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。
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
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
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
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 湖北省烟区点分布
Fig.1 Distribution of tobacco area in Hubei Province
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.cn/），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：//www.resdc.cn/），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 system，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：//www.ngcc.cn/ngcc/）下载的1∶100万的中国矢量地图作为分析底图。
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。
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MaxEnt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（
环境变量 Environment variable | 含义 Meaning |
|---|---|
| bio1 | 海拔/m Dem |
| bio2 | 土地利用类型 Land use type |
| bio3 | 团棵期降水量/mm Precipitation at rosette stage |
| bio4 | 旺长期降水量/mm Precipitation at prosperously growing stage |
| bio5 | 坡度/(°) Slope |
| bio6 |
团棵期0~10 cm土壤湿度/( |
| bio7 |
大田期40~100 cm土壤湿度/( |
| bio8 | 土壤类型 Soil type |
| bio9 |
成熟期日照强度/(W/ |
| bio10 | 成熟期平均气温/℃ Average temperature at maturing stage |
| bio11 | 团棵期气温日较差/℃ Temperature daily range at rosette stage |
| bio12 | 旺长期气温日较差/℃ Temperature daily range at prosperously growing stage |
| bio13 | 团棵期平均最低气温/℃ Average minimum temperature at rosette stage |
| bio14 | 旺长期平均气温/℃ Average temperature at prosperously growing stage |
| bio15 | 成熟期平均最高气温/℃ Average maximum temperature at maturing stage |
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%的分布点作为测试集验证结果，正则化乘数（regularization multiplier）设置为1.1，模型重复运行10
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
图2 不同环境变量组合下的湖北烟区预测结果ROC曲线
Fig.2 ROC curve of tobacco area potential habitat under different combinations of environmental factors
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献率达到90.0%以上。
| 环境变量Environment variable | 贡献率Percent contribution | 置换重要性Permutation importance |
|---|---|---|
| bio1 | 82.8 | 63.1 |
| bio2 | 2.1 | 1.2 |
| bio3 | 1.1 | 1.3 |
| bio4 | 1.9 | 4.5 |
| bio5 | 0.4 | 0.3 |
| bio6 | 0.7 | 5.0 |
| bio7 | 1.3 | 1.8 |
| bio8 | 3.3 | 0.3 |
| bio9 | 0.4 | 0.9 |
| bio10 | 1.1 | 5.7 |
| bio11 | 0.8 | 5.5 |
| bio12 | 0.2 | 2.5 |
| bio13 | 1.7 | 1.8 |
| bio14 | 1.6 | 6.2 |
| bio15 | 0.6 | 0.2 |
根据刀切法检验环境变量对烟区分布的影响程度，其中蓝色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，淡蓝色表示排除这个环境因子后对结果的影
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
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
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
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
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
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。
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
成熟期的温度对烟叶的品质有重要影响，温度过高，呼吸作用大于光合作用，干物质消耗大于积累，影响烟株的生长和成熟，导致中上部烟叶“高温逼熟”现象发生，同时对烟叶的品质也会产生影响，烟叶的烟碱含量将明显增加，经济价值将会大大降
本研究结合烟草潜在适宜性空间分布、主导环境因子及其适宜范围，根据湖北省行政单元进一步探讨了湖北省潜在低适生区的环境因子，并对目前位于低适生区的烟草种植点提出了合理种植建议。神农架林区大部被定义为低适生区，80%区域的团棵期平均最低气温（6.7~11.2 ℃）低于适宜范围，旺长期和成熟期平均气温也均低于适宜范围4.0 ℃以内。该地区平均海拔在2 000 m以上，未来规划种植烟草主要考虑团棵期的低温冷害对烟苗的伤害，以及旺长期和成熟期温度过低会抑制烟草正常生长发育。湖北省西部和东部其他低适生区不同生育期的平均气温则高于适宜范围0~3.0 ℃，该地区烟草的种植要考虑温度过高带来的早花、高温逼熟等现象。针对目前的烟草种植点，恩施土家族苗族自治州来凤县、丹江口市、十堰市竹山县西部和枣阳市烟草种植区不同生育期的平均气温高于适宜范围，其中枣阳市气温相对更高，旺长期平均气温高出适宜温度2.1~3.2 ℃，降水量在150 mm以下，西北部种植区降水量低于130 mm。因此，该地区烟草在旺长期容易出现高温干旱，烟农应结合当地精细化气象预报，注意观察烟草生长状态，可以提前进行人工干预，及时对烟草浇水灌水，避免烟田缺水导致烟株生长缓慢。
湖北省烟区分布主要受地形和气候限制，对一定范围地区，海拔、土壤、土地利用类型等环境因子是相对固定的，而气象条件不断在变化，且随着气候变暖和人类活动的影响，近几年极端气候出现频率也在不断增加。研究指出，在RCPs不同情景下未来30 a湖北省南部高温热害增幅最大明显，尤其是鄂西南低山地带，鄂西北局部高温有减缓趋势，尤其是在RCP8.5路径
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