華東覆盆子生態(tài)適宜性區(qū)劃研究△

尹永飛，景志賢，張珂*，劉小芬，李石清，劉浩

1.安徽中醫(yī)藥大學(xué) 安徽道地中藥材品質(zhì)提升協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230012；2.中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院 中藥資源中心，北京 100700；3.福建中醫(yī)藥大學(xué)，福建 福州 350100；4.浙江中醫(yī)藥大學(xué)，浙江 杭州 310051；5.湖南省中醫(yī)藥研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410006

華東覆盆子RubuschingiiHu為薔薇科懸鉤子屬落葉灌木，主要分布于安徽、浙江、江西、江蘇、福建、廣西等省。生低海拔至中海拔地區(qū)，在山坡、路邊陽(yáng)處或陰處灌木叢中常見(jiàn)[1]。因其葉裂如手掌，故又稱掌葉覆盆子。其未成熟果實(shí)入藥做中藥覆盆子，具有益腎固精縮尿、養(yǎng)肝明目之功效[2]。隨著中醫(yī)藥事業(yè)的發(fā)展及人們對(duì)養(yǎng)生保健的重視，作為藥食同源植物，華東覆盆子因營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富、保健功效突出且果實(shí)口感極佳，被廣泛用于新型水果、功能飲料、水果罐頭、各類保健品的開(kāi)發(fā)[3-6]。隨著市場(chǎng)需求量的不斷增加，野生華東覆盆子產(chǎn)量不能滿足其入藥及保健品市場(chǎng)需求，近年來(lái)覆盆子價(jià)格大幅上漲。在走訪調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)近幾年浙江、安徽等地栽培面積逐年增加，由于華東覆盆子栽培發(fā)展較晚，目前對(duì)覆盆子的栽培研究主要集中在栽培管理等方面，缺乏系統(tǒng)的區(qū)劃研究，因此探索其生態(tài)適宜區(qū)及影響其生長(zhǎng)的主導(dǎo)環(huán)境因子，為栽培研究提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)推廣華東覆盆子栽培、緩解市場(chǎng)供需矛盾具有重要意義。

近年來(lái)，郭蘭萍等[7]對(duì)中藥生態(tài)農(nóng)業(yè)進(jìn)行了研究與梳理，并在中藥品質(zhì)形成特點(diǎn)研究的基礎(chǔ)上，提出了基于“逆境效應(yīng)”的道地藥材“擬境栽培”理論，鼓勵(lì)中藥材生產(chǎn)采用中藥生態(tài)農(nóng)業(yè)中模擬原始生境的“擬境栽培”方式，為中藥的生態(tài)種植指明方向。中藥生態(tài)區(qū)劃的研究是以物種所在的自然生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，以其生境特征及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[8]，因此對(duì)中藥進(jìn)行生態(tài)區(qū)劃研究可以為生態(tài)種植研究及道地藥材生產(chǎn)布局提供依據(jù)。

中藥區(qū)劃方法有定性描述法、構(gòu)建模板法、構(gòu)建模型法及其他方法，其中構(gòu)建模板法中的生態(tài)位模型在中藥區(qū)劃的研究中使用較廣。生態(tài)位模型是利用研究對(duì)象已知的分布數(shù)據(jù)和環(huán)境因子數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，判斷物種生態(tài)需求，并預(yù)測(cè)其潛在分布范圍[9]。生態(tài)位模型有Maxent、Bioclim、Climax、Domain、Grap模型等，蔡靜蕓等[10]通過(guò)研究分析認(rèn)為Maxent模型的預(yù)測(cè)效果較好。Maxent模型基于生態(tài)位原理建立生態(tài)位模型，以物種在已知分布區(qū)的信息及研究區(qū)環(huán)境變量為基礎(chǔ)，通過(guò)比較該物種在已知分布區(qū)的生態(tài)環(huán)境變量來(lái)確定其占有的生態(tài)位，以此預(yù)測(cè)物種的潛在地理分布情況，Maxent模型已被用于多種中藥的生態(tài)適宜性區(qū)劃研究[11-14]。本研究在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，基于147個(gè)華東覆盆子分布位點(diǎn)信息及55個(gè)氣候、土壤等生態(tài)因子數(shù)據(jù)，利用Maxent模型及Gis制圖軟件，探索華東覆盆子潛在分布，并進(jìn)行生態(tài)適宜性區(qū)劃研究，為我國(guó)華東覆盆子的生態(tài)種植研究及栽培布局提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣儀器

