基于MaxEnt模型与ArcGIS的狗脊贯众潜在分布研究
2023-02-15杨明霞秦委张虹万柄麟李雯岐刘守金
杨明霞 ,秦委 ,张虹 , ,万柄麟 ,李雯岐 ,刘守金,
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
狗脊贯众为乌毛蕨科植物狗脊蕨Woodwardiajaponica(L.f.)Smith或单芽狗脊蕨Woodwardia unigemmata(Makino)Nakai的干燥根茎,具有清热解毒、散瘀止血、杀虫功效[1]。《神农本草经》列为中品。狗脊蕨根状茎富含淀粉,可酿酒,亦可作土农药,防治蚜虫及红蜘蛛,具有较大的生产价值[2]。
MaxEnt模型可利用较少的数据,运用受试者工作特征(ROC)曲线检验预测结果,进行较准确的分析,操作简便、可靠性高,可以获得较好的预测结果,且已有很多中药材运用此模型进行潜在分布预测[3-4]。气候是影响植物地理分布的关键因素,全球气候变暖导致的多变气候对植物生长环境造成严重影响,加之我国城市化加速及中药产业旺盛,导致狗脊贯众野生资源难以满足市场需求。为此,笔者通过最大熵(MaxEnt)模型与ArcGIS结合进行适生区预测,为狗脊贯众野生资源的可持续利用提供依据。
1 资料及方法
1.1 数据来源
1.1.1 样点
通过中国数字植物标本馆(http://www.cvh.ac.cn/)收集所有狗脊蕨的样点信息,剔除无详细经纬度或地名记录者,共获得180个样点,经校对,删除重复、相邻记录,最终选择165个有效样点进行建模(见图1),将经度、纬度、物种信息存入Excel2016中,转为.csv格式保存。本文所用1∶400万分辨率中国地图及中国行政区划图均下载于国家地理信息系统(http://nfgis.nsdi.gov.cn/)。
图1 狗脊蕨样点分布
1.1.2 生态因子
从中药资源空间信息网格数据库(http://www.tcm-resources.com/)下载相关数据,共53个生态因子,涵盖气候、地形、土壤、植被4种类型。其中气候类型数据包括1~12月降水量和平均温度,以及19个综合气候因子(见表1);3个地形类型数据为海拔、坡度、坡向;6个土壤类型数据为土壤阳离子交换能力、土壤含沙量、土壤含黏土量、土壤有效水含量等级、土壤亚类及有机碳含量;另有1个植被类型数据。所有因子通过conversion工具转化成ASCⅡ格式。将数据导入ArcGIS10.2。
表1 气候类型数据
1.2 模型构建与准确性评价
将165个样点分布信息及53个生态因子数据导入MaxEnt模型进行迭代运算,随机选取25%分布点作为测试集,75%为训练集,设置最大迭代次数为103,Bootstrap重复运算10次。通过绘制响应曲线评价生态因子适生范围,以ROC曲线及曲线下面积(AUC)评价模型精度。以刀切法(Jack-knife)检验生态因子权重。使用MaxEnt3.3.3软件进行模型运算,ArcMap10.7绘图。AUC取值范围为0~1.0,AUC<0.6为失败,0.6≤AUC<0.8为一般,0.8≤AUC<0.9为良好,0.9≤AUC<1.0为优秀,数值越接近1.0表明模型越准确。
1.3 潜在分布区域划分
利用软件ArcGIS10.2,将MaxEnt模型运算结果以ASCⅡ格式导入,与中国地图进行叠加,得到狗脊适生区分布图。对狗脊蕨的潜在地理分布区域进行适生等级划分,根据P值将狗脊蕨潜在分布预测区分为4个等级:P<0.05为不适生区,0.05≤P<0.25为低适生区,0.25≤P<0.5为较适生区,P≥0.5为高适生区。
2 结果与分析
2.1 预测精度
