基于MaxEnt和ArcGIS的定西市蒙古黃芪適宜性區劃研究

王莉 韋翡翡 成希 趙文龍 晉玲

中圖分類號 R-l

文獻標志碼A

文章編號 1001-0408（2020）03-0321-04

DOI 10.6039/j.issn.1001-0408.2020.03.13

摘要 目的：對定西市蒙古黃芪進行生態適宜性區劃研究。方法：以定西市1001批蒙古黃芪為考察樣本（以每個有蒙古黃芪栽培的自然村為采集單位進行樣本采集），從定西市經濟作物技術推廣站中獲取其經、緯度信息，并從《中藥資源空間信息網格數據庫》中獲取其55項環境生態因子（包括氣候、地形、土壤等）信息。結合經、緯度信息和環境生態因子信息，以75%樣本為訓練集建立最大熵模型（MaxEnt模型），篩選出主要生態因子，并以另外25%樣本為驗證集進行模型驗證。隨后，應用地理信息系統（Arc-GIS）對蒙古黃芪的適宜生長區進行劃分。結果：建立的MaxEnt模型預測效果良好（訓練集和驗證集樣本受試者工作特征曲線下面積分別為0.970、0.968）。共篩選出海拔、降水量、溫度等8個主要生態因子（貢獻率總和為98.90%）;結合分析系統發現，海拔在1800～2650m、4月降水量在25～50mm、最冷月最低溫在-16～-8℃、最濕月降水量在95～110mm、溫度季節性變化標準差在70～80、12月平均氣溫在-6～-3℃、10月降水量在30～50mm、12月降水量在0～10mm為定西市蒙古黃芪適宜生長的環境參數。結合ArcGIS分析結果，在定西市境內蒙古黃芪普遍適宜生長;在臨洮縣西北部、安定區北部、通渭縣南部、隴西縣南部少量地區、岷縣南部少量地區以及渭源縣、漳縣、岷縣交界處不適宜生長。結論：本研究建立的模型分析結果與實際考察符合，可為定西市蒙古黃芪的種植區域規劃提供參考。

關鍵詞 蒙古黃芪;定西市;適宜性區劃;地理信息系統

黃芪為蒙古黃芪[Astragalus membranaceus （Fisch.）Bge.var.mongholicus（Bge.） Hsiao]或莢膜黃芪[Astraga-lus membranaceus （Fisch.）Bge.]的干燥根，具有補氣升陽、固表止汗、利水消腫、生津養血、行滯通痹、托毒排膿、斂瘡生肌的功效[1-2]。黃芪是中國傳統中藥，也是中醫最常用中藥之一，首載于《神農本草經》，并列為上品。現代藥理研究表明，黃芪具有抗腫瘤、抗氧化、保肝等作用，對免疫系統、心血管系統、神經系統等均有保護作用[3-4]，特別是在治療糖尿病和心血管等疾病上有顯著療效[5-7]。

定西市位于甘肅中部，地處黃土高原、青藏高原和西秦嶺交匯地帶，通稱“隴中”，是古絲綢之路重鎮和新歐亞大陸橋必經之地，也是甘肅省內蒙古黃芪主產地之一。其轄下有安定區及通渭、隴西、渭源、臨洮、漳縣、岷縣等1區6縣，并且其中的隴西縣素有“中國黃芪之鄉”的美稱。目前，蒙古黃芪從種子萌發到高產的栽培種植都有成熟的技術支持，但膜莢黃芪栽培質量不好、產量不高[8-11]，故現代栽培主要以蒙古黃芪為主。楊長花等[12]對4個主要黃芪產地的黃芪質量進行比較后發現，不同產地黃芪中有效成分含量有差異，其中以內蒙古、甘肅等地產黃芪中有效成分含量較高。

最大熵模型（MaxEnt）可在最大熵原理的基礎上較為精確地推斷和預測不同物種的生態適宜區域[13]。地理信息系統（ArcGIS）利用的是生態學原理和數據分析，對物種的潛在分布區域進行預測并將成果展示出來，在中藥相關領域也得到了廣泛應用[14-15]。故本研究利用MaxEnt和ArcGIS相結合的方式，對定西市蒙古黃芪的資源分布進行整合，并對其進行生態適宜區預測，為蒙古黃芪的合理種植提供理論支持。

l 儀器與信息來源

1.1 儀器

Rin0 530HCx型便攜式衛星導航儀（北京佳明航電科技有限公司）。

1.2 樣本信息

蒙古黃芪樣本由定西市經濟作物技術推廣站于2018年10月進行批量采集（原則是以每個有蒙古黃芪栽培的自然村為采集單位進行樣本采集），并利用便攜式衛星導航儀記錄每個樣本的海拔和經、緯度信息。共采集到1001個蒙古黃芪樣本，其中安定區34個、臨洮縣108個、隴西縣181個、岷縣346個、通渭縣35個、渭源縣219個、漳縣78個。所有樣本均由甘肅中醫藥大學藥學院晉玲教授鑒定為蒙古黃芪真品。

