基于最大熵模型的玉米冠层LAI升尺度方法

叶面积指数(leaf area index,LAI)是表达农作物冠层结构的关键参数之一,准确获取LAI对于农作物长势监测、估产等研究具有非常重要的意义。由于地物空间复杂性、数据源的不同以及遥感反演模型的非线性,LAI的反演结果会存在尺度效应,因此需要进行尺度转换研究。理想的升尺度转换应该只是数据空间分辨率的降低,而数据内在信息应保存到低分辨率中。最大熵(maximum entropy,Max Ent)模型是基于多种环境因子的广义学习模型,对分析因子的空间分布具有较高的估算精度,因此,该研究利用最大熵模型进行玉米冠层LAI升尺度方法研究,从而将野外实测的LAI点数据扩展到空间分辨率为30 m的面数据,所使用的数据源是Landsat8 OLI遥感影像、气象数据和野外样点上测量的LAI数据。研究结果表明:利用最大熵模型升尺度转换结果与实测LAI相比,R2为0.601、RMSE为0.898,说明两者的相关性较高;由于玉米冠层叶片之间的相互遮挡,导致整体结果偏低,但偏低误差在可接受范围内。因此,Max Ent模型可用于农作物LAI点数据到面数据的升尺度转换。     

中国橡胶树种植气候适宜性区划

【目的】天然橡胶是国民经济建设不可缺少的重要战略物资,受气候因素限制,中国种植橡胶树范围有限,迫切需要厘清天然橡胶树种植的气候适宜性区域。本研究旨在划分出中国橡胶树种植气候适宜性分布,以阐明中国橡胶树种植的气候差异格局。【方法】根据中国橡胶树种植区的自然气候特点和生物学特征,基于橡胶树种植存在概率、橡胶树台风影响概率和橡胶树寒害影响概率,分别采用最大熵模型和影响橡胶树种植的5个主导气候因子（最冷月平均温度、极端最低温度平均值、月平均温度≥18℃月份、年平均气温、年平均降水量）计算橡胶树种植气候适宜性指数。根据台风历史资料和橡胶林台风灾害分级标准计算橡胶树台风灾害指数、参照《橡胶寒害等级（QX/T169-2012）》行业标准计算橡胶树综合寒害指数。根据确定的橡胶树种植的气候区划指标（气候适宜性指数、橡胶树台风灾害指数、橡胶树综合寒害指数）,结合模糊综合评价模型,进行中国橡胶树种植气候适宜性区划,区划结果划分为高适宜区、中适宜区、低适宜区。【结果】橡胶树种植的气候高适宜区面积约4.99×10⁴ km²,占研究区面积的20.94%,主要分布在海南儋州、澄迈、定安、乐东、保亭,广东徐闻、雷州、湛江、阳江,云南景洪、勐腊,福建诏安、云霄,广西防城等地。该区域气候条件优越,但部分区域属于台风高影响区,因此需要防御台风灾害对橡胶树的影响。气候中适宜区面积约8.85×10⁴ km²,占研究区面积的35.86%,主要分布在在海南琼中、东方、昌江、万宁、琼海等,广东廉江、高州、茂名、信宜、惠来、潮州,福建漳州、漳浦等,云南瑞丽、旧过,广西北海、合浦。与高适宜区相比,该区域橡胶树寒害发生概率增加,部分区域受台风影响概率也增加,应针对不同灾害特点,加强橡胶寒害和风害的防御。气候低适宜区面积约10.3×10⁴ km²,占研究区面积的43.20%,主要分布在在云南盈江、永德、思茅、屏边等一线,广西玉林、浦北,广东阳春、海丰、陆河,福建华安等地。该区域主要受寒害影响为主。【结论】该方法考虑了农业气候资源与农业气象灾害的综合影响,可以较好地反映中国橡胶树种植的气候优势区域分布,对橡胶树种植的区域布局和科学规划具有重要的参考意义。     

基于ArcGIS和MaxEnt的槐气候适宜性和潜在分布研究

利用地理信息系统软件ArcGIS和最大熵模型MaxEnt,依据收集到的槐分布数据,结合环境因子,对影响槐的关键气候因子及适生等级进行分析。结果表明,影响槐分布的关键气候因子分别是最冷月最低温(Bio6)、年降水量(Bio12)、4月最低温(T_min4);最适宜槐生长的基本生态位参数为最冷月最低温在-11.1～12.7℃,年降水量在480.0～2 455.0 mm, 4月最低温在4.3～21.1℃。槐在全国范围内的中适生及以上区域主要集中在华东、华中全境以及东北、华北、西北、西南和华南的部分区域。本研究预测的结果与槐实际资源分布区域基本吻合,可为槐种质资源收集与种植规划布局提供参考依据。     

