为四级:高适生区、中适生区、低适生区、不适生区 在中国高适生区主要集中分布在云贵高原的云南地区、青藏高原的藏南地区和柴达木盆地 这与香瓜茄在高海拔地区适应性生长特性相符合 高适生区总面积占中国总面积的 中适生区总面积占中国总面积的(图)在各省市的分布范围内青海省分别具有高适生区和中适生区 高适生区在柴达木盆地面积占青海省总面积的 中适生区在柴达木盆地外围以及青海东部部分地区面积占青海省总面积的(图)图中适生区包含了青海省、云南省及台湾地区三地处于不同纬度青海省纬度较高而台湾地区和云南省则处于低纬度地区但是各地区均有高原山地的气候特征夏季降水充足日照时间长这些气候特征均适宜香瓜茄的生长云南省目前是中国香瓜茄露天栽培的主要地区 青海省东部的预测结果显示沿湟水河和黄河流域地区是香瓜茄适生区(图)环境因子响应曲线分析如图所示环境因子响应曲线代表在各环境条件下物种生存概率当生存概率达到 以上则认为该环境适合物种生长并且以此判断物种最佳生存环境 根据图中曲线可知:香瓜茄的生存概率随着年均温()的增加而增加在年均温为 至 时香瓜茄的生存概率最大可达到 以上表明在此条件下香瓜茄适宜生长而当超出适宜温度范围后香瓜茄生存概率会大幅度降低不再是生长适宜条件(图)昼夜温差与年温差比值()在 时香瓜茄存在概率在 以上证明此条件对香瓜茄生长有促进作用随着差值逐渐增加香瓜茄的适宜性逐渐减小但依旧高于差值为 (图)当季节性温度变化标准差()大于 时香瓜茄的存在概率逐渐增加并且达到最大值生存概率达到 而后随着标准差的增加存在概率逐渐下降(图)最冷季度平均温度()也是香瓜茄适宜性的关键影响因子当温度在 至 范围内时香瓜茄生存概率在 以上而后随着温度升高适宜性下降(图)(海拔)对于香瓜茄的生长有不可替代的影响在海拔为 时香瓜茄的存在概率在 以上证明在香瓜茄适合高海拔地区生长这与其原产地地理特点相吻合(图)图 当前气候下香瓜茄栽培适生区分布注:中国范围内香瓜茄适生区分布面积:青海省范围内香瓜茄适生区分布面积图 环境因子响应曲线注:(年均温):(昼夜温差与年温差比值):(海拔):(季节性气温变化标准差):(最冷季度平均温度)未来香瓜茄适生区预测分别对 年和 年全国范围以及青海省范围内香瓜茄适生区进行预测根据自然断点法对适生区进行等级划分共分为四级:高适生区、中适生区、低适生区、不适生区 根据 预测图可知:相比于当前适生范围全国范围高适生区面积占比为 增加 中适生区面积占比为 减少 (图)青海省内高适生区面积占比为 增加 中适生区面积占比为 增加 (图)年预测图显示:全国范围内高适生区面积占比为 比当前预测结果面积增加 中适生区面积为 比当前预测结果面积增加 (图)青海省内高适生区面积占比为 增加 中适生区面积占比为 增加 (图)图 未来情境下香瓜茄适生区分布注:中国香瓜茄适生区预测范围:青海省香瓜茄适生区预测范围:中国香瓜茄适生区预测范围:青海省香瓜茄适生区预测范围 结论和讨论通过模型预测作物适宜生境已经发展成保护和评价作物适宜性的有效方式 此外分析气候变化和作物分布区域之间的关联对其至关重要 香瓜茄是一种新兴的果蔬兼用型植物本研究首次利用 模型探讨全球气候变化对香瓜茄的地理分布范围和适宜生境的影响这是扩大香瓜茄生产范围的重要一步 模型是研究物种地理分布的理想工具模型利用物种分布数据和环境数据分析物种分布格局之前研究表明模型应用于生态研究中在生态学方面具有独特的优势和广泛的应用 目前的 模型研究主要考虑气候和海拔等自然因素的影响近年来模型在中草药、花草类植物以及禾本科作物的分布预测取得研究进展 模型在多种生态作物和禾本 科 植 物 的 预 测 精 度 明 显 高 于 其 它 模型 模型不仅可以用来预测适生区范围还可以研究物种迁移与气候变化之间的关系在物种分布预测中地图数据均来源于国家基础地理信息系统(:/)同时在 (:/)获得了 个环境数据包括 个不同的生物气候变量和海拔数据 高海拔的适生区分布与香瓜茄原产地安第斯山北麓的地理位置特征有相似之处 据报道 个生物气候变量是潜在物种分布建模中最典型的因素其中加入海拔数据是由于香瓜茄在中国种植的栽培区均位于高原地区包括云贵高原、青藏高原以及黄土高原 海拔可能对香瓜茄的生长具有独特的影响 本文所选物种分布数据点之间最小距离为 共 个这是为了避免样本记录重复减少与收集数据相关的固有偏差 研究首先评价模型预测精度:曲线下面积 值为 这证明结果是极为可靠的证实了预测方法的精度进一步支持基于 的 模型预测物种潜在分布的适用性这与其它研究评价标准相同 模型也曾应用于青藏高原地区青稞的适生区预测中结果表明最冷月最低气温和年降水量被确定为预测青稞生境分布的两个最重要的环境变量东南部和东北部高原河谷中的青稞是中等和最佳适宜生境区域集中的地方 世纪可能会出现适宜生境区域的收缩 