基于GIS技术的吉林省朝鲜淫羊藿生态特征及适生区研究△

王哲，李波，刘铭琪，姜大成，韩曦英

(长春中医药大学 药学院，吉林 长春 130117)

基于GIS技术的吉林省朝鲜淫羊藿生态特征及适生区研究△

王哲，李波，刘铭琪，姜大成，韩曦英*

(长春中医药大学 药学院，吉林 长春130117)

目的：研究朝鲜淫羊藿在吉林省分布的一般规律及主要影响因素，建立朝鲜淫羊藿在吉林省的适生区划。方法：对朝鲜淫羊藿在吉林省的主要分布区进行实地踏查，记录朝鲜淫羊藿分布点经纬度信息。利用GIS技术，结合对多种生态类型空间数据的使用，获取朝鲜淫羊藿分布点的各项生态数据。利用数学统计的方法对朝鲜淫羊藿的各项生态数据进行统计分析，并明确对朝鲜淫羊藿分布具有显著影响的生态因子。结果：28项生态因子的分析结果，使朝鲜淫羊藿的主要生态特征如地形地貌、气候、土壤、植被等均得以细化。其中海拔、最湿月降水量、最干月降水量、季节降水量变异系数和土壤酸碱度5项生态因子对朝鲜淫羊藿在吉林省的分布具有显著性的影响。而利用以上数据所推导出的朝鲜淫羊藿的适生区域分布在吉林省南部的山区，总面积约为27256km2。结论：利用GIS技术可以直接提取植物分布点的多项生态数据，并以此为基础进一步研究生态因子对植物分布的影响并制定植物的适生范围提供了可能。以上研究表明，利用GIS技术开展野生药用植物的生态研究是切实可行的，为深入开展药用植物生态研究提供了新思路。

朝鲜淫羊藿；GIS；生态特征；Logistic回归；适生区

我国80%以上的中药材来源于野生资源，近30年以来人口膨胀与城镇化建设引起的生境破碎化及过度采挖等因素导致野生中药资源蕴藏量急剧下降，甚至枯竭。建立合理的中药资源调查方法，理清影响药材原植物分布的影响因子和潜在的适宜分布区域，对于中药资源的保护和可持续利用显得尤为必要。

朝鲜淫羊藿EpimediumkoreanumNakai是中药“淫羊藿”的一种主要来源[1]，具有非常重要的药用价值和经济价值。该植物是小檗科淫羊藿属植物在中国东北地区的唯一品种[2]。吉林省长白山区是朝鲜淫羊藿的主要产地，是当地重要的中药资源，极具开发利用价值。但一直以来，对于朝鲜淫羊藿所开展的各项生态与资源调查由于样本量少、研究内容相对有限，无法真正揭示其主要分布规律，限制了朝鲜淫羊藿资源保护与可持续开发利用工作的进一步开展。

本项研究是以朝鲜淫羊藿的生态因子研究为重点，以GIS技术为主要手段，通过多种类型空间数据的使用，获取朝鲜淫羊藿的多项生态因子数据；结合统计学研究，旨在明确朝鲜淫羊藿分布的基本规律和适生区范围，为进一步开展朝鲜淫羊藿资源保护和可持续利用提供理论依据。

1 自然地理概况

吉林省地处中国东北地区中部。全省地势从东南向西北倾斜，全省可分为3个地形区，即东部山地、中部丘陵和西部平原[3]。现有文献资料显示，朝鲜淫羊藿主要以东部山区为主要分布区[4-5]，该区域包括通化市、白山市和延边朝鲜族自治州，区域内有数条东北-西南走向的山脉，气候上属于温带大陆性季风气候，冬季寒冷漫长而干燥，夏季温暖多雨而短促，雨热同季，年降水量一般在600～700mm[6-7]。东部山区由于气候湿润、多被森林植被覆盖、土壤所受淋溶作用较强，土壤反应趋于酸性，由于林下草甸草本植物的作用和枯枝落叶的积累，土壤表层进行着较强烈的腐殖质累计过程。表土中腐殖质含量较高[8-9]。主要植被类型有，落叶阔叶林、落叶针叶林、常绿针叶林、针阔混交林、以及落叶阔叶灌木林，区域内主要植被为长白山植物区系[3，10]。

2 研究方法

2.1野外调查

根据已有相关文献和资料记载[4-5]，获取该植物的大致分布范围，分别于2014年7～8月和2015年8～9月，分两次对吉林省朝鲜淫羊藿分布区进行实地调查。利用GPS获取朝鲜淫羊藿分布点经纬度信息。同时调查朝鲜淫羊藿生长状况和伴生植物等。GPS型号集思宝MG711(北京合众思壮科技股份有限公司)，实时定位精度：2～5 m(2DRMS)SBAS。共获得朝鲜淫羊藿分布点共121个(图1,表1)。

