基于GIS和MaxEnt的彌勒市林下三七仿野生種植適生區(qū)分析*

劉葵，黃萬斌，何夢鈴，帕太姆·亞森，歐光龍

(1.云南省彌勒市林業(yè)和草原局，云南 彌勒 652399；2.西南林業(yè)大學(xué) 西南地區(qū)生物多樣性保育國家林業(yè)局重點實驗室， 云南 昆明 650224)

林下經(jīng)濟是以林地資源為依托，充分利用林下土地資源和林陰空間，在林冠下開展農(nóng)、林、牧等多種項目的復(fù)合經(jīng)營。林-藥模式是林下經(jīng)濟的重要模式，利用林地種植中藥材，發(fā)展林下特色經(jīng)濟，不僅能提高土地利用率，還能推進林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，有效地增加山區(qū)村民的收入。中藥材林下仿野生栽培在促進中藥資源的可持續(xù)利用、改善生態(tài)環(huán)境和實現(xiàn)人與自然的和諧共處方面有著顯著優(yōu)勢，在中藥材生產(chǎn)中應(yīng)大力發(fā)展和推廣[1]。通過林下仿野生種植，可以為合理利用林下土地資源，實現(xiàn)森林復(fù)合經(jīng)營，提高中藥材產(chǎn)品品質(zhì)，以及解決在耕地緊張的情況下與農(nóng)爭地的問題提供很好的途徑[2]。三七(Panaxpseudoginsengvar.notoginseng)是云南地道藥材的典型代表，是許多著名中成藥的原料，如云南白藥、丹參滴丸、調(diào)經(jīng)養(yǎng)顏膠囊等[3-4]。開展三七的林下仿野生種植的適生區(qū)分析對于合理規(guī)劃三七種植，提升其產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量具有重要意義。

適生區(qū)分析對于中藥材種植具有重要意義。對生物適生區(qū)進行預(yù)測的物種分布模型有多種，如ENFA、MaxEnt、GARP、Domain、Bioclim等[5-6]。MaxEnt模型在大或小樣本數(shù)據(jù)下均能較好的預(yù)測物種分布，且預(yù)測精度高[7-10]，效果較好[7-8,11-15]，能夠較為準確地反映物種的潛在適生區(qū)[12-15]。并且隨著GIS等技術(shù)的發(fā)展，物種分布區(qū)的形狀、連續(xù)性等特征將被系統(tǒng)研究和高度關(guān)注，近年來國內(nèi)外使用GIS進行生態(tài)建模及生態(tài)位分析，取得了比較好的效果[5-6,12-15]。這些研究結(jié)果在大尺度上很好地揭示了物種分布的規(guī)律及其氣候主導(dǎo)因子，但中藥材植物大多分布于林下，僅以大尺度的氣候數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行其林下種植區(qū)分析，而不考慮森林的林地屬性以及森林的基本狀況，對中藥材林下仿野生種植的指導(dǎo)意義不大。

基于此，本研究以云南省彌勒市為例，通過分析三七的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)特性，利用收集的三七標本數(shù)據(jù)點，采用MaxEnt軟件，利用研究區(qū)氣候數(shù)據(jù)，得出三七的潛在分布區(qū)；并利用研究區(qū)的森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，通過林種、林分類型、郁閉度等林分信息，以及海拔、坡度、坡向等地形信息，與MaxEnt得出的三七潛在分布區(qū)進行疊加分析，最后選擇出三七的適生區(qū)，并對適生區(qū)進行空間分布分析，從而為三七的林下仿野生種植及規(guī)劃管理提供有價值的參考。

1 研究區(qū)概況

彌勒市隸屬于云南省紅河哈尼族彝族自治州，位于103°3′22″～103°3′22″E，23°49′32″～24°40′12″N之間，地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降雨量935.4 mm，平均氣溫18.8 ℃，最高氣溫(7月)34.8 ℃，最低氣溫(1月)-0.2 ℃，日照時數(shù)2 131.4 h，無霜期323 d。林下經(jīng)濟是彌勒市林業(yè)特色產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，近年來，彌勒市大力發(fā)展林下中草藥種植，林下仿野生種植三七、滇黃精(PolygonatumkingianumColl. et Hemsl)、天麻(GastrodiaelataBl.)、滇重樓(Parispolyphyllavar.thibetica)等道地中藥材，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，林下種植在彌勒市具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 材料與方法

