福建金線蓮的環境因子分析及生境適宜性評價

林協全,王寧,汪其雙,陳春錦,劉錦航,鄒雙全,鄒小興

福建金線蓮的環境因子分析及生境適宜性評價

林協全,王寧,汪其雙,陳春錦,劉錦航,鄒雙全,鄒小興*

福建農林大學林學院;自然生物資源保育利用福建省高校工程研究中心, 福建 福州 350002

利用最大熵模型(MaxEnt)和地理信息系統（ArcGIS）技術，結合金線蓮的地理空間分部信息，建立生態位模型和空間優化模型，研究金線蓮的適宜生境及在福建省的生態適宜性區劃，為金線蓮種植基地的合理規劃提供科學依據。結果表明，年平均氣溫（8.8%）、熱月平均最高溫（5.7%）、冷月平均最低溫（6.1%）、年平均風速（6.2%）、降水年較差（6.7%）、年平均相對濕度（5.8%）、年最小相對濕度（8.7%）、冷月平均相對濕度（9.2%）、年日照時數（10.4%）、熱月日照時數（10%）、冷月日照時數（12.7%）等11個環境因子為影響金線蓮生境適宜性區域分布的主要環境因子；南平市武夷山市、寧德市柘榮縣等地區是金線蓮生長的最適宜分布區，面積約占福建省總面積的1.57 %，適宜區和次適宜區面積共占福建省總面積約83.02%，主要位于福建省的西北部、中部地區。因此，福建省多處地區均適合發展林下金線蓮種植產業。

金線蓮; 藥用植物; 適宜性評價

金線蓮（（Wall.）Lindl.）為蘭科開唇蘭屬多年生草本植物，是我國民間藥食同源性的珍稀藥用植物。金線蓮藥用價值非常高，素有“藥王”、“金草”的美稱[1]。其味甘微苦，性平微寒，具有清熱解毒、鎮痛止咳等功效，可用于治療高血壓、糖尿病、心臟病、肺炎、急慢性肝炎、腎炎等癥[2]。金線蓮對環境條件要求苛刻，繁殖率低，自然生長慢，隨著市場需求不斷增加，加上自然環境的惡化和人為的無休止的采挖，野生金線蓮已瀕臨滅絕[3]。福建省的金線蓮人工栽培技術較為成熟，金線蓮產業正在不斷擴大中，己經成為福建省的特色中草藥產業之一。然而，當前人工栽培金線蓮存在種源混雜、品質參差不齊、存活率和保存率不高等多種弊端，主要在于對金線蓮生物學特性與環境因子之間關系缺乏了解[4]，特別是對金線蓮的栽培環境的選擇較為隨意[5]。因此，需對金線蓮的生物學進行研究，探明影響金線蓮適宜性分布的關鍵環境因子，劃分金線蓮的生長適宜區，為福建省藥材優質生產基地的建立以及金線蓮地域產業的擴增提供科學依據。

目前，MaxEnt模型是最常用的生態位模型之一，可以準確預測出物種的潛在適宜區及分布情況[6,7]。其數學基礎簡單而清晰，預測結果可靠、預算結果穩定[8,9]，在主導因子篩選、物種現實生境模擬和環境因子對物種生境影響的定量描述方面都具有優勢[10]，是被公認為有效性最高的模型[11]。目前已有研究者利用MaxEnt模型和ArcGIS技術對瀕危物種、園林植物與藥用植物的保育利用提供科學方法[12-14]。

因此，本研究在野生資源實地調查的基礎上，基于金線蓮地理分布與生態因子數據，利用MaxEnt模型計算金線蓮的生境適宜度，獲得金線蓮在福建省的生境適宜性分布圖，并結合地理信息系統技術（GIS）對福建省金線蓮產地的生態適宜性進行區劃研究，為福建省金線蓮的人工栽培和藥材生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

