基于MaxEnt和ArcGIS的中藥車前子生態(tài)適宜性區(qū)劃研究

陳博，曹后康，呂蓉，王莉，成希，晉玲，2

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.中（藏）藥資源研究所，甘肅 蘭州 730000

車前子為車前科植物車前Plantago asiaticaL.或平車前Plantago depressaWilld.的干燥成熟種子。具有清熱、利尿通淋、滲濕止瀉、明目、祛痰等功效，用于治療熱淋澀痛、水腫脹滿、暑濕泄瀉、目赤腫痛、痰熱咳嗽等癥[1]。由于市場需求較大，為保證車前子的品質(zhì)，選擇適宜地區(qū)進(jìn)行人工栽培是目前行之有效的方法。

最大熵（MaxEnt）模型可根據(jù)物種已知的分布數(shù)據(jù)和環(huán)境變量判斷其生態(tài)需求，并以此進(jìn)行該物種的分布預(yù)測，結(jié)合地理信息系統(tǒng)ArcGIS分析技術(shù)，可對物種的潛在分布進(jìn)行預(yù)測，已廣泛應(yīng)用于中藥相關(guān)領(lǐng)域[2]。本研究通過查閱資料及實(shí)地采樣，收集車前和平車前樣點(diǎn)信息，結(jié)合環(huán)境因子數(shù)據(jù)，采用MaxEnt模型預(yù)測車前和平車前生態(tài)適宜分布區(qū)，并利用ArcGIS軟件將其展示出來，以期為優(yōu)質(zhì)中藥車前子人工栽培選地提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 車前和平車前樣點(diǎn)分布數(shù)據(jù)

通過自采及查閱中國數(shù)字植物標(biāo)本館（http://www.cvh.ac.cn），收集車前和平車前樣點(diǎn)信息，其中車前325個(gè)、平車前255個(gè)，記錄其經(jīng)緯度、海拔等分布信息，樣點(diǎn)分布詳見圖1。

圖1 車前和平車前樣點(diǎn)分布

1.2 生態(tài)因子數(shù)據(jù)

本研究使用來源于“中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫”（http://www.tcm-resources.com/）的55個(gè)生態(tài)因子數(shù)據(jù)（降水、溫度、植被類型、土壤亞類），選取適應(yīng)車前和平車前生長的所有生態(tài)因子數(shù)據(jù)。

1.3 最大熵模型參數(shù)設(shè)置與運(yùn)算

將車前和平車前樣點(diǎn)經(jīng)緯度信息導(dǎo)入MaxEnt3.4.0軟件，設(shè)置建模參數(shù)：隨機(jī)測試比例25%，最大迭代次數(shù)106，收斂門限0.000 5，其余值默認(rèn)。進(jìn)行迭代運(yùn)算，舍棄貢獻(xiàn)率為0的生態(tài)因子，得到各生態(tài)因子對車前和平車前生長貢獻(xiàn)率，依據(jù)響應(yīng)曲線得到主生態(tài)因子適宜范圍[3]。用受試者工作特征（ROC）曲線下面積（AUC）評(píng)價(jià)預(yù)測結(jié)果的精度，取值范圍0～1，若AUC＞0.9，表明此模型精確度較高。

1.4 生態(tài)適宜區(qū)劃分

將MaxEnt運(yùn)算結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS軟件，依據(jù)生態(tài)適宜度最小值及正態(tài)分布曲線的均值（μ）和均方差（δ），將車前和平車前生長區(qū)劃分為不適宜區(qū)、次適宜區(qū)和適宜區(qū)3個(gè)等級(jí)，并繪制車前和平車前生態(tài)適宜性區(qū)劃分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型預(yù)測精度

