红果参生态适宜性区划研究

万晓霞，孙庆文，陈春伶，党友超，王波，王健，黄园贵州中医药大学，贵州 贵阳 550025

红果参又称蜘蛛果、长叶轮钟草、肉算盘或山荸荠，原植物为桔梗科轮钟花属植物轮钟花Cyclocodon lancifolius（Roxburgh）Kurz[1]，以根或全草入药，有益气补虚、祛瘀止痛之效[2]。由于红果参野生资源量较少，人工栽培尚处起步阶段。前期研究发现，红果参存在严重的连作障碍，需对其留有备用土地。因此，有必要对红果参的生态适宜性区划进行研究，了解对其生长影响较大的生态因子。兹结合最大熵（MaxEnt）模型和ArcGIS空间分析技术，预测红果参生态适宜性区域，为其资源保护、引种栽培及人工规范化种植提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

1.1.1 样点信息从全球生物多样性信息平台（https://www.gbif.org）、中国数字植物标本馆（http://www.cvh.ac.cn/spms/list.php）、中国国家标本资源平台（http://www.nsii.org.cn）网站，以及实地资源调查获得轮钟花分布数据。为防止模型过度拟合造成误差，以10 km为半径，删除重叠和地理位置较近的样点，最终得到109条分布数据用于后续分析，见图1。地图数据为国家基础地理信息系统网站（http://nfgis.nsdi.gov.cn/）下载的1∶400万中国地图和中国行政区划图。

图1 红果参样点分布

1.1.2 生态因子

气候数据来源于世界气候数据库（http://www.worldclim.org/），数据年份为1970-2000年，空间分辨率为30弧秒（相当于1 km），包括19个生物变量、海拔、每月降水量、每月辐射量、坡度、坡向、每月平均温度、每月最高气温、每月最低气温和植被类型，共63个生态因子。土壤数据从世界土壤数据库（https://www.fao.org/）获取，包括表层土砾石含量、表层土砂裂纹、表层土粉砂分数、表层土黏粒部分、表层土纹理分类、表土参考材料的体积密度、表层土壤有机碳、表层土pH（水）、表层黏土的阳离子交换量、表层土阳离子交换量、表层土基础饱和度、表层土三乙基硼、表层土碳酸钙含量、表层土石膏含量、表层土壤密度、表层土壤盐度和沙含量等，共100个生态因子。

1.2 方法

1.2.1 生态因子筛选

将红果参的分布信息与生态因子导入MaxEnt3.4.1，随机测试比例设置为25%，剩余位点信息作为训练集用于建模，其他参数均为MaxEnt模型默认值。选择响应曲线、受试者工作特性曲线（ROC）和刀切法。响应曲线用于评价生态因子适宜范围，ROC及曲线下面积（AUC）用于评价模型精度，刀切法用于检测变量的重要性。结果以Logistic格式输出。从第2次运行开始，每次舍去贡献率为0的生态因子，共运行5次，去除64个生态因子。再利用SPSS 26.0软件对余下生态因子进行Spearman相关分析，舍去两变量相关系数|r|≥0.80的其中一个[3]，最终筛选得到24个生态因子，将其与109个样点经纬度信息加载至MaxEnt模型中，重复运行10次，得到各生态因子的响应曲线图。

1.2.2 适宜区域划分

将MaxEnt模型预测结果导入ArcGIS10.4.1，将生成的栅格数据文件进行重分类，采用自然间断点分级法（Jenks），按照适宜指数（P）的大小将红果参的适宜性分布区，分为4类：高适宜区（0.5≤P＜1）、中适宜区（0.3≤P＜0.5）、低适宜区（0.1≤P＜0.3）和非适宜区（P＜0.1）。最终得到红果参生态适宜性等级区划图。

根据红果参生态适宜区域划分的结果，计算各省份不同适宜区域面积及各面积在总适宜区占比。

2 结果与分析

2.1 最大熵模型预测

MaxEnt模型预测精度以AUC为衡量指标：0.5≤AUC＜0.6表示模型预测失败，0.6≤AUC＜0.7为精度较差，0.7≤AUC＜0.8为精度一般，0.8≤AUC＜0.9为精度好，0.9≤AUC＜1为精度非常好。红果参样品信息及生态因子数据通过MaxEnt模型运行10次后的ROC曲线见图2。训练集AUC平均值为0.941，说明基于MaxEnt模型对红果参的潜在适宜分布预测具有很高的准确度和可信度。

图2 红果参生态适宜度预测结果平均ROC曲线

2.2 主导生态因子

将筛选的24个生态因子导入MaxEnt3.4.1，运行得到各生态因子对红果参适宜范围预测的贡献率及各适宜区适宜值范围（见表1）。对红果参分布影响较大的生态因子包括降水量、坡度、辐射强度等，其中6月份降水量（34.8%）对红果参分布贡献率最大，其次为11月份降水量（23.5%）。

表1 影响红果参分布生态因子贡献率及高、中适宜值范围

根据刀切法检验的生态因子对红果参分布影响得分结果见图3。对红果参分布影响较大的生态因子包括降水量、温度、辐射强度等，其中6月份降水量对红果参的分布影响最大，其次为1月份最低温度和最湿月降水量。

图3 红果参生态适宜度预测结果刀切法检验

综上可知，6月份降水量、11月份降水量、1月份最低温度和最湿月降水量为影响红果参分布的4个主导生态因子。其最适红果参分布范围：6月份降水量175.53～652.30 mm、11月份降水量35.90～2 020.99 mm、1月份最低温度0.41～13.85℃、最湿月降水量222.30～1 097.50 mm。见图4。

图4 影响红果参分布的主要生态因子响应曲线

2.3 潜在分布区域

对MaxEnt模型导出的生态适宜度进行重分类，得到红果参的生态适宜性等级区划见图5。由预测结果可知，红果参在我国主要分布于南方各省。高适宜区面积共495 002.97 km2，主要分布于贵州、台湾、湖南西部、广西北部及云南南部；中适宜区面积357532.49km2，主要分布于贵州、云南、广西、福建、四川、广东、重庆等；低适宜区面积736 632.63 km2，主要分布于四川、浙江、重庆、湖北、西藏及安徽等。详见表2。

表2 红果参各地适宜区面积（km）

图5 红果参生态适宜性区划

3 讨论

本研究显示，红果参主要分布于贵州、广西、湖南、云南、广东、福建、四川及台湾等地，与Flora of China[1]记载及课题组前期采样数据基本吻合。AUC＞0.9，模型预测结果精确度高，表明本研究能较为准确预测红果参潜在分布区。预测结果显示，6月份降水量、11月份降水量、最湿月降水量和1月份最低温度是影响红果参分布的重要生态因子。红果参主要分布区多为亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季温和少雨。6月份为红果参生长旺盛期，充沛的降水量能提供天然优越的条件；红果参耐寒能力一般，因此冬季需适宜温度，否则会导致植株冻死。本次实地野外资源调查发现，红果参野外分布密度低，产量小，且滥用除草剂导致资源量进一步减少。当然，红果参栽培选址不仅要考虑环境适应度，更要考虑品质优劣。优良的性状、品质及较高的产量综合考虑才能确定最终红果参栽培产地。因此，今后将结合生态适宜性区划对红果参品质区划及土壤微环境进行深入研究，以解决红果参规范化种植连作障碍的问题。