基于MaxEnt模型和GIS的糙叶败酱生态适宜性研究

2020-11-19成希王莉陈博韦翡翡孙少伯晋玲

中国中医药信息杂志 2020年11期

关键词：贡献率因子生长

成希，王莉，陈博，韦翡翡，孙少伯，晋玲

资源调查

基于MaxEnt模型和GIS的糙叶败酱生态适宜性研究

成希1，王莉1，陈博1，韦翡翡1，孙少伯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

通过研究糙叶败酱在我国的生态适宜性区划，为其野生资源保护和栽培提供参考依据。通过查阅中国数字植物标本馆并结合实际调查得到糙叶败酱地理信息，运用最大熵（MaxEnt）模型和ArcGIS软件分析得到其生态适宜性区划。影响糙叶败酱生长的8个主要生态因子为温度季节性变化标准差、坡度、土壤类型、年均温变化范围、年平均气温、7月降雨量、最湿月降水量、土壤酸碱度。结果显示，糙叶败酱适宜生长区为甘肃省东南部、陕西省北部、山西省全境、河北省北部及与山西省接壤地区、河南省北部、北京市北部、辽宁省西部及内蒙古南部。本研究结果可为糙叶败酱野生资源的保护及规范化种植提供重要参考依据。

糙叶败酱；生态适宜性；最大熵；地理信息系统；生态因子

糙叶败酱（Pall.）Juss.（Bunge）H. J. Wang为败酱科败酱属植物，在我国主产于内蒙古、青海，以及甘肃南部、宁夏，为多年生草本植物，生于较为干燥草丛中[1]。其干燥根及根茎或鲜品可供药用，性凉，味苦、微酸涩，有理气、燥湿、止血、清热解毒功效。目前其药理研究主要集中于抗肿瘤作用及其相关机制，具有广阔的应用前景。目前，糙叶败酱主要采集野生资源供药用，但一味采集野生资源必将造成资源量下降及供不应求的局面，且野生资源质量不易控制，因此需要对其生态环境及适宜生长的环境进行研究，为其栽培研究提供一定的科学依据。

笔者通过查阅中国数字植物标本馆（Chinese Virtual Herbarium，CVH）及实地调查得到糙叶败酱经纬度信息共165份，运用最大熵（MaxEnt）模型加以分析，得到影响其分布的主要生态因子，结合地理信息系统（GIS）分析其主要生长分布的地区，得到糙叶败酱的生态适宜性区划。

1 材料与方法

1.1 仪器

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

1.2 样本信息

查阅相关文献[1]明确糙叶败酱分布范围，采集糙叶败酱样本，记录地理位置信息和生境；查阅CVH，收集糙叶败酱的经纬度信息，并保存为.csv格式。

1.3 生态因子数据来源

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

1.4 最大熵模型参数设置及预测

将.csv格式数据传入MaxEnt3.4.1软件，导入所有生态因子。用85%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、响应曲线和刀切法（jackknife）检验权重，以ROC曲线下面积（AUC值）评测模型精度。

将糙叶败酱地理位置信息及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24个对糙叶败酱生长具有贡献率的生态因子。

1.5 生态适宜性区划分析

将MaxEnt模型运行结果中最后一次的.asc格式文件导入ArcGIS10软件，用栅格提取工具将糙叶败酱分布信息转化为栅格文件，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分为以下3个等级：[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，得到糙叶败酱在我国生态适宜性区划分布图。

2 结果与分析

2.1 模型预测评价

模型的预测精度由AUC值评价，数值最大为1，预测结果最好的值的范围是0.9～1.0。糙叶败酱MaxEnt模型ROC曲线训练数据集AUC＝0.993，测试数据集AUC＝0.982，趋近于1，表明MaxEnt模型预测结果很好，得到糙叶败酱生态适宜性具有很高准确度和可信度。ROC曲线见图1。

图1 训练集ROC曲线

2.2 主要生态因子选择

55个生态因子经8次MaxEnt运算后剩余24个具有贡献率的生态因子，包括15个气候因子（62.67%）、5个土壤因子（17.75%）、3个地形因子（18.21%）、1个植被类型因子（1.37%）。其中影响最大有8个生态因子，总贡献率为84.31%。各生态因子贡献率及适宜值范围：温度季节性变化标准差贡献率为17.00%，适宜值为86～143；坡度贡献率13.22%，适宜值为10°以上；土壤类型贡献率为11.80%，适宜生长在岩性土、不饱和始成土、潜育始成土、酸性硫酸盐冲积土、黑钙土、松软盐土；年均温变化范围贡献率为11.13%，适宜值为35～43 ℃；年平均气温贡献率为10.06%，适宜值为2.5 ℃以上；7月降雨量贡献率为8.88%，适宜值为124～158 mm；最湿月降水量贡献率为6.84%，适宜值为118～180 mm；土壤酸碱度贡献率为5.38%，适宜值为pH 6.2～8.8。