1.1.1 金線蓮數據金線蓮分布數據來源于外業調查、中國國家標本資源平臺（NSII，http://www.nsii.org.cn/）、中國數字植物標本館（CVH http://www.cvh.ac.cn)以及中國知網文獻（https://www.cnki.net/）獲取，去除重復記錄，最終獲得45個樣點、分布記錄135條；采樣點經緯度數據2018-2020年開展金線蓮資源調查，利用手持GPS定位系統，實時定位，最后將數據按照MaxEnt要求將經緯度整理成.csv格式備用。

圖 1 福建金線蓮的地理分布示意圖

1.1.2 生態環境數據本研究選取的生態環境數據源主要來自國家氣象科學數據中心的氣象觀測數據，共收集31個氣象臺站的日平均數據，時間跨度為1990-2018年，同時采用克里格法對每個氣候因子進行插值，生成空間分辨率1 km的柵格圖層。土壤屬性數據是通過世界土壤數據庫（HWSD）獲取。其空間分辨率為1 km，投影坐標為WGS1984，采用ArcGISl0.2軟件提取。

1.2 方法

1.2.1 Maxent模型參數設置屬于生態位模型中的關聯模型，其數學基礎簡單而清晰，無論連續型或分類型的環境變量都可以應用于此模型，同時在主導因子篩選、物種現實生境模擬和環境因子對物種生境影響的定量描述方面都具有優勢[10]。在環境參數設置中開啟刀切法(Jackknife)來評價各生態因子的權重，并將金線蓮的分布位置信息和生態因子數據導入Maxent模型，在對模型參數進行設定時，選取所有樣點分布數據中的75%作為訓練數據集，剩余25%的樣點分布數據作為隨機測試數據集，同時設定500迭代次數來估算每個特征在訓練數據中的分布，對模型進行隨機測試。

1.2.2 模型預測精度評估采用受試者工作特征曲線( Receiver operating characteristic curve，ROC)和曲線下面積(AUC)的大小作為模型預測準確度的衡量指標，其取值范圍為0～1，值越大表示模型判斷力越強[15]。AUC值在0.5～0.6為失敗，0.6～0.7為較差，0.7～0.8為一般，0.8～0.9為好，0.9～1.0為非常好[16]。

1.2.3 主導環境因子選擇合理的變量個數與類型可減少弱相關因子的干擾，提高模型的評價效果，本研究根據前人的研究結果以及金線蓮的生長特性，選取14個氣候因子、2個地形因子以及2個土壤因子等共計18個環境因子（見表1）。

表 1 環境因子參數

2 結果與分析

2.1 模型預測精度評價

本研究選取10次預測結果中AUC值最大的一組作為最后預測結果，受試者工作特征（ROC）評價結果見圖2，橫坐標的1-Specificity (特異性)為假陽性率，縱坐標的1-Omission(漏報率)為真陽性率，藍色線條為檢驗集的ROC曲線[17]，ROC曲線下面積測試集的AUC為0.811，表明Maxent模型對福建金線蓮生境分布區的預測效果較好，可信度較高。

圖 2 受試者工作特征(ROC) 曲線

2.2 金線蓮生態因子適宜性分析在Maxent模型運算中，刀切法可以用來反映不同環境因子在影響金線蓮生長適宜度中所占的權重[18]。由表3和圖3可知：年平均氣溫、熱月平均最高溫、冷月平均最低溫、年平均風速、降水年較差、年平均相對濕度、年最小相對濕度、冷月平均相對濕度、年日照時數、熱月日照時數、冷月日照時數這11個環境因子對金線蓮的貢獻率達90.3%，因此選擇這11個環境因子進行分析。

圖 3 金線蓮生境因子刀切圖

bio1:年平均氣溫;bio2:氣溫年較差;bio3:熱月平均最高溫;bio4: 冷月平均最低溫；bio5:平均年降水量；bio6:年平均風速；bio7:降水年較差；bio8:年平均相對濕度；bio9:年最小相對濕度；bio10:熱月平均相對濕度；bio11:冷月平均相對濕度；bio12:年日照時數；bio13:熱月日照時數；bio14:冷月日照時數；bio15:海拔；bio16:坡度；bio17:土壤有機質；bio18:pH值

