基于最大熵模型和地理信息系統(tǒng)地構(gòu)葉生態(tài)適宜性研究

呂蓉 韋翡翡 崔治家 晉玲

摘要：目的? 探討地構(gòu)葉在我國(guó)的生態(tài)適宜性區(qū)劃。方法? 利用最大熵模型和ArcGIS10.5軟件對(duì)實(shí)地調(diào)查的35個(gè)地構(gòu)葉分布信息數(shù)據(jù)、中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館獲取的172條地構(gòu)葉分布信息及55種生態(tài)因子數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析。結(jié)果? 調(diào)查顯示，影響地構(gòu)葉生長(zhǎng)的7個(gè)主要生態(tài)因子為11月降水量、3月溫度、9月降水量、溫度季節(jié)性變化標(biāo)準(zhǔn)差、土壤含黏土量最干季節(jié)降水量、最干季節(jié)均溫，甘肅東南部、陜西南部、山西南部、河北西南部、山東中部為地構(gòu)葉的主要分布區(qū)。結(jié)論? 應(yīng)用此方法研究地構(gòu)葉生態(tài)適宜性區(qū)劃具有較好的精確度和可信度，研究結(jié)果與實(shí)際分布相契合，可為地構(gòu)葉野生資源勘測(cè)和保護(hù)地區(qū)的選擇提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地構(gòu)葉;最大熵模型;生態(tài)因子;生態(tài)適宜性;地理信息系統(tǒng);知識(shí)服務(wù)

中圖分類號(hào)：R282.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-5304（2020）02-0001-03

DOI：10.3969/j.issn.1005-5304.201811334

Study on Ecology Suitability of Speranskia tuberculata Based on MaxEnt and GIS

LYU Rong1， WEI Feifei1， CUI Zhijia1， JIN Ling1，2

1. College of Pharmacy， Gansu University of Chinese Medicine， Lanzhou 730000， China;

2. Research Institute of Chinese （Tibetan） Medicinal Resources， Lanzhou 730000， China

Abstract： Objective To explore the ecological suitability of Speranskia tuberculata in China. Methods The maximum entropy model and ArcGIS10.5 software were used to analyze the 35 information data of Speranskia tuberculata in field survey， 172 information data obtained in Chinese Virtual Herbarium and 55 ecological factor data. Results The results showed that the seven main ecological factors affecting Speranskia tuberculata were the rainfall in November， the temperature in March， the rainfall in September， the seasonal variation of temperature， the clay content in the soil the rainfall in driest season， and the mean temperature in driest season. The southeastern part of Gansu， the southern part of Shaanxi， the southern part of Shanxi， the southwestern part of Hebei and central Shandong were the main distribution areas of Speranskia tuberculate. Conclusion The application of this method to study the ecological suitability zoning of Speranskia tuberculata has good precision and credibility. The research results are consistent with the actual distribution， which can provide references for the selection of protection areas and wild resources survey of Speranskia tuberculata.

Keywords： Speranskia tuberculata; maximum entropy model; ecological factors; ecological suitability; ArcGIS; knowledge service

地構(gòu)葉為大戟科Euphorbiaceae植物地構(gòu)葉屬植物地構(gòu)葉Speranskia tuberculata（Bunge）Bail.的干燥地上部分，具有祛風(fēng)除濕、活血止痛之功。其主產(chǎn)于山東、河南、江蘇，甘肅、山西、陜西等地亦產(chǎn)[1]。目前，現(xiàn)代學(xué)者已對(duì)地構(gòu)葉的化學(xué)成分及藥理作用進(jìn)行了探索研究[2]，但全國(guó)范圍的適宜生長(zhǎng)概況尚無(wú)相關(guān)研究?！?S技術(shù)”即全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感技術(shù)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS），是近些年常被應(yīng)用于物種分布和適宜性區(qū)域研究的技術(shù)，能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、評(píng)估產(chǎn)量、顯示地理分布，常常利用其中的GIS與傳統(tǒng)區(qū)分方法相結(jié)合，以研究資源區(qū)劃、農(nóng)業(yè)區(qū)劃、氣候區(qū)劃、災(zāi)害性區(qū)劃等問(wèn)題[3]。

