基于最大熵模型的藏藥翼首草生態(tài)適宜性研究

唐策+文檢+張雯+蘇錦松+謝彩香+張藝

[摘要] 研究翼首草的生態(tài)適宜性，為翼首草GAP種植選址和區(qū)域發(fā)展提供參考。通過中國數(shù)字標(biāo)本館、文獻(xiàn)和實地考察等收集67個翼首草分布點(diǎn)，利用Maxent和GIS技術(shù)對翼首草進(jìn)行適宜性分析。發(fā)現(xiàn)翼首草潛在分布區(qū)域主要分布在西藏東部、四川西部、青海南部、云南西北部、甘肅南部；對翼首草生長和分布貢獻(xiàn)率大的主要生態(tài)因子為海拔（62%）、最暖季風(fēng)降水量（14.4%）、降水量變異系數(shù)（7.2%）、最干季度平均溫度（3.5%）、土壤導(dǎo)電率（3%）、陽離子交換總量（2.4%）、溫度季節(jié)性變化標(biāo)準(zhǔn)差（2.2%）。應(yīng)用Maxent模型對翼首草進(jìn)行生態(tài)適宜性研究，其準(zhǔn)確度高，可為翼首草野生撫育及GAP種植選址提供科學(xué)依據(jù)和參考。

[關(guān)鍵詞] 藏藥； 翼首草； Maxent模型； 生態(tài)適宜性

[Abstract] In order to study the ecology suitability of Pterocephalus hookeri， and provide a reference for GAP planting location and regional development， the Maxent model and GIS technology were used to investigate ecology suitability regions for P. hookeri based on the distribution points collected from Chinese virtual herbarium， the references and field trips. The potential distribution areas mainly concentrated in the eastern Tibet， western Sichuan， southern Qinghai， northwest Yunnan， and southern Gansu. There were 7 major environmental factors to have obvious influence on ecology suitability distributions of P. hookeri， including altitude （contribution rate of 62%）， precipitation of warmest quarter （contribution rate of 14.4%）， coefficient of variation of precipitation seasonality （contribution rate of 7.2%）， mean temperature of driest quarter （contribution rate of 3.5%）， the electrical conductivity of top and sub-soil （contribution rate of 3%）， the total exchangeable bases in the top- and subsoil （contribution rate of 2.4%） and SD of temperature seasonality （contribution rate of 2.2%）. The study of the ecological suitability regionalization of P. hookeri based on Maxent model can provide scientific basis for the selection of artificial planting base and GAP planting location.

[Key words] traditional Tibetan herb； Pterocephalus hookeri； Maxent model； potential distribution areas

翼首草（藏語名：榜孜毒烏）為川續(xù)斷科匙葉翼首草Pterocephalus hookeri（C.B.Clarke）Heck 的干燥全草，是藏醫(yī)臨床常用藥材[1-2]。翼首草為多年生草本植物，主要分布于西藏東部、云南西北部、青海南部、甘肅南部及四川西部和北部等，生長在海拔1 800～5 700 m的山坡、草地、草甸、林間等[3-5]。翼首草具有抗炎鎮(zhèn)痛[6]、抗類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎[7]、抗腫瘤[8]、抗菌[9]、保肝[10]、免疫調(diào)節(jié)[9-10]等多種藥理作用，是多種藏成藥的重要原料。

翼首草是2015年版《中國藥典》（一部）[1]及衛(wèi)生部《藏藥部頒標(biāo)準(zhǔn)》[11]中收載品種。近年來，由于醫(yī)藥市場藥材價格飛漲，對其采取無限制、掠奪式、毀滅性的濫采濫挖，生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致野生翼首草藥材出現(xiàn)瀕危[12-13]。課題組前期對青藏高原藏藥瀕危物種進(jìn)行調(diào)查，使用《中國珍稀瀕危植物》的等級劃分方法，建議將匙葉翼首花增加為青藏高原五省（區(qū)）藏區(qū)瀕危藏藥物種，建議瀕危等級列為二級（稀有）[14]。故需加強(qiáng)對翼首草生態(tài)保護(hù)與人工栽培相關(guān)研究，通過翼首草的人工引種栽培與野生撫育，以提高翼首草的產(chǎn)量，并緩解其資源匱乏現(xiàn)狀。

