基于MaxEnt和ArcGIS的定西市蒙古黃芪適宜性區(qū)劃研究

王莉 韋翡翡 成希 趙文龍 晉玲

中圖分類號(hào) R-l

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào) 1001-0408（2020）03-0321-04

DOI 10.6039/j.issn.1001-0408.2020.03.13

摘要 目的：對(duì)定西市蒙古黃芪進(jìn)行生態(tài)適宜性區(qū)劃研究。方法：以定西市1001批蒙古黃芪為考察樣本（以每個(gè)有蒙古黃芪栽培的自然村為采集單位進(jìn)行樣本采集），從定西市經(jīng)濟(jì)作物技術(shù)推廣站中獲取其經(jīng)、緯度信息，并從《中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫》中獲取其55項(xiàng)環(huán)境生態(tài)因子（包括氣候、地形、土壤等）信息。結(jié)合經(jīng)、緯度信息和環(huán)境生態(tài)因子信息，以75%樣本為訓(xùn)練集建立最大熵模型（MaxEnt模型），篩選出主要生態(tài)因子，并以另外25%樣本為驗(yàn)證集進(jìn)行模型驗(yàn)證。隨后，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)（Arc-GIS）對(duì)蒙古黃芪的適宜生長區(qū)進(jìn)行劃分。結(jié)果：建立的MaxEnt模型預(yù)測(cè)效果良好（訓(xùn)練集和驗(yàn)證集樣本受試者工作特征曲線下面積分別為0.970、0.968）。共篩選出海拔、降水量、溫度等8個(gè)主要生態(tài)因子（貢獻(xiàn)率總和為98.90%）;結(jié)合分析系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，海拔在1800～2650m、4月降水量在25～50mm、最冷月最低溫在-16～-8℃、最濕月降水量在95～110mm、溫度季節(jié)性變化標(biāo)準(zhǔn)差在70～80、12月平均氣溫在-6～-3℃、10月降水量在30～50mm、12月降水量在0～10mm為定西市蒙古黃芪適宜生長的環(huán)境參數(shù)。結(jié)合ArcGIS分析結(jié)果，在定西市境內(nèi)蒙古黃芪普遍適宜生長;在臨洮縣西北部、安定區(qū)北部、通渭縣南部、隴西縣南部少量地區(qū)、岷縣南部少量地區(qū)以及渭源縣、漳縣、岷縣交界處不適宜生長。結(jié)論：本研究建立的模型分析結(jié)果與實(shí)際考察符合，可為定西市蒙古黃芪的種植區(qū)域規(guī)劃提供參考。

關(guān)鍵詞 蒙古黃芪;定西市;適宜性區(qū)劃;地理信息系統(tǒng)

黃芪為蒙古黃芪[Astragalus membranaceus （Fisch.）Bge.var.mongholicus（Bge.） Hsiao]或莢膜黃芪[Astraga-lus membranaceus （Fisch.）Bge.]的干燥根，具有補(bǔ)氣升陽、固表止汗、利水消腫、生津養(yǎng)血、行滯通痹、托毒排膿、斂瘡生肌的功效[1-2]。黃芪是中國傳統(tǒng)中藥，也是中醫(yī)最常用中藥之一，首載于《神農(nóng)本草經(jīng)》，并列為上品?，F(xiàn)代藥理研究表明，黃芪具有抗腫瘤、抗氧化、保肝等作用，對(duì)免疫系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等均有保護(hù)作用[3-4]，特別是在治療糖尿病和心血管等疾病上有顯著療效[5-7]。

定西市位于甘肅中部，地處黃土高原、青藏高原和西秦嶺交匯地帶，通稱“隴中”，是古絲綢之路重鎮(zhèn)和新歐亞大陸橋必經(jīng)之地，也是甘肅省內(nèi)蒙古黃芪主產(chǎn)地之一。其轄下有安定區(qū)及通渭、隴西、渭源、臨洮、漳縣、岷縣等1區(qū)6縣，并且其中的隴西縣素有“中國黃芪之鄉(xiāng)”的美稱。目前，蒙古黃芪從種子萌發(fā)到高產(chǎn)的栽培種植都有成熟的技術(shù)支持，但膜莢黃芪栽培質(zhì)量不好、產(chǎn)量不高[8-11]，故現(xiàn)代栽培主要以蒙古黃芪為主。楊長花等[12]對(duì)4個(gè)主要黃芪產(chǎn)地的黃芪質(zhì)量進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，不同產(chǎn)地黃芪中有效成分含量有差異，其中以內(nèi)蒙古、甘肅等地產(chǎn)黃芪中有效成分含量較高。

