MaxEnt模型参数设置对其所模拟物种地理分布和生态位的影响——以茶翅蝽为例

【目的】生态位模型被广泛应用于入侵生物学和保护生物学研究,现有建模工具中,MaxEnt是最流行和运用最广泛的生态位模型。然而最近研究表明,基于MaxEnt模型的默认参数构建模型时,模型倾向于过度拟合,并非一定为最佳模型,尤其是在处理一些分布点较少的物种。【方法】以茶翅蝽为例,通过设置不同的特征参数、调控倍频以及背景拟不存在点数分别构建茶翅蝽的本土模型,然后将其转入入侵地来验证和比较模型,通过检测模型预测的物种对环境因子的响应曲线、潜在分布在生态空间中的生态位映射以及潜在分布的空间差异性,探讨3种参数设置对MaxEnt模型模拟物种分布和生态位的影响。【结果】在茶翅蝽的案例分析中,特征参数的设置对MaxEnt模型所模拟的潜在分布和生态位的影响最大,调控倍频的影响次之,背景拟不存在点数的影响最小。与其他特征相比,基于特征H和T的模型其响应曲线较为曲折;随着调控倍频的增加,响应曲线变得圆滑。【结论】在构建MaxEnt模型时,需要从生态空间中考虑物种的生态需求,分析模型参数对预测物种分布和生态位可能造成的影响。     

提高生态位模型转移能力来模拟入侵物种 的潜在分布

生态位模型利用物种分布点所关联的环境变量去推算物种的生态需求, 模拟物种的分布。在模拟入侵物种分布时, 经典生态位模型包括模型构建于物种本土分布地, 然后将其转移并投射至另一地理区域, 来模拟入侵物种的潜在分布。然而在模型运用时, 出现了模型的转移能力较低、模拟的结果与物种的实际分布不相符的情况, 由此得出了生态位漂移等不恰当的结论。提高生态位模型的转移能力, 可以准确地模拟入侵物种的潜在分布, 为入侵种的风险评估提供参考。作者以入侵种茶翅蝽(Halyomorpha halys)和互花米草(Spartina alterniflora)为例, 从模型的构建材料(即物种分布点和环境变量)入手, 全面阐述提高模型转移能力的策略。在构建模型之前, 需要充分了解入侵物种的生物学特性、种群平衡状态、本土地理分布范围及物种的生物历史地理等方面的知识。在模型构建环节上, 物种分布点不仅要充分覆盖物种的地理分布和生态空间的范围, 同时要降低物种采样点偏差; 环境变量的选择要充分考虑其对物种分布的限制作用、各环境变量之间的空间相关性, 以及不同地理种群间生态空间是否一致, 同时要降低环境变量的空间维度; 模型构建区域要真实地反映物种的地理分布范围, 并考虑种群的平衡状态。作者认为, 在生态位保守的前提下, 如果模型是构建在一个合理方案的基础上, 生态位模型的转移能力是可以保证的, 在以模型转移能力较低的现象来阐述生态位分化时需要引起注意。     

入侵害虫菊方翅网蝽在中国的潜在分布预测

菊方翅网蝽Corythucha marmorata(Uhler,1878)是我国新近发现的外来入侵害虫,研究明确菊方翅网蝽在我国的潜在分布范围对其监测预警及科学防控具有重要意义。本研究根据菊方翅网蝽的地理分布数据及相关环境变量,运用Maxent生态位模型与ArcGIS预测了菊方翅网蝽在中国的潜在地理分布范围。预测结果表明:菊方翅网蝽在我国的适生区主要分布于100°～125°E,20°～40°N的亚热带、暖温带区域,其中高适生区主要集中在长江中下游地区,包括浙江、江苏、湖南、上海大部分地区、安徽南部、湖北南部、江西西部及南部、贵州东部、福建东部、广西北部、山东中部、河南南部以及重庆、台湾局部;此外,极端气温、平均气温、最干月份降雨量对菊方翅网蝽的潜在分布影响较大。菊方翅网蝽已在我国成功入侵并迅速蔓延成灾,应在疫区边缘地带加强监测,并采取措施防止其进一步扩散。     

