基于GIS技術的吉林省朝鮮淫羊藿生態(tài)特征及適生區(qū)研究△

王哲，李波，劉銘琪，姜大成，韓曦英

(長春中醫(yī)藥大學 藥學院，吉林 長春 130117)

基于GIS技術的吉林省朝鮮淫羊藿生態(tài)特征及適生區(qū)研究△

王哲，李波，劉銘琪，姜大成，韓曦英*

(長春中醫(yī)藥大學 藥學院，吉林 長春130117)

目的：研究朝鮮淫羊藿在吉林省分布的一般規(guī)律及主要影響因素，建立朝鮮淫羊藿在吉林省的適生區(qū)劃。方法：對朝鮮淫羊藿在吉林省的主要分布區(qū)進行實地踏查，記錄朝鮮淫羊藿分布點經(jīng)緯度信息。利用GIS技術，結合對多種生態(tài)類型空間數(shù)據(jù)的使用，獲取朝鮮淫羊藿分布點的各項生態(tài)數(shù)據(jù)。利用數(shù)學統(tǒng)計的方法對朝鮮淫羊藿的各項生態(tài)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并明確對朝鮮淫羊藿分布具有顯著影響的生態(tài)因子。結果：28項生態(tài)因子的分析結果，使朝鮮淫羊藿的主要生態(tài)特征如地形地貌、氣候、土壤、植被等均得以細化。其中海拔、最濕月降水量、最干月降水量、季節(jié)降水量變異系數(shù)和土壤酸堿度5項生態(tài)因子對朝鮮淫羊藿在吉林省的分布具有顯著性的影響。而利用以上數(shù)據(jù)所推導出的朝鮮淫羊藿的適生區(qū)域分布在吉林省南部的山區(qū)，總面積約為27256km2。結論：利用GIS技術可以直接提取植物分布點的多項生態(tài)數(shù)據(jù)，并以此為基礎進一步研究生態(tài)因子對植物分布的影響并制定植物的適生范圍提供了可能。以上研究表明，利用GIS技術開展野生藥用植物的生態(tài)研究是切實可行的，為深入開展藥用植物生態(tài)研究提供了新思路。

朝鮮淫羊藿；GIS；生態(tài)特征；Logistic回歸；適生區(qū)

我國80%以上的中藥材來源于野生資源，近30年以來人口膨脹與城鎮(zhèn)化建設引起的生境破碎化及過度采挖等因素導致野生中藥資源蘊藏量急劇下降，甚至枯竭。建立合理的中藥資源調查方法，理清影響藥材原植物分布的影響因子和潛在的適宜分布區(qū)域，對于中藥資源的保護和可持續(xù)利用顯得尤為必要。

朝鮮淫羊藿EpimediumkoreanumNakai是中藥“淫羊藿”的一種主要來源[1]，具有非常重要的藥用價值和經(jīng)濟價值。該植物是小檗科淫羊藿屬植物在中國東北地區(qū)的唯一品種[2]。吉林省長白山區(qū)是朝鮮淫羊藿的主要產(chǎn)地，是當?shù)刂匾闹兴庂Y源，極具開發(fā)利用價值。但一直以來，對于朝鮮淫羊藿所開展的各項生態(tài)與資源調查由于樣本量少、研究內容相對有限，無法真正揭示其主要分布規(guī)律，限制了朝鮮淫羊藿資源保護與可持續(xù)開發(fā)利用工作的進一步開展。

本項研究是以朝鮮淫羊藿的生態(tài)因子研究為重點，以GIS技術為主要手段，通過多種類型空間數(shù)據(jù)的使用，獲取朝鮮淫羊藿的多項生態(tài)因子數(shù)據(jù)；結合統(tǒng)計學研究，旨在明確朝鮮淫羊藿分布的基本規(guī)律和適生區(qū)范圍，為進一步開展朝鮮淫羊藿資源保護和可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 自然地理概況

吉林省地處中國東北地區(qū)中部。全省地勢從東南向西北傾斜，全省可分為3個地形區(qū)，即東部山地、中部丘陵和西部平原[3]。現(xiàn)有文獻資料顯示，朝鮮淫羊藿主要以東部山區(qū)為主要分布區(qū)[4-5]，該區(qū)域包括通化市、白山市和延邊朝鮮族自治州，區(qū)域內有數(shù)條東北-西南走向的山脈，氣候上屬于溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷漫長而干燥，夏季溫暖多雨而短促，雨熱同季，年降水量一般在600～700mm[6-7]。東部山區(qū)由于氣候濕潤、多被森林植被覆蓋、土壤所受淋溶作用較強，土壤反應趨于酸性，由于林下草甸草本植物的作用和枯枝落葉的積累，土壤表層進行著較強烈的腐殖質累計過程。表土中腐殖質含量較高[8-9]。主要植被類型有，落葉闊葉林、落葉針葉林、常綠針葉林、針闊混交林、以及落葉闊葉灌木林，區(qū)域內主要植被為長白山植物區(qū)系[3，10]。

