基于MaxEnt与ArcGIS的中国角茴香生态适宜性区划研究

陈紫葳 杜燕 郭静霞 杨美青

基金项目：内蒙古自治区自然科学基金项目（2020MS08005）

第一作者简介：陈紫葳（1996-），女，硕士研究生。研究方向为药用植物适宜性区划。

*通信作者：杨美青（1985-），女，博士，副教授。研究方向为中药资源。

摘  要：利用最大熵模型（MaxEnt）和地理信息系统（ArcGIS），结合相关生态因子，对角茴香的生态适宜性范围进行预测和分析。收集角茴香在中国的205个经纬度信息，结合19项生态因子应用MaxEnt模型和ArcGIS对角茴香的潜在适生分布区进行分析。影响角茴香潜在分布的主要生态因子包括，最冷季节降水量、最冷季节平均温度、最暖季节降水量、昼夜温差与年温差比值等。当前气候条件下，角茴香高度适宜生长的区域主要集中在北京、河北北部、山西、河南、陕西和内蒙古南部等，面积约为77.4×104 km2；未来气候条件下，适生区将向东北部和西部扩张。该研究预测的结果与角茴香实际分布区域相符，为角茴香的可持续利用和角茴香的引种栽培提供重要的理论依据。

关键词：药用植物；角茴香；生态适宜性；最大熵模型；地理信息系统

中图分类号：Q948      文献标志码：A          文章编号：2096-9902（2024）01-0014-05

Abstract： To predict and analyze the ecological suitability range of Hypecoum erectum by using maximum entropy model （MaxEnt） and geographic information system （ArcGIS） combined with relevant ecological factors. The 205 messages about the longitudes and latitudes of Hypecoum erectum in China were collected， and the potential suitable distribution area of Hypecoum erectum was analyzed by MaxEnt model and ArcGIS combined with 19 ecological factors. The main ecological factors affecting the potential distribution of Hypecoum erectum were precipitation in the coldest season， average temperature in the coldest season， precipitation in the warmest season， and the ratio of temperature difference between day and night to annual temperature difference. In the current climatic conditions， the highly suitable growth areas of Hypecoum erectum are mainly concentrated in Beijing， northern Hebei， Shanxi， Henan， Shaanxi， southern Inner Mongolia and other places， the area is about 77.4×104 km2; in the future climatic conditions， the suitable growth area will expand to the northeast and west. The predicted results of this study are consistent with the actual distribution area of Hypecoum erectum， which provides an important theoretical basis for the sustainable utilization and introduction and cultivation of Hypecoum erectum.

Keywords： medicinal plants; Hypecoum erectum; ecological suitability; maximum entropy model; geographic information system

角茴香（Hypecoum erectum L.）為罂粟科角茴香属 （Hypecoum L.）早春短命植物，别名咽喉草、山黄连或野茴香等，蒙药名为嘎伦－塔巴克，藏药名为巴尔哇打[1]。角茴香分布于我国的山西、内蒙古、陕西、新疆、四川西部、云南西北部和西藏等，蒙古、俄罗斯和西伯利亚等国也均有分布，主要生于海拔400～1 200（-4 500） m的山坡草地或河边砂地，花果期为5—8月[2]。角茴香多以植物的干燥根或全草入药，具有抗炎、抗菌、抗病毒、保肝和镇痛等药理作用[3]。实地调查表明，角茴香在我国呼和浩特市、包头市及鄂尔多斯市广泛分布；由于角茴香具有早期返青和开花特点，包头市将角茴香引种作为一种绿化植物，与其他花卉共同进行栽培，提高绿化的效果，具有较大的观赏价值[4]。

生态位建模是一种估算物种分布和栖息地适宜性的方法，通常在易于使用的软件中实现。这种方法利用实地调查、植物采集、文献提取确定实际的物种分布范围，并将ArcGIS软件与气候和环境变量相结合预测潜在的物种分布范围。通过计算栖息地指数，对不同级别的栖息地适宜性进行分类，并评估不同地理区域的物种适宜性[5]。生态位模型可以通过ArcGIS软件进行运行和分析，得出物种的适宜潜在分布区域，结果可通过ArcGIS软件进行转换和表达，绘制出简洁明了的相关潜在分布区域图[6]。最大熵模型（MaxEnt）是基于最大熵理论的一种生态模型，最大熵原理本身来自计算机科学[7]。MaxEnt广泛用于预测药用植物、入侵物种、濒危物种和有经济价值的物种的潜在分布，以及全球气候变化对物种分布的影响等[8]。利用Maxent对药用植物的潜在分布区域进行预测，并为这些物种提供相应的保护措施已成为保护生物学领域的研究热点[9]。

