華東覆盆子生態(tài)適宜性區(qū)劃研究△

尹永飛，景志賢，張珂*，劉小芬，李石清，劉浩

1.安徽中醫(yī)藥大學 安徽道地中藥材品質(zhì)提升協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230012；2.中國中醫(yī)科學院 中藥資源中心，北京 100700；3.福建中醫(yī)藥大學，福建 福州 350100；4.浙江中醫(yī)藥大學，浙江 杭州 310051；5.湖南省中醫(yī)藥研究院，湖南 長沙 410006

華東覆盆子RubuschingiiHu為薔薇科懸鉤子屬落葉灌木，主要分布于安徽、浙江、江西、江蘇、福建、廣西等省。生低海拔至中海拔地區(qū)，在山坡、路邊陽處或陰處灌木叢中常見[1]。因其葉裂如手掌，故又稱掌葉覆盆子。其未成熟果實入藥做中藥覆盆子，具有益腎固精縮尿、養(yǎng)肝明目之功效[2]。隨著中醫(yī)藥事業(yè)的發(fā)展及人們對養(yǎng)生保健的重視，作為藥食同源植物，華東覆盆子因營養(yǎng)價值豐富、保健功效突出且果實口感極佳，被廣泛用于新型水果、功能飲料、水果罐頭、各類保健品的開發(fā)[3-6]。隨著市場需求量的不斷增加，野生華東覆盆子產(chǎn)量不能滿足其入藥及保健品市場需求，近年來覆盆子價格大幅上漲。在走訪調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)近幾年浙江、安徽等地栽培面積逐年增加，由于華東覆盆子栽培發(fā)展較晚，目前對覆盆子的栽培研究主要集中在栽培管理等方面，缺乏系統(tǒng)的區(qū)劃研究，因此探索其生態(tài)適宜區(qū)及影響其生長的主導環(huán)境因子，為栽培研究提供科學依據(jù)，對推廣華東覆盆子栽培、緩解市場供需矛盾具有重要意義。

近年來，郭蘭萍等[7]對中藥生態(tài)農(nóng)業(yè)進行了研究與梳理，并在中藥品質(zhì)形成特點研究的基礎(chǔ)上，提出了基于“逆境效應(yīng)”的道地藥材“擬境栽培”理論，鼓勵中藥材生產(chǎn)采用中藥生態(tài)農(nóng)業(yè)中模擬原始生境的“擬境栽培”方式，為中藥的生態(tài)種植指明方向。中藥生態(tài)區(qū)劃的研究是以物種所在的自然生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，以其生境特征及與自然條件之間的關(guān)系為依據(jù)，研究中藥資源所在地自然條件的空間規(guī)律[8]，因此對中藥進行生態(tài)區(qū)劃研究可以為生態(tài)種植研究及道地藥材生產(chǎn)布局提供依據(jù)。

中藥區(qū)劃方法有定性描述法、構(gòu)建模板法、構(gòu)建模型法及其他方法，其中構(gòu)建模板法中的生態(tài)位模型在中藥區(qū)劃的研究中使用較廣。生態(tài)位模型是利用研究對象已知的分布數(shù)據(jù)和環(huán)境因子數(shù)據(jù)，進行數(shù)學建模，判斷物種生態(tài)需求，并預測其潛在分布范圍[9]。生態(tài)位模型有Maxent、Bioclim、Climax、Domain、Grap模型等，蔡靜蕓等[10]通過研究分析認為Maxent模型的預測效果較好。Maxent模型基于生態(tài)位原理建立生態(tài)位模型，以物種在已知分布區(qū)的信息及研究區(qū)環(huán)境變量為基礎(chǔ)，通過比較該物種在已知分布區(qū)的生態(tài)環(huán)境變量來確定其占有的生態(tài)位，以此預測物種的潛在地理分布情況，Maxent模型已被用于多種中藥的生態(tài)適宜性區(qū)劃研究[11-14]。本研究在實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，基于147個華東覆盆子分布位點信息及55個氣候、土壤等生態(tài)因子數(shù)據(jù)，利用Maxent模型及Gis制圖軟件，探索華東覆盆子潛在分布，并進行生態(tài)適宜性區(qū)劃研究，為我國華東覆盆子的生態(tài)種植研究及栽培布局提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣儀器

