摘要 為全面評(píng)價(jià)生態(tài)氣候因子對(duì)湖北省煙葉生長(zhǎng)發(fā)育的影響，利用2008—2020 年中國(guó)氣象局陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（CMA land data assimilation system，CLDAS）數(shù)據(jù)集和其他環(huán)境因子，基于最大熵模型（MaxEnt），利用湖北省西部煙區(qū)實(shí)際種植點(diǎn)位模擬湖北省煙區(qū)的潛在適宜性分布，并評(píng)估影響適宜性分布的主導(dǎo)環(huán)境因子。結(jié)果顯示：MaxEnt 模型對(duì)煙草適宜性分布的模擬預(yù)測(cè)精度較高（AUC=0.854）。海拔（650～1 750 m）、土壤類(lèi)型（黃壤）、團(tuán)棵期平均最低氣溫（8.9～15.0 ℃）、旺長(zhǎng)期平均氣溫（16.0～22.9 ℃）、成熟期平均氣溫（18.8～25.6 ℃）是影響湖北煙草分布的主導(dǎo)環(huán)境因子。煙草的高適生區(qū)主要分布在恩施、十堰和襄陽(yáng)南部及宜昌東南部，占湖北省總面積的18.2%，80% 區(qū)域的海拔為700～1 350 m、團(tuán)棵期平均最低氣溫11.2～14.5 ℃、旺長(zhǎng)期平均氣溫19.2～22.8 ℃、成熟期平均氣溫22.0～25.4 ℃。在所有環(huán)境因子中，海拔高度起決定性作用，溫度則是影響煙草生長(zhǎng)發(fā)育的重要?dú)庀笠蜃?。研究表明，本研究結(jié)果與湖北煙區(qū)實(shí)際空間分布基本相符。

關(guān)鍵詞 湖北煙區(qū)； 最大熵模型； 生育期； 潛在分布； 主導(dǎo)環(huán)境因子； 生態(tài)適宜性； 地理信息系統(tǒng)（GIS）

中圖分類(lèi)號(hào) P49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1000-2421（2024）01-0100-08

煙草是湖北省重要的經(jīng)濟(jì)作物，煙葉主產(chǎn)區(qū)主要位于湖北省西部山區(qū)，煙區(qū)海拔分布在78～1 900 m［1］。鄂西立體環(huán)境特征明顯，煙葉對(duì)環(huán)境變化十分敏感［2］，不同地理和氣候條件下，煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)有明顯差異。因此，在當(dāng)前全球氣候變暖背景下，有必要了解目前已存煙區(qū)的適生程度和湖北省境內(nèi)潛在的適宜性煙區(qū)，以及不同適生區(qū)內(nèi)環(huán)境因子的適宜范圍。

目前有關(guān)湖北省煙草的研究，主要集中在土壤、海拔等因子對(duì)煙葉適生性和品質(zhì)的影響方面。王得強(qiáng)等［3］指出十堰低海拔煙區(qū)煙葉的適生性高于中海拔和高海拔區(qū)域；尹忠春等［4］指出宣恩煙區(qū)出現(xiàn)酸化（pH 5.5～7.0）趨勢(shì)，適合種植煙草的面積占35.4%。也有不少研究分析了不同生育期適宜的氣候條件，發(fā)現(xiàn)鄂西煙區(qū)大田中期氣溫低、降水多，成熟期降水少、日照充足有利于提高煙草的品質(zhì)［5］。近年來(lái)，有關(guān)氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與區(qū)劃已逐漸成熟，一些學(xué)者利用氣候條件或者氣象災(zāi)害作為指標(biāo)開(kāi)展了煙草種植區(qū)劃的研究［6-7］。孟丹等［8］指出鄂西北種植區(qū)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)為東高西低，鄂西南為南高北低。以上有關(guān)煙草方面的研究大多只針對(duì)地理、土壤特性或氣象因子對(duì)煙草生長(zhǎng)發(fā)育的影響，且目前有關(guān)湖北煙區(qū)類(lèi)型的劃分也僅停留在單一氣候因子的區(qū)劃研究上，較少考慮地理、土地利用類(lèi)型等環(huán)境因子，并且煙草區(qū)劃側(cè)重于不同種植區(qū)的劃分，很少與不同環(huán)境因子的影響和適宜范圍聯(lián)合分析。