表 2 生態因子貢獻率

由圖4可知，金線蓮適宜性分布區域受到氣候、土壤、海拔等影響。金線蓮生境適應性分布區域受氣溫、風速、空氣濕度、日照時數等因素的影響，其中年平均溫度（B1）在17.5～20 ℃，熱月平均最高溫（B3）在30～34 ℃，冷月平均最低溫（B4）在4～6.5 ℃，年平均風速（B6）在1.0～1.2 m/s，降水年較差（B7）在625～665 mm，年平均相對濕度（B8）在76.5～80%，年最小相對濕度（B9）在52.6～58.8%，冷月平均相對濕度（B11）在54.3～57.5%，年日照時數（B12）在1550～1660 h，熱月日照時數（B13）在204～224 h，冷月日照時數（B14）在112～155 h區間范圍內時，金線蓮出現概率逐漸增加。而對于年平均氣溫，金線蓮適宜性溫度變化幅度不大，這是因為在全省范圍內，年均溫差異較小。

圖 4 福建金線蓮生境適宜性環境因子響應曲線

2.3 福建金線蓮的適宜生境區劃分

根據金線蓮的生物學和生態學特性，并結合前人對藥用植物區劃研究結果[19-21]，采用生態相似度劃分出不同等級分布區域，共劃分出5個等級。即不適宜區[0,0.10]、次適宜區[0.10,0.38]，適宜區[0.38,0.77]、最適宜區[0.77,1]，在ArcGIS10.2軟件中生成金線蓮生境適宜性區劃圖（見圖5）。

圖 5 福建金線蓮生境適宜性分布圖

最適宜區（1 949.378 km2）：主要位于武夷山市、柘榮縣等部分地區，約占福建省總面積的1.57%。該區域與金線蓮原生生境較為一致，多年年均氣溫處于17.5～20 ℃，降水量較為豐富，林分郁閉度較高，且通風條件良好，適宜福建金線蓮的生長。

適宜區（50 052.16 km2）：主要位于福建省的西北部、中部地區，包括建陽市、建甌市、順昌縣、明溪縣、永安市、德化縣等，約占福建省總面積的40.50%。該地區位于福建省戴云山的兩側，海拔約500～1200 m左右，溫度適中，降水充沛，有利于金線蓮的生長與活性成分積累。

次適宜區（52 541.18 km2）：包括政和縣、松溪縣、長樂市、福清市、上杭縣、武平縣和永定縣等，約占福建省總面積的42.52%。該區域的海拔較高或者多年平均氣溫較低，且日照時數以及水分條件與原生境存在一定差距，較不適宜金線蓮的生長。

不適宜區（19 029.44 km2）：主要位于福建東南沿海，包括泉州部分地區，廈門、漳州部分地區，約占福建省總面積的15.41%。該地區的經濟較為發達，人口大量遷移，城鎮化擴展速度較快，不斷侵占金線蓮的生境。同時，該區域的年均溫較高，蒸發量較大，海拔相對較低，不利于金線蓮的生長。

3 討論與結論

MaxEnt模型優化分析表明，金線蓮在福建的最宜區范圍主要在福建省北部，包括武夷山市、柘榮縣等部分地區，適宜區為主要位于福建省的西北部、中部地區，包括建陽市、建甌市、順昌縣、明溪縣、永安市、德化縣等，與黃小霞等[22]預測范圍基本一致。本次的試驗評估的AUC>0.8，說明本次結果可信度較高，對金線蓮在福建地區金線蓮種質資源的調查與收集以及引種栽培具有指導意義。

年平均氣溫、熱月平均最高溫、冷月平均最低溫、年平均風速、降水年較差、年平均相對濕度、年最小相對濕度、冷月平均相對濕度、年日照時數、熱月日照時數、冷月日照時數等11個環境因子對金線蓮分布產生較大影響，其累計貢獻率達到了90.3%，其中冷月日照時數是限制金線蓮分布最關鍵的環境因子。光照與溫度在植物生長中起著至關重要的作用[23]，金線蓮多生于常綠闊葉林下或溝谷陰濕處，長周期的光照條件有助于金線蓮的自然生長[23]。

