甘遂生態(tài)適宜性區(qū)劃研究△

盧有媛，郭盛*，嚴(yán)輝，2，錢(qián)大瑋，姜建明，姜文德，孫成忠，段金廒*

(1.南京中醫(yī)藥大學(xué)/江蘇省中藥資源產(chǎn)業(yè)化過(guò)程協(xié)同創(chuàng)新中心/中藥資源產(chǎn)業(yè)化與方劑創(chuàng)新藥物國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇 南京 210023；2.國(guó)家中藥材產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系 鹽城綜合試驗(yàn)站，江蘇 南京 210023；3.寧夏明德中藥飲片有限公司，寧夏 固原 756000；4.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100039)

中藥甘遂(Kansui Radix)為大戟科大戟屬植物甘遂EuphorbiakansuiT.N.Liou ex T.P.Wang的干燥塊根，產(chǎn)于河南、山西、陜西、甘肅和寧夏，具有瀉水逐飲、消腫散結(jié)之功效，用于水腫脹滿、胸腹積水、痰飲積聚、氣逆咳喘、二便不利、風(fēng)痰癲癇、癰腫瘡毒等癥的治療[1-2]。現(xiàn)代藥理研究表明，甘遂藥材具有抗腫瘤、抗病毒、抗生育、抗氧化等作用[3]。隨著中醫(yī)藥事業(yè)的發(fā)展，甘遂藥材市場(chǎng)需求量不斷增加，過(guò)度采挖造成野生資源嚴(yán)重破壞，產(chǎn)量日趨減少，野生變家種始于20世紀(jì)50～60年代，但生長(zhǎng)緩慢[4]。探測(cè)甘遂野生資源，建立野生資源保護(hù)區(qū)，選擇適宜栽培生長(zhǎng)區(qū)域，加快藥材生產(chǎn)可以有效改善甘遂藥材野生資源現(xiàn)狀、滿足市場(chǎng)需求。

“諸藥所生，皆有其境”，生態(tài)環(huán)境的適宜性影響藥材的道地性，盲目引種、擴(kuò)種會(huì)影響中藥材生產(chǎn)的合理布局，削弱藥材的道地性[5]。中藥生態(tài)區(qū)劃以藥用動(dòng)植物所在的自然生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，以其生境特征及其與自然條件之間的關(guān)系為依據(jù)，研究中藥資源所在地自然條件的空間規(guī)律，并按照其自然條件的空間分異規(guī)律進(jìn)行區(qū)域劃分，是中藥資源合理開(kāi)發(fā)利用的重要依據(jù)和基礎(chǔ)[6]。

生態(tài)位模型是依據(jù)物種自身具有的特定小生境，通過(guò)該物種已明確分布區(qū)的自然環(huán)境因子，利用數(shù)學(xué)建模方法歸納出其特定生境，并將該特定生境映射到目標(biāo)區(qū)域獲得該物種的潛在地理分布[7]。BIOCLIM、GARP、Maxent在生態(tài)位模型研究中應(yīng)用較廣。BIOCLIM模型基于全域自然環(huán)境空間建模，但是物種在自然界或連續(xù)分布、或離散分布，預(yù)測(cè)離散分布物種時(shí)BIOCLIM模型會(huì)將物種生態(tài)位空間放大，預(yù)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差[8]。GARP模型是基于機(jī)器學(xué)習(xí)提出的，其模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度高于BIOCLIM[9]。Maxent模型同時(shí)包含了概率論和機(jī)器學(xué)習(xí)理論，基于物種的分布數(shù)據(jù)和環(huán)境因子數(shù)據(jù)，通過(guò)尋找最大熵估計(jì)物種分布，其認(rèn)可已知分布信息，對(duì)未知分布信息不做任何假設(shè)，不持偏見(jiàn)，統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確率較高，實(shí)際應(yīng)用效果好，已被用于藥用植物、真菌的潛在適宜分布區(qū)預(yù)測(cè)[10-15]。

本研究基于我國(guó)甘遂植物的64個(gè)分布點(diǎn)信息及氣象、土壤和植被類(lèi)型等55個(gè)環(huán)境因子數(shù)據(jù)，采用Maxent生態(tài)位模型估計(jì)其在我國(guó)的潛在適生區(qū)，并通過(guò)GIS實(shí)現(xiàn)制圖，以期為甘遂野生資源探測(cè)、建立野生資源保護(hù)區(qū)及引種栽培選址提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 甘遂分布信息