黑肩绿盲蝽和中华淡翅盲蝽的适宜生态空间和潜在分布分析

为明确稻飞虱的2种重要天敌黑肩绿盲蝽Cyrtorhinus lividipennis和中华淡翅盲蝽Tytthus chinensis在中国的适宜生态空间,根据二者已有的分布记录,通过选取具有限制性意义的气候变量,对2种盲蝽的生态空间进行了对比;并通过界定合适的模型构建区域,基于赤池信息量准则选取最优模型,在默认参数和校正优化参数下分别构建MaxEnt模型,对其预测结果进行比较分析。结果显示,2种盲蝽在我国所占有的生态空间具有较大的重叠,基于默认和优化参数的MaxEnt模型的预测结果差别较大,其中基于默认参数的MaxEnt模型预测结果较为保守,而基于优化参数后的MaxEnt模型能够较好地预测中华淡翅盲蝽与黑肩绿盲蝽在我国的生态空间和潜在分布,二者在我国中部及东南部有较大的生态空间和潜在分布区重叠,包括河南、江苏、浙江、湖北、湖南、福建、广东、广西等省区,其中黑肩绿盲蝽在我国华北和西北部亦有较高的适生性。     

基于MaxEnt模型预测苹红缢管蚜在中国的适生区

为评估苹红缢管蚜Rhopalosiphum oxyacanthae入侵我国的潜在地理分布范围,基于其在全球的118个分布点和筛选的9个环境变量数据,利用MaxEnt模型和ArcGIS软件对苹红缢管蚜于当前和未来气候条件下在我国的潜在适生区进行预测。结果表明,基于苹红缢管蚜的全球分布数据,MaxEnt模型预测的平均AUC值为0.919,预测结果准确性较高。当前气候条件下,苹红缢管蚜在我国的总适生区面积占全国陆地面积的48.73%,其中高、中、低适生区的面积分别占全国陆地面积的5.92%、13.30%和29.51%,高适生区主要位于河南、江苏、安徽、湖北、湖南、贵州、江西、浙江、福建、广西、台湾等省区。未来RCP2.6和RCP8.5气候情景下,苹红缢管蚜在我国的总适生区面积增加并呈逐渐向东北方向迁移扩散的趋势,其中低适生区面积逐渐增加,高、中适生区面积逐渐减少,原先中南部的高适生区逐渐转变为低适生区或非适生区,但新疆维吾尔自治区北部、吉林省与辽宁省边界处的高适生区面积呈逐渐增加趋势。表明苹红缢管蚜在我国的适生范围极为广泛,具有较高的入侵风险,应加强进境口岸对该虫的检疫监管力度。     

迁飞性害虫草地贪夜蛾在我国的潜在地理分布

草地贪夜蛾Spodoptera frugiperda,又称秋黏虫,起源于美洲,两年内扩散至非洲撒哈拉以南地区,自2018年底入侵我国云南以来,5个月内已扩散至我国十余个省、市(自治区)。本研究基于MaxEnt分别利用草地贪夜蛾目前在全球的所有分布点以及全年分布点(去除季节性分布点)两套分布数据分别预测该虫在我国的潜在地理分布,以期为有关部门对草地贪夜蛾的监测防控提供理论依据。结果表明,我国海南、云南、广西、广东、福建、浙江、江西、湖南、贵州、四川、重庆、湖北、安徽、江苏等省需对草地贪夜蛾进行全年监测及防控,在春、夏、秋季,山东、河南、河北、北京、天津、山西、陕西、宁夏、甘肃、青海、内蒙古、新疆、辽宁等省、市(自治区)也需对该虫进行监测防控。关于该虫的潜在地理分布及潜在经济损失的相关研究仍需进一步开展。     

