基于3S技术和MaxEnt的川牛膝在中国的潜在分布及种植空缺分析

巫明焱　何兰　陈佳丽　董光　程武学

[摘要]研究川牛膝在全国范围的潜在分布及种植空缺，有利于为其实地保护及种植推广工作提供依据。该文结合63个川牛膝地理分布数据和49个相关生态因子，利用3S技术及MaxEnt模型对川牛膝在全国的潜在分布进行预测及种植空缺分析。研究结果表明：①川牛膝在全国潜在分布面积约634 38580 km2，主要分布于四川省的东北部、东南部，云南省的北部、东南部，贵州省的西部、西南部，重庆市的西南部、东北部，陕西省的西南部，甘肃省的东南部，湖北省的西部，广西省的西部，西藏自治区的东南部等区域；②影响川牛膝生长的主要生态因子是降水量、海拔、最冷月极低温度、土壤类型、月均温等；③全国川牛膝种植空缺区域主要位于四川省广元市、绵阳市、雅安市、乐山市、凉山州、攀枝花市，陕西省汉中市，云南省大理自治州、怒江自治州、楚雄自治州、保山市、曲靖市、文山自治州，貴州省黔西南自治州等。该研究结果对掌握川牛膝的生长环境、预测在全国的潜在分布及其栽培推广具有重要意义。

[关键词]川牛膝； MaxEnt模型； 生态因子； 分布； 适宜性； 种植空缺

[Abstract]Research on predictive distribution and planting GAP of Cyathula officinalis in China is helpful to provide scientific basis for its protection and planting popularization According to the data in 63 distribution sites and 49 ecological variables， using MaxEnt ecological niche model and 3S technology， we performed a quantitative analysis of suitable distribution and planting GAP of C officinalis in China Our results show that： ① the area of suitable distribution of C officinalis is about 634 38580 km2 in total， and mainly in Northeastern and Southeastern Sichuan， Northern and Southeastern Yunnan， Western and Southwestern Guizhou， Southwestern and Northeastern Chongqing， Southwestern Shaanxi， Southeastern Gansu， Western Guangxi， Southeastern Tibet ② The main ecological factors determining the potential distribution are precipitation， altitude， minimum temperature of coldest month， soil type， monthly mean temperature ③ The planting GAP region are mainly in Guangyuan， Mianyang， Ya′an， Leshan， Liangshan， Panzhihua of Sichuan province， Hanzhong of Shaanxi province， Dali， Nujiang， Chuxiong， Baoshan， Qujing， Wenshan of Yunnan province， southwestern autonomous prefecture in Guizhou province The results are of great significance for realizing the growth environment， predicting the potential distribution and promoting planting popularization for C officinalis

[Key words]Cyathula officinalis； MaxEnt modeling； ecological factors； distribution； suitability； planting GAP

川牛膝又称白牛膝、拐牛膝，是苋科植物川牛膝Cyathula officinalis Kuan的干燥根[1]。其味甘、性平、微苦，主要化学成分为植物留酮、多糖及阿魏酸等，具有逐瘀通经，通利关节，利尿通淋的效用[2]。川牛膝是著名的川产道地药材之一[3]，主要分布在四川、贵州、云南、湖北、陕西、湖南等地。近年来随着对中药材需求的增加，川牛膝的人工栽培范围也在逐步扩大，但针对其适种条件、适种区域、种植管理方式等还没有较深入的评价指标来权衡种植的适宜性，而且目前人工栽培的方式较粗放，川牛膝品种混杂混交，故市场上川牛膝的品质也参差不齐。因此，采用科学的方法，准确合理的掌握影响川牛膝生长及栽培的生态因子，并开展对川牛膝潜在分布区的预测与评价工作，对掌握川牛膝的实地生长状况、科学推广人工栽培、提升川牛膝质量水平具有重要意义。

近年来，随着3S技术的不断发展，利用遥感数据快速准确的分析中药材的适生条件、适生区域越来越广泛，特别是3S技术在物种保护、物种适宜栽培区域及物种储量估算等方面发挥着重要的作用[46]。生态位模型是利用物种存在数据和影响因子数据，按照特定的方法估算物种的生态位，并投影到待预测区域中，以概率的形式呈现物种生境特征[7]。目前将MaxEnt生态位模型与3S技术结合应用于中药材的潜在分布预测及评价已较为广泛，为中药材的栽培管理提供了准确的数据支撑。张东方等[8]利用最大信息熵模型和GIS技术对当归进行全球适宜性区划，为当归的人工引种栽培及精细化种植管理提供了一定的参考；郭杰等[9]利用MaxEnt模型预测党参的全球生态适宜区，并得出影响其地理分布的生态因子主要是温度因子、降水因子；唐策[10]等利用MaxEnt和GIS技术对翼首草进行适宜性分析，为其野生抚育及GAP种植选址提供了科学的依据。endprint

