基于最大熵模型和地理信息系统的风轮菜适生区预测

2022-09-28万柄麟秦委张虹杨明霞刘守金

中国中医药信息杂志 2022年10期

万柄麟，秦委，张虹，2，杨明霞，刘守金，2

1.安徽中医药大学药学院，安徽合肥 230013；2.安徽省中医药科学院中药资源保护与开发研究所，安徽合肥 230013

风轮菜(Benth.)O.Kuntze为多年生草本植物，是中药材断血流的重要来源，于1977年起被《中华人民共和国药典》收录，以其干燥地上部位入药，味微苦、涩，性凉，归肝经，具有收敛止血功效，2016年被列入安徽省“十大皖药”，目前已被开发成断血流片、断血流胶囊及断血流颗粒。近年来由于城市化进程加快，风轮菜适宜生长区遭到严重破坏，再加上过度采挖，致使其野生资源储藏量难以满足市场需求。为此，选择适生地区对风轮菜开展野生抚育及人工栽培是当前切实可行的办法。笔者依据收集所得的风轮菜分布数据及相关环境变量，采用最大熵（MaxEnt）模型和ArcGIS软件对其潜在的适宜生长区进行预测，以期为风轮菜的可持续开发利用提供参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

收集中国数字植物标本馆（https://www.cvh.ac.cn/）、中国自然保护区标本资源共享平台（http://www.papc.cn/）、全球生物多样性信息网络（https://www.gbif.org/），以及笔者参与的全国第四次中药资源普查结果中风轮菜的分布数据，共得到4009条相关信息，除去不准确、相邻及重复数据，最终获得451条，具体的地理分布情况见图1。对获取的地理分布信息按照MaxEnt3.3.3软件要求，整理成植物名、经度、纬度格式的三列表，并保存为.csv文件备用。

图1 全国风轮菜样点分布

1.2 环境因子

环境因子数据来源于中药资源空间信息网格数据库（http://www.tcm-resources.com/），共包含气候、土壤、地形、植被四大类55个变量气候类因子43个，由12个月的月降水量（prec1～12）、12个月的月平均温度（tmean1～12）及19个综合气候类因子组成（见表1）；土壤类因子8个，分别是土壤酸碱度（pH）、土壤的阳离子交换能力（trylzjhnl）、土壤含黏土量（ntl）、土壤含沙量（hsl）、土壤有效水含量等级（tryxsfhldj）、土壤亚类（soiltype）、土壤质地分类（trzdfl）及有机碳含量（yjthl）；地形类因子3个，包括海拔（altitude）、坡度（slope）、坡向（aspect）；植被类因子1个，为植被亚类（zblx）。利用ArcMap10.7对其进行预处理，并通过conversion工具将数据转换成ASCⅡ格式备用。

表1 影响风轮菜分布的气候类因子

1.3 地图数据

本文所用中国地图国界矢量图与中国行政区划图均来自国家基础地理信息系统网站（http://nfgis.nsdi.gov.cn/），分辨率为1∶400万。

1.4 模型构建及环境因子筛选

将风轮菜地理分布数据与选取的环境因子数据导入MaxEnt模型，并对模型参数进行设置。选取响应曲线与刀切图对环境因子的适应度及重要性进行评价，并随机抽取25%的数据用于测试，余下75%数据作为训练集进行建模，设置最大迭代次数为10，Bootstrap重复运算10次，其余参数保持不变，最终得到用于评价模型精度的受试者工作特征曲线（ROC）、相关环境变量所对应的贡献率及响应曲线、模型刀切图的处理结果。综合刀切图的表达与贡献率的大小，筛选出在风轮菜分布中起主导作用的环境因子。

1.5 适宜分布区预测

选取MaxEnt模型运算结果中的ASCⅡ格式文件，并将其导入ArcGIS软件，叠加中国地图，再进行相应地图层处理后，得到风轮菜分布的概率区划图。依据统计学原理，将＜0.05的区域定义为非适生区，再根据值大小，将0.05≤＜0.25划为低度适生区，0.25≤＜0.5划为中度适生区，≥0.5划为高度适生区。

