基于3S技術和MaxEnt的川牛膝在中國的潛在分布及種植空缺分析

巫明焱　何蘭　陳佳麗　董光　程武學

[摘要]研究川牛膝在全國范圍的潛在分布及種植空缺，有利于為其實地保護及種植推廣工作提供依據。該文結合63個川牛膝地理分布數據和49個相關生態因子，利用3S技術及MaxEnt模型對川牛膝在全國的潛在分布進行預測及種植空缺分析。研究結果表明：①川牛膝在全國潛在分布面積約634 38580 km2，主要分布于四川省的東北部、東南部，云南省的北部、東南部，貴州省的西部、西南部，重慶市的西南部、東北部，陜西省的西南部，甘肅省的東南部，湖北省的西部，廣西省的西部，西藏自治區的東南部等區域；②影響川牛膝生長的主要生態因子是降水量、海拔、最冷月極低溫度、土壤類型、月均溫等；③全國川牛膝種植空缺區域主要位于四川省廣元市、綿陽市、雅安市、樂山市、涼山州、攀枝花市，陜西省漢中市，云南省大理自治州、怒江自治州、楚雄自治州、保山市、曲靖市、文山自治州，貴州省黔西南自治州等。該研究結果對掌握川牛膝的生長環境、預測在全國的潛在分布及其栽培推廣具有重要意義。

[關鍵詞]川牛膝； MaxEnt模型； 生態因子； 分布； 適宜性； 種植空缺

[Abstract]Research on predictive distribution and planting GAP of Cyathula officinalis in China is helpful to provide scientific basis for its protection and planting popularization According to the data in 63 distribution sites and 49 ecological variables， using MaxEnt ecological niche model and 3S technology， we performed a quantitative analysis of suitable distribution and planting GAP of C officinalis in China Our results show that： ① the area of suitable distribution of C officinalis is about 634 38580 km2 in total， and mainly in Northeastern and Southeastern Sichuan， Northern and Southeastern Yunnan， Western and Southwestern Guizhou， Southwestern and Northeastern Chongqing， Southwestern Shaanxi， Southeastern Gansu， Western Guangxi， Southeastern Tibet ② The main ecological factors determining the potential distribution are precipitation， altitude， minimum temperature of coldest month， soil type， monthly mean temperature ③ The planting GAP region are mainly in Guangyuan， Mianyang， Ya′an， Leshan， Liangshan， Panzhihua of Sichuan province， Hanzhong of Shaanxi province， Dali， Nujiang， Chuxiong， Baoshan， Qujing， Wenshan of Yunnan province， southwestern autonomous prefecture in Guizhou province The results are of great significance for realizing the growth environment， predicting the potential distribution and promoting planting popularization for C officinalis

[Key words]Cyathula officinalis； MaxEnt modeling； ecological factors； distribution； suitability； planting GAP

川牛膝又稱白牛膝、拐牛膝，是莧科植物川牛膝Cyathula officinalis Kuan的干燥根[1]。其味甘、性平、微苦，主要化學成分為植物留酮、多糖及阿魏酸等，具有逐瘀通經，通利關節，利尿通淋的效用[2]。川牛膝是著名的川產道地藥材之一[3]，主要分布在四川、貴州、云南、湖北、陜西、湖南等地。近年來隨著對中藥材需求的增加，川牛膝的人工栽培范圍也在逐步擴大，但針對其適種條件、適種區域、種植管理方式等還沒有較深入的評價指標來權衡種植的適宜性，而且目前人工栽培的方式較粗放，川牛膝品種混雜混交，故市場上川牛膝的品質也參差不齊。因此，采用科學的方法，準確合理的掌握影響川牛膝生長及栽培的生態因子，并開展對川牛膝潛在分布區的預測與評價工作，對掌握川牛膝的實地生長狀況、科學推廣人工栽培、提升川牛膝質量水平具有重要意義。

近年來，隨著3S技術的不斷發展，利用遙感數據快速準確的分析中藥材的適生條件、適生區域越來越廣泛，特別是3S技術在物種保護、物種適宜栽培區域及物種儲量估算等方面發揮著重要的作用[46]。生態位模型是利用物種存在數據和影響因子數據，按照特定的方法估算物種的生態位，并投影到待預測區域中，以概率的形式呈現物種生境特征[7]。目前將MaxEnt生態位模型與3S技術結合應用于中藥材的潛在分布預測及評價已較為廣泛，為中藥材的栽培管理提供了準確的數據支撐。張東方等[8]利用最大信息熵模型和GIS技術對當歸進行全球適宜性區劃，為當歸的人工引種栽培及精細化種植管理提供了一定的參考；郭杰等[9]利用MaxEnt模型預測黨參的全球生態適宜區，并得出影響其地理分布的生態因子主要是溫度因子、降水因子；唐策[10]等利用MaxEnt和GIS技術對翼首草進行適宜性分析，為其野生撫育及GAP種植選址提供了科學的依據。endprint

