第43卷 第1期2024年    1月
华中农业大学学报Journal of Huazhong Agricultural University
Vol.43    No.1Jan. 2024，100~107
基于MaxEnt 模型的湖北烟区潜在适宜性分布
及其环境特征分析
贾文茜1，陈英英1，陈正洪1，李建平2，敖银银3
1.湖北省气象服务中心，武汉 430205；
2.湖北省烟草科学研究院，武汉 430030；
3.湖北省公众气象服务中心，武汉 430074
摘要 为全面评价生态气候因子对湖北省烟叶生长发育的影响，利用2008—2020年中国气象局陆面数据同化系统（CMA land data assimilation system ，CLDAS ）数据集和其他环境因子，基于最大熵模型（MaxEnt ），利用湖北省西部烟区实际种植点位模拟湖北省烟区的潜在适宜性分布，并评估影响适宜性
分布的主导环境因子。结果显示：MaxEnt 模型对烟草适宜性分布的模拟预测精度较高（AUC=0.854）。海拔（650~1 750 m ）、土壤类型（黄壤）、团棵期平均最低气温（8.9~15.0 ℃）、旺长期平均气温（16.0~22.9 ℃）、成熟期平均气温（18.8~25.6 ℃）是影响湖北烟草分布的主导环境因子。烟草的高适生区主要分布在恩施、十堰和襄阳南部及宜昌东南部，占湖北省总面积的18.2%，80%区域的海拔为700~1 350 m 、团棵期平均最低气温11.2~14.5 ℃、旺长期平均气温19.2~22.8 ℃、成熟期平均气温22.0~25.4 ℃。在所有环境因子中，海拔高度起决定性作用，温度则是影响烟草生长发育的重要气象因子。研究表明，本研究结果与湖北烟区实际空间分布基本相符。
关键词 湖北烟区； 最大熵模型； 生育期； 潜在分布； 主导环境因子； 生态适宜性； 地理信息系统（GIS ）中图分类号 P49  文献标识码    A  文章编号 1000-2421（2024）01-0100-08
烟草是湖北省重要的经济作物，烟叶主产区主要位于湖北省西部山区，烟区海拔分布在78~1 900 m ［1］
。鄂西立体环境特征明显，烟叶对环境变化十分敏感［2］，不同地理和气候条件下，烟叶产量和品质有明显差异。因此，在当前全球气候变暖背景下，有必要了解目前已存烟区的适生程度和湖北省境内潜在的适宜性烟区，以及不同适生区内环境因子的适宜范围。
目前有关湖北省烟草的研究，主要集中在土壤、海拔等因子对烟叶适生性和品质的影响方面。王得强等
［3］指出十堰低海拔烟区烟叶的适生性高于中海拔和高海拔区域；尹忠春等［4］指出宣恩烟区出现酸化
（pH 5.5~7.0）趋势，适合种植烟草的面积占35.4%。也有不少研究分析了不同生育期适宜的气候条件，发现鄂西烟区大田中期气温低、降水多，成熟期降水少、日照充足有利于提高烟草的品质［5］。近年来，有关气象灾害的风险评价与区划已逐渐成熟，一些学
者利用气候条件或者气象灾害作为指标开展了烟草
种植区划的研究［6-7］。孟丹等［8］指出鄂西北种植区气象灾害风险表现为东高西低，鄂西南为南高北低。
以上有关烟草方面的研究大多只针对地理、土壤特性或气象因子对烟草生长发育的影响，且目前有关湖北烟区类型的划分也仅停留在单一气候因子的区划研究上，较少考虑地理、土地利用类型等环境因子，并且烟草区划侧重于不同种植区的划分，很少与不同环境因子的影响和适宜范围联合分析。
本研究基于湖北省已知的烟区分布点，选用高分辨率气象格点数据、地形、土壤等相关环境因子，
应用MaxEnt 模型和GIS 技术
［9-10］
，考察湖北省烟区分布与环境变量之间的关系，
揭示影响烟区分布的主导环境因子，并进一步分析烟叶在湖北省的潜在适生区分布，以期为湖北省烟草空间布局规划和科学种植提供技术参考。
收稿日期：2022 ‐ 07 ‐ 13
基金项目：湖北省烟草公司科技项目（027Y2021-020）贾文茜，E -mail ：*****************通信作者：陈正洪，E -mail ：****************
贾文茜，陈英英，陈正洪，等.基于MaxEnt 模型的湖北烟区潜在适宜性分布及其环境特征分析［J ］.华中农业大学学报，2024，43（1）：100‐107.DOI ：10.13300/jki.hnlkxb.2024.01.011
第1期贾文茜 等：基于MaxEnt 模型的湖北烟区潜在适宜性分布及其环境特征分析
1　材料与方法
1.1　烟草物种点和生育期的确定
烟草物种点主要分布在湖北省西部的恩施、宜昌、十堰和襄阳地区（图1）。本研究根据以往对鄂西多
