基于最大熵模型和地理信息系統的風輪菜適生區預測

萬柄麟，秦委，張虹，2，楊明霞，劉守金，2

1.安徽中醫藥大學藥學院，安徽 合肥 230013；2.安徽省中醫藥科學院中藥資源保護與開發研究所，安徽 合肥 230013

風輪菜(Benth.)O.Kuntze為多年生草本植物，是中藥材斷血流的重要來源，于1977年起被《中華人民共和國藥典》收錄，以其干燥地上部位入藥，味微苦、澀，性涼，歸肝經，具有收斂止血功效，2016年被列入安徽省“十大皖藥”，目前已被開發成斷血流片、斷血流膠囊及斷血流顆粒。近年來由于城市化進程加快，風輪菜適宜生長區遭到嚴重破壞，再加上過度采挖，致使其野生資源儲藏量難以滿足市場需求。為此，選擇適生地區對風輪菜開展野生撫育及人工栽培是當前切實可行的辦法。筆者依據收集所得的風輪菜分布數據及相關環境變量，采用最大熵（MaxEnt）模型和ArcGIS軟件對其潛在的適宜生長區進行預測，以期為風輪菜的可持續開發利用提供參考。

1 資料與方法

1.1 數據來源

收集中國數字植物標本館（https://www.cvh.ac.cn/）、中國自然保護區標本資源共享平臺（http://www.papc.cn/）、全球生物多樣性信息網絡（https://www.gbif.org/），以及筆者參與的全國第四次中藥資源普查結果中風輪菜的分布數據，共得到4009條相關信息，除去不準確、相鄰及重復數據，最終獲得451條，具體的地理分布情況見圖1。對獲取的地理分布信息按照MaxEnt3.3.3軟件要求，整理成植物名、經度、緯度格式的三列表，并保存為.csv文件備用。

圖1 全國風輪菜樣點分布

1.2 環境因子

環境因子數據來源于中藥資源空間信息網格數據庫（http://www.tcm-resources.com/），共包含氣候、土壤、地形、植被四大類55個變量氣候類因子43個，由12個月的月降水量（prec1～12）、12個月的月平均溫度（tmean1～12）及19個綜合氣候類因子組成（見表1）；土壤類因子8個，分別是土壤酸堿度（pH）、土壤的陽離子交換能力（trylzjhnl）、土壤含黏土量（ntl）、土壤含沙量（hsl）、土壤有效水含量等級（tryxsfhldj）、土壤亞類（soiltype）、土壤質地分類（trzdfl）及有機碳含量（yjthl）；地形類因子3個，包括海拔（altitude）、坡度（slope）、坡向（aspect）；植被類因子1個，為植被亞類（zblx）。利用ArcMap10.7對其進行預處理，并通過conversion工具將數據轉換成ASCⅡ格式備用。

表1 影響風輪菜分布的氣候類因子

1.3 地圖數據

本文所用中國地圖國界矢量圖與中國行政區劃圖均來自國家基礎地理信息系統網站（http://nfgis.nsdi.gov.cn/），分辨率為1∶400萬。

1.4 模型構建及環境因子篩選

將風輪菜地理分布數據與選取的環境因子數據導入MaxEnt模型，并對模型參數進行設置。選取響應曲線與刀切圖對環境因子的適應度及重要性進行評價，并隨機抽取25%的數據用于測試，余下75%數據作為訓練集進行建模，設置最大迭代次數為10，Bootstrap重復運算10次，其余參數保持不變，最終得到用于評價模型精度的受試者工作特征曲線（ROC）、相關環境變量所對應的貢獻率及響應曲線、模型刀切圖的處理結果。綜合刀切圖的表達與貢獻率的大小，篩選出在風輪菜分布中起主導作用的環境因子。

1.5 適宜分布區預測

選取MaxEnt模型運算結果中的ASCⅡ格式文件，并將其導入ArcGIS軟件，疊加中國地圖，再進行相應地圖層處理后，得到風輪菜分布的概率區劃圖。依據統計學原理，將＜0.05的區域定義為非適生區，再根據值大小，將0.05≤＜0.25劃為低度適生區，0.25≤＜0.5劃為中度適生區，≥0.5劃為高度適生區。

