基于MaxEnt模型和GIS的糙葉敗醬生態適宜性研究

成希，王莉，陳博，韋翡翡，孫少伯，晉玲

資源調查

基于MaxEnt模型和GIS的糙葉敗醬生態適宜性研究

成希1，王莉1，陳博1，韋翡翡1，孫少伯1，晉玲1，2

1.甘肅中醫藥大學藥學院，甘肅 蘭州 730000；2.中（藏）藥資源研究所，甘肅 蘭州 730000

通過研究糙葉敗醬在我國的生態適宜性區劃，為其野生資源保護和栽培提供參考依據。通過查閱中國數字植物標本館并結合實際調查得到糙葉敗醬地理信息，運用最大熵（MaxEnt）模型和ArcGIS軟件分析得到其生態適宜性區劃。影響糙葉敗醬生長的8個主要生態因子為溫度季節性變化標準差、坡度、土壤類型、年均溫變化范圍、年平均氣溫、7月降雨量、最濕月降水量、土壤酸堿度。結果顯示，糙葉敗醬適宜生長區為甘肅省東南部、陜西省北部、山西省全境、河北省北部及與山西省接壤地區、河南省北部、北京市北部、遼寧省西部及內蒙古南部。本研究結果可為糙葉敗醬野生資源的保護及規范化種植提供重要參考依據。

糙葉敗醬；生態適宜性；最大熵；地理信息系統；生態因子

糙葉敗醬（Pall.）Juss.（Bunge）H. J. Wang為敗醬科敗醬屬植物，在我國主產于內蒙古、青海，以及甘肅南部、寧夏，為多年生草本植物，生于較為干燥草叢中[1]。其干燥根及根莖或鮮品可供藥用，性涼，味苦、微酸澀，有理氣、燥濕、止血、清熱解毒功效。目前其藥理研究主要集中于抗腫瘤作用及其相關機制，具有廣闊的應用前景。目前，糙葉敗醬主要采集野生資源供藥用，但一味采集野生資源必將造成資源量下降及供不應求的局面，且野生資源質量不易控制，因此需要對其生態環境及適宜生長的環境進行研究，為其栽培研究提供一定的科學依據。

筆者通過查閱中國數字植物標本館（Chinese Virtual Herbarium，CVH）及實地調查得到糙葉敗醬經緯度信息共165份，運用最大熵（MaxEnt）模型加以分析，得到影響其分布的主要生態因子，結合地理信息系統（GIS）分析其主要生長分布的地區，得到糙葉敗醬的生態適宜性區劃。

1 材料與方法

1.1 儀器

GPS（GARMIN GPSMAP60CSX），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

查閱相關文獻[1]明確糙葉敗醬分布范圍，采集糙葉敗醬樣本，記錄地理位置信息和生境；查閱CVH，收集糙葉敗醬的經緯度信息，并保存為.csv格式。

1.3 生態因子數據來源

查閱“中藥資源空間信息網格數據庫”（http:// www.tcm-resources.com/），得到可能影響糙葉敗醬生長的55種生態因子數據。

1.4 最大熵模型參數設置及預測

將.csv格式數據傳入MaxEnt3.4.1軟件，導入所有生態因子。用85%數據建模，另外15%數據用于模型驗證。設置最大迭代次數為106，其余選項為默認值，設置ROC評價曲線、響應曲線和刀切法（jackknife）檢驗權重，以ROC曲線下面積（AUC值）評測模型精度。

將糙葉敗醬地理位置信息及55個生態因子導入MaxEnt模型中進行迭代運算，每次運算完剔除結果中貢獻率為0的生態因子，直至無貢獻率為0的生態因子出現，停止運算，最終得到24個對糙葉敗醬生長具有貢獻率的生態因子。

1.5 生態適宜性區劃分析

將MaxEnt模型運行結果中最后一次的.asc格式文件導入ArcGIS10軟件，用柵格提取工具將糙葉敗醬分布信息轉化為柵格文件，導入我國行政區劃邊界圖，裁剪出與柵格提取圖疊加的部分。在屬性表中找出判斷生態適宜度值的相關信息，利用ArcGIS10軟件中空間分析的重分類工具分為以下3個等級：[0，最小值]為不適宜區，[最小值，平均值－標準差]為次適宜區，[平均值－標準差，1]為最適宜區，得到糙葉敗醬在我國生態適宜性區劃分布圖。

2 結果與分析

2.1 模型預測評價

模型的預測精度由AUC值評價，數值最大為1，預測結果最好的值的范圍是0.9～1.0。糙葉敗醬MaxEnt模型ROC曲線訓練數據集AUC＝0.993，測試數據集AUC＝0.982，趨近于1，表明MaxEnt模型預測結果很好，得到糙葉敗醬生態適宜性具有很高準確度和可信度。ROC曲線見圖1。

圖1 訓練集ROC曲線

2.2 主要生態因子選擇

55個生態因子經8次MaxEnt運算后剩余24個具有貢獻率的生態因子，包括15個氣候因子（62.67%）、5個土壤因子（17.75%）、3個地形因子（18.21%）、1個植被類型因子（1.37%）。其中影響最大有8個生態因子，總貢獻率為84.31%。各生態因子貢獻率及適宜值范圍：溫度季節性變化標準差貢獻率為17.00%，適宜值為86～143；坡度貢獻率13.22%，適宜值為10°以上；土壤類型貢獻率為11.80%，適宜生長在巖性土、不飽和始成土、潛育始成土、酸性硫酸鹽沖積土、黑鈣土、松軟鹽土；年均溫變化范圍貢獻率為11.13%，適宜值為35～43 ℃；年平均氣溫貢獻率為10.06%，適宜值為2.5 ℃以上；7月降雨量貢獻率為8.88%，適宜值為124～158 mm；最濕月降水量貢獻率為6.84%，適宜值為118～180 mm；土壤酸堿度貢獻率為5.38%，適宜值為pH 6.2～8.8。

