基于MaxEnt模型及ArcGIS预测浙贝母适生区分布

孙贝贝,汤璐璐,王俪桦,杜伟锋,*,葛卫红,李昌煜

(1.浙江中医药大学 药学院,浙江 杭州 310053;2.宁波市中医院,浙江 宁波 315016;3.浙江 中医药大学 中药炮制技术研究中心,浙江 杭州 311401;4.浙江中医药大学中药饮片有限公司, 浙江 杭州 311400;5.浙江中医药大学 中医药科学院,浙江 杭州 310053)

浙贝母为百合科植物浙贝母FritillariathunbergiiMiq.的干燥鳞茎[1],又称浙贝、象贝、大贝、元宝贝、珠贝,现主要分布于浙江、江苏、安徽、湖南等地[2],为著名的“浙八味”之一,生长周期为当年10月至次年5月中下旬。浙贝母味苦,性寒,归肺、心经,具有清热化痰止咳、解毒散结消痈之功效,用于风热咳嗽、痰火咳嗽、肺痈、乳痈、瘰疬、疮毒等证[3]。

浙贝母最早主产于浙江宁波象山,俗称“象贝”[4],由于历史原因,后引入浙江宁波鄞州,逐渐形成以浙江宁波鄞州和金华磐安为主产区的种植分布区域。随着原产区浙贝母种植成本逐渐增加,药农逐渐在外地寻找新的种植区。另外,浙贝母种植周期较短,种植技术成熟,成为扶贫的主要经济作物。如此种种原因,导致浙贝母种植产区逐渐变为以浙江省宁波鄞州和金华磐安为主,江苏南通以及浙江其他地区为辅的种植态势。

目前,对于浙贝母的质量控制研究较为成熟,但其往往发生于药材采收之后,这对于获得高质量的浙贝母药材并无指导意义,如果在浙贝母大面积种植之前进行生态适宜性研究,对得到高质量、高产量的浙贝母药材具有重要意义[5]。现有文献对于浙贝母的生态适宜性研究报道较少,王瑀[6]等以道地产地鄞县作为研究基点,具有一定的局限性,金华磐安及江苏南通的贝母产量及质量已略高于鄞县。因此,本研究收集47个现有浙贝母分布点数据,采用最大熵数学模型分析了影响浙贝母适生区分布的主导环境因子及其适生区,旨在进一步为浙贝母的产地适宜性区域选择提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 分布数据

通过检索全球生物多样性信息网络(https://www.gbif.org/)、中国数字植物标本馆(http://www.cvh.ac.cn/)、教学标本资源共享平台(http://mnh.scu.edu.cn/)等数据库,获得浙贝母标本采集地信息,并查阅《浙江植物志》[7]及文献资料[8]获得分布信息,同时通过实地考察,获取象山及鄞县、磐安主产区的采样点信息,采用百度拾取坐标系统确定分布点经纬度坐标,共获取47个浙贝母在中国的分布点。见图1。

图1 浙贝母在中国的分布点

1.2 环境数据

1.2.1 数据来源 通过世界气候数据库(WorldClim)、世界土壤数据库(HWSD)数据库,获得气候、地形及土壤数据(表1),其中气候数据包括19个生物气候因子、4个(10月至次年6月)单月数据(降水量、太阳辐射、最低温、最高温),地形数据包括海拔、坡度、坡向[9-10],土壤因子包括顶层土壤质地、土壤有效水含量、有机碳含量、酸碱度、可交换钠盐、沙含量、淤泥含量、粘土含量、碳酸盐或石灰含量、硫酸盐含量。所有数据下载后均采用ArcGIS软件转换成ASC格式备用。

表1 用于MaxEnt模型中的环境变量

1.2.2 主导环境因子筛选 利用MaxEnt软件的刀切测试功能剔除贡献率为零的环境因子,采用SPSS 软件对贡献率大于零的环境因子进行Pearson相关性分析,为避免过度拟合现象,相关系数大于0.9的两个环境因子只保留一个,筛选完成后保留下来的环境因子为影响浙贝母适生区分布的主导环境因子。

1.3 MaxEnt模型的建立

将47个分布点数据和23个环境因子输入MaxEnt软件中,随机选取75%的分布点建立预测模型,25%的分布点验证模型,运算10次,并选择刀切功能测试各因子权重,创建各因子响应曲线,其余选择默认参数。

1.4 适生等级分区

采用ArcGIS软件将MaxEnt模型输出结果转换为栅格文件,使用掩膜提取功能得到浙贝母在中国的存在概率分布图,并参照联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)评估可能性的划分标准,使用重分类功能将浙贝母适生区划分为4个等级:适生值<0.05为非适生区;0.05<适生值<0.33为低适生区;0.33<适生值<0.66为中适生区;适生值>0.66为高适生区。

