基于组合物种分布模型的长棘海星与褐拟鳞鲀适宜生境及其对气候变化的响应

全球气候变化导致的海洋环境改变将对海洋生物适宜栖息地产生潜在影响。利用“珊瑚杀手”——长棘海星(Acanthaster planci)及其重要捕食者——褐拟鳞鲀(Balistoides viridescens)的发生数据及环境变量,基于BIOMOD2建模平台中的7个模型算法构建物种分布组合模型,模拟它们在当前环境及未来不同气候情景下的潜在适宜生境分布情况。结果表明:1)长棘海星与褐拟鳞鲀投票平均(Committee Averaging,CA)和概率加权平均(Weighted Mean of Probabilities,WM)组合物种分布模型的真实技巧统计(True skill statistic,TSS)、受试者操作特征曲线(Receiver operating curve,ROC)值分别为0.96、0.99与0.97、0.99,优于多数单一模型结果,可较好地预测两物种的空间分布格局。2)温度和离岸距离是影响长棘海星分布的主要因素,而影响褐拟鳞鲀空间分布的主要因素为温度、溶解氧浓度和离岸距离。3)当前长棘海星与褐拟鳞鲀潜在适宜生境主要位于澳大利亚大堡礁、印度尼西亚、中国南海以及红海海域,褐拟鳞鲀的潜在适宜生境比长棘海星更广泛,未来气候情景条件下,两物种的潜在分布范围总体均有所扩大,且有向高纬度地区迁移的趋势。

基于物种分布模型的兴安落叶松林概率分布区动态研究

全球变暖对森林的地理分布有重要影响,兴安落叶松是北方森林生态系统的重要组成部分。因此,有必要准确评价气候变暖对兴安落叶松天然林地理分布的影响,为制定兴安落叶松林的可持续经营提供依据,基于机械布点的方法在东北地区建立了68个半径为17.85 m、面积为1000 m^(2)的兴安落叶松天然林临时样圆。从ClimateAP软件获取1950-2017年的气候数据,通过M-K检验判定区域年均温突变点。根据影响兴安落叶松地理分布的8个潜在气候因子变量:年均温(MAT)、最冷月均温(MCMT)、最暖月均温(MWMT)、最冷最暖月温差(TD)、年均降水量(MAP)、秋季降水量(MAPA)、>5℃年积温(DD>5℃)和哈格里夫斯水分亏缺(HCMD),利用MaxEnt模型选取突变前后影响兴安落叶松林地理分布的主导气候因子,探讨突变前、后兴安落叶松林的潜在概率分布区的动态变化。结果表明,研究区年均温度在1984年之后发生突变;突变前、后影响兴安落叶松天然林生长概率分布区的主导因子均为DD>5℃、MWMT和HCMD,且3个因子的累积贡献率均达到85%以上,在突变后主导因子中贡献率最大的因子由>5℃积温(40.21%)转变为最暖月均温(40.29%),这2个时期温度的累积贡献率均高于降水;气候变暖使得兴安落叶松林的潜在气候生长概率分布区整体呈现北移的趋势,且不同概率分布区变化趋势具有差异性。兴安落叶松林不存在区、中概率区和高概率区的面积在突变后均减少,而低概率区的面积增加,兴安落叶松林适生区的总面积整体上仍呈现增加的趋势,其总面积由突变前的131.31万km^(2)扩大至135.55万km^(2)。本研究表明气候变暖对兴安落叶松林不同概率分布区的影响具有区域异质性,该研究结果可为未来兴安落叶松林的可持续经营管理提供科学依据。