2.1 研究對象

三七為五加科(Araliaceae)人參屬(PanaxL.)植物，又名田七、山漆、血參[16]，是中國特有物種和云南重要道地藥材，以根和根狀莖入藥[3-4]。三七主要分布于我國的西南部、越南北部及鄰近的一些地區(qū)，主產(chǎn)區(qū)為云南省文山州及廣西壯族自治區(qū)的右江流域，主要集中在文山壯族苗族自治州的文山、硯山、馬關(guān)和丘北等4縣[16]；常生于山谷、山坡草地、林下或林緣，在海拔1 400～1 900 m的地區(qū)都有種植[17]。

三七為陰生植物，適宜于冬暖夏涼的氣候，喜半陰和潮濕的生態(tài)環(huán)境。適宜生長在北緯23°～30°之間，年均溫14～18 ℃，最冷月均溫6～8 ℃，最熱月均溫17～23 ℃，≥10 ℃年積溫4 200～5 900 ℃，無霜期280d以上的地區(qū)；三七生長發(fā)育期要求比較濕潤的環(huán)境，需要年降水量900～1 300 mm；土壤以碳酸鹽巖紅壤為主，pH5.5～7.0的中性偏酸性的沙壤土[3-4,17-19]。

2.2 數(shù)據(jù)收集與整理

通過中國數(shù)字植物標本(CVH，http://www.cvh.org.cn)提取所有標本館三七的標本信息，然后對標本信息進行篩選，剔除無詳細經(jīng)緯度和地名記錄的標本，并對某些稀缺但有詳細地點記錄的標本進行Google Earth衛(wèi)星圖定位確定經(jīng)緯度。

氣候數(shù)據(jù)來源于世界氣候(http://www.worldclim.org)。氣候變量選擇與溫度和降雨量相關(guān)的19個對物種分布有重要影響的生物氣候變量，包括年均溫(Bio 1)、平均周溫度變化范圍(Bio 2)、平均年溫度變化范圍(Bio 3)、極端最高溫(Bio 4)、極端最低溫(Bio 5)、等溫性(Bio 6)、溫度季節(jié)性變化(Bio 7)、最濕季平均溫度(Bio 8)、最干季平均溫度(Bio 9)、最熱季平均溫度(Bio 10)、最冷季平均溫度(Bio 11)、年降雨量(Bio 12)、最濕月降雨量(Bio 13)、最干月降雨量(Bio 14)、降雨量的季節(jié)性變化(Bio 15)、最干季降雨量(Bio 16)、最濕季降雨量(Bio 17)、最熱季降雨量(Bio 18)、最冷季降雨量(Bio 19)。

通過獲取彌勒市2016年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，獲得其林地類型、林木種類、郁閉度、小班地形地勢等信息，通過ArcGIS 10.0提取所需數(shù)據(jù)。其中地類包括混交林、純林、喬木經(jīng)濟林、灌木林、灌木經(jīng)濟林、宜林荒山荒地、農(nóng)地、非林地等，森林類別包括國家級公益林I類和其他，郁閉度分為<0.2、≥0.2<0.4、≥0.4<0.6、≥0.6<0.8、≥0.8共5級，坡位分為山脊、上坡、中坡、下坡、谷地，坡向分為陽坡、半陽坡、陰坡、半陰坡、無坡向，坡度分為 平坡、緩坡、斜坡、陡坡、急坡、險坡6類(表1)。

表1 疊加因子分級賦值Tab.1 The assignment value of the different classes of the factors for the overlying analysis