HOLUX·m-241軌跡記錄儀，佳能單反相機(jī)。利用軌跡記錄儀記錄調(diào)查軌跡，將單反相機(jī)時(shí)間調(diào)節(jié)到與軌跡記錄儀一致，利用單反相機(jī)所拍攝華東覆盆子照片與調(diào)查軌跡按照時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)匹配，獲取拍攝照片位置經(jīng)緯度信息。

1.2 分布位點(diǎn)信息

通過(guò)實(shí)地調(diào)查和查閱中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館(CVH)等方式共獲取華東覆盆子分布位點(diǎn)信息147個(gè)，其中98個(gè)來(lái)源于第四次全國(guó)中藥資源普查實(shí)地調(diào)查所收集位點(diǎn)信息，其余49個(gè)源于CVH收錄的華東覆盆子標(biāo)本記錄位置信息。其中無(wú)經(jīng)緯度坐標(biāo)記錄的分布位置以最小可查的地名為準(zhǔn)，利用Google地圖查詢獲取其經(jīng)緯度信息。所收集分布位點(diǎn)樣本主要分布于安徽、浙江、江蘇、江西、福建、湖南(見(jiàn)圖1)，將位點(diǎn)信息輸入Excel表格進(jìn)行整理，并根據(jù)Maxent軟件(3.3.3k)要求，將位點(diǎn)樣本按name(物種名)、long(經(jīng)度)、late(緯度)三列存儲(chǔ)為csv格式文件備用。

注：審圖號(hào)為GS(2019)3832號(hào)。圖1 華東覆盆子樣本分布位點(diǎn)

1.3 生態(tài)因子數(shù)據(jù)來(lái)源

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)”，共55個(gè)生態(tài)因子，包含43個(gè)氣候類型數(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，分辨率為1 km)，8個(gè)土壤類型數(shù)據(jù)(土壤pH、土壤陽(yáng)離子交換能力、土壤含沙量、土壤含黏土量、土壤亞類-sym90、土壤有效水含量等級(jí)、土壤質(zhì)地分類、土壤有機(jī)碳含量)，3個(gè)地形數(shù)據(jù)為高程(altitude)、坡度(slope)、坡向(aspect)，1個(gè)植被類型數(shù)據(jù)。生態(tài)因子數(shù)據(jù)均為.asc格式。

1.4 Maxent軟件參數(shù)設(shè)置及精度評(píng)價(jià)

將位點(diǎn)信息及生態(tài)因子數(shù)據(jù)導(dǎo)入Maxent軟件，將隨機(jī)測(cè)試比例設(shè)置為20%，其余位點(diǎn)信息作為訓(xùn)練集用于建模，運(yùn)算最大迭代次數(shù)設(shè)為106，使用刀切法(Jackknife)檢測(cè)變量權(quán)重，打開(kāi)響應(yīng)曲線，設(shè)置受試者工作曲線(receive operating characteristic，ROC曲線)及曲線下面積(AUC值)來(lái)評(píng)價(jià)生態(tài)適宜性分析模型預(yù)測(cè)結(jié)果的精度，其余參數(shù)為軟件默認(rèn)值。