HOLUX·m-241軌跡記錄儀，佳能單反相機。利用軌跡記錄儀記錄調(diào)查軌跡，將單反相機時間調(diào)節(jié)到與軌跡記錄儀一致，利用單反相機所拍攝華東覆盆子照片與調(diào)查軌跡按照時間進行自動匹配，獲取拍攝照片位置經(jīng)緯度信息。

1.2 分布位點信息

通過實地調(diào)查和查閱中國數(shù)字植物標本館(CVH)等方式共獲取華東覆盆子分布位點信息147個，其中98個來源于第四次全國中藥資源普查實地調(diào)查所收集位點信息，其余49個源于CVH收錄的華東覆盆子標本記錄位置信息。其中無經(jīng)緯度坐標記錄的分布位置以最小可查的地名為準，利用Google地圖查詢獲取其經(jīng)緯度信息。所收集分布位點樣本主要分布于安徽、浙江、江蘇、江西、福建、湖南(見圖1)，將位點信息輸入Excel表格進行整理，并根據(jù)Maxent軟件(3.3.3k)要求，將位點樣本按name(物種名)、long(經(jīng)度)、late(緯度)三列存儲為csv格式文件備用。

注：審圖號為GS(2019)3832號。圖1 華東覆盆子樣本分布位點

1.3 生態(tài)因子數(shù)據(jù)來源

本研究使用的生態(tài)因子數(shù)據(jù)來源于“中藥資源空間信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫”，共55個生態(tài)因子，包含43個氣候類型數(shù)據(jù)(12個月的降水量和平均氣溫，19個綜合氣候因子，分辨率為1 km)，8個土壤類型數(shù)據(jù)(土壤pH、土壤陽離子交換能力、土壤含沙量、土壤含黏土量、土壤亞類-sym90、土壤有效水含量等級、土壤質(zhì)地分類、土壤有機碳含量)，3個地形數(shù)據(jù)為高程(altitude)、坡度(slope)、坡向(aspect)，1個植被類型數(shù)據(jù)。生態(tài)因子數(shù)據(jù)均為.asc格式。

1.4 Maxent軟件參數(shù)設(shè)置及精度評價

將位點信息及生態(tài)因子數(shù)據(jù)導入Maxent軟件，將隨機測試比例設(shè)置為20%，其余位點信息作為訓練集用于建模，運算最大迭代次數(shù)設(shè)為106，使用刀切法(Jackknife)檢測變量權(quán)重，打開響應(yīng)曲線，設(shè)置受試者工作曲線(receive operating characteristic，ROC曲線)及曲線下面積(AUC值)來評價生態(tài)適宜性分析模型預測結(jié)果的精度，其余參數(shù)為軟件默認值。

1.5 生態(tài)因子篩選方法

將處理后的華東覆盆子分布信息及生態(tài)因子數(shù)據(jù)導入Maxent模型軟件進行迭代運算，按照1.4方法設(shè)置軟件，第一次運算結(jié)束后，查看運算生成的HTML文件信息，對變量分析表中貢獻率為0的生態(tài)因子予以舍去，再進行下一次運算，經(jīng)多次運算篩除至所有參與運算的生態(tài)因子均有貢獻，其中貢獻率大、權(quán)重高的為影響華東覆盆子生態(tài)適宜性的主要生態(tài)因子[8]。

1.6 生態(tài)適宜區(qū)劃分方法

取經(jīng)1.5方法確定的生態(tài)因子數(shù)據(jù)加載至Maxent模型軟件分別運算10次，選取精度最大的一組運算結(jié)果加載至Gis制圖軟件中，將文件轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)格式，同時導入中國行政區(qū)域地圖，得到華東覆盆子生長適宜度圖。在得到的適宜度圖上根據(jù)樣本分布位點提取生長適宜度，以提取值中的最小值作為華東覆盆子適宜生長和不適宜生長的分界線。對于適宜生長的區(qū)間，依據(jù)正態(tài)分布的參數(shù)標準差σ和平均值μ，選擇μ+σ作為閾值，區(qū)分“次適宜區(qū)”和“最適宜區(qū)”，既[0，最小值]為不適宜區(qū)，[最小值，μ+σ]為此適宜區(qū)，[μ+σ，1]為最適宜區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型精確度評價

