基于MaxEnt 和GIS 技术的落新妇适宜性分布研究

卻丹华 戴纯辉

（1.杭州市临安区中医院， 浙江 杭州311300； 2.杭州市上城区紫阳街道春江花月社区卫生服务站， 浙江杭州310008）

落新妇Astilbe chinensis（Maxim.）Franch.Et.Sav.是虎耳草科落新妇属植物［1⁃3］。落新妇具有活血散瘀、解毒止痛功效，用于跌打损伤、风湿关节等疼痛症状的镇痛治疗［4⁃6］。落新妇具有抗肿瘤、抗 炎、镇 痛、抑菌等作用［7⁃8］。落新妇的野生资源有限，在日益增长的市场需求下，人工栽培成了落新妇药材的主要来源［9］。目前关于其全国地理分布格局的研究报告罕见。因此，了解落新妇资源的总体情况，准确掌握落新妇生长的生态影响因素及生长适宜性分布区域，对促进人工栽培落新妇具有重要意义。目前，在物种的潜在分布、物种保护和资源储量估算研究方面，应用最广泛的为最大熵模型（MaxEnt）和地理信息系统技术（GIS）的联合技术［10⁃12］。在实地调查和文献检索的基础上，运用MaxEnt 模型和地理信息系统技术，分析、探讨落新妇生长的生态因子和起源特征，对落新妇在全国的生长适宜性分布区域进行预测及区划，为落新妇的野生抚育、种植区划和规范化栽培推广提供参考。

1 材料

MaxEnt 3.4.4 生态位模型软件；ArcGIS 10.8 软件（美国ESRI 公司）。从第四次中药资源普查实地调查、文献资料、中国植物图像库（http：／／ppbc.iplant.cn／）和国家植物标本资源库（http：／／www.cvh.ac.cn／）中收集落新妇相关信息共1 320份，采用具有精确经纬度、明确地址和详细采集坐标的标本信息，筛选整理获得331 份标本信息用于落新妇适宜性分布研究［13］。

根据已知的适合落新妇生长的环境条件，选择7 个生态因子进行研究，包括生物气候、温度、降水、地形、土壤、土地利用类型和植被覆盖度。19 个生物气候因子、12个月平均温度因子和12 个月降水因子均来自世界气候数据库（http：／／www.worldclim.org／）［14］。地形包括海拔、坡度和坡向，是从数字高程模型中提取的，数据来自美国地质调查局。土壤、土地利用类型和植被覆盖数据分别取自世界土壤数据库（http：／／webarchive.iiasa.ac.at／）和世界地图数据库（https：／／globalmaps.github.io／）。

2 方法

2.1 模型构建与运算 将采集的331 个落新妇样品的地理信息和生态因子信息输入MaxEnt，并根据需要设置参数［15］。随机选择其中75%样本数据作为训练集，其余25%用于模型验证和测试，最大迭代次数设置为1×106，其余为默认设置。多次运行程序，消除贡献率为0 的生态因子，筛选出影响落新妇生长的生态因子，各生态因子贡献率用刀切法（Jackknife）定量［16］，贡献率最大的用于二级最大熵模型计算。

2.2 模型精确性验证 模型计算结果的准确性采用ROC曲线（受试者工作曲线）进行评估和验证［17］。

2.3 适宜性区域划分标准 把MaxEnt 软件迭代运行得到的最终结果输入ArcGIS 软件，将其转换为栅格数据，并从模型运算结果中提取落新妇在中国的适宜性分布区域［18］。根据不同生态环境对落新妇生长的影响，确定各区域落新妇的生长适宜性指数，用P 表示。在提取结果的属性表中计算得到最大值（max）、最小值（min）、平均值（μ）、标准差（σ）、平均值与标准差相加值（μ＋σ）、平均值与标准差相减值（μ⁃σ）。按照正态分布理论与相关报道，将全国落新妇适宜性分布区域划分3 个等级，不适宜区［P＜（μ－σ）］；次适宜区［（μ⁃σ）≤P＜μ］；适宜区［（μ－σ）≤P＜（μ＋σ）］。

3 结果

3.1 模型精度评价 ROC 曲线分析法检验得到的平均训练集精度，结果表明AUC 值为0.984，验证数据的AUC 值为0.984，均达到高预测精度，表明运算准确，结果可信，见图1。

图1 落新妇潜在分布预测ROC 曲线

3.2 落新妇适宜生长条件分析 通过对主要生态因子贡献率和ROC 曲线的分析（图2），可以看出落新妇的生长主要受降水、温度和海拔的影响，而坡度的贡献率相对较低。落新妇在年降水量500～2 000 mm 的地区可以生长。落新妇萌发后的快速生长期对土壤水分有一定的需求，月降水量至少应保持在50 mm 以上，充足的水分可以促进根系的生长和发育。从开花期开始，月降雨量为20 mm，但在开花期之后，如果遇到连续降雨，落新妇的根可能会被沤烂，影响落新妇的生长。因此，不适合在低洼和涝渍地区种植。温度对落新妇的生长也有一定的影响，可以在－15.0～35.0 ℃的环境中存活和生长。

