楊明霞 ,秦委 ,張虹 , ,萬柄麟 ,李雯岐 ,劉守金,
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
狗脊貫眾為烏毛蕨科植物狗脊蕨Woodwardiajaponica(L.f.)Smith或單芽狗脊蕨Woodwardia unigemmata(Makino)Nakai的干燥根莖,具有清熱解毒、散瘀止血、殺蟲功效[1]?!渡褶r本草經》列為中品。狗脊蕨根狀莖富含淀粉,可釀酒,亦可作土農藥,防治蚜蟲及紅蜘蛛,具有較大的生產價值[2]。
MaxEnt模型可利用較少的數據,運用受試者工作特征(ROC)曲線檢驗預測結果,進行較準確的分析,操作簡便、可靠性高,可以獲得較好的預測結果,且已有很多中藥材運用此模型進行潛在分布預測[3-4]。氣候是影響植物地理分布的關鍵因素,全球氣候變暖導致的多變氣候對植物生長環(huán)境造成嚴重影響,加之我國城市化加速及中藥產業(yè)旺盛,導致狗脊貫眾野生資源難以滿足市場需求。為此,筆者通過最大熵(MaxEnt)模型與ArcGIS結合進行適生區(qū)預測,為狗脊貫眾野生資源的可持續(xù)利用提供依據。
1.1.1 樣點
通過中國數字植物標本館(http://www.cvh.ac.cn/)收集所有狗脊蕨的樣點信息,剔除無詳細經緯度或地名記錄者,共獲得180個樣點,經校對,刪除重復、相鄰記錄,最終選擇165個有效樣點進行建模(見圖1),將經度、緯度、物種信息存入Excel2016中,轉為.csv格式保存。本文所用1∶400萬分辨率中國地圖及中國行政區(qū)劃圖均下載于國家地理信息系統(tǒng)(http://nfgis.nsdi.gov.cn/)。
圖1 狗脊蕨樣點分布
1.1.2 生態(tài)因子
從中藥資源空間信息網格數據庫(http://www.tcm-resources.com/)下載相關數據,共53個生態(tài)因子,涵蓋氣候、地形、土壤、植被4種類型。其中氣候類型數據包括1~12月降水量和平均溫度,以及19個綜合氣候因子(見表1);3個地形類型數據為海拔、坡度、坡向;6個土壤類型數據為土壤陽離子交換能力、土壤含沙量、土壤含黏土量、土壤有效水含量等級、土壤亞類及有機碳含量;另有1個植被類型數據。所有因子通過conversion工具轉化成ASCⅡ格式。將數據導入ArcGIS10.2。
表1 氣候類型數據
將165個樣點分布信息及53個生態(tài)因子數據導入MaxEnt模型進行迭代運算,隨機選取25%分布點作為測試集,75%為訓練集,設置最大迭代次數為103,Bootstrap重復運算10次。通過繪制響應曲線評價生態(tài)因子適生范圍,以ROC曲線及曲線下面積(AUC)評價模型精度。以刀切法(Jack-knife)檢驗生態(tài)因子權重。使用MaxEnt3.3.3軟件進行模型運算,ArcMap10.7繪圖。AUC取值范圍為0~1.0,AUC<0.6為失敗,0.6≤AUC<0.8為一般,0.8≤AUC<0.9為良好,0.9≤AUC<1.0為優(yōu)秀,數值越接近1.0表明模型越準確。
利用軟件ArcGIS10.2,將MaxEnt模型運算結果以ASCⅡ格式導入,與中國地圖進行疊加,得到狗脊適生區(qū)分布圖。對狗脊蕨的潛在地理分布區(qū)域進行適生等級劃分,根據P值將狗脊蕨潛在分布預測區(qū)分為4個等級:P<0.05為不適生區(qū),0.05≤P<0.25為低適生區(qū),0.25≤P<0.5為較適生區(qū),P≥0.5為高適生區(qū)。
精度由ROC曲線及AUC進行評價,ROC曲線由MaxEnt自帶函數對訓練集進行10次模擬后取均值獲得,AUC=0.989,說明MaxEnt模型預測結果達到優(yōu)秀,可靠性和準確性比較高。見圖2。
圖2 狗脊蕨生態(tài)分布模型ROC曲線