縱觀針對川牛膝的現有研究，大多數都是資源調查概述、品質評價、藥材化學研究及部分區域的適宜性分布研究[1114]，對全國范圍川牛膝適生區的劃分較少，對影響川牛膝栽培條件的定量研究鮮見，對全國川牛膝適宜栽培地的空缺分析則未曾有研究。本文擬結合川牛膝實際分布數據，利用3S技術及MaxEnt生態位模型，對川牛膝在全國范圍的潛在分布進行預測，探索影響川牛膝生長的生態因子，并對全國范圍內川牛膝適宜栽培區的空缺分析，以期為全國范圍川牛膝的物種保護及人工栽培推廣提供理論支持及數據支撐。

1材料與方法

11分布數據

川牛膝分布數據主要來源于全球生物多樣性信息網絡（GBIF，http：//www.gbif.org/）、中國數字植物標本館（CVH，http：//wwwcvhaccn/）、文獻檢索及野外手持GPS測量獲取。剔除經緯度重復及實際不符合的存在點，最終得到63個存在點信息，并轉換為模型支持的CSV格式文件。其中模型運算的47個川牛膝分布點數據見表1。

12環境數據

綜合考慮川牛膝栽培及適生地的環境條件[15]，本文共選取了生物氣候因子、氣溫降水因子、地形因子、土壤因子、土地利用類型因子及植被覆蓋度度因子共6類49個生態因子用于研究，見表2。生物氣候因子及氣溫降水因子源于世界氣候數據庫（http：//wwwworldclimorg/），包含19個生物年均氣候因子、12個月降水量因子及12個月均溫因子，該氣候環境數據是利用克里金插值法將全球1950—2000年全球有記錄的氣象站點觀測數據生成的柵格數據；地形因子包含高程、坡度、坡向共3個因子，高程數據源于USGS網站（http：//glovis.usgs.gov/），其中坡度、坡向由DEM數據衍生獲取；土壤因子源于世界土壤數據庫（http：//webarchive.iiasa.ac.at/），含1個土壤類型因子；土地利用類型因子及植被覆蓋度度因子源于世界地圖數據庫（https：//globalmaps.github.io/），含1個土地利用類型因子和1個植被覆蓋度因子。

13模型與方法

生態位模型是利用獲取的物種分布數據和相關影響因子，依據一定算法來推算影響物種適宜分布的因素，再以算出的數據投影到其他的時空來預測物種潛在適生區域[1617]。本文采用3S技術結合生態位模型MaxEnt （http：//wwwcsprincetonedu/～schapire/MaxEnt）對川牛膝在中國的適宜生境及影響其生長的主要生態因子進行探究。首先，利用ENVI 54對所有柵格數據進行預處理，并裁剪出全國范圍的柵格數據，再利用ArcGIS 102提取研究的所有生態因子，并統一坐標系和統一像元大小，并轉換為模型所支持ASCII文件格式；然后，隨機選取75%的川牛膝分布點用于構建模型，剩余的25%用于模型的驗證與測試，重復迭代運算500次，利用MaxEnt模型初步運算川牛膝的潛在分布；最后篩選主要貢獻率的生態因子進行二次MaxEnt模型運算，再利用SPSS 200 評價結果的精確性和穩定性，分析影響川牛膝生長的主要生態因子，并使用ArcGIS 102生成川牛膝潛在分布區及栽培種植空缺區域。本文研究的技術路線見圖1。

2結果與分析

21模型精度評價

ROC曲線是根據一系列不同的二分類方式，以真陽性率（靈敏度）為縱坐標，假陽性率（1特異度）為橫坐標繪制的曲線[18]。本文利用ROC曲線與橫坐標圍成的面積來表征預測結果的準確性，值范圍為[0，1]，其值越高，預測結果越準確。本文研究結果中運算模型數據的AUC達0965，驗證數據的AUC達0946，均達較高的預測精度，表明運算結果的準確性較高，可靠性較強，見圖2。