金線蓮在福建地域分布上呈現由西北向東南遞減的趨勢，其中武夷山市、建陽市、建甌市、柘榮縣等地區金線蓮發生概率較大，適宜金線蓮分布與生長；年平均溫度在17.5～20 ℃，降雨量≥1 700 mm和風速<2.5 m·s-1會提高金線蓮分布的概率，但是高于一定值時，金線蓮分布概率則下降。同時，在海拔300～1 300 m的區域，金線蓮分布概率隨著海拔的升高而逐漸增加，超過1 300 m，金線蓮分布概率則逐漸下降。其原因可能是金線蓮性喜溫涼、不耐寒，在海拔300～1 200 m處，林下土壤腐殖質較多、空氣相對濕度大，較利于金線蓮的生長[24]，隨著海拔的升高，溫度呈下降趨勢，進而影響金線蓮的生長[25]。

南平市的武夷山市、寧德市的柘榮縣地區等是福建金線蓮生長的最適宜分布區，其面積約占福建省總面積的1.57%，可充分利用該地區的地理與氣候優勢，對本土金線蓮進行育苗擴繁或引進外來品種，建立栽培示范區，進一步擴大生態效益與經濟效益。金線蓮廣泛分布于福建各地區，適宜區和次適宜區面積共占福建省總面積約83.02%，主要位于福建省的西北部、中部地區，包括建陽市、建甌市、順昌縣、明溪縣、永安市、德化縣，以及南平市的政和縣和松溪縣、長樂市、福清市、上杭縣、武平縣和永定縣等。因此可在該地區進行引種栽培，擴大福建地區金線蓮遺傳多樣性。

[1] 何春年,王春蘭,郭順星,等.福建金線蓮的化學成分研究[J].中國藥學雜志,2005(8):581-583

[2] 福建省中醫研究所.福建藥物志:第二冊[M].福州:福建科學技術出版社,1983

[3] 沈廷明,劉知遠,吳仲玉,等.金線蓮開發利用價值及產業化發展思路[J].海峽藥學,2016,28(8):7-11

[4] 趙會賢,黃宛禎,黃麗英.不同產地和不同環境生長的金線蓮的ISSR遺傳特性分析[J].福建醫科大學學報,2018,52(5):281-286

[5] 林曉紅,施木田,林三睦.高溫脅迫對金線蓮葉綠素熒光參數及SOD活性與電導率的影響[J].熱帶作物學報,2014,35(6):1137-1142

[6] 段義忠,王馳,王海濤,等.不同氣候條件下沙冬青屬植物在我國的潛在分布——基于生態位模型預測[J].生態學報, 2020,40(21):7668-7680

[7] 胡菀,張志勇,陳陸丹,等.末次盛冰期以來觀光木的潛在地理分布變遷[J].植物生態學報,2020,44(1):44-55

[8] 王運生,謝丙炎,萬方浩,等.ROC曲線分析在評價入侵物種分布模型中的應用[J].生物多樣性,2007(4):365-372

[9] 夏尤普·玉蘇甫,買買提明·蘇來曼,維尼拉·伊利哈爾,等.基于MaxEnt生態位模型預測對齒蘚屬(Didymodon)植物在 新疆的潛在地理分布[J].植物科學學報,2018,36(4):541-553

[10] 張海龍.基于生態位模型的傳統中藥秦艽潛在地理分布研究[D].西安:陜西師范大學,2014

[11] 張海娟,陳勇,黃烈健,等.基于生態位模型的薇甘菊在中國適生區的預測[J].農業工程學報,2011,27(S1):413-418

[12] 王鑫,任亦釗,黃琴,等.基于GIS和Maxent模型的赤水河地區瀕危植物桫欏生境適宜性評價[J].生態學報,2021,41(15):6123-6133

[13] 高雅,秦華.MaxEnt生態位模型在紅花槭引種區預測上的應用探討[J].中國園林,2018,34(4):89-93

[14] 王志威.藥用植物云南土沉香潛在適生區及其關鍵氣候影響因子[J].生態學雜志,2022,41(10):1991-1997

[15] 邵揚,葉丹,歐陽臻,等.薄荷的生境適宜性區劃及品質區劃研究[J].中國中藥雜志,2016,41(17):3169-3175

[16] Yang X, Kushwaha SPS, Saran S,. Maxent modeling for predicting the potential distribution of medicinal plant,L. in Lesser Himalayan foothills[J]. Ecological Engineering, 2013,51:83-87