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 基于MaxEnt的適生區(qū)分析

基于19個生物氣候因子數(shù)據(jù)，應(yīng)用MaxEnt 3.3.3k 軟件，根據(jù)物種的地理分布數(shù)據(jù)，將分布數(shù)據(jù)和氣候數(shù)據(jù)導(dǎo)入MaxEnt，隨機選取25%的分布點作為測試集，剩余的75%作為訓(xùn)練集，選擇刀切法，其他參數(shù)均為軟件默認值，輸出格式為ASCII柵格圖層，適生指數(shù)值域范圍為0-1°，在ArcGIS中加載MaxEnt的運算結(jié)果，進行適生等級劃分和可視化表達[7,11,14](圖1)，預(yù)測精度檢驗采用ROC曲線分析法[11]。

圖1 疊加因子賦值分布注：(a)為地類，(b)為郁閉度，(c)為森林類別，(d)為坡度，(e)為坡向，(f)為坡位。Fig.1 The distribution map of the factors for the overlying analysis

2.3.2 基于森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)的森林信息提取

分別地類(混交林、純林、喬木經(jīng)濟林、灌木林、灌木經(jīng)濟林、宜林荒山荒地、農(nóng)地、非林地)、森林類別(國家級公益林I類和其他)、優(yōu)勢樹種(常綠闊葉林、落葉闊葉林、針葉林、經(jīng)濟林、其他灌木林)、郁閉度(<0.2、≥0.2<0.4、≥0.4<0.6、≥0.6<0.8、≥0.8)、坡位(山脊、上坡、中坡、下坡、谷地)、坡向(陽坡、半陽坡、陰坡、半陰坡、無坡向)、坡度(平坡、緩坡、斜坡、陡坡、急坡、險坡)提取森林信息。

2.3.3 三七林下仿野生種植適生區(qū)分析

將MaxEnt軟件中得出的適生性分析結(jié)果應(yīng)用ArcGIS10.0軟件中的Toolbox工具的ASCII to Raster功能導(dǎo)出成圖像格式，利用空間分析(spatial analyst)模塊，將預(yù)測結(jié)果進行處理，采用自然間斷點分級法(natural breaks)進行適生等級劃分[5-7]，將三七的適生范圍分為4級，依次為最適宜區(qū)、較適宜區(qū)、一般適宜區(qū)、不適宜區(qū)。

3 結(jié)果分析

3.1 基于MaxEnt的三七潛在分布區(qū)分析

利用MaxEnt模型計算ROC曲線(receiver operating characteristic curve)，其訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)所得出的AUC(area under curve)值為0.948(趨近于1)。根據(jù)AUC模型評價指標[11]，表明預(yù)測結(jié)果非常好。

MaxEnt的刀切法分析工具能對每一個環(huán)境因子進行刀切法分析，可以判斷不同環(huán)境對三七分布的不同影響。從本研究中可看出，19個環(huán)境變量對三七潛在分布區(qū)的貢獻大小不一(圖2)。按照分值的大小可以看出，影響三七潛在分布的主要有10個環(huán)境因子，按得分從大到小排列為：最冷季平均溫度(Bio 11)>最干季平均溫度(Bio 9)>年均溫(Bio 1)>平均年溫度變化范圍(Bio 7)>最熱季降雨量(Bio 18)>溫度季節(jié)性變化(Bio 4)>極端最低溫(Bio 6)>平均周溫度變化范圍(Bio 2)>年降雨量(Bio 12)>最干月降雨量(Bio 14)。結(jié)果表明最冷季平均溫度(Bio 11)、最干季平均溫度(Bio 9)和年均溫(Bio 1)是影響三七分布的關(guān)鍵因素。

圖2 氣候變量對模型預(yù)測的貢獻率Fig.2 The contribution rate of climate variables to model prediction

在MaxEnt中得到三七潛在適生區(qū)預(yù)測圖，三七的潛在適生區(qū)集中分布在我國西南地區(qū)的云南、四川及貴州等地，另外廣西、廣東、福建、江西等也有部分的適宜區(qū)。這與其自然分布的范圍基本一致[16]，且基于氣候數(shù)據(jù)得出的三七分布區(qū)在彌勒市較為適宜。

