基于最大熵模型和地理信息系統(tǒng)的風輪菜適生區(qū)預測

萬柄麟，秦委，張虹，2，楊明霞，劉守金，2

1.安徽中醫(yī)藥大學藥學院，安徽 合肥 230013；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 230013

風輪菜(Benth.)O.Kuntze為多年生草本植物，是中藥材斷血流的重要來源，于1977年起被《中華人民共和國藥典》收錄，以其干燥地上部位入藥，味微苦、澀，性涼，歸肝經(jīng)，具有收斂止血功效，2016年被列入安徽省“十大皖藥”，目前已被開發(fā)成斷血流片、斷血流膠囊及斷血流顆粒。近年來由于城市化進程加快，風輪菜適宜生長區(qū)遭到嚴重破壞，再加上過度采挖，致使其野生資源儲藏量難以滿足市場需求。為此，選擇適生地區(qū)對風輪菜開展野生撫育及人工栽培是當前切實可行的辦法。筆者依據(jù)收集所得的風輪菜分布數(shù)據(jù)及相關(guān)環(huán)境變量，采用最大熵（MaxEnt）模型和ArcGIS軟件對其潛在的適宜生長區(qū)進行預測，以期為風輪菜的可持續(xù)開發(fā)利用提供參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

收集中國數(shù)字植物標本館（https://www.cvh.ac.cn/）、中國自然保護區(qū)標本資源共享平臺（http://www.papc.cn/）、全球生物多樣性信息網(wǎng)絡（https://www.gbif.org/），以及筆者參與的全國第四次中藥資源普查結(jié)果中風輪菜的分布數(shù)據(jù)，共得到4009條相關(guān)信息，除去不準確、相鄰及重復數(shù)據(jù)，最終獲得451條，具體的地理分布情況見圖1。對獲取的地理分布信息按照MaxEnt3.3.3軟件要求，整理成植物名、經(jīng)度、緯度格式的三列表，并保存為.csv文件備用。

圖1 全國風輪菜樣點分布

1.2 環(huán)境因子

環(huán)境因子數(shù)據(jù)來源于中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫（http://www.tcm-resources.com/），共包含氣候、土壤、地形、植被四大類55個變量氣候類因子43個，由12個月的月降水量（prec1～12）、12個月的月平均溫度（tmean1～12）及19個綜合氣候類因子組成（見表1）；土壤類因子8個，分別是土壤酸堿度（pH）、土壤的陽離子交換能力（trylzjhnl）、土壤含黏土量（ntl）、土壤含沙量（hsl）、土壤有效水含量等級（tryxsfhldj）、土壤亞類（soiltype）、土壤質(zhì)地分類（trzdfl）及有機碳含量（yjthl）；地形類因子3個，包括海拔（altitude）、坡度（slope）、坡向（aspect）；植被類因子1個，為植被亞類（zblx）。利用ArcMap10.7對其進行預處理，并通過conversion工具將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ASCⅡ格式備用。

表1 影響風輪菜分布的氣候類因子

1.3 地圖數(shù)據(jù)

本文所用中國地圖國界矢量圖與中國行政區(qū)劃圖均來自國家基礎地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站（http://nfgis.nsdi.gov.cn/），分辨率為1∶400萬。

1.4 模型構(gòu)建及環(huán)境因子篩選

將風輪菜地理分布數(shù)據(jù)與選取的環(huán)境因子數(shù)據(jù)導入MaxEnt模型，并對模型參數(shù)進行設置。選取響應曲線與刀切圖對環(huán)境因子的適應度及重要性進行評價，并隨機抽取25%的數(shù)據(jù)用于測試，余下75%數(shù)據(jù)作為訓練集進行建模，設置最大迭代次數(shù)為10，Bootstrap重復運算10次，其余參數(shù)保持不變，最終得到用于評價模型精度的受試者工作特征曲線（ROC）、相關(guān)環(huán)境變量所對應的貢獻率及響應曲線、模型刀切圖的處理結(jié)果。綜合刀切圖的表達與貢獻率的大小，篩選出在風輪菜分布中起主導作用的環(huán)境因子。

1.5 適宜分布區(qū)預測

選取MaxEnt模型運算結(jié)果中的ASCⅡ格式文件，并將其導入ArcGIS軟件，疊加中國地圖，再進行相應地圖層處理后，得到風輪菜分布的概率區(qū)劃圖。依據(jù)統(tǒng)計學原理，將＜0.05的區(qū)域定義為非適生區(qū)，再根據(jù)值大小，將0.05≤＜0.25劃為低度適生區(qū)，0.25≤＜0.5劃為中度適生區(qū)，≥0.5劃為高度適生區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型準確度評價

