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。

长白山主要林分物种多度分布与性状分布的关系

【目的】探究长白山地区群落物种的多度分布格局及其驱动过程,以及多度分布与性状分布之间的关系,为当地森林经营与修复策略的制定提供理论依据。【方法】以长白山不同林分类型的3块5.2 hm2(次生山杨白桦林、次生针阔混交林、原始红松紫椴林)和1块5 hm2原始阔叶红松林固定监测样地为研究对象,通过采集样地内木本个体的6个关键功能性状(叶面积、比叶面积、叶片厚度、最大树高、叶片氮含量、叶片磷含量),分析样地的物种多度分布格局、功能性状分布格局以及二者之间的关系。【结果】不同林分类型中通过统计检验的模型种类各异,但所有最优模型均为统计模型。在性状分布格局中,最大树高、比叶面积和叶磷含量在4块样地均呈现正态分布。然而,功能性状分布格局转化得到的物种分布格局模型显示,尽管部分模型通过了统计检验,但与多度分布结果拟合度不高。【结论】在长白山地区,物种多样性的形成并非主要由随机过程驱动,而是受到竞争作用的显著影响,这决定了演替过程中群落物种组成的变化情况。虽然功能性状分布与物种多度分布之间存在一定的联系,但直接通过群落水平性状分布格局推断物种多度的方法尚不准确。

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。

浙江龙王山森林群落物种多度分布特征及其与海拔的关系

虽然大量研究已利用模型拟合的方法对植物群落的物种多度分布(SAD)进行了不同数学模型拟合,但对SAD形状(曲线的偏斜度)如何在环境梯度上连续变化的研究仍然不足;尤其是森林群落,同一地区不同植被类型群落SAD的模型拟合和形状变化是否一致,仍无明确定论。该研究针对安吉小鲵国家级自然保护区中分布的主要森林植被类型,采用样方调查法,记录了28个20 m×20 m样方中的物种组成及其个体多度。通过对数级数和对数正态模型对样方中的SAD曲线进行拟合,选择最优模型,并通过Gambin模型中的α值和Weibull模型中的η值反映SAD的形状,以及Weibull模型中λ值反映SAD的变化尺度(物种间个体多度的差异程度),分析海拔高度与SAD的形状和变化尺度之间的关系。结果表明:(1)该地区的森林群落物种多度分布主要符合对数级数模型。(2)当包含所有样方时,α值和η值与海拔高度无显著相关性,λ值与海拔呈显著正相关。(3)针对不同的植被类型,常绿与落叶阔叶混交林中α值和η值与海拔高度呈负相关,但在落叶阔叶林中λ值与海拔高度之间具有正相关关系,而α值和η值与海拔高度之间均无显著相关性。该研究结果表明,不同植被类型SAD的形状变化与海拔之间的关系存在差异,说明海拔对不同植被类型中各物种多度分布具有不同影响。因此,在关于植物群落的物种多度分布及其与影响因子关系的研究中,需要考虑区分不同的植被类型。

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。

基于MaxEnt模型的绿太阳鱼物种分布预测

绿太阳鱼(Lepomis cyanellus)是一种具有较高入侵风险的外来物种。本文结合19个生物气候因子和2 450个绿太阳鱼分布数据,利用最大熵模型(MaxEnt)预测了绿太阳鱼在全球的适宜分布区。结果表明绿太阳鱼在全球除南极洲外的各个大洲淡水水域都有广泛的适生区,且我国的东北部、中东部、西南部、南部均有该物种的中、高适生区分布;气温是限制绿太阳鱼分布的重要因素,其适宜的环境因子是年平均适宜温度为11.98℃到18.91℃之间,适宜气温宽幅从-9.27℃到35.06℃,适宜的环境范围较宽。本文认为在如今全球气候变暖的形势下,适应温度宽幅较大的绿太阳鱼在缺少人类干扰地区的扩散趋势将增加。

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。

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。

关于MaxEnt模型在预测物种分布的应用研究进展

指出以生态位理论为基础的MaxEnt模型广泛应用于各个研究领域,并且得到了相关学者们的高度认可。本文介绍了MaxEnt模型的的基本原理,详细阐述了MaxEnt模型在濒危动植物的潜在分布区的预测,在不同气候模式下病虫害的爆发预测,物种入侵的风险地区的预测等领域应用。以期在物种保护和生态环境维护方面给出科学可行的建议,并且为减少农业林业经济损失提供一定的科学依据。

