基于Maxent和ArcGIS的山茱萸生態適宜性區劃研究

張飛++陳隨清 王利麗 張濤 張小波 朱壽東

[摘要]通過區劃研究，預測山茱萸適宜種植區。通過走訪和實地調查，收集山茱萸在全國主產區的樣品分布信息。以山茱萸藥材主產區14個產地89個采樣點為分析基點，利用Maxent和ArcGIS對山茱萸進行生態適宜性研究，分析山茱萸生長地的相關生態因子如氣候、地形等。影響山茱萸生長的主要生態因子包括11月降水量、3月降水量、植被類型等9個生態因子，山茱萸生長最適宜區域分布在河南、陜西、浙江、重慶、湖北、四川、安徽、湖南、山東等地，對山茱萸的潛在分布區進行了生長適宜性等級劃分，生成山茱萸生長適宜性區劃圖。應用空間分析技術，闡釋了山茱萸最適合生長的自然環境，也為山茱萸的野生撫育、引種栽培及人工規范化種植提供科學依據。

[關鍵詞]山茱萸； Maxent模型及Arcgis； 生態因子； 生長適宜性

Study on ecological suitability regionalization of Corni

Fructus based on Maxent and ArcGIS model

ZHANG Fei1， CHEN Suiqing1*， WANG Lili 1， ZHANG Tao2， ZHANG Xiaobo3， ZHU Shoudong3

（1 Pharmacy College of Henan University of Chinese Medicine， Zhengzhou 450046， China；

2 Pharamcy Section of Children′s Hospital of Zhengzhou， Zhengzhou 450000， China；

3.State Key Laboratory of Daodi Herbs， National Resource Center for Chinese Materia Medica， China

Academy of Chinese Medical Sciences， Beijing 100700， China）

[Abstract]Through planting regionalization the scientific basis for planting area of highquality medicinal materials was predicted Through interview investigation and field survey， the distribution information of Corni Fructus in China was collected，and 89 sampling point from 14 producing areas were collected Climate and topography of Corni Fructus were analyzed， the ecological adaptability of study was conducted based on ArcGIS and Maxent Different suitability grade at potential areas and regionalization map were formulated There are nine ecological factors affecting the growth of Corni Fructus， for example precipitation in November and March and vegetation type The results showed that the most suitable habitats are Henan， Shaanxi， Zhejiang， Chongqing， Hubei， Sichuan， Anhui， Hunan and Shandong province Using the spatial analysis method，the study not only illustrates the most suitable for the surroundings of Corni Fructus，but also provides a scientific reference for wild resource tending， introduction and cultivation， and artificial planting base and directing production layout

[Key words]Corni Fructus； Maxent and Arcgis； ecological factors； ecology suitability

山茱萸是山茱萸科植物山茱萸Cornus officinalis Sieb et Zucc除去果核的干燥成熟果肉，具有補益肝腎、澀精固脫的功效[1]。近年來，隨著山茱萸市場需求量的不斷增加，以致于野生資源逐漸減少，人工栽培已成為山茱萸藥材主要來源的必然趨勢，全國山茱萸主產區分布于我國的河南、浙江、陜西等省。但由于缺乏引種和產地適宜性分析等相關知識，導致山茱萸品質參差不齊，品質下降等諸多問題，嚴重制約我國山茱萸產業的健康發展。目前對山茱萸的研究集中在真偽鑒別及質量評價方面，對山茱萸的全國生態適宜性研究尚無報道。因此預測山茱萸的潛在分布區，確定影響其分布和最適宜生長的主導環境因子，對了解山茱萸資源的整體情況、實施山茱萸資源保護和推廣人工栽培有十分重要的意義。

生態模型有MAxent，Bioclim，Climax，Domain，Grap模型等，對5個模型進行分析后發現Maxent模型的預測效果較好[2]。1957 年，Jaynes提出了最大熵理論，該理論認為：在已知條件下，熵最大的事物最接近它的真實狀態[3]。Maxent模型廣泛應用于物種潛在的分布研究[45]，信息熵屬于廣義熵，在信息理論中是一個廣義概念，體現了物質系統狀態的量度或其可能出現的程度[6]。Maxent模型可以考慮預測變量和響應變量之間復雜的線性關系，并將這些關系以曲線表達出來[7]。Maxent模型是基于生態位原理建立的在研究中常用的生態位模型，以物種在已知分布區的信息以及目標區的環境變量為基礎，通過比較該物種在已知分布區的生態環境變量來確定其占有的生態位，預測物種的潛在地理分布情況。本課題組在實地踏查我國山茱萸主產區的基礎上，利用Maxent模型及Arcgis空間分析技術，探討山茱萸藥材和生態環境之間的關系，得到山茱萸生態適宜性區劃圖，研究結果對我國山茱萸藥材種植生產的合理布局具有重要指導意義。endprint

