基于Maxent和ArcGIS的山茱萸生態(tài)適宜性區(qū)劃研究

張飛++陳隨清 王利麗 張濤 張小波 朱壽東

[摘要]通過區(qū)劃研究，預(yù)測(cè)山茱萸適宜種植區(qū)。通過走訪和實(shí)地調(diào)查，收集山茱萸在全國主產(chǎn)區(qū)的樣品分布信息。以山茱萸藥材主產(chǎn)區(qū)14個(gè)產(chǎn)地89個(gè)采樣點(diǎn)為分析基點(diǎn)，利用Maxent和ArcGIS對(duì)山茱萸進(jìn)行生態(tài)適宜性研究，分析山茱萸生長地的相關(guān)生態(tài)因子如氣候、地形等。影響山茱萸生長的主要生態(tài)因子包括11月降水量、3月降水量、植被類型等9個(gè)生態(tài)因子，山茱萸生長最適宜區(qū)域分布在河南、陜西、浙江、重慶、湖北、四川、安徽、湖南、山東等地，對(duì)山茱萸的潛在分布區(qū)進(jìn)行了生長適宜性等級(jí)劃分，生成山茱萸生長適宜性區(qū)劃圖。應(yīng)用空間分析技術(shù)，闡釋了山茱萸最適合生長的自然環(huán)境，也為山茱萸的野生撫育、引種栽培及人工規(guī)范化種植提供科學(xué)依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]山茱萸； Maxent模型及Arcgis； 生態(tài)因子； 生長適宜性

Study on ecological suitability regionalization of Corni

Fructus based on Maxent and ArcGIS model

ZHANG Fei1， CHEN Suiqing1*， WANG Lili 1， ZHANG Tao2， ZHANG Xiaobo3， ZHU Shoudong3

（1 Pharmacy College of Henan University of Chinese Medicine， Zhengzhou 450046， China；

2 Pharamcy Section of Children′s Hospital of Zhengzhou， Zhengzhou 450000， China；

3.State Key Laboratory of Daodi Herbs， National Resource Center for Chinese Materia Medica， China

Academy of Chinese Medical Sciences， Beijing 100700， China）

[Abstract]Through planting regionalization the scientific basis for planting area of highquality medicinal materials was predicted Through interview investigation and field survey， the distribution information of Corni Fructus in China was collected，and 89 sampling point from 14 producing areas were collected Climate and topography of Corni Fructus were analyzed， the ecological adaptability of study was conducted based on ArcGIS and Maxent Different suitability grade at potential areas and regionalization map were formulated There are nine ecological factors affecting the growth of Corni Fructus， for example precipitation in November and March and vegetation type The results showed that the most suitable habitats are Henan， Shaanxi， Zhejiang， Chongqing， Hubei， Sichuan， Anhui， Hunan and Shandong province Using the spatial analysis method，the study not only illustrates the most suitable for the surroundings of Corni Fructus，but also provides a scientific reference for wild resource tending， introduction and cultivation， and artificial planting base and directing production layout

[Key words]Corni Fructus； Maxent and Arcgis； ecological factors； ecology suitability

山茱萸是山茱萸科植物山茱萸Cornus officinalis Sieb et Zucc除去果核的干燥成熟果肉，具有補(bǔ)益肝腎、澀精固脫的功效[1]。近年來，隨著山茱萸市場(chǎng)需求量的不斷增加，以致于野生資源逐漸減少，人工栽培已成為山茱萸藥材主要來源的必然趨勢(shì)，全國山茱萸主產(chǎn)區(qū)分布于我國的河南、浙江、陜西等省。但由于缺乏引種和產(chǎn)地適宜性分析等相關(guān)知識(shí)，導(dǎo)致山茱萸品質(zhì)參差不齊，品質(zhì)下降等諸多問題，嚴(yán)重制約我國山茱萸產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。目前對(duì)山茱萸的研究集中在真?zhèn)舞b別及質(zhì)量評(píng)價(jià)方面，對(duì)山茱萸的全國生態(tài)適宜性研究尚無報(bào)道。因此預(yù)測(cè)山茱萸的潛在分布區(qū)，確定影響其分布和最適宜生長的主導(dǎo)環(huán)境因子，對(duì)了解山茱萸資源的整體情況、實(shí)施山茱萸資源保護(hù)和推廣人工栽培有十分重要的意義。