2 研究方法

2.1野外調查

根據(jù)已有相關文獻和資料記載[4-5]，獲取該植物的大致分布范圍，分別于2014年7～8月和2015年8～9月，分兩次對吉林省朝鮮淫羊藿分布區(qū)進行實地調查。利用GPS獲取朝鮮淫羊藿分布點經(jīng)緯度信息。同時調查朝鮮淫羊藿生長狀況和伴生植物等。GPS型號集思寶MG711(北京合眾思壯科技股份有限公司)，實時定位精度：2～5 m(2DRMS)SBAS。共獲得朝鮮淫羊藿分布點共121個(圖1,表1)。

圖1 吉林省朝鮮淫羊藿分布點

編號出現(xiàn)區(qū)域分布點數(shù)量(個)1東豐縣22通化縣223集安市544撫松縣125靖宇縣46長白朝鮮族自治縣117臨江市148敦化市2

全部調查所獲得的121個鮮淫羊藿分布點，分布于吉林省的8個縣(市)，其中以集安市和通化縣分布的朝鮮淫羊藿分布點數(shù)量最多。

2.2生態(tài)因子獲取

利用ArcGIS的Spatical Analysis模塊的提取分析功能，結合已有的28項空間數(shù)據(jù)(表2)，對朝鮮淫羊藿分布點的各項生態(tài)因子數(shù)值進行提取。全部空間數(shù)據(jù)由地形地貌類、氣候類、土壤類和植被類四大類型空間數(shù)據(jù)組成。以上空間數(shù)據(jù)由“中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫”(http：//www.tcm-resoureces.com)、地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享平臺(http：//www.geodata.cn)和吉林省林業(yè)調查規(guī)劃院提供。

朝鮮淫羊藿各項生態(tài)因子數(shù)據(jù)以分布點所在地的經(jīng)緯度數(shù)值為提取依據(jù)，建立由全部分布點(121個)所在地的28項空間數(shù)據(jù)所組成的數(shù)據(jù)矩陣，作為開展分析工作的數(shù)據(jù)來源。

2.3生態(tài)因子分析方法

生態(tài)因子對于藥用植物的生長和發(fā)育有著十分重要的作用，因此直接決定著藥用植物分布區(qū)的范圍和面積。利用生態(tài)因子開展生物潛在的分布區(qū)預測，目前國內采用較多生態(tài)位模型有GARP[11]、邏輯回歸[12]、最大熵模型(maxent)[13-15]等多種方法。本研究所采用Logistic回歸屬于概率型非線性回歸，是研究二分類(可拓展至多分類)觀察結果與影響因素之間關系的多變量分析方法。Logistic回歸較多應用與流行病學研究中，如需要分析疾病與各類危險因素之間的定量關系。Logistic回歸現(xiàn)已成分處理分類反應數(shù)據(jù)的常用辦法。

Logistic回歸模型設應變量Y是一個二值變量，取值為:

另有影響Y取值的m個自變量X1，X2，…，Xm。記P=P(Y=1│X1，X2，…，Xm)，表示在m個自變量作用下陽性結果發(fā)生的概率，Logistic回歸模型可以表示為:

對上述公式作對數(shù)變換，Logistic回歸模型可以表示為：

Logistic回歸的優(yōu)勢之一，即得到某一因素的回歸系數(shù)估計值后，便可以得到該因素不同水平下優(yōu)勢比的估計值乃至相對危險度的近似估計值[16]。

利用SPSS 21.0統(tǒng)計軟件analyze模塊下Binary Logistic功能，對朝鮮淫羊藿生態(tài)因子數(shù)據(jù)陣列開展分析工作。定義α=0.05，以多因素條件Logistic回歸分析結果P<0.05的生態(tài)因子作為對朝鮮淫羊藿的分布具有顯著性影響的生態(tài)因子。

