基于MaxEnt 和GIS 技術(shù)的落新婦適宜性分布研究

卻丹華 戴純輝

（1.杭州市臨安區(qū)中醫(yī)院， 浙江 杭州311300； 2.杭州市上城區(qū)紫陽(yáng)街道春江花月社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)站， 浙江杭州310008）

落新婦Astilbe chinensis（Maxim.）Franch.Et.Sav.是虎耳草科落新婦屬植物［1?3］。落新婦具有活血散瘀、解毒止痛功效，用于跌打損傷、風(fēng)濕關(guān)節(jié)等疼痛癥狀的鎮(zhèn)痛治療［4?6］。落新婦具有抗腫瘤、抗 炎、鎮(zhèn) 痛、抑菌等作用［7?8］。落新婦的野生資源有限，在日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求下，人工栽培成了落新婦藥材的主要來源［9］。目前關(guān)于其全國(guó)地理分布格局的研究報(bào)告罕見。因此，了解落新婦資源的總體情況，準(zhǔn)確掌握落新婦生長(zhǎng)的生態(tài)影響因素及生長(zhǎng)適宜性分布區(qū)域，對(duì)促進(jìn)人工栽培落新婦具有重要意義。目前，在物種的潛在分布、物種保護(hù)和資源儲(chǔ)量估算研究方面，應(yīng)用最廣泛的為最大熵模型（MaxEnt）和地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS）的聯(lián)合技術(shù)［10?12］。在實(shí)地調(diào)查和文獻(xiàn)檢索的基礎(chǔ)上，運(yùn)用MaxEnt 模型和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，分析、探討落新婦生長(zhǎng)的生態(tài)因子和起源特征，對(duì)落新婦在全國(guó)的生長(zhǎng)適宜性分布區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)及區(qū)劃，為落新婦的野生撫育、種植區(qū)劃和規(guī)范化栽培推廣提供參考。

1 材料

MaxEnt 3.4.4 生態(tài)位模型軟件；ArcGIS 10.8 軟件（美國(guó)ESRI 公司）。從第四次中藥資源普查實(shí)地調(diào)查、文獻(xiàn)資料、中國(guó)植物圖像庫(kù)（http：／／ppbc.iplant.cn／）和國(guó)家植物標(biāo)本資源庫(kù)（http：／／www.cvh.ac.cn／）中收集落新婦相關(guān)信息共1 320份，采用具有精確經(jīng)緯度、明確地址和詳細(xì)采集坐標(biāo)的標(biāo)本信息，篩選整理獲得331 份標(biāo)本信息用于落新婦適宜性分布研究［13］。

根據(jù)已知的適合落新婦生長(zhǎng)的環(huán)境條件，選擇7 個(gè)生態(tài)因子進(jìn)行研究，包括生物氣候、溫度、降水、地形、土壤、土地利用類型和植被覆蓋度。19 個(gè)生物氣候因子、12個(gè)月平均溫度因子和12 個(gè)月降水因子均來自世界氣候數(shù)據(jù)庫(kù)（http：／／www.worldclim.org／）［14］。地形包括海拔、坡度和坡向，是從數(shù)字高程模型中提取的，數(shù)據(jù)來自美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局。土壤、土地利用類型和植被覆蓋數(shù)據(jù)分別取自世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（http：／／webarchive.iiasa.ac.at／）和世界地圖數(shù)據(jù)庫(kù)（https：／／globalmaps.github.io／）。

2 方法

2.1 模型構(gòu)建與運(yùn)算 將采集的331 個(gè)落新婦樣品的地理信息和生態(tài)因子信息輸入MaxEnt，并根據(jù)需要設(shè)置參數(shù)［15］。隨機(jī)選擇其中75%樣本數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，其余25%用于模型驗(yàn)證和測(cè)試，最大迭代次數(shù)設(shè)置為1×106，其余為默認(rèn)設(shè)置。多次運(yùn)行程序，消除貢獻(xiàn)率為0 的生態(tài)因子，篩選出影響落新婦生長(zhǎng)的生態(tài)因子，各生態(tài)因子貢獻(xiàn)率用刀切法（Jackknife）定量［16］，貢獻(xiàn)率最大的用于二級(jí)最大熵模型計(jì)算。

2.2 模型精確性驗(yàn)證 模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性采用ROC曲線（受試者工作曲線）進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證［17］。

