基于GIS的生物入侵时空多尺度预测模型研究

生物入侵已经成为危害我国生物多样性和生态环境的重要因素。利用GIS等地理空间建模的方法发展合理的生物入侵预测模型，对于开展监测和治理入侵物种的研究具有重大的意义。现有的生物入侵预测模型忽视了不确定性因素给模型结果带来的影响，同时缺乏跨尺度或多时间序列的预测能力。本课题依据生境理论，建立基于信息理论的改进Logistic物种入侵预测模型，减小生物多样性数据本身、模型选择、模型外推带来的不确定性；发展"地理尺度分割"算法，建立等级理论框架下的多尺度预测模型，具有分析跨尺度变量的相互作用、空间尺度模型间相互关联的能力。根据气候预测模型模拟未来的气候场景，绘制"过去－现在－未来"不同时间序列的入侵物种扩散图谱，利用GIS 空间分析原理建立扩散图谱的定量分析方法，研究全球气候变化背景下入侵物种的扩散规律。

外来物种入侵的模拟与预测是生态安全和生物多样性研究的热点之一，生物入侵多尺度预测模型的研究对物种入侵的防治和早期预警起着重要的作用。同时，随着全球气候环境的变化，入侵生物的潜在分布和扩散趋势也在相应的改变，对预测模型理论与方法提出了更高的要求。本项目综合利用生态学、地理学、GIS和遥感等多学科知识，通过三年的研究，完成了项目计划内容和目标，主要研究内容包括：1）研究了GIS生物入侵一般预测模型框架和建模方法。针对建模过程中出现的瓶颈即不确定性问题，以入侵物种豚草为例，提出了基于信息理论的改进Logistic GIS生物入侵预测建模方法，具有更强的鲁棒性和通用性。2）研究了基于多级复合结构的多尺度生态地理GIS入侵物种的预测模型方法，并探索了跨尺度相互作用和空间尺度模型间相互关联的问题。以入侵物种紫茎泽兰为例，从全球、区域到地区三个尺度域建立了紫茎泽兰GIS预测模型，分别绘制了入侵物种-紫茎泽兰在不同尺度上潜在预测分布图，并分析了尺度对预测模型的影响。3）提出了不同时间序列的GIS生物入侵预测建模方法，研究了全球气候变化背景下的我国入侵物种的扩散态势。在未来气候场景的基础上，建立了我国36种主要入侵植物在不同温室气体排放水平下未来80年的潜在分布图谱，得出了我国入侵植物单种扩散态势和总体扩散态势4）把上述“生命体适应性地理环境建模方法”应用到禽流感病毒这一特殊入侵生命体上，对我国H7N9禽流感潜在分布的预测与模拟进行了前瞻性探索研究。本项目的重要研究成果包括：1）形成了较系统的基于GIS的生物入侵时空多尺度预测模型理论与方法，包括“一般模型”、“多空间尺度模型”和“时间多尺度模型”。2）通过对未来12种气体场景、36种入侵植物GIS预测分布扩散图谱的分析，研究表明在全球变暖的背景下,我国入侵植物的单种分布态势呈现扩散、萎缩和位移三种类型；入侵植物种类增加的区域主要集中在西南—东北方向45度一线，种类减少的区域主要集中在入侵物种密度较高的区域，即四川和我国南部/东南沿海省份，种群转换过程明显；就我国主要的35种入侵植物而言，未来主要的迁移路线是西北方向，东北方向是次要的迁移路线。