基于MaxEnt 和GIS 技術的落新婦適宜性分布研究

卻丹華 戴純輝

（1.杭州市臨安區中醫院， 浙江 杭州311300； 2.杭州市上城區紫陽街道春江花月社區衛生服務站， 浙江杭州310008）

落新婦Astilbe chinensis（Maxim.）Franch.Et.Sav.是虎耳草科落新婦屬植物［1?3］。落新婦具有活血散瘀、解毒止痛功效，用于跌打損傷、風濕關節等疼痛癥狀的鎮痛治療［4?6］。落新婦具有抗腫瘤、抗 炎、鎮 痛、抑菌等作用［7?8］。落新婦的野生資源有限，在日益增長的市場需求下，人工栽培成了落新婦藥材的主要來源［9］。目前關于其全國地理分布格局的研究報告罕見。因此，了解落新婦資源的總體情況，準確掌握落新婦生長的生態影響因素及生長適宜性分布區域，對促進人工栽培落新婦具有重要意義。目前，在物種的潛在分布、物種保護和資源儲量估算研究方面，應用最廣泛的為最大熵模型（MaxEnt）和地理信息系統技術（GIS）的聯合技術［10?12］。在實地調查和文獻檢索的基礎上，運用MaxEnt 模型和地理信息系統技術，分析、探討落新婦生長的生態因子和起源特征，對落新婦在全國的生長適宜性分布區域進行預測及區劃，為落新婦的野生撫育、種植區劃和規范化栽培推廣提供參考。

1 材料

MaxEnt 3.4.4 生態位模型軟件；ArcGIS 10.8 軟件（美國ESRI 公司）。從第四次中藥資源普查實地調查、文獻資料、中國植物圖像庫（http：／／ppbc.iplant.cn／）和國家植物標本資源庫（http：／／www.cvh.ac.cn／）中收集落新婦相關信息共1 320份，采用具有精確經緯度、明確地址和詳細采集坐標的標本信息，篩選整理獲得331 份標本信息用于落新婦適宜性分布研究［13］。

根據已知的適合落新婦生長的環境條件，選擇7 個生態因子進行研究，包括生物氣候、溫度、降水、地形、土壤、土地利用類型和植被覆蓋度。19 個生物氣候因子、12個月平均溫度因子和12 個月降水因子均來自世界氣候數據庫（http：／／www.worldclim.org／）［14］。地形包括海拔、坡度和坡向，是從數字高程模型中提取的，數據來自美國地質調查局。土壤、土地利用類型和植被覆蓋數據分別取自世界土壤數據庫（http：／／webarchive.iiasa.ac.at／）和世界地圖數據庫（https：／／globalmaps.github.io／）。

2 方法

2.1 模型構建與運算 將采集的331 個落新婦樣品的地理信息和生態因子信息輸入MaxEnt，并根據需要設置參數［15］。隨機選擇其中75%樣本數據作為訓練集，其余25%用于模型驗證和測試，最大迭代次數設置為1×106，其余為默認設置。多次運行程序，消除貢獻率為0 的生態因子，篩選出影響落新婦生長的生態因子，各生態因子貢獻率用刀切法（Jackknife）定量［16］，貢獻率最大的用于二級最大熵模型計算。

2.2 模型精確性驗證 模型計算結果的準確性采用ROC曲線（受試者工作曲線）進行評估和驗證［17］。

2.3 適宜性區域劃分標準 把MaxEnt 軟件迭代運行得到的最終結果輸入ArcGIS 軟件，將其轉換為柵格數據，并從模型運算結果中提取落新婦在中國的適宜性分布區域［18］。根據不同生態環境對落新婦生長的影響，確定各區域落新婦的生長適宜性指數，用P 表示。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值（μ＋σ）、平均值與標準差相減值（μ?σ）。按照正態分布理論與相關報道，將全國落新婦適宜性分布區域劃分3 個等級，不適宜區［P＜（μ－σ）］；次適宜區［（μ?σ）≤P＜μ］；適宜區［（μ－σ）≤P＜（μ＋σ）］。

3 結果

3.1 模型精度評價 ROC 曲線分析法檢驗得到的平均訓練集精度，結果表明AUC 值為0.984，驗證數據的AUC 值為0.984，均達到高預測精度，表明運算準確，結果可信，見圖1。

圖1 落新婦潛在分布預測ROC 曲線

3.2 落新婦適宜生長條件分析 通過對主要生態因子貢獻率和ROC 曲線的分析（圖2），可以看出落新婦的生長主要受降水、溫度和海拔的影響，而坡度的貢獻率相對較低。落新婦在年降水量500～2 000 mm 的地區可以生長。落新婦萌發后的快速生長期對土壤水分有一定的需求，月降水量至少應保持在50 mm 以上，充足的水分可以促進根系的生長和發育。從開花期開始，月降雨量為20 mm，但在開花期之后，如果遇到連續降雨，落新婦的根可能會被漚爛，影響落新婦的生長。因此，不適合在低洼和澇漬地區種植。溫度對落新婦的生長也有一定的影響，可以在－15.0～35.0 ℃的環境中存活和生長。