2.3 生態適宜性區劃

糙葉敗醬較高適宜度分布區主要集中在甘肅東南部、陜西省北部、山西省全省、河北省北部及與山西省接壤地區、河南省北部、北京市北部、遼寧省西部及內蒙古南部，與文獻[1]調查一致。另參照實際情況及CVH近年分布情況，得出糙葉敗醬在我國的最適宜生長區的具體地理分布。詳見表1、圖2。

表1 糙葉敗醬適宜生長區分布概況

省份區（縣）域 甘肅省慶陽市西峰區、華池縣、環縣、合水縣、寧縣、正寧縣、鎮原縣，平涼市崇信縣、華亭市、涇川縣、靈臺縣、靜寧縣，白銀市會寧縣等 陜西省延安市安塞區、黃陵縣、黃龍縣、宜川縣、洛川縣、富縣、延長縣、延川縣、甘泉縣、吳起縣、志丹縣、子長市，渭南市韓城市、白水縣、合陽縣、澄城縣，銅川市宜君縣、耀州區，咸陽市長武縣、旬邑縣，榆林市吳堡縣、清澗縣、綏德縣、子洲縣，商洛市洛南縣、丹鳳縣、商南縣等 山西省全省 河北省張家口市張北縣、尚義縣、萬全區、懷安縣、宣化區、懷來縣、陽原縣、蔚縣、赤城縣，承德市承德縣、興隆縣、灤平縣、平泉市、寬城滿族自治縣等 河南省三門峽市澠池縣、靈寶市、陜州區、盧氏縣，洛陽市洛寧縣、欒川縣、嵩縣、汝陽縣、宜陽縣、新安縣、伊川縣，南陽市西峽縣、南召縣、內鄉縣，平頂山市魯山縣、寶豐縣、郟縣，鄭州市登封市等 北京市延慶區、昌平區西部、門頭溝區西部、房山區西部、懷柔區北部等 內蒙古自治區赤峰市寧城縣、烏蘭察布市興和縣等 遼寧省朝陽市建平縣、凌源市、喀喇沁左翼蒙古族自治縣，葫蘆島市建昌縣、南票區等

圖2 糙葉敗醬生態適宜性區劃

3 結論

本研究顯示，可能對糙葉敗醬生長有影響的55個生態因子經MaxEnt模型預測分析剩余24個有貢獻率的因子。貢獻率最大8個生態因子貢獻率為：溫度季節性變化標準差（17.00%）＞坡度（13.22%）＞土壤類型（11.80%）＞年均溫變化范圍（11.13%）＞年平均氣溫（10.06%）＞7月降雨量（8.88%）＞最濕月降水量（6.84%）＞土壤酸堿度（5.38%）。表明糙葉敗醬適宜生長在空氣濕度較小、土壤水分較小的草地或山地，年平均溫度較低的地區，與其實際生境相符。本研究得出糙葉敗醬生長適宜區為：甘肅省東南部、陜西省北部、山西省全境、河北省北部及與山西省接壤地區、河南省北部、北京市北部、遼寧省西部，以及內蒙古南部。試驗所得分布區與文獻記載糙葉敗醬的分布區域基本吻合。

目前，糙葉敗醬在甘肅、山東、青海、內蒙古等地區是較常用藥材，市場需求越來越大，而來源僅依靠采集野生資源，導致其野生資源蘊藏量急劇下降，分布量不斷減少。本研究可為糙葉敗醬野生資源的保護和栽培區域的選擇提供參考，所用方法也可應用于其他瀕危野生藥材生態適宜性研究，以促進實施適宜性區域種植及野生資源保護，確保藥用植物資源可持續利用。

[1] 中國科學院中國植物志編輯委員會.中國植物志[M].北京：科學出版社,1993：296-298.

Study on Ecological Suitability ofBased on MaxEnt Model and GIS

CHENG Xi1, WANG Li1, CHEN Bo1, WEI Feifei1, SUN Shaobo1, JIN Ling1,2

To study the ecological suitability ofin China; To provide a reliable reference for the protection and cultivation of wild resources of.The geographic information ofwas obtained by consulting Chinese Virtual Herbarium (CVH) and actual surveys. The ecological suitability division was obtained by using MaxEnt model and ArcGIS software.The eight main ecological factors affecting the growth ofwere the standard deviation of seasonal changes in temperature, slope, soil type, annual average temperature change, annual average temperature, rainfall in July, wettest monthly rainfall, and soil pH. The resultsshowed that the suitable growth areas ofwere southeastern Gansu, northern Shaanxi, the whole area of Shanxi, northern Hebei and the areas bordering Shanxi, northern Henan, northern Beijing, western Liaoning and southern Inner Mongolia.This study provides important references for the protection of wild resources and standardized planting of.

; ecological suitability; MaxEnt; ArcGIS; ecological factors

R282.1

A

1005-5304(2020)11-0001-03

10.19879/j.cnki.1005-5304.201912461

中央本級重大增減支項目（2060302）；國家中醫藥管理局中藥飲片標準化項目（ZYBZH-Y-GS-10）；甘肅省地方習用藥材質量標準提升及產業化應用項目（17ZD2FA009）；甘肅省科技計劃基礎研究創新群體資助項目（1606RJIA323）

晉玲，E-mail：zyxyjl@163.com

（2019-12-27）

（2020-04-24；編輯：梅智勝）