年平均烟叶生育时期的研究，确定了烟叶不同生育期时段，具体时间划分为团棵期（4月25日—5月31日）、旺长期（6月1日—6月30日）、成熟期（7月1日—8月31日）。
1.2　环境变量
本研究选用的环境变量包括地形数据、土地利
用类型、土壤类型、土壤湿度以及相关的气候变量。地形数据包括海拔、坡度、坡向3个要素，其中海拔来源于地理空间数据云（https ：//www.gscloud/），空间分辨率为30 m×30 m ，坡度和坡向根据GIS 技术计算得到。土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6个一级类型以及25个二
级类型，数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（https ：//sdc/），空间分辨率为1 km×1 km 。土壤类型数据来自于中国科学院南京土壤研究所，共分为57大类。
土壤湿度和气候变量数据来源于中国气象局陆面数据同化系统（CMA land data assimilation sys‐tem ，CLDAS ），空间分辨率为0.062 5°×0.062 5°，时间分辨率为逐小时。其中，气候变量根据不同生育期受不同气象因子的影响程度进行确定，包括大田期平均气温、平均降水量、气温日较差，团棵期的平均气温、平均降水量、平均最低气温、日较差等共25
个气候指标数据。土壤湿度分为［0~5）、［5~10）、［10~40）、［40~100）和［100~200） cm 共5层，本研究选用了大田期和不同生育期5个层次共25个土壤湿度指标。从国家基础地理信息系统（http ：///ngcc/）下载的1∶100万的中国矢量地图作为分析底图。
1.3　数据处理
为保证MaxEnt 软件顺利运行，所有环境变量均通过GIS 技术的空间分析模块处理，坐标系统一为WGS_1984_Albers ，分辨率为90 m×90 m ，输出格式ASCII ，用于MaxEnt 软件对烟草适生区的模拟。
1.4　环境变量相关性的检验和筛选
为提高模型预测的精准度，考虑到并非所有的环境变量都对烟草的分布存在明显影响，利用Max‐Ent 软件中的刀切法评价上述50个环境变量对模型
预测的贡献率，对50个环境因子进行多次运算，直到所有环境变量的贡献率均大于0。最后得到 15个对烟草不同生育期影响较高的环境因子（表1），在此基础上重建鄂西烟草分布的最大熵模型。
1.5　MaxEnt 参数设置和结果评价
MaxEnt 软件V3.4.1是基于 Java 平台设计的一款用于预测物种潜在分布软件，将烟草物种点和筛选后的15个环境变量导入模型，随机选择75%的烟草物种分布点作为训练集，剩余25%
的分布点作为
图1 湖北省烟区点分布
Fig.1 Distribution of tobacco area in Hubei Province
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第43卷华中农业大学学报
测试集验证结果，正则化乘数（regularization multipli‐er）设置为1.1，模型重复运行10次［11］。利用刀切法（jackknife）测试各环境变量权重，同时选择创建响应曲线（create response curves）和制作预测图（make pictures of predictions），其他参数为模型的默认值。
本研究采用接收者操作特征曲线（ROC）下面积值，即AUC值来评估MaxEnt模型模拟预测效果，其中ROC曲线由MaxEnt模型多次运行平均值所得。AUC取值范围0~1，AUC越接近1表示模型预测的物种分布结果的精度和可靠性越高，评估标准为：
0.6~0.7一般，0.7~0.8较准确，0.8~0.9准确，0.9~
1.0极准确［12］。
2　结果与分析
2.1　MaxEnt模型预测能力评价
图2为MaxEnt模型模拟10次输出的ROC曲线图，AUC均值为0.854，明显高于随机预测结果0.5，根据AUC分级标准，本次构建模型的预测准确性达到“准确”标准，说明利用湖北省现有的烟草物种分布点数据和筛选过的环境变量能较好地模拟烟草的适生区分布。
2.2　影响烟草分布的环境因子
根据MaxEnt模型计算得到的各环境变量贡献率来确定对烟草分布产生影响的主要因子（表2），其中bio1（海拔）贡献率达到80.0%以上，bio8（土壤类型）、bio2（土地利用类型）、bio4（旺长期降水量）、bio13（团棵期平均最低气温）、bio14（旺长期平均气温）贡献率在1.5%以上，以上6个环境因子的累计贡
表1　研究采用的环境因子
Table 1　Environmental factors used in this study 环境变量