1.5 生態(tài)因子篩選方法

將處理后的華東覆盆子分布信息及生態(tài)因子數(shù)據(jù)導(dǎo)入Maxent模型軟件進(jìn)行迭代運(yùn)算，按照1.4方法設(shè)置軟件，第一次運(yùn)算結(jié)束后，查看運(yùn)算生成的HTML文件信息，對(duì)變量分析表中貢獻(xiàn)率為0的生態(tài)因子予以舍去，再進(jìn)行下一次運(yùn)算，經(jīng)多次運(yùn)算篩除至所有參與運(yùn)算的生態(tài)因子均有貢獻(xiàn)，其中貢獻(xiàn)率大、權(quán)重高的為影響華東覆盆子生態(tài)適宜性的主要生態(tài)因子[8]。

1.6 生態(tài)適宜區(qū)劃分方法

取經(jīng)1.5方法確定的生態(tài)因子數(shù)據(jù)加載至Maxent模型軟件分別運(yùn)算10次，選取精度最大的一組運(yùn)算結(jié)果加載至Gis制圖軟件中，將文件轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)格式，同時(shí)導(dǎo)入中國(guó)行政區(qū)域地圖，得到華東覆盆子生長(zhǎng)適宜度圖。在得到的適宜度圖上根據(jù)樣本分布位點(diǎn)提取生長(zhǎng)適宜度，以提取值中的最小值作為華東覆盆子適宜生長(zhǎng)和不適宜生長(zhǎng)的分界線。對(duì)于適宜生長(zhǎng)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“次適宜區(qū)”和“最適宜區(qū)”，既[0，最小值]為不適宜區(qū)，[最小值，μ+σ]為此適宜區(qū)，[μ+σ，1]為最適宜區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型精確度評(píng)價(jià)

本研究模型預(yù)測(cè)結(jié)果精度評(píng)價(jià)采用ROC曲線分析法，以AUC值為指標(biāo)，其不受閾值影響，大小可作為模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的衡量指標(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。指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：0.5～0.6為預(yù)測(cè)失敗，0.6～0.7預(yù)測(cè)結(jié)果較差，0.7～0.8為預(yù)測(cè)結(jié)果一般，0.8～0.9為預(yù)測(cè)結(jié)果好，0.9～1.0表明預(yù)測(cè)結(jié)果非常好，可以準(zhǔn)確反應(yīng)所預(yù)測(cè)的物種的潛在適生區(qū)[15]。通過(guò)Maxent模型軟件運(yùn)算預(yù)測(cè)，華東覆盆子ROC曲線(見(jiàn)圖2)訓(xùn)練集AUC值為0.993，測(cè)試集AUC值為0.993，表明Maxent模型運(yùn)算預(yù)測(cè)效果非常好，預(yù)測(cè)得出的華東覆盆子生態(tài)適宜度具有較高的準(zhǔn)確度和可信度。

圖2 華東覆盆子生態(tài)適宜度預(yù)測(cè)ROC曲線

2.2 主導(dǎo)生態(tài)因子篩選

按照1.5方法經(jīng)Maxent模型軟件7次運(yùn)算后，55個(gè)生態(tài)因子中，18個(gè)貢獻(xiàn)率大于0，將其加載至Maxent模型進(jìn)行運(yùn)算，選取效果較好、精度最高的一次作為研究結(jié)果，其生態(tài)因子刀切圖見(jiàn)圖3。由刀切圖可以看出最干月降水、最干季節(jié)降水量、1月及11月降水量、溫度季節(jié)性變化的標(biāo)準(zhǔn)差、4月平均氣溫、9月降水量7個(gè)生態(tài)因子對(duì)分布預(yù)測(cè)結(jié)果貢獻(xiàn)率較高，其生態(tài)因子貢獻(xiàn)率及排列重要性見(jiàn)表1，前7個(gè)生態(tài)因子總貢獻(xiàn)率達(dá)91.3%，是影響華東覆盆子分布適宜度的主導(dǎo)生態(tài)因子。7個(gè)主導(dǎo)生態(tài)因子均為氣候類型因子，其中5個(gè)與降水量有關(guān)，兩個(gè)與氣溫有關(guān)，表明氣候環(huán)境對(duì)華東覆盆子的整體分布范圍具有主導(dǎo)作用，植被類型、土壤類型、坡度、坡向等生長(zhǎng)環(huán)境變量也對(duì)華東覆盆子的生長(zhǎng)有一定的影響，但對(duì)華東覆盆子整體分布范圍影響較小。

