甘肅省款冬花生態(tài)適宜性區(qū)劃研究

陳博，曹后康，郭延秀，席少陽，朱田田，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

款冬花為菊科植物款冬L.的干燥花蕾，為止咳平喘方劑中的常用中藥，具有潤肺下氣、止咳化痰功效，由于市場需求增加，因此增加供給是目前亟需解決的問題。甘肅位于黃土高原、內(nèi)蒙古高原和青藏高原交匯處，整體地貌為山地型高原，主要為暖溫帶、溫帶半干旱、干旱氣候，由于全省南北跨度大、地形復(fù)雜，氣候差別較大，款冬花曾在甘肅的分布范圍很廣，但由于氣候變化，以及肆意采挖，生境遭到嚴重破壞，使野生款冬花資源蘊藏量急劇下降。因此，選擇適宜地區(qū)進行人工栽培，是保證款冬花資源可持續(xù)利用的有效途徑。

以生態(tài)位為原理的最大熵（MaxEnt）模型已廣泛用于預(yù)測生物物種潛在分布的研究中，地理信息系統(tǒng)（GIS）在預(yù)測物種潛在分布中也發(fā)揮巨大優(yōu)勢。筆者通過查閱資料和實地采樣，收集甘肅省不同產(chǎn)區(qū)款冬花樣點信息，結(jié)合生態(tài)因子數(shù)據(jù)，采用MaxEnt模型預(yù)測其生態(tài)適宜分布區(qū)，并利用GIS技術(shù)將其表現(xiàn)出來，以期為優(yōu)質(zhì)款冬花的栽培選地提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 分布信息

通過2019年12月－2020年2月自采和查閱中國數(shù)字植物標本館（http://www.cvh.ac.cn），共收集 188份款冬花樣點分布信息（見圖1）。將物種名、分布地區(qū)存儲為MaxEnt模型要求的.csv格式。

圖1 款冬花樣點分布

1.2 生態(tài)因子數(shù)據(jù)

使用源自“中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫”（http://www.tcm-resources.com/）的生態(tài)因子數(shù)據(jù)（降水量、溫度、植被類型和土壤），其中包括43個氣候類型數(shù)據(jù)（12個月的平均氣溫與降水量、19個綜合氣候因子）、8個土壤類型數(shù)據(jù)、3個地形數(shù)據(jù)、1個植被類型數(shù)據(jù)，選取所有生態(tài)因子數(shù)據(jù)，在國家地理信息數(shù)據(jù)網(wǎng)站（http://nfgis.nsdi.gov.cn）下載 1∶400萬中國行政區(qū)劃圖及中國地圖，經(jīng)過GIS處理后得到甘肅省行政區(qū)劃圖。

將188份款冬花的樣點分布信息和55個生態(tài)因子導(dǎo)入MaxEnt3.4.0軟件進行迭代運算。每次篩選出貢獻因子為0的生態(tài)因子，舍棄；繼續(xù)迭代直至貢獻因子無0出現(xiàn)，得到所有對款冬花生長有貢獻的生態(tài)因子。

1.3 分布預(yù)測

將款冬花樣點分布信息導(dǎo)入MaxEnt3.4.0軟件，綜合對款冬花生長有貢獻的生態(tài)因子，進行生態(tài)適宜性研究。設(shè)置具體參數(shù)如下：隨機測試比例25%，最大迭代次數(shù)10，收斂門限0.000 5，用受試者工作特征（ROC）曲線下面積（AUC）評價預(yù)測結(jié)果精度，并用刀切法（jackknife）檢驗權(quán)重，其他參數(shù)為軟件默認值。以AUC為衡量精度指標，范圍0～1，AUC數(shù)值越大，模型判斷力越強。若 AUC＞0.9，則模型精度良好。

將MaxEnt導(dǎo)出的結(jié)果導(dǎo)入GIS進行疊加和地圖制作，獲得正態(tài)分布參數(shù)μ、δ，將款冬花區(qū)劃分為不適宜區(qū)、次適宜區(qū)和適宜區(qū)3個等級，并繪制款冬花生態(tài)適宜性區(qū)劃分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型精度評價

MaxEnt模型通過刀切圖反映不同生態(tài)因子在影響款冬花生長適宜度中所占權(quán)重?？疃≧OC曲線訓(xùn)練數(shù)據(jù)集AUC＝0.965，測試數(shù)據(jù)集AUC＝0.965，均大于0.9，表明MaxEnt模型對預(yù)測款冬花在甘肅省的潛在分布準確度和可信度都很高。甘肅省款冬花生態(tài)因子刀切圖見圖2，款冬花分布預(yù)測模型ROC曲線見圖3。

圖2 甘肅省款冬花潛在分布生態(tài)因子刀切圖

圖3 款冬花分布預(yù)測模型ROC曲線

2.2 主生態(tài)因子選擇

篩選55個生態(tài)因子，其中27個對款冬花生態(tài)適宜性有貢獻，7個為影響款冬花適宜性的主要生態(tài)因子，貢獻率總和為95.52%。主生態(tài)因子響應(yīng)圖見圖4，主生態(tài)因子適宜值見表1。

表1 款冬花主生態(tài)因子的貢獻率及適宜值

圖4 影響甘肅省款冬花的主生態(tài)因子響應(yīng)圖

2.3 生態(tài)適宜性區(qū)劃

本研究顯示，甘肅省款冬花生態(tài)適宜性區(qū)劃為：定西中南部、隴南大部、臨夏南部、平?jīng)鲋胁?、天水大部、甘南東部邊緣為適宜區(qū)，甘南東部、隴南東部邊緣、定西北部、臨夏北部、平?jīng)鰱|部和西部、慶陽南部、蘭州西部為次適宜區(qū)，甘南中西部、慶陽北部、白銀、武威、金昌、張掖、酒泉為不適宜區(qū)。款冬花在甘肅省生態(tài)適宜分布見表2、圖5。

圖5 甘肅省款冬花生態(tài)適宜性區(qū)劃

表2 甘肅省款冬花生態(tài)適宜性分布區(qū)域

3 討論

本研究收集了188份款冬花分布信息，利用GIS技術(shù)和MaxEnt模型對款冬花在甘肅省的生態(tài)適宜區(qū)進行預(yù)測，結(jié)果AUC均大于0.9，表明預(yù)測結(jié)果和可信度準確。

綜合分析款冬花的主生態(tài)因子，對款冬花生長影響較大的分別是 4月份降水量（44.68%）＞海拔（26.49%）＞12月份降水量（11.30%）＞等溫性（7.77%）＞土壤有效水含量等級（3.21%）＞土壤亞類（1.07%）＞植被類型（1.01%）。由表1可知，款冬花喜0～5 000 m海拔高度，陰涼天氣，與已知的款冬花生境吻合。另外，款冬為春秋兩季栽種，4月和12月充足的降水量更有助于款冬花生長。溫度也是影響其生長的主要條件，適宜溫度能促進植株正常發(fā)育。