2.3 適宜性區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn) 把MaxEnt 軟件迭代運(yùn)行得到的最終結(jié)果輸入ArcGIS 軟件，將其轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，并從模型運(yùn)算結(jié)果中提取落新婦在中國(guó)的適宜性分布區(qū)域［18］。根據(jù)不同生態(tài)環(huán)境對(duì)落新婦生長(zhǎng)的影響，確定各區(qū)域落新婦的生長(zhǎng)適宜性指數(shù)，用P 表示。在提取結(jié)果的屬性表中計(jì)算得到最大值（max）、最小值（min）、平均值（μ）、標(biāo)準(zhǔn)差（σ）、平均值與標(biāo)準(zhǔn)差相加值（μ＋σ）、平均值與標(biāo)準(zhǔn)差相減值（μ?σ）。按照正態(tài)分布理論與相關(guān)報(bào)道，將全國(guó)落新婦適宜性分布區(qū)域劃分3 個(gè)等級(jí)，不適宜區(qū)［P＜（μ－σ）］；次適宜區(qū)［（μ?σ）≤P＜μ］；適宜區(qū)［（μ－σ）≤P＜（μ＋σ）］。

3 結(jié)果

3.1 模型精度評(píng)價(jià) ROC 曲線分析法檢驗(yàn)得到的平均訓(xùn)練集精度，結(jié)果表明AUC 值為0.984，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的AUC 值為0.984，均達(dá)到高預(yù)測(cè)精度，表明運(yùn)算準(zhǔn)確，結(jié)果可信，見圖1。

圖1 落新婦潛在分布預(yù)測(cè)ROC 曲線

3.2 落新婦適宜生長(zhǎng)條件分析 通過對(duì)主要生態(tài)因子貢獻(xiàn)率和ROC 曲線的分析（圖2），可以看出落新婦的生長(zhǎng)主要受降水、溫度和海拔的影響，而坡度的貢獻(xiàn)率相對(duì)較低。落新婦在年降水量500～2 000 mm 的地區(qū)可以生長(zhǎng)。落新婦萌發(fā)后的快速生長(zhǎng)期對(duì)土壤水分有一定的需求，月降水量至少應(yīng)保持在50 mm 以上，充足的水分可以促進(jìn)根系的生長(zhǎng)和發(fā)育。從開花期開始，月降雨量為20 mm，但在開花期之后，如果遇到連續(xù)降雨，落新婦的根可能會(huì)被漚爛，影響落新婦的生長(zhǎng)。因此，不適合在低洼和澇漬地區(qū)種植。溫度對(duì)落新婦的生長(zhǎng)也有一定的影響，可以在－15.0～35.0 ℃的環(huán)境中存活和生長(zhǎng)。

圖2 落新婦生態(tài)因子ROC 曲線

落新婦是一種耐寒、喜涼爽的植物，適合生長(zhǎng)在海拔3 000 m 以下的涼爽地區(qū)，對(duì)土壤質(zhì)地要求不高。土地利用類型和植被覆蓋度對(duì)落新婦的生長(zhǎng)也有輕微的影響，主要生長(zhǎng)在山谷和草地、林緣、灌木和丘陵草甸。在人工栽培中，應(yīng)考慮生長(zhǎng)環(huán)境的溫度和土壤濕度，并應(yīng)注意土地的排水條件，選擇一個(gè)有一定坡度的地方栽培。

3.3 主導(dǎo)環(huán)境因子權(quán)重分析 利用刀切法對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行分析，見圖3。其環(huán)境因子貢獻(xiàn)值得分大小的順序依次是tmean10＞bio12 ＞bio18 ＞prec11 ＞prec9 ＞prec8 ＞bio13 ＞bio7 ＞tmean8＞bio4。由于相關(guān)性較強(qiáng)的環(huán)境因子容易過度擬合，需要移除，移除后結(jié)果 為 tmean10（21.8%）、bio12（17.9%）、bio18（15.2%）、prec11（15.0%），這4 個(gè)環(huán)境因子的總累積貢獻(xiàn)率已達(dá)到69.9%，說明最干季度平均溫度、最干季度平均降水量、年均降水量、最暖季節(jié)降水量，這4 個(gè)環(huán)境因子對(duì)最大落新婦適宜分布影響。

3.4 主要生態(tài)因子貢獻(xiàn)率 利用7 大類55 個(gè)生態(tài)因子來研究落新婦的適宜性分布，不同因子對(duì)其有不同的影響程度。根據(jù)Jackknife 定量計(jì)算結(jié)果，落新婦主要生態(tài)因子貢獻(xiàn)率見表1。影響落新婦生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率最大因子為10 月平均溫度（15.4%），其次為最暖季節(jié)降水量（12.4%），主要生態(tài)因子貢獻(xiàn)率達(dá)到93.5%。充足的降水是落新婦生長(zhǎng)的必要條件，溫度影響落新婦的生長(zhǎng)，海拔也是限定落新婦生長(zhǎng)區(qū)域的重要因素，但落新婦生長(zhǎng)對(duì)土壤的要求不高。