中藥區(qū)劃是在中藥資源調(diào)查基礎(chǔ)上，通過(guò)相關(guān)軟件分析區(qū)域差異性及相似性，評(píng)價(jià)影響中藥資源開(kāi)發(fā)和中藥生產(chǎn)的自然規(guī)律及客觀經(jīng)濟(jì)規(guī)律，最終得出中藥資源與中藥生產(chǎn)的地域分布規(guī)律的一種方法。生態(tài)區(qū)劃作為中藥區(qū)劃的重要組成部分，在評(píng)價(jià)物種的適宜分布及生長(zhǎng)區(qū)時(shí)尤為重要。最大熵（MaxEnt）模型可通過(guò)分析物種經(jīng)緯度信息，計(jì)算得出物種分布MaxEnt，從而預(yù)測(cè)影響物種生長(zhǎng)的主要生態(tài)因子并判斷其主要生態(tài)分布地區(qū)。此模型已廣泛用于預(yù)測(cè)農(nóng)作物適宜區(qū)、評(píng)價(jià)動(dòng)物潛在生境、評(píng)估外來(lái)物種風(fēng)險(xiǎn)以及藥材生態(tài)適宜性研究[4-5]。

筆者應(yīng)用MaxEnt模型和ArcGIS10.5軟件進(jìn)行分析，尋找影響地構(gòu)葉生長(zhǎng)的主要生態(tài)因子，并繪制地構(gòu)葉在我國(guó)的生態(tài)適宜性分布圖，為地構(gòu)葉的資源開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 儀器

便攜式衛(wèi)星導(dǎo)航儀（GARMIN GPSMAP60CSX），北京佳明航電科技有限公司。

1.2? 數(shù)據(jù)來(lái)源

查閱《中國(guó)植物志》[6]，明確地構(gòu)葉的大致生長(zhǎng)環(huán)境及分布區(qū)域，于2017-2019年實(shí)地采集地構(gòu)葉樣本35個(gè)，記錄經(jīng)緯度、海拔和生境;查閱中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館（http：//ww.cvh.org.cn./cms），收集地構(gòu)葉經(jīng)緯度信息，未記錄經(jīng)緯度坐標(biāo)的分布點(diǎn)則以最小可查行政單位為準(zhǔn)。將地構(gòu)葉的采樣信息和環(huán)境數(shù)據(jù)按物種名、分布點(diǎn)經(jīng)緯度順序從Excle2016導(dǎo)出，按MaxEnt3.3.1軟件所需保存為.csv格式文件。

1.3? 地構(gòu)葉生長(zhǎng)分布預(yù)測(cè)

①生態(tài)因子數(shù)據(jù)的獲取。查閱“中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(kù)”（http：//www.tcm-resources.com/），得到MaxEnt3.3.1軟件導(dǎo)入的可能影響地構(gòu)葉生長(zhǎng)的55種生態(tài)因子數(shù)據(jù)。②MaxEnt模型參數(shù)設(shè)置。將.csv格式數(shù)據(jù)傳入MaxEnt3.3.1軟件，導(dǎo)入所有生態(tài)因子。設(shè)置模型參數(shù)：隨機(jī)測(cè)試比例為25%，其中75%數(shù)據(jù)用于建模，另25%數(shù)據(jù)用于模型驗(yàn)證。設(shè)置最大迭代次數(shù)為106，設(shè)置ROC評(píng)價(jià)曲線和刀切法（jackknife）檢驗(yàn)權(quán)重，其他參數(shù)為默認(rèn)值。③模型預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。通過(guò)觀察ROC曲線下面積（AUC值）AUC值評(píng)測(cè)模型精度。④生態(tài)因子篩選。將172份地構(gòu)葉分布信息及55個(gè)生態(tài)因子導(dǎo)入MaxEnt模型中進(jìn)行迭代運(yùn)算，挑選出運(yùn)算結(jié)果中貢獻(xiàn)率為0的生態(tài)因子，棄去，再次運(yùn)算，直至沒(méi)有貢獻(xiàn)率為0的生態(tài)因子出現(xiàn)，停止運(yùn)算。得到所有對(duì)地構(gòu)葉生長(zhǎng)具有貢獻(xiàn)率的生態(tài)因子。