華東覆盆子最干月降水的適宜值為38～70 mm，最干季降水適宜值為140～200 mm，1月降水最適宜量為50～100 mm，11月最適宜降水量為50～80 mm，且隨著11月降水超過(guò)80 mm，其對(duì)適宜度降低的影響變??；溫度季節(jié)性變化的標(biāo)準(zhǔn)差在55～90較適宜，4月平均氣溫適宜值為10～22 ℃，9月降水量適宜值為100～300 mm。

圖3 Maxent模型預(yù)測(cè)生態(tài)因子刀切圖

生態(tài)因子變量變量縮寫貢獻(xiàn)率/%排列重要性最干月降水量bio1430.91.6最干季降水量bio1721.42.41月降水量prec112.35.911月降水量prec119.60.5溫度季節(jié)性變化的標(biāo)準(zhǔn)差bio46.342.04月平均氣溫tmean45.717.39月降水量prec95.16.07月降水量prec72.603月降水量prec31.41.8坡度slope1.29.34月降水量prec40.73.2土壤類型soiltype0.70.85月平均氣溫tmean50.60年均溫變化范圍bio150.51.5植被類型zblx0.30.7坡向aspect0.30.48月平均氣溫tmean80.35.66月降水量prec60.11.0

2.3 生態(tài)適宜性區(qū)劃

按1.6方法對(duì)華東覆盆子生態(tài)適宜度進(jìn)行運(yùn)算，將最終Maxent模型軟件運(yùn)算結(jié)果加載到Gis制圖軟件中，并根據(jù)所設(shè)閾值進(jìn)行重分類，[0，0.055 482]為不適宜區(qū)，[0.055 482，0.682 963]為此適宜區(qū)，[0.682 963，1]為最適宜區(qū)，制圖得到華東覆盆子生態(tài)適宜性區(qū)劃圖(見(jiàn)圖4)。由圖可知華東覆盆子集中分布區(qū)位于華東地區(qū)長(zhǎng)江以南的安徽南部、浙江、福建北部、江西東北部及江蘇西南部小部分地區(qū)，預(yù)測(cè)結(jié)果顯示安徽西部大別山山區(qū)、湖北東南部、湖南北部及東南部、江西西部、廣東北部、廣西東北部及臺(tái)灣中部生態(tài)環(huán)境也適合華東覆盆子分布，為其次適宜分布區(qū)。華東覆盆子生長(zhǎng)最適宜區(qū)主要集中在安徽皖南山區(qū)黃山山脈至浙江西部天目山一帶、浙江東部山區(qū)、福建北部武夷山一帶、江西東北部山區(qū)、江蘇西南部部分地區(qū)。

注：審圖號(hào)為GS(2019)3832號(hào)。圖4 華東覆盆子生態(tài)適宜性分布

3 結(jié)論與討論

本研究以實(shí)地調(diào)查華東覆盆子分布信息及網(wǎng)絡(luò)查詢分布信息為基礎(chǔ)，利用Maxent模型預(yù)測(cè)其在我國(guó)的生態(tài)適宜性分布，本研究預(yù)測(cè)結(jié)果用ROC曲線分析法進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，所得AUC值在0.9以上，接近1，表明模型預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，可信度高。

在全國(guó)尺度下進(jìn)行華東覆盆子生態(tài)適宜性分布預(yù)測(cè)，通過(guò)對(duì)55個(gè)生態(tài)因子的篩選，發(fā)現(xiàn)全國(guó)尺度下對(duì)華東覆盆子的整體分布起主導(dǎo)作用的為氣候因子，即降水和氣溫，且最干月、最干季降水量對(duì)其分布影響權(quán)重較高；而全國(guó)區(qū)劃尺度下植被類型、土壤類型、坡度、坡向等生長(zhǎng)環(huán)境指標(biāo)對(duì)華東覆盆子分布影響較小。這可能與研究尺度的選擇有關(guān)，若研究其生態(tài)種植條件的選擇等問(wèn)題，可根據(jù)生態(tài)適宜性區(qū)劃結(jié)果縮小研究尺度，探索華東覆盆子的生態(tài)種植在選地、選擇伴生植物等方面的具體指標(biāo)。

