京大戟生態(tài)適宜性區(qū)劃研究

裴蘇婷，張虹，2，章鵬飛，潘雅楠，劉守金，2

1.安徽中醫(yī)藥大學藥學院，安徽 合肥 230012； 2.安徽省中醫(yī)藥科學院中藥資源保護與開發(fā)研究所，安徽 合肥 230012

京大戟為大戟科Euphorbiaceae植物大戟Euphorbia pekinensisRupr.的干燥根，具有逐飲通便、通經瀉水、消腫散結功效，主要用于治療痰飲積聚、水腫脹滿等[1]。由于野生京大戟資源無法滿足不斷增長的市場需求，因此選擇合適的區(qū)域進行人工種植是緩解市場供需矛盾、保證京大戟藥材供應的重要途徑。筆者基于已知京大戟分布位置及生態(tài)因子數據，采用最大熵（MaxEnt）模型預測京大戟生態(tài)適宜分布區(qū)域，并使用地理信息系統(tǒng)（GIS）結合生態(tài)學原理研究京大戟的潛在分布[2]，為推廣人工大規(guī)模撫育京大戟提供依據，同時也為野生京大戟資源可持續(xù)利用提供保障。

1 材料與方法

1.1 樣本分布信息

利用中國數字植物標本館（CVH）收集的京大戟標本地點信息，除去具有相似經度和緯度的分布點，無緯度和經度坐標的分布點則以最小可查行政單位為準，得到347份京大戟分布信息（見圖1）。

圖1 京大戟樣本

1.2 生態(tài)因子數據及相關地理信息數據

使用“中藥資源空間信息網格數據庫”（http∶// www.tcm-resources.com/）中全部生態(tài)因子數據共55個，包括氣候類型、土壤類型、地形和植被類型4類。在國家地理信息系統(tǒng)網站（http∶//nfgis.nsdi.gov.cn/）下載安徽省中醫(yī)藥科學院中藥資源保護與開發(fā)研究所采用的1∶4 000 000中國地圖及中國行政區(qū)劃圖。

1.3 最大熵模型參數設置

京大戟分布信息保存為.csv格式，導入MaxEnt3.3.3軟件并添加55個生態(tài)因子數據。隨機測試比例設為25%，最大迭代次數為106，設置ROC評價曲線下面積（AUC）為衡量模型準確度指標。

1.4 精確度預測

AUC取值范圍為[0.5，1]，值越大則模型預測精確度越高，若AUC＞0.9則表明預測結果非常好，可以準確預測物種的潛在分布區(qū)域。

1.5 生態(tài)因子篩選

按“1.3”項下設置MaxEnt模型參數，結果以Logistic格式輸出，進行11次運算，每次舍去計算結果中貢獻度為0的生態(tài)因子，得到結果中具有貢獻率的生態(tài)因子。

1.6 全國范圍內生態(tài)適宜性區(qū)劃劃分

將MaxEnt模型導出的結果轉換為柵格數據以用于ArcGIS10.2軟件分析，提取京大戟潛在的合適分布區(qū)域圖，重分類生成的柵格數據，并遵循適生指數P值將京大戟適宜性等級分為四類，即非適生區(qū)P＜0.05，低度適生區(qū)0.05≤P＜0.25，中度適生區(qū)0.25≤P＜0.5，高度適生區(qū)P≥0.5[3]。

2 結果與分析

2.1 模型精確度評價

運算MaxEnt模型可得京大戟潛在分布預測ROC曲線（見圖2），京大戟訓練數據集AUC＝0.962，測試數據集AUC＝0.931，由此顯示MaxEnt模型運算預測京大戟潛在分布效果非常好，且具備很高可信度和準確度。

圖2 京大戟潛在分布預測ROC曲線

2.2 主導環(huán)境因子權重

運算11次MaxEnt模型后得到25個生態(tài)因子，結合生態(tài)因子刀切圖分析，由于具有強相關性的生態(tài)因子易導致過度擬合[4]，移除后結果表明bio12（27.9%）、bio1（16.8%）、prec11（10.8%）、soiltype（7.5%）、bio5（5.9%）、zblx（5.5%）6個生態(tài)因子的累積貢獻達到74.4%，表明影響京大戟適宜性的主要生態(tài)因子為年均降水量、年平均氣溫、11月降水量、土壤類型、最暖月最高溫、植被類型。見圖3、表1。

