基于最大熵模型和地理信息系统的竹节参生态适宜性研究

2020-10-14成希吕蓉韦翡翡马毅王振恒晋玲

中国中医药信息杂志 2020年9期

关键词：竹节参贡献率因子

成希，吕蓉，韦翡翡，马毅，王振恒，晋玲

资源调查

基于最大熵模型和地理信息系统的竹节参生态适宜性研究

成希1，吕蓉1，韦翡翡1，马毅1，王振恒1，晋玲1，2

1.甘肃中医药大学药学院，甘肃兰州 730000；2.中（藏）药资源研究所，甘肃兰州 730000

研究竹节参在我国的生态适宜性区划，为竹节参的规范化栽培提供可靠的参考依据。通过查阅中国数字植物标本馆（CVH）和实际调查获得的竹节参地理信息，运用最大熵模型和ArcGIS10软件分析得到其生态适宜性区划。影响竹节参生长的4个主要生态因子为9月降水量、坡度、11月温度、温度季节性变化标准差。竹节参适宜生长区为甘肃东南部、陕西南部、四川中南部、西藏自治区东南部、云南东部、贵州西部、重庆南部、湖北西部、湖南南部、广西壮族自治区北部、浙江西南部。本研究可为我国竹节参野生资源的保护及规范化种植提供重要参考依据。

竹节参；生态适宜性；最大熵；地理信息系统；生态因子

竹节参为五加科人参属植物竹节参C.A.Mey.的干燥根茎[1]，别名白三七、竹根七、竹节人参等。最早记载于《本草纲目拾遗》[2]。其有效成分主要为三萜皂苷类，如竹节人参皂苷、人参皂苷、三七皂苷、伪人参皂苷等，具有散瘀止血、滋补强壮、止痛、祛痰作用。随着近年来需求量加大，野生资源不断被破坏，目前竹节参的栽培种植技术尚未成熟，栽培品种存在农药残留量较高、质量差异较大等缺点。

目前虽有相关竹节参分布概况及生态环境的报道[3]，但全国范围的适宜生长概况还未见相关研究。为此，笔者通过查阅中国数字植物标本馆（CVH）及实地调查，运用最大熵（MaxEnt）模型，并结合地理信息系统（GIS）分析其主要生态分布地区，探讨竹节参药材分布和生态环境之间的关系，为我国竹节参的野生保护和栽培种植提供参考。

1 材料与方法

1.1 仪器及样本来源

便携式卫星导航仪（GARMIN GPSMAP60CSX，GPS），北京佳明航电科技有限公司。

查阅相关文献明确竹节参分布范围，2018年11月－2019年1月采集竹节参样本，记录地理位置信息和生境；查阅CVH，收集竹节参的经纬度信息。将这些信息保存为.csv格式。

1.2 研究方法

查阅“中药资源空间信息网格数据库”（http:// www.tcm-resources.com/），得到可能影响竹节参生长的55种生态因子数据。

1.2.1 最大熵模型参数设置

将.csv格式数据传入MaxEnt软件，导入所有生态因子。模型参数：用85%竹节参数据建模，另外15%数据用于模型验证。设置最大迭代次数为106，其余选项为默认值，设置ROC评价曲线和刀切法（jackknife）检验权重，通过观察AUC值评测模型精度。

1.2.2 最大熵模型预测

将竹节参信息及55个生态因子导入MaxEnt模型中进行迭代运算，每次运算完剔除结果中贡献率为0的生态因子，直至无贡献率为0的生态因子出现，停止运算，最终得到45个对竹节参生长具有贡献率的生态因子。

1.2.3 竹节参在我国的生态适宜性区划分析

将MaxEnt运行结果中最后一次的.asc格式文件导入ArcGIS10软件，用栅格提取工具将竹节参分布信息转化为栅格文件，然后导入我国行政区划边界图，裁剪出与栅格提取图叠加的部分。在属性表中找出判断生态适宜度值的相关信息，利用ArcGIS10软件中空间分析的重分类工具把竹节参分为以下3个等级：以[0，最小值]为不适宜区，[最小值，平均值－标准差]为次适宜区，[平均值－标准差，1]为最适宜区，得到竹节参在我国生态适宜区划分布图。

2 结果与分析

2.1 模型预测评价

模型预测精度由ROC曲线下面积（AUC）测量，AUC值最大为1，预测结果最佳值范围是0.9～1.0，竹节参MaxEnt模型ROC曲线训练数据集AUC＝0.984，测试数据集AUC＝0.968，趋近于1，表明由MaxEnt模型预测结果很好，得到的竹节参生态适宜性具有很高的准确度和可信度。

2.2 主要生态因子的选择

55个生态因子经5次MaxEnt运算后剩余45个具有贡献率的生态因子，其中有35个气候生态因子（74.073%）、6个土壤因子（6.668 3%）、3个地形因子（17.689 6%）、1个植被类型因子（1.569 1%）。

其中影响最大的有4个生态因子总贡献率为66.539 3%，其贡献率及适宜值范围分别为：9月降水量贡献率为35.683 4%，适宜值为72～172 mm；坡度贡献率12.911 6%，适宜值为28～46°；11月温度贡献率10.532 3%，适宜值为12.6～23.5 ℃；温度季节性变化标准差贡献率7.412%，适宜值为145～170。