美国大陆外来入侵物种斑马纹贻贝(Dreissena polymorpha)潜在生境预测模型

防止外来生物入侵造成危害的重要手段是阻止可能造成入侵的物种进入适合其生存的地区.论文以1864个美国外来入侵物种斑马纹贻贝定点发生数据和开放式基础地理信息数据库Daymet的34个环境变量为主要信息源,采用逻辑斯蒂回归(LR)、分类与回归树模型(CART)、基于规则的遗传算法(GARP)、最大熵法(Maxent)4种途径,建立美国大陆部分潜在生境预测模型,从接受者运行特征曲线下面积(AUC)、Pearson相关系数、Kappa值3个方面来检验模型预测精度,在此基础上分析斑马纹贻贝的空间分布规律及其环境影响因素.研究结果表明:在3个评价指标中,4个生态位模型预测精度均达到优良水平,其中Maxent在物种现实生境模拟、主要生态环境因子筛选、环境因子对物种生境影响的定量描述方面都表现出了优越的性能;距水源距离、海拔高度、降水频率、太阳辐射是影响物种空间分布的主要环境因子.论文提出的研究方法对中国外来入侵物种生境预测具有较强的借鉴意义,研究结果对中国海洋外来入侵物种沙筛贝的预测与防治,具有一定的指导作用.     

栎方翅网蝽Corythucha arcuata(Say)在中国的潜在适生区预测

【目的】栎方翅网蝽是栎树上的一种重要害虫,自21世纪入侵意大利以来,迅速在欧洲地区暴发成灾。本文旨在探明栎方翅网蝽入侵中国的风险性。【方法】利用MaxEnt生态位模型预测栎方翅网蝽在中国的潜在适生区,分析栎方翅网蝽入侵、定殖和扩散的可能性。【结果】栎方翅网蝽入侵中国并在中国黄河长江中下游平原定殖和扩散的风险性极高,高度适生区包括重庆市、安徽省、湖北省、河南省、浙江省、湖南省、贵州省和四川省。通过分析环境因子重要性表明,最冷季度平均温度是影响栎方翅网蝽适应区的最关键环境变量;年平均温度、等温性和最干季度平均温度是影响栎方翅网蝽适应区分布的主要环境因素。【结论】栎方翅网蝽在我国定殖扩散风险高,建议植物检疫部门加强栎方翅网蝽的监控,并将栎方翅网蝽列入中华人民共和国进境植物检疫性有害生物名录。     

基于MaxEnt模型的细足捷蚁在我国的适生区分析

细足捷蚁(Anoplolepis gracilipes)是新发现入侵我国南方地区的外来物种,对入侵地的生物多样性造成了严重威胁。为探究细足捷蚁的潜在扩散风险及其野生种群在我国的适生区范围,本文将细足捷蚁的分布点分为本土分布点和全球分布点,并分别构建了本土预测模型和全球预测模型,采用对细足捷蚁生存影响比较大的7个环境变量,通过调用ENMeval数据包调整MaxEnt模型参数,分别采用默认参数和优化参数并基于上述两种模型,对细足捷蚁在我国的适生区范围进行了预测,最后采用pROC方案对模型结果进行可信度检验。研究发现,在相同参数条件下,基于全球模型和本土模型的细足捷蚁适生区分布范围预测差异较大,而模型参数对模型预测的影响较小。综合4种情况的模型预测结果,发现细足捷蚁在我国云南、广西、广东、福建、海南和台湾均表现为高度适生,在湖南、贵州、江西和四川的部分地区表现为中度适生。此外,在世界范围内细足捷蚁于非洲中部和美洲中北部表现出高适生性。因此,作者认为,入侵昆虫细足捷蚁本土分布范围的界定对其在入侵地的预测结果有较大影响,也是影响模型预测结果准确性的重要因素。     