利用时空物种分布模型研究海州湾大泷六线鱼的时空分布

为了解海州湾大泷六线鱼时空分布特征及其影响因素,根据2013—2019年秋季在海州湾开展的底拖网渔业资源调查和环境观测数据,构建了时空物种分布模型(spatio-temporal species distribution models),分析其分布与环境因子的关系,通过残差分析比较其与广义加性模型的残差独立性和异质性,运用交叉验证检验模型预测性能,最终结合delta方法对其分布进行预测并计算栖息地适宜性指数(habitat suitability index,HSI)和资源分布重心。时空模型的偏差解释率为65.50%,模型分析表明,影响大泷六线鱼资源分布最主要的环境因子为水深(22.11%),其次为底层水温(12.98%),底层盐度(0.09%)的影响较小,水深与其分布存在正向相关性,底层水温与其分布存在负向相关性,底层盐度与其分布存在弱正向线性关系。时空模型的残差独立性和异质性较GAM更强,其交叉验证回归线斜率为0.90±0.38。模型预测结果表明,大泷六线鱼主要分布在34.5°N以北,120.0°E以东的海域,其栖息地适宜性指数的高值区域呈现逐年收缩的趋势,资源分布重心呈现向东北海域转移的趋势,这可能是气候变迁以及捕捞压力共同作用的结果。本研究解析了大泷六线鱼在海州湾的时空分布,对于深入了解大泷六线鱼的分布动态和科学的渔业管理具有重要意义。

基于物种分布模型预测两种风铃木在中国的引种适应分布

物种分布模型(Species Distribution Models,SDMs)常被用于评价物种在不同地域的适生概率,但能否用于指导远距离引种栽培仍需试验证明。该研究以黄花风铃木和红花风铃木这两种外来树种为研究对象,对比理论预测结果与实际栽培分布的差异。结果显示:黄花风铃木和红花风铃木的理论适生阈值分别为0.433和0.469,均明显高于栽培样点的最低适生概率。其中,黄花风铃木的预测适生区面积约为7.96×10^(4) km^(2),仅包含4.19%的实际栽培样点,是实际可栽培面积的6.48%。红花风铃木的预测适生区面积约为28.91×10^(4)km^(2),包含71.79%的实际栽培样点,是实际可栽培面积的62.62%。回归分析结果显示土壤pH值、最冷月均温、土壤有机物碳含量对黄花风铃木在中国的适生概率有明显的正影响,而最冷月均温对红花风铃木的适生概率有明显的负影响。该研究证明了物种分布模型在指导远距离引种栽培时可能存在较大误差,并揭示了影响风铃木预测准确度和适应性分布的可能原因。该研究将为物种分布模型的应用优化以及风铃木的栽培选育提供参考。

基于物种分布模型的黄杯杜鹃潜在分布区预测研究

黄杯杜鹃是具有很高的观赏价值、园艺价值和医药开发价值的物种,目前处于易危状态,因此了解其潜在分布区对制定相应的物种保护措施具有重要意义。利用Max Ent、RF和GLM模型分别预测了黄杯杜鹃在云南的潜在分布区,预测结果的AUC值分别为0.988、0.963和0.981。基于物种先验分布区和物种分布调查数据,优选了Max Ent模型的预测结果为最佳预测结果。研究结果表明黄杯杜鹃在滇西北的潜在分布状况,提供了一种模型性能评估方法,为多模型选优提供了参考。

物种分布模型理论研究进展

利用物种分布模型估计物种的真实和潜在分布区,已成为区域生态学与生物地理学中非常活跃的研究领域。然而,到目前为止,这项技术的理论基础仍然存在不足之处,一些关键的生态过程未能被有效纳入到物种分布模型的理论框架中,从而为解释物种分布模型预测的结果带来了诸多困惑。鉴于此,总结了物种分布模型的理论基础;系统探讨了物种分布模型与物种分布区的关系;特别指出了物种分布模型研究中存在的理论问题;重点阐述了物种分布模型未来的发展方向。研究认为,物种分布模型与生态位理论、源-库理论、种群动态理论、集合种群理论、进化理论等具有重要的联系;正确理解物种分布模型的预测结果与物种分布区的关系,有赖于对影响物种分布的3个主要因素(环境条件、物种相互作用与物种迁移能力)做出定量的分离;目前物种分布模型主要存在的问题是未能将物种的相互作用和物种的迁移能力有效纳入到模型的构建过程中;未来物种分布模型的发展应该加强模型背后理论框架的研究,并进一步加强整合物种相互作用过程、种群动态过程、迁移过程和物种进化过程等内容。研究还认为,从更高的理论层次模拟功能群和群落结构将是未来物种分布模型的重要发展方向。

