甘遂生態適宜性區劃研究△

盧有媛，郭盛*，嚴輝，2，錢大瑋，姜建明，姜文德，孫成忠，段金廒*

(1.南京中醫藥大學/江蘇省中藥資源產業化過程協同創新中心/中藥資源產業化與方劑創新藥物國家地方聯合工程研究中心，江蘇 南京 210023；2.國家中藥材產業技術體系 鹽城綜合試驗站，江蘇 南京 210023；3.寧夏明德中藥飲片有限公司，寧夏 固原 756000；4.中國測繪科學研究院，北京 100039)

中藥甘遂(Kansui Radix)為大戟科大戟屬植物甘遂EuphorbiakansuiT.N.Liou ex T.P.Wang的干燥塊根，產于河南、山西、陜西、甘肅和寧夏，具有瀉水逐飲、消腫散結之功效，用于水腫脹滿、胸腹積水、痰飲積聚、氣逆咳喘、二便不利、風痰癲癇、癰腫瘡毒等癥的治療[1-2]。現代藥理研究表明，甘遂藥材具有抗腫瘤、抗病毒、抗生育、抗氧化等作用[3]。隨著中醫藥事業的發展，甘遂藥材市場需求量不斷增加，過度采挖造成野生資源嚴重破壞，產量日趨減少，野生變家種始于20世紀50～60年代，但生長緩慢[4]。探測甘遂野生資源，建立野生資源保護區，選擇適宜栽培生長區域，加快藥材生產可以有效改善甘遂藥材野生資源現狀、滿足市場需求。

“諸藥所生，皆有其境”，生態環境的適宜性影響藥材的道地性，盲目引種、擴種會影響中藥材生產的合理布局，削弱藥材的道地性[5]。中藥生態區劃以藥用動植物所在的自然生態系統為研究對象，以其生境特征及其與自然條件之間的關系為依據，研究中藥資源所在地自然條件的空間規律，并按照其自然條件的空間分異規律進行區域劃分，是中藥資源合理開發利用的重要依據和基礎[6]。

生態位模型是依據物種自身具有的特定小生境，通過該物種已明確分布區的自然環境因子，利用數學建模方法歸納出其特定生境，并將該特定生境映射到目標區域獲得該物種的潛在地理分布[7]。BIOCLIM、GARP、Maxent在生態位模型研究中應用較廣。BIOCLIM模型基于全域自然環境空間建模，但是物種在自然界或連續分布、或離散分布，預測離散分布物種時BIOCLIM模型會將物種生態位空間放大，預測結果出現偏差[8]。GARP模型是基于機器學習提出的，其模型預測準確度高于BIOCLIM[9]。Maxent模型同時包含了概率論和機器學習理論，基于物種的分布數據和環境因子數據，通過尋找最大熵估計物種分布，其認可已知分布信息，對未知分布信息不做任何假設，不持偏見，統計準確率較高，實際應用效果好，已被用于藥用植物、真菌的潛在適宜分布區預測[10-15]。

本研究基于我國甘遂植物的64個分布點信息及氣象、土壤和植被類型等55個環境因子數據，采用Maxent生態位模型估計其在我國的潛在適生區，并通過GIS實現制圖，以期為甘遂野生資源探測、建立野生資源保護區及引種栽培選址提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 甘遂分布信息

查閱中國數字植物標本館(CVH)，收集甘遂分布信息，沒有經緯度坐標記錄的分布點以最小可查行政單位為準，共收集64份甘遂分布信息，分布點見圖1。

圖1 甘遂樣本分布

1.2 生態因子數據

本研究使用的生態因子數據來源于“中藥資源空間信息網絡數據庫”，包括43個氣候類型數據(12個月的降水量和平均氣溫、19個綜合氣候因子，分辨率1 km)、8個土壤類型數據(土壤pH、陽離子交換能力、含沙量、含粘土量、土壤亞類、有效水含量等級、土壤質地分類、有機碳含量)、3個地形數據(海拔、坡度、坡向)和植被類型。

1.3 Maxent模型參數設置

甘遂分布信息及環境因子數據按規定格式分別導入Maxent軟件，參數設定：隨機測試比例為25%，最大迭代次數106，選擇響應曲線、ROC工作曲線及刀切法檢驗權重，其余參數為軟件默認值。

1.4 模型預測精度評價

Maxent模型采用ROC工作曲線及AUC值(曲線下面積)評價模型預測結果的精度。

1.5 生態因子篩選

基于甘遂分布信息及生態因子數據，采用Maxent模型進行迭代運算，第一次運算結束后棄去貢獻率為0的生態因子進行第二次運算，至所有參與運算的生態因子均有貢獻率，貢獻率大權重高的生態因子則為影響甘遂生態適宜性的主要生態因子。

1.6 生態適宜區劃分

根據Maxent運算結果中樣本分布點生境適宜度值，基于正態分布參數均值(μ)和樣本分布點最小生境適宜度值進行甘遂生態適宜性區域劃分，以[0，最小值]為不適宜區，[最小值，μ]為次適宜區，[μ，1]為最適宜區，利用ArcGIS繪制甘遂生態適宜性區劃分布圖。

