達(dá)烏里秦艽潛在適生分布區(qū)研究△

崔治家，雷豐順，盧有媛，晉玲，馬毅，王振恒

(甘肅中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院中(藏)藥資源研究所，甘肅 蘭州 730000)

·中藥農(nóng)業(yè)·

達(dá)烏里秦艽潛在適生分布區(qū)研究△

崔治家，雷豐順，盧有媛，晉玲*，馬毅，王振恒

(甘肅中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院中(藏)藥資源研究所，甘肅 蘭州 730000)

目的：研究影響達(dá)烏里秦艽適宜性分布的生態(tài)因子，預(yù)測(cè)達(dá)烏里秦艽在我國(guó)的潛在適生分布區(qū)。方法：利用達(dá)烏里秦艽在中國(guó)的154個(gè)地理分布記錄，結(jié)合28項(xiàng)環(huán)境因子，應(yīng)用最大熵模型(MaxEnt)研究影響達(dá)烏里秦艽適宜性分布的生態(tài)因子，結(jié)合ArcGIS軟件預(yù)測(cè)達(dá)烏里秦艽全國(guó)及各省潛在適生分布區(qū)。結(jié)果：影響達(dá)烏里秦艽適宜性生長(zhǎng)的主要環(huán)境因子為海拔、1月最高溫和1月降水量；達(dá)烏里秦艽在我國(guó)10個(gè)省的潛在適生性較高，適生區(qū)總面積達(dá)577 517.4 km2，占全國(guó)總面積的6.02%；甘肅省達(dá)烏里秦艽潛在適生區(qū)面積最大，青海次之。結(jié)論：研究結(jié)果對(duì)達(dá)烏里秦艽原產(chǎn)地資源保護(hù)和野生撫育具有指導(dǎo)作用，可以為達(dá)烏里秦艽栽培選地和生產(chǎn)區(qū)劃研究提供科學(xué)依據(jù)。

達(dá)烏里秦艽；潛在適生區(qū)；最大熵模型；ArcGIS

達(dá)烏里秦艽(GentianadahuricaFisch.)又稱小秦艽，其干燥根為中藥秦艽，具有祛風(fēng)濕、清濕熱、止痹痛、退虛熱之功[1]；其花為藏藥解吉那保，具有清熱、消炎之功效[2]。達(dá)烏里秦艽喜涼爽、濕潤(rùn)氣候，耐寒，主要分布于內(nèi)蒙古、陜西、甘肅、寧夏、山西、青海、新疆、四川、西藏及河北等地[3-4]。由于長(zhǎng)期采挖，其野生資源日趨減少，不能滿足市場(chǎng)需求。達(dá)烏里秦艽地理分布及生境、形態(tài)特征、化學(xué)成分及藥理作用等方面已有相關(guān)研究報(bào)道[5-8]，但是長(zhǎng)期依靠野生資源使得研究其生長(zhǎng)的環(huán)境因子及適宜生長(zhǎng)區(qū)工作開(kāi)展較少。

隨著統(tǒng)計(jì)模型和GIS技術(shù)的興起，生態(tài)學(xué)原理、地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)結(jié)合環(huán)境變量進(jìn)行物種潛在適生分布區(qū)預(yù)測(cè)得到了應(yīng)用。目前，常用的生態(tài)位模型主要有6種，分別為GARP模型、ENFA模型、CLIMEX模型、MAXENT模型、BIOCLIM模型、DOMAIN模型[9-13]。其中，MaxEnt模型在農(nóng)作物適宜區(qū)預(yù)測(cè)及藥用植物潛在生境分布中得到了廣泛應(yīng)用并取得了良好效果。5種生態(tài)位模型預(yù)測(cè)黃頂菊的研究證明MaxEnt模型的模擬精度最好[14]。本研究應(yīng)用Maxent模型對(duì)達(dá)烏里秦艽的潛在適生分布區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)，研究影響其分布的主要環(huán)境因子，結(jié)合ArcGIS獲得達(dá)烏里秦艽的潛在適生區(qū)，為達(dá)烏里秦艽栽培生產(chǎn)選地和生產(chǎn)區(qū)劃研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 達(dá)烏里秦艽分布數(shù)據(jù)的獲取與處理

