基于最大熵模型和地理信息系統地構葉生態適宜性研究

呂蓉 韋翡翡 崔治家 晉玲

摘要：目的? 探討地構葉在我國的生態適宜性區劃。方法? 利用最大熵模型和ArcGIS10.5軟件對實地調查的35個地構葉分布信息數據、中國數字植物標本館獲取的172條地構葉分布信息及55種生態因子數據進行運算分析。結果? 調查顯示，影響地構葉生長的7個主要生態因子為11月降水量、3月溫度、9月降水量、溫度季節性變化標準差、土壤含黏土量最干季節降水量、最干季節均溫，甘肅東南部、陜西南部、山西南部、河北西南部、山東中部為地構葉的主要分布區。結論? 應用此方法研究地構葉生態適宜性區劃具有較好的精確度和可信度，研究結果與實際分布相契合，可為地構葉野生資源勘測和保護地區的選擇提供參考依據。

關鍵詞：地構葉;最大熵模型;生態因子;生態適宜性;地理信息系統;知識服務

中圖分類號：R282.1? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-5304（2020）02-0001-03

DOI：10.3969/j.issn.1005-5304.201811334

Study on Ecology Suitability of Speranskia tuberculata Based on MaxEnt and GIS

LYU Rong1， WEI Feifei1， CUI Zhijia1， JIN Ling1，2

1. College of Pharmacy， Gansu University of Chinese Medicine， Lanzhou 730000， China;

2. Research Institute of Chinese （Tibetan） Medicinal Resources， Lanzhou 730000， China

Abstract： Objective To explore the ecological suitability of Speranskia tuberculata in China. Methods The maximum entropy model and ArcGIS10.5 software were used to analyze the 35 information data of Speranskia tuberculata in field survey， 172 information data obtained in Chinese Virtual Herbarium and 55 ecological factor data. Results The results showed that the seven main ecological factors affecting Speranskia tuberculata were the rainfall in November， the temperature in March， the rainfall in September， the seasonal variation of temperature， the clay content in the soil the rainfall in driest season， and the mean temperature in driest season. The southeastern part of Gansu， the southern part of Shaanxi， the southern part of Shanxi， the southwestern part of Hebei and central Shandong were the main distribution areas of Speranskia tuberculate. Conclusion The application of this method to study the ecological suitability zoning of Speranskia tuberculata has good precision and credibility. The research results are consistent with the actual distribution， which can provide references for the selection of protection areas and wild resources survey of Speranskia tuberculata.

Keywords： Speranskia tuberculata; maximum entropy model; ecological factors; ecological suitability; ArcGIS; knowledge service

地構葉為大戟科Euphorbiaceae植物地構葉屬植物地構葉Speranskia tuberculata（Bunge）Bail.的干燥地上部分，具有祛風除濕、活血止痛之功。其主產于山東、河南、江蘇，甘肅、山西、陜西等地亦產[1]。目前，現代學者已對地構葉的化學成分及藥理作用進行了探索研究[2]，但全國范圍的適宜生長概況尚無相關研究。“3S技術”即全球定位系統（GPS）、遙感技術（RS）、地理信息系統（GIS），是近些年常被應用于物種分布和適宜性區域研究的技術，能實時動態監測、評估產量、顯示地理分布，常常利用其中的GIS與傳統區分方法相結合，以研究資源區劃、農業區劃、氣候區劃、災害性區劃等問題[3]。

中藥區劃是在中藥資源調查基礎上，通過相關軟件分析區域差異性及相似性，評價影響中藥資源開發和中藥生產的自然規律及客觀經濟規律，最終得出中藥資源與中藥生產的地域分布規律的一種方法。生態區劃作為中藥區劃的重要組成部分，在評價物種的適宜分布及生長區時尤為重要。最大熵（MaxEnt）模型可通過分析物種經緯度信息，計算得出物種分布MaxEnt，從而預測影響物種生長的主要生態因子并判斷其主要生態分布地區。此模型已廣泛用于預測農作物適宜區、評價動物潛在生境、評估外來物種風險以及藥材生態適宜性研究[4-5]。

筆者應用MaxEnt模型和ArcGIS10.5軟件進行分析，尋找影響地構葉生長的主要生態因子，并繪制地構葉在我國的生態適宜性分布圖，為地構葉的資源開發利用與保護提供科學依據。