2 結果與分析

2.1 Maxent模型預測結果精度評價

Maxent模型預測結果精度評價以AUC值(ROC工作曲線下面積)為指標，AUC取值范圍為[0，1]，越接近1表明模型預測精度越高[16]。評判標準為：0.5～0.6失敗，0.6～0.7較差，0.7～0.8一般，0.8～0.9好，0.9～1.0非常好[17]。甘遂Maxent模型ROC曲線訓練集和測試集的AUC值分別為0.983和0.946，表明由Maxent模型運算預測獲得的甘遂生態適宜度具有較高的準確度和可信度。

2.2 生態因子篩選

55個生態因子經8次Maxent運算后剩余15個生態因子貢獻率大于0，其中11月降水量、土壤pH、10月降水量、土壤類型、2月平均氣溫及海拔的貢獻率分別為31.69%、15.61%、13.58%、12.90%、8.08%、7.42%，總貢獻率達89.27%，是影響甘遂適宜性生長的主要生態因子。11月降水量的適宜值范圍為10～25 mm，土壤pH適宜值范圍

為7.5～8.5，10月降水量適宜值范圍為40～70 mm，土壤類型以肥熟旱耕人為土、石灰性始成土、變性始成土、石灰性淋溶土、飽和粗骨土、飽和始成土、飽和粘磐土、堆墊旱耕人為土較好，2月平均氣溫適宜度范圍為-8～8 ℃，海拔適宜度范圍為400～1800 m。

2.3 生態適宜性區劃

甘遂生態適宜性區劃見圖2，甘遂最適宜分布區主要集中在陜西、甘肅東部及山西南部，寧夏南部及河北南部、河南北部和西部有小部分最適宜分布區，新疆北部、甘肅南部有零星最適宜區分布。甘遂次適宜分布區主要集中在陜西、山西、寧夏、河南、內蒙古中西部、甘肅南部、重慶、四川東部、河北南部、山東中部和東部地區，湖北西部、湖南南部、貴州北部、青海東部、河北東部、遼寧西部及中南部、吉林西部部分地區為次適宜分布區，其次在黑龍江南部、新疆北部、西藏東部、云南北部、江西西部、安徽中部等地有零星次適宜區分布，各省甘遂生態適宜區分布縣(區)見表1。

圖2 甘遂生態適宜性分布區

省份最適宜區分布縣(區)次適宜區分布縣(區)陜西 韓城、合陽、洛川、宜君、澄城、蒲城、大荔、潼關、華陰、華州、臨渭、華州、富平、三原、高陵、臨潼、藍田、涇陽、雁塔、蓮湖、灞橋、未央、碑林、長安、秦都、禮泉、興平、戶縣、周至、武功、乾縣、長武、永壽、彬縣、句邑、麟游、扶風、眉縣、岐山、陳倉、金臺、渭濱、鳳翔、千陽、隴縣、太白、留壩、宜川、延長、延川、清澗、子長、綏德、吳堡、子洲、米脂、佳縣、吳旗、志丹、富縣府谷、神木、榆陽、橫山、靖邊、定邊、安塞、寶塔、甘泉、黃龍、白水、王益、耀州、印臺、醇化、洛南、商州、柞水、寧陜、佛坪、洋縣、城固、鳳縣、漢臺、勉縣、略陽、寧強、南鄭、西鄉、紫陽、鎮巴、石泉、漢陰、漢濱、嵐皋、平利、鎮坪、白河、旬陽、鎮安、山陽、商南、丹鳳、商州

續表1

續表1

注：“—”表示無最適宜分布縣(區)。

3 結論

本研究基于甘遂的自然分布信息及環境因子數據，采用Maxent預測其在我國的生態適宜性分布，模型預測結果經ROC曲線評價表明預測結果準確度及可信度較高(AUC>0.9)。Maxent模型估算結果經GIS制圖，基于實際分布點的生態適宜度值及正態分布曲線劃分其生態適宜區，結果顯示：甘遂最適宜分布區主要集中在陜西、甘肅東部及山西南部，寧夏南部及河北南部、河南北部和西部有小部分最適宜分布區；次適宜分布區主要集中在陜西、山西、寧夏、河南、內蒙古中西部、甘肅南部、重慶、四川東部、河北南部、山東中部和東部地區，湖北西部、湖南南部、貴州北部、青海東部、河北東部、遼寧西部及中南部、吉林西部部分地區為次適宜分布區。歷代甘遂產于山西、陜西、山東、江蘇、河南及河北等地，隨歷史推移，今甘遂主產于陜西、山西、河南、甘肅、寧夏，以陜西產質量最佳[1，4]。研究結果顯示除歷代主產區外，西南橫斷山區有不同面積的甘遂生態次適宜區分布，吉林、遼寧、黑龍江三省有零星次適宜區分布。本研究從理論上預測甘遂的生態適宜區，為甘遂野生資源探測，建立野生資源保護區及引種栽培選址提供了依據。