最大熵模型（MaxEnt）可在最大熵原理的基礎(chǔ)上較為精確地推斷和預(yù)測(cè)不同物種的生態(tài)適宜區(qū)域[13]。地理信息系統(tǒng)（ArcGIS）利用的是生態(tài)學(xué)原理和數(shù)據(jù)分析，對(duì)物種的潛在分布區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)并將成果展示出來，在中藥相關(guān)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用[14-15]。故本研究利用MaxEnt和ArcGIS相結(jié)合的方式，對(duì)定西市蒙古黃芪的資源分布進(jìn)行整合，并對(duì)其進(jìn)行生態(tài)適宜區(qū)預(yù)測(cè)，為蒙古黃芪的合理種植提供理論支持。

l 儀器與信息來源

1.1 儀器

Rin0 530HCx型便攜式衛(wèi)星導(dǎo)航儀（北京佳明航電科技有限公司）。

1.2 樣本信息

蒙古黃芪樣本由定西市經(jīng)濟(jì)作物技術(shù)推廣站于2018年10月進(jìn)行批量采集（原則是以每個(gè)有蒙古黃芪栽培的自然村為采集單位進(jìn)行樣本采集），并利用便攜式衛(wèi)星導(dǎo)航儀記錄每個(gè)樣本的海拔和經(jīng)、緯度信息。共采集到1001個(gè)蒙古黃芪樣本，其中安定區(qū)34個(gè)、臨洮縣108個(gè)、隴西縣181個(gè)、岷縣346個(gè)、通渭縣35個(gè)、渭源縣219個(gè)、漳縣78個(gè)。所有樣本均由甘肅中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院晉玲教授鑒定為蒙古黃芪真品。

1.3 生態(tài)因子信息

從《中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫》中下載相關(guān)生態(tài)因子信息，共55項(xiàng)。其中氣候變量數(shù)據(jù)是根據(jù)我國氣象觀測(cè)站1950-2000年的氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)插值成空間分辨率為1kmxlkm的格網(wǎng)數(shù)據(jù);土壤類型數(shù)據(jù)采用FA0-90土壤分類系統(tǒng)，是根據(jù)第二次全國土壤調(diào)查《1：100萬中華人民共和國土壤圖》制成;植被類型數(shù)據(jù)來源于中科院植物所《1：100萬中華人民共和國植被圖》中的植被亞類數(shù)據(jù)[13]。

2 方法

2.1 MaxEnt模型參數(shù)及生態(tài)因子選擇

將采集到的1001個(gè)蒙古黃芪樣本的經(jīng)、緯度信息和生態(tài)因子數(shù)據(jù)添加到MaxEnt對(duì)應(yīng)的對(duì)話框中，按照要求設(shè)定參數(shù)，隨機(jī)選取75%的蒙古黃芪樣本數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，以另外25%的蒙古黃芪樣本數(shù)據(jù)作為測(cè)試集，設(shè)定最大迭代次數(shù)為106，其余采用模型的默認(rèn)選項(xiàng)。運(yùn)行程序，剔除結(jié)果中貢獻(xiàn)率為O的生態(tài)因子，并再次運(yùn)行程序，最終篩選出對(duì)蒙古黃芪生長有影響的生態(tài)因子。利用刀切法（反映不同生態(tài)因子在影響蒙古黃芪的生長適宜度中所占的權(quán)重）檢驗(yàn)權(quán)重，研究各生態(tài)因子對(duì)蒙古黃芪生長的貢獻(xiàn)率[16]。刀切圖結(jié)合MaxEnt預(yù)測(cè)結(jié)果綜合得出影響蒙古黃芪生長的生態(tài)因子。

2.2 模型精確性驗(yàn)證

受試者工作特征曲線（ROC曲線）分析法在物種潛在分布預(yù)測(cè)模型評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用，用ROC曲線下面積（AUC，其大小可作為預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確度的衡量指標(biāo)）進(jìn)行模型精確度預(yù)測(cè)[17]。AUC取值范圍為0.5～1，數(shù)值越接近1說明該預(yù)測(cè)的結(jié)果越好，其模型預(yù)測(cè)的結(jié)果就越準(zhǔn)確。當(dāng)AUC在0.6以下時(shí)，說明該模型預(yù)測(cè)失敗;當(dāng)AUC在0.6～0.9之間時(shí)，說明該模型預(yù)測(cè)結(jié)果一般;當(dāng)AUC在0.9以上時(shí)，說明該模型預(yù)測(cè)結(jié)果非常好。