本研究模型預測結(jié)果精度評價采用ROC曲線分析法，以AUC值為指標，其不受閾值影響，大小可作為模型預測準確度的衡量指標，AUC取值范圍為[0，1]，越接近1表明模型預測精度越高。指標評價標準為：0.5～0.6為預測失敗，0.6～0.7預測結(jié)果較差，0.7～0.8為預測結(jié)果一般，0.8～0.9為預測結(jié)果好，0.9～1.0表明預測結(jié)果非常好，可以準確反應(yīng)所預測的物種的潛在適生區(qū)[15]。通過Maxent模型軟件運算預測，華東覆盆子ROC曲線(見圖2)訓練集AUC值為0.993，測試集AUC值為0.993，表明Maxent模型運算預測效果非常好，預測得出的華東覆盆子生態(tài)適宜度具有較高的準確度和可信度。

圖2 華東覆盆子生態(tài)適宜度預測ROC曲線

2.2 主導生態(tài)因子篩選

按照1.5方法經(jīng)Maxent模型軟件7次運算后，55個生態(tài)因子中，18個貢獻率大于0，將其加載至Maxent模型進行運算，選取效果較好、精度最高的一次作為研究結(jié)果，其生態(tài)因子刀切圖見圖3。由刀切圖可以看出最干月降水、最干季節(jié)降水量、1月及11月降水量、溫度季節(jié)性變化的標準差、4月平均氣溫、9月降水量7個生態(tài)因子對分布預測結(jié)果貢獻率較高，其生態(tài)因子貢獻率及排列重要性見表1，前7個生態(tài)因子總貢獻率達91.3%，是影響華東覆盆子分布適宜度的主導生態(tài)因子。7個主導生態(tài)因子均為氣候類型因子，其中5個與降水量有關(guān)，兩個與氣溫有關(guān)，表明氣候環(huán)境對華東覆盆子的整體分布范圍具有主導作用，植被類型、土壤類型、坡度、坡向等生長環(huán)境變量也對華東覆盆子的生長有一定的影響，但對華東覆盆子整體分布范圍影響較小。

華東覆盆子最干月降水的適宜值為38～70 mm，最干季降水適宜值為140～200 mm，1月降水最適宜量為50～100 mm，11月最適宜降水量為50～80 mm，且隨著11月降水超過80 mm，其對適宜度降低的影響變小；溫度季節(jié)性變化的標準差在55～90較適宜，4月平均氣溫適宜值為10～22 ℃，9月降水量適宜值為100～300 mm。

圖3 Maxent模型預測生態(tài)因子刀切圖

生態(tài)因子變量變量縮寫貢獻率/%排列重要性最干月降水量bio1430.91.6最干季降水量bio1721.42.41月降水量prec112.35.911月降水量prec119.60.5溫度季節(jié)性變化的標準差bio46.342.04月平均氣溫tmean45.717.39月降水量prec95.16.07月降水量prec72.603月降水量prec31.41.8坡度slope1.29.34月降水量prec40.73.2土壤類型soiltype0.70.85月平均氣溫tmean50.60年均溫變化范圍bio150.51.5植被類型zblx0.30.7坡向aspect0.30.48月平均氣溫tmean80.35.66月降水量prec60.11.0

2.3 生態(tài)適宜性區(qū)劃

按1.6方法對華東覆盆子生態(tài)適宜度進行運算，將最終Maxent模型軟件運算結(jié)果加載到Gis制圖軟件中，并根據(jù)所設(shè)閾值進行重分類，[0，0.055 482]為不適宜區(qū)，[0.055 482，0.682 963]為此適宜區(qū)，[0.682 963，1]為最適宜區(qū)，制圖得到華東覆盆子生態(tài)適宜性區(qū)劃圖(見圖4)。由圖可知華東覆盆子集中分布區(qū)位于華東地區(qū)長江以南的安徽南部、浙江、福建北部、江西東北部及江蘇西南部小部分地區(qū)，預測結(jié)果顯示安徽西部大別山山區(qū)、湖北東南部、湖南北部及東南部、江西西部、廣東北部、廣西東北部及臺灣中部生態(tài)環(huán)境也適合華東覆盆子分布，為其次適宜分布區(qū)。華東覆盆子生長最適宜區(qū)主要集中在安徽皖南山區(qū)黃山山脈至浙江西部天目山一帶、浙江東部山區(qū)、福建北部武夷山一帶、江西東北部山區(qū)、江蘇西南部部分地區(qū)。