基于本土最优模型模拟入侵物种水盾草在中国的潜在分布

生态位模型预测存在不确定性, 不同模型预测结果差别较大。在生态位保守的前提下, 在本土区域构建经典生态位模型, 利用入侵地独立样本数据检验并选择最优模型, 具有独特优势, 可为入侵物种风险分析提供可靠参考。水盾草(Cabomba caroliniana)是一种恶性水生入侵杂草, 原产于南美洲, 已在我国多个省市建立种群, 本文基于本土最优模型预测其在我国的潜在分布, 以期为其风险分析和综合治理提供依据, 并通过水盾草案例探讨如何提高生态位模型预测准确性的方法。本文按时间顺序梳理了水盾草在我国的分布记录, 然后根据水盾草已有分布记录和其所关联的环境因子比较了不同地理种群所占有的气候生态空间, 测试水盾草在世界入侵过程中的现实生态位保守性。采用两组环境变量和5种算法在南美洲本土地区构建10种生态位模型, 并将其转移至我国, 基于最小遗漏率和记账错率, 利用我国(入侵地)的样本数据选择最优模型预测水盾草在我国的适宜生态空间和潜在分布。研究发现当前水盾草在我国的分布集中在东部水域充沛地区, 沿京杭运河和南水北调工程等向北扩散。生态空间比对中发现水盾草在亚洲与其他大洲所占有的生态空间具有一定的重叠, 其在我国的入侵过程中生态位是保守的。与本土空间相比, 水盾草在我国所占有的生态空间存在较大的生态位空缺, 表明水盾草在我国的潜在分布范围较大。生态位模型预测显示水盾草的适生区主要分布于我国的北京、上海、山东、浙江、江苏、安徽、湖北和湖南等省(市)。水盾草的潜在分布区多聚集在我国东南部, 该地区河流、湖泊、运河和渠道较为密集, 人类活动及自然天敌的缺乏容易助长其入侵趋势, 应在这些适宜地区开展调查, 及时发现疫情并采取相应措施。     

互花米草(Spartina alterniflora)潜在分布格局的空间尺度效应

了解不同空间尺度下外来入侵植物互花米草(Spartina alterniflora)的潜在分布格局,有助于制定科学的防治管理策略,维护滨海湿地的生物多样性。研究基于有效的地理分布点位和环境变量数据集,设置了3个研究区幅度(区域、国家、全球)和5种环境变量粒度(30″、1.0′、2.5′、5.0′、10′),应用最大熵(MaxEnt)模型预测互花米草在不同幅度和粒度下的潜在分布,探究互花米草分布格局及其环境影响因子对空间尺度响应。结果表明：(1)MaxEnt模型在不同空间尺度下的预测效果较好,各尺度下测试集的受试者曲线下面积(AUC)值均大于0.8,真实技巧统计值(TSS)值则超过0.56,但模型的预测精度对空间尺度变化较为敏感;(2)不同空间尺度下互花米草的潜在分布格局存在着显著的差异性,表现为适生区面积会随着空间范围扩大或环境变量分辨率降低而提高,且质心位置也在不断发生地带性转移;(3)空间尺度的变化会削弱主要环境变量的解释力。在大尺度范围和低分辨率环境变量图层中,气候因子的重要性较大,而在相反尺度下地形因子的影响度得到提升;(4)研究区范围与环境变量分辨率不匹配时,模型预测精度和物...     

基于最大熵模型的森林-草原交错区野生东北马鹿分布区预测与参数优化研究

利用最大熵模型(MaxEnt)对内蒙古高格斯台罕乌拉国家级自然保护区内的东北马鹿Cervus elaphus xanthopygus潜在分布区和适宜生境进行预测,比较基于默认参数和优化参数的预测结果,探讨参数优化对东北马鹿种群潜在分布区和适宜生境预测结果的影响。研究结果表明：优化参数模型的特征组合选择线性、二次型、片段化、成积型和阈值型特征,调控倍率为4时,模型的拟合度和复杂度得到改善;优化参数建模下,温度季节性、距道路距离、距草地距离、最冷季平均温度、等温性、海拔和距河流距离是影响东北马鹿分布的主要环境因子;2种模型预测结果表明,东北马鹿均主要分布于保护区东北部,适宜生境面积分别为36.04 km²和126.67 km²,占总面积的3.5%和12.6%。研究表明,使用MaxEnt模型进行濒危珍稀物种潜在适宜生境预测时,需根据影响物种分布的关键环境因子选择最合理的参数设置。     