2.3 定西市蒙古黃芪適宜區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)

利用ArcGIS軟件Arctoolbox模塊中的ConversionTools將MaxEnt軟件迭代運(yùn)行得到的最終結(jié)果轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，用“按掩膜提取”工具將定西市的預(yù)測(cè)結(jié)果從全國預(yù)測(cè)結(jié)果中提取出來。在提取結(jié)果的屬性表中計(jì)算得到最大值（max）、最小值（min）、平均值（μ）、標(biāo)準(zhǔn)差（σ）、平均值與標(biāo)準(zhǔn)差相加（μ+σ）、平均值與標(biāo)準(zhǔn)差相減（μ-σ）的值。以[0，μ-σ]為不適宜區(qū)，[μ-σ，μ]為次適宜區(qū)，[μ-σ，μ+σ]為適宜區(qū)，可得到其區(qū)劃等級(jí)分布。

3 結(jié)果

3.1 MaxEnt模型的預(yù)測(cè)結(jié)果分析

按上述方法建立MaxEnt模型重復(fù)運(yùn)行5次后，得到的訓(xùn)練集樣本的AUC為0.970，測(cè)試集樣本的AUC為0.968，表明MaxEnt模型對(duì)定西市蒙古黃芪生態(tài)適宜區(qū)的預(yù)測(cè)效果良好。刀切圖中顯示，有16個(gè)生態(tài)因子貢獻(xiàn)率不為O，對(duì)蒙古黃芪生長有影響見圖1（只變量：生態(tài)因子;不變量：生長適宜度;全部變量：有貢獻(xiàn)率的生長因子）。定西市蒙古黃芪ROC曲線見圖2。

3.2 主要生態(tài)因子的確定

生態(tài)因子貢獻(xiàn)率大小會(huì)影響物種分布，本次參與模型建立的生態(tài)因子有55個(gè)，MaxEnt運(yùn)行結(jié)束后，有16個(gè)生態(tài)因子貢獻(xiàn)率不為O。其中8個(gè)生態(tài)因子的貢獻(xiàn)率總和占比達(dá)到98.90%，包括海拔（38.07%）、4月降水量（32.58%）、最冷月最低溫（6.03%）、最濕月降水量（5.79%）、溫度季節(jié)性變化標(biāo)準(zhǔn)差（5.71%）、12月平均氣溫（4.79%）、10月降水量（3.50%）、12月降水量（2.43%），為蒙古黃芪適宜區(qū)的主要影響生態(tài)因子。上述生態(tài)因子對(duì)蒙古黃芪生長影響的適宜范圍分別為海拔1800～2650m、4月降水量25～50mm、最冷月最低溫-16～-8℃、最濕月降水量95～110mm、溫度季節(jié)性變化標(biāo)準(zhǔn)差70～80、12月平均氣溫-6～-3℃、10月降水量30～50mm、12月降水量0～10mm。影響定西市蒙古黃芪的8種主要生態(tài)因子響應(yīng)圖見圖3。

3.3 定西市蒙古黃芪適宜區(qū)域劃分

對(duì)定西市蒙古黃芪生態(tài)適宜區(qū)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)后將區(qū)劃等級(jí)劃分為3類：以黃芪采樣點(diǎn)生境適宜度值O～0.42為不適宜區(qū)，0.42～0.50為次適宜區(qū)，0.50--0.58為適宜區(qū)。結(jié)果顯示，蒙古黃芪在定西市普遍適宜生長，在臨洮縣西北部、安定區(qū)北部、通渭縣南部、隴西縣南部少量地區(qū)、岷縣南部少量地區(qū)以及渭源縣、漳縣、岷縣交界處為蒙古黃芪不適宜區(qū)，具體分布見表1。

