鐵絲威靈仙生態適宜性區劃研究

韋翡翡，呂蓉，王莉，盧有媛，林麗，晉玲，3

1.甘肅中醫藥大學藥學院，甘肅 蘭州 730000；2.南京中醫藥大學，江蘇 南京 210023；3.中（藏）藥資源研究所，甘肅 蘭州 730000

鐵絲威靈仙為百合科植物黑葉菝葜Smilax nigrescensWang.和短梗菝葜Smilax scobinicaulisC. H.Wright.或鞘柄菝葜Smilax stansMaxim.的干燥根及根莖，具有祛風除濕、舒筋活絡、活血止痛功效[1]。威靈仙為毛茛科植物威靈仙Clematis chinensisOsbeck、棉團鐵線蓮Clematis hexapetalaPall.或東北鐵線蓮Clematis manshuricaRupr.的干燥根及根莖，用于風濕痹痛、肢體麻木、筋脈拘攣、屈伸不利、骨鯁咽喉等疾病[2]。因兩者具有相似功效，在某些地方鐵絲威靈仙一直作為威靈仙的替代品使用。目前，鐵絲威靈仙相關研究主要是與威靈仙藥材鑒別[3-4]，以及成分和藥理研究[5-6]，而對其適宜性區劃研究較少。最大熵（MaxEnt）模型以物種在現今分布區的環境變量和分布變量為基礎，分析得到其現今分布區生態位的占比情況，從而預測該物種在一定范圍內相似度極高的潛在地理及環境分布區。筆者通過對鐵絲威靈仙3 個基原種分布信息的采集，結合植被類型、氣象數據及土壤數據，再利用MaxEnt 模型和地理信息系統（GIS）分析技術對中藥鐵絲威靈仙的生態適宜性范圍進行探索，初步得到影響該藥材生態適宜性分布的主要生態因子及適宜生長區，為野生資源撫育和人工種植區的選擇提供基礎。

1 材料及方法

1.1 儀器及樣本收集

便攜式衛星導航儀（GPS Rino 530HCx），北京佳明航電科技有限公司。查閱相關文獻，得到鐵絲威靈仙基原種的分布范圍[7]。于2015－2018 年采集黑葉菝葜、短梗菝葜和鞘柄菝葜樣本，記錄經緯度、海拔和生境；查閱中國數字植物標本館（http://cvh.cn./cms），收集3 種菝葜分布信息，無經緯度信息則以最小行政單位為準。但在bingmap 同一柵格有2 個數據時，選擇保留1 個點。將3 種菝葜信息按物種名、經度和緯度順序分別進行Excel2010 表格整理，并保存為.csv 文件。

1.2 研究方法

1.2.1 生態因子獲取與篩選

本文使用的生態因子數據（氣候、土壤、地形、和植被類型）來源于“中藥資源空間信息網格數據庫”（http://www.tcm-resources.com/）。分別將3 種菝葜分布信息和55個生態因子導入MaxEnt軟件進行迭代運算，棄去運算結果中貢獻率為0 的生態因子，進行下次運算，直至運算結果全部生態因子貢獻率不為0 為止，選取貢獻率大、權重高的生態因子為主生態因子。

1.2.2 最大熵模型設置及評價

分別將3 種菝葜標本信息及環境信息按軟件保存后（.csv 文件）導入MaxEnt 軟件，因數據量較大，所以使用85%標本點建立模型，利用15%進行模型驗證，以更加準確保證數據合理性；最大迭代次數為106，利用ROC 評價曲線和刀切法（jackknife）檢驗權重，其他參數均為默認值。以ROC 曲線及曲線下面積（AUC）對模型進行精準評價。

1.2.3 鐵絲威靈仙生態適宜性分析

將MaxEnt 最后一次運算數據導出為.csv 文件，結合原始標本信息，利用GIS 計算生態適宜值并制作生態適宜性圖，其中生態適宜值劃分依據主要參照GIS 中運算結果屬性表，其中有最小值及正態分布曲線的均值（μ）和均方差（σ），以[0，最小值]為不適宜區，[最小值，μ－σ]為次適宜區，[μ－σ，1]為適宜區，分別繪制出鐵絲威靈仙中3 個種菝葜生態適宜性區劃圖。

2 結果與分析

2.1 樣本收集

共采集到鐵絲威靈仙樣本64 份，其中黑葉菝葜18 份、短梗菝葜23 份、鞘柄菝葜23 份；從中國數字植物標本館獲得黑葉菝葜200 份、篩選出106 份，短梗菝葜250 份、篩選出197 份，鞘柄菝葜550 份、篩選出455 份。

2.2 最大熵模型預測精度

以MaxEnt 模型中AUC 值的大小作為評價模型預測精度的衡量標準，AUC 值越大表明模型判斷力越強[8]。評價標準:0.5≤AUC＜0.6 為失敗，0.6≤AUC＜0.7 為較差，0.7≤AUC＜0.8 為一般，0.8≤AUC＜0.9為好，0.9～1.0 為非常好。