1.3 生態因子信息

從《中藥資源空間信息網格數據庫》中下載相關生態因子信息，共55項。其中氣候變量數據是根據我國氣象觀測站1950-2000年的氣候觀測數據插值成空間分辨率為1kmxlkm的格網數據;土壤類型數據采用FA0-90土壤分類系統，是根據第二次全國土壤調查《1：100萬中華人民共和國土壤圖》制成;植被類型數據來源于中科院植物所《1：100萬中華人民共和國植被圖》中的植被亞類數據[13]。

2 方法

2.1 MaxEnt模型參數及生態因子選擇

將采集到的1001個蒙古黃芪樣本的經、緯度信息和生態因子數據添加到MaxEnt對應的對話框中，按照要求設定參數，隨機選取75%的蒙古黃芪樣本數據作為訓練集，以另外25%的蒙古黃芪樣本數據作為測試集，設定最大迭代次數為106，其余采用模型的默認選項。運行程序，剔除結果中貢獻率為O的生態因子，并再次運行程序，最終篩選出對蒙古黃芪生長有影響的生態因子。利用刀切法（反映不同生態因子在影響蒙古黃芪的生長適宜度中所占的權重）檢驗權重，研究各生態因子對蒙古黃芪生長的貢獻率[16]。刀切圖結合MaxEnt預測結果綜合得出影響蒙古黃芪生長的生態因子。

2.2 模型精確性驗證

受試者工作特征曲線（ROC曲線）分析法在物種潛在分布預測模型評價中得到了廣泛應用，用ROC曲線下面積（AUC，其大小可作為預測模型準確度的衡量指標）進行模型精確度預測[17]。AUC取值范圍為0.5～1，數值越接近1說明該預測的結果越好，其模型預測的結果就越準確。當AUC在0.6以下時，說明該模型預測失敗;當AUC在0.6～0.9之間時，說明該模型預測結果一般;當AUC在0.9以上時，說明該模型預測結果非常好。

2.3 定西市蒙古黃芪適宜區域劃分標準

利用ArcGIS軟件Arctoolbox模塊中的ConversionTools將MaxEnt軟件迭代運行得到的最終結果轉換為柵格數據，用“按掩膜提取”工具將定西市的預測結果從全國預測結果中提取出來。在提取結果的屬性表中計算得到最大值（max）、最小值（min）、平均值（μ）、標準差（σ）、平均值與標準差相加（μ+σ）、平均值與標準差相減（μ-σ）的值。以[0，μ-σ]為不適宜區，[μ-σ，μ]為次適宜區，[μ-σ，μ+σ]為適宜區，可得到其區劃等級分布。

3 結果

3.1 MaxEnt模型的預測結果分析

按上述方法建立MaxEnt模型重復運行5次后，得到的訓練集樣本的AUC為0.970，測試集樣本的AUC為0.968，表明MaxEnt模型對定西市蒙古黃芪生態適宜區的預測效果良好。刀切圖中顯示，有16個生態因子貢獻率不為O，對蒙古黃芪生長有影響見圖1（只變量：生態因子;不變量：生長適宜度;全部變量：有貢獻率的生長因子）。定西市蒙古黃芪ROC曲線見圖2。

3.2 主要生態因子的確定

生態因子貢獻率大小會影響物種分布，本次參與模型建立的生態因子有55個，MaxEnt運行結束后，有16個生態因子貢獻率不為O。其中8個生態因子的貢獻率總和占比達到98.90%，包括海拔（38.07%）、4月降水量（32.58%）、最冷月最低溫（6.03%）、最濕月降水量（5.79%）、溫度季節性變化標準差（5.71%）、12月平均氣溫（4.79%）、10月降水量（3.50%）、12月降水量（2.43%），為蒙古黃芪適宜區的主要影響生態因子。上述生態因子對蒙古黃芪生長影響的適宜范圍分別為海拔1800～2650m、4月降水量25～50mm、最冷月最低溫-16～-8℃、最濕月降水量95～110mm、溫度季節性變化標準差70～80、12月平均氣溫-6～-3℃、10月降水量30～50mm、12月降水量0～10mm。影響定西市蒙古黃芪的8種主要生態因子響應圖見圖3。