图1 吉林省朝鲜淫羊藿分布点

编号出现区域分布点数量(个)1东丰县22通化县223集安市544抚松县125靖宇县46长白朝鲜族自治县117临江市148敦化市2

全部调查所获得的121个鲜淫羊藿分布点，分布于吉林省的8个县(市)，其中以集安市和通化县分布的朝鲜淫羊藿分布点数量最多。

2.2生态因子获取

利用ArcGIS的Spatical Analysis模块的提取分析功能，结合已有的28项空间数据(表2)，对朝鲜淫羊藿分布点的各项生态因子数值进行提取。全部空间数据由地形地貌类、气候类、土壤类和植被类四大类型空间数据组成。以上空间数据由“中药资源空间信息网格数据库”(http：//www.tcm-resoureces.com)、地球系统科学数据共享平台(http：//www.geodata.cn)和吉林省林业调查规划院提供。

朝鲜淫羊藿各项生态因子数据以分布点所在地的经纬度数值为提取依据，建立由全部分布点(121个)所在地的28项空间数据所组成的数据矩阵，作为开展分析工作的数据来源。

2.3生态因子分析方法

生态因子对于药用植物的生长和发育有着十分重要的作用，因此直接决定着药用植物分布区的范围和面积。利用生态因子开展生物潜在的分布区预测，目前国内采用较多生态位模型有GARP[11]、逻辑回归[12]、最大熵模型(maxent)[13-15]等多种方法。本研究所采用Logistic回归属于概率型非线性回归，是研究二分类(可拓展至多分类)观察结果与影响因素之间关系的多变量分析方法。Logistic回归较多应用与流行病学研究中，如需要分析疾病与各类危险因素之间的定量关系。Logistic回归现已成分处理分类反应数据的常用办法。

Logistic回归模型设应变量Y是一个二值变量，取值为:

另有影响Y取值的m个自变量X1，X2，…，Xm。记P=P(Y=1│X1，X2，…，Xm)，表示在m个自变量作用下阳性结果发生的概率，Logistic回归模型可以表示为:

对上述公式作对数变换，Logistic回归模型可以表示为：

Logistic回归的优势之一，即得到某一因素的回归系数估计值后，便可以得到该因素不同水平下优势比的估计值乃至相对危险度的近似估计值[16]。

利用SPSS 21.0统计软件analyze模块下Binary Logistic功能，对朝鲜淫羊藿生态因子数据阵列开展分析工作。定义α=0.05，以多因素条件Logistic回归分析结果P<0.05的生态因子作为对朝鲜淫羊藿的分布具有显著性影响的生态因子。

对单一生态因子进行分析时，本研究发现朝鲜淫羊藿生态因子数值范围与分布点数量间具有类似正态分布的特点，即生态因子数值普遍集中在一个核心范围，超出核心范围，分布点位数量迅速减少。为便于考察朝鲜淫羊藿分布点生态因子范围，突出主要特点并明确基本规律。通过考察不同条件下分布点数量占总体数量间关系，发现朝鲜淫羊藿分布点数量占80%以上(分布点数量≥97个)的连续区间为可以反映生态因子数值核心范围，即生态特征。本研究利用生态因子数值与分布点数量直方图方式，开展相应生态因子研究工作。

2.4适生区制定方法

利用AcrGIS的裁剪功能，对朝鲜淫羊藿分布具有显著性的影响生态因子的核心分布区间进行相应的裁剪，并将裁剪后的位置信息叠加到吉林省行政地图，得到朝鲜淫羊藿在吉林省的适生区。本研究统计了适生区数量、分布范围及分布面积情况等基础信息。

3 研究结果

3.1显著性生态因子分析

在全部28项生态因子中，海拔、最湿月降水量、最干月降水量、季节降水量变异系数、土壤酸碱度5项生态因子的Logistic回归分析结果(P<0.05)，表明这些生态因子对于朝鲜淫羊藿的分布具有显著性的影响。生态因子分析结果见表2。

表2 生态因子Logistic分析结果

注：*表示生态因子对朝鲜淫羊藿分布具有显著性影响

3.2朝鲜淫羊藿适生区制定

选取对朝鲜淫羊藿在吉林省分布具有显著性影响的5项生态因子，对各项生态因子数值分布范围进行汇总，并计算各生态因子的核心范围。表3显示各项显著性生态因子的全部数值范围和核心范围。

表3 显著性生态因子数值

利用AcrGIS的裁剪功能，对相应空间数据依据核心范围进行裁剪(图2)，并将裁剪后的位置叠加到吉林省行政地图，得到吉林省尺度下的朝鲜淫羊藿适生区域(图3，表4)。