黑葉菝葜、短梗菝葜和鞘柄菝葜的訓練數據集和測試數據集的AUC 值依次為0.992 和0.988、0.985和0.978、0.974 和0.968，3 種菝葜訓練數據集和測試數據集均AUC≥0.9，表明MaxEnt 模型具有很高的可信度。3 種菝葜ROC 評價曲線見圖1。

2.3 主要生態因子的選擇

對55 個生態因子進行生態適宜性運算，剔除貢獻率為0 的生態因子，分別對黑葉菝葜、短梗菝葜、鞘柄菝葜數據經過10、7、5 次篩選出33 個生態因子對黑葉菝葜的生態適宜性有貢獻，24 個生態因子對短梗菝葜的生態適宜性有貢獻，24 個生態因子對鞘柄菝葜的生態適宜性有貢獻，結果見圖2。

2.4 鐵絲威靈仙在我國的生態適宜性區劃

黑葉菝葜適宜分布為甘肅天水-隴南一帶、陜西漢中和安康地區、四川萬源市、重慶市及湖北神農架地區和恩施市；次適宜分布為甘肅清水縣-武山縣一帶，陜西隴縣-洛南縣一帶，河南盧氏縣-欒川縣一帶，湖北襄陽市東部和恩施部分地區，貴州遵義市，畢節市和貴陽市，四川宜賓-眉山一帶，云南昭通市。見圖3。

圖3 黑葉菝葜生態適宜性區劃圖

短梗菝葜適宜分布為甘肅隴南地區、陜西寶雞-漢中一帶、河南盧氏縣-欒川縣一帶、湖北（十堰市、襄陽市和恩施市）、湖南龍山縣-永順縣一帶、貴州中部和北部、四川長寧縣-梓潼縣一帶；次適宜分布為甘肅武山縣-寧縣一帶、陜西旬邑縣-宜川縣地區、山西鄉寧縣-陵川縣一帶、河南洛寧縣-瀝川縣一帶、湖北谷城縣-遠安縣地區、湖南慈利縣-綏寧縣一帶、貴州東南部、云南（曲靖市、文山市和瀘水市）、青藏高原東南一帶、和浙江一帶及臺灣東部。見圖4。

圖4 短梗菝葜生態適宜性區劃圖

鞘柄菝葜適宜分布主要為甘肅甘南-隴南地區、陜西漢中-商洛一帶、山西中陽縣-孟縣一帶、河南西部，以及四川綿陽市、眉山市和宜賓市；次適宜分布為甘肅蘭州市、平涼和慶陽一帶、陜西寶雞市和渭南市一帶、山西（絳縣和陽城縣）、河南洛陽-平頂山一帶、湖南張家界-懷化一帶、貴州全省、四川西部和南部、云南西北部和東北部、青藏高原東南邊緣地區，浙江一些地區也有分布。見圖5。

圖5 鞘柄菝葜生態適宜性區劃圖

3 討論

本研究在實地調查的基礎上，結合網絡共享平臺，采用MaxEnt 模型對鐵絲威靈仙進行生態適宜性區劃預測模擬，結果ROC 曲線得到的AUC 預測值＞0.9，表明本次模型模擬是比較可靠的。通過全面篩選55 個生態因子，最終分別得到對黑葉菝葜有貢獻率的生態因子24 個，對短柄菝葜有貢獻的生態因子24 個，對鞘柄菝葜有貢獻的生態因子24 個，最終分別得到鐵絲威靈仙3 個基原種的適宜性范圍。

筆者查閱資料發現，黑葉菝葜產于甘肅（東南部）、陜西（秦嶺以南）、四川（中部至東部）、湖北、湖南、貴州和云南（中部至東南部），與本研究所得黑葉菝葜在我國的適宜性區劃圖基本一致。

短梗菝葜產于河北（西南部）、山西（中南部）、河南（西部）、陜西（秦嶺以南）、甘肅（東南部）、四川、湖北、湖南、江西、貴州、云南（東南部至西北部）。這與本研究得到短梗菝葜在我國的生態適宜性區劃圖基本一致，但減少了河北地區的分布，增加了青藏高原東南部、浙江、安徽及臺灣地區的預測適宜性分布。筆者推測可能與環境改變有關，隨著全球氣候變暖，原本不適宜分布的地區變成了適宜區；另有可能與本研究得到的樣本量有關系，因尚未得到青藏高原、浙江、安徽和臺灣地區的樣本數據。

鞘柄菝葜產于河北（北京至西南部）、山西（中南部）、陜西（中南部）、甘肅南部、四川（西北部至東南部）、湖北、河南、安徽、浙江和臺灣地區，與本次研究所得鞘柄菝葜在我國的生態適宜性區劃圖基本一致，增加了青藏高原東南部、云南（西北部和東北部）及遼寧半島和山東（中部），筆者認為也是由于環境改變引起的適宜區遷移。

本研究中，黑葉菝葜標本信息124 份，較其他2種菝葜少，所以，黑葉菝葜的次適宜區范圍明顯較小，適宜性范圍可能有所減小。得到更多的黑葉菝葜樣本數據將使生態適宜性范圍更為準確。