本研究基于角茴香药用植物的资源分布和生态因子数据，利用MaxEnt模型和ArcGIS软件，对当前和未来2个时期（2021—2040年、2041—2060年）中国角茴香潜在适宜区域的分布进行了系统研究，分析了适宜性分布与环境变量之间的关系，以及潜在适宜地点的总体演变情况，研究结果可以帮助我们更好地了解角茴香的生态特征和生长环境，从而制定出更加科学、合理的保护和利用措施。因此，本研究对于角茴香资源的可持续利用和保护具有重要的理论和实际意义。

1  资料与方法

1.1  角茴香样点信息来源

通过文献调查、《中国植物志》、中国数字植物标本馆（CVH，https：//www.cvh.ac.cn/）和国家标本平台（http：//www.nsii.org.cn/2017/home.php）收集角茴香分布数据，保存物种信息、分布产地的经纬度信息，并处理为csv格式；同时，删去相似经度、纬度的分布信息，以最小可查行政单位为准，获取205份角茴香样品分布信息（图1）。

注：该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2023）2767号的中国标准地图绘制，底图无修改，图3、图4下同。

1.2  生态因子获取

本文使用数据来自于全球气候数据库Worldclim （https：//www.worldclim.org/），所获取的数据为1970—2000年的气象观测数据，包括19个当前气候条件下的综合生态因子，空间分辨率为10 minutes；未来气候数据部分使用的是2021—2040年和2041—2060年低排放情景 （ssp126）下的BCC-CSM2-MR气候数据，空间分辨率为10 minutes。

1.3  方法

1.3.1  MaxEnt模型参数设置

将转换为csv格式的样点信息导入MaxEnt模型，随机测试率设定为15%，最大迭代次数为106次，运行次数设定为10次，生态适应度计算取10次运行的平均值，将10次运行的平均值作为生态适宜性计算的结果，同时确定响应曲线、受试者工作特征ROC曲线和刀切法（Jackknife）。响应曲线用于评估生态因子的适宜度生长区域，ROC曲线和曲线下面积（AUC）值用于评估模型的准确性，刀切法（Jackknife）用于检验生态因子权重[10]。

1.3.2  精确度预测

曲线下面积（AUC）用于评估预测结果的准确性。如果AUC值为0.5～0.6，则表示模型无法预测；0.6～0.7，则表示较差；0.7～0.8，则表示一般；0.8～0.9，则表示较好。如果AUC值大于0.9，则表示预测性能极佳，可以准确预测物种的潜在分布范围[11]。

1.3.3  生态适宜性区域划分

基于MaxEnt模型预测中国角茴香分布情况，将MaxEnt结果载入ArcGIS10.8软件。在ArcGIS10.8软件中将结果转换为栅格数据并用于分析。同时，提取角茴香潜在适宜区分布图，对得到的栅格数据进行重新分类，并根据适宜性指数的P值将角茴香的适宜性分为4类，即P<0.05为不适宜区；0.05≤P<0.25为低适宜区；0.25≤P<0.50为中适宜区；P>0.5为高适宜区[12]。

2   结果

2.1  最大熵模型精确度评价

运行MaxEnt模型時生成了角茴香分布的ROC曲线（图2），训练数据集的AUC=0.987，测试数据集的AUC=0.986，这表明MaxEnt模型在预测角茴香潜在分布方面有效，具有很高的可靠性和准确性。

2.2  主要生态因子筛选

通过MaxEnt模型对19个生态因子的贡献率进行分析，研究结果表明，影响角茴香在中国潜在分布的主要生态因子依次为：最冷季节降水量（贡献率为33%）、最冷季节平均温度（贡献率为31.6%）、最暖季节降水量（贡献率为17.3%）、昼夜温差与年温差比值（贡献率为3%）、年平均温度（贡献率为2.8%）、最干燥季节的平均温度（贡献率为2.2%）和降水量季节性变化方差（贡献率为2.1%），累计贡献率为92%。角茴香生态因子贡献率见表1。