1材料與數據

11山茱萸樣品山茱萸樣品參見本課題組“山茱萸化學成分與氣象因子相關性分析”[8]。樣品采自各批山茱萸藥材植株所在區域。每個地點為一批樣品，共 14 批樣品，編號為 C1～C14，每批樣品包含藥材及土壤各 5～10 份，共采集 89 份，編號為S1～S89。

12空間數據來源本實驗使用的空間數據來源于“中藥資源空間信息網絡數據庫”，包含中藥資源分布的生態因子數據，含有降水量、日照、氣候、土壤、地形和植被類型等相關的數據。（中國中醫科學院中藥資源中心、道地藥材國家重點實驗室，黃璐琦、郭蘭萍、朱壽東等提供）包含有12個月的降水量和平均氣溫，19個綜合氣候因子等共計43個氣候類型數據：1—12月月降水量；1—12月月平均氣溫；年平均氣溫；晝夜溫差月均值；等溫性；溫度季節性變化的標準差；最暖月最高溫；最冷月最低溫；年均溫變化范圍；最濕季平均溫；最干季平均溫；最暖季平均溫；最冷季平均溫；年均降水量；最濕月降水量；最干月降水量；季節降水量變異系數；最濕季降水量；最干季降水量；最暖季降水量；最冷季降水量氣候類型數據。選擇6個土壤類型數據如：土壤的陽離子交換能力；土壤含沙量；土壤含粘土量；土壤亞類（sym90）；土壤有效水含量等級；有機碳含量。3個地形數據高程（altitude）、坡度（slope）、坡向（aspect），1個植被類型數據。

13生態因子的確定本研究采用Maxent和ArcGIS軟件對生態因子進行篩選，選出對山茱萸貢獻率較大的氣候因子，依據前期對山茱萸的生態適宜性研究，將山茱萸樣品分布點的數據轉化為數據文本格式（csv），53 個生態環境數據因子變量通過ArcGIS模型中ArcToolbox轉化為（asc）格式，然后分別導入Maxent模型，選擇25%的山茱萸分布點用于模型驗證，75%的分布點用于建立模型，選擇利用刀切法（Jackknife）來檢測變量的重要性，其他參數均為Maxent模型的默認值，結果以Logistic格式輸出。依次計算 3 次，舍去3次計算結果中貢獻度為 0 的生態因子，然后再依次舍去貢獻率小于1的生態因子，共計算 10 次，選取總貢獻率≥999的生態因子。取總貢獻率≥999的生態因子利用Spearman相關系數進行相關性分析（SPSS 190），當2個因子的相關系數>±08時任意舍去其中一個生態因子，篩選的因子作為最終組進行山茱萸的適宜性研究。

14適宜性分布區域劃分應用ArcGIS 102分析軟件將Maxent模型中選取10次預測中AUC最大的1組結果[9]，通過加載MAXENT模型運算結果到ArcGIS，將模型輸出的文件轉換成柵格數據[10]，同時導入中國行政區域地圖，得到山茱萸生長的適宜指數，在得到的適宜度圖上提取出生長適宜度，以提取值中的最小值作為適宜生長和不適宜生長的分界線。對于適宜生長的區間，依據正態分布的參數標準差σ和平均值μ，選擇μ+σ作為閾值，區分“適宜區”和“最適宜區”既[0，最小值]為不適宜區，[最小值， μ+σ]為適宜區，[μ+σ，1]為最適宜區。

2結果與分析

21山茱萸生態因子的適宜性分析對53個生態因子進行10次運算，并排除共性關系，最終選擇出9個生態因子進行分析見表1。通過Maxent模型分析后的ROC曲線訓練集的AUC 0996，測試集的AUC 0995；同時得到生態因子刀切法分析圖，表明本研究模擬效果極好，預測結果具有較高的準確度，模型ROC曲線及刀切法分布圖見圖1。