對單一生態(tài)因子進行分析時，本研究發(fā)現(xiàn)朝鮮淫羊藿生態(tài)因子數(shù)值范圍與分布點數(shù)量間具有類似正態(tài)分布的特點，即生態(tài)因子數(shù)值普遍集中在一個核心范圍，超出核心范圍，分布點位數(shù)量迅速減少。為便于考察朝鮮淫羊藿分布點生態(tài)因子范圍，突出主要特點并明確基本規(guī)律。通過考察不同條件下分布點數(shù)量占總體數(shù)量間關系，發(fā)現(xiàn)朝鮮淫羊藿分布點數(shù)量占80%以上(分布點數(shù)量≥97個)的連續(xù)區(qū)間為可以反映生態(tài)因子數(shù)值核心范圍，即生態(tài)特征。本研究利用生態(tài)因子數(shù)值與分布點數(shù)量直方圖方式，開展相應生態(tài)因子研究工作。

2.4適生區(qū)制定方法

利用AcrGIS的裁剪功能，對朝鮮淫羊藿分布具有顯著性的影響生態(tài)因子的核心分布區(qū)間進行相應的裁剪，并將裁剪后的位置信息疊加到吉林省行政地圖，得到朝鮮淫羊藿在吉林省的適生區(qū)。本研究統(tǒng)計了適生區(qū)數(shù)量、分布范圍及分布面積情況等基礎信息。

3 研究結果

3.1顯著性生態(tài)因子分析

在全部28項生態(tài)因子中，海拔、最濕月降水量、最干月降水量、季節(jié)降水量變異系數(shù)、土壤酸堿度5項生態(tài)因子的Logistic回歸分析結果(P<0.05)，表明這些生態(tài)因子對于朝鮮淫羊藿的分布具有顯著性的影響。生態(tài)因子分析結果見表2。

表2 生態(tài)因子Logistic分析結果

注：*表示生態(tài)因子對朝鮮淫羊藿分布具有顯著性影響

3.2朝鮮淫羊藿適生區(qū)制定

選取對朝鮮淫羊藿在吉林省分布具有顯著性影響的5項生態(tài)因子，對各項生態(tài)因子數(shù)值分布范圍進行匯總，并計算各生態(tài)因子的核心范圍。表3顯示各項顯著性生態(tài)因子的全部數(shù)值范圍和核心范圍。

表3 顯著性生態(tài)因子數(shù)值

利用AcrGIS的裁剪功能，對相應空間數(shù)據(jù)依據(jù)核心范圍進行裁剪(圖2)，并將裁剪后的位置疊加到吉林省行政地圖，得到吉林省尺度下的朝鮮淫羊藿適生區(qū)域(圖3，表4)。

3.3生態(tài)因子分析

3.3.1 地形地貌類生態(tài)因子

地形地貌類生態(tài)因子研究分析了朝鮮淫羊藿分布點的海拔、坡度、坡向、地貌類型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析結果見圖4。海拔數(shù)據(jù)顯示，朝鮮淫羊藿的海拔核心范圍為199～830 m；坡度數(shù)據(jù)核心范圍為0.43～7.85°。

圖2 朝鮮淫羊藿顯著性生態(tài)因子分布區(qū)

圖3 吉林省朝鮮淫羊藿適生區(qū)

坡向數(shù)據(jù)顯示，分布在東南、南向和西向的朝鮮淫羊藿數(shù)量較多，但其他各個方向也有分布。地貌數(shù)據(jù)顯示朝鮮淫羊藿點位出現(xiàn)在7種地貌類型中，但在低海拔中起伏山地和低海拔小起伏山地這兩種地貌類型中，點位數(shù)量最多。

表4 朝鮮淫羊藿適生區(qū)分布情況

圖4 地形地貌類生態(tài)因子分析結果

3.3.2 氣候類生態(tài)因子

氣候類生態(tài)因子分析了朝鮮淫羊藿分布點的年平均氣溫等14項生態(tài)因子。朝鮮淫羊藿年平均氣溫數(shù)據(jù)核心范圍為1.8～5.7 ℃；夏季平均氣溫核心范圍17.4～22.0 ℃，8月最高溫核心范圍24.8～27.2 ℃；冬季平均溫核心范圍-16.8～-12.4 ℃，1月份最低溫核心范圍-26.5～-21.8 ℃；表示溫度晝夜變化情況的晝夜溫差月均值核心范圍12.3～13.1℃；表示溫度季節(jié)變化情況的溫度季節(jié)變化的標準差核心范圍12 409～13 548；24～26 ℃等溫線區(qū)域內。朝鮮淫羊藿年平均降水量核心范圍746～1005 mm；其中夏季降水量核心范圍467～623 mm、8月份降水量核心范圍185～263 mm；冬季降水量核心范圍27～39 mm，1月份降水量核心范圍9～12 mm；反應不同季節(jié)降水量差異的季節(jié)降水量變異系數(shù)87～100之間。