圖2 落新婦生態因子ROC 曲線

落新婦是一種耐寒、喜涼爽的植物，適合生長在海拔3 000 m 以下的涼爽地區，對土壤質地要求不高。土地利用類型和植被覆蓋度對落新婦的生長也有輕微的影響，主要生長在山谷和草地、林緣、灌木和丘陵草甸。在人工栽培中，應考慮生長環境的溫度和土壤濕度，并應注意土地的排水條件，選擇一個有一定坡度的地方栽培。

3.3 主導環境因子權重分析 利用刀切法對環境因子進行分析，見圖3。其環境因子貢獻值得分大小的順序依次是tmean10＞bio12 ＞bio18 ＞prec11 ＞prec9 ＞prec8 ＞bio13 ＞bio7 ＞tmean8＞bio4。由于相關性較強的環境因子容易過度擬合，需要移除，移除后結果 為 tmean10（21.8%）、bio12（17.9%）、bio18（15.2%）、prec11（15.0%），這4 個環境因子的總累積貢獻率已達到69.9%，說明最干季度平均溫度、最干季度平均降水量、年均降水量、最暖季節降水量，這4 個環境因子對最大落新婦適宜分布影響。

3.4 主要生態因子貢獻率 利用7 大類55 個生態因子來研究落新婦的適宜性分布，不同因子對其有不同的影響程度。根據Jackknife 定量計算結果，落新婦主要生態因子貢獻率見表1。影響落新婦生長的貢獻率最大因子為10 月平均溫度（15.4%），其次為最暖季節降水量（12.4%），主要生態因子貢獻率達到93.5%。充足的降水是落新婦生長的必要條件，溫度影響落新婦的生長，海拔也是限定落新婦生長區域的重要因素，但落新婦生長對土壤的要求不高。

表1 生態因子貢獻率（%）

3.5 落新婦適宜性分布區劃 依據MaxEnt 和ArcGIS 軟件相結合技術，最終得到落新婦在中國的適生區域分布預測圖（圖3），計算軟件加載的各地各適生區面積（表2）。提取采樣點生長適宜性指數，按照適宜性指數將分布區劃分為3 個區域：非適宜區、次適宜區和適宜區，其適生指數取值范圍分別為P＜0.157、0.157≤P＜0.414、P≥0.414。落新婦在我國陜西、湖南、貴州大部分、四川東南部、河南北部、遼寧南部等部分地區具有潛在的高適生長性。

圖3 環境因子刀切法分析

由表2 可知，全國適宜落新婦生長的范圍面積為1 620 501.88 km2，主要分布在我國的東部、中部和東北部地區。陜西、湖南、四川、貴州等省份大部分區域，以及浙江中北部、華中和華南等多個省份，黑龍江、吉林、遼寧東北三省也有一定范圍的分布，其中12 個省份的適生區面積在10 000 km2以上。

表2 落新婦適宜性區域面積統計（km2）

4 討論

本研究結合GIS 技術，運用MaxEnt 模型研究落新婦在全國范圍的適宜性分布，模型的AUC 大于0.9，可信度高。篩選出對模擬結果影響較大的10 個生態因子，累積貢獻率達76.2%。落新婦適應環境能力較強，耐寒，適生于海拔3 000 m以下的山谷﹑灌叢間和林緣草地；對土壤質地要求不高；適宜生長的月降水量為50～200 mm；適宜的生長溫度為－15.0～35.0 ℃。溫度的變化會影響落新婦的物候期，尤其是發芽、葉片生長和隨后的開花結果，大范圍的溫度變化會阻礙它的生長和發育，從12 月到次年1月，落新婦的落葉進入休眠期，根莖從頂部長出芽鞘，低溫會滯后落新婦營養器官的分化和胚芽的形成，冬季高溫可保證落新婦的安全越冬和芽分化。10 月份較高的平均降雨量保證了落新婦冬芽分化的安全性，這表明年降水量和最暖季降水量是影響落新婦分布的重要環境因子。從8 月到11月，落新婦處于快速生長期，與其他月份相比降雨量相對較高，這直接影響其地下根莖的生長和植物的發育。因此落新婦主要集中在中國西南、中部和南部。年溫差小，年降雨量大，最暖季節降雨量高，符合落新婦喜陰、寒、濕的特點。

根據模擬模型計算落新婦適宜性指數，按照適宜性指數將落新婦生長適宜性區域劃分為非適宜區、次適宜區和適宜區3 個等級。全國適宜落新婦生長的區域面積共計1 620 501.88 km2，主要集中分布于湖南、四川、陜西、貴州、浙江等省。在核心區分布圖中，預測結果顯示以陜西為中心的周邊具有較好的分布區域，主要為亞熱帶氣候，具有春暖干燥、夏熱多雨、秋涼濕潤、冬寒干燥等特點，年平均氣溫為14～16 ℃，年平均降水量為300～1 200 mm。