22主要生態因子貢獻率

生態因子是影響川牛膝生長的主要因素，不同因子對川牛膝適生區及栽培的影響程度不同。通過刀切法（Jackknife）定量研究了各生態因子對川牛膝適生區的貢獻率，結果表明10月降水量對川牛膝生長的貢獻率最大，達到398%，其他對川牛膝生長具有影響的生態因子主要是海拔、最冷月極低溫度、土壤類型、5，7，8，9，11月降水量、土地利用類型、4，8月平均溫度、植被覆蓋度、坡度等，累積貢獻率達984%。由此可知，充足的降雨量是川牛膝生長的必要條件，高程值限定了川牛膝生長的區域，土壤影響了川牛膝生長的品質，月均溫、坡度一定程度的影響川牛膝的生長環境。各主要生態因子的貢獻率見表3。

23川牛膝適生條件定量分析

231氣溫降水因子分析降水量是影響川牛膝生長的最主要因子，氣溫對其生長環境能造成一定的影響。川牛膝人工栽培一般在3—4月，采收期在11月，由研究可知川牛膝生長周期內需要充足的降雨量，特別是采收期前1個月（10月）對降水量的需求較大。研究表明川牛膝生長全周期適宜的月降水量為100～800 mm，但月降雨量在100～200 mm最合適，見圖3。適量并充足的水分能促進其根系的生長發育，但不同月份的降水量不能超過其承受的極限；氣溫對川牛膝生長的影響主要是生長初期和中期，研究表明月平均溫度為15～23 ℃是川牛膝生長的最適宜條件，特別是研究結果中4月和8月平均溫度對川牛膝的生長影響較明顯，見圖3。在人工栽培時應合理控制上述研究中川牛膝生長環境土壤水分和溫度以提供良好的生長外界環境。

232地形因子分析海拔是影響川牛膝生長的次重要生態因子，其生長區的海拔具有一定的限制，坡度也會輕微的影響川牛膝的分布見圖3。研究表明川牛膝主要生長在1 000～2 800 m的高程，其中1 500～2 500 m是其生長的最佳高度范圍；坡度也能一定程度影響川牛膝的生長，研究表明平緩坡更有利于川牛膝的生長，坡度在35°的范圍內隨坡度的增大，適宜性逐漸增強。坡度在35°范圍以上的區域川牛膝分布的可能性相對較小。endprint

233土壤因子分析土壤能為川牛膝的生長提供營養，能影響植株的整體發育。研究表明，川牛膝主要生長在土層深厚、富含有機質、排水性強的山地棕壤、黃壤和紫色土，見圖3。所以在進行人工栽培時應當充分考慮栽培區的土壤類型以提供良好的土壤生長環境。

234生物氣候因子分析生物氣候因子的定量數據能揭示適宜川牛膝生長的生物氣候變量幅度范圍[19]。研究結果表明所有生物氣候因子中最冷月極低溫度對川牛膝的生長影響最大，-1～5 ℃是最適宜川牛膝生長的最冷月極低溫度范圍，見圖3。

此外，除上述因子對川牛膝的生長有較大影響外，研究表明，土地利用類型、植被覆蓋度對川牛膝的生長也存在輕微影響。川牛膝主要生長在林地邊緣及草叢地中，且因其喜陰涼，故生長地的植被覆蓋度為20%～60%最佳。

24川牛膝潛在分布區劃

將模型的運行結果導入到ARCGIS 102中，依據采樣點適生指數P的平均值、標準差及專家經驗法將其潛在分布區劃分為3個等級：P<0349 27不適宜區，0349 27≤P≤0652 35適宜區，P>0652 35最適宜區。并以此生成川牛膝在全國的潛在分布范圍，見圖4。

從分布區域來看，川牛膝在全國適宜生長的潛在區域主要集中在中國西南部，即包含四川省的東北部、東南部，云南省的北部、東南部，貴州省的西部、西南部，重慶市的西南部、東北部，陜西省的西南部，甘肅省的東南部，湖北省的西部，廣西省的西部，西藏自治區的東南部等區域。

從最適宜分布區域來看，川牛膝生長的最適宜區域主要位于四川省東北—西南走向的沿線區域，云南省北部的東西走向沿線區域，貴州省與云南省接壤的南北走向沿線區域。

從分布區面積，川牛膝在全國潛在適宜生長區域的面積為634 38580 km2，最適宜區生長區面積為128 71491 km2。全國范圍川牛膝潛在分布面積最大的是云南省，適宜生長面積達236 63197 km2；其次是四川省，適宜生長面積達184 31699 km2；另貴州省、陜西省、西藏自治區、廣西壯族自治區、甘肅省、湖北省適生面積依次減少，見表4。