1.4? 地構(gòu)葉在我國(guó)的生態(tài)適宜性區(qū)劃分析

將最后一次MaxEnt運(yùn)行結(jié)果中的.asc格式文件導(dǎo)入ArcGIS10.5軟件，利用柵格提取工具，將地構(gòu)葉分布信息轉(zhuǎn)化為柵格文件，導(dǎo)入我國(guó)行政區(qū)劃邊界圖，與柵格提取圖進(jìn)行疊加后裁剪，得到地構(gòu)葉在我國(guó)的區(qū)劃圖。在屬性表中找出判斷生態(tài)適宜度值的相關(guān)信息，包括生態(tài)適宜度最小值、正態(tài)分布曲線的均值（μ）、正態(tài)分布曲線的均方差（δ）等。參照IPCC（IP呼叫中心）報(bào)告有關(guān)評(píng)估可能性的劃分方法[7]，結(jié)合地構(gòu)葉的實(shí)際分布，利用ArcGIS10.5軟件中空間分析的重分類工具把地構(gòu)葉分為以下3個(gè)等級(jí)：以[0，最小值]為不適宜區(qū)，[最小值，μ-δ]為次適宜區(qū)，[μ-δ，1]為最適宜區(qū)對(duì)地構(gòu)葉所有區(qū)域進(jìn)行分類，得到地構(gòu)葉在我國(guó)生態(tài)適宜區(qū)化分布圖。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 樣本收集

本次研究共采集甘肅慶陽(yáng)、平?jīng)?、隴南，山東平邑、鄒城等地的地構(gòu)葉樣本35份;從中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館獲得的地構(gòu)葉分布信息共621條，得到有效數(shù)據(jù)172條?？偣彩占娇捎媒?jīng)緯度信息207個(gè)，將所有數(shù)據(jù)單位統(tǒng)一為“°”，用于之后軟件模型預(yù)測(cè)中。

2.2? 模型預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度以AUC值大小為衡量指標(biāo)，其取值范圍為0～1，AUC值大小與模型判斷能力強(qiáng)弱成正比。地構(gòu)葉MaxEnt模型ROC曲線訓(xùn)練數(shù)據(jù)集AUC=0.984，測(cè)試數(shù)據(jù)集AUC=0.954，均大于0.9，趨近于1，表明由MaxEnt模型運(yùn)算得出的地構(gòu)葉生境適宜度具有很高的準(zhǔn)確度和可信度。

2.3? 主要生態(tài)因子選擇

生態(tài)因子是藥用植物品質(zhì)形成的關(guān)鍵因子，環(huán)境因子的選取會(huì)影響模型精度預(yù)測(cè)。本次模型建立共55個(gè)生態(tài)因子，經(jīng)MaxEnt運(yùn)算后剔除貢獻(xiàn)率為0的生態(tài)因子，經(jīng)4次運(yùn)算后剩余44個(gè)具有貢獻(xiàn)率的生態(tài)因子，其中有34個(gè)氣候生態(tài)因子（總貢獻(xiàn)率為83.37%）、6個(gè)土壤因子（總貢獻(xiàn)率為10.91%）、3個(gè)地形因子（總貢獻(xiàn)率為4.12%）、1個(gè)植被類型因子（貢獻(xiàn)率為1.5975%），可見(jiàn)氣候?qū)Φ貥?gòu)葉的影響最大。其中包括7個(gè)主生態(tài)因子，總貢獻(xiàn)率為64.61%。每種生態(tài)因子貢獻(xiàn)率及適宜值范圍：11月降水量貢獻(xiàn)率最高，為18.04%，適宜值為18～38 mm;3月平均氣溫貢獻(xiàn)率13.80%，適宜值為4～6 ℃;9月降水量貢獻(xiàn)率10.55%，適宜值為175～220 mm;溫度季節(jié)性變化標(biāo)準(zhǔn)差貢獻(xiàn)率7.88%，適宜值為70～105 ℃;土壤含黏土量貢獻(xiàn)率5.64%，適宜值為9～15 cm;最干季節(jié)降雨量貢獻(xiàn)率4.5%，適宜值為23～35 mm;最干季節(jié)均溫貢獻(xiàn)率4.2%，適宜值為17～22 ℃。