未来气候的变化将改变许多物种的气候生态位这可能导致作物地理范围的变化因此必须评估关于物种潜在分布的全球气候变化情景本研究对环境变量进行了分析一些研究没有考虑高度相关变量在建模过程中引入的冗余信息这对预测结果的可靠性有负面影响本研究筛选出五个对香瓜茄种植影响较大的气候因素分别为 (季节性温度变化标准差)、(年均温)、(最冷季度平均温度)、(海拔)、(昼夜温差与年温差比值)除海拔外其它各项均与温度有关而温度因不同的植物类型、发育期以及其它因素而异 温度可以广泛应用于预测作物分布区域和种植季节研究人员能够通过温度更好地预测植物生长速度和生产潜力 而香瓜茄属于茄科作物茄科作物是喜温作物对温度的响应会更加敏感香瓜茄在全国适生区主要分布在甘肃、青海、云南等高原地区这些主要分布区均包含高原性气候因此香瓜茄有明显的高原气候适应性其中云南的露天种植面积最广而云南地处云贵高原海拔较高年温差小、日温差大、降水充沛、干湿分明 这种气候与青海省适生区内的柴达木盆地气候有相似之处 因此预测结果除青海省东部农业区以外柴达木盆地也是高适生区 柴达木盆地是高原绿洲主要发展地区是气候变化的敏感区日照时数长太阳辐射强昼夜温差较大 两个地区气候相对温和青海东部农业区日照长降水丰富自然环境良好适合植物生长 随后预测 年和 年香瓜茄适生区域气候数据选择为 和 是中等温室气体排放情景 的优先级高于 全国范围内和青海省内为高适生区面积均增加但是青海地区高适生区面积增加比例高于全国范围内这可能是由于青海地区对气候变化的响应极为敏感气候变化比全国范围内气候变化明显香瓜茄生长对环境的响应更加强烈 而且高适生区面积的增加意味着香瓜茄的习性可能会更加适合青海省部分地区的气候条件 本研究的预测结果可在香瓜茄栽培地选择上提供较大参考价值有助于扩展香瓜茄栽培范围并且有利于香瓜茄的栽培保护以及资源利用参考文献:.().:.():.():.:.():.().():.():.():.().():.():.().:.:.:.():.().:.:.:.():.().:.:.:.:.().:.():.().():.():.:.:.:.():.():.().():.:.:.():.:.:.().():.:.(下转第 页)定的规律性 说明其能通过调整自身生长速度、保护酶活性及渗透调节物质含量来缓解干旱胁迫造成的伤害 在重度干旱胁迫下多花柽柳和柽柳部分出现叶片失绿现象但植株未出现枯死现象表明 干旱处理未达到多花柽柳和柽柳抗旱耐受极限范围两种柽柳间不存在显著性差异表明两种柽柳的抗旱基本一致应用于盐碱地示范推广前景广阔在干旱、半干旱地区具有极高的推广价值参考文献:杨维康.新疆柽柳属植物生境多样性研究.新疆环境保护():.韩福贵满多清郑庆钟等.石羊河中下游不同生境柽柳群落物种多样性及土壤水分、盐分关系.水土保持研究():.张鹏云刘名庭.中国的柽柳属植物研究简史.干旱区研究():.张道远杨维康潘泊荣等.刚毛柽柳群落特征及其生态、生理适应性.中国沙漠():.郗金标张福锁陈阳等.盐生植物根冠区土壤盐分变化的初步研究.应用生态学报():.陈金星.柽柳属植物种质资源圃规划设计的理论与实践.乌鲁木齐:新疆农业大学.鲁敏王仁卿.绿化植物受大气、铅复合污染伤害特征及抗性表现.山东大学学报(理学版)():.张鹏云张耀甲.中国植物志.北京:科学出版社():.曹江源何积业.对江河源地区水土保持监测工作的一些设想.青海环境():.何青宝.青海省生态环境现状及林业发展对策.现代农业科技():.周永浩青海省森林可持续经营现状及对策.乡村科技():.蔡品迪许正亮张弛等.国有林场森林经营现状及对策浅析.南方农业():.中国科学院上海植物生理研究所/上海市植物生理学会.现代植物生理学实验指南.北京:科学出版社.郝再彬.植物生理实验.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社:.徐伟季索菲.提取方法对叶绿素含量的影响.廊坊师范学院学报(自然科学版)():.张超.种绣线菊(.)的干旱适应性研究.哈尔滨:东北农业大学.王建刚.不同时期 种挪威槭丙二醛()含量的变化.现代园艺():.舒展张晓素陈娟等.叶绿素含量测定的简化.植物生理学通讯():.胡杨李钢铁李星等.干旱胁迫对细穗柽柳幼苗生长和生理生化指标的影响.中国农业科技导报():.张治安张美善蔚荣海.植物生理学实验指导.北京:中国农业科学技术出版社.李英博韩戴宇付如裕等.胁迫对亚柄薹草形态和相关生理指标的影响.草业科学():.张兵.盐胁迫下柽柳的生长变化和代谢分析.黑龙江:东北林业大学.由佳辉高林王海鸥等.干旱胁迫对 个葡萄砧木品种生理指标的影响.经济林研究():.常青山张利霞杨伟等.外源 对 胁迫下夏枯草幼苗抗氧化能力及光合特性的影响.草业学报():.张利霞常青山侯小改等.胁迫对夏枯草幼苗抗氧化能力及光合特性的影响.草业学报():.(上接第 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