物种分布模型的发展及评价方法

物种分布模型已被广泛地应用于以保护区规划、气候变化对物种分布的影响等为目的的研究。回顾了已经得到广泛应用的多种物种分布模型,总结了评价模型性能的方法。基于物种分布模型的发展和应用以及性能评价中尚存在的问题,本文认为:在物种分布模型中集成样本选择模块能够避免模型预测过程中的过度拟合及欠拟合,增加变量选择模块可评估和降低变量之间自相关性的影响,增加生物因子以及将物种对环境的适应性机制(及扩散行为特征)和潜在分布模型进行结合,是提高模型预测性能的可行方案;在模型性能的评价方面,采用赤池信息量可对模型的预测性能进行客观评价。相关建议可为物种分布建模提供参考。

基于物种分布模型的精确采样提高目标物种发现率——以黑颈鹤(Grus nigricollis),白头鹤(Grus monacha)为例

明确野生动植物的地理分布是基础生态学和应用生态学领域的一个基础但关键的步骤,为后续分析提供了重要的信息。而野生动植物分布调查是一项需要投入大量人力,精力和资金的工作,特别是稀有物种的调查。物种分布模型越来越受到广泛引用尤其是在生物保护方面。为了证明物种分布模型在野生生物调查中精确采样方法的可行性,以全球易危物种黑颈鹤和白头鹤的实际繁殖分布预测为例,使用随机森林(Random Forest)算法加以验证。比较发现物种分布模型预测实际调查分布点,随机样方法生成的随机点,系统样方法的规则点在空间相对出现概率具有显著差异(P<0.001),实际分布点具有较高的相对出现概率。该结果表明若在物种分布相对出现概率较高区域设置样方能够减少实际调查区域,有效提高发现目标物种的概率,从而减少调查投入。基于物种分布模型的精确采样方法将有效地提高我们对稀有物种分布的了解,有利于野生动植物的保护规划。

虚拟物种的基本原理及其在物种分布模型评估中的应用

物种分布模型是建立在物种出现或缺失数据的基础上,但可获得的真实分布数据存在着各种各样的缺点(如:物种识别错误、坐标错误、抽样偏差、数据缺失等),影响着物种分布模型的预测性能、稳定性及应用,因此使用物种真实分布数据评估物种分布模型将带来很大的不确定性。为避免这种不确定性,越来越多的研究使用虚拟物种来评价物种分布模型的性能,评估新方法的优劣。虚拟物种是一种建立在真实(或虚拟)地理信息系统下人工生命,是简化和抽象的物种,它通过模拟物种对环境变量的响应关系,评估物种在不同环境变量下的出现概率,人为地给出虚拟的物种分布数据。虚拟物种具有数据容易获得、数据质量可控、避免过度模拟等优势,目前它被广泛用于评估物种特性、抽样偏差、地理信息、出现/缺失标准等对物种分布模型性能的影响。虚拟物种是大尺度研究中不可或缺的重要工具,有利于解决真实数据未能解决的科学问题。常用的构成算法有求和法、求积法和综合法,但这些方法可能存在补偿效应,扩大了物种的分布范围。考虑到虚拟物种的不足,提出了未来虚拟物种可能的发展方向(避免过度脱离真实,完善虚拟物种的构成算法,构建虚拟的模式生物、群落及生态系统等)。为帮助研究者快速构建虚拟物种,基于R环境开发了一个虚拟物种构成软件包(SDMvspecies)。虚拟物种可以与真实物种相结合,通过改进模型的构成方法,有利于解决一些真实数据未能解决的问题;虚拟物种的应用也将导致一些新理论的产生,有利于更好地理解生态学原理。