本研究基于湖北省已知的煙區(qū)分布點(diǎn)，選用高分辨率氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)、地形、土壤等相關(guān)環(huán)境因子，應(yīng)用MaxEnt 模型和GIS 技術(shù)［9-10］，考察湖北省煙區(qū)分布與環(huán)境變量之間的關(guān)系，揭示影響煙區(qū)分布的主導(dǎo)環(huán)境因子，并進(jìn)一步分析煙葉在湖北省的潛在適生區(qū)分布，以期為湖北省煙草空間布局規(guī)劃和科學(xué)種植提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 煙草物種點(diǎn)和生育期的確定

煙草物種點(diǎn)主要分布在湖北省西部的恩施、宜昌、十堰和襄陽(yáng)地區(qū)（圖1）。本研究根據(jù)以往對(duì)鄂西多年平均煙葉生育時(shí)期的研究，確定了煙葉不同生育期時(shí)段，具體時(shí)間劃分為團(tuán)棵期（4 月25 日—5 月31 日）、旺長(zhǎng)期（6 月1 日—6 月30 日）、成熟期（7 月1日—8 月31 日）。

1.2 環(huán)境變量

本研究選用的環(huán)境變量包括地形數(shù)據(jù)、土地利用類(lèi)型、土壤類(lèi)型、土壤濕度以及相關(guān)的氣候變量。地形數(shù)據(jù)包括海拔、坡度、坡向3 個(gè)要素，其中海拔來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云（https：//www.gscloud.cn/），空間分辨率為30 m×30 m，坡度和坡向根據(jù)GIS 技術(shù)計(jì)算得到。土地利用類(lèi)型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6 個(gè)一級(jí)類(lèi)型以及25 個(gè)二級(jí)類(lèi)型，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/），空間分辨率為1 km×1 km。土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，共分為57 大類(lèi)。

土壤濕度和氣候變量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（CMA land data assimilation system，CLDAS），空間分辨率為0.062 5°×0.062 5°，時(shí)間分辨率為逐小時(shí)。其中，氣候變量根據(jù)不同生育期受不同氣象因子的影響程度進(jìn)行確定，包括大田期平均氣溫、平均降水量、氣溫日較差，團(tuán)棵期的平均氣溫、平均降水量、平均最低氣溫、日較差等共25個(gè)氣候指標(biāo)數(shù)據(jù)。土壤濕度分為［0～5）、［5～10）、［10～40）、［40～100）和［100～200） cm 共5 層，本研究選用了大田期和不同生育期5 個(gè)層次共25 個(gè)土壤濕度指標(biāo)。從國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)（http：//www.ngcc.cn/ngcc/）下載的1∶100 萬(wàn)的中國(guó)矢量地圖作為分析底圖。

1.3 數(shù)據(jù)處理

為保證MaxEnt 軟件順利運(yùn)行，所有環(huán)境變量均通過(guò)GIS 技術(shù)的空間分析模塊處理，坐標(biāo)系統(tǒng)一為WGS_1984_Albers，分辨率為90 m×90 m，輸出格式ASCII，用于MaxEnt 軟件對(duì)煙草適生區(qū)的模擬。

1.4 環(huán)境變量相關(guān)性的檢驗(yàn)和篩選

為提高模型預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度，考慮到并非所有的環(huán)境變量都對(duì)煙草的分布存在明顯影響，利用Max?Ent 軟件中的刀切法評(píng)價(jià)上述50 個(gè)環(huán)境變量對(duì)模型預(yù)測(cè)的貢獻(xiàn)率，對(duì)50 個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行多次運(yùn)算，直到所有環(huán)境變量的貢獻(xiàn)率均大于0。最后得到 15 個(gè)對(duì)煙草不同生育期影響較高的環(huán)境因子（表1），在此基礎(chǔ)上重建鄂西煙草分布的最大熵模型。

1.5 MaxEnt 參數(shù)設(shè)置和結(jié)果評(píng)價(jià)

MaxEnt 軟件V3.4.1 是基于 Java 平臺(tái)設(shè)計(jì)的一款用于預(yù)測(cè)物種潛在分布軟件，將煙草物種點(diǎn)和篩選后的15 個(gè)環(huán)境變量導(dǎo)入模型，隨機(jī)選擇75% 的煙草物種分布點(diǎn)作為訓(xùn)練集，剩余25% 的分布點(diǎn)作為測(cè)試集驗(yàn)證結(jié)果，正則化乘數(shù)（regularization multiplier）設(shè)置為1.1，模型重復(fù)運(yùn)行10 次［11］。利用刀切法（jackknife）測(cè)試各環(huán)境變量權(quán)重，同時(shí)選擇創(chuàng)建響應(yīng)曲線（create response curves）和制作預(yù)測(cè)圖（makepictures of predictions），其他參數(shù)為模型的默認(rèn)值。