2.3 生态适宜性区划

糙叶败酱较高适宜度分布区主要集中在甘肃东南部、陕西省北部、山西省全省、河北省北部及与山西省接壤地区、河南省北部、北京市北部、辽宁省西部及内蒙古南部，与文献[1]调查一致。另参照实际情况及CVH近年分布情况，得出糙叶败酱在我国的最适宜生长区的具体地理分布。详见表1、图2。

表1 糙叶败酱适宜生长区分布概况

省份区（县）域甘肃省庆阳市西峰区、华池县、环县、合水县、宁县、正宁县、镇原县，平凉市崇信县、华亭市、泾川县、灵台县、静宁县，白银市会宁县等陕西省延安市安塞区、黄陵县、黄龙县、宜川县、洛川县、富县、延长县、延川县、甘泉县、吴起县、志丹县、子长市，渭南市韩城市、白水县、合阳县、澄城县，铜川市宜君县、耀州区，咸阳市长武县、旬邑县，榆林市吴堡县、清涧县、绥德县、子洲县，商洛市洛南县、丹凤县、商南县等山西省全省河北省张家口市张北县、尚义县、万全区、怀安县、宣化区、怀来县、阳原县、蔚县、赤城县，承德市承德县、兴隆县、滦平县、平泉市、宽城满族自治县等河南省三门峡市渑池县、灵宝市、陕州区、卢氏县，洛阳市洛宁县、栾川县、嵩县、汝阳县、宜阳县、新安县、伊川县，南阳市西峡县、南召县、内乡县，平顶山市鲁山县、宝丰县、郏县，郑州市登封市等北京市延庆区、昌平区西部、门头沟区西部、房山区西部、怀柔区北部等内蒙古自治区赤峰市宁城县、乌兰察布市兴和县等辽宁省朝阳市建平县、凌源市、喀喇沁左翼蒙古族自治县，葫芦岛市建昌县、南票区等

图2 糙叶败酱生态适宜性区划

3 结论

本研究显示，可能对糙叶败酱生长有影响的55个生态因子经MaxEnt模型预测分析剩余24个有贡献率的因子。贡献率最大8个生态因子贡献率为：温度季节性变化标准差（17.00%）＞坡度（13.22%）＞土壤类型（11.80%）＞年均温变化范围（11.13%）＞年平均气温（10.06%）＞7月降雨量（8.88%）＞最湿月降水量（6.84%）＞土壤酸碱度（5.38%）。表明糙叶败酱适宜生长在空气湿度较小、土壤水分较小的草地或山地，年平均温度较低的地区，与其实际生境相符。本研究得出糙叶败酱生长适宜区为：甘肃省东南部、陕西省北部、山西省全境、河北省北部及与山西省接壤地区、河南省北部、北京市北部、辽宁省西部，以及内蒙古南部。试验所得分布区与文献记载糙叶败酱的分布区域基本吻合。

目前，糙叶败酱在甘肃、山东、青海、内蒙古等地区是较常用药材，市场需求越来越大，而来源仅依靠采集野生资源，导致其野生资源蕴藏量急剧下降，分布量不断减少。本研究可为糙叶败酱野生资源的保护和栽培区域的选择提供参考，所用方法也可应用于其他濒危野生药材生态适宜性研究，以促进实施适宜性区域种植及野生资源保护，确保药用植物资源可持续利用。

[1] 中国科学院中国植物志编辑委员会.中国植物志[M].北京：科学出版社,1993：296-298.

Study on Ecological Suitability ofBased on MaxEnt Model and GIS

CHENG Xi1, WANG Li1, CHEN Bo1, WEI Feifei1, SUN Shaobo1, JIN Ling1,2

To study the ecological suitability ofin China; To provide a reliable reference for the protection and cultivation of wild resources of.The geographic information ofwas obtained by consulting Chinese Virtual Herbarium (CVH) and actual surveys. The ecological suitability division was obtained by using MaxEnt model and ArcGIS software.The eight main ecological factors affecting the growth ofwere the standard deviation of seasonal changes in temperature, slope, soil type, annual average temperature change, annual average temperature, rainfall in July, wettest monthly rainfall, and soil pH. The resultsshowed that the suitable growth areas ofwere southeastern Gansu, northern Shaanxi, the whole area of Shanxi, northern Hebei and the areas bordering Shanxi, northern Henan, northern Beijing, western Liaoning and southern Inner Mongolia.This study provides important references for the protection of wild resources and standardized planting of.

; ecological suitability; MaxEnt; ArcGIS; ecological factors