利用ArcGIS統(tǒng)計分析工具和MaxEnt模型結果,發(fā)現(xiàn)狗脊?jié)撛诜植紖^(qū)及其適生區(qū)面積主要分布在秦嶺以南、長江中上游地段,集中在重慶、貴州、廣西、湖南;另外,長江中下游及江南丘陵也有少量分布(見圖3)。與《中國植物志》[2]所載一致。氣候類型以亞熱帶季風氣候為主,其特點是夏季高溫多雨,冬季溫和少雨,降水充沛,植被主要表現(xiàn)為由常綠闊葉林帶逐步過渡為落葉闊葉林帶,狗脊蕨多生于常綠闊葉林林下、林緣及空氣濕潤地區(qū)的次生灌叢中。
圖3 狗脊蕨適生分布區(qū)劃
通過計算狗脊蕨適生區(qū)中不同生態(tài)因子所占比例,可確定其影響的貢獻率。結合表2和圖4可知,5月降水量(40.6%)、最干季降水量(7.2%)、11月降水量(7.2%)、海拔(5.4%)、10月降水量(5.2%)對狗脊蕨適生影響較大,貢獻率≥2%的生態(tài)因子累計貢獻率為77.7%,其中降水量累計貢獻率超過70%,溫度的貢獻率僅為2.3%,海拔占5.4%,由此推測狗脊蕨的生長對土壤水分和空氣濕度要求較高,而對溫度等要求較低。5月降水量的貢獻率排在第一位,顯著高于其他變量,而溫度季節(jié)性變化的標準差、海拔等變量影響較小。主導環(huán)境因子響應曲線見圖5。
表2 影響狗脊蕨分布貢獻率≥2%的生態(tài)因子
圖4 狗脊蕨分布預測模型刀切圖
圖5 狗脊蕨主導生態(tài)因子響應曲線
基于狗脊蕨地理分布信息及生態(tài)因子的研究,利用MaxEnt模型與ArcGIS預測其在中國境內的生態(tài)適生性分布區(qū)。研究表明,5月降水量是影響狗脊蕨分布最主要的生態(tài)因子。由圖5可知,當5月降水量<10 mm時,狗脊蕨幾乎無法生長;當降水量>10 mm,狗脊蕨分布開始急劇上升;15 mm時達到峰值,此時最有利于狗脊蕨生長。由此可見,5月降水量直接影響狗脊蕨的生長情況。10月、11月、最干季降水量>5 mm時,狗脊蕨有生長趨勢,10月降水量>12.5 mm、11月降水量>8 mm、最干季降水量>20 mm時,狗脊蕨生長趨于穩(wěn)定。狗脊蕨在海拔300~2 000 m均有分布,但隨著海拔升高,分布逐漸減少。模擬時影響最大的生態(tài)因子是降水量,與本研究結論相符。
狗脊蕨多生于山谷溝旁或林下陰濕處,喜陰涼濕潤的酸性土壤。鑒于生長特性及生態(tài)因子的影響,狗脊蕨栽培地需保證陰濕環(huán)境及土壤pH值,其他條件要求不高。一般于春、秋季進行,5~6月最好,因狗脊蕨有分株法繁殖和孢子繁殖,梅雨季節(jié)空氣濕度大,生長恢復快。因其根系生長旺盛,繁殖時應保證土層質疏松、透氣,即可正常生長。
研究顯示,狗脊蕨對降水量的適生性范圍較大,野生環(huán)境下的生長地形以秦嶺以南為主。秦嶺山地對氣流運行有明顯阻滯作用,夏季使?jié)駶櫟暮Q髿饬鞑灰咨钊胛鞅?,導致北方氣候干燥;冬季阻滯寒潮南侵,使?jié)h中盆地、四川盆地免受冷空氣侵襲。這種氣候特點可保證秦嶺以南河流不凍,植被以常綠闊葉林為主,土壤多呈酸性。與《中國植物志》[2]所描述的狗脊蕨生長在酸性土壤環(huán)境相一致。
由于本研究采集狗脊蕨的樣點信息來自中國數字植物標本館,大部分信息更新不及時,樣點采集地記載模糊,存在一定的數據偏差。最終被用來建模的信息遠少于采集樣點記錄的信息,對建模的準確性產生一定影響,因此,本研究在某些方面存在瑕疵。
本研究利用MaxEnt模型和ArcGIS軟件確定了影響狗脊蕨生長的生態(tài)因子,模擬并劃分其潛在適生區(qū)。預測結果經ROC曲線顯示AUC=0.989,表明MaxEnt模型預測的狗脊蕨生態(tài)適生性分布區(qū)可信度較高,可為狗脊蕨的資源分布及適生環(huán)境提供可靠數據,有助于狗脊蕨的野生撫育及人工種植參考,對其可持續(xù)利用具有重要指導意義。