物种分布模型在海洋潜在生境预测的应用研究进展

海洋生物的栖息分布与环境要素的关联性一直是海洋生态学研究的热点之一.近年来,物种分布模型被广泛应用于预测海洋物种分布、潜在适宜性生境评价等研究,为保护海洋生物多样性、防治外来物种入侵及制定渔业管理措施等提供了一条有效途径.物种分布模型主要包括生境适宜性指数模型、机理模型和统计模型.本文对物种分布模型的理论基础进行了归纳和总结,回顾了物种分布模型在预测海洋物种潜在地理分布研究中的开发与应用,重点介绍了不同类型统计模型在海洋物种潜在分布预测中的研究实例.比较各种选取变量和模型验证方法,认为赤池信息准则对于选取模型变量具有优势,Kappa系数和受试者操作特征曲线下面积在验证模型精度中应用最广泛.阐述了物种分布模型存在的问题及未来发展趋势,随着海洋生物生理机制研究的进一步深入,机理模型将是今后物种分布模型发展的重点.     

种间作用对物种分布模拟的影响及建模方法

物种分布模型(SDMs)通过量化物种分布和环境变量之间的关系,并将其外推到未知的景观单元,模拟、预测地理空间中生物的潜在分布,是生态学、生物地理学、保护生物学等研究领域的重要工具.然而,目前物种分布模型主要采用非生物因素作为预测变量,由于数据量化和建模表达困难,生物因素特别是种间作用在物种分布模型中常被忽略,将种间作用...     

应用Maxent建立沙筛贝潜在生境模型

外来入侵物种沙筛贝适应能力强、繁殖率高,一旦入侵,将严重危害潮间带生物多样性。我国广东省部分沿海地区的潮间带和牡蛎增养殖区已被沙筛贝入侵,且污损情况较严重。为了了解沙筛贝目前在我国的潜在生境情况,本研究选用最大熵模型(Maxent)和地理信息系统相结合,建立了沙筛贝在我国和全球的潜在生境预测模型,并利用受试者工作特征曲线(ROC)和实地调查对结果进行验证。结果表明: 沙筛贝全球存在概率较高的地区分布于北美洲与南美洲之间、印度南部、斯里兰卡和我国长江以南沿海以及南半球的澳大利亚范迪门湾;沙筛贝在我国的适生区域主要分布在上海以南沿海省份。影响沙筛贝适生区域分布的主要环境变量包括水汽压、温度和太阳辐射,经ROC检测后训练集AUC值为0.996,预测结果达到优秀水平。研究结果可为沙筛贝入侵风险评估和治理提供理论依据, 补充我国外来入侵物种的潜在生境预测工作。     

入侵害虫蔗扁蛾在我国的潜在分布区

【目的】蔗扁蛾是危害巴西木、甘蔗等园林植物和经济作物的重要入侵害虫。该虫于20世纪90年代初在我国被发现,现已分布在海南、广东和上海等19个省市,并有迅速扩散蔓延的趋势。对入侵害虫的潜在分布区进行预测,可为实施害虫监测和管理提供参考。【方法】根据蔗扁蛾已有分布点的记录,分别在4种地理区域构建Maxent生态位模型,并采用加权平均值法对其进行整合,进而分析蔗扁蛾在我国的潜在分布区。【结果】基于4种地理区域构建的Maxent模型对我国南部地区的预测结果基本一致,4种模型的预测差异主要在新疆北部和西南部、黑龙江东部和西部、吉林西部、山西中部等地区。整合模型显示,华东和华南地区以及东部沿海地区具有较大的分布可能性。【结论】蔗扁蛾在我国尤其是南方具有较大的潜在分布空间。这些地区应警惕蔗扁蛾的入侵,同时采取应对措施防止其进一步扩散。     