生態(tài)模型有MAxent，Bioclim，Climax，Domain，Grap模型等，對(duì)5個(gè)模型進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)Maxent模型的預(yù)測(cè)效果較好[2]。1957 年，Jaynes提出了最大熵理論，該理論認(rèn)為：在已知條件下，熵最大的事物最接近它的真實(shí)狀態(tài)[3]。Maxent模型廣泛應(yīng)用于物種潛在的分布研究[45]，信息熵屬于廣義熵，在信息理論中是一個(gè)廣義概念，體現(xiàn)了物質(zhì)系統(tǒng)狀態(tài)的量度或其可能出現(xiàn)的程度[6]。Maxent模型可以考慮預(yù)測(cè)變量和響應(yīng)變量之間復(fù)雜的線性關(guān)系，并將這些關(guān)系以曲線表達(dá)出來[7]。Maxent模型是基于生態(tài)位原理建立的在研究中常用的生態(tài)位模型，以物種在已知分布區(qū)的信息以及目標(biāo)區(qū)的環(huán)境變量為基礎(chǔ)，通過比較該物種在已知分布區(qū)的生態(tài)環(huán)境變量來確定其占有的生態(tài)位，預(yù)測(cè)物種的潛在地理分布情況。本課題組在實(shí)地踏查我國山茱萸主產(chǎn)區(qū)的基礎(chǔ)上，利用Maxent模型及Arcgis空間分析技術(shù)，探討山茱萸藥材和生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，得到山茱萸生態(tài)適宜性區(qū)劃圖，研究結(jié)果對(duì)我國山茱萸藥材種植生產(chǎn)的合理布局具有重要指導(dǎo)意義。endprint

1材料與數(shù)據(jù)

11山茱萸樣品山茱萸樣品參見本課題組“山茱萸化學(xué)成分與氣象因子相關(guān)性分析”[8]。樣品采自各批山茱萸藥材植株所在區(qū)域。每個(gè)地點(diǎn)為一批樣品，共 14 批樣品，編號(hào)為 C1～C14，每批樣品包含藥材及土壤各 5～10 份，共采集 89 份，編號(hào)為S1～S89。

12空間數(shù)據(jù)來源本實(shí)驗(yàn)使用的空間數(shù)據(jù)來源于“中藥資源空間信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫”，包含中藥資源分布的生態(tài)因子數(shù)據(jù)，含有降水量、日照、氣候、土壤、地形和植被類型等相關(guān)的數(shù)據(jù)。（中國中醫(yī)科學(xué)院中藥資源中心、道地藥材國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黃璐琦、郭蘭萍、朱壽東等提供）包含有12個(gè)月的降水量和平均氣溫，19個(gè)綜合氣候因子等共計(jì)43個(gè)氣候類型數(shù)據(jù)：1—12月月降水量；1—12月月平均氣溫；年平均氣溫；晝夜溫差月均值；等溫性；溫度季節(jié)性變化的標(biāo)準(zhǔn)差；最暖月最高溫；最冷月最低溫；年均溫變化范圍；最濕季平均溫；最干季平均溫；最暖季平均溫；最冷季平均溫；年均降水量；最濕月降水量；最干月降水量；季節(jié)降水量變異系數(shù)；最濕季降水量；最干季降水量；最暖季降水量；最冷季降水量氣候類型數(shù)據(jù)。選擇6個(gè)土壤類型數(shù)據(jù)如：土壤的陽離子交換能力；土壤含沙量；土壤含粘土量；土壤亞類（sym90）；土壤有效水含量等級(jí)；有機(jī)碳含量。3個(gè)地形數(shù)據(jù)高程（altitude）、坡度（slope）、坡向（aspect），1個(gè)植被類型數(shù)據(jù)。

13生態(tài)因子的確定本研究采用Maxent和ArcGIS軟件對(duì)生態(tài)因子進(jìn)行篩選，選出對(duì)山茱萸貢獻(xiàn)率較大的氣候因子，依據(jù)前期對(duì)山茱萸的生態(tài)適宜性研究，將山茱萸樣品分布點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)文本格式（csv），53 個(gè)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)因子變量通過ArcGIS模型中ArcToolbox轉(zhuǎn)化為（asc）格式，然后分別導(dǎo)入Maxent模型，選擇25%的山茱萸分布點(diǎn)用于模型驗(yàn)證，75%的分布點(diǎn)用于建立模型，選擇利用刀切法（Jackknife）來檢測(cè)變量的重要性，其他參數(shù)均為Maxent模型的默認(rèn)值，結(jié)果以Logistic格式輸出。依次計(jì)算 3 次，舍去3次計(jì)算結(jié)果中貢獻(xiàn)度為 0 的生態(tài)因子，然后再依次舍去貢獻(xiàn)率小于1的生態(tài)因子，共計(jì)算 10 次，選取總貢獻(xiàn)率≥999的生態(tài)因子。取總貢獻(xiàn)率≥999的生態(tài)因子利用Spearman相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析（SPSS 190），當(dāng)2個(gè)因子的相關(guān)系數(shù)>±08時(shí)任意舍去其中一個(gè)生態(tài)因子，篩選的因子作為最終組進(jìn)行山茱萸的適宜性研究。

