基于MaxEnt模型與ArcGIS的狗脊貫眾潛在分布研究

楊明霞 ，秦委 ，張虹 ， ，萬柄麟 ，李雯岐 ，劉守金，

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

狗脊貫眾為烏毛蕨科植物狗脊蕨Woodwardiajaponica（L.f.）Smith或單芽狗脊蕨Woodwardia unigemmata（Makino）Nakai的干燥根莖，具有清熱解毒、散瘀止血、殺蟲功效[1]。《神農本草經》列為中品。狗脊蕨根狀莖富含淀粉，可釀酒，亦可作土農藥，防治蚜蟲及紅蜘蛛，具有較大的生產價值[2]。

MaxEnt模型可利用較少的數據，運用受試者工作特征（ROC）曲線檢驗預測結果，進行較準確的分析，操作簡便、可靠性高，可以獲得較好的預測結果，且已有很多中藥材運用此模型進行潛在分布預測[3-4]。氣候是影響植物地理分布的關鍵因素，全球氣候變暖導致的多變氣候對植物生長環境造成嚴重影響，加之我國城市化加速及中藥產業旺盛，導致狗脊貫眾野生資源難以滿足市場需求。為此，筆者通過最大熵（MaxEnt）模型與ArcGIS結合進行適生區預測，為狗脊貫眾野生資源的可持續利用提供依據。

1 資料及方法

1.1 數據來源

1.1.1 樣點

通過中國數字植物標本館（http://www.cvh.ac.cn/）收集所有狗脊蕨的樣點信息，剔除無詳細經緯度或地名記錄者，共獲得180個樣點，經校對，刪除重復、相鄰記錄，最終選擇165個有效樣點進行建模（見圖1），將經度、緯度、物種信息存入Excel2016中，轉為.csv格式保存。本文所用1∶400萬分辨率中國地圖及中國行政區劃圖均下載于國家地理信息系統（http://nfgis.nsdi.gov.cn/）。

圖1 狗脊蕨樣點分布

1.1.2 生態因子

從中藥資源空間信息網格數據庫（http://www.tcm-resources.com/）下載相關數據，共53個生態因子，涵蓋氣候、地形、土壤、植被4種類型。其中氣候類型數據包括1～12月降水量和平均溫度，以及19個綜合氣候因子（見表1）；3個地形類型數據為海拔、坡度、坡向；6個土壤類型數據為土壤陽離子交換能力、土壤含沙量、土壤含黏土量、土壤有效水含量等級、土壤亞類及有機碳含量；另有1個植被類型數據。所有因子通過conversion工具轉化成ASCⅡ格式。將數據導入ArcGIS10.2。

表1 氣候類型數據

1.2 模型構建與準確性評價

將165個樣點分布信息及53個生態因子數據導入MaxEnt模型進行迭代運算，隨機選取25%分布點作為測試集，75%為訓練集，設置最大迭代次數為103，Bootstrap重復運算10次。通過繪制響應曲線評價生態因子適生范圍，以ROC曲線及曲線下面積（AUC）評價模型精度。以刀切法（Jack-knife）檢驗生態因子權重。使用MaxEnt3.3.3軟件進行模型運算，ArcMap10.7繪圖。AUC取值范圍為0～1.0，AUC＜0.6為失敗，0.6≤AUC＜0.8為一般，0.8≤AUC＜0.9為良好，0.9≤AUC＜1.0為優秀，數值越接近1.0表明模型越準確。

1.3 潛在分布區域劃分

利用軟件ArcGIS10.2，將MaxEnt模型運算結果以ASCⅡ格式導入，與中國地圖進行疊加，得到狗脊適生區分布圖。對狗脊蕨的潛在地理分布區域進行適生等級劃分，根據P值將狗脊蕨潛在分布預測區分為4個等級：P＜0.05為不適生區，0.05≤P＜0.25為低適生區，0.25≤P＜0.5為較適生區，P≥0.5為高適生區。

2 結果與分析

2.1 預測精度

精度由ROC曲線及AUC進行評價，ROC曲線由MaxEnt自帶函數對訓練集進行10次模擬后取均值獲得，AUC=0.989，說明MaxEnt模型預測結果達到優秀，可靠性和準確性比較高。見圖2。

