虎杖生態適宜性區劃研究

李宇航，程楚楚，楊爽，劉叢彬，尹永飛，謝冬梅，2，汪宏保

1.安徽中醫藥大學藥學院，安徽 合肥 230012；2.安徽省中醫藥研究院中藥資源保護與開發研究所，安徽 合肥 230012；3.石臺縣二寶農業發展有限公司，安徽 石臺 245107

虎杖為蓼科多年生草本植物虎杖Polygonum cuspidatumSieb.et Zucc.的干燥根莖及根，具有退黃利濕、散瘀止痛、清熱解毒等功效[1]。現代研究表明，虎杖含有二苯乙烯類、蒽醌類、黃酮類、苯丙素類等成分，可廣泛用于治療炎癥、病毒感染、細菌感染及神經退行性疾病[2]。隨著市場需求量不斷增大，虎杖野生資源被大量采挖，人工栽培已逐漸成為其藥材的重要來源。

環境是影響中藥材產量和質量的重要因素。隨著研究不斷深入，基于遙感數據的區劃方法已成為現階段中藥材區劃研究采用的主要方法[3]。其中運用最大熵（MaxEnt）模型具有算法明確、運算速度快、顯示分布概率且能阻止小樣本情況下過擬合現象，已廣泛用于中藥材的適宜性區劃研究[4-8]。為此，筆者根據分布信息及生態因子，以MaxEnt模型結合ArcGIS軟件對國內虎杖野生資源分布、適宜生長區域、生態環境進行分析，以期為虎杖野生資源的可持續利用提供依據。

1 資料與方法

1.1 數據來源

1.1.1 樣點

通過檢索中國數字植物標本館（https://www.cvh.ac.cn/）、中國自然保護區標本資源共享平臺（http://www.papc.cn/），收集虎杖分布的樣點信息進行統計，對數據庫未收載其經緯度信息的坐標，選擇以能定位最小行政單位進行查詢，共計1 080條，除去相同和相似的經度、緯度，篩選出虎杖有效位點信息328份（見圖1）。將收集的虎杖數據進行整理，經緯度換算為十進制并將文件存為.csv格式。

圖1 虎杖樣點分布

1.1.2 生態因子

于中藥資源空間信息網格數據庫（http://www.tcm-resources.com/）獲取55個生態因子數據，包括：植被類型數據1個；地形數據3個，分別為坡向、海拔和坡度；土壤類型數據8個，分別為有效水含量等級、含沙量、土壤類型、含黏土量、土壤質地分類、陽離子交換能力、土壤酸堿度、有機碳含量；氣候類型數據43個，分別為1～12月份平均溫度、1～12月份降水量，以及19個氣候因子。

1.2 最大熵模型參數設置及生態因子篩選

將虎杖樣點數據和生態因子數據導入MaxEnt3.4.4對應的區塊，75%數據設為模型運算的訓練集，25%數據設為測試集。收斂閾值設為0.000 5，最大迭代次數為106，以受試者工作特征（ROC）曲線及曲線下面積（AUC）、刀切法（jackknife）作為評價預測結果可靠性的指標，其余參數均為軟件默認值，進行多次運算，去除每次運算中貢獻率為0的生態因子，以篩選出所有貢獻率>0的生態因子。

1.3 分布概率圖制作

采用ArcGIS10.2對虎杖樣點進行分析和作圖。使用該軟件的ArcToolbox，將MaxEnt模型估算結果轉換生成柵格數據，作為后期進行空間分析和制作虎杖在各地方分布概率圖的基本圖層，對其進行圖層疊加，生成虎杖分布概率圖。根據適生指數（P）將虎杖的生態適宜性等級區劃為非適宜區（P<0.05）、低適宜區（0.05≤P<0.25）、中適宜區（0.25≤P<0.5）、高適宜區（P≥0.5）共4個等級。

2 結果與分析

2.1 預測準確性

MaxEnt模型預測的準確性以AUC為評價標準，AUC取值一般在[0.5，1.0]，值越大表示準確度越高。評價標準為：0.5≤AUC<0.6表示預測模型失敗，0.6≤AUC<0.7表示較差，0.7≤AUC<0.8表示一般，0.8≤AUC<0.9表示好，0.9≤AUC<1.0表示極好。虎杖樣點數據與生態因子數據經MaxEnt模型運算后ROC曲線訓練集AUC=0.955，測試集AUC=0.940，表明MaxEnt模型用虎杖適宜性分布的估算結果具有較高的準確性。見圖2。

圖2 虎杖分布ROC曲線

2.2 主要生態因子篩選

對55個生態因子通過MaxEnt模型運算7次，保留貢獻率>0.1的生態因子，篩選出23個用于空間分析（見表1）。根據生態因子刀切圖（見圖3），生態因子對虎杖適宜性分布影響的權重大小依次為晝夜溫差月均值、土壤類型、4月份降水量、5月份降水量、2月份降水量、3月份降水量、11月份降水量、年均降水量、10月份平均溫度、10月份降水量、9月份平均溫度、季節降水量變異系數、土壤類型、最冷月最低溫、年均溫度變化范圍。結果兩者共同生態因子有8個，累計貢獻率達77.3%，分別為11月份降水量（58.5%）、土壤類型（4.4%）、4月份降水量（2.9%）、9月份平均溫度（2.8%）、植被類型（2.4%）、季節降水量變異系數（2.2%）、年均溫度變化范圍（2.1%）、5月份降水量（2.0%）。說明虎杖生態適宜性分布主要受這些生態因子影響。

表1 影響虎杖分布的生態因子貢獻率

圖3 虎杖適宜性分布生態因子刀切圖

2.3 適宜性分布區劃

本研究表明，虎杖理論高適宜分布區主要為重慶、貴州、湖南、四川、湖北、安徽、山東、陜西、江西、浙江、福建、廣東、廣西等地，見圖4、表2。

圖4 虎杖生態適宜性區劃

表2 我國虎杖高適宜分布區

續表2

3 討論

基于上述研究，影響虎杖分布的生態因子主要有11月、4月、5月降水量，土壤類型，9月份平均溫度，植被類型，季節降水量變異系數，年均溫變化范圍。表明降水量和溫度是影響我國虎杖分布的主要生態因子，土壤類型和植被類型也有一定影響。高適宜分布的區域為重慶、貴州、湖南、四川、湖北、安徽、山東、江西、浙江、福建、廣東、廣西、甘肅南部、陜西中南部等地，主要為亞熱帶季風氣候，地形包括平原、丘陵、高山，虎杖對土壤要求不太嚴格，喜濕。與《中國植物志》[9]和文獻[10-12]有關描述基本一致。

綜上，本研究預測出影響虎杖生態適宜性分布的生態因子，并從理論上預測了虎杖的適宜分布區及非適宜區，可為虎杖野生資源可持續利用提供依據，亦為虎杖品質區劃及質量評價研究奠定基礎。