基于随机森林模型的美国白蛾在中国的潜在生境预测

【目的】基于随机森林模型原理,对当前气候环境以及21世纪50年代的美国白蛾在中国的空间分布、环境因子重要性、发生面积及迁移情况进行预测和分析,为美国白蛾有效防控提供理论参考。【方法】获取2011—2017年美国白蛾发生的县市级数据, 利用地理信息系统ArcGIS中随机点生成工具生成未发生点数据。采用随机森林模型原理,选择19个气候因子以及海拔、坡度、坡向、植被覆盖率、有效光合辐射等5个环境因子,通过ArcGIS中的提取值工具提取发生点和未发生点的24个环境变量的值,将海拔、坡度、坡向进行离散化。使用R语言模拟2011—2030年美国白蛾的潜在生境分布模型,以ROC曲线验证模型的精度;利用构建好的模型分析环境因子重要性并排序,预测在2050s(2041—2060年)时期两种气候情景(RCP2.6、RCP4.5)下全中国范围内美国白蛾的潜在生境分布。【结果】ROC曲线分析表明,随机森林模型预测美国白蛾潜生境分布的训练数据和测试数据的AUC值分别为0.997和0.963,模型精度较高;当前时期下美国白蛾潜在生境(适生区)占中国国土面积的8.74%,其中低适生区、中适生区、高适生区和极高适生区面积分别占适生区总面积的41.47%、20.85%、18.90%和18.78%,适生区主要集中在华北地区东南部、中南地区北部、华东地区北部和东北地区南部。对美国白蛾潜在生境分布影响较大的环境因子依次是:海拔、植被覆盖率、最湿季平均气温、最暖季平均气温。在2050 s时期RCP2.6气候情景下,美国白蛾适生区总面积占中国国土面积的14.38%,其中低适生区、中适生区、高适生区和极高适生区面积分别占适生区总面积的51.87%、20.37%、16.49%和12.27%;在RCP4.5气候情景下,美国白蛾适生区总面积占中国国土面积的19.06%,其中低适生区、中适生区、高适生区和极高适生区面积分别占适生区总面积的51.14%、15.11%、20.36%和13.39%;2050s时期美国白蛾潜在生境质心平均向北迁移93.65 km,新增适生区有黑龙江省、吉林省、四川省、湖北省、山西省、河南省、内蒙古东部、台湾岛等地区。【结论】美国白蛾适宜生活在海拔较低、夏季高温多雨、拥有较为丰富的森林资源的地区。随着气候变化,美国白蛾潜在生境整体向中国北部和内陆湿度较高地区偏移,发生面积逐渐扩大,发生程度逐渐加重。