圖2 狗脊蕨生態分布模型ROC曲線

2.2 潛在分布區及其適生區

利用ArcGIS統計分析工具和MaxEnt模型結果，發現狗脊潛在分布區及其適生區面積主要分布在秦嶺以南、長江中上游地段，集中在重慶、貴州、廣西、湖南；另外，長江中下游及江南丘陵也有少量分布（見圖3）。與《中國植物志》[2]所載一致。氣候類型以亞熱帶季風氣候為主，其特點是夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，降水充沛，植被主要表現為由常綠闊葉林帶逐步過渡為落葉闊葉林帶，狗脊蕨多生于常綠闊葉林林下、林緣及空氣濕潤地區的次生灌叢中。

圖3 狗脊蕨適生分布區劃

2.3 主導生態因子特征

通過計算狗脊蕨適生區中不同生態因子所占比例，可確定其影響的貢獻率。結合表2和圖4可知，5月降水量（40.6%）、最干季降水量（7.2%）、11月降水量（7.2%）、海拔（5.4%）、10月降水量（5.2%）對狗脊蕨適生影響較大，貢獻率≥2%的生態因子累計貢獻率為77.7%，其中降水量累計貢獻率超過70%，溫度的貢獻率僅為2.3%，海拔占5.4%，由此推測狗脊蕨的生長對土壤水分和空氣濕度要求較高，而對溫度等要求較低。5月降水量的貢獻率排在第一位，顯著高于其他變量，而溫度季節性變化的標準差、海拔等變量影響較小。主導環境因子響應曲線見圖5。

表2 影響狗脊蕨分布貢獻率≥2%的生態因子

圖4 狗脊蕨分布預測模型刀切圖

圖5 狗脊蕨主導生態因子響應曲線

3 討論

基于狗脊蕨地理分布信息及生態因子的研究，利用MaxEnt模型與ArcGIS預測其在中國境內的生態適生性分布區。研究表明，5月降水量是影響狗脊蕨分布最主要的生態因子。由圖5可知，當5月降水量＜10 mm時，狗脊蕨幾乎無法生長；當降水量＞10 mm，狗脊蕨分布開始急劇上升；15 mm時達到峰值，此時最有利于狗脊蕨生長。由此可見，5月降水量直接影響狗脊蕨的生長情況。10月、11月、最干季降水量＞5 mm時，狗脊蕨有生長趨勢，10月降水量＞12.5 mm、11月降水量＞8 mm、最干季降水量＞20 mm時，狗脊蕨生長趨于穩定。狗脊蕨在海拔300～2 000 m均有分布，但隨著海拔升高，分布逐漸減少。模擬時影響最大的生態因子是降水量，與本研究結論相符。

狗脊蕨多生于山谷溝旁或林下陰濕處，喜陰涼濕潤的酸性土壤。鑒于生長特性及生態因子的影響，狗脊蕨栽培地需保證陰濕環境及土壤pH值，其他條件要求不高。一般于春、秋季進行，5～6月最好，因狗脊蕨有分株法繁殖和孢子繁殖，梅雨季節空氣濕度大，生長恢復快。因其根系生長旺盛，繁殖時應保證土層質疏松、透氣，即可正常生長。

研究顯示，狗脊蕨對降水量的適生性范圍較大，野生環境下的生長地形以秦嶺以南為主。秦嶺山地對氣流運行有明顯阻滯作用，夏季使濕潤的海洋氣流不易深入西北，導致北方氣候干燥；冬季阻滯寒潮南侵，使漢中盆地、四川盆地免受冷空氣侵襲。這種氣候特點可保證秦嶺以南河流不凍，植被以常綠闊葉林為主，土壤多呈酸性。與《中國植物志》[2]所描述的狗脊蕨生長在酸性土壤環境相一致。

由于本研究采集狗脊蕨的樣點信息來自中國數字植物標本館，大部分信息更新不及時，樣點采集地記載模糊，存在一定的數據偏差。最終被用來建模的信息遠少于采集樣點記錄的信息，對建模的準確性產生一定影響，因此，本研究在某些方面存在瑕疵。

本研究利用MaxEnt模型和ArcGIS軟件確定了影響狗脊蕨生長的生態因子，模擬并劃分其潛在適生區。預測結果經ROC曲線顯示AUC=0.989，表明MaxEnt模型預測的狗脊蕨生態適生性分布區可信度較高，可為狗脊蕨的資源分布及適生環境提供可靠數據，有助于狗脊蕨的野生撫育及人工種植參考，對其可持續利用具有重要指導意義。