14適宜性分布區(qū)域劃分應(yīng)用ArcGIS 102分析軟件將Maxent模型中選取10次預(yù)測(cè)中AUC最大的1組結(jié)果[9]，通過加載MAXENT模型運(yùn)算結(jié)果到ArcGIS，將模型輸出的文件轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)[10]，同時(shí)導(dǎo)入中國行政區(qū)域地圖，得到山茱萸生長的適宜指數(shù)，在得到的適宜度圖上提取出生長適宜度，以提取值中的最小值作為適宜生長和不適宜生長的分界線。對(duì)于適宜生長的區(qū)間，依據(jù)正態(tài)分布的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差σ和平均值μ，選擇μ+σ作為閾值，區(qū)分“適宜區(qū)”和“最適宜區(qū)”既[0，最小值]為不適宜區(qū)，[最小值， μ+σ]為適宜區(qū)，[μ+σ，1]為最適宜區(qū)。

2結(jié)果與分析

21山茱萸生態(tài)因子的適宜性分析對(duì)53個(gè)生態(tài)因子進(jìn)行10次運(yùn)算，并排除共性關(guān)系，最終選擇出9個(gè)生態(tài)因子進(jìn)行分析見表1。通過Maxent模型分析后的ROC曲線訓(xùn)練集的AUC 0996，測(cè)試集的AUC 0995；同時(shí)得到生態(tài)因子刀切法分析圖，表明本研究模擬效果極好，預(yù)測(cè)結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度，模型ROC曲線及刀切法分布圖見圖1。

從生態(tài)刀切圖中可以看出生態(tài)因子對(duì)山茱萸生長的權(quán)重比較大，其中11月降水量、3月降水量、植被類型、溫度季節(jié)性變化的標(biāo)準(zhǔn)差等4項(xiàng)所占的權(quán)重最大，最濕季平均溫、土壤類型_sym90、1月平均氣溫、坡度等所占的權(quán)重次之，因此選取11月降水量、3月降水量、植被類型、溫度季節(jié)性變化的標(biāo)準(zhǔn)差、最濕季平均溫、土壤類型_sym90、1月平均氣溫、坡度等共計(jì)8個(gè)對(duì)山茱萸生長影響最關(guān)鍵的生態(tài)因子，見圖2。從山茱萸的生長適宜度的響應(yīng)曲線可以得出：11月降水量在0～33 mm時(shí)，生境適宜度隨著降水量的增加而增加，大于33 mm且不超過41 mm時(shí)生境適宜度減小，超過41 mm時(shí)生境適宜度變化不大；3月降水量在30～36 mm及56～125 mm是生境適宜度隨著降水量的增加而增加，而在37～55 mm及126～200 mm生境適宜度隨著降水量的增加而減小，200 mm以后影響不大；坡度在0～36°生境適宜度隨著坡度的增加而直線增加，37～80°生境適宜度隨著坡度的增加而緩慢減小；1月平均氣溫在-10～-8 ℃生境適宜度隨著溫度的增加而直線增加，-8～ 0 ℃生境適宜度隨著溫度的增加而直線減小，0～10 ℃呈正向拋物線下降，10 ℃以上變化不大；12月平均氣溫在-6～13 ℃呈生境適宜度拋物線分布低于-6 ℃及高于13 ℃都沒有影響；山茱萸生境適宜度與植被類型的響應(yīng)曲線可知一年一熟短生育期耐寒作物、溫帶落葉灌叢、亞熱帶針葉林是山茱萸的最適植被類型，一年兩熟水旱糧食作物、果樹園和經(jīng)濟(jì)林、亞熱帶、熱帶常綠闊葉、落葉闊葉灌叢、兩年三熟或一年兩熟旱作和落葉果樹園等條件下山茱萸的適宜度比較低；土壤類型飽和始成土、不飽和始成土、石灰性淋溶土、土墊旱耕人為土等條件下山茱萸的適宜度比較高，而在土壤類型如腐殖質(zhì)強(qiáng)淋溶土、飽和潛育土、石灰性粗骨土、石灰性始成土等條件下適宜度相對(duì)較低；山茱萸適宜度與最濕季平均溫在15～25 ℃呈反向拋物線，而在其他區(qū)間則不相關(guān)；山茱萸適宜度與溫度季節(jié)性變化的標(biāo)準(zhǔn)差在5 000～11 297呈正向拋物線，其他區(qū)間則不相關(guān)。最終得到山茱萸環(huán)境因子的適宜范圍為：11月降水量25～41 mm，3月降水量在25～150 mm，坡度在15～50°，1月平均氣溫在-10 ～10 ℃，12月平均氣溫在-6～13 ℃，植被類型如一年一熟短生育期耐寒作物、溫帶落葉灌叢、亞熱帶針葉林、一年兩熟水旱糧食作物、果樹園和經(jīng)濟(jì)林、亞熱帶、熱帶常綠闊葉、落葉闊葉灌叢、兩年三熟或一年兩熟旱作和落葉果樹園，土壤類型如飽和始成土、不飽和始成土、石灰性淋溶土、土墊旱耕人為土、腐殖質(zhì)強(qiáng)淋溶土、飽和潛育土、石灰性粗骨土、石灰性始成土，最濕季平均溫在15～25 ℃，溫度季節(jié)性變化的標(biāo)準(zhǔn)差在5 000～11 297。endprint