2 结果与分析

2.1 模型准确度评价

通过MaxEnt模型多次运算，得出风轮菜生态分布模型的ROC曲线AUC=0.968，表明模型准确度较高，预测结果较为可靠。见图2。

图2 风轮菜生态分布模型ROC曲线

2.2 主导环境因子

依据MaxEnt模型计算结果，贡献率＞1%的影响因子有：年均降水量、10月份降水量、6月份降水量、11月份平均温度、4月份降水量、2月份降水量、12月份平均温度、3月份降水量等（见表2）。其贡献率总和为86.7%。结合刀切法的处理结果（见图3），最终确定影响风轮菜适宜分布的主导环境因子为：年均降水量、10月份降水量、6月份降水量、11月份平均温度与4月份降水量。具体的主导环境因子响应曲线见图4。

图3 风轮菜生态分布模型刀切图

图4 风轮菜主导环境因子响应曲线

表2 影响风轮菜分布贡献率＞1%的环境因子

2.3 适生区预测

ArcGIS软件加载MaxEnt模型运算结果后显示，风轮菜在我国的适生区较广，东西和南北跨度均较大。

其中，高度适生区主要分为3个部分，分别是我国华东、中南与西南地区，其中华东地区包括浙江、上海、江西、江苏南部、安徽南部及大别山区、福建北部、台湾山区及台北，中南地区包括湖南、湖北西部、广东及广西北部，西南地区涉及贵州、重庆南部、云南、四川、西藏山区。代表山脉有云南五莲峰、无量山、高黎贡山、怒山，四川大雪山、雀儿山，西藏唐古拉山、芒康山、伯舒拉岭。中度适生区基本在我国南部，低度适生区主要分布在华北及东北地区。见图5。

图5 风轮菜适生区分布区划

3 讨论

3.1 适生区分布

据《中国植物志》载，风轮菜产自我国山东、浙江、江苏、安徽、江西、福建、台湾、湖南、湖北、广东、广西及云南东北部，与模型预测结果基本一致。但通过模型预测，风轮菜在河南及华北地区也能生长。《救荒本草》记载风轮菜“生密县田野中”，经考证，密县即今河南新密市，表明该地较早时期便有风轮菜分布。王瑞祥等在山西省灵石县、乡宁县等地发现风轮菜分布，郭建刚等通过调查明确河北省存在大量的风轮菜分布。以上情况为河南与华北地区存在风轮菜的分布提供了有力证明，再考虑到本研究模型预测结果的精准度较高，因而可为当前风轮菜的产地补充提供参考。值得注意的是，本模型的计算结果是基于最理想状态预测风轮菜可能分布的最大范围，且排除非生物因素对分布的影响，故存在一定的局限性。

3.2 主导环境因子组成

根据环境因子的贡献率与刀切图，本研究确定影响风轮菜分布的主导环境因子为年均降水量、10月份降水量、6月份降水量、11月份平均温度、4月份降水量。其中，降水量因子贡献率占56.6%，表明降水对风轮菜的生长起决定作用。再对主导环境因子的响应曲线进行分析，发现当年均降水量达500 mm时，风轮菜的存活率达到峰值。由风轮菜适生区划图可知，其适生区的气候类型有热带季风气候、亚热带季风气候、温带季风气候与高原高山气候。季风气候的明显特征是年均降水量多，高原高山气候的特征是在一定高度内，湿度大、多云雾、降水多，这都能满足风轮菜在生长过程中对水分的需求。此外，相关研究表明，植物在花果形成过程中，对体内水分的依赖会增强，不当的干旱缺水会破坏植物体内正常的运行机制。花果期在5－10月的风轮菜在获得充足水分供给后，自身的生长发育便得到了保证。其次，风轮菜在每年11月份左右会进入休眠期，但气温过低会阻碍这一进程，因而11月份平均温度不能过低。最后，到来年4月份环境良好时，风轮菜又开始新一轮的生长发育。