Maxent模型可以根據(jù)物種當(dāng)前存在的不完整數(shù)據(jù)信息和環(huán)境變量間緊密的關(guān)系，找出物種分布規(guī)律的最大熵，從而對物種的潛在分布進(jìn)行預(yù)測，是目前預(yù)測物種潛在分布比較好的模型[15]。因此，本文以藏藥翼首草為研究對象，通過收集翼首草分布點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，綜合氣候、地形、土壤等相關(guān)生態(tài)因子，運(yùn)用Maxent模型研究其在我國的適宜性區(qū)域，分析影響翼首草生長的主要生態(tài)因子，確立翼首草適宜分布區(qū)域和生態(tài)條件，為藏藥翼首草的引種栽培以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 藏藥翼首草分布點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的獲取 本文收集翼首草在我國的分布數(shù)據(jù)主要來源于文獻(xiàn)檢索及中國數(shù)字植物標(biāo)本館（http：//www.cvh.org.cn/），以及對翼首草的實地采樣調(diào)查。標(biāo)本信息包括物種名、采樣點(diǎn)經(jīng)緯度，野外調(diào)查信息記錄包括經(jīng)緯度、海拔等。

1.2 生態(tài)因子數(shù)據(jù)的獲取 本文使用35個生態(tài)因子，各因子具體信息見表1。其中包括19個生物氣候變量（Worldclim； http：//www.worldclim.org/），1950—2000年監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值，精度2.5弧分；15個土壤數(shù)據(jù)來自世界土壤數(shù)據(jù)庫HWSD（http：//webarchive.iiasa.ac.at/Research/LUC/External-World-soil-database/HTML/）；1個地形數(shù)據(jù)和地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/sources/？cdataid=302& pdataid=10）。上述數(shù)據(jù)坐標(biāo)系為WGS84，圖層?xùn)鸥翊笮〖s為1 km2，溫度數(shù)值（℃）為實際數(shù)值的10倍。

2 方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 采用ENVI 4.8和Arcmap 10.0對土壤數(shù)據(jù)的柵格大小，地理坐標(biāo)進(jìn)行處理，得到與氣候數(shù)據(jù)相同的空間參數(shù)，同時對土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，得到與氣候數(shù)據(jù)和海拔數(shù)據(jù)相同的數(shù)據(jù)格式（.asc），并直接加載于MaxEnt軟件（Version 3.3.3 k，http：//www.cs.princeton.edu/～schapire/ maxent/）。

2.2 Maxent模型參數(shù)設(shè)置 將生態(tài)環(huán)境圖層和翼首草分布點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)（.csv格式）加載到Maximum entropy modeling of species geographic distributions，Version 3.3.3k版軟件中，設(shè)置參數(shù)運(yùn)行建模，設(shè)分布數(shù)據(jù)的25%被隨機(jī)抽取作為測試集（testdata），其余作為訓(xùn)練集，最大迭代次數(shù)是105。設(shè)置刀切法檢驗權(quán)重，Maxent自定義設(shè)置ROC（receive operating characteristic）評價曲線，輸出文件類型選為.asc，其他參數(shù)為軟件默認(rèn)值。

2.3 主要生態(tài)因子的選擇 35個生態(tài)因子和翼首草67個分布點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)導(dǎo)入Maxent模型軟件，按照2.2項設(shè)置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，見表1。根據(jù)Maxent模型多次迭代計算結(jié)果，選取總貢獻(xiàn)率≥90%的生態(tài)因子作為主要生態(tài)因子。根據(jù)各主要生態(tài)因子的響應(yīng)曲線，獲得各生態(tài)因子的適宜值范圍。