纵观针对川牛膝的现有研究，大多数都是资源调查概述、品质评价、药材化学研究及部分区域的适宜性分布研究[1114]，对全国范围川牛膝适生区的划分较少，对影响川牛膝栽培条件的定量研究鲜见，对全国川牛膝适宜栽培地的空缺分析则未曾有研究。本文拟结合川牛膝实际分布数据，利用3S技术及MaxEnt生态位模型，对川牛膝在全国范围的潜在分布进行预测，探索影响川牛膝生长的生态因子，并对全国范围内川牛膝适宜栽培区的空缺分析，以期为全国范围川牛膝的物种保护及人工栽培推广提供理论支持及数据支撑。

1材料与方法

11分布数据

川牛膝分布数据主要来源于全球生物多样性信息网络（GBIF，http：//www.gbif.org/）、中国数字植物标本馆（CVH，http：//wwwcvhaccn/）、文献检索及野外手持GPS测量获取。剔除经纬度重复及实际不符合的存在点，最终得到63个存在点信息，并转换为模型支持的CSV格式文件。其中模型运算的47个川牛膝分布点数据见表1。

12环境数据

综合考虑川牛膝栽培及适生地的环境条件[15]，本文共选取了生物气候因子、气温降水因子、地形因子、土壤因子、土地利用类型因子及植被覆盖度度因子共6类49个生态因子用于研究，见表2。生物气候因子及气温降水因子源于世界气候数据库（http：//wwwworldclimorg/），包含19个生物年均气候因子、12个月降水量因子及12个月均温因子，该气候环境数据是利用克里金插值法将全球1950—2000年全球有记录的气象站点观测数据生成的栅格数据；地形因子包含高程、坡度、坡向共3个因子，高程数据源于USGS网站（http：//glovis.usgs.gov/），其中坡度、坡向由DEM数据衍生获取；土壤因子源于世界土壤数据库（http：//webarchive.iiasa.ac.at/），含1个土壤类型因子；土地利用类型因子及植被覆盖度度因子源于世界地图数据库（https：//globalmaps.github.io/），含1个土地利用类型因子和1个植被覆盖度因子。

13模型与方法

生态位模型是利用获取的物种分布数据和相关影响因子，依据一定算法来推算影响物种适宜分布的因素，再以算出的数据投影到其他的时空来预测物种潜在适生区域[1617]。本文采用3S技术结合生态位模型MaxEnt （http：//wwwcsprincetonedu/～schapire/MaxEnt）对川牛膝在中国的适宜生境及影响其生长的主要生态因子进行探究。首先，利用ENVI 54对所有栅格数据进行预处理，并裁剪出全国范围的栅格数据，再利用ArcGIS 102提取研究的所有生态因子，并统一坐标系和统一像元大小，并转换为模型所支持ASCII文件格式；然后，随机选取75%的川牛膝分布點用于构建模型，剩余的25%用于模型的验证与测试，重复迭代运算500次，利用MaxEnt模型初步运算川牛膝的潜在分布；最后筛选主要贡献率的生态因子进行二次MaxEnt模型运算，再利用SPSS 200 评价结果的精确性和稳定性，分析影响川牛膝生长的主要生态因子，并使用ArcGIS 102生成川牛膝潜在分布区及栽培种植空缺区域。本文研究的技术路线见图1。

2结果与分析

21模型精度评价

ROC曲线是根据一系列不同的二分类方式，以真阳性率（灵敏度）为纵坐标，假阳性率（1特异度）为横坐标绘制的曲线[18]。本文利用ROC曲线与横坐标围成的面积来表征预测结果的准确性，值范围为[0，1]，其值越高，预测结果越准确。本文研究结果中运算模型数据的AUC达0965，验证数据的AUC达0946，均达较高的预测精度，表明运算结果的准确性较高，可靠性较强，见图2。

22主要生态因子贡献率

生态因子是影响川牛膝生长的主要因素，不同因子对川牛膝适生区及栽培的影响程度不同。通过刀切法（Jackknife）定量研究了各生态因子对川牛膝适生区的贡献率，结果表明10月降水量对川牛膝生长的贡献率最大，达到398%，其他对川牛膝生长具有影响的生态因子主要是海拔、最冷月极低温度、土壤类型、5，7，8，9，11月降水量、土地利用类型、4，8月平均温度、植被覆盖度、坡度等，累积贡献率达984%。由此可知，充足的降雨量是川牛膝生长的必要条件，高程值限定了川牛膝生长的区域，土壤影响了川牛膝生长的品质，月均温、坡度一定程度的影响川牛膝的生长环境。各主要生态因子的贡献率见表3。