物种分布模型在海洋物种潜在分布预测中面临的大数据挑战

利用物种分布模型(species distribution models or modeling,SDM)估计物种的真实和潜在分布区,已成为海洋保护区规划、外来、物种入侵预测、气候变迁或环境改变对物种分布影响等领域的研究热点。此外,在大数据技术迅速发展的背景下,国外已出现多个面向物种分布模型的大数据集以及应用大数据技术进行物种分布模型研究的案例,而我国,海洋方面应用大数据的物种分布模型的研究却寥寥无几。文章首先就物种分布模型、物种分布模型分类以及其研究现状做了较为详细的叙述,讨论了物种分布模型的大数据需求及所需数据类型,主要从大数据价值链的角度讨论了海洋领域物种分布模型与大数据的关系,具体从物种分布数据和环境数据的收集与大数据、物种数据和环境数据的集成与大数据、物种分布模型的预测分析与大数据3个方面展开。文章就物种分布模型所面临的大数据问题,从加强海洋生物多样性大数据平台和生态系统观测网络的建设以及鼓励海洋领域的物种分布模型应用研究项目的开展两方面给出作者的建议,对未来物种分布模型在我国海洋领域的研究和应用的前景作了展望。

基于组合物种分布模型(Ensemble Model)的厚朴适宜生境分布模拟

【目的】建立组合物种分布模型,模拟厚朴在我国南方的分布格局,探讨影响其生长环境因子的阈值,为厚朴的人工种植,野生资源保护等提供理论依据。【方法】基于公开发表的文献中精确的厚朴分布数据与23个环境因子变量,利用BIOMOD2建模平台中的9个模型算法构建组合物种分布模型模拟厚朴的适宜生境分布。【结果】①厚朴在我国南方适宜生境面积为0.53×10^6 km^2,主要分布在四川东部、陕西南部、重庆东部、湖北西部、贵州、福建、江西、湖南等地区。②在组成组合物种分布模型的9个单模型算法中,推进式回归树模型(GBM)和随机森林(RF)的模拟效果最好,表面分室模型(SRE)与分类树分析模型(CTA)结果较差。组合物种分布模型的TSS为0.905,ROC值为0.975,说明组合模型能够在一定程度上提高模型的精度。【结论】厚朴在我国南方分布较为广泛,但是考虑植被类型限制时,其生境较为破碎,应该在其适宜生境区域加强物种保护。

基于物种分布模型的画稿溪国家级自然保护区桫椤保护现状及影响因素

自然保护区对维系区域生物多样性具有至关重要的作用。为探索画稿溪国家级自然保护区内桫椤潜在适生区及限制因素,依据画稿溪自然保护区210个桫椤分布点和66个环境变量,通过最大熵模型(MaxEnt)预测桫椤潜在适生区空间,并通过地理探测器分析各环境因素对潜在适生区的影响。结果显示:(1)海拔是限制画稿溪桫椤分布的主要因素,海拔与9月份降水叠加对桫椤潜在适生区空间分布的解释水平最高。(2)画稿溪桫椤潜在适生区沿墩梓河和画稿溪两岸呈狭长分布,且大部分适生区没有在核心区。(3)研究区竹林经营和耕地垦殖是影响桫椤潜在分布最激烈的人类活动。研究结果提示:画稿溪保护区内桫椤潜在适生区较为狭长且仅有极少部分位于保护区的核心区域,竹林经营和耕地垦殖等进一步限制了桫椤植株生长空间,建议提高桫椤IV、V级潜在适生区对应的自然保护区功能区保护等级以有利于桫椤种群的繁衍。