2.4 適宜性區(qū)域的劃分 應(yīng)用ArcGIS 10.0軟件，對Maxent模型運(yùn)行結(jié)果圖進(jìn)行處理。采用人工分級的方法，劃分翼首草的適宜性分布區(qū)域。

3 結(jié)果與分析

3.1 翼首草分布點(diǎn)數(shù)據(jù) 對中國數(shù)字植物標(biāo)本館查詢，和對高原地區(qū)翼首草實地調(diào)查，收集到翼首草分布點(diǎn)104個，主要分布于四川、西藏、青海、云南等省區(qū)，見圖1。其中野外采集的標(biāo)本經(jīng)成都中醫(yī)藥大學(xué)民族醫(yī)藥學(xué)院張藝研究員鑒定為川續(xù)斷科匙葉翼首草P. hookeri植物。

3.2 模型的準(zhǔn)確度 Maxent模型一般根據(jù)ROC曲線下圍成的AUC值對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行精度評測，AUC的取值范圍為0.5～1，值越大表示模型的準(zhǔn)確性越高。一般來說AUC大于0.85的模擬驗證結(jié)果就可以采納。當(dāng)AUC大于0.90時，模型模擬價值較高，可以較準(zhǔn)確的反應(yīng)物種的潛在分布[16]。根據(jù)Maxent模型預(yù)測結(jié)果的ROC曲線，見圖2，訓(xùn)練集和測試集的AUC均為0.995，表明Maxent模型預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確度高，可用于進(jìn)一步分析翼首草的分布區(qū)域。

3.3 主要生態(tài)因子 根據(jù)翼首草在我國的分布數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，利用MaxEnt 軟件分析，獲得各生態(tài)因子對翼首草生長適宜度的貢獻(xiàn)率，其中貢獻(xiàn)率大于0的有17個，其他生態(tài)因子貢獻(xiàn)率為0，見表1。對翼首草生長貢獻(xiàn)率較大的因子為海拔（62%）、最暖季節(jié)降水量（14.4%）、降水量變異系數(shù)（7.2%）、最干季度平均溫度（3.5%）、土壤導(dǎo)電率（3%），總的貢獻(xiàn)率為90.1%。這5個主要生態(tài)因子中影響最大的為海拔，因此，海拔可能是影響翼首草分布的限制性因子；該結(jié)果也證實了藏藥翼首草為一種生長在缺氧、高海拔高原環(huán)境的一種草本植物。

3.4 主要生態(tài)因子適宜值范圍 Maxent模型軟件運(yùn)行結(jié)果中各生態(tài)因子響應(yīng)曲線，即存在概率與生態(tài)

因子閾值范圍的關(guān)系，見圖3。根據(jù)翼首草的響應(yīng)曲線，劃分主要生態(tài)因子的適宜值范圍（存在概率大于0.1的范圍）：海拔高度范圍2 300～5 600 m，最適宜值在4 200 m左右；最暖季度降水量范圍：200～1 400 mm，最適宜值在300 mm左右；降水量變異系數(shù)范圍75～160，最適宜值在95左右；最干季度平均溫度范圍-9～10.5 ℃，最適宜值在-4 ℃左右；土壤導(dǎo)電率大于1%均可，最適宜值在2%左右；陽離子交換總量范圍50～460 cmol·kg^-1，最適宜值在85 cmol·kg^-1左右。

3.5 翼首草適宜性區(qū)域區(qū)劃 根據(jù)翼首草適宜性區(qū)域區(qū)劃結(jié)果，見圖4。采用人工分級的方法，將翼首草分布區(qū)域劃分為5個區(qū)間，即相似度<10%、相似度10%～30%、相似度30%～50%、相似度50%～70%、相似度>70%。翼首草潛在分布區(qū)域主要在青藏高原及其周邊區(qū)域，以橫斷山脈附近最佳。翼首草潛在分布區(qū)域以西藏、四川、青海、云南、甘肅5個省區(qū)分布面積最大，陜西、山西、寧夏、貴州4省區(qū)也有少量分布。