23川牛膝适生条件定量分析

231气温降水因子分析降水量是影响川牛膝生长的最主要因子，气温对其生长环境能造成一定的影响。川牛膝人工栽培一般在3—4月，采收期在11月，由研究可知川牛膝生长周期内需要充足的降雨量，特别是采收期前1个月（10月）对降水量的需求较大。研究表明川牛膝生长全周期适宜的月降水量为100～800 mm，但月降雨量在100～200 mm最合适，见图3。适量并充足的水分能促进其根系的生长发育，但不同月份的降水量不能超过其承受的极限；气温对川牛膝生长的影响主要是生长初期和中期，研究表明月平均温度为15～23 ℃是川牛膝生长的最适宜条件，特别是研究结果中4月和8月平均温度对川牛膝的生长影响较明显，见图3。在人工栽培时应合理控制上述研究中川牛膝生长环境土壤水分和温度以提供良好的生长外界环境。

232地形因子分析海拔是影响川牛膝生长的次重要生态因子，其生长区的海拔具有一定的限制，坡度也会轻微的影响川牛膝的分布见图3。研究表明川牛膝主要生长在1 000～2 800 m的高程，其中1 500～2 500 m是其生长的最佳高度范围；坡度也能一定程度影响川牛膝的生长，研究表明平缓坡更有利于川牛膝的生长，坡度在35°的范围内随坡度的增大，适宜性逐渐增强。坡度在35°范围以上的区域川牛膝分布的可能性相对较小。endprint

233土壤因子分析土壤能为川牛膝的生长提供营养，能影响植株的整体发育。研究表明，川牛膝主要生长在土层深厚、富含有机质、排水性强的山地棕壤、黄壤和紫色土，见图3。所以在进行人工栽培时应当充分考虑栽培区的土壤类型以提供良好的土壤生长环境。

234生物气候因子分析生物气候因子的定量数据能揭示适宜川牛膝生长的生物气候变量幅度范围[19]。研究结果表明所有生物气候因子中最冷月极低温度对川牛膝的生长影响最大，-1～5 ℃是最适宜川牛膝生长的最冷月极低温度范围，见图3。

此外，除上述因子对川牛膝的生长有较大影响外，研究表明，土地利用类型、植被覆盖度对川牛膝的生长也存在轻微影响。川牛膝主要生长在林地边缘及草丛地中，且因其喜阴凉，故生长地的植被覆盖度为20%～60%最佳。

24川牛膝潜在分布区划

将模型的运行结果导入到ARCGIS 102中，依据采样点适生指数P的平均值、标准差及专家经验法将其潜在分布区划分为3个等级：P<0349 27不适宜区，0349 27≤P≤0652 35适宜区，P>0652 35最适宜区。并以此生成川牛膝在全国的潜在分布范围，见图4。

从分布区域来看，川牛膝在全国适宜生长的潜在区域主要集中在中国西南部，即包含四川省的东北部、东南部，云南省的北部、东南部，贵州省的西部、西南部，重庆市的西南部、东北部，陕西省的西南部，甘肃省的东南部，湖北省的西部，广西省的西部，西藏自治区的东南部等区域。

从最适宜分布区域来看，川牛膝生长的最适宜区域主要位于四川省东北—西南走向的沿线区域，云南省北部的东西走向沿线区域，贵州省与云南省接壤的南北走向沿线区域。

从分布区面积，川牛膝在全国潜在适宜生长区域的面积为634 38580 km2，最适宜区生长区面积为128 71491 km2。全国范围川牛膝潜在分布面积最大的是云南省，适宜生长面积达236 63197 km2；其次是四川省，适宜生长面积达184 31699 km2；另贵州省、陕西省、西藏自治区、广西壮族自治区、甘肃省、湖北省适生面积依次减少，见表4。

