基于随机森林模型的落葵薯入侵中国分布及气候变化对其潜在影响研究

来源 :陕西师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dabingjiajia
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目前生物入侵是全球生态安全的热点问题,其已改变了全球多地原生生态系统的平衡和物种多样性。在气候变化的背景下,生物入侵更加不容忽视,因此为了降低入侵物种对我们造成的生态安全和经济方面的损失,必须识别生物入侵风险高的区域以及已造成入侵危险的地区。物种分布模型(SDMs)是预测物种分布的有效工具,也是目前研究物种分布应用最多的一种方法。落葵薯(Anredera cordifolia(Tenore)Steenis)为我国第二批入侵物种,对我国东南地区已造成巨大的生态安全问题。研究其潜在分布以及分析影响其生长的主导环境因子,对保护我国生态环境以及生态多样性具有重要的现实意义。本研究以落葵薯为研究对象,利用194个点位分布数据以及与当前落葵薯生长相关的气候、地形、土壤和人类活动因子,经筛选得到13个气候因子、3个地形因子、8个土壤因子以及人类活动因子,并将其分为3个数据集(Ⅰ1、Ⅱ1、Ⅲ1),基于随机森林模型(RF)和地理信息系统(GIS),预测落葵薯在当前时期的潜在分布以及土壤、人类活动对当前落葵薯潜在分布的影响;未来时期(2050s和2070s)选取19个气候因子、3个地形因子和8个土壤因子,并将其分为2个数据集(Ⅰ2、Ⅱ2)来分析气候变化下土壤因子对落葵薯分布的影响;通过当前时期各环境因子贡献率及因子响应曲线筛选主导环境因子及其阈值;探究落葵薯从当前到未来时期面积扩张和收缩趋势以及生境质心转移,分析气候变化对落葵薯分布以及不同时期落葵薯生境变化的影响,找到具有潜在入侵风险的地区,为落葵薯的清除治理以及预防提供理论和数据支持。主要研究结论如下:(1)当前落葵薯适宜生境主要分布我国南方地区,其气候主要为热带亚热带季风气候。当前时期落葵薯总适宜生境面积占全国总面积的7.49%,其中,高适宜生境占总适宜生境的4.19%,中适宜生境和低适宜生境分别占35.87%和59.94%,适宜地形包括四川盆地、云贵高原和东南丘陵。(2)三个评价指标对各时期所构建的RF模型预测评价值均属于高精度,评价结果依次为 AUC(0.961-0.98)>TSS(0.826-0.883)>Kappa(0.783-0.854),其中AUC最高,平均值为0.97,其次为TSS和Kappa,平均值分别为0.86和0.81。(3)对比当前环境因子数据集Ⅰ1和Ⅲ1、未来环境因子数据集Ⅰ2和Ⅱ2,发现增加土壤因子(Ⅲ1)预测的落葵薯适宜生境与现实分布一致性更高,未来时期增加土壤因子(Ⅱ2)预测结果更为准确。广西、广东等南方城市土壤多为砖红壤、红壤,与落葵薯原产地土壤条件相似,因此增加土壤因子得到的结果更为准确。(4)对比当前环境因子数据集Ⅱ1和Ⅲ1,发现增加人类活动因子(Ⅲ1)预测落葵薯的适宜生境等级与搜集到点位数据的密度具有更高的一致性。我国西北地区人类活动强度最弱,相应的落葵薯潜在适宜生境多为不适宜,可能是还没有相应的人为引进;东部沿海地区人类活动强度较高,落葵薯在东部沿海地区也多为中适宜和高适宜区,说明在这些区域人为引进较多。但随着时间推移,若增加引进,可能会出现新的适宜生境或扩大当前适宜区范围。(5)影响落葵薯分布的主导环境因子有10个,分别为Bio11(最冷季平均温度)、Bio7(温度年较差)、HFP(人类足迹数据集)、Bio9(最干季平均温度)、Bio18(最热季降水量)、Bio4(温度季节性变动系数)、Bio12(年降水量)、Bio2(平均日较差)、Bio1(年平均温度)、Bio16(最湿季降水量)。通过分析各主导环境因子平均值、标准差及最适阈值,得出落葵薯的适宜生境的环境特征为冬季温和少雨,夏季降水丰富,热量充足的热带亚热带季风地区。因此,落葵薯目前的入侵范围空间较大,存在较高的入侵风险。(6)未来气候变化下落葵薯的扩张生境一直处于云贵高原及两广丘陵,在2050s时期生境等级变化幅度较大,处于稳定—扩张—收缩之间,其生境状态很不稳定,至2070s时期逐渐适应该区域的环境形成稳定生境,因此生境重心向南迁移。
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