Environment variable
bio1
bio2
bio3
bio4
bio5
bio6
bio7
bio8
bio9
bio10
bio11
bio12
bio13
bio14
bio15
含义 Meaning
海拔/m  Dem
土地利用类型 Land use type
团棵期降水量/mm Precipitation at rosette stage
旺长期降水量/mm Precipitation at prosperously grow‐
ing stage
坡度/(°) Slope
团棵期0~10 cm土壤湿度/(m3/m3) 0-10 cm soil
moisture at rosette stage
大田期40~100 cm土壤湿度/( m3/m3) 40-100 cm soil
moisture at field stage
土壤类型 Soil type
成熟期日照强度/(W/m2) Sunshine intensity at matur‐
ing stage
成熟期平均气温/℃ Average temperature at maturing
stage
团棵期气温日较差/℃ Temperature daily range at ro‐
sette stage
旺长期气温日较差/℃ Temperature daily range at
prosperously growing stage
团棵期平均最低气温/℃ Average minimum tempera‐
ture at rosette stage
旺长期平均气温/℃ Average temperature at prosper‐
ously growing stage
成熟期平均最高气温/℃ Average maximum tempera‐
ture at maturing stage
图2不同环境变量组合下的湖北烟区预测结果ROC曲线
Fig.2ROC curve of tobacco area potential habitat
under different combinations of environmental factors
表3　影响湖北烟区潜在分布的环境因子贡献率
和置换重要性
Table 3　Percent contribution and permutation  impor⁃
tance of environmental factors affecting the potential
distribution of tobacco in Hubei Province%
环境变量
Environment variable
bio1
bio2
bio3
bio4
bio5
bio6
bio7
bio8
bio9
bio10
bio11
bio12
bio13
bio14
bio15
贡献率
Percent contribution
82.8
2.1
1.1
1.9
0.4
0.7
1.3
3.3
0.4
1.1
0.8
0.2
1.7
1.6
0.6
置换重要性
Permutation importance
63.1
1.2
1.3
4.5
0.3
5.0
1.8
0.3
0.9
5.7
5.5
2.5
1.8
6.2
0.2
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第1期贾文茜 等：基于MaxEnt 模型的湖北烟区潜在适宜性分布及其环境特征分析特征正则化的作用
献率达到90.0%以上。
根据刀切法检验环境变量对烟区分布的影响程度，其中蓝表示单独考虑该变量，增益值越高表示重要性越高，对物种分布贡献较大，淡蓝表示排除
这个环境因子后对结果的影响［13］。图3结果显示，“仅此变量”建模时bio1（海拔）、bio10（成熟期平均气温）、bio14（旺长期平均气温）、bio15（成熟期平均最高气温）、bio13（团棵期平均最低气温）
对模型的增益效果比较显著，“除此变量”建模时，bio1（海拔）对模
型结果影响最显著，
说明海拔具有其他环境变量不具备的重要信息。
结合MaxEnt 模型中各变量因子的贡献率和刀切法共同结果，得出bio1（海拔）、bio8（土壤类型）、bio13（团棵期平均最低气温）、bio14（旺长期平均气温）、bio10（成熟期平均气温）对影响烟草分布的影响较大。其中，地理因子海拔对烟草分布起到了决定性作用，气候因子中气温对烟草生长更为重要，降水影响其次。一般认为，当分布概率大于0.5时，对应的环境因子范围适合物种生长［14］，根据上述5个重要环境变量与烟草分布概率的响应曲线（图4）可以看出，海拔在650~1 750 m 适宜烟草的生长，最适宜范围为1 150~1 450 m ，其中650~1 150 m 范围内，