25川牛膝适宜栽培区空缺分析

依据目前已有调查研究[2021]及查阅相关资料，本文掌握了川牛膝目前在全国范围内的主要栽培种植区有四川省的天全县、宝兴县、荥经县、汉源县、名山县、乐山市金口河区、盐边县、会东县、安县；重庆市的奉节县、巫溪县；湖北省的恩施市；湖南省的龙山县、隆回县；云南省的腾冲县；贵州省的毕节市等区域。将MaxEnt模型预测的川牛膝在全国最适宜生长区与全国已有人工栽种培育区域进行对比分析，利用ArcGIS 102进一步对川牛膝适宜种植区进行空缺分析。研究结果表明川牛膝还有较大面积的适宜栽培的空缺区域，主要分布在四川省广元市的西北部、绵阳的东北部、雅安市的东北部和西南部、乐山市的西南部、凉山州的中部、攀枝花市的东部；陕西省汉中市的西南部；云南省大理自治州、怒江自治州、楚雄自治州、保山市的东部、曲靖市的南部、文山自治州；贵州省的黔西南自治州西部。较典型的县域有宁强县、青川县、平武县、大邑县、芦山县、石棉县、马边县、峨边县、宾川县、吕宁县、永平县、南华县、罗平县、广南县、砚山县、兴义市等区域。因此可依据川牛膝适宜栽培的空缺区域，有依据的合理扩大川牛膝的种植范围，但还需考虑当地实际种植环境，先进行小面积范围的试栽培，再依据试验结果进行推广种植，见图5。

3讨论

川牛膝是川产道地常用中药材，全国每年对该药材的需求量巨大，定量分析影响其生长的生态因子、研究其在全国范围的潜在分布并进行种植空缺分析对掌握川牛膝的适宜生境、促进川牛膝种植空缺区域的推广种植、提升药材品质具有重要意义。

31川牛膝潜在分布结果分析

本文利用MaxEnt模型及3S技术研究了川牛膝在全国范围的潜在分布及种植空缺，利用ROC曲线对研究结果精度评价，其AUC达0965，精度较高，研究结果较准确。但受采样区川牛膝与其它品种混交、样点范围具有一定的区域局限性等影响，研究结果的精度会受到影响。

通过研究，降水量是影响川牛膝生长的关键因素，说明川牛膝生长周期内对水分的需求相对较大，但是水分必须保证在合适的范围内，才能有利于其根部的生长发育。其次是海拔限制了川牛膝潜在分布的区域，最佳的海拔高度为1 500～2 500 m。另外最冷月极低温度、土壤类型等对川牛膝的生长也具有一定程度的影响。本文利用模型对生态因子对川牛膝生长贡献率的研究结果与利用化学成分与川牛膝产区生态环境因素的灰色关联度[22]的结果一致，表明本文对影响川牛膝生长的生态因子进行定量分析的结果较准确。

本文中分析了川牛膝在全国范围的潜在分布，主要集中在四川省、云南省、贵州省、重庆市、陕西省、甘肃省、湖北省、广西省、西藏自治区等地。该研究结果与前人对川牛膝分布区的调查结果[21]相吻合。但是模型预测结果中云南省的面积相对较大，略微超过了四川省的潜在分布面积，这与参与运算的川牛膝样点数据有一定关系，但从研究结果来看，云南省降水充足、土壤肥沃的条件的确有利于川牛膝的生长。另研究中西藏自治区中低海拔的东南区域也存在川牛膝潜在分布的概率，依据中国数字植物标本馆记录，西藏自治区的确有少量野生川牛膝标本采集的记录。

32川牛膝种植空缺及栽培推广

川牛膝种植空缺的分析对其种植推广具有重要意义。本文基于已有川牛膝栽培区域的调查数据进行了全国川牛膝的种植空缺分析。该结果是依据川牛膝最佳适宜生长區域而进行的分析，忽略了模型预测结果中川牛膝适宜度次于最适宜分布的区域，但该结果能更准确的为全国范围内川牛膝的栽培推广提供依据。

川牛膝的品质与其生长的环境有重要的联系。在进行种植推广时，为保证川牛膝的品质，务必依据其生长条件及环境，精细化的管理栽培。首先，保证其生长周期内水分的足而不过；其次，温度的控制，在其生长初期和中期需保证15～23 ℃的最佳适宜温度范围；再次，栽培育种地的选择，需考虑1 000～2 800 m合适的高程及生长地的土壤需考虑排水性强、土层深厚、富含有机质的棕壤型土；还有，依据最冷月极度温度对川牛膝生长影响，过低的温度会直接冻坏该物种，故应随时关注其生长地夜晚的最低温度，但研究表明一定的低温有利于川牛膝生长发育，这与其叶片夜晚呼吸作用的能耗有关，故在采收前期可适度的增大昼夜温差，减少夜晚呼吸能量的损耗，有利于其根部能量的储存，促进其产量的增收；最后，任何植物在进行栽培推广前，必须结合推广地生长环境，先小范围的试种，再依据种植成效进行种植推广。endprint

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[责任编辑吕冬梅]endprint