1? 材料與方法

1.1? 儀器

便攜式衛星導航儀（GARMIN GPSMAP60CSX），北京佳明航電科技有限公司。

1.2? 數據來源

查閱《中國植物志》[6]，明確地構葉的大致生長環境及分布區域，于2017-2019年實地采集地構葉樣本35個，記錄經緯度、海拔和生境;查閱中國數字植物標本館（http：//ww.cvh.org.cn./cms），收集地構葉經緯度信息，未記錄經緯度坐標的分布點則以最小可查行政單位為準。將地構葉的采樣信息和環境數據按物種名、分布點經緯度順序從Excle2016導出，按MaxEnt3.3.1軟件所需保存為.csv格式文件。

1.3? 地構葉生長分布預測

①生態因子數據的獲取。查閱“中藥資源空間信息網格數據庫”（http：//www.tcm-resources.com/），得到MaxEnt3.3.1軟件導入的可能影響地構葉生長的55種生態因子數據。②MaxEnt模型參數設置。將.csv格式數據傳入MaxEnt3.3.1軟件，導入所有生態因子。設置模型參數：隨機測試比例為25%，其中75%數據用于建模，另25%數據用于模型驗證。設置最大迭代次數為106，設置ROC評價曲線和刀切法（jackknife）檢驗權重，其他參數為默認值。③模型預測評價。通過觀察ROC曲線下面積（AUC值）AUC值評測模型精度。④生態因子篩選。將172份地構葉分布信息及55個生態因子導入MaxEnt模型中進行迭代運算，挑選出運算結果中貢獻率為0的生態因子，棄去，再次運算，直至沒有貢獻率為0的生態因子出現，停止運算。得到所有對地構葉生長具有貢獻率的生態因子。

1.4? 地構葉在我國的生態適宜性區劃分析

將最后一次MaxEnt運行結果中的.asc格式文件導入ArcGIS10.5軟件，利用柵格提取工具，將地構葉分布信息轉化為柵格文件，導入我國行政區劃邊界圖，與柵格提取圖進行疊加后裁剪，得到地構葉在我國的區劃圖。在屬性表中找出判斷生態適宜度值的相關信息，包括生態適宜度最小值、正態分布曲線的均值（μ）、正態分布曲線的均方差（δ）等。參照IPCC（IP呼叫中心）報告有關評估可能性的劃分方法[7]，結合地構葉的實際分布，利用ArcGIS10.5軟件中空間分析的重分類工具把地構葉分為以下3個等級：以[0，最小值]為不適宜區，[最小值，μ-δ]為次適宜區，[μ-δ，1]為最適宜區對地構葉所有區域進行分類，得到地構葉在我國生態適宜區化分布圖。

2? 結果與分析

2.1? 樣本收集

本次研究共采集甘肅慶陽、平涼、隴南，山東平邑、鄒城等地的地構葉樣本35份;從中國數字植物標本館獲得的地構葉分布信息共621條，得到有效數據172條。總共收集到可用經緯度信息207個，將所有數據單位統一為“°”，用于之后軟件模型預測中。

2.2? 模型預測評價

模型預測準確度以AUC值大小為衡量指標，其取值范圍為0～1，AUC值大小與模型判斷能力強弱成正比。地構葉MaxEnt模型ROC曲線訓練數據集AUC=0.984，測試數據集AUC=0.954，均大于0.9，趨近于1，表明由MaxEnt模型運算得出的地構葉生境適宜度具有很高的準確度和可信度。

2.3? 主要生態因子選擇

生態因子是藥用植物品質形成的關鍵因子，環境因子的選取會影響模型精度預測。本次模型建立共55個生態因子，經MaxEnt運算后剔除貢獻率為0的生態因子，經4次運算后剩余44個具有貢獻率的生態因子，其中有34個氣候生態因子（總貢獻率為83.37%）、6個土壤因子（總貢獻率為10.91%）、3個地形因子（總貢獻率為4.12%）、1個植被類型因子（貢獻率為1.5975%），可見氣候對地構葉的影響最大。其中包括7個主生態因子，總貢獻率為64.61%。每種生態因子貢獻率及適宜值范圍：11月降水量貢獻率最高，為18.04%，適宜值為18～38 mm;3月平均氣溫貢獻率13.80%，適宜值為4～6 ℃;9月降水量貢獻率10.55%，適宜值為175～220 mm;溫度季節性變化標準差貢獻率7.88%，適宜值為70～105 ℃;土壤含黏土量貢獻率5.64%，適宜值為9～15 cm;最干季節降雨量貢獻率4.5%，適宜值為23～35 mm;最干季節均溫貢獻率4.2%，適宜值為17～22 ℃。