烟草分布概率随着海拔而增加，高于1 450 m 时，则随海拔升高而降低；团棵期平均最低气温适宜范围为8.9~15.0 ℃，其中，10.5 ℃为最适宜温度；旺长期平均气温在16.0~22.9 ℃范围内有利于烟草的生长，最佳温度为18.1 ℃；成熟期的最适宜气温范围为18.8~25.6 ℃，20.5 ℃
最有利于烟草的生长。
图3 刀切法表示各类环境因子对湖北烟区
潜在分布的重要性测试图
Fig.3 Regularized training gain of environmental factors to the potential distribution for the tobacco
area in Hubei Province by the Jackknife method
图4 主导环境因子对湖北烟草潜在分布的响应曲线
Fig.4 Response curve of dominant environmental factors to potential distribution of tobacco area in Hubei Province
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第43卷
华中农业大学学报2.3　烟草适宜性空间分布
利用GIS 空间分析技术对MaxEnt 模型多次运算的适生区进行等级划分和面积计算，参照秦委等［15］适生区等级划分方法，将烟草的潜在适生区划分为：非适生区（P <0.05）、低适生区（0.05≤P <0.25）、中适生区（0.25≤P <0.5）、高适生区（P ≥0.5）4类。MaxEnt 模型结果显示（图5），在目前的气候条件下，湖北省烟草适生区主要分布在鄂西以及鄂北和鄂东的高海拔地区，面积为79 146.3 km 2，占全省总面积的42.5%。烟草高适生区主要分布在恩施境内以及十堰和襄阳市南部、宜昌市西部，面积为33 907.3 km 2，占全省总面积的18.2%，80%区域的海拔为700~1 350 m 、团棵期平均最低气温11.2~14.5 ℃、旺长期平均气温19.2~22.8 ℃、成熟期平均
气温22.0~25.4 ℃。烟草中适生区分布在高适生区周围，主要为十堰市、宜昌西北部，占全省总面积的1
1.2%，80%区域的海拔为500~1 000 m 、团棵期平均最低气温11.6~15.0 ℃、旺长期平均气温20.3~23.7 ℃、成熟期平均气温23.0~26.5 ℃。烟草低适生区零散分布在鄂西北和鄂东部分山区，占全省总面积的13.1%，基本分布在海拔600 m 以下、团棵期平均最低气温13.3~16.8 ℃、旺长期平均气温22.5~26.0 ℃、成熟期平均气温25.2~28.0 ℃。
目前湖北省的烟区集中分布在鄂西区域，从适宜性区划上可以看出，随州北部的桐柏山、鄂东北的大别山和鄂东南的幕阜山周围局部地区也存在基本适宜烟草生长的环境条件。
3　讨论
本研究根据湖北省现有的烟区种植点，利用MaxEnt 模型评估了影响烟草生长的主导环境因子及其适宜范围，并评价了湖北省烟草潜在适宜性空间分布。研究结果显示，海拔因子是最主要的环境因子，团棵期平均最低气温（8.9~15.0 ℃）、旺长期平均气温（16.0~22.9 ℃）和成熟期平均气温（18.8~25.6 ℃）则是影响烟草生长发育的主导气象因子。湖北省烟草适生区主要分布在鄂西，高适生区主要分
布在恩施州、十堰市和襄阳市南部以及宜昌市西部，占全省总面积的18.2%。
本研究基于MaxEnt 模型输出结果进而评价了不同环境因子对烟草各个生长期的影响程度。团棵期长时间的低温阴雨会降低光合作用，且在以后的发育阶段难以弥补，进而引起早花，影响烟叶的产量和质量［16］。鄂西烟区团棵期的最低温度低于9.0 ℃，降水量达到231 mm 以上，土壤湿度高于40 m 3/m 3，不利于烟草的正常生长。旺长期是烟草生长最快的生育时段，气象因素对烟草的生长发育极为重要，此时段若气温较低，不利于叶绿体的分解和类胡萝卜
素的降解，若持续时间较长，烟株容易出现早花，
不
图5 湖北省烟草潜在分布区其适宜性等级分布
Fig.5 Potential distribution and suitability grades distribution of tobacco area in Hubei Province
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