3.3生态因子分析

3.3.1 地形地貌类生态因子

地形地貌类生态因子研究分析了朝鲜淫羊藿分布点的海拔、坡度、坡向、地貌类型数据，数据分析结果见图4。海拔数据显示，朝鲜淫羊藿的海拔核心范围为199～830 m；坡度数据核心范围为0.43～7.85°。

图2 朝鲜淫羊藿显著性生态因子分布区

图3 吉林省朝鲜淫羊藿适生区

坡向数据显示，分布在东南、南向和西向的朝鲜淫羊藿数量较多，但其他各个方向也有分布。地貌数据显示朝鲜淫羊藿点位出现在7种地貌类型中，但在低海拔中起伏山地和低海拔小起伏山地这两种地貌类型中，点位数量最多。

表4 朝鲜淫羊藿适生区分布情况

图4 地形地貌类生态因子分析结果

3.3.2 气候类生态因子

气候类生态因子分析了朝鲜淫羊藿分布点的年平均气温等14项生态因子。朝鲜淫羊藿年平均气温数据核心范围为1.8～5.7 ℃；夏季平均气温核心范围17.4～22.0 ℃，8月最高温核心范围24.8～27.2 ℃；冬季平均温核心范围-16.8～-12.4 ℃，1月份最低温核心范围-26.5～-21.8 ℃；表示温度昼夜变化情况的昼夜温差月均值核心范围12.3～13.1℃；表示温度季节变化情况的温度季节变化的标准差核心范围12 409～13 548；24～26 ℃等温线区域内。朝鲜淫羊藿年平均降水量核心范围746～1005 mm；其中夏季降水量核心范围467～623 mm、8月份降水量核心范围185～263 mm；冬季降水量核心范围27～39 mm，1月份降水量核心范围9～12 mm；反应不同季节降水量差异的季节降水量变异系数87～100之间。

3.3.3 土壤类生态因子

土壤类生态因子分析了朝鲜淫羊藿分布点的土壤类型等8项生态因子。朝鲜淫羊藿主要生长在弱发育淋溶土、薄层黑土上，土壤质地以壤土为主。土壤中含沙量核心范围38%～42%，含黏土量22%～23%，有效含水量为150 mm·m-1。土壤有机含碳量反映了土壤的肥力，核心范围为0.74%～1.95%；土壤阳离子交换能力反映了土壤酸碱度核心范围6.4～6.6。

3.3.4 植被类生态因子

植被类生态因子分析分析了朝鲜淫羊藿分布点的植被大类和优势树种2项生态因子。朝鲜淫羊藿主要生长在以天然植被为主的区域，以植被大类以阔叶林和灌丛为主；阔叶林中主要的优势树种以蒙古栎为主，同时也包括部分糠椴、蒙椴、元宝槭。

4 结果讨论

4.1朝鲜淫羊藿适生区研究

本研究制定的朝鲜淫羊藿适生区表明，吉林省朝鲜淫羊藿适生区相对集中，范围较为狭窄。适生区主体位于吉林省南部地区，特别是通化和白山两市，与实地调查中，在集安市和通化县获得朝鲜淫羊藿分布点数量最多的结果一致，反映了本研究制定的朝鲜淫羊藿适生区结果的正确性。朝鲜淫羊藿适生区覆盖有20个县(市、区)，总面积27 256 km2。其中适生区占县域面积比值最高的3个县市分别为通化市通化县和柳河县和白山市抚松县。本研究也存在某些县域内存在大面积朝鲜淫羊藿适生区，但在实地调查中未发现朝鲜淫羊藿分布的问题，如辉南县、柳河县等。这个问题的出现有以下两方面原因：①部分县市曾经有朝鲜淫羊藿的分布，但受到人为活动影响，资源量减少，因此在实地调查中未发现；②朝鲜淫羊藿在生长中还受到其它未知因素的影响，在本研究中尚未明确。

图5 气候类生态因子分析结果

图6 土壤类生态因子分析结果

图7 植被类生态因子分析结果

4.2朝鲜淫羊藿生态因子分析结果

生态因子分析利用数据矩阵获得了较以往研究更多且更为详细的生态数据。在现有条件下，利用Logistic回归，可以明确对朝鲜淫羊藿分布具有显著性影响的5项生态因子。同时，在分析过程中，也发现了朝鲜淫羊藿生态因子数值范围与分布点数量之间的一些规律，所采用的生态因子数值与分布点数量直方图研究法，改变了传统对数据进行单一汇总式的研究方式。生态因子研究结果，反映了朝鲜淫羊藿植物生长过程中的一些特点，并与朝鲜淫羊藿适生区整体生态特征高度一致。地形地貌和植被反映出，朝鲜淫羊藿适宜生长在长白山区的中、低海拔山地丘陵地区，这些地区普遍具有天然植被丰富的特点。同时以蒙古栎为代表的阔叶林也是朝鲜淫羊藿生长的重要条件。气候生态因子反映出朝鲜淫羊藿适生区具有夏季炎热、降水丰富，而冬季寒冷、降水稀少，季节温度变化和昼夜温度均较为明显的特点。这些特点与朝鲜淫羊藿适生区整体处于大陆性气候区有关。土壤生态因子反映出朝鲜淫羊藿适生区土壤特点。土壤类型以长白山区常见的壤土为主，而且含沙量和和含粘土量均较为固定，并且对于土壤中有机养料、水分含量和酸碱度均有较高的要求。