本研究采用接收者操作特征曲線（ROC）下面積值，即AUC 值來(lái)評(píng)估MaxEnt 模型模擬預(yù)測(cè)效果，其中ROC 曲線由MaxEnt 模型多次運(yùn)行平均值所得。AUC 取值范圍0～1，AUC 越接近1 表示模型預(yù)測(cè)的物種分布結(jié)果的精度和可靠性越高，評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為：0.6～0.7 一般，0.7～0.8 較準(zhǔn)確，0.8～0.9 準(zhǔn)確，0.9～1.0 極準(zhǔn)確［12］。

2 結(jié)果與分析

2.1 MaxEnt 模型預(yù)測(cè)能力評(píng)價(jià)

圖2 為MaxEnt 模型模擬10 次輸出的ROC 曲線圖，AUC 均值為0.854，明顯高于隨機(jī)預(yù)測(cè)結(jié)果0.5，根據(jù)AUC 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本次構(gòu)建模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性達(dá)到“準(zhǔn)確”標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明利用湖北省現(xiàn)有的煙草物種分布點(diǎn)數(shù)據(jù)和篩選過(guò)的環(huán)境變量能較好地模擬煙草的適生區(qū)分布。

2.2 影響煙草分布的環(huán)境因子

根據(jù)MaxEnt 模型計(jì)算得到的各環(huán)境變量貢獻(xiàn)率來(lái)確定對(duì)煙草分布產(chǎn)生影響的主要因子（表2），其中bio1（海拔）貢獻(xiàn)率達(dá)到80.0% 以上，bio8（土壤類(lèi)型）、bio2（土地利用類(lèi)型）、bio4（旺長(zhǎng)期降水量）、bio13（團(tuán)棵期平均最低氣溫）、bio14（旺長(zhǎng)期平均氣溫）貢獻(xiàn)率在1.5% 以上，以上6 個(gè)環(huán)境因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到90.0% 以上。

根據(jù)刀切法檢驗(yàn)環(huán)境變量對(duì)煙區(qū)分布的影響程度，其中藍(lán)色表示單獨(dú)考慮該變量，增益值越高表示重要性越高，對(duì)物種分布貢獻(xiàn)較大，淡藍(lán)色表示排除這個(gè)環(huán)境因子后對(duì)結(jié)果的影響［13］。圖3 結(jié)果顯示，“僅此變量”建模時(shí)bio1（海拔）、bio10（成熟期平均氣溫）、bio14（旺長(zhǎng)期平均氣溫）、bio15（成熟期平均最高氣溫）、bio13（團(tuán)棵期平均最低氣溫）對(duì)模型的增益效果比較顯著，“除此變量”建模時(shí)，bio1（海拔）對(duì)模型結(jié)果影響最顯著，說(shuō)明海拔具有其他環(huán)境變量不具備的重要信息。

結(jié)合MaxEnt 模型中各變量因子的貢獻(xiàn)率和刀切法共同結(jié)果，得出bio1（海拔）、bio8（土壤類(lèi)型）、bio13（團(tuán)棵期平均最低氣溫）、bio14（旺長(zhǎng)期平均氣溫）、bio10（成熟期平均氣溫）對(duì)影響煙草分布的影響較大。其中，地理因子海拔對(duì)煙草分布起到了決定性作用，氣候因子中氣溫對(duì)煙草生長(zhǎng)更為重要，降水影響其次。一般認(rèn)為，當(dāng)分布概率大于0.5 時(shí)，對(duì)應(yīng)的環(huán)境因子范圍適合物種生長(zhǎng)［14］，根據(jù)上述5 個(gè)重要環(huán)境變量與煙草分布概率的響應(yīng)曲線（圖4）可以看出，海拔在650～1 750 m 適宜煙草的生長(zhǎng)，最適宜范圍為1 150～1 450 m，其中650～1 150 m 范圍內(nèi)，煙草分布概率隨著海拔而增加，高于1 450 m 時(shí)，則隨海拔升高而降低；團(tuán)棵期平均最低氣溫適宜范圍為8.9～15.0 ℃，其中，10.5 ℃為最適宜溫度；旺長(zhǎng)期平均氣溫在16.0～22.9 ℃范圍內(nèi)有利于煙草的生長(zhǎng)，最佳溫度為18.1 ℃；成熟期的最適宜氣溫范圍為18.8～25.6 ℃，20.5 ℃最有利于煙草的生長(zhǎng)。