2 结果与分析

2.1 模型准确性评价

MaxEnt模型模拟输出ROC曲线图显示,基于所有环境变量和主导环境变量构建的浙贝母地理分布模型的平均训练集曲线下面积(AUC)分别为0.986和0.985(图2、图3),本次构建模型的预测准确性极好[11],说明此结果可用于研究浙贝母的适生区划分。

图3 基于主导环境因子浙贝母MaxEnt模型ROC曲线

2.2 主导环境因子筛选

MaxEnt运算结果显示,贡献率在1.0% 以上的有15个环境因子,累积贡献率为95.2%(表3)。经过Pearson相关系数法计算各因子间相关性(表4),剔除相关性大于0.9的环境因子,筛选出9个主导环境因子,通过MaxEnt刀切测试功能分析结果显示,各主导环境因子的重要性排序为:12月最低温度(Tmin12)>5月最低温度(Tmin5)>3月降雨量(Prec3)>11月降雨量(Prec11)>降雨量季节性变异系数(Bio15)>5月太阳辐射(Srad5)>温差等温值(Bio3)>坡向(Aspect)>坡度(Slope),其中温差等温值、坡向、坡度对浙贝母适生区分布的影响较小。见图4。

表3 影响浙贝母分布的环境因子贡献率 (%)

表4 环境因子之间的Pearson相关系数

图4 刀切法检测主导环境因子对浙贝母在中国适生区分布影响程度

2.3 适生区预测

预测结果显示,浙贝母在中国的适生区主要集中在东南区域,总面积占国土面积的14.7%,其中高适生区占0.7% 、中适生区占4.3%、低适生区占9.7% 。高适生区集中在浙江、江苏、安徽三省交界处,主要分布于浙江宁波、舟山、绍兴、杭州、湖州、嘉兴、台州、金华,江苏南通、苏州、无锡、常州、镇江、南京,上海,安徽宣城。见图5。

图5 基于MaxEnt模型预测的浙贝母在中国的适生区分析

2.4 适生区生态特征

主导环境因子响应曲线可反映出环境因子在不同适宜范围下的分布概率,本研究以分布概率在0.5以上划分适宜范围(图6)。结果显示,5月太阳辐射的适宜范围为0～14 983kJ·m-2·d-1,15 921～18 184kJ·m-2·d-1,5月最适太阳辐射(Srad5)为0～14 983kJ·m-2·d-1。降雨量季节性变异系数(Bio15)适宜范围在55以下,11.5以下分布概率不变,为最适值,>11.5时,分布概率随变异系数的增大而降低。3月降雨量适宜范围为65～150mm,3月最适降雨量为109mm,当降雨量在65～109mm时,分布概率随降雨量升高而升高,109～150mm时,分布概率随降雨量升高而降低,11月降雨量(Prec 11)、5月最低温度(Tmin 5)、12月最低温度(Tmin 12)与分布概率关系与太阳辐射变化幅度类似,详见表5。

图6 主导环境因子响应曲线

表5 浙贝母适生区分布主导环境因子适宜范围

3 讨论

本研究基于MaxEnt模型,利用浙贝母分布数据与气候、土壤、地形等环境因子,通过ArcGIS预测获得浙贝母的适生区分布。根据SPSS软件及MaxEnt模型的刀切测试功能筛选出9个影响浙贝母适生区分布的主导环境因子,其中6个影响程度较高,分别为12月最低温度(Tmin12)、5月最低温度(Tmin5)、3月降雨量(Prec3)、11月降雨量(Prec11)、降雨量季节性变异系数(Bio15)、5月太阳辐射(Srad5)。浙贝母喜温凉,稍耐寒,生长适宜温度在-3～30℃[12],怕旱怕涝,且需要充足的光照[13]。研究结果显示,5月太阳辐射适宜范围在14 983kJ·m-2·d-1以下及15 921～18 184kJ·m-2·d-1之间,但3月、11月的降雨量适宜范围分别在65～150mm,47～80mm。

浙贝母在中国的适生区主要分布于东南区域,总面积占国土面积的14.7%,其中高适生区占0.7%,约6.72×104km2;中适生区占4.3%,约4.13×105km2;低适生区占9.7%,约9.31×105km2。浙贝母的高适生区集中在浙江省,江苏省、安徽省次之,主要分布于浙江宁波、舟山、绍兴、杭州、湖州、嘉兴、台州、金华,江苏南通、苏州、无锡、常州、镇江、南京,上海,安徽宣城,与文献报道的适生区一致[14]。

本研究考虑了气候、土壤、地形对浙贝母适生区分布的影响,但影响浙贝母生长的因素还有水质、种植方式等[15-18],因此预测结果与实际情况会有一定差异。在以后的研究中还需要结合其他因素,使MaxEnt模型更精确、更完善,为浙贝母产地适宜性区域的选择提供一定参考。