22山茱萸生長適宜性及等級(jí)劃分通過ArcGIS分析軟件對(duì)Maxent軟件導(dǎo)出的生境適宜度進(jìn)行重分類，得到山茱萸適宜性區(qū)劃圖，分為不適宜區(qū)[0，0065 115 606]、適宜區(qū)[0065 115 606，0306 043 349]、最適宜區(qū)[0306 043 349，0830 223 978]，結(jié)果見圖3，白色區(qū)域代表山茱萸不適宜生長區(qū)，紅色區(qū)域代表最適宜山茱萸生長區(qū)，藍(lán)色區(qū)域代表適宜山茱萸生長的區(qū)域。從全國山茱萸適宜區(qū)范圍的分布圖來看，山茱萸最佳適宜區(qū)主要集中在河南的西部南陽、洛陽、三門峽及濟(jì)源，陜西的中南部商洛、漢中，重慶的北部接壤陜西及湖北，四川的廣元、巴中，湖北的東北部十堰、襄陽，浙江的東北部金華、衢州，安徽的西南部黃山，湖南的東北部及山東的中西部等地；而山茱萸適宜區(qū)分布比較分散如遼寧的西南部靠近沿海、江西的中北部、貴州的東北部、四川的中南部、安徽的南部等陜西的西部、河南的西部、湖南的北部等地。

3討論

本實(shí)驗(yàn)以實(shí)際調(diào)查為基礎(chǔ)，采用Maxent模型對(duì)山茱萸藥材生態(tài)適宜性區(qū)劃預(yù)測(cè)模擬，預(yù)測(cè)結(jié)果ROC曲線得到的AUC預(yù)測(cè)值095以上，證明本模型模擬的可靠和準(zhǔn)確。通過全面的考慮53個(gè)環(huán)境因子的影響，最終得到影響山茱萸生長較大的各環(huán)境因子及適宜的區(qū)間。查閱文獻(xiàn)調(diào)查[11]發(fā)現(xiàn)山茱萸主要在山西、陜西、甘肅、山東、江蘇、浙江、安徽、江西、河南、湖南等省。白成科等[12]認(rèn)為陜西山茱萸最適宜種植區(qū)較為集中，主要分布在秦嶺北坡和南坡丘陵淺山區(qū)，總面積約為 41 萬km2。黃海欣等[13]認(rèn)為山茱萸集中分布于“兩山加一嶺”，即河南的伏牛山、浙江的天目山、陜西的秦嶺。本研究發(fā)現(xiàn)山茱萸的最適宜區(qū)域及適宜區(qū)域和文獻(xiàn)調(diào)查及實(shí)地踏查吻合，更加證明了本研究結(jié)果的科學(xué)可靠性。本課題組以山茱萸為分析研究對(duì)象，應(yīng)用Maxent模型和Arc GIS得到山茱萸藥材在全國的最適宜分布區(qū)和適宜分布區(qū)，從而為山茱萸藥材的引種、擴(kuò)種栽培以及大規(guī)模的種植提供理論依據(jù)，解決了山茱萸藥材原料供應(yīng)短缺的根源。在今后的山茱萸產(chǎn)業(yè)規(guī)劃布局上，如能在山茱萸主產(chǎn)區(qū)把本品種作為龍頭種植基地首要任務(wù)，將更多的帶動(dòng)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民創(chuàng)收致富。本研究僅選用的是降水量、日照、氣候、土壤、地形和植被類型等相關(guān)的數(shù)據(jù)等有關(guān)的生物氣候變量，缺少人類交通及全球變暖等其他變量，這可能對(duì)適宜區(qū)的預(yù)測(cè)帶來一定的偏差，同時(shí)生態(tài)因子適宜范圍是基于單一模型得出，有時(shí)與實(shí)際可能不一致，因此今后可以綜合考慮其他干擾因素，從而達(dá)到預(yù)測(cè)藥材的結(jié)果更加準(zhǔn)確。

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[責(zé)任編輯呂冬梅]endprint