2.3 煙草適宜性空間分布

利用GIS 空間分析技術(shù)對(duì)MaxEnt 模型多次運(yùn)算的適生區(qū)進(jìn)行等級(jí)劃分和面積計(jì)算，參照秦委等［15］適生區(qū)等級(jí)劃分方法，將煙草的潛在適生區(qū)劃分為：非適生區(qū)（Plt;0.05）、低適生區(qū)（0.05≤Plt;0.25）、中適生區(qū)（0.25≤Plt;0.5）、高適生區(qū)（P≥0.5）4 類(lèi)。MaxEnt 模型結(jié)果顯示（圖5），在目前的氣候條件下，湖北省煙草適生區(qū)主要分布在鄂西以及鄂北和鄂東的高海拔地區(qū)，面積為79 146.3 km2，占全省總面積的42.5%。煙草高適生區(qū)主要分布在恩施境內(nèi)以及十堰和襄陽(yáng)市南部、宜昌市西部，面積為33 907.3 km2，占全省總面積的18.2%，80% 區(qū)域的海拔為700～1 350 m、團(tuán)棵期平均最低氣溫11.2～14.5 ℃、旺長(zhǎng)期平均氣溫19.2～22.8 ℃、成熟期平均氣溫22.0～25.4 ℃。煙草中適生區(qū)分布在高適生區(qū)周?chē)?，主要為十堰市、宜昌西北部，占全省總面積的11.2% ，80% 區(qū)域的海拔為500～1 000 m、團(tuán)棵期平均最低氣溫11.6～15.0 ℃、旺長(zhǎng)期平均氣溫20.3～23.7 ℃、成熟期平均氣溫23.0～26.5 ℃。煙草低適生區(qū)零散分布在鄂西北和鄂東部分山區(qū)，占全省總面積的13.1%，基本分布在海拔600 m 以下、團(tuán)棵期平均最低氣溫13.3～16.8 ℃、旺長(zhǎng)期平均氣溫22.5～26.0 ℃、成熟期平均氣溫25.2～28.0 ℃。

目前湖北省的煙區(qū)集中分布在鄂西區(qū)域，從適宜性區(qū)劃上可以看出，隨州北部的桐柏山、鄂東北的大別山和鄂東南的幕阜山周?chē)植康貐^(qū)也存在基本適宜煙草生長(zhǎng)的環(huán)境條件。

3 討論

本研究根據(jù)湖北省現(xiàn)有的煙區(qū)種植點(diǎn)，利用MaxEnt 模型評(píng)估了影響煙草生長(zhǎng)的主導(dǎo)環(huán)境因子及其適宜范圍，并評(píng)價(jià)了湖北省煙草潛在適宜性空間分布。研究結(jié)果顯示，海拔因子是最主要的環(huán)境因子，團(tuán)棵期平均最低氣溫（8.9～15.0 ℃）、旺長(zhǎng)期平均氣溫（16.0～22.9 ℃）和成熟期平均氣溫（18.8～25.6 ℃）則是影響煙草生長(zhǎng)發(fā)育的主導(dǎo)氣象因子。湖北省煙草適生區(qū)主要分布在鄂西，高適生區(qū)主要分布在恩施州、十堰市和襄陽(yáng)市南部以及宜昌市西部，占全省總面積的18.2%。

本研究基于MaxEnt 模型輸出結(jié)果進(jìn)而評(píng)價(jià)了不同環(huán)境因子對(duì)煙草各個(gè)生長(zhǎng)期的影響程度。團(tuán)棵期長(zhǎng)時(shí)間的低溫陰雨會(huì)降低光合作用，且在以后的發(fā)育階段難以彌補(bǔ)，進(jìn)而引起早花，影響煙葉的產(chǎn)量和質(zhì)量［16］。鄂西煙區(qū)團(tuán)棵期的最低溫度低于9.0 ℃，降水量達(dá)到231 mm 以上，土壤濕度高于40 m3/m3，不利于煙草的正常生長(zhǎng)。旺長(zhǎng)期是煙草生長(zhǎng)最快的生育時(shí)段，氣象因素對(duì)煙草的生長(zhǎng)發(fā)育極為重要，此時(shí)段若氣溫較低，不利于葉綠體的分解和類(lèi)胡蘿卜素的降解，若持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，煙株容易出現(xiàn)早花，不利于煙葉的正常成熟［17］。旺長(zhǎng)期對(duì)降雨量的需求比較大，降水較少，易發(fā)生干旱，也不利于“香氣物質(zhì)”形成的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，影響煙葉的感官質(zhì)量［18］。本研究得出旺長(zhǎng)期平均氣溫低于16.1 ℃或高于22.9 ℃，同時(shí)降水量低于320 mm，對(duì)煙草的生長(zhǎng)將會(huì)產(chǎn)生抑制作用。