25川牛膝適宜栽培區空缺分析

依據目前已有調查研究[2021]及查閱相關資料，本文掌握了川牛膝目前在全國范圍內的主要栽培種植區有四川省的天全縣、寶興縣、滎經縣、漢源縣、名山縣、樂山市金口河區、鹽邊縣、會東縣、安縣；重慶市的奉節縣、巫溪縣；湖北省的恩施市；湖南省的龍山縣、隆回縣；云南省的騰沖縣；貴州省的畢節市等區域。將MaxEnt模型預測的川牛膝在全國最適宜生長區與全國已有人工栽種培育區域進行對比分析，利用ArcGIS 102進一步對川牛膝適宜種植區進行空缺分析。研究結果表明川牛膝還有較大面積的適宜栽培的空缺區域，主要分布在四川省廣元市的西北部、綿陽的東北部、雅安市的東北部和西南部、樂山市的西南部、涼山州的中部、攀枝花市的東部；陜西省漢中市的西南部；云南省大理自治州、怒江自治州、楚雄自治州、保山市的東部、曲靖市的南部、文山自治州；貴州省的黔西南自治州西部。較典型的縣域有寧強縣、青川縣、平武縣、大邑縣、蘆山縣、石棉縣、馬邊縣、峨邊縣、賓川縣、呂寧縣、永平縣、南華縣、羅平縣、廣南縣、硯山縣、興義市等區域。因此可依據川牛膝適宜栽培的空缺區域，有依據的合理擴大川牛膝的種植范圍，但還需考慮當地實際種植環境，先進行小面積范圍的試栽培，再依據試驗結果進行推廣種植，見圖5。

3討論

川牛膝是川產道地常用中藥材，全國每年對該藥材的需求量巨大，定量分析影響其生長的生態因子、研究其在全國范圍的潛在分布并進行種植空缺分析對掌握川牛膝的適宜生境、促進川牛膝種植空缺區域的推廣種植、提升藥材品質具有重要意義。

31川牛膝潛在分布結果分析

本文利用MaxEnt模型及3S技術研究了川牛膝在全國范圍的潛在分布及種植空缺，利用ROC曲線對研究結果精度評價，其AUC達0965，精度較高，研究結果較準確。但受采樣區川牛膝與其它品種混交、樣點范圍具有一定的區域局限性等影響，研究結果的精度會受到影響。

通過研究，降水量是影響川牛膝生長的關鍵因素，說明川牛膝生長周期內對水分的需求相對較大，但是水分必須保證在合適的范圍內，才能有利于其根部的生長發育。其次是海拔限制了川牛膝潛在分布的區域，最佳的海拔高度為1 500～2 500 m。另外最冷月極低溫度、土壤類型等對川牛膝的生長也具有一定程度的影響。本文利用模型對生態因子對川牛膝生長貢獻率的研究結果與利用化學成分與川牛膝產區生態環境因素的灰色關聯度[22]的結果一致，表明本文對影響川牛膝生長的生態因子進行定量分析的結果較準確。

本文中分析了川牛膝在全國范圍的潛在分布，主要集中在四川省、云南省、貴州省、重慶市、陜西省、甘肅省、湖北省、廣西省、西藏自治區等地。該研究結果與前人對川牛膝分布區的調查結果[21]相吻合。但是模型預測結果中云南省的面積相對較大，略微超過了四川省的潛在分布面積，這與參與運算的川牛膝樣點數據有一定關系，但從研究結果來看，云南省降水充足、土壤肥沃的條件的確有利于川牛膝的生長。另研究中西藏自治區中低海拔的東南區域也存在川牛膝潛在分布的概率，依據中國數字植物標本館記錄，西藏自治區的確有少量野生川牛膝標本采集的記錄。

32川牛膝種植空缺及栽培推廣

川牛膝種植空缺的分析對其種植推廣具有重要意義。本文基于已有川牛膝栽培區域的調查數據進行了全國川牛膝的種植空缺分析。該結果是依據川牛膝最佳適宜生長區域而進行的分析，忽略了模型預測結果中川牛膝適宜度次于最適宜分布的區域，但該結果能更準確的為全國范圍內川牛膝的栽培推廣提供依據。

