京大戟生態(tài)適宜性區(qū)劃研究

裴蘇婷，張虹，2，章鵬飛，潘雅楠，劉守金，2

1.安徽中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，安徽 合肥 230012； 2.安徽省中醫(yī)藥科學(xué)院中藥資源保護(hù)與開發(fā)研究所，安徽 合肥 230012

京大戟為大戟科Euphorbiaceae植物大戟Euphorbia pekinensisRupr.的干燥根，具有逐飲通便、通經(jīng)瀉水、消腫散結(jié)功效，主要用于治療痰飲積聚、水腫脹滿等[1]。由于野生京大戟資源無(wú)法滿足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，因此選擇合適的區(qū)域進(jìn)行人工種植是緩解市場(chǎng)供需矛盾、保證京大戟藥材供應(yīng)的重要途徑。筆者基于已知京大戟分布位置及生態(tài)因子數(shù)據(jù)，采用最大熵（MaxEnt）模型預(yù)測(cè)京大戟生態(tài)適宜分布區(qū)域，并使用地理信息系統(tǒng)（GIS）結(jié)合生態(tài)學(xué)原理研究京大戟的潛在分布[2]，為推廣人工大規(guī)模撫育京大戟提供依據(jù)，同時(shí)也為野生京大戟資源可持續(xù)利用提供保障。

1 材料與方法

1.1 樣本分布信息

利用中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館（CVH）收集的京大戟標(biāo)本地點(diǎn)信息，除去具有相似經(jīng)度和緯度的分布點(diǎn)，無(wú)緯度和經(jīng)度坐標(biāo)的分布點(diǎn)則以最小可查行政單位為準(zhǔn)，得到347份京大戟分布信息（見圖1）。

圖1 京大戟樣本

1.2 生態(tài)因子數(shù)據(jù)及相關(guān)地理信息數(shù)據(jù)

使用“中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(kù)”（http∶// www.tcm-resources.com/）中全部生態(tài)因子數(shù)據(jù)共55個(gè)，包括氣候類型、土壤類型、地形和植被類型4類。在國(guó)家地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站（http∶//nfgis.nsdi.gov.cn/）下載安徽省中醫(yī)藥科學(xué)院中藥資源保護(hù)與開發(fā)研究所采用的1∶4 000 000中國(guó)地圖及中國(guó)行政區(qū)劃圖。

1.3 最大熵模型參數(shù)設(shè)置

京大戟分布信息保存為.csv格式，導(dǎo)入MaxEnt3.3.3軟件并添加55個(gè)生態(tài)因子數(shù)據(jù)。隨機(jī)測(cè)試比例設(shè)為25%，最大迭代次數(shù)為106，設(shè)置ROC評(píng)價(jià)曲線下面積（AUC）為衡量模型準(zhǔn)確度指標(biāo)。

1.4 精確度預(yù)測(cè)

AUC取值范圍為[0.5，1]，值越大則模型預(yù)測(cè)精確度越高，若AUC＞0.9則表明預(yù)測(cè)結(jié)果非常好，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)物種的潛在分布區(qū)域。

1.5 生態(tài)因子篩選

按“1.3”項(xiàng)下設(shè)置MaxEnt模型參數(shù)，結(jié)果以Logistic格式輸出，進(jìn)行11次運(yùn)算，每次舍去計(jì)算結(jié)果中貢獻(xiàn)度為0的生態(tài)因子，得到結(jié)果中具有貢獻(xiàn)率的生態(tài)因子。

1.6 全國(guó)范圍內(nèi)生態(tài)適宜性區(qū)劃劃分

將MaxEnt模型導(dǎo)出的結(jié)果轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)以用于ArcGIS10.2軟件分析，提取京大戟潛在的合適分布區(qū)域圖，重分類生成的柵格數(shù)據(jù)，并遵循適生指數(shù)P值將京大戟適宜性等級(jí)分為四類，即非適生區(qū)P＜0.05，低度適生區(qū)0.05≤P＜0.25，中度適生區(qū)0.25≤P＜0.5，高度適生區(qū)P≥0.5[3]。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型精確度評(píng)價(jià)

運(yùn)算MaxEnt模型可得京大戟潛在分布預(yù)測(cè)ROC曲線（見圖2），京大戟訓(xùn)練數(shù)據(jù)集AUC＝0.962，測(cè)試數(shù)據(jù)集AUC＝0.931，由此顯示MaxEnt模型運(yùn)算預(yù)測(cè)京大戟潛在分布效果非常好，且具備很高可信度和準(zhǔn)確度。