張珂等[16]對(duì)安徽懸鉤子屬藥用植物的分布與生態(tài)特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)懸鉤子屬藥用植物的分布，與溫度、水分、光照、海拔等環(huán)境因子均有關(guān)系。最干季降水量對(duì)華東覆盆子分布影響權(quán)重較高，表明華東覆盆子的分布與降水量關(guān)系密切。華東覆盆子野外分布多為亞熱帶地區(qū)，中國(guó)的亞熱帶地區(qū)為大陸東岸型，即季風(fēng)型氣候，夏季濕熱，冬季干冷，最干季即冬季。這段時(shí)間華東覆盆子主要以越冬芽渡過(guò)休眠期。據(jù)張珂等觀察研究，華東覆盆子越冬芽為混合芽，開(kāi)花前一年初秋便開(kāi)始花芽分化，并完成雌雄蕊分化。冬季植物體休眠時(shí)，芽?jī)?nèi)雄蕊細(xì)胞仍處快速生長(zhǎng)分裂狀態(tài)。通過(guò)對(duì)冬季越冬芽?jī)?nèi)雌雄蕊發(fā)育的觀察，發(fā)現(xiàn)植物正處于快速發(fā)育期，分生細(xì)胞明顯。3月中上旬葉即初展，花苞伸出，進(jìn)入花蕾期[17]。而冬季水分不足，是否會(huì)直接影響其雌雄蕊發(fā)育，以致影響華東覆盆子的分布、產(chǎn)量及品質(zhì)，尚待進(jìn)一步研究。

利用Maxent模型對(duì)華東覆盆子分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示華東覆盆子主要分布在安徽、浙江、福建、江西、湖南、江蘇、廣西、廣東等地[1]，與《中國(guó)植物志》記載基本一致，說(shuō)明預(yù)測(cè)結(jié)果較合理。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)安徽長(zhǎng)江以北大別山區(qū)、湖北等地也可能是華東覆盆子的潛在分布區(qū)，而根據(jù)第四次全國(guó)中藥資源普查安徽省普查隊(duì)實(shí)地調(diào)查情況，安徽省長(zhǎng)江以北大別山區(qū)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)華東覆盆子的野生分布，故預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際分布范圍存在差異。而根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，可繼續(xù)探索華東覆盆子在大別山區(qū)等潛在分布區(qū)的栽培條件，以適當(dāng)?shù)娜藶楦深A(yù)擴(kuò)大華東覆盆子栽培區(qū)域，為華東覆盆子相關(guān)商品開(kāi)發(fā)提供更多的栽培資源。模型預(yù)測(cè)顯示，臺(tái)灣中部有華東覆盆子的生態(tài)適宜區(qū)，且有小部分地區(qū)為最適宜區(qū)，可探索在臺(tái)灣中部部分地區(qū)發(fā)展華東覆盆子栽培，對(duì)當(dāng)?shù)刂兴幃a(chǎn)業(yè)發(fā)展具有一定的推動(dòng)作用。

對(duì)華東盆子進(jìn)行生態(tài)適宜性區(qū)劃，結(jié)果顯示華東覆盆子最適宜分布區(qū)為安徽皖南山區(qū)、浙江西部天目山山脈、浙江東部山區(qū)、福建北部武夷山一帶、江西東北部山區(qū)、江蘇西南部個(gè)別地區(qū)，研究結(jié)果對(duì)華東覆盆子的道地藥材生產(chǎn)布局及生態(tài)種植研究具有一定的指導(dǎo)意義。