由于条件所限，本研究所能利用的生态因子数量有限，因此无法进一步全面开展各类生态研究；同时又由于普通空间数据，特别是植被类空间数据由于调查方法和形成时间的问题，可能与实际结果间存在一定差异；最后，在开展针对生态因子数据矩阵研究过程中，由于研究方法限制，未能明确各生态因子之间的联系，也无法明确多组生态因子对植物的共同作用结果，这是本研究中存在的问题，也是后续工作中需要着力解决的问题。目前对于药用植物生态研究，特别是针对生境特点的研究较少，因此一些权威的文献资料对于药用植物的生境描述也十分简单。如《中国植物志》记载的朝鲜淫羊藿产于吉林、辽宁、浙江、安徽。朝鲜北部及日本有分布。生于林下或灌丛中。海拔400～1500 m。本项研究将吉林省朝鲜淫羊藿的一些生境特点，特别是对朝鲜淫羊藿生长有直接影响的生境特点进行了细化，划设了朝鲜淫羊藿适生区，考察了朝鲜淫羊藿生长所需要的海拔、地形、地貌、土壤等生态因子。这项研究结果与传统文献相比，恰恰能够反映出植物在不同的地区和生态环境下，所具有的独特的分布特点和分布规律。在方法上，本项研究利用GIS技术，结合对空间数据的使用，开展了对吉林省朝鲜淫羊藿的分析研究工作。以本项研究为例，分布于全省范围内的121个朝鲜淫羊藿分布点均为2013年以后调查数据，无论是数据量还是分布点的分散程度都较以往针对一个或有限的几个的样本的研究结果更为真实可信。GIS技术和空间数据的使用，使中药资源研究思路得到了极大的拓宽，而相关数学统计模型则确保了数据分析过程的准确和科学。因此，本项研究在获得传统调查结论如海拔、植被的同时，更获取了一些专项数据，如专业的土壤类数据和气候类数据，并且准确性更高。本项研究不仅吉林省朝鲜淫羊藿生态研究的基础，更为今后开展朝鲜淫羊藿资源保护及资源开发利用提供了重要的参考。

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EvaluationforEcologicalTrailandSuitableDistributionAreaofEpimediumkoreanumNakaiinJilinProvinceBasedonGISTechnology

WangZhe，LiBo，LiuMingqi，JiangDacheng，HanXiying*

(ChangchunUniversityofChineseMedicine，SchoolofPharmaceuticalSciences，Changchun130117，China)

Objective：To study the general distribution rules and the main influence factors ofEpimediumkoreanumNakai in Jilin Province，and establish the ecological suitability distribution.Methods：A field survey was carried out to record the longitude and latitude ofE.koreanumNakai in the main distribution areas in Jilin Province.The ecological data of the distribution areas were obtained using GIS technology and a variety of ecological types of spatial data.Mathematical statistics method was used to analyze the ecological data，and clarified the ecological factors which were significant influence on the distribution.Results：Five of the twenty eight ecological data，include altitude，the wet monthly precipitation，the dry monthly precipitation，coefficient of variation of seasonal precipitation and soil pH degree were significant impact the distribution ofE.koreanumin Jilin Province.The suitable distribution area ofE.koreanumwere mainly distributed in the mountainous and semi-mountainous areas of southern Jilin Province，the total area was about27256km2.Other major ecological factors such as topography，climate，soil，vegetation were also refined.Conclusion：GIS technology can directly extract multi-types ecological data of distribution areas，and study the influence of ecological factors on the distribution of plants and formulate the plant suitable distribution area.The above research showed that use GIS technology to carry out the ecological research of wild herbs，and provides a new idea for the further development of the ecological research of wild herbs.

EpimediumkoreanumNakai；GIS technique；ecological trail；logistic regress；suitable distribution area

10.13313/j.issn.1673-4890.2016.7.020

2016-02-01)

吉林省中医药科技项目(2014-Q22)

*

韩曦英，讲师，研究方向：长白山中药资源数据分析；Tel：(0431)86172193，E-mail：447412984@qq.com