基于MaxEnt和ArcGIS的中藥車前子生態適宜性區劃研究

陳博，曹后康，呂蓉，王莉，成希，晉玲，2

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

車前子為車前科植物車前Plantago asiaticaL.或平車前Plantago depressaWilld.的干燥成熟種子。具有清熱、利尿通淋、滲濕止瀉、明目、祛痰等功效，用于治療熱淋澀痛、水腫脹滿、暑濕泄瀉、目赤腫痛、痰熱咳嗽等癥[1]。由于市場需求較大，為保證車前子的品質，選擇適宜地區進行人工栽培是目前行之有效的方法。

最大熵（MaxEnt）模型可根據物種已知的分布數據和環境變量判斷其生態需求，并以此進行該物種的分布預測，結合地理信息系統ArcGIS分析技術，可對物種的潛在分布進行預測，已廣泛應用于中藥相關領域[2]。本研究通過查閱資料及實地采樣，收集車前和平車前樣點信息，結合環境因子數據，采用MaxEnt模型預測車前和平車前生態適宜分布區，并利用ArcGIS軟件將其展示出來，以期為優質中藥車前子人工栽培選地提供依據。

1 資料與方法

1.1 車前和平車前樣點分布數據

通過自采及查閱中國數字植物標本館（http://www.cvh.ac.cn），收集車前和平車前樣點信息，其中車前325個、平車前255個，記錄其經緯度、海拔等分布信息，樣點分布詳見圖1。

圖1 車前和平車前樣點分布

1.2 生態因子數據

本研究使用來源于“中藥資源空間信息網格數據庫”（http://www.tcm-resources.com/）的55個生態因子數據（降水、溫度、植被類型、土壤亞類），選取適應車前和平車前生長的所有生態因子數據。

1.3 最大熵模型參數設置與運算

將車前和平車前樣點經緯度信息導入MaxEnt3.4.0軟件，設置建模參數：隨機測試比例25%，最大迭代次數106，收斂門限0.000 5，其余值默認。進行迭代運算，舍棄貢獻率為0的生態因子，得到各生態因子對車前和平車前生長貢獻率，依據響應曲線得到主生態因子適宜范圍[3]。用受試者工作特征（ROC）曲線下面積（AUC）評價預測結果的精度，取值范圍0～1，若AUC＞0.9，表明此模型精確度較高。

1.4 生態適宜區劃分

將MaxEnt運算結果導入ArcGIS軟件，依據生態適宜度最小值及正態分布曲線的均值（μ）和均方差（δ），將車前和平車前生長區劃分為不適宜區、次適宜區和適宜區3個等級，并繪制車前和平車前生態適宜性區劃分布圖。

2 結果與分析

2.1 模型預測精度

車前、平車前的ROC曲線訓練數據集AUC分別為0.968、0.977，測試數據集AUC分別為0.927、0.940，均大于0.9，表明MaxEnt模型對預測車前和平車前的潛在分布準確度和可信度都很高。車前、平車前潛在分布MaxEnt模型ROC曲線見圖2、圖3。

圖2 車前分布MaxEnt模型ROC曲線

圖3 平車前分布MaxEnt模型ROC曲線

2.2 主生態因子選擇

55個生態因子中，42個對車前生態適宜性有貢獻，18個為影響車前適宜性的主要生態因子，貢獻率總和為94.09%，車前主生態因子適宜值見表1；47個對平車前生態適宜性有貢獻，19個為影響平車前適宜性的主要生態因子，貢獻率總和為92.95%，平車前主生態因子適宜值見表2。降水量、坡度、溫度、海拔、植被類型、土壤亞類為影響車前和平車前生態適宜性的主要生態因子。

表1 車前主生態因子貢獻率及適宜值

表2 平車前主生態因子貢獻率及適宜值

2.3 生態適宜性區劃

車前生態適宜性區劃見表3、圖4。適宜區包括甘肅省南部邊緣、陜西南部、安徽南部、四川東部、重慶、湖北中西部、浙江、福建、貴州、湖南中南部、江西、廣西北部、廣東南部，次適宜區包括遼寧南部、河北北部和西部、北京、天津大部、山東、山西、河南南部、寧夏、江蘇中南部、安徽北部、甘肅中部、四川中部、西藏南部邊緣、廣西南部、廣東南部、臺灣中部。

圖4 車前生態適宜性區劃

表3 車前生態適宜性分布區

平車前主要生態適宜性區劃見圖5。適宜區包括吉林東部邊緣、遼寧東部、青海東北角、甘肅南部、寧夏南部、陜西大部、山西、河北北部、北京、山東南部、河南西部、四川中部、云南北部、安徽南部，次適宜區包括黑龍江中部、吉林中部、遼寧西部、內蒙古中南部、西藏東南部、青海西北角、甘肅北部、寧夏北部、河北南部、天津北部、山東北部、河南東部、安徽大部、江蘇中西部、浙江中北部、福建中部、江西大部、湖北大部、重慶大部、云南中部、貴州北部、湖南中北部、廣西北部邊緣、廣東北部邊緣、臺灣西南邊緣。見表4。

圖5 平車前生態適宜性區劃

表4 平車前生態適宜性分布區

續表4

3 小結

本研究對580個車前子樣點進行生態適宜性區劃研究，預測模型AUC均大于0.9，表明預測結果良好、可信度高，可為合理選擇種植區提供依據。

車前和平車前為耐寒、耐旱型植物，對土壤要求不嚴格，但更適宜溫暖、潮濕、向陽、沙質沃土環境。車前生長海拔為0～3 687.5 m，平車前生長海拔為388～4 000 m，超出該環境范圍會影響植物營養吸收；3、4月份為發芽期，9、10月份為開花結果期，適宜的溫度、充足的降水量能保證植物獲取足夠的營養。有報道，車前種子重量與年均溫度及年降水量之間關系顯著，種子重量隨著年均溫度及年降水量的增加而增加[4]，與本研究結果一致。