圖3 京大戟潛在分布生態(tài)因子刀切圖

表1 影響京大戟適宜性生態(tài)因子貢獻率

2.3 全國生態(tài)適宜性區(qū)劃

按照“1.5”項下方法對進行分析，得到京大戟生態(tài)適宜性區(qū)劃分布圖。紅色部分代表京大戟高度適生區(qū)，黃色部分代表中度適生區(qū)，綠色部分代表低度適生區(qū)，白色部分代表非適生區(qū)。從生態(tài)適宜性區(qū)劃圖可知，京大戟在全國范圍內潛在分布地區(qū)廣泛，最適宜生長的區(qū)域主要集中在北京市、河北省東部、山東省中部及沿海地區(qū)、山西省中南部、陜西省中南部、甘肅省西南部、云南省東南部、河南省西部、湖北省北部、安徽省東部、廣西壯族自治區(qū)東北部等地區(qū)，中度適宜分布地區(qū)為遼寧省西部及南部沿海地區(qū)、陜西省中部、甘肅省東南部、貴州省除西南角大部分地區(qū)、湖南省西部、湖北省西部、浙江省除中部大部分地區(qū)、安徽省南部等地區(qū)，低度適生區(qū)域主要為吉林省東部、陜西省東部、寧夏回族自治區(qū)南部、四川省西部、云南省中東部、廣西壯族自治區(qū)北部、貴州省西南部、重慶市、湖北省西南部、江西省中部、福建省中南部、廣東省除西北角大部分地區(qū)、青海省中部、新疆西北部零星區(qū)域、西藏東南部、臺灣西部等地區(qū)，非適生區(qū)主要為黑龍江省北部、吉林省北部、內蒙古自治區(qū)、甘肅省南部、青海省除中部大部分地區(qū)、西藏除東南角大部分地區(qū)、新疆除西北部大部分地區(qū)及海南省等地區(qū)。見圖4。

圖4 我國京大戟生態(tài)適宜性區(qū)劃分布

3 討論

基于京大戟的自然分布信息和55個生態(tài)因子，本研究采用MaxEnt模型預測其在國內的生態(tài)適宜性分布區(qū)域，結果顯示訓練集的AUC為0.962，測試集的AUC為0.931，表明該模型預測的適宜京大戟生長分布區(qū)域非常好且結果可靠。

影響京大戟分布的主要生態(tài)因子為年均降水量、年平均氣溫、11月降水量、土壤類型、最暖月最高溫、植被類型，其中降水量貢獻率總和為38.7%，可見預測京大戟能否在區(qū)域范圍內生長主要依據當地降水量。因此，可采用人工降雨或其他方法控制降雨，使京大戟的適宜區(qū)域達到非常適宜區(qū)域的標準。

模型預測結果經GIS制圖顯示，京大戟最適宜分布地區(qū)與文獻[1]所載主產區(qū)一致。除傳統(tǒng)分布區(qū)外，北京市、河北省東部，山東省中部及沿海地區(qū)、山西省中南部、陜西省中南部、甘肅省西南部、云南省東南部、河南省西部、湖北省北部、安徽省東部、廣西壯族自治區(qū)東北部等地區(qū)作為京大戟高度適生區(qū)，在最佳適宜地區(qū)進行人工栽培種植及野生資源養(yǎng)護，可以最大限度提高京大戟的產量，以促進區(qū)域內經濟增長。

本研究結果闡明了京大戟的適宜分布區(qū)和主要生態(tài)因子，為進一步開展京大戟產地的資源保護和野生栽培提供依據。當然，本研究僅基于野外標本采集信息預測生態(tài)適宜性區(qū)劃，藥材的質量還受多種因素影響，今后可對京大戟藥材進行品質區(qū)劃，以更好改善其藥材品質。