精度由ROC曲线及AUC进行评价,ROC曲线由MaxEnt自带函数对训练集进行10次模拟后取均值获得,AUC=0.989,说明MaxEnt模型预测结果达到优秀,可靠性和准确性比较高。见图2。
图2 狗脊蕨生态分布模型ROC曲线
2.2 潜在分布区及其适生区
利用ArcGIS统计分析工具和MaxEnt模型结果,发现狗脊潜在分布区及其适生区面积主要分布在秦岭以南、长江中上游地段,集中在重庆、贵州、广西、湖南;另外,长江中下游及江南丘陵也有少量分布(见图3)。与《中国植物志》[2]所载一致。气候类型以亚热带季风气候为主,其特点是夏季高温多雨,冬季温和少雨,降水充沛,植被主要表现为由常绿阔叶林带逐步过渡为落叶阔叶林带,狗脊蕨多生于常绿阔叶林林下、林缘及空气湿润地区的次生灌丛中。
图3 狗脊蕨适生分布区划
2.3 主导生态因子特征
通过计算狗脊蕨适生区中不同生态因子所占比例,可确定其影响的贡献率。结合表2和图4可知,5月降水量(40.6%)、最干季降水量(7.2%)、11月降水量(7.2%)、海拔(5.4%)、10月降水量(5.2%)对狗脊蕨适生影响较大,贡献率≥2%的生态因子累计贡献率为77.7%,其中降水量累计贡献率超过70%,温度的贡献率仅为2.3%,海拔占5.4%,由此推测狗脊蕨的生长对土壤水分和空气湿度要求较高,而对温度等要求较低。5月降水量的贡献率排在第一位,显著高于其他变量,而温度季节性变化的标准差、海拔等变量影响较小。主导环境因子响应曲线见图5。
表2 影响狗脊蕨分布贡献率≥2%的生态因子
图4 狗脊蕨分布预测模型刀切图
图5 狗脊蕨主导生态因子响应曲线
3 讨论
基于狗脊蕨地理分布信息及生态因子的研究,利用MaxEnt模型与ArcGIS预测其在中国境内的生态适生性分布区。研究表明,5月降水量是影响狗脊蕨分布最主要的生态因子。由图5可知,当5月降水量<10 mm时,狗脊蕨几乎无法生长;当降水量>10 mm,狗脊蕨分布开始急剧上升;15 mm时达到峰值,此时最有利于狗脊蕨生长。由此可见,5月降水量直接影响狗脊蕨的生长情况。10月、11月、最干季降水量>5 mm时,狗脊蕨有生长趋势,10月降水量>12.5 mm、11月降水量>8 mm、最干季降水量>20 mm时,狗脊蕨生长趋于稳定。狗脊蕨在海拔300~2 000 m均有分布,但随着海拔升高,分布逐渐减少。模拟时影响最大的生态因子是降水量,与本研究结论相符。
狗脊蕨多生于山谷沟旁或林下阴湿处,喜阴凉湿润的酸性土壤。鉴于生长特性及生态因子的影响,狗脊蕨栽培地需保证阴湿环境及土壤pH值,其他条件要求不高。一般于春、秋季进行,5~6月最好,因狗脊蕨有分株法繁殖和孢子繁殖,梅雨季节空气湿度大,生长恢复快。因其根系生长旺盛,繁殖时应保证土层质疏松、透气,即可正常生长。
研究显示,狗脊蕨对降水量的适生性范围较大,野生环境下的生长地形以秦岭以南为主。秦岭山地对气流运行有明显阻滞作用,夏季使湿润的海洋气流不易深入西北,导致北方气候干燥;冬季阻滞寒潮南侵,使汉中盆地、四川盆地免受冷空气侵袭。这种气候特点可保证秦岭以南河流不冻,植被以常绿阔叶林为主,土壤多呈酸性。与《中国植物志》[2]所描述的狗脊蕨生长在酸性土壤环境相一致。
由于本研究采集狗脊蕨的样点信息来自中国数字植物标本馆,大部分信息更新不及时,样点采集地记载模糊,存在一定的数据偏差。最终被用来建模的信息远少于采集样点记录的信息,对建模的准确性产生一定影响,因此,本研究在某些方面存在瑕疵。
本研究利用MaxEnt模型和ArcGIS软件确定了影响狗脊蕨生长的生态因子,模拟并划分其潜在适生区。预测结果经ROC曲线显示AUC=0.989,表明MaxEnt模型预测的狗脊蕨生态适生性分布区可信度较高,可为狗脊蕨的资源分布及适生环境提供可靠数据,有助于狗脊蕨的野生抚育及人工种植参考,对其可持续利用具有重要指导意义。