3.3 定西市蒙古黃芪適宜區域劃分

對定西市蒙古黃芪生態適宜區進行綜合評價后將區劃等級劃分為3類：以黃芪采樣點生境適宜度值O～0.42為不適宜區，0.42～0.50為次適宜區，0.50--0.58為適宜區。結果顯示，蒙古黃芪在定西市普遍適宜生長，在臨洮縣西北部、安定區北部、通渭縣南部、隴西縣南部少量地區、岷縣南部少量地區以及渭源縣、漳縣、岷縣交界處為蒙古黃芪不適宜區，具體分布見表1。

4 討論

通過MaxEnt運算，此次模型的AUC大于0.9，可信度高。在55個生態因子中運算得到16個貢獻率不為O的生態因子，并篩選對模擬結果影響較大的8個生態因子，分別是海拔（38.07%）>4月降水量（32.58%）>最冷月最低溫（6.03%）>最濕月降水量（5.79%）>溫度季節性變化標準差（5.71%）>12月平均氣溫（4.79%）>10月降水量（3.50%）>12月降水量（2.43%），累積貢獻率達98.90%。結合已知蒙古黃芪生長所需條件發現，海拔對蒙古黃芪生長影響最大，需要保障在1800～2650m;在4月蒙古黃芪長苗期、最濕月（即花果期）以及10、12月地上部分枯萎時期需要較多水分，而在12月、最冷月需要提供適宜溫度以使其正常發育。這與實際調查的蒙古黃芪生長所需條件相吻合。

定西市臨洮縣西北部（紅旗鄉大部、中鋪鎮西南部、太石鎮西部、辛店鎮西部及東北部、新添鎮西部、上營鄉北部），安定區北部（門碌鄉、石峽溝鄉、魯家溝鎮交界處大部），通渭縣南部（常家河鎮中部至南部、李家店中部至南部、襄南鄉南部、碧玉鄉中部至南部少量地區、雞川鎮南部、隴川鄉北部），隴西縣南部少量地區（文峰鎮中南部至鞏昌鎮交界處），渭源縣南部少量地區（峽城鄉南部、會川鎮南部與五竹鎮交界處），漳縣西北部和東部少量地區（金鐘鎮西部、南部和殪虎橋鄉、大草灘鄉交界處、武陽鎮南部、武當鄉南部、新寺鎮北部），岷縣南部少量地區（秦許鄉西部至中部、寺溝鄉南部至中部、麻于川鄉南部至中部、茶埠鎮西南部、寺溝鄉、禾馱鄉交界處、禾馱鄉南部和申都鄉交界處、申都鄉南部、閭井鎮南部至鎖龍鄉交界處、鎖龍鄉南部與馬塢鄉交界處）為蒙古黃芪的不適宜區，主要是由于該地區內有高山，海拔過高不適宜蒙古黃芪生長。臨洮縣西北部（紅旗鄉東部、中鋪鎮大部、太石鎮中部、辛店鎮中部、新添鎮大部、八里鋪鎮與洮陽鎮交界處），安定區大部（除內官鎮、香泉鎮、高峰鄉），隴西縣中部少量地區（鞏昌鎮、和平縣、云田鄉、渭陽鄉、首陽鎮東部、永吉鄉北部），通渭縣大部（除華家嶺鄉、北城鋪鄉大部、隴陽東西部、隴山東西部、馬營鎮南北部、什川鄉南北部、第三鋪鄉北部、榜羅鎮中西部），岷縣東部少量地區（鎖龍鄉北面、馬塢鄉和閭井鎮交界處）為蒙古黃芪次適宜區，其他地區都適宜蒙古黃芪生長。隴西縣大部分地區都為蒙古黃芪適宜生長區，這也與其實際地理考證相吻合。

綜上，蒙古黃芪在定西大部分地區適宜種植，適宜區研究可為提升當地中藥材產業結構、人工種植栽培以及可持續利用研究提供依據。本研究可為后期定西市各縣（區）蒙古黃芪質量評價及其品質區劃研究提供基礎。

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