查閱中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館(CVH)，收集甘遂分布信息，沒(méi)有經(jīng)緯度坐標(biāo)記錄的分布點(diǎn)以最小可查行政單位為準(zhǔn)，共收集64份甘遂分布信息，分布點(diǎn)見(jiàn)圖1。

圖1 甘遂樣本分布

1.2 生態(tài)因子數(shù)據(jù)

本研究使用的生態(tài)因子數(shù)據(jù)來(lái)源于“中藥資源空間信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)”，包括43個(gè)氣候類(lèi)型數(shù)據(jù)(12個(gè)月的降水量和平均氣溫、19個(gè)綜合氣候因子，分辨率1 km)、8個(gè)土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)(土壤pH、陽(yáng)離子交換能力、含沙量、含粘土量、土壤亞類(lèi)、有效水含量等級(jí)、土壤質(zhì)地分類(lèi)、有機(jī)碳含量)、3個(gè)地形數(shù)據(jù)(海拔、坡度、坡向)和植被類(lèi)型。

1.3 Maxent模型參數(shù)設(shè)置

甘遂分布信息及環(huán)境因子數(shù)據(jù)按規(guī)定格式分別導(dǎo)入Maxent軟件，參數(shù)設(shè)定：隨機(jī)測(cè)試比例為25%，最大迭代次數(shù)106，選擇響應(yīng)曲線、ROC工作曲線及刀切法檢驗(yàn)權(quán)重，其余參數(shù)為軟件默認(rèn)值。

1.4 模型預(yù)測(cè)精度評(píng)價(jià)

Maxent模型采用ROC工作曲線及AUC值(曲線下面積)評(píng)價(jià)模型預(yù)測(cè)結(jié)果的精度。

1.5 生態(tài)因子篩選

基于甘遂分布信息及生態(tài)因子數(shù)據(jù)，采用Maxent模型進(jìn)行迭代運(yùn)算，第一次運(yùn)算結(jié)束后棄去貢獻(xiàn)率為0的生態(tài)因子進(jìn)行第二次運(yùn)算，至所有參與運(yùn)算的生態(tài)因子均有貢獻(xiàn)率，貢獻(xiàn)率大權(quán)重高的生態(tài)因子則為影響甘遂生態(tài)適宜性的主要生態(tài)因子。

1.6 生態(tài)適宜區(qū)劃分

根據(jù)Maxent運(yùn)算結(jié)果中樣本分布點(diǎn)生境適宜度值，基于正態(tài)分布參數(shù)均值(μ)和樣本分布點(diǎn)最小生境適宜度值進(jìn)行甘遂生態(tài)適宜性區(qū)域劃分，以[0，最小值]為不適宜區(qū)，[最小值，μ]為次適宜區(qū)，[μ，1]為最適宜區(qū)，利用ArcGIS繪制甘遂生態(tài)適宜性區(qū)劃分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 Maxent模型預(yù)測(cè)結(jié)果精度評(píng)價(jià)

Maxent模型預(yù)測(cè)結(jié)果精度評(píng)價(jià)以AUC值(ROC工作曲線下面積)為指標(biāo)，AUC取值范圍為[0，1]，越接近1表明模型預(yù)測(cè)精度越高[16]。評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為：0.5～0.6失敗，0.6～0.7較差，0.7～0.8一般，0.8～0.9好，0.9～1.0非常好[17]。甘遂Maxent模型ROC曲線訓(xùn)練集和測(cè)試集的AUC值分別為0.983和0.946，表明由Maxent模型運(yùn)算預(yù)測(cè)獲得的甘遂生態(tài)適宜度具有較高的準(zhǔn)確度和可信度。

2.2 生態(tài)因子篩選

55個(gè)生態(tài)因子經(jīng)8次Maxent運(yùn)算后剩余15個(gè)生態(tài)因子貢獻(xiàn)率大于0，其中11月降水量、土壤pH、10月降水量、土壤類(lèi)型、2月平均氣溫及海拔的貢獻(xiàn)率分別為31.69%、15.61%、13.58%、12.90%、8.08%、7.42%，總貢獻(xiàn)率達(dá)89.27%，是影響甘遂適宜性生長(zhǎng)的主要生態(tài)因子。11月降水量的適宜值范圍為10～25 mm，土壤pH適宜值范圍

為7.5～8.5，10月降水量適宜值范圍為40～70 mm，土壤類(lèi)型以肥熟旱耕人為土、石灰性始成土、變性始成土、石灰性淋溶土、飽和粗骨土、飽和始成土、飽和粘磐土、堆墊旱耕人為土較好，2月平均氣溫適宜度范圍為-8～8 ℃，海拔適宜度范圍為400～1800 m。