生态位模型的基本原理及其在生物多样性保护中的应用

生态位模型是利用物种已知的分布数据和相关环境变量,根据一定的算法来推算物种的生态需求,然后将运算结果投射至不同的空间和时间中来预测物种的实际分布和潜在分布.近年来,该类模型被越来越多地应用在入侵生物学、保护生物学、全球气候变化对物种分布影响以及传染病空间传播的研究中.然而,由于生态位模型的理论基础未被深入理解,导致得出入侵物种生态位迁移等不符合实际的结论.作者从生态位与物种分布的关系、生态位模型构建的基本原理以及生态位模型和生态位的关系等方面探讨了生态位模型的理论基础.非生物的气候因素、物种间的相互作用和物种的迁移能力是影响物种分布的3个主要因素,它们在不同的空间尺度下作用于物种的分布.生态位模型是利用物种分布点所关联的环境变量来模拟物种的分布,这些分布点本身关联着该物种和其他物种间的相互作用,因此生态位模型所模拟的是现实生态位(realized niche)或潜在生态位(potential niche),而不是基础生态位(fundamental niche).Grinnell生态位和Elton生态位均在生态位模型中得到反映,这取决于环境变量类型的选择、所采用环境变量的分辨率以及物种自身的迁移能力.生态位模型在生物多样性保护中的应用主要包括物种的生态需求分析、未知物种或种群的探索和发现、自然保护区的选择和设计、物种入侵风险评价、气候变化对物种分布的影响、近缘物种生态位保守性及基于生态位分化的物种界定等方面.     

揭示群落结构及其环境响应的联合物种分布模型的研究进展

物种分布模型通常用于基础生态和应用生态研究,用来确定影响生物分布和物种丰富度的因素,量化物种与非生物条件的关系,预测物种对土地利用和气候变化的反应,并确定潜在的保护区.在传统的物种分布模型中,生物的相互作用很少被纳入,而联合物种分布模型(JSDMs)作为近年提出的一种新的可行方法,可以同时考虑环境因素和生物交互作用,因而成为分析生物群落结构和种间相互作用过程的有力工具.JSDMs以物种分布模型(SDMs)为基础,通常采用广义线性回归模型建立物种对环境变量的多变量响应,以随机效应的形式获取物种间的关联,同时结合隐变量模型(LVMs),并基于Laplace近似和马尔科夫蒙脱卡罗模拟的最大似然估计或贝叶斯方法来估算模型参数.本文对JSDMs的产生及理论基础进行归纳总结,重点介绍了不同类型JSDMs的特点及其在现代生态学中的应用,阐述了JSDMs的应用前景、使用过程中存在的问题及发展方向.随着对环境因素与多物种种间关系研究的深入,JSDMs将是今后物种分布模型研究的重点.     

利用分布有/无数据预测物种空间分布的研究方法综述

详细的物种地理分布信息是生态学研究和制定保护策略的基础。相比较于直接估测种群数量,获取物种分布的有/无数据更为实用。因此,利用分布有/无数据并结合环境变量建立模型预测物种空间分布的方法在近年来得到了长足发展,并被广泛应用。利用分布有/无数据预测物种分布,关键的步骤包括：1)构建总体概念模型,2)收集物种分布有/无数据,并准备环境变量图层;3)选择合适的统计模型和算法,以及4)对模型进行评估。概念模型提出研究假设,并确定数据收集及模型方法。收集物种分布数据有系统调查及非系统调查方法。筛选并准备与物种分布相关的环境变量,利用GIS工具处理,使之成为符合模型条件的具有合适的空间尺度的数字化图层。利用环境变量和物种分布有/无的数据,选择合适的方法及软件建立模型,并对模型进行检验和评估。我们总结了用于构建物种分布模型的不同算法和软件。本文将针对以上各个环节,阐述利用物种分布有/无数据进行研究所需要的技术细节,以期望为读者提供借鉴。     

基于MaxEnt模型预测黄脊竹蝗在中国的适生区

为探明黄脊竹蝗Ceracris kiangsu在我国的潜在适生区,做好早期虫情监测.本研究根据267个黄脊竹蝗物种分布点,结合气候数据,采用最大熵(Maxent)模型和ArcGIS预测黄脊竹蝗在我国的适生区分布.结果表明:影响黄脊竹蝗适生区分布的主要环境变量为最干月降水量和最冷月最低温,次要环境变量为湿季降水量、最热月最高温、降水量季节性变异系数和温度年较差.预测的黄脊竹蝗高适生区、中适生区、低适生区分别占全国陆地总面积的3.0％、5.6％和10.3％,适生区主要分布在江淮流域、长江中下游地区、华南及西南等地.模型预测结果与实际调查一致性较高,能够反映真实分布情况,对科学开展黄脊竹蝗防控具有较高参考价值.     