2 結果與分析

2.1 模型準確度評價

通過MaxEnt模型多次運算，得出風輪菜生態分布模型的ROC曲線AUC=0.968，表明模型準確度較高，預測結果較為可靠。見圖2。

圖2 風輪菜生態分布模型ROC曲線

2.2 主導環境因子

依據MaxEnt模型計算結果，貢獻率＞1%的影響因子有：年均降水量、10月份降水量、6月份降水量、11月份平均溫度、4月份降水量、2月份降水量、12月份平均溫度、3月份降水量等（見表2）。其貢獻率總和為86.7%。結合刀切法的處理結果（見圖3），最終確定影響風輪菜適宜分布的主導環境因子為：年均降水量、10月份降水量、6月份降水量、11月份平均溫度與4月份降水量。具體的主導環境因子響應曲線見圖4。

圖3 風輪菜生態分布模型刀切圖

圖4 風輪菜主導環境因子響應曲線

表2 影響風輪菜分布貢獻率＞1%的環境因子

2.3 適生區預測

ArcGIS軟件加載MaxEnt模型運算結果后顯示，風輪菜在我國的適生區較廣，東西和南北跨度均較大。

其中，高度適生區主要分為3個部分，分別是我國華東、中南與西南地區，其中華東地區包括浙江、上海、江西、江蘇南部、安徽南部及大別山區、福建北部、臺灣山區及臺北，中南地區包括湖南、湖北西部、廣東及廣西北部，西南地區涉及貴州、重慶南部、云南、四川、西藏山區。代表山脈有云南五蓮峰、無量山、高黎貢山、怒山，四川大雪山、雀兒山，西藏唐古拉山、芒康山、伯舒拉嶺。中度適生區基本在我國南部，低度適生區主要分布在華北及東北地區。見圖5。

圖5 風輪菜適生區分布區劃

3 討論

3.1 適生區分布

據《中國植物志》載，風輪菜產自我國山東、浙江、江蘇、安徽、江西、福建、臺灣、湖南、湖北、廣東、廣西及云南東北部，與模型預測結果基本一致。但通過模型預測，風輪菜在河南及華北地區也能生長。《救荒本草》記載風輪菜“生密縣田野中”，經考證，密縣即今河南新密市，表明該地較早時期便有風輪菜分布。王瑞祥等在山西省靈石縣、鄉寧縣等地發現風輪菜分布，郭建剛等通過調查明確河北省存在大量的風輪菜分布。以上情況為河南與華北地區存在風輪菜的分布提供了有力證明，再考慮到本研究模型預測結果的精準度較高，因而可為當前風輪菜的產地補充提供參考。值得注意的是，本模型的計算結果是基于最理想狀態預測風輪菜可能分布的最大范圍，且排除非生物因素對分布的影響，故存在一定的局限性。

3.2 主導環境因子組成

根據環境因子的貢獻率與刀切圖，本研究確定影響風輪菜分布的主導環境因子為年均降水量、10月份降水量、6月份降水量、11月份平均溫度、4月份降水量。其中，降水量因子貢獻率占56.6%，表明降水對風輪菜的生長起決定作用。再對主導環境因子的響應曲線進行分析，發現當年均降水量達500 mm時，風輪菜的存活率達到峰值。由風輪菜適生區劃圖可知，其適生區的氣候類型有熱帶季風氣候、亞熱帶季風氣候、溫帶季風氣候與高原高山氣候。季風氣候的明顯特征是年均降水量多，高原高山氣候的特征是在一定高度內，濕度大、多云霧、降水多，這都能滿足風輪菜在生長過程中對水分的需求。此外，相關研究表明，植物在花果形成過程中，對體內水分的依賴會增強，不當的干旱缺水會破壞植物體內正常的運行機制。花果期在5－10月的風輪菜在獲得充足水分供給后，自身的生長發育便得到了保證。其次，風輪菜在每年11月份左右會進入休眠期，但氣溫過低會阻礙這一進程，因而11月份平均溫度不能過低。最后，到來年4月份環境良好時，風輪菜又開始新一輪的生長發育。

3.3 栽培種植建議

盡管風輪菜的分布跨度較大，對土壤要求不高，但在野外環境下宜選擇向陽、排水良好的肥沃土或挑選具有一定坡度且通風性良好的針葉林、闊葉林地帶進行栽培。接著便可于每年3－5月或10－12月利用種子繁殖法、扦插法、分株繁殖法進行種植。

4 結語

本文從當前中藥野生資源稀缺，部分野生藥用植物的生長環境遭到破壞的現狀出發，探究風輪菜在我國的適宜生長區，并對影響其生長的主要環境因子進行分析，以期為風輪菜的野生撫育與生態環境保護提供參考依據，從而促進我國中藥資源的可持續利用，推動中藥產業的進一步發展。