成熟期的溫度對(duì)煙葉的品質(zhì)有重要影響，溫度過(guò)高，呼吸作用大于光合作用，干物質(zhì)消耗大于積累，影響煙株的生長(zhǎng)和成熟，導(dǎo)致中上部煙葉“高溫逼熟”現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)對(duì)煙葉的品質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生影響，煙葉的煙堿含量將明顯增加，經(jīng)濟(jì)價(jià)值將會(huì)大大降低［19］。鄂西煙區(qū)成熟期平均溫度高于25.6 ℃，最高溫度高于30.9 ℃，不利于煙草的生長(zhǎng)，當(dāng)平均溫度高于28.5 ℃或者最高溫度高于33.2 ℃，煙草生長(zhǎng)概率為0。地表溫度日較差也是盛產(chǎn)優(yōu)質(zhì)烤煙的重要因素之一，白天氣溫高有利于光合作用合成更多的有機(jī)物質(zhì)，夜間氣溫低可減少呼吸消耗，因此，較大的晝夜溫差使得煙葉內(nèi)干物質(zhì)尤其是糖分積累多［20］。對(duì)于湖北省煙區(qū)來(lái)說(shuō)，旺長(zhǎng)期的日較差在6.9～10.7 ℃，成熟期的日較差大于8.0 ℃，都會(huì)對(duì)煙草的品質(zhì)產(chǎn)生正向反饋。

本研究結(jié)合煙草潛在適宜性空間分布、主導(dǎo)環(huán)境因子及其適宜范圍，根據(jù)湖北省行政單元進(jìn)一步探討了湖北省潛在低適生區(qū)的環(huán)境因子，并對(duì)目前位于低適生區(qū)的煙草種植點(diǎn)提出了合理種植建議。神農(nóng)架林區(qū)大部被定義為低適生區(qū)，80% 區(qū)域的團(tuán)棵期平均最低氣溫（6.7～11.2 ℃）低于適宜范圍，旺長(zhǎng)期和成熟期平均氣溫也均低于適宜范圍4.0 ℃以?xún)?nèi)。該地區(qū)平均海拔在2 000 m 以上，未來(lái)規(guī)劃種植煙草主要考慮團(tuán)棵期的低溫冷害對(duì)煙苗的傷害，以及旺長(zhǎng)期和成熟期溫度過(guò)低會(huì)抑制煙草正常生長(zhǎng)發(fā)育。湖北省西部和東部其他低適生區(qū)不同生育期的平均氣溫則高于適宜范圍0～3.0 ℃，該地區(qū)煙草的種植要考慮溫度過(guò)高帶來(lái)的早花、高溫逼熟等現(xiàn)象。針對(duì)目前的煙草種植點(diǎn)，恩施土家族苗族自治州來(lái)鳳縣、丹江口市、十堰市竹山縣西部和棗陽(yáng)市煙草種植區(qū)不同生育期的平均氣溫高于適宜范圍，其中棗陽(yáng)市氣溫相對(duì)更高，旺長(zhǎng)期平均氣溫高出適宜溫度2.1～3.2 ℃，降水量在150 mm 以下，西北部種植區(qū)降水量低于130 mm。因此，該地區(qū)煙草在旺長(zhǎng)期容易出現(xiàn)高溫干旱，煙農(nóng)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)鼐?xì)化氣象預(yù)報(bào)，注意觀察煙草生長(zhǎng)狀態(tài)，可以提前進(jìn)行人工干預(yù)，及時(shí)對(duì)煙草澆水灌水，避免煙田缺水導(dǎo)致煙株生長(zhǎng)緩慢。

湖北省煙區(qū)分布主要受地形和氣候限制，對(duì)一定范圍地區(qū)，海拔、土壤、土地利用類(lèi)型等環(huán)境因子是相對(duì)固定的，而氣象條件不斷在變化，且隨著氣候變暖和人類(lèi)活動(dòng)的影響，近幾年極端氣候出現(xiàn)頻率也在不斷增加。研究指出，在RCPs 不同情景下未來(lái)30 a 湖北省南部高溫?zé)岷υ龇畲竺黠@，尤其是鄂西南低山地帶，鄂西北局部高溫有減緩趨勢(shì)，尤其是在RCP8.5 路徑下［21-22］。同時(shí)鄂西極端強(qiáng)降水事件也逐漸增多，隨著CO2含量上升，極端強(qiáng)降水強(qiáng)度也在增加［23］。在這樣的未來(lái)氣候背景下，湖北省煙區(qū)不同程度適生區(qū)的空間分布有何變化以及煙草對(duì)氣候變化的具體響應(yīng)還值得進(jìn)一步研究。

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（責(zé)任編輯：陸文昌）