应用于物种分布模型的多种算法

回顾了物种分布比较了常用的11种模型,包括回归模型、分类模型和复杂模型。给出了各模型的优缺点、特性和适用范围,并且提供模型应用导向。模型应用导向主要包括三个步骤:模型选择、模型建立和参数评估。

物种分布模型的研究进展与展望

物种分布模型是当前生态学领域十分热点的研究方向,自生态位的概念提出后,物种分布模型也随之产生.从最初仅依赖专家学者的经验探究物种分布和环境关系,到随着计算机技术与物种分布背后生态学理论的并行发展,出现了各种基于不同理论的物种分布模型.近年来,物种分布模型已经成为解决濒危物种保护,外来生物入侵风险评估,病虫害防治等多个领域研究中各种问题的重要工具.阐述了物种分布模型的背后理论,介绍了主流的物种分布模型与其实际应用,总结了现有物种分布模型的缺点,并对物种分布模型后续发展提出了展望.

基于物种分布模型的新疆野生果树物种丰富度分布格局

【目的】选取新疆56种野生果树为研究对象,利用物种分布区模型模拟其潜在分布区,并分析其与环境因子的关系,为有效保护和管理新疆野生果树资源提供基础资料。【方法】基于物种分布点数据,最终选取13个环境因子确定物种的生态位信息,使用Maxent软件构建分布区模型,获得新疆野生果树物种丰富度分布格局图,并分析其与环境因子的关系。【结果】野生果树在新疆具有广泛的潜在分布区,其面积占全区面积的54.5%;物种丰富度可划分为1~4,5~14,15~24和25~38这4个等级,但物种丰富度大的区域面积比较狭窄,主要分布于伊犁河谷周边的天山山脉、巴尔鲁克山-塔尔巴哈台山和阿尔泰山西部;通过计算物种丰富度格局与13个环境因子之间的相关系数,发现2个降水因子(最湿季降水和最干季降水)、1个气温因子(平均日较差)和1个土壤因子(土壤碳含量)与新疆野生果树分布格局相关性高(R^2>0.35),说明最湿季降水、最干季降水、平均日较差气温和土壤碳含量显著影响新疆野生果树的物种丰富度和分布格局。【结论】从物种丰富度水平和物种保护的角度上说,具有高水平野生果树物种丰富度的天山西部的伊犁河谷、巴尔鲁克山-塔尔巴哈台山和阿尔泰山西部山地应该受到优先保护。

物种分布模型在海洋大型底栖动物分布预测中的应用

物种分布模型是一种基于环境条件和物种分布数据预测物种在不同环境中的分布范围和适宜生境的模型工具,主要包括关联模型、机理模型和机理-关联混合模型。在海洋领域,物种分布模型已被广泛应用于预测鱼类、哺乳类和藻类等海洋生物的分布,但在大型底栖动物中的应用还比较匮乏。大型底栖动物作为海洋生态系统的重要组成部分,研究其分布规律对生态保护和资源管理具有重要意义。本文对物种分布模型的常用方法进行了总结,介绍了不同模型在预测海洋大型底栖动物分布中的研究案例,重点介绍了关联模型和机理模型在分析气候变化对海洋大型底栖动物分布影响中的应用,阐述了物种分布模型面临的挑战以及发展前景。随着遥感技术和建模方法的不断进步,物种分布模型将在海洋生态学研究中发挥更加重要的作用,为应对气候变化和保护海洋生物多样性提供科学依据。