基于MaxEnt模型新疆枣潜在适生区预测

【目的】研究全球气候变化对新疆枣潜在分布的影响,划分新疆枣不同等级的适生区,为新疆枣产业的持续稳定发展提供参考。【方法】基于新疆枣地理分布的调查数据和2种气候情景(RCP4.5和RCP8.5),利用GIS技术和MaxEnt生态位模型相结合的方法,在全球气候变化背景下,对新疆枣的当前及未来(2050和2070年)潜在适生区分布进行预测。【结果】在当前气候条件下,新疆枣适生区主要分布在南疆和东疆地区。其中适生区总面积达到11.3×10~4 km^2,占新疆土地总面积的6.8%。采用受试者工作特征曲线(ROC曲线)对MaxEnt模型预测结果进行评价,结果显示训练数据集和测试数据集的曲线下的面积值(AUC值)分别为0.988和0.978,说明模型预测结果较为理想。刀切法分析结果显示,影响新疆枣当前分布的气候因子主要为最热月最高温度、最冷月最低温度、最暖季度均温、最冷季度均温、6月最高气温、7月最高气温、8月最高气温、12月最低气温、1月最低气温和2月最低气温。在未来气候条件下,新疆枣适生区面积有着一定的增加,但适生区的区域变化较小。【结论】Maxent模型预测结果与新疆枣的实际分布重合度较高。低温是影响新疆枣潜在适生区分布的重要因素。在全球气候变暖的趋势下,新疆枣整个潜在适生区面积呈现增加的特点且有向高纬度区域迁移的趋势,北疆地区开始出现较少部分的低适生区。     

气候变化对中国梅花鹿潜在栖息地影响

研究表明,气候变化将会使生物多样性降低甚至是物种灭绝。研究气候变化对物种栖息地的影响,对未来研究物种多样性和保护生态系统功能完整性提供实践意义。以梅花鹿(Cervus nippon)为研究对象,将23个环境因子通过去相关性后得到8个环境因子,利用最大熵(MaxEnt)模型模拟了梅花鹿基准气候条件下在中国潜在生境分布,并预测了ssp245和ssp585两种气候变化情景下2021—2040年(2030s)、2041—2060年(2050s)、2061—2080年(2070s)梅花鹿潜在分布。23个环境因子中,对3个不同的梅花鹿亚种,降水季节性、海拔、最干月降水量这3个因子是影响梅花鹿生境分布的主要因子。基准气候条件下,梅花鹿的潜在生境面积占总研究区域总面积的3.72%。随着时间的推移,研究区内梅花鹿东北亚种当前潜在生境面积明显增加,其中ssp585情景增加程度大于ssp245情景。在ssp585情景2050s阶段,总潜在生境面积将增加524.79%;梅花鹿华南亚种当前潜在生境面积明显减少,在ssp585情景下,梅花鹿适宜生境面积减小幅度将大于ssp245情景下梅花鹿适宜生境面积减小幅度,其在相应阶段分别减少77.61%、96.29%和93.62%。适宜生境逐渐消失。梅花鹿四川亚种在ssp245、ssp585两种情景下,适宜生境面积变动较小,并且都有5%—10%的新增适宜生境。     

运用最大熵模型和随机森林模型对东北红松分布的模拟

利用东北三省气候、土壤和地形等数据和红松分布样点,分别在MaxEnt软件和R语言中输出建模精度、因子重要性和分布范围,对比最大熵模型和随机森林模型对预测物种潜在分布结果的差异。结果表明:(1)最大熵模型训练数据AUC为0.927,检测数据AUC为0.865,随机森林模型的AUC为0.902,两个模型精度接近;(2)两个模型的输出结果有所差异,最大熵模型结果显示影响红松潜在分布的主要因子顺序是气候、地形和土壤,随机森林模型显示的结果是土壤、气候和地形;(3)两个模型模拟的红松潜在分布结果有着很大的重合度,主要集中于东北地区的中东部,说明东北地区的中东部最适合红松的生长。最大熵模型和随机森林模型精度相似,但是输出结果具有一定差异,原因是输入的训练样本不同,在构建物种分布模型时,需要考虑输入样本的合理性,分析样本对预测物种分布造成的影响。     

Predicting soil micro-variables and the distribution of an endogeic earthworm species through a model based on large-scale variables

Studies on spatial patterns of distributions of soil dwelling animals have usually relied on soil micro-variables or statistical analyses based on presence/absence data. Geographic Information Systems (GIS) allow easy access to large-scale variables to build species distribution models. In this study, we used MaxEnt to model the distribution of the endogeic earthworm Hormogaster elisae. Significant differences were found between the predicted suitability values of localities where the species was present and those where it was absent, validating the predictive model. Most of the large-scale training variables showed significant correlation with soil micro-variables known to influence the biology of the species, proving the ability of the model to predict (to an extent) soil variables from environmental ones. The methodology could be extended to other soil fauna.