4 討論

通過MaxEnt運(yùn)算，此次模型的AUC大于0.9，可信度高。在55個(gè)生態(tài)因子中運(yùn)算得到16個(gè)貢獻(xiàn)率不為O的生態(tài)因子，并篩選對(duì)模擬結(jié)果影響較大的8個(gè)生態(tài)因子，分別是海拔（38.07%）>4月降水量（32.58%）>最冷月最低溫（6.03%）>最濕月降水量（5.79%）>溫度季節(jié)性變化標(biāo)準(zhǔn)差（5.71%）>12月平均氣溫（4.79%）>10月降水量（3.50%）>12月降水量（2.43%），累積貢獻(xiàn)率達(dá)98.90%。結(jié)合已知蒙古黃芪生長所需條件發(fā)現(xiàn)，海拔對(duì)蒙古黃芪生長影響最大，需要保障在1800～2650m;在4月蒙古黃芪長苗期、最濕月（即花果期）以及10、12月地上部分枯萎時(shí)期需要較多水分，而在12月、最冷月需要提供適宜溫度以使其正常發(fā)育。這與實(shí)際調(diào)查的蒙古黃芪生長所需條件相吻合。

定西市臨洮縣西北部（紅旗鄉(xiāng)大部、中鋪鎮(zhèn)西南部、太石鎮(zhèn)西部、辛店鎮(zhèn)西部及東北部、新添鎮(zhèn)西部、上營鄉(xiāng)北部），安定區(qū)北部（門碌鄉(xiāng)、石峽溝鄉(xiāng)、魯家溝鎮(zhèn)交界處大部），通渭縣南部（常家河鎮(zhèn)中部至南部、李家店中部至南部、襄南鄉(xiāng)南部、碧玉鄉(xiāng)中部至南部少量地區(qū)、雞川鎮(zhèn)南部、隴川鄉(xiāng)北部），隴西縣南部少量地區(qū)（文峰鎮(zhèn)中南部至鞏昌鎮(zhèn)交界處），渭源縣南部少量地區(qū)（峽城鄉(xiāng)南部、會(huì)川鎮(zhèn)南部與五竹鎮(zhèn)交界處），漳縣西北部和東部少量地區(qū)（金鐘鎮(zhèn)西部、南部和殪虎橋鄉(xiāng)、大草灘鄉(xiāng)交界處、武陽鎮(zhèn)南部、武當(dāng)鄉(xiāng)南部、新寺鎮(zhèn)北部），岷縣南部少量地區(qū)（秦許鄉(xiāng)西部至中部、寺溝鄉(xiāng)南部至中部、麻于川鄉(xiāng)南部至中部、茶埠鎮(zhèn)西南部、寺溝鄉(xiāng)、禾馱鄉(xiāng)交界處、禾馱鄉(xiāng)南部和申都鄉(xiāng)交界處、申都鄉(xiāng)南部、閭井鎮(zhèn)南部至鎖龍鄉(xiāng)交界處、鎖龍鄉(xiāng)南部與馬塢鄉(xiāng)交界處）為蒙古黃芪的不適宜區(qū)，主要是由于該地區(qū)內(nèi)有高山，海拔過高不適宜蒙古黃芪生長。臨洮縣西北部（紅旗鄉(xiāng)東部、中鋪鎮(zhèn)大部、太石鎮(zhèn)中部、辛店鎮(zhèn)中部、新添鎮(zhèn)大部、八里鋪鎮(zhèn)與洮陽鎮(zhèn)交界處），安定區(qū)大部（除內(nèi)官鎮(zhèn)、香泉鎮(zhèn)、高峰鄉(xiāng)），隴西縣中部少量地區(qū)（鞏昌鎮(zhèn)、和平縣、云田鄉(xiāng)、渭陽鄉(xiāng)、首陽鎮(zhèn)東部、永吉鄉(xiāng)北部），通渭縣大部（除華家?guī)X鄉(xiāng)、北城鋪鄉(xiāng)大部、隴陽東西部、隴山東西部、馬營鎮(zhèn)南北部、什川鄉(xiāng)南北部、第三鋪鄉(xiāng)北部、榜羅鎮(zhèn)中西部），岷縣東部少量地區(qū)（鎖龍鄉(xiāng)北面、馬塢鄉(xiāng)和閭井鎮(zhèn)交界處）為蒙古黃芪次適宜區(qū)，其他地區(qū)都適宜蒙古黃芪生長。隴西縣大部分地區(qū)都為蒙古黃芪適宜生長區(qū)，這也與其實(shí)際地理考證相吻合。

綜上，蒙古黃芪在定西大部分地區(qū)適宜種植，適宜區(qū)研究可為提升當(dāng)?shù)刂兴幉漠a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人工種植栽培以及可持續(xù)利用研究提供依據(jù)。本研究可為后期定西市各縣（區(qū)）蒙古黃芪質(zhì)量評(píng)價(jià)及其品質(zhì)區(qū)劃研究提供基礎(chǔ)。

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