查閱全球生物多樣性信息平臺(tái)(GBIF，http：//www.gbif.org/)、中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館(CVH，http：//www.cvh.org.cn/cms/)、中國(guó)自然保護(hù)區(qū)資源平臺(tái)(http：www.papc.cn/)、教學(xué)標(biāo)本標(biāo)準(zhǔn)化整理整合與資源共享平臺(tái)(http：//mnh.scu.edu.cn/)，并參考文獻(xiàn)資料，共獲得達(dá)烏里秦艽分布信息1114條，沒(méi)有經(jīng)緯度坐標(biāo)的分布點(diǎn)以最小可查行政單位為準(zhǔn)，剔除重復(fù)數(shù)據(jù)及無(wú)法查詢數(shù)據(jù)，最終獲得154個(gè)采樣點(diǎn)信息，見(jiàn)圖1。采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)按種名、分布點(diǎn)經(jīng)度和緯度順序排列后以.csv格式保存。

圖1 達(dá)烏里秦艽的樣點(diǎn)分布圖

1.2 環(huán)境變量數(shù)據(jù)獲取

從世界氣候數(shù)據(jù)庫(kù)(http：//www.worldclim.org)中獲得的1950～2000年的28項(xiàng)環(huán)境因子，精度為2.5弧分×2.5弧分(≈25 km)，詳細(xì)信息見(jiàn)(表1)。環(huán)境因子數(shù)據(jù)用ArcMap中的格式轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換為ESRI ASCII格式。

1.3 MaxEnt模型設(shè)定

參考川貝母潛在分布區(qū)預(yù)測(cè)方法[15]，測(cè)試數(shù)據(jù)比例為25%，最大迭代次數(shù)106，設(shè)置ROC曲線評(píng)價(jià)模型準(zhǔn)確度，響應(yīng)曲線和刀切法檢驗(yàn)環(huán)境因子權(quán)重，其余為模型默認(rèn)設(shè)置。

1.4 適宜區(qū)劃分

根據(jù)Maxent模型預(yù)測(cè)達(dá)烏里秦艽在中國(guó)的分布概況及資料數(shù)據(jù)，將達(dá)烏里秦艽適宜性分為四類(lèi)，分別為：P<0.1不適生區(qū)，0.1≤P<0.4低適生區(qū)，0.4≤P<0.6中適生區(qū)，P≥0.6高適生區(qū)。將三級(jí)以上河流分布區(qū)域設(shè)為低適宜區(qū)，最終獲得達(dá)烏里秦艽在中國(guó)的潛在適生區(qū)分布圖；利用提取工具獲得其在各省的潛在適生區(qū)分布圖；利用重分類(lèi)工具計(jì)算得到中適生區(qū)和高適生區(qū)面積。

表1 達(dá)烏里秦艽適生區(qū)研究所用環(huán)境變量

表1(續(xù))

2 結(jié)果與分析

2.1 MaxEnt模型預(yù)測(cè)精度

采用ROC曲線對(duì)Maxent模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，即用AUC值(ROC曲線下的面積)作為衡量指標(biāo)[16]，AUC的取值范圍為0.5～1，其值越靠近1，說(shuō)明預(yù)測(cè)結(jié)果越好，即MaxEnt模型預(yù)測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)確。AUC值的標(biāo)準(zhǔn)為：0.5～0.6(失敗)，0.6～0.7(較差)，07～0.8(一般)，0.8～0.9(好)，0.9～1(非常好)。本研究MaxEnt模型預(yù)測(cè)結(jié)果測(cè)試數(shù)據(jù)集和訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的AUC值分別為0.994和0.996(圖2)，說(shuō)明Maxent模型預(yù)測(cè)達(dá)烏里秦艽潛在適生區(qū)分布結(jié)果具有較高的額準(zhǔn)確度和可信度。