图2 落新妇生态因子ROC 曲线

落新妇是一种耐寒、喜凉爽的植物，适合生长在海拔3 000 m 以下的凉爽地区，对土壤质地要求不高。土地利用类型和植被覆盖度对落新妇的生长也有轻微的影响，主要生长在山谷和草地、林缘、灌木和丘陵草甸。在人工栽培中，应考虑生长环境的温度和土壤湿度，并应注意土地的排水条件，选择一个有一定坡度的地方栽培。

3.3 主导环境因子权重分析 利用刀切法对环境因子进行分析，见图3。其环境因子贡献值得分大小的顺序依次是tmean10＞bio12 ＞bio18 ＞prec11 ＞prec9 ＞prec8 ＞bio13 ＞bio7 ＞tmean8＞bio4。由于相关性较强的环境因子容易过度拟合，需要移除，移除后结果 为 tmean10（21.8%）、bio12（17.9%）、bio18（15.2%）、prec11（15.0%），这4 个环境因子的总累积贡献率已达到69.9%，说明最干季度平均温度、最干季度平均降水量、年均降水量、最暖季节降水量，这4 个环境因子对最大落新妇适宜分布影响。

3.4 主要生态因子贡献率 利用7 大类55 个生态因子来研究落新妇的适宜性分布，不同因子对其有不同的影响程度。根据Jackknife 定量计算结果，落新妇主要生态因子贡献率见表1。影响落新妇生长的贡献率最大因子为10 月平均温度（15.4%），其次为最暖季节降水量（12.4%），主要生态因子贡献率达到93.5%。充足的降水是落新妇生长的必要条件，温度影响落新妇的生长，海拔也是限定落新妇生长区域的重要因素，但落新妇生长对土壤的要求不高。

表1 生态因子贡献率（%）

3.5 落新妇适宜性分布区划 依据MaxEnt 和ArcGIS 软件相结合技术，最终得到落新妇在中国的适生区域分布预测图（图3），计算软件加载的各地各适生区面积（表2）。提取采样点生长适宜性指数，按照适宜性指数将分布区划分为3 个区域：非适宜区、次适宜区和适宜区，其适生指数取值范围分别为P＜0.157、0.157≤P＜0.414、P≥0.414。落新妇在我国陕西、湖南、贵州大部分、四川东南部、河南北部、辽宁南部等部分地区具有潜在的高适生长性。

图3 环境因子刀切法分析

由表2 可知，全国适宜落新妇生长的范围面积为1 620 501.88 km2，主要分布在我国的东部、中部和东北部地区。陕西、湖南、四川、贵州等省份大部分区域，以及浙江中北部、华中和华南等多个省份，黑龙江、吉林、辽宁东北三省也有一定范围的分布，其中12 个省份的适生区面积在10 000 km2以上。

表2 落新妇适宜性区域面积统计（km2）

4 讨论

本研究结合GIS 技术，运用MaxEnt 模型研究落新妇在全国范围的适宜性分布，模型的AUC 大于0.9，可信度高。筛选出对模拟结果影响较大的10 个生态因子，累积贡献率达76.2%。落新妇适应环境能力较强，耐寒，适生于海拔3 000 m以下的山谷﹑灌丛间和林缘草地；对土壤质地要求不高；适宜生长的月降水量为50～200 mm；适宜的生长温度为－15.0～35.0 ℃。温度的变化会影响落新妇的物候期，尤其是发芽、叶片生长和随后的开花结果，大范围的温度变化会阻碍它的生长和发育，从12 月到次年1月，落新妇的落叶进入休眠期，根茎从顶部长出芽鞘，低温会滞后落新妇营养器官的分化和胚芽的形成，冬季高温可保证落新妇的安全越冬和芽分化。10 月份较高的平均降雨量保证了落新妇冬芽分化的安全性，这表明年降水量和最暖季降水量是影响落新妇分布的重要环境因子。从8 月到11月，落新妇处于快速生长期，与其他月份相比降雨量相对较高，这直接影响其地下根茎的生长和植物的发育。因此落新妇主要集中在中国西南、中部和南部。年温差小，年降雨量大，最暖季节降雨量高，符合落新妇喜阴、寒、湿的特点。

根据模拟模型计算落新妇适宜性指数，按照适宜性指数将落新妇生长适宜性区域划分为非适宜区、次适宜区和适宜区3 个等级。全国适宜落新妇生长的区域面积共计1 620 501.88 km2，主要集中分布于湖南、四川、陕西、贵州、浙江等省。在核心区分布图中，预测结果显示以陕西为中心的周边具有较好的分布区域，主要为亚热带气候，具有春暖干燥、夏热多雨、秋凉湿润、冬寒干燥等特点，年平均气温为14～16 ℃，年平均降水量为300～1 200 mm。