3.2 疊加森林二類調(diào)查數(shù)據(jù)的林下仿野生三七種植適生區(qū)分析

通過疊加彌勒市的地類、森林類別、郁閉度、坡位、坡度、坡向圖得到彌勒市林下仿野生三七種植適生區(qū)(圖3)，彌勒市最適宜和較適宜地區(qū)主要分布在該市的北部、西部，面積分別為28 172.53 hm2和30 463.36 hm2，所占百分比分別為7.04%和7.61%。而南部地區(qū)和中部地區(qū)不適宜地塊較多，全市不適宜面積占全市國土面積的65.81%，而一般適宜的占國土面積的19.54%(表2)。

圖3 彌勒市林下仿野生三七種植適生區(qū)Fig. The distribution map of the adaptive area of P.pseudoginseng var.notoginseng planting with imitative wild under forests

表2 三七林下仿野生種植適生區(qū)面積統(tǒng)計Tab.2 The statistics of the adaptive area of Panax pseudoginseng var.notoginseng planting with imitative wild under forests

4 討論與結(jié)論

在MaxEnt生態(tài)位模型中運行了10次得出的測試結(jié)果的評價AUC值為0.948，表明預(yù)測獲得了較好的效果，預(yù)測結(jié)果可信度高[11]。并且得到的潛在分布區(qū)與三七的實際分布區(qū)基本一致[16]，可見MaxEnt軟件利用生態(tài)位最大熵原理設(shè)計運算模式，綜合考慮了物種與復(fù)雜環(huán)境的關(guān)聯(lián)關(guān)系，得出的預(yù)測數(shù)據(jù)適合植物物種的分布預(yù)測。

物種在大尺度上有明顯的生境偏好[5,20-21]，從MaxEnt得出的環(huán)境變量對模型預(yù)測的貢獻值來看，影響三七分布的關(guān)鍵環(huán)境因子主要是最冷季平均溫度(Bio 11)、最干季平均溫度(Bio 9)和年均溫(Bio 1)，可見溫度因子是影響三七分布的主要氣候因子，尤其是反映溫度季節(jié)分配的氣候因子。這在一定程度上驗證了三七種植區(qū)選擇種植地區(qū)時除考慮年度平均溫度外，還需考慮溫度的季節(jié)變化規(guī)律，這與崔秀明等[4]、姚建等[17]對三七栽培影響因素的分析基本一致。

針對以三七等為代表的中藥材植物，多分布在林下蔭庇環(huán)境下[16]，單一考慮氣候因素必然會對其潛在分布區(qū)預(yù)測帶來一定的誤差，甚至是錯誤[2]。因此，要開展三七的林下仿野生種植，森林屬性及其特征至關(guān)重要[1-2]。本研究基于森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)提取了森林基本信息及其分布信息，與大尺度生境模擬數(shù)據(jù)進行疊加分析，預(yù)測三七在彌勒市的林下仿野生種植適生區(qū)。通過自然斷點法得出其閾值，結(jié)果表明：彌勒市最適宜三七的林下仿野生種植地區(qū)面積為28 172.53 hm2，占彌勒市國土面積7.04%，較適宜為30 463.36 hm2，占7.61%，二者總計占比為14.65%；而一般適宜和不適宜的分別占19.54%和65.81%?？梢娡ㄟ^疊加分析之后，避免了以往僅考慮氣候數(shù)據(jù)帶來僅在大尺度反映物種分布的情況，進一步篩選了適宜于三七林下種植的區(qū)域，這對于三七的林下仿野生種植的適生區(qū)選擇，更具針對性。

此外，以林下仿野生種植中藥材為主的經(jīng)營模式對于森林資源的合理利用具有重要意義，也是當今充分利用森林資源和發(fā)展地方經(jīng)濟的熱門問題之一。本研究以彌勒市三七仿野生種植適生區(qū)分析為例，探索中藥材林下種植區(qū)分析技術(shù)，可以給當?shù)卣嚓P(guān)部門的林下仿野生三七種植規(guī)劃，以及相關(guān)企業(yè)的三七栽培提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐，也為其他中藥材及相關(guān)物種的林下仿野生種植林地選擇及規(guī)劃提供案例參考。但是林下仿野生種植除需考慮大尺度氣候因子，以及森林形成的小環(huán)境外，仍需進一步探索更為精細的整合森林土壤、森林物種組成等信息的種植適生區(qū)選擇研究，這將是今后研究的重要方向。