圖2 達(dá)烏里秦艽潛在分布預(yù)測(cè)的ROC曲線

2.2 主導(dǎo)環(huán)境因子的確定

根據(jù)刀切法的結(jié)果可知(圖3)，1月降雨量、海拔、最冷季度平均溫度、最冷季度降雨量、1月均溫、1月最高溫是影響其分布的主要環(huán)境因子，根據(jù)模型中各環(huán)境變量的貢獻(xiàn)率(表2)可知，海拔(38.7%)、1月降雨量(25.7%)、1月最高溫(13.9%)、最暖季度降水量(10.7%)是影響達(dá)烏里秦艽分布的主要環(huán)境因子，取兩者共有環(huán)境因子，即海拔、1月降雨量、1月最高溫是影響達(dá)烏里秦艽分布的主要環(huán)境因子。

2.3 達(dá)烏里秦艽適生區(qū)分布

由全國(guó)適宜分布圖(圖4)可知，達(dá)烏里秦艽的適宜分布區(qū)主要集中在甘肅中部及南部、青海及西藏東部、四川西北部及北部、寧夏南部、陜西北部、山西北部及中部地區(qū)、內(nèi)蒙古中南部及河北北部地區(qū)，新疆中西部等地也有低適宜區(qū)分布。各省適宜分布圖(圖5)顯示，甘肅省達(dá)烏里秦艽的適生區(qū)主要分布張掖、武威、天祝等地及中部和西南部的甘南藏族自治州、白銀、平?jīng)?、定西、蘭州、臨夏等地，東部慶陽(yáng)環(huán)縣等地也有中適宜分布區(qū)；內(nèi)蒙古達(dá)烏里秦艽適生區(qū)主要集中在中南部烏蘭察布、呼和浩特等地；寧夏達(dá)烏里秦艽適生區(qū)主要集中在南部固原、海源等地和中部吳忠部分地區(qū)，沿賀蘭山也有少量適生區(qū)分布；青海省達(dá)烏里秦艽適生區(qū)分布在東部海北藏族自治州、海南藏族自治州、西寧、黃南藏族自治州、海東等地區(qū)和中部海西蒙古族藏族自治州；山西省除南部運(yùn)城、晉城及臨汾部分地區(qū)外，其他地區(qū)均為達(dá)烏里秦艽適生區(qū)；陜西省達(dá)烏里秦艽適生區(qū)主要分布在北部榆林地區(qū)和延安地區(qū)，寶雞及西安部分地區(qū)有低適宜分布區(qū)；四川省達(dá)烏里秦艽高適生區(qū)主要分布在北部地區(qū)阿壩藏族羌族自治州；新疆中西部伊利哈薩克有達(dá)烏里秦艽中、低適宜分布區(qū)；河北省達(dá)烏里秦艽中、高適宜區(qū)主要分布在北部的張家口，承德北部的圍場(chǎng)等地為低適宜分布區(qū)；西藏達(dá)東部的昌都、妥壩、左貢等地區(qū)有烏里秦艽低適生區(qū)分布。

圖3 刀切法的環(huán)境變量重要性分析

環(huán)境因子貢獻(xiàn)率(%)環(huán)境因子貢獻(xiàn)率(%)海拔387Bio17最干季度降水量051月降雨量257Bio14最干月降水量031月最高溫139Bio1年均溫02Bio18最暖季度降水量107Bio19最冷季度降水量017月降雨量43Bio7年均溫變化范圍01Bio6最冷月最低溫25Bio3等溫性01bio4溫度季節(jié)性變化的標(biāo)準(zhǔn)差15Bio8最濕季度平均溫度01Bio11最冷季度平均溫度07Bio15降水量變異系數(shù)01Bio12年均降水量05

圖4 達(dá)烏里秦艽在中國(guó)適生區(qū)分布圖

注：A.甘省肅；B.內(nèi)蒙古自治區(qū)；C.寧夏回族自治區(qū)；D.青海省E.山西??；F.陜西省；G.四川?。籋.新疆維吾爾自治區(qū)；I.河北??；J.西藏自治區(qū)。圖5 達(dá)烏里秦艽在各省區(qū)的潛在適生區(qū)分布圖