相似度10%～30%的區(qū)域，面積為70.9萬km2，分布在四川的德陽市、廣元市、雅安市、攀枝花市，西藏的昂仁縣、措勒縣、班戈縣、申扎縣、謝通門縣、安多縣、聶榮縣、薩嘎縣、嘉黎縣，青海的雜多縣、稱多縣、甘德縣、瑪沁縣、同德縣、門源縣、樂都縣、貴德縣，云南的楚雄縣、大理、昆明、曲靖，甘肅的天水、成縣、定西、臨夏、平?jīng)隹h、蘭州市、武威，貴州畢節(jié)市、六盤水，寧夏固原，山西太原、晉中等地區(qū)。

相似度30%～50%的區(qū)域，面積為17.9萬km2，主要在甘肅的夏河縣、卓尼縣較為集中，其他省份分布較為分散。

相似度50%～70%的區(qū)域，面積為47.8萬km2，分布在四川的阿壩藏族羌族自治州的大部分區(qū)域；西藏林芝地區(qū)的察隅縣、米林縣、墨脫縣，日喀則地區(qū)的崗巴縣、亞東縣、薩迦縣、江孜縣，昌都地區(qū)丁青縣、八宿縣；青海的斑馬縣、久治縣、玉樹縣，甘肅的碌曲縣、瑪曲縣、舟曲縣；云南的德欽縣、麗江市。

相似度>70%的區(qū)域是翼首草最適宜生長區(qū)域，面積為20.2萬km2主要分布在四川、西藏、云南、青海4個?。ㄗ灾螀^(qū)）。主要縣城有：四川的甘孜藏族自治州的大部分區(qū)域，以及涼山彝族自治州的木里縣和九龍縣；西藏昌都地區(qū)的貢覺縣、芒康縣、江達(dá)縣、察雅縣、妥壩縣、類烏齊縣，林芝地區(qū)波密縣，日喀則地區(qū)定結(jié)縣、定日縣、拉孜縣、日喀則市；青海的囊謙縣；云南的中甸縣。

4 討論

本文基于氣候、土壤和地形相關(guān)的35個生態(tài)因子，運(yùn)用Maxent模型對翼首草進(jìn)行了潛在分布預(yù)測。從預(yù)測結(jié)果顯示，翼首草的潛在適宜區(qū)主要分布在我國的青藏高原及其周邊區(qū)域，以橫斷山脈附近最佳。翼首草潛在分布區(qū)域主要分布在西藏東部、四川西部、青海南部、云南西北部、甘肅南部，與目前翼首草實際分布區(qū)域一致。同時各適宜指數(shù)區(qū)間劃分也基本符合翼首草在我國的分布現(xiàn)狀，因此，本次研究結(jié)果準(zhǔn)確度較高。

藏藥材是藏醫(yī)藥發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，近年來隨著藏醫(yī)藥市場的開拓和生產(chǎn)的工業(yè)化，藏醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)得到了迅猛發(fā)展，藏藥材的需求量越來越大，但目前90%以上的藏藥材供給僅靠野生資源[17]。隨著采集量的增大，不僅破壞了藏藥材種群的自然更新，也破壞著野生藏藥材的生長環(huán)境，由此引發(fā)的“掠奪式”采挖，致使一些常用藏藥材原料陷入瀕?；驕?/p>

絕的困境。據(jù)了解，以翼首草為處方原料的藏藥材資源嚴(yán)重不足，翼首草的年消費(fèi)均在1 000 t左右。因此，本文基于Maxent模型和GIS技術(shù)對翼首草進(jìn)行適宜性區(qū)域劃分研究，分析影響其生長的主要生態(tài)因子以及適宜范圍，對其進(jìn)行分布可能性進(jìn)行等級劃分，為藏藥翼首草野生撫育提供科學(xué)依據(jù)，也為GAP種植基地的選址提供參考。

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[責(zé)任編輯 呂冬梅]