表1 生態(tài)因子貢獻(xiàn)率（%）

3.5 落新婦適宜性分布區(qū)劃 依據(jù)MaxEnt 和ArcGIS 軟件相結(jié)合技術(shù)，最終得到落新婦在中國(guó)的適生區(qū)域分布預(yù)測(cè)圖（圖3），計(jì)算軟件加載的各地各適生區(qū)面積（表2）。提取采樣點(diǎn)生長(zhǎng)適宜性指數(shù)，按照適宜性指數(shù)將分布區(qū)劃分為3 個(gè)區(qū)域：非適宜區(qū)、次適宜區(qū)和適宜區(qū)，其適生指數(shù)取值范圍分別為P＜0.157、0.157≤P＜0.414、P≥0.414。落新婦在我國(guó)陜西、湖南、貴州大部分、四川東南部、河南北部、遼寧南部等部分地區(qū)具有潛在的高適生長(zhǎng)性。

圖3 環(huán)境因子刀切法分析

由表2 可知，全國(guó)適宜落新婦生長(zhǎng)的范圍面積為1 620 501.88 km2，主要分布在我國(guó)的東部、中部和東北部地區(qū)。陜西、湖南、四川、貴州等省份大部分區(qū)域，以及浙江中北部、華中和華南等多個(gè)省份，黑龍江、吉林、遼寧東北三省也有一定范圍的分布，其中12 個(gè)省份的適生區(qū)面積在10 000 km2以上。

表2 落新婦適宜性區(qū)域面積統(tǒng)計(jì)（km2）

4 討論

本研究結(jié)合GIS 技術(shù)，運(yùn)用MaxEnt 模型研究落新婦在全國(guó)范圍的適宜性分布，模型的AUC 大于0.9，可信度高。篩選出對(duì)模擬結(jié)果影響較大的10 個(gè)生態(tài)因子，累積貢獻(xiàn)率達(dá)76.2%。落新婦適應(yīng)環(huán)境能力較強(qiáng)，耐寒，適生于海拔3 000 m以下的山谷﹑灌叢間和林緣草地；對(duì)土壤質(zhì)地要求不高；適宜生長(zhǎng)的月降水量為50～200 mm；適宜的生長(zhǎng)溫度為－15.0～35.0 ℃。溫度的變化會(huì)影響落新婦的物候期，尤其是發(fā)芽、葉片生長(zhǎng)和隨后的開花結(jié)果，大范圍的溫度變化會(huì)阻礙它的生長(zhǎng)和發(fā)育，從12 月到次年1月，落新婦的落葉進(jìn)入休眠期，根莖從頂部長(zhǎng)出芽鞘，低溫會(huì)滯后落新婦營(yíng)養(yǎng)器官的分化和胚芽的形成，冬季高溫可保證落新婦的安全越冬和芽分化。10 月份較高的平均降雨量保證了落新婦冬芽分化的安全性，這表明年降水量和最暖季降水量是影響落新婦分布的重要環(huán)境因子。從8 月到11月，落新婦處于快速生長(zhǎng)期，與其他月份相比降雨量相對(duì)較高，這直接影響其地下根莖的生長(zhǎng)和植物的發(fā)育。因此落新婦主要集中在中國(guó)西南、中部和南部。年溫差小，年降雨量大，最暖季節(jié)降雨量高，符合落新婦喜陰、寒、濕的特點(diǎn)。

根據(jù)模擬模型計(jì)算落新婦適宜性指數(shù)，按照適宜性指數(shù)將落新婦生長(zhǎng)適宜性區(qū)域劃分為非適宜區(qū)、次適宜區(qū)和適宜區(qū)3 個(gè)等級(jí)。全國(guó)適宜落新婦生長(zhǎng)的區(qū)域面積共計(jì)1 620 501.88 km2，主要集中分布于湖南、四川、陜西、貴州、浙江等省。在核心區(qū)分布圖中，預(yù)測(cè)結(jié)果顯示以陜西為中心的周邊具有較好的分布區(qū)域，主要為亞熱帶氣候，具有春暖干燥、夏熱多雨、秋涼濕潤(rùn)、冬寒干燥等特點(diǎn)，年平均氣溫為14～16 ℃，年平均降水量為300～1 200 mm。