基于MaxEnt模型的木賊潛在分布與生境分析

李云峰　王燕　徐寧　李佳穎　何平　孟繁蘊

關鍵詞：木賊;MaxEnt模型;潛在分布區;物種分布

中圖分類號：R931 文獻標識碼：A

木賊（Equisetum hyemale L.）屬木賊科植物（Equisetum L.），又名節節草、接骨草，其地上干燥的部分作為中藥，使用歷史悠久，主治用于風熱目赤、迎風流淚、目生云翳。木賊主要化學成分有黃酮類、酚酸類、酯類等化合物，研究表明其提取物具有降壓、護肝、降血脂、抗腫瘤等作用。

隨著中藥產業發展，藥材需求量逐年增加，生態環境面臨巨大壓力。生態位模型（Ecological niche modeling，ENM）是基于生態位理論進行的數學建模，預算物種分布，目前作為解決該問題的主要方法被廣泛使用。近年，ENM與地理信息系統（Geographical information system，GIS）的聯合應用，不但能準確、高效的對生長區劃進行運算，還能得到直觀的生長區劃圖。在眾多ENM中，最大熵值模型（Maximum Entropy Model，MaxEnt）因其預測結果準確，使用效果好，已成為應用較為廣泛的模型之一。

本研究利用MaxEnt模型和GIS，基于當前氣候與地理環境數據，對木賊的適宜生長區進行預測，為其開發、利用提供理論數據借鑒。

1數據來源與方法

1.1數據來源：木賊分布點獲取

木賊分布點數據主要來源：中國數字植物標本館（http：//www. cvh. ac. cn/）、中國植物志（http：//www. iplant.cn/）以及中國植物圖像庫（http：//ppbc. iplant. cn/），獲取75個木賊分布點。選取19個WorldClim氣候指標（https：//www. worldclim. org/），1個干燥度指數，1—12月潛在散熱數據，1個年平均潛在散熱數據和1—12月天文輻射量，數據來源CGIAR-Consortium for Spatial Information（http：//www.cgiar-csi. org/），坡向數據來源于國家科技基礎條件平臺（http：//www. geodata. cn/），61個土壤類型數據來源于南京土壤研究所（http：//www.issas.ac.cn/）。

1.2方法

1.2.1環境數據相關性分析

利用SPSS數據統計軟件22.0對環境因子進行Pearson相關性檢驗，避免因變量間的多重線性重復造成的運算結果不準確，若兩個變量之間的相關性絕對值大于0.8，只選擇一個變量，最終得到17個環境因子用于數據分析（表1）。

1.2.2模型建立與準確性評價

將木賊地理分布點和17個環境因子輸入MaxEnt模型（MaxEnt， version 3.3.3k， http：//www.cs.princetion.edu/～schapire/MaxEnt/），隨機選取75%的木賊分布點作為訓練數據集，25%的分布點作為測試數據集。運行10次，每次隨機保留20%的存在點交叉驗證，并平均結果。通過Jack-knife法的AUC（Area Under Curve）值對模型預測的準確性進行說明。AUC值越接近1，表示模型精度越高。AUC在0.50～0.60為失敗，0.60～0.70較差，0.70～0.80一般，0.80～0.90良好，0.90～1.00優秀。

1.2.3潛在分布區劃分

MaxEnt軟件模擬輸出的結果范圍為0～1.00，數值越接近1，物種存在的概率越大。為了便于理解和概念化，將潛在分布區劃分為4個等級：0.00～0.08為不適宜區，0.08～0.26為低適宜區，0.26～0.52為適宜區，0.52～1.00為高適宜區。同時，利用ArcGIS10.3（http：//www.arcgis.com/）得到木賊潛在適宜生長分布圖。

2結果

2.1模型結果說明

利用MaxEnt模型結合環境因子對木賊生境進行分析，訓練集AUC值為0.931，測試集AUC值為0.919，模型預測結果達到“非常滿意”標準（圖1a）。

通過各環境因子貢獻百分率和Jack-knife法（圖lb）確定影響木賊適宜區分布的6個主導因子：sr_m10、soil、ai、bio3、bio4、bio5，累計貢獻率達到88.4%。

設置木賊存在概率閾值為0.5，大于0.5時，對應的生態因子范圍適宜木賊生長。由（圖2）看出：sr_m10范圍在8.5MJ/m～11.4MJ/m，最適宜數值為9.7MJ/m，soil為黃壤、黃棕壤、棕壤、褐土、灰褐土、灰色森林土、新積土、石灰土、火山土，AI在0.57以上時，木賊存在概率大于0.5，bio3范圍在23.2～28.6，最適宜數值為25.6，bio4范圍在640.9～881.8，最適宜數值為740，bio5范圍在20℃～27.7℃，最適宜數值為22.3℃。

2.2木賊主要分布區域

運算結果表明，木賊在我國分布廣泛，其中甘肅、陜西南部，貴州、重慶大部，湖北西部，四川東部，山東、遼寧、吉林東部為適宜生長區，適宜分布區面積為327km。

3結論與討論

木賊在我國分布廣泛，本研究基于已知木賊分布點信息，對木賊潛在適宜生長區進行預測。結果表明，MaxEnt模型能夠精確的對木賊潛在分布區進行預測，影響其分布主要環境因子有10月天文輻射量、土壤類型、年均干燥指數、等溫性、溫度季節性、暖月極端高溫，累計貢獻率達到88.4%。

木賊潛在適宜區總面積約有327km，主要在四川、重慶、湖北、黑龍江、吉林、遼寧、陜西、甘肅、新疆等地。除文獻報道地區外，還有一些未見報道的地區也適合其生長。

本研究為木賊資源開發利用提供實驗數據參考依據，但由于實驗條件限制，僅選取了部分的生態因子，運用MaxEnt模型對木賊適宜生長區進行劃分，后續研究中還需運用其他生態位模型和生態因子并結合本次研究結果，對木賊適宜區進行更加全面、準確的劃分。

作者簡介：李云峰（1983— ），男，漢族，山東濱州人，碩士，講師，研究方向：中藥資源。

*通訊作者：孟繁蘊