3.3.3 土壤類生態(tài)因子

土壤類生態(tài)因子分析了朝鮮淫羊藿分布點的土壤類型等8項生態(tài)因子。朝鮮淫羊藿主要生長在弱發(fā)育淋溶土、薄層黑土上，土壤質地以壤土為主。土壤中含沙量核心范圍38%～42%，含黏土量22%～23%，有效含水量為150 mm·m-1。土壤有機含碳量反映了土壤的肥力，核心范圍為0.74%～1.95%；土壤陽離子交換能力反映了土壤酸堿度核心范圍6.4～6.6。

3.3.4 植被類生態(tài)因子

植被類生態(tài)因子分析分析了朝鮮淫羊藿分布點的植被大類和優(yōu)勢樹種2項生態(tài)因子。朝鮮淫羊藿主要生長在以天然植被為主的區(qū)域，以植被大類以闊葉林和灌叢為主；闊葉林中主要的優(yōu)勢樹種以蒙古櫟為主，同時也包括部分糠椴、蒙椴、元寶槭。

4 結果討論

4.1朝鮮淫羊藿適生區(qū)研究

本研究制定的朝鮮淫羊藿適生區(qū)表明，吉林省朝鮮淫羊藿適生區(qū)相對集中，范圍較為狹窄。適生區(qū)主體位于吉林省南部地區(qū)，特別是通化和白山兩市，與實地調查中，在集安市和通化縣獲得朝鮮淫羊藿分布點數(shù)量最多的結果一致，反映了本研究制定的朝鮮淫羊藿適生區(qū)結果的正確性。朝鮮淫羊藿適生區(qū)覆蓋有20個縣(市、區(qū))，總面積27 256 km2。其中適生區(qū)占縣域面積比值最高的3個縣市分別為通化市通化縣和柳河縣和白山市撫松縣。本研究也存在某些縣域內存在大面積朝鮮淫羊藿適生區(qū)，但在實地調查中未發(fā)現(xiàn)朝鮮淫羊藿分布的問題，如輝南縣、柳河縣等。這個問題的出現(xiàn)有以下兩方面原因：①部分縣市曾經(jīng)有朝鮮淫羊藿的分布，但受到人為活動影響，資源量減少，因此在實地調查中未發(fā)現(xiàn)；②朝鮮淫羊藿在生長中還受到其它未知因素的影響，在本研究中尚未明確。

圖5 氣候類生態(tài)因子分析結果

圖6 土壤類生態(tài)因子分析結果

圖7 植被類生態(tài)因子分析結果

4.2朝鮮淫羊藿生態(tài)因子分析結果

生態(tài)因子分析利用數(shù)據(jù)矩陣獲得了較以往研究更多且更為詳細的生態(tài)數(shù)據(jù)。在現(xiàn)有條件下，利用Logistic回歸，可以明確對朝鮮淫羊藿分布具有顯著性影響的5項生態(tài)因子。同時，在分析過程中，也發(fā)現(xiàn)了朝鮮淫羊藿生態(tài)因子數(shù)值范圍與分布點數(shù)量之間的一些規(guī)律，所采用的生態(tài)因子數(shù)值與分布點數(shù)量直方圖研究法，改變了傳統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行單一匯總式的研究方式。生態(tài)因子研究結果，反映了朝鮮淫羊藿植物生長過程中的一些特點，并與朝鮮淫羊藿適生區(qū)整體生態(tài)特征高度一致。地形地貌和植被反映出，朝鮮淫羊藿適宜生長在長白山區(qū)的中、低海拔山地丘陵地區(qū)，這些地區(qū)普遍具有天然植被豐富的特點。同時以蒙古櫟為代表的闊葉林也是朝鮮淫羊藿生長的重要條件。氣候生態(tài)因子反映出朝鮮淫羊藿適生區(qū)具有夏季炎熱、降水豐富，而冬季寒冷、降水稀少，季節(jié)溫度變化和晝夜溫度均較為明顯的特點。這些特點與朝鮮淫羊藿適生區(qū)整體處于大陸性氣候區(qū)有關。土壤生態(tài)因子反映出朝鮮淫羊藿適生區(qū)土壤特點。土壤類型以長白山區(qū)常見的壤土為主，而且含沙量和和含粘土量均較為固定，并且對于土壤中有機養(yǎng)料、水分含量和酸堿度均有較高的要求。