通過MaxEnt模型多次運算，得出風輪菜生態(tài)分布模型的ROC曲線AUC=0.968，表明模型準確度較高，預測結(jié)果較為可靠。見圖2。

圖2 風輪菜生態(tài)分布模型ROC曲線

2.2 主導環(huán)境因子

依據(jù)MaxEnt模型計算結(jié)果，貢獻率＞1%的影響因子有：年均降水量、10月份降水量、6月份降水量、11月份平均溫度、4月份降水量、2月份降水量、12月份平均溫度、3月份降水量等（見表2）。其貢獻率總和為86.7%。結(jié)合刀切法的處理結(jié)果（見圖3），最終確定影響風輪菜適宜分布的主導環(huán)境因子為：年均降水量、10月份降水量、6月份降水量、11月份平均溫度與4月份降水量。具體的主導環(huán)境因子響應曲線見圖4。

圖3 風輪菜生態(tài)分布模型刀切圖

圖4 風輪菜主導環(huán)境因子響應曲線

表2 影響風輪菜分布貢獻率＞1%的環(huán)境因子

2.3 適生區(qū)預測

ArcGIS軟件加載MaxEnt模型運算結(jié)果后顯示，風輪菜在我國的適生區(qū)較廣，東西和南北跨度均較大。

其中，高度適生區(qū)主要分為3個部分，分別是我國華東、中南與西南地區(qū)，其中華東地區(qū)包括浙江、上海、江西、江蘇南部、安徽南部及大別山區(qū)、福建北部、臺灣山區(qū)及臺北，中南地區(qū)包括湖南、湖北西部、廣東及廣西北部，西南地區(qū)涉及貴州、重慶南部、云南、四川、西藏山區(qū)。代表山脈有云南五蓮峰、無量山、高黎貢山、怒山，四川大雪山、雀兒山，西藏唐古拉山、芒康山、伯舒拉嶺。中度適生區(qū)基本在我國南部，低度適生區(qū)主要分布在華北及東北地區(qū)。見圖5。

圖5 風輪菜適生區(qū)分布區(qū)劃

3 討論

3.1 適生區(qū)分布

據(jù)《中國植物志》載，風輪菜產(chǎn)自我國山東、浙江、江蘇、安徽、江西、福建、臺灣、湖南、湖北、廣東、廣西及云南東北部，與模型預測結(jié)果基本一致。但通過模型預測，風輪菜在河南及華北地區(qū)也能生長。《救荒本草》記載風輪菜“生密縣田野中”，經(jīng)考證，密縣即今河南新密市，表明該地較早時期便有風輪菜分布。王瑞祥等在山西省靈石縣、鄉(xiāng)寧縣等地發(fā)現(xiàn)風輪菜分布，郭建剛等通過調(diào)查明確河北省存在大量的風輪菜分布。以上情況為河南與華北地區(qū)存在風輪菜的分布提供了有力證明，再考慮到本研究模型預測結(jié)果的精準度較高，因而可為當前風輪菜的產(chǎn)地補充提供參考。值得注意的是，本模型的計算結(jié)果是基于最理想狀態(tài)預測風輪菜可能分布的最大范圍，且排除非生物因素對分布的影響，故存在一定的局限性。

3.2 主導環(huán)境因子組成

根據(jù)環(huán)境因子的貢獻率與刀切圖，本研究確定影響風輪菜分布的主導環(huán)境因子為年均降水量、10月份降水量、6月份降水量、11月份平均溫度、4月份降水量。其中，降水量因子貢獻率占56.6%，表明降水對風輪菜的生長起決定作用。再對主導環(huán)境因子的響應曲線進行分析，發(fā)現(xiàn)當年均降水量達500 mm時，風輪菜的存活率達到峰值。由風輪菜適生區(qū)劃圖可知，其適生區(qū)的氣候類型有熱帶季風氣候、亞熱帶季風氣候、溫帶季風氣候與高原高山氣候。季風氣候的明顯特征是年均降水量多，高原高山氣候的特征是在一定高度內(nèi)，濕度大、多云霧、降水多，這都能滿足風輪菜在生長過程中對水分的需求。此外，相關(guān)研究表明，植物在花果形成過程中，對體內(nèi)水分的依賴會增強，不當?shù)母珊等彼畷茐闹参矬w內(nèi)正常的運行機制。花果期在5－10月的風輪菜在獲得充足水分供給后，自身的生長發(fā)育便得到了保證。其次，風輪菜在每年11月份左右會進入休眠期，但氣溫過低會阻礙這一進程，因而11月份平均溫度不能過低。最后，到來年4月份環(huán)境良好時，風輪菜又開始新一輪的生長發(fā)育。

3.3 栽培種植建議

盡管風輪菜的分布跨度較大，對土壤要求不高，但在野外環(huán)境下宜選擇向陽、排水良好的肥沃土或挑選具有一定坡度且通風性良好的針葉林、闊葉林地帶進行栽培。接著便可于每年3－5月或10－12月利用種子繁殖法、扦插法、分株繁殖法進行種植。

4 結(jié)語

本文從當前中藥野生資源稀缺，部分野生藥用植物的生長環(huán)境遭到破壞的現(xiàn)狀出發(fā)，探究風輪菜在我國的適宜生長區(qū)，并對影響其生長的主要環(huán)境因子進行分析，以期為風輪菜的野生撫育與生態(tài)環(huán)境保護提供參考依據(jù)，從而促進我國中藥資源的可持續(xù)利用，推動中藥產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。