從生態刀切圖中可以看出生態因子對山茱萸生長的權重比較大，其中11月降水量、3月降水量、植被類型、溫度季節性變化的標準差等4項所占的權重最大，最濕季平均溫、土壤類型_sym90、1月平均氣溫、坡度等所占的權重次之，因此選取11月降水量、3月降水量、植被類型、溫度季節性變化的標準差、最濕季平均溫、土壤類型_sym90、1月平均氣溫、坡度等共計8個對山茱萸生長影響最關鍵的生態因子，見圖2。從山茱萸的生長適宜度的響應曲線可以得出：11月降水量在0～33 mm時，生境適宜度隨著降水量的增加而增加，大于33 mm且不超過41 mm時生境適宜度減小，超過41 mm時生境適宜度變化不大；3月降水量在30～36 mm及56～125 mm是生境適宜度隨著降水量的增加而增加，而在37～55 mm及126～200 mm生境適宜度隨著降水量的增加而減小，200 mm以后影響不大；坡度在0～36°生境適宜度隨著坡度的增加而直線增加，37～80°生境適宜度隨著坡度的增加而緩慢減小；1月平均氣溫在-10～-8 ℃生境適宜度隨著溫度的增加而直線增加，-8～ 0 ℃生境適宜度隨著溫度的增加而直線減小，0～10 ℃呈正向拋物線下降，10 ℃以上變化不大；12月平均氣溫在-6～13 ℃呈生境適宜度拋物線分布低于-6 ℃及高于13 ℃都沒有影響；山茱萸生境適宜度與植被類型的響應曲線可知一年一熟短生育期耐寒作物、溫帶落葉灌叢、亞熱帶針葉林是山茱萸的最適植被類型，一年兩熟水旱糧食作物、果樹園和經濟林、亞熱帶、熱帶常綠闊葉、落葉闊葉灌叢、兩年三熟或一年兩熟旱作和落葉果樹園等條件下山茱萸的適宜度比較低；土壤類型飽和始成土、不飽和始成土、石灰性淋溶土、土墊旱耕人為土等條件下山茱萸的適宜度比較高，而在土壤類型如腐殖質強淋溶土、飽和潛育土、石灰性粗骨土、石灰性始成土等條件下適宜度相對較低；山茱萸適宜度與最濕季平均溫在15～25 ℃呈反向拋物線，而在其他區間則不相關；山茱萸適宜度與溫度季節性變化的標準差在5 000～11 297呈正向拋物線，其他區間則不相關。最終得到山茱萸環境因子的適宜范圍為：11月降水量25～41 mm，3月降水量在25～150 mm，坡度在15～50°，1月平均氣溫在-10 ～10 ℃，12月平均氣溫在-6～13 ℃，植被類型如一年一熟短生育期耐寒作物、溫帶落葉灌叢、亞熱帶針葉林、一年兩熟水旱糧食作物、果樹園和經濟林、亞熱帶、熱帶常綠闊葉、落葉闊葉灌叢、兩年三熟或一年兩熟旱作和落葉果樹園，土壤類型如飽和始成土、不飽和始成土、石灰性淋溶土、土墊旱耕人為土、腐殖質強淋溶土、飽和潛育土、石灰性粗骨土、石灰性始成土，最濕季平均溫在15～25 ℃，溫度季節性變化的標準差在5 000～11 297。endprint

22山茱萸生長適宜性及等級劃分通過ArcGIS分析軟件對Maxent軟件導出的生境適宜度進行重分類，得到山茱萸適宜性區劃圖，分為不適宜區[0，0065 115 606]、適宜區[0065 115 606，0306 043 349]、最適宜區[0306 043 349，0830 223 978]，結果見圖3，白色區域代表山茱萸不適宜生長區，紅色區域代表最適宜山茱萸生長區，藍色區域代表適宜山茱萸生長的區域。從全國山茱萸適宜區范圍的分布圖來看，山茱萸最佳適宜區主要集中在河南的西部南陽、洛陽、三門峽及濟源，陜西的中南部商洛、漢中，重慶的北部接壤陜西及湖北，四川的廣元、巴中，湖北的東北部十堰、襄陽，浙江的東北部金華、衢州，安徽的西南部黃山，湖南的東北部及山東的中西部等地；而山茱萸適宜區分布比較分散如遼寧的西南部靠近沿海、江西的中北部、貴州的東北部、四川的中南部、安徽的南部等陜西的西部、河南的西部、湖南的北部等地。

3討論

本實驗以實際調查為基礎，采用Maxent模型對山茱萸藥材生態適宜性區劃預測模擬，預測結果ROC曲線得到的AUC預測值095以上，證明本模型模擬的可靠和準確。通過全面的考慮53個環境因子的影響，最終得到影響山茱萸生長較大的各環境因子及適宜的區間。查閱文獻調查[11]發現山茱萸主要在山西、陜西、甘肅、山東、江蘇、浙江、安徽、江西、河南、湖南等省。白成科等[12]認為陜西山茱萸最適宜種植區較為集中，主要分布在秦嶺北坡和南坡丘陵淺山區，總面積約為 41 萬km2。黃海欣等[13]認為山茱萸集中分布于“兩山加一嶺”，即河南的伏牛山、浙江的天目山、陜西的秦嶺。本研究發現山茱萸的最適宜區域及適宜區域和文獻調查及實地踏查吻合，更加證明了本研究結果的科學可靠性。本課題組以山茱萸為分析研究對象，應用Maxent模型和Arc GIS得到山茱萸藥材在全國的最適宜分布區和適宜分布區，從而為山茱萸藥材的引種、擴種栽培以及大規模的種植提供理論依據，解決了山茱萸藥材原料供應短缺的根源。在今后的山茱萸產業規劃布局上，如能在山茱萸主產區把本品種作為龍頭種植基地首要任務，將更多的帶動當地農民創收致富。本研究僅選用的是降水量、日照、氣候、土壤、地形和植被類型等相關的數據等有關的生物氣候變量，缺少人類交通及全球變暖等其他變量，這可能對適宜區的預測帶來一定的偏差，同時生態因子適宜范圍是基于單一模型得出，有時與實際可能不一致，因此今后可以綜合考慮其他干擾因素，從而達到預測藥材的結果更加準確。

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[責任編輯呂冬梅]endprint