由于條件所限，本研究所能利用的生態(tài)因子數(shù)量有限，因此無法進一步全面開展各類生態(tài)研究；同時又由于普通空間數(shù)據(jù)，特別是植被類空間數(shù)據(jù)由于調查方法和形成時間的問題，可能與實際結果間存在一定差異；最后，在開展針對生態(tài)因子數(shù)據(jù)矩陣研究過程中，由于研究方法限制，未能明確各生態(tài)因子之間的聯(lián)系，也無法明確多組生態(tài)因子對植物的共同作用結果，這是本研究中存在的問題，也是后續(xù)工作中需要著力解決的問題。目前對于藥用植物生態(tài)研究，特別是針對生境特點的研究較少，因此一些權威的文獻資料對于藥用植物的生境描述也十分簡單。如《中國植物志》記載的朝鮮淫羊藿產(chǎn)于吉林、遼寧、浙江、安徽。朝鮮北部及日本有分布。生于林下或灌叢中。海拔400～1500 m。本項研究將吉林省朝鮮淫羊藿的一些生境特點，特別是對朝鮮淫羊藿生長有直接影響的生境特點進行了細化，劃設了朝鮮淫羊藿適生區(qū)，考察了朝鮮淫羊藿生長所需要的海拔、地形、地貌、土壤等生態(tài)因子。這項研究結果與傳統(tǒng)文獻相比，恰恰能夠反映出植物在不同的地區(qū)和生態(tài)環(huán)境下，所具有的獨特的分布特點和分布規(guī)律。在方法上，本項研究利用GIS技術，結合對空間數(shù)據(jù)的使用，開展了對吉林省朝鮮淫羊藿的分析研究工作。以本項研究為例，分布于全省范圍內的121個朝鮮淫羊藿分布點均為2013年以后調查數(shù)據(jù)，無論是數(shù)據(jù)量還是分布點的分散程度都較以往針對一個或有限的幾個的樣本的研究結果更為真實可信。GIS技術和空間數(shù)據(jù)的使用，使中藥資源研究思路得到了極大的拓寬，而相關數(shù)學統(tǒng)計模型則確保了數(shù)據(jù)分析過程的準確和科學。因此，本項研究在獲得傳統(tǒng)調查結論如海拔、植被的同時，更獲取了一些專項數(shù)據(jù)，如專業(yè)的土壤類數(shù)據(jù)和氣候類數(shù)據(jù)，并且準確性更高。本項研究不僅吉林省朝鮮淫羊藿生態(tài)研究的基礎，更為今后開展朝鮮淫羊藿資源保護及資源開發(fā)利用提供了重要的參考。

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EvaluationforEcologicalTrailandSuitableDistributionAreaofEpimediumkoreanumNakaiinJilinProvinceBasedonGISTechnology

WangZhe，LiBo，LiuMingqi，JiangDacheng，HanXiying*

(ChangchunUniversityofChineseMedicine，SchoolofPharmaceuticalSciences，Changchun130117，China)

Objective：To study the general distribution rules and the main influence factors ofEpimediumkoreanumNakai in Jilin Province，and establish the ecological suitability distribution.Methods：A field survey was carried out to record the longitude and latitude ofE.koreanumNakai in the main distribution areas in Jilin Province.The ecological data of the distribution areas were obtained using GIS technology and a variety of ecological types of spatial data.Mathematical statistics method was used to analyze the ecological data，and clarified the ecological factors which were significant influence on the distribution.Results：Five of the twenty eight ecological data，include altitude，the wet monthly precipitation，the dry monthly precipitation，coefficient of variation of seasonal precipitation and soil pH degree were significant impact the distribution ofE.koreanumin Jilin Province.The suitable distribution area ofE.koreanumwere mainly distributed in the mountainous and semi-mountainous areas of southern Jilin Province，the total area was about27256km2.Other major ecological factors such as topography，climate，soil，vegetation were also refined.Conclusion：GIS technology can directly extract multi-types ecological data of distribution areas，and study the influence of ecological factors on the distribution of plants and formulate the plant suitable distribution area.The above research showed that use GIS technology to carry out the ecological research of wild herbs，and provides a new idea for the further development of the ecological research of wild herbs.

EpimediumkoreanumNakai；GIS technique；ecological trail；logistic regress；suitable distribution area

10.13313/j.issn.1673-4890.2016.7.020

2016-02-01)

吉林省中醫(yī)藥科技項目(2014-Q22)

*

韓曦英，講師，研究方向：長白山中藥資源數(shù)據(jù)分析；Tel：(0431)86172193，E-mail：447412984@qq.com