2.4? 地構(gòu)葉在我國(guó)的生態(tài)適宜性區(qū)劃

地構(gòu)葉較高適宜度主要集中在甘肅東南部、陜西南部、山西南部、河北西南部、山東中部，與實(shí)際資源調(diào)查來(lái)源的地構(gòu)葉實(shí)際分布位置相一致。以圖1分布為依據(jù)，再參照實(shí)際情況及中國(guó)數(shù)字標(biāo)本館中近年的分布情況，得出地構(gòu)葉在我國(guó)最適宜生長(zhǎng)的具體地理分布。見(jiàn)圖1。

3? 討論

通過(guò)MaxEnt模型預(yù)測(cè)地構(gòu)葉的訓(xùn)練集和測(cè)試集的AUC值均大于0.9，表明該模型預(yù)測(cè)結(jié)果較好。55個(gè)生態(tài)因子運(yùn)行結(jié)果剩余44個(gè)具有貢獻(xiàn)率的因子。貢獻(xiàn)率最大的7個(gè)生態(tài)因子貢獻(xiàn)率排序?yàn)椋?1月降水量（18.04%）>3月平均氣溫（13.80%）>9月降水量（10.55%）>溫度季節(jié)性變化標(biāo)準(zhǔn)差（7.88%）>土壤含黏土量（5.64%）>最干季節(jié)降雨量（4.50%）>最干季節(jié)均溫（4.20%）。結(jié)果表明，地構(gòu)葉生長(zhǎng)適宜于年平均降水量相對(duì)少、黏土含量較高的地區(qū)，因9月為地構(gòu)葉果期，故此時(shí)對(duì)降水要求相對(duì)較高，從模型運(yùn)算結(jié)果看，地構(gòu)葉適宜生長(zhǎng)在季節(jié)交替較明顯的地區(qū)，與其實(shí)際生境相符。

關(guān)于地構(gòu)葉在我國(guó)的生態(tài)適宜性區(qū)劃分布，適宜區(qū)主要集中在甘肅東南部（慶陽(yáng)市合水縣、涇川縣、崇信縣，平?jīng)鍪徐`臺(tái)縣，隴南市文縣等）、陜西南部（臨潼區(qū)、靖邊縣、眉縣、澄城縣、安塞縣、綏德縣等）、山西南部（永濟(jì)市、晉城市、運(yùn)城市、柳林縣、五臺(tái)縣等）、河北西南部（獲鹿縣、內(nèi)丘縣、蔚縣、易縣、正定縣等）、山東中部（鄒城市、新泰市、臨沂市、濟(jì)南市、蓬萊市、平邑縣等）。研究所得分布區(qū)與《中國(guó)植物志》[6]中地構(gòu)葉的分布區(qū)域基本吻合。

地構(gòu)葉常年處于野生狀態(tài)，近些年隨著需求量增加，野生資源逐漸減少。希望通過(guò)本研究為地構(gòu)葉野生資源的收集、保護(hù)和栽培區(qū)域的選擇提供參考，此方法也可用于一些瀕危野生藥材的生態(tài)適宜性研究，基于研究結(jié)果實(shí)施適宜性區(qū)域種植及野生資源保護(hù)，以確保野生資源的可持續(xù)利用。

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（收稿日期：2018-11-17）

（修回日期：2019-09-18;編輯：梅智勝）

基金項(xiàng)目：中央本級(jí)重大增減支項(xiàng)目-名貴中藥資源可持續(xù)利用能力建設(shè)（2060302）;國(guó)家中醫(yī)藥管理局中藥飲片標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目（ZYBZH-Y-GS-10）;甘肅省地方藥材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提升研究（17ZD2FAOO9）

通訊作者：晉玲，E-mail：zyxyjl@163.com