[17] 王漢卿,王慶,馬玲,等.枸杞子藥材生產區劃研究[J].中國中藥雜志,2016,41(17):3127-3131

[18] 伍奧林,李敏,張壽文,等.地形因子對桃兒七鬼臼毒素含量的影響與生態適宜度研究[J].中國中藥雜志,2015,40(12):2299-2303

[19] 趙文龍,陳紅剛,林麗,等.不同基原的中藥川貝母生境適宜性分布[J].生態學雜志,2018,37(4):1037-1042

[20] 張東方,張琴,郭杰,等.基于MaxEnt模型的當歸全球生態適宜區和生態特征研究[J].生態學報,2017,37(15):5111-5120

[21] 王書越,潘少安,王明睿,等.基于MaxEnt模型評估刺五加在東北地區的空間分布[J].生態學報,2019,39(9):3277-3286

[22] 黃小霞,付鈺康,陳思明.基于生態位模型的福建沿海金線蓮適宜性研究[J].閩江學院學報,2021,42(2):81-88

[23] 羅光宇,陳超,李月靈,等.光照強度對瀕危植物長序榆光合特性的影響[J].生態學雜志,2021,40(4):980-988

[24] 卓秀媛,陳锍,陳福梓.寧德蕉城金線蓮種植氣候條件分析[J].福建熱作科技,2019,44(1):56-58

[25] 牛蓓,傅華龍,卿人韋,等.溫度對組培金線蓮生理生化影響的研究[J].四川大學學報(自然科學版),2004(4):842-844

Environmental Factor Analysis and Habitat Suitability Evaluation of（Wall.）Lindl. in Fujian Province

LIN Xie-quan, WANG Ning, WANG Qi-shuang, CHEN Chun-jin, LIU Jin-hang, ZOU Shuang-quan, ZOU Xiao-xing*

350002

Using the maximum entropy model(MaxEnt) and geographic information system (ArcGIS) technology ,combined with the geographic space division information of,the niche model and spatial optimization model are established, to explore the suitable habitat and ecological suitability zoning of clematis in Fujian Province, and provide scientific basis for the reasonable planning ofplanting base. The results showed that, 11 environmental factors, such as annual average temperature (8.8%), average maximum temperature in hot month (5.7%) and average minimum temperature in cold month (6.1%), average annual wind speed (6.2%), annual precipitation range (6.7%), annual average relative humidity (5.8%), annual minimum relative humidity (8.7%), average relative humidity in cold month (9.2%), annual sunshine hours (10.4%), sunshine hours in hot months (10%), sunshine hours in cold months (12.7%) are the main environmental factors affecting the regional distribution of; Wuyishan City of Nanping City and Zherong County of Ningde City are the most suitable areas for the growth of, accounts for about 1.57% of the total area of Fujian Province. The suitable and sub-suitable areas account for about 83.02% of the total area of Fujian Province, mainly located in the northwest and central areas of Fujian Province. Therefore, many areas in Fujian Province are suitable for the development ofplanting industry.

; Medicinal plant; suitability evaluation

[R282.2]

A

1000-2324(2023)02-0201-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.02.007

2023-03-25

2023-04-15

中央財政林業科技推廣示范項目(閩[2017]TG16號);福建農林大學科技創新專項基金項目(KHF190014);福建農林大學鄉村振興服務團隊項目(11899170128)

林協全(1998-),男,碩士研究生,主要從事藥用植物資源開發與利用. E-mail:fjlxqlxq@163.com

Author for correspondence. E-mail:zxx0299@fafu.edu.cn