2.3 生態(tài)適宜性區(qū)劃

甘遂生態(tài)適宜性區(qū)劃見(jiàn)圖2，甘遂最適宜分布區(qū)主要集中在陜西、甘肅東部及山西南部，寧夏南部及河北南部、河南北部和西部有小部分最適宜分布區(qū)，新疆北部、甘肅南部有零星最適宜區(qū)分布。甘遂次適宜分布區(qū)主要集中在陜西、山西、寧夏、河南、內(nèi)蒙古中西部、甘肅南部、重慶、四川東部、河北南部、山東中部和東部地區(qū)，湖北西部、湖南南部、貴州北部、青海東部、河北東部、遼寧西部及中南部、吉林西部部分地區(qū)為次適宜分布區(qū)，其次在黑龍江南部、新疆北部、西藏東部、云南北部、江西西部、安徽中部等地有零星次適宜區(qū)分布，各省甘遂生態(tài)適宜區(qū)分布縣(區(qū))見(jiàn)表1。

圖2 甘遂生態(tài)適宜性分布區(qū)

省份最適宜區(qū)分布縣(區(qū))次適宜區(qū)分布縣(區(qū))陜西 韓城、合陽(yáng)、洛川、宜君、澄城、蒲城、大荔、潼關(guān)、華陰、華州、臨渭、華州、富平、三原、高陵、臨潼、藍(lán)田、涇陽(yáng)、雁塔、蓮湖、灞橋、未央、碑林、長(zhǎng)安、秦都、禮泉、興平、戶縣、周至、武功、乾縣、長(zhǎng)武、永壽、彬縣、句邑、麟游、扶風(fēng)、眉縣、岐山、陳倉(cāng)、金臺(tái)、渭濱、鳳翔、千陽(yáng)、隴縣、太白、留壩、宜川、延長(zhǎng)、延川、清澗、子長(zhǎng)、綏德、吳堡、子洲、米脂、佳縣、吳旗、志丹、富縣府谷、神木、榆陽(yáng)、橫山、靖邊、定邊、安塞、寶塔、甘泉、黃龍、白水、王益、耀州、印臺(tái)、醇化、洛南、商州、柞水、寧陜、佛坪、洋縣、城固、鳳縣、漢臺(tái)、勉縣、略陽(yáng)、寧強(qiáng)、南鄭、西鄉(xiāng)、紫陽(yáng)、鎮(zhèn)巴、石泉、漢陰、漢濱、嵐皋、平利、鎮(zhèn)坪、白河、旬陽(yáng)、鎮(zhèn)安、山陽(yáng)、商南、丹鳳、商州

續(xù)表1

續(xù)表1

注：“—”表示無(wú)最適宜分布縣(區(qū))。

3 結(jié)論

本研究基于甘遂的自然分布信息及環(huán)境因子數(shù)據(jù)，采用Maxent預(yù)測(cè)其在我國(guó)的生態(tài)適宜性分布，模型預(yù)測(cè)結(jié)果經(jīng)ROC曲線評(píng)價(jià)表明預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度及可信度較高(AUC>0.9)。Maxent模型估算結(jié)果經(jīng)GIS制圖，基于實(shí)際分布點(diǎn)的生態(tài)適宜度值及正態(tài)分布曲線劃分其生態(tài)適宜區(qū)，結(jié)果顯示：甘遂最適宜分布區(qū)主要集中在陜西、甘肅東部及山西南部，寧夏南部及河北南部、河南北部和西部有小部分最適宜分布區(qū)；次適宜分布區(qū)主要集中在陜西、山西、寧夏、河南、內(nèi)蒙古中西部、甘肅南部、重慶、四川東部、河北南部、山東中部和東部地區(qū)，湖北西部、湖南南部、貴州北部、青海東部、河北東部、遼寧西部及中南部、吉林西部部分地區(qū)為次適宜分布區(qū)。歷代甘遂產(chǎn)于山西、陜西、山東、江蘇、河南及河北等地，隨歷史推移，今甘遂主產(chǎn)于陜西、山西、河南、甘肅、寧夏，以陜西產(chǎn)質(zhì)量最佳[1，4]。研究結(jié)果顯示除歷代主產(chǎn)區(qū)外，西南橫斷山區(qū)有不同面積的甘遂生態(tài)次適宜區(qū)分布，吉林、遼寧、黑龍江三省有零星次適宜區(qū)分布。本研究從理論上預(yù)測(cè)甘遂的生態(tài)適宜區(qū)，為甘遂野生資源探測(cè)，建立野生資源保護(hù)區(qū)及引種栽培選址提供了依據(jù)。