2.3  生态适宜性区划

通过最大熵模型得到的角茴香生态适宜性区划分布图显示，角茴香在国内部分地区广泛分布，颜色由浅入深分别代表非适生区、低度适生区、中度适生区和高度适生区。高适宜分布的区域主要集中在北京、河北北部、山西、河南、山东西部和南部、陕西、内蒙古南部、甘肃东部、宁夏、西藏南部和东部及四川西部，基于MaxEnt模型预测的角茴香潜在分布高度适生区面积约为77.4×104 km2。中度适宜分布的区域集中在河北东部、内蒙古东部和东南部、辽宁北部、新疆、西藏西部和东部、云南及青海南部，角茴香潜在分布中度适生区面积约为82.9×104 km2。低度适宜分布的区域集中在黑龙江、吉林、辽宁北部、内蒙古东北部、山东北部、四川部分地区、西藏部分区域和新疆西北部，低度适生区面积约为173.3×104 km2。非适宜分布的区域则主要分布在贵州、重庆、广西、广东、福建、浙江、江西、海南和安徽，面积约为615.7×104 km2（图3）。

3  未来气候条件下角茴香的分布情况

通过从WorldClim下载的2021—2040年和2041—2060年低排放情景（ssp126）下的BCC-CSM2-MR气候数据，将其转换成asc格式并结合角茴香的经纬度信息加载到MaxEnt模型中，从而获得了角茴香未来气候变化图。结果显示，角茴香的生态适宜性分布区域将明显增加，未来的适生区将向东北部和西部扩张，黑龙江南部、吉林西部、辽宁西北部、内蒙古东部及新疆西北部和南部将成为低度适宜的生长区域（图4）。

4  结论

利用MaxEnt与ArcGIS针对中国角茴香的生态适宜性区划建模，研究角茴香分布情况，在适宜范围上更具体化与精准化。本研究基于角茴香的自然分布信息及环境因子数据，利用MaxEnt模型和ArcGIS技术对中国角茴香的生态适宜区进行预测，预测结果经ROC曲线验证，测试数据集和训练数据集的AUC值均大于 0.9，表明利用该模型对角茴香生态适应性范围的预测结果准确，可信度高。研究结果表明，角茴香适宜性分布结果与其野生资源分布的区域基本吻合，这些研究区域为角茴香野生抚育、人工栽培选址提供理论依据。

5  讨论

MaxEnt模型是一种在物种生态适宜性分析和区划研究中广泛应用的方法，其理论基础是最大熵原理。该模型利用物种分布数据和环境数据，通过寻找物种分布规律的最大熵，对物种的潜在分布进行预测[13]。根据有关中国角茴香自然分布和19个环境因素的信息，本研究采用MaxEnt和ArcGIS相结合的方法，利用生态因子对中国角茴香的生态适宜分布区域进行分析，并得出了影响其潜在分布的关键因素。这些结果为理解角茴香的生态适宜区域和分布提供了重要线索。

通过Maxent模型运算结果经ArcGIS制图，基于角茴香分布点的生态适宜度值及正态分布曲线划分其生态适宜区，结果显示，在19个生态因子中计算得到7个贡献率大于2%的生态因子，分别为最冷季节降水量、最冷季节平均温度、最暖季节降水量、昼夜温差与年温差比值、年平均温度、最干燥季节的平均温度和降水量季节性变化方差，这7个生态因子是影响角茴香潜在分布的主要生态因子；其中，最冷季节降水量被确认为是对角茴香影响最大的因子之一。角茴香是一种早春短命植物，对水分的需求较高，因此最冷季节降水量的影响与其生命周期和生活史相符合。这表明角茴香在适应寒冷和干燥的环境条件方面具有一定的耐受性[14]。此外，研究结果也与文献报道的角茴香的已知分布区域相一致，角茴香分布在宁夏、新疆、西藏、四川、青海、海南和内蒙古等[2]。这一发现进一步验证了建立的MaxEnt模型的可靠性和准确性。需要注意的是，本研究的结果仅基于已有数据和模型预测，尚需进一步实地调查和验证，在预测物种适宜性分布区域时，生态因子是决定潜在地理分布的重要因素，但其他因素的影响也不能被忽视，如土壤条件、人类干扰和竞争等[15]。同时，在筛选环境变量时，可以使用MaxEnt模型多次计算生态因子数据，以减小对植物生态适宜性预测的影响[16]。在后续研究中，将进行多方面的筛选和建模，以获得更高、更显著的成功率。这将有助于更准确地预测物种的分布区域，并为植物生态保护和管理提供更有效的参考依据。因此，未来的研究可以繼续探索这些因素，并进一步完善角茴香的生态分布模型。

总之，在本研究中，结合使用MaxEnt和ArcGIS软件，分析了影响角茴香的生态因子和适宜性分布区域，研究结果对于角茴香的生态保护和管理具有重要意义，可以更好地保护和利用角茴香这一重要的植物资源。

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