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。

样本容量和物种特征对BIOCLIM模型模拟物种分布准确度的影响--以12个中国特有落叶栎树种为例

物种分布模型被广泛应用于生态学、生物地理学及保护生物学等领域的研究。由于难于取样或标本记录不完善等原因,真正能够用于模型预测的物种分布数据非常有限。因此,有必要搞清楚样本容量和物种特征对模型模拟准确度的影响,为确定以物种特征为区分条件的最小样本容量奠定基础。为了探讨应用BIOCLIM模型预测中国特有植物种的效果,以12个落叶栎树种为例,从不同的样本容量和生态特征两方面研究其对BIOCLIM模型模拟准确度的影响。结果表明:BIOCLIM模型模拟准确度随样本容量的增加在初期几乎呈直线增加趋势至样本容量达到25,随后渐变平缓至样本容量为75～100时达到最大值。此外,生态幅窄和环境特化物种比生态幅宽和对环境耐受性强的物种更容易获得较高的准确度。结果说明,BIOCLIM可有效地用于样本数量较小的狭域型物种分布预测。

样本量对MaxEnt模型预测物种分布精度和稳定性的影响

以实际调查的4个物种的34个不同样本量(5,6,8,10,15,20,25,30,40,50,60,70,80,90,100,120,150,180,200,220,250,300,350,400,450,500,550,600,650,700,800,900,1000,1200)为例,模拟计算分析不同的样本量对MaxEnt物种分布模型的精度和稳定性的影响。结果表明:总体上来看,样本量的大小对MaxEnt模型预测物种空间分布的精度影响不大,在样本量较小时,精度不稳定,随着样本量的增大(训练数据在样本量50左右,检验数据在样本量120左右),MaxEnt模型的预测精度越来越稳定。

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。

广义模型及分类回归树在物种分布模拟中的应用与比较

比较3个应用较广的模拟物种地理分布模型:广义线性模型(GLM)、广义加法模型(GAM)与分类回归树(CART)对中国树种地理分布模拟的优劣,以提出更为合适的模拟物种地理分布模型,并用于预测气候变化对物种地理分布的影响。3个模型对中国15种树种地理分布的模拟研究表明:除对油松、辽东栎分布的模拟精度稍差外,对其余树种分布的模拟精度均较高,其中以GAM模型最好。结合地理信息系统(GIS),比较分析了这3个模型对青冈、木荷、红松和油松4种树种的地理分布模拟效果,结果亦表明:这3个模型均能很好模拟青冈和木荷的地理分布,而GLM模型对红松分布的模拟结果不太理想,3个模型对油松分布的模拟结果均不甚理想,其中以GLM模型最差。基于3个模型对未来气候变化下青冈与蒙古栎地理分布的预测表明:GLM模型与GAM模型对青冈分布的预测结果较为接近,青冈在未来气候变化情景下向西和向北扩展,而CART模型预测青冈在未来气候变化情景下除有向西、向北扩展趋势外,广东和广西南部的青冈分布区将消失;3个模型均预测蒙古栎在未来气候变化情景下向西扩展,扩展面积的大小为:模型的模拟面积>模型>模型。

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。

基于物种敏感性分布(Burr-Ⅲ)模型预测Cd对水稻毒害的生态风险阈值HC_5

Burr-Ⅲ型分布是一种灵活的分布函数模型，对有害物质产生毒性的物种敏感性数据有很好的拟合效果。本研究采用水培实验研究了我国常见的17种不同水稻对Cd毒性的剂量-效应关系，结合Burr—Ⅲ物种敏感性分布模型对不同水稻Cd毒性的物种敏感性分布频次和基于保护95％水稻品种的Cd毒性阈值HC5进行了预测。结果表明：水培条件下，随着Cd处理浓度（0．30 - 6．0mg·L^-1）的增加，水稻对Cd富集系数（SCV）明显下降，而转运系数（TF）呈现出增加的趋势，总体而言，杂交品种水稻对Cd的转运系数高于常规品种水稻。不同水稻对Cd胁迫的半抑制浓度阈值（EC50）变化范围为0．552—24．01mg·L^-1，不同水稻品种EC50相差1．18-43．49倍，10％抑制浓度（EC10）变化范围为0．033～1．624mg·L^-1，不同水稻品种EC50相差1．758-49．21倍。不同水稻对Cd的毒性呈现出明显的敏感性差异特征，Bur-Ⅲ分布模型预测结果表明，基于保护95％的水稻品种，Cd的10％抑制浓度值（HC5^10%）为0．045mg·L^-1，50％抑制浓度值（HC550％）为0．594mg·L^-1。研究结果为我国水稻Cd污染防治及土壤Cd质量标准的修订提供了依据。

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。