悬铃木方翅网蝽在我国的潜在分布分析

运用生态位模型MaxEnt和GARP对悬铃木方翅网蝽Corythucha ciliate(Say)在我国的潜在分布进行了模拟,并结合其寄主植物悬铃木在我国的分布进行了分析。实验采用悬铃木方翅网蝽在我国的分布数据,结合6种气候变量和海拔数据构建模型,并将MaxEnt和GARP的输出结果进行合意。研究显示MaxEnt和GARP的模拟结果基本一致,均能较好的模拟悬铃木方翅网蝽在我国的分布,二者均显示山东西南部和中部、四川中部和东部、重庆、陕西中部、河南中部和东部、安徽、江苏、上海、贵州、湖南、江西、浙江、福建中部和北部、云南中部等地区为悬铃木方翅网蝽的适宜分布区,此外,河北中部和南部、山东东部,广东和广西的北部亦具潜在分布的可能性。与MaxEnt输出结果相比,GARP相对较为保守。MaxEnt输出结果显示年平均气温和极端低温对悬铃木方翅网蝽地理分布的限制作用最大。考虑到该虫对高低温度的耐受性,我国二球悬铃木栽培的南界(南宁和广州)和北界(大连、北京、石家庄、太原)需要重视和监控起来。     

ROC曲线形状在生态位模型评价中的重要性——以美国白蛾为例

【目的】生态位模型在生物地理学、入侵生物学和保护生物学中具有广泛的应用,被越来越多地用于预测物种潜在分布和现实分布的研究中。本文以美国白蛾为例介绍pROC方案在生态位模型评价中的应用及其注意事项,以期对物种潜在分布预测进行合理的评价,促进生态位模型在我国的合理运用和发展。【方法】介绍ROC曲线和AUC值基本原理,总结其在生态位模型评价中的应用,从物种存在分布点和不存在分布点的可信度出发,分析AUC值用于模型评价的优点和不足,最后介绍局部受试者工作特征曲线的线下面积方案(pROC方案)来弥补传统AUC值的不足。【结果】AUC值虽独立于阈值,但因其综合灵敏度和特异度,而屏蔽这2个指标各自的特征,不能分别评估预测结果的灵敏度和特异度,同时对遗漏率和记账错率不能进行权衡,会误导使用者对模型的评价。与AUC值相比,ROC曲线的形状更具有价值,蕴含丰富的模型评价信息。【结论】模型评价需要将灵敏度和特异度区别对待,ROC曲线形状比AUC值在生态位模型评价中更为重要,pROC方案相对于传统AUC值具有优势,但容易对过度模拟做出不当判断。模型评价与作者研究目的密切相关:当以预测物种潜在分布为目的时(如入侵物种潜在分布、气候变化对物种分布的影响和谱系生物地理学),模型评价应当给予灵敏度(或者遗漏率)更多的权重;当以预测物种现实分布为目的时(如保护区界定和濒危物种引入),模型评价应当给予灵敏度和特异度同等的权重。     

基于Maxent模型的冬虫夏草中国潜在适生区预测

冬虫夏草(Ophiocordyceps sinensis)是分布在青藏高原高寒地区稀缺的可再生生物资源, 是我国传统名贵中药材, 具有很高的药用价值和经济价值。目前对冬虫夏草的潜在适生区研究较少, 对虫草资源的空间分布格局尚不清晰。明确冬虫夏草在我国的地理分布, 对其保护及有效利用具有重要意义。研究共收集了175个分布点及24个环境因子数据, 最终筛选出12个环境变量数据参与模型训练, 利用Maxent模型预测冬虫夏草中国潜在适生区, 通过ROC曲线分析模型预测效果, 结合贡献率、置换重要值和刀切法检验分析环境变量对冬虫夏草分布的影响。结果显示: 我国虫草主要分布于西藏、青海、甘肃、四川和云南五省, 适生区总面积(高适宜分布区与中适宜分布区)为8.82927×105 km2。ROC评价结果显示, Maxent模型训练数据的AUC值高达0.959, 表明预测结果准确度极高。对环境变量进行分析, 影响冬虫夏草地理分布的主要环境因子是海拔, 最暖季度平均温度, 最暖季度降水量。本研究明确了冬虫夏草在我国的潜在适生分布区, 为虫草的资源明确及生境保护提供了理论依据。