車前、平車前的ROC曲線訓(xùn)練數(shù)據(jù)集AUC分別為0.968、0.977，測試數(shù)據(jù)集AUC分別為0.927、0.940，均大于0.9，表明MaxEnt模型對預(yù)測車前和平車前的潛在分布準(zhǔn)確度和可信度都很高。車前、平車前潛在分布MaxEnt模型ROC曲線見圖2、圖3。

圖2 車前分布MaxEnt模型ROC曲線

圖3 平車前分布MaxEnt模型ROC曲線

2.2 主生態(tài)因子選擇

55個(gè)生態(tài)因子中，42個(gè)對車前生態(tài)適宜性有貢獻(xiàn)，18個(gè)為影響車前適宜性的主要生態(tài)因子，貢獻(xiàn)率總和為94.09%，車前主生態(tài)因子適宜值見表1；47個(gè)對平車前生態(tài)適宜性有貢獻(xiàn)，19個(gè)為影響平車前適宜性的主要生態(tài)因子，貢獻(xiàn)率總和為92.95%，平車前主生態(tài)因子適宜值見表2。降水量、坡度、溫度、海拔、植被類型、土壤亞類為影響車前和平車前生態(tài)適宜性的主要生態(tài)因子。

表1 車前主生態(tài)因子貢獻(xiàn)率及適宜值

表2 平車前主生態(tài)因子貢獻(xiàn)率及適宜值

2.3 生態(tài)適宜性區(qū)劃

車前生態(tài)適宜性區(qū)劃見表3、圖4。適宜區(qū)包括甘肅省南部邊緣、陜西南部、安徽南部、四川東部、重慶、湖北中西部、浙江、福建、貴州、湖南中南部、江西、廣西北部、廣東南部，次適宜區(qū)包括遼寧南部、河北北部和西部、北京、天津大部、山東、山西、河南南部、寧夏、江蘇中南部、安徽北部、甘肅中部、四川中部、西藏南部邊緣、廣西南部、廣東南部、臺(tái)灣中部。

圖4 車前生態(tài)適宜性區(qū)劃

表3 車前生態(tài)適宜性分布區(qū)

平車前主要生態(tài)適宜性區(qū)劃見圖5。適宜區(qū)包括吉林東部邊緣、遼寧東部、青海東北角、甘肅南部、寧夏南部、陜西大部、山西、河北北部、北京、山東南部、河南西部、四川中部、云南北部、安徽南部，次適宜區(qū)包括黑龍江中部、吉林中部、遼寧西部、內(nèi)蒙古中南部、西藏東南部、青海西北角、甘肅北部、寧夏北部、河北南部、天津北部、山東北部、河南東部、安徽大部、江蘇中西部、浙江中北部、福建中部、江西大部、湖北大部、重慶大部、云南中部、貴州北部、湖南中北部、廣西北部邊緣、廣東北部邊緣、臺(tái)灣西南邊緣。見表4。

圖5 平車前生態(tài)適宜性區(qū)劃

表4 平車前生態(tài)適宜性分布區(qū)

續(xù)表4

3 小結(jié)

本研究對580個(gè)車前子樣點(diǎn)進(jìn)行生態(tài)適宜性區(qū)劃研究，預(yù)測模型AUC均大于0.9，表明預(yù)測結(jié)果良好、可信度高，可為合理選擇種植區(qū)提供依據(jù)。

車前和平車前為耐寒、耐旱型植物，對土壤要求不嚴(yán)格，但更適宜溫暖、潮濕、向陽、沙質(zhì)沃土環(huán)境。車前生長海拔為0～3 687.5 m，平車前生長海拔為388～4 000 m，超出該環(huán)境范圍會(huì)影響植物營養(yǎng)吸收；3、4月份為發(fā)芽期，9、10月份為開花結(jié)果期，適宜的溫度、充足的降水量能保證植物獲取足夠的營養(yǎng)。有報(bào)道，車前種子重量與年均溫度及年降水量之間關(guān)系顯著，種子重量隨著年均溫度及年降水量的增加而增加[4]，與本研究結(jié)果一致。