注：審圖號為GS(2019)3832號。圖4 華東覆盆子生態(tài)適宜性分布

3 結(jié)論與討論

本研究以實地調(diào)查華東覆盆子分布信息及網(wǎng)絡(luò)查詢分布信息為基礎(chǔ)，利用Maxent模型預測其在我國的生態(tài)適宜性分布，本研究預測結(jié)果用ROC曲線分析法進行精度評價，所得AUC值在0.9以上，接近1，表明模型預測結(jié)果準確，可信度高。

在全國尺度下進行華東覆盆子生態(tài)適宜性分布預測，通過對55個生態(tài)因子的篩選，發(fā)現(xiàn)全國尺度下對華東覆盆子的整體分布起主導作用的為氣候因子，即降水和氣溫，且最干月、最干季降水量對其分布影響權(quán)重較高；而全國區(qū)劃尺度下植被類型、土壤類型、坡度、坡向等生長環(huán)境指標對華東覆盆子分布影響較小。這可能與研究尺度的選擇有關(guān)，若研究其生態(tài)種植條件的選擇等問題，可根據(jù)生態(tài)適宜性區(qū)劃結(jié)果縮小研究尺度，探索華東覆盆子的生態(tài)種植在選地、選擇伴生植物等方面的具體指標。

張珂等[16]對安徽懸鉤子屬藥用植物的分布與生態(tài)特點進行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)懸鉤子屬藥用植物的分布，與溫度、水分、光照、海拔等環(huán)境因子均有關(guān)系。最干季降水量對華東覆盆子分布影響權(quán)重較高，表明華東覆盆子的分布與降水量關(guān)系密切。華東覆盆子野外分布多為亞熱帶地區(qū)，中國的亞熱帶地區(qū)為大陸東岸型，即季風型氣候，夏季濕熱，冬季干冷，最干季即冬季。這段時間華東覆盆子主要以越冬芽渡過休眠期。據(jù)張珂等觀察研究，華東覆盆子越冬芽為混合芽，開花前一年初秋便開始花芽分化，并完成雌雄蕊分化。冬季植物體休眠時，芽內(nèi)雄蕊細胞仍處快速生長分裂狀態(tài)。通過對冬季越冬芽內(nèi)雌雄蕊發(fā)育的觀察，發(fā)現(xiàn)植物正處于快速發(fā)育期，分生細胞明顯。3月中上旬葉即初展，花苞伸出，進入花蕾期[17]。而冬季水分不足，是否會直接影響其雌雄蕊發(fā)育，以致影響華東覆盆子的分布、產(chǎn)量及品質(zhì)，尚待進一步研究。

利用Maxent模型對華東覆盆子分布進行預測，結(jié)果顯示華東覆盆子主要分布在安徽、浙江、福建、江西、湖南、江蘇、廣西、廣東等地[1]，與《中國植物志》記載基本一致，說明預測結(jié)果較合理。根據(jù)預測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)安徽長江以北大別山區(qū)、湖北等地也可能是華東覆盆子的潛在分布區(qū)，而根據(jù)第四次全國中藥資源普查安徽省普查隊實地調(diào)查情況，安徽省長江以北大別山區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)華東覆盆子的野生分布，故預測結(jié)果與實際分布范圍存在差異。而根據(jù)預測結(jié)果，可繼續(xù)探索華東覆盆子在大別山區(qū)等潛在分布區(qū)的栽培條件，以適當?shù)娜藶楦深A擴大華東覆盆子栽培區(qū)域，為華東覆盆子相關(guān)商品開發(fā)提供更多的栽培資源。模型預測顯示，臺灣中部有華東覆盆子的生態(tài)適宜區(qū)，且有小部分地區(qū)為最適宜區(qū)，可探索在臺灣中部部分地區(qū)發(fā)展華東覆盆子栽培，對當?shù)刂兴幃a(chǎn)業(yè)發(fā)展具有一定的推動作用。

對華東盆子進行生態(tài)適宜性區(qū)劃，結(jié)果顯示華東覆盆子最適宜分布區(qū)為安徽皖南山區(qū)、浙江西部天目山山脈、浙江東部山區(qū)、福建北部武夷山一帶、江西東北部山區(qū)、江蘇西南部個別地區(qū)，研究結(jié)果對華東覆盆子的道地藥材生產(chǎn)布局及生態(tài)種植研究具有一定的指導意義。