基于物种分布模型的重庆市自然保护地效果研究

自然保护地体系建设是保护生物多样性最为有效的措施之一,物种多样性是对生物多样性的直观认识,也是衡量区域生物资源丰富程度的重要标准。为实现对重庆市自然保护地体系保护效果评估和空间布局优化,首先在ArcGIS平台建立重庆市自然保护地空间数据;其次收集重庆市范围内植物物种的分布数据,使用MaxEnt工具建立各指示物种分布的最大熵模型;再使用物种丰富度评价工具,将各物种分布模型叠加得到物种丰富度指数;最后与重庆市现有自然保护地体系进行比对,评价其保护的有效性并找出空缺和不足,提出对自然保护地规划的建议。结果表明,重庆市自然保护地体系仅保护了9.12%物种丰富度大的区域,保护空缺集中在渝东北大巴山和巫山、渝东南武陵山等山区。建议扩大上述区域现有的保护区范围、增设自然保护地,同时加强跨行政区自然保护地协调管理。

基于MaxEnt模型预测食蚊鱼在我国的潜在地理分布

随着我国外来鱼类养殖规模和观赏鱼产业规模持续发展扩大,外来鱼类的生态风险也日益增加,研判外来鱼类的潜在地理分布对防控生物入侵具有重要意义。本研究以典型外来鱼类食蚊鱼(Gambusia affinis)为研究对象,采用最大熵生态位模型(MaxEnt),结合131个食蚊鱼有效分布点位数据以及11个可能影响其地理分布的环境因子,预测分析了食蚊鱼在我国的潜在地理分布及其影响因素。结果显示:(1)MaxEnt模型对食蚊鱼潜在地理分布预测的精度较高(AUC=0.977),影响食蚊鱼潜在地理分布的主要环境因子为年平均最低水温(39.0%)、人口密度(32.8%)、最干月降雨量(10.2%)和海拔(9.4%);(2)食蚊鱼在我国潜在地理分布面积为175.75×104 km^(2),主要集中在珠江流域、东南诸河和淮河流域、长江流域中下游以及西南诸河流域的云南区域,预测在未来环境温度升高的情况下,食蚊鱼有进一步扩散的风险。为防控食蚊鱼以及其他外来鱼类的入侵,建议完善外来鱼类贸易和养殖的行业规范。

基于MaxEnt模型的公路项目环评中重要物种适宜生境评价及预测

公路建设项目属于线性项目,其对生态环境的主要影响是对物种生境的阻隔和切割,致使物种适宜生境面积减少,并伴有光污染、声环境质量下降。基于拟建的穿越国家一级保护动物黑嘴松鸡生境的公路,以MaxEnt为预测模型,模拟公路建设前后黑嘴松鸡适宜生境的分布变化。结果显示:基于最大熵模型的黑嘴松鸡受试者工作特征曲线AUC值为0.945,可信度较高。适生区分析显示:黑嘴松鸡集中分布在保护区核心区和缓冲区,项目建设后不适生区面积大幅度增加。研究认为,最大熵模型能很好地模拟项目建设前后研究区黑嘴松鸡适生区的分布,明确公路项目建设对黑嘴松鸡分布的影响,研究结果可为环评中对适宜生境的评价及预测提供参考。

基于MaxEnt模型的滇藏玉兰适生区分布预测研究

滇藏玉兰(Yulania campbellii)是国家二级保护植物,对研究植物进化和地质科学有着较高的参考价值,是我国乃至世界公认的观赏性珍稀树种。本研究采用MaxEnt模型、ENM Tools和ArcGIS相结合的方法,预测滇藏玉兰在我国的适生区域并确定其主导生态因子和阈值范围。结果表明:预测的滇藏玉兰高适生区主要集中在云南省西北部和西藏自治区南部,中、低适生区的范围除围绕高适生区稍有延伸外,在贵州省、四川省、广西壮族自治区、广东省、湖北省、福建省和重庆市等区域亦有少量分布,高适生区、中适生区和低适生区面积分别约为6.25万km2、6.84万km2和73.45万km2;最冷季降水量、温度季节性变动系数、最干月降水量、海拔4个生态因子在适生区分布预测中起着主导作用。本研究结果可为我国滇藏玉兰的保护规划制定、选种培育、遗传改良及引种驯化提供依据。