圖2 京大戟潛在分布預(yù)測(cè)ROC曲線

2.2 主導(dǎo)環(huán)境因子權(quán)重

運(yùn)算11次MaxEnt模型后得到25個(gè)生態(tài)因子，結(jié)合生態(tài)因子刀切圖分析，由于具有強(qiáng)相關(guān)性的生態(tài)因子易導(dǎo)致過(guò)度擬合[4]，移除后結(jié)果表明bio12（27.9%）、bio1（16.8%）、prec11（10.8%）、soiltype（7.5%）、bio5（5.9%）、zblx（5.5%）6個(gè)生態(tài)因子的累積貢獻(xiàn)達(dá)到74.4%，表明影響京大戟適宜性的主要生態(tài)因子為年均降水量、年平均氣溫、11月降水量、土壤類型、最暖月最高溫、植被類型。見圖3、表1。

圖3 京大戟潛在分布生態(tài)因子刀切圖

表1 影響京大戟適宜性生態(tài)因子貢獻(xiàn)率

2.3 全國(guó)生態(tài)適宜性區(qū)劃

按照“1.5”項(xiàng)下方法對(duì)進(jìn)行分析，得到京大戟生態(tài)適宜性區(qū)劃分布圖。紅色部分代表京大戟高度適生區(qū)，黃色部分代表中度適生區(qū)，綠色部分代表低度適生區(qū)，白色部分代表非適生區(qū)。從生態(tài)適宜性區(qū)劃圖可知，京大戟在全國(guó)范圍內(nèi)潛在分布地區(qū)廣泛，最適宜生長(zhǎng)的區(qū)域主要集中在北京市、河北省東部、山東省中部及沿海地區(qū)、山西省中南部、陜西省中南部、甘肅省西南部、云南省東南部、河南省西部、湖北省北部、安徽省東部、廣西壯族自治區(qū)東北部等地區(qū)，中度適宜分布地區(qū)為遼寧省西部及南部沿海地區(qū)、陜西省中部、甘肅省東南部、貴州省除西南角大部分地區(qū)、湖南省西部、湖北省西部、浙江省除中部大部分地區(qū)、安徽省南部等地區(qū)，低度適生區(qū)域主要為吉林省東部、陜西省東部、寧夏回族自治區(qū)南部、四川省西部、云南省中東部、廣西壯族自治區(qū)北部、貴州省西南部、重慶市、湖北省西南部、江西省中部、福建省中南部、廣東省除西北角大部分地區(qū)、青海省中部、新疆西北部零星區(qū)域、西藏東南部、臺(tái)灣西部等地區(qū)，非適生區(qū)主要為黑龍江省北部、吉林省北部、內(nèi)蒙古自治區(qū)、甘肅省南部、青海省除中部大部分地區(qū)、西藏除東南角大部分地區(qū)、新疆除西北部大部分地區(qū)及海南省等地區(qū)。見圖4。

圖4 我國(guó)京大戟生態(tài)適宜性區(qū)劃分布

3 討論

基于京大戟的自然分布信息和55個(gè)生態(tài)因子，本研究采用MaxEnt模型預(yù)測(cè)其在國(guó)內(nèi)的生態(tài)適宜性分布區(qū)域，結(jié)果顯示訓(xùn)練集的AUC為0.962，測(cè)試集的AUC為0.931，表明該模型預(yù)測(cè)的適宜京大戟生長(zhǎng)分布區(qū)域非常好且結(jié)果可靠。

影響京大戟分布的主要生態(tài)因子為年均降水量、年平均氣溫、11月降水量、土壤類型、最暖月最高溫、植被類型，其中降水量貢獻(xiàn)率總和為38.7%，可見預(yù)測(cè)京大戟能否在區(qū)域范圍內(nèi)生長(zhǎng)主要依據(jù)當(dāng)?shù)亟邓俊Ｒ虼耍刹捎萌斯そ涤昊蚱渌椒刂平涤辏咕┐箨倪m宜區(qū)域達(dá)到非常適宜區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)。

模型預(yù)測(cè)結(jié)果經(jīng)GIS制圖顯示，京大戟最適宜分布地區(qū)與文獻(xiàn)[1]所載主產(chǎn)區(qū)一致。除傳統(tǒng)分布區(qū)外，北京市、河北省東部，山東省中部及沿海地區(qū)、山西省中南部、陜西省中南部、甘肅省西南部、云南省東南部、河南省西部、湖北省北部、安徽省東部、廣西壯族自治區(qū)東北部等地區(qū)作為京大戟高度適生區(qū)，在最佳適宜地區(qū)進(jìn)行人工栽培種植及野生資源養(yǎng)護(hù)，可以最大限度提高京大戟的產(chǎn)量，以促進(jìn)區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。

本研究結(jié)果闡明了京大戟的適宜分布區(qū)和主要生態(tài)因子，為進(jìn)一步開展京大戟產(chǎn)地的資源保護(hù)和野生栽培提供依據(jù)。當(dāng)然，本研究?jī)H基于野外標(biāo)本采集信息預(yù)測(cè)生態(tài)適宜性區(qū)劃，藥材的質(zhì)量還受多種因素影響，今后可對(duì)京大戟藥材進(jìn)行品質(zhì)區(qū)劃，以更好改善其藥材品質(zhì)。