2.3 竹节参在我国的生态适宜性区划分布

我国竹节参较高适宜度主要集中在甘肃东南部、陕西南部、四川中南部、西藏自治区东南部、云南东部、贵州西部、重庆南部、湖北西部、湖南南部、广西壮族自治区北部、浙江西南部，见图1。这与资源调查来源的竹节参实际分布位置相一致。基于图1并参照实际情况及CVH近年分布情况，可得出竹节参在我国最适宜生长的具体地理分布，见表1。

图1 竹节参在我国的生态适宜性区划图

表1 竹节参在我国的最适宜生长区分布概况

省份县域甘肃省陇南市文县、礼县、康县、成县、徽县等陕西省宝鸡市凤县、太白县，汉中市留坝县、佛坪县，安康市宁陕县、旬阳县等四川省乐山市峨边彝族自治县、马边彝族自治县，凉山彝族自治州甘洛县、越西县、喜德县、美姑县、雷波县、金阳县、布拖县、普格县，阿坝藏族羌族自治州茂县、理县、汶川县，雅安市芦山县、天全县、宝兴县，成都市等西藏自治区山南市错那县、隆子县，林芝市朗县、米林县、墨脱县、波密县、察隅县、工布江达县等云南省红河哈尼族彝族自治州绿春县、元阳县、蒙自市、金平苗族瑶族傣族自治县，文山壮族苗族自治州富宁县、马关县等贵州省六盘水市水城县、六枝特区，安顺市普定县，毕节市纳雍县、大方县、赫章县，黔西南布衣族苗族自治州兴义市、兴仁县、晴隆县、普安县等重庆市城口县、彭水苗族土家族自治县、武隆县等湖北省宜昌市兴山县、秭归县、五峰土家族自治县、长阳土家族自治县，神农架林区，恩施土家族苗族自治州巴东县、鹤峰县等湖南省邵阳市新宁县、城步苗族自治县，永州市东安县，株洲市炎陵县，娄底市新化县等广西壮族自治区百色市隆林各族自治县、田林县、乐业县，桂林市龙胜各族自治县、资源县、灌阳县等浙江省杭州市淳安县、桐庐县、建德市，金华市浦江县、武义县、兰溪市，丽水市遂昌县、松阳县、缙云县、庆元县，台州市仙居县等

3 结论

本研究显示，55个生态因子经MaxEnt模型预测分析剩余45个有贡献率的因子。其最大的4个生态因子为9月降水量（35.683 4%）＞坡度（12.911 6%）＞11月温度（10.532 3%）＞温度季节性变化标准差（7.412%）。表明竹节参生于年平均降水量相对较多的地区，由于9月为竹节参的果期，故对降水的要求相对较高，从模型运算结果看，竹节参适宜生长在空气湿度较大的林地与其实际生境相符。由此得出竹节参生长适宜区为甘肃东南部、陕西南部、四川中南部、西藏自治区东南部、云南东部、贵州西部、重庆南部、湖北西部、湖南南部、广西壮族自治区北部、浙江西南部。试验所得分布区与文献记载的竹节参分布区域基本吻合。

竹节参药材目前有野生和栽培品种。相关研究表明，栽培品种在性状、显微特征、化学成分等方面与野生品均有一定差异[4]，其主要原因是生长环境不同。野生状态下的竹节参几乎无病虫害发生，但对生长环境要求较高。鉴于环境日益恶化导致野生竹节参分布量不断减少，本研究可为竹节参野生资源保护和栽培区域选择提供参考，以实现野生资源的可持续利用。

[1] 国家药典委员会.中华人民共和国药典：一部[M].北京：中国医药科技出版社,2015：138-139.

[2] 国家中医药管理局《中华本草》编委会.中华本草[M].上海：上海科学技术出版社,1999：832.

[3] 涂星,徐新华,张燕,等.恩施地区濒危野生竹节参生态环境及伴生植物群落特征研究[J].中国中药杂志,2016,41(9)：1596-1601.

[4] 关乔中,张海滨,毛帅,等.鄂西竹节参野生品与栽培品的比较研究[J].中药材,2013,36(2)：171-175.

Study on Ecological Suitability of Panacis Japonici Rhizoma Based on MaxEnt Model and GIS

CHENG Xi1, LYU Rong1, WEI Feifei1, MA Yi1, WANG Zhenheng1, JIN Ling1,2

To study the ecological suitability of Panacis Japonici Rhizoma in China; To provide a reliable reference for the standard cultivation of Panacis Japonici Rhizoma.The geographic information of Panacis Japonici Rhizoma was obtained by consulting Chinese virtual herbarium (CVH) and actual investigation. The ecological suitability zoning was obtained by using MaxEnt model and ArcGIS software.The four main ecological factors affecting the growth of Panacis Japonici Rhizoma were precipitation in September, slope, temperature in November, and standard deviation of seasonal changes in temperature. The resultsshowed that the suitable growth areas of Panacis Japonici Rhizoma were southeastern Gansu, southern Shaanxi, south central Sichuan, southeastern Tibet, eastern Yunnan, western Guizhou, southern Chongqing, western Hubei, southern Hunan, northern Guangxi Zhuang Autonomous Region, and southwestern Zhejiang.This study can provide an important reference for the protection and standardized cultivation of wild resources of Panacis Japonici Rhizoma.

Panacis Japonici Rhizoma; ecological suitability; MaxEnt; GIS; ecological factor