川牛膝的品質與其生長的環境有重要的聯系。在進行種植推廣時，為保證川牛膝的品質，務必依據其生長條件及環境，精細化的管理栽培。首先，保證其生長周期內水分的足而不過；其次，溫度的控制，在其生長初期和中期需保證15～23 ℃的最佳適宜溫度范圍；再次，栽培育種地的選擇，需考慮1 000～2 800 m合適的高程及生長地的土壤需考慮排水性強、土層深厚、富含有機質的棕壤型土；還有，依據最冷月極度溫度對川牛膝生長影響，過低的溫度會直接凍壞該物種，故應隨時關注其生長地夜晚的最低溫度，但研究表明一定的低溫有利于川牛膝生長發育，這與其葉片夜晚呼吸作用的能耗有關，故在采收前期可適度的增大晝夜溫差，減少夜晚呼吸能量的損耗，有利于其根部能量的儲存，促進其產量的增收；最后，任何植物在進行栽培推廣前，必須結合推廣地生長環境，先小范圍的試種，再依據種植成效進行種植推廣。endprint

[參考文獻]

[1]吳向莉 川牛膝與麻牛膝的鑒別[J] 貴陽中醫學院學報，2000，22（1）：62

[2]趙華杰，舒光明，周先健，等 我國川牛膝資源分布及生產狀況調查[J] 資源開發與市場，2012，28（5）：414

[3]葉品良，彭娟，劉娟 川牛膝研究概況[J] 中醫藥學報，2007（2）：51

[4]劉金欣，潘敏，李耿，等 3S技術在藥用植物資源調查研究中的應用[J] 中草藥，2016，47（4）：695

[5]劉金欣，李耿，夏艷華，等 基于3S技術內蒙古地區野生黃芩儲量估算研究[J] 中草藥，2016，47（6）：997

[6]郭蘭萍，黃璐琦，蔣有緒 “3S”技術在中藥資源可持續利用中的應用[J] 中國中藥雜志，2005，30（18）：1397

[7]Guisa A，Zimmermann N E Predictive habitat distribution models in ecology[J] Ecol Model，2000，135（2）：147

[8]張東方，張琴，郭杰，等 基于MaxEnt模型的當歸全球生態適宜區和生態特征研究[J] 生態學報，2017，37（15）：1

[9]郭杰，劉小平，張琴，等 基于Maxent模型的黨參全球潛在分布區預測[J] 應用生態學報，2017，28（3）：992

[10]唐策，文檢，張雯，等 基于最大熵模型的藏藥翼首草生態適宜性研究[J] 中國中藥雜志，2017，42（10）：1871

[11]范巧佳，劉帆，高雨榮，等 天全川牛膝生產現狀調查[J] 中藥研究與信息，2001，3（11）：16

[12]童凱 川牛膝品質評價研究[D] 雅安：四川農業大學，2013

[13]孫傳鑫，郭晶，王秋紅，等 川牛膝化學拆分組分的制備及其免疫調節作用[J] 中國實驗方劑學雜志，2016，22（2）：70

[14]尚雪，董麗君，文路軍，等 基于遙感與GIS的四川省川牛膝資源適宜性分布研究[J] 中草藥，2016，47（24）：4445

[15]羅緒和 川牛膝栽培方法有講究[N] 中國中醫藥報，20060316（007）

[16]朱耿平，劉國卿，卜文俊，等 生態位模型的基本原理及其在生物多樣性保護中的應用[J] 生物多樣性，2013，21（1）：90

[17]Phillips S J，Anderson R P，Schapire R E Maximum entropy modeling of species geographic distributions[J] Ecol Model，2006，190（3/4）：231

[18]王漢卿，馬玲，王慶，等 甘草藥材生產區劃研究[J] 中國中藥雜志，2016，41（17）：3122

[19]Waltari E，Schroeder R，Mcdonald K，et al Bioclimatic variables derived from remote sensing： assessment and application for species distribution modelling[J] MEE，2014，5（10）：1033

[20]趙華杰 川牛膝資源調查及品質評價研究[D] 瀘州：瀘州醫學院，2012

[21]劉維，裴瑾，楊梅，等 川產道地藥材川牛膝產地變遷探討[J] 中草藥，2016，47（9）：1625

[22]劉維，張祎楠，裴瑾，等 川牛膝品種與品質的灰色關聯度分析研究[J] 中國藥學雜志，2014，49（20）：1796

[責任編輯呂冬梅]endprint