2.4? 地構葉在我國的生態適宜性區劃

地構葉較高適宜度主要集中在甘肅東南部、陜西南部、山西南部、河北西南部、山東中部，與實際資源調查來源的地構葉實際分布位置相一致。以圖1分布為依據，再參照實際情況及中國數字標本館中近年的分布情況，得出地構葉在我國最適宜生長的具體地理分布。見圖1。

3? 討論

通過MaxEnt模型預測地構葉的訓練集和測試集的AUC值均大于0.9，表明該模型預測結果較好。55個生態因子運行結果剩余44個具有貢獻率的因子。貢獻率最大的7個生態因子貢獻率排序為：11月降水量（18.04%）>3月平均氣溫（13.80%）>9月降水量（10.55%）>溫度季節性變化標準差（7.88%）>土壤含黏土量（5.64%）>最干季節降雨量（4.50%）>最干季節均溫（4.20%）。結果表明，地構葉生長適宜于年平均降水量相對少、黏土含量較高的地區，因9月為地構葉果期，故此時對降水要求相對較高，從模型運算結果看，地構葉適宜生長在季節交替較明顯的地區，與其實際生境相符。

關于地構葉在我國的生態適宜性區劃分布，適宜區主要集中在甘肅東南部（慶陽市合水縣、涇川縣、崇信縣，平涼市靈臺縣，隴南市文縣等）、陜西南部（臨潼區、靖邊縣、眉縣、澄城縣、安塞縣、綏德縣等）、山西南部（永濟市、晉城市、運城市、柳林縣、五臺縣等）、河北西南部（獲鹿縣、內丘縣、蔚縣、易縣、正定縣等）、山東中部（鄒城市、新泰市、臨沂市、濟南市、蓬萊市、平邑縣等）。研究所得分布區與《中國植物志》[6]中地構葉的分布區域基本吻合。

地構葉常年處于野生狀態，近些年隨著需求量增加，野生資源逐漸減少。希望通過本研究為地構葉野生資源的收集、保護和栽培區域的選擇提供參考，此方法也可用于一些瀕危野生藥材的生態適宜性研究，基于研究結果實施適宜性區域種植及野生資源保護，以確保野生資源的可持續利用。

參考文獻：

[1] 國家藥典委員會.中華人民共和國藥典：一部[M].北京：中國醫藥科技出版社，2015：320-321.

[2] 索金紅，伊勛非.珍珠透骨草的化學成分及藥理作用[J].內蒙古民族大學學報，2009，24（5）：506-507.

[3] 張海龍.基于生態位模型的傳統中藥秦艽潛在地理分布研究[D].西安：陜西師范大學，2014.

[4] 張海娟，陳勇，黃烈健，等.基于生態位模型的薇甘菊在中國適生區的預測[J].農業工程學報，2011，27（1）：413-418.

[5] 何淑婷，白碧玉，但佳惠，等.基于MaxEnt的南丹參在中國的潛在分布區預測及適宜性分析[J].安徽農業科學，2014，42（8）：2311-2314.

[6] 中國科學院《中國植物志》編輯委員會.中國植物志：第18冊[M].北京：科學出版社，1996：8.

[7] 尚忠慧，衛海燕，顧蔚，等.基于GIS與模糊物元模型的當歸潛在生境適宜性區劃分析[J].中藥材，2015，38（7）：1370-1374.

（收稿日期：2018-11-17）

（修回日期：2019-09-18;編輯：梅智勝）

基金項目：中央本級重大增減支項目-名貴中藥資源可持續利用能力建設（2060302）;國家中醫藥管理局中藥飲片標準化項目（ZYBZH-Y-GS-10）;甘肅省地方藥材質量標準提升研究（17ZD2FAOO9）

通訊作者：晉玲，E-mail：zyxyjl@163.com