各省達(dá)烏里秦艽高適生區(qū)和中適生區(qū)面積及其占全國(guó)和全省面積比例統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。由表3可知，達(dá)烏里秦艽在全國(guó)的適生區(qū)面積為577 517.4 km2，占國(guó)土總面積的6.02%；甘肅省達(dá)烏里秦艽適生面積最大為139 913.2 km2，占國(guó)土面積的1.46%，占甘肅省總面積的30.86%，其次為青海省；寧夏適生區(qū)面積為24 166.67 km2，占到全省總面積的36.4%，為達(dá)烏里秦艽適生區(qū)面積占有率最高的省；相比較而言，西藏和新疆達(dá)烏里秦艽適生區(qū)面積較少，在全國(guó)及全省土地適生區(qū)的占有率較低。

表3 各省達(dá)烏里秦艽主要適生分布區(qū)面積統(tǒng)計(jì)

3 討論

本研究利用Maxent模型和地理信息系統(tǒng)，并結(jié)合環(huán)境變量對(duì)達(dá)烏里秦艽在我國(guó)的適生分布區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)，獲得了達(dá)烏里秦艽在我國(guó)的適生分布區(qū)，ROC曲線顯示測(cè)試數(shù)據(jù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)的AUC值均在0.9以上，說(shuō)明模型預(yù)測(cè)結(jié)果的可信較高。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，達(dá)烏里秦艽的高適生分布區(qū)主要分布在甘肅、青海、山西、內(nèi)蒙古、四川、陜西、寧夏、新疆、河北、西藏等地，這與文獻(xiàn)記載達(dá)烏里秦艽實(shí)際分布區(qū)相吻合。研究結(jié)果從理論上明確了影響達(dá)烏里秦艽分布的主要環(huán)境因子及在各省的適宜分布區(qū)，對(duì)于進(jìn)一步開(kāi)展達(dá)烏里秦艽原產(chǎn)地資源保護(hù)和野生撫育具有指導(dǎo)作用，為達(dá)烏里秦艽野生資源的收集及栽培選地和生產(chǎn)區(qū)劃研究提供了參考。同時(shí)，

研究中也存在不足，如僅考慮了氣候和地形因子的影響，沒(méi)有涉及土壤類(lèi)型、植被類(lèi)型及人類(lèi)活動(dòng)范圍以及社會(huì)的城鎮(zhèn)化發(fā)展對(duì)其生態(tài)適宜性分布的影響。

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StudyofPotentialDistributionRegionsofGentianadahurica

CUIZhijia，LEIFengshun，LUYouyuan，JINLin*，MAYi，WANGZhenheng

(SchoolofPharmaceuticalSciences，InstituteofTraditionalChineseMedicineandTibetanMedicineResources，GansuUniversityofChineseMedicine，Lanzhou730000，China)

Objective：To study effect of ecological factors on distribution ofGentianadahuricaand predict the potential suitable distribution regions ofG.dahuricain China.Methods：By using 154 distribution recordings in China and 28 ecological factors and combined with ArcGIS，the effect of the ecological factors on the suitable distribution regions ofG.dahuricaand the potential suitable distribution regions in China and each province were studied by MaxEnt.Results：The main factors effect of the suitable growth ofG.dahuricawere altitude，the highest temperature and the precipitation in January.10 provinces in China existed higher suitable distribution areas forG.dahurica.The suitable distribution areas were 577 517.4 km2，accounting for 6.02% of the total area of the country.Gansu province had the largest areas for the suitable growth ofG.dahurica，and the second was Qinghai.Conclusion：The results could guide for resources native protection and wild nurture ofG.dahurica.Meanwhile，it could provide scientific basis for selecting cultivation fields and suitable production area ofG.dahurica.

GentianadahuricaFisch.；potential suitable distribution regions；MaxEnt；ArcGIS

甘肅中醫(yī)藥大學(xué)中青年基金(ZQN-2013-1)；中央本級(jí)重大增減支項(xiàng)目(20603020212，20603020110)；中醫(yī)藥公共衛(wèi)生專(zhuān)項(xiàng) (財(cái)社[2011]76 號(hào))；中醫(yī)藥行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201207002)

] 晉玲，教授，研究方向：珍惜瀕危和大宗常用中藥資源可持續(xù)利用；E-mail：zyxyjl@163.com

10.13313/j.issn.1673-4890.2017.6.016

2016-11-10)

*[