我國(guó)款冬生態(tài)適宜性研究

徐小瓊 ，盧雪 ，石欣怡 ，鄭海霞 ，古常軍

1.甘肅醫(yī)學(xué)院，甘肅 平?jīng)?744000； 2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000；3.平?jīng)鍪械诙嗣襻t(yī)院，甘肅 平?jīng)?744000

款冬花是菊科植物款冬Tussilago farfaraL.的干燥花蕾，味辛、性溫，歸肺經(jīng)，具有潤(rùn)肺下氣、止咳化痰功效，常用于新久咳嗽，喘咳痰多，勞嗽咳血[1]。款冬在我國(guó)主要分布于東北、華北、華東、西北地區(qū)，生長(zhǎng)于山谷濕地或林下[2-3]。款冬花化學(xué)成分主要有黃酮類、萜類及生物堿類[4-5]，具有祛痰、鎮(zhèn)咳、抗炎及抑制潰瘍等作用[6-8]。最大熵（MaxEnt）模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同物種適宜的生態(tài)區(qū)域[9-13]，地理信息系統(tǒng)（GIS）是在生態(tài)學(xué)原理和數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)物種的潛在分布區(qū)域，是常用的分析技術(shù)[14-15]。本課題組通過(guò)第四次全國(guó)中藥資源普查采樣，基于空間分析技術(shù)，利用MaxEnt模型結(jié)合SPSS23軟件對(duì)款冬的生態(tài)適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，篩選影響其生長(zhǎng)的主要生態(tài)因子，為款冬引種栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

通過(guò)第四次全國(guó)中藥資源普查和實(shí)地調(diào)查，共收集野生款冬166批，采樣過(guò)程中使用手持衛(wèi)星導(dǎo)航儀（Rino530HCx，北京佳明航電科技有限公司）獲取采樣點(diǎn)經(jīng)緯度及海拔等地理信息。

1.2 生態(tài)因子

55個(gè)生態(tài)因子數(shù)據(jù)來(lái)源于中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(kù)（http://www.tcm-resources.com/），包括土壤、氣候、植被類型和地形等，見(jiàn)表1。

表1 生態(tài)因子數(shù)據(jù)

1.3 地圖數(shù)據(jù)

中國(guó)地圖國(guó)界矢量圖與中國(guó)行政區(qū)劃圖來(lái)自國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站（http://nfgis.nsdi.gov.cn/），分辨率為1∶400萬(wàn)。

1.4 最大熵模型構(gòu)建與評(píng)價(jià)

將款冬樣點(diǎn)信息和55個(gè)生態(tài)因子數(shù)據(jù)按要求格式導(dǎo)入MaxEnt3.3.3k軟件，隨機(jī)選取75%數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，25%數(shù)據(jù)作為測(cè)試集，設(shè)置最大迭代次數(shù)為106，其余參數(shù)為系統(tǒng)默認(rèn)。采用受試者工作特征（ROC）曲線下面積（AUC）評(píng)價(jià)模型預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度[16-18]。AUC取值在0～1，越接近1說(shuō)明模型預(yù)測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)確。AUC＜0.6，模型預(yù)測(cè)失敗；0.6≤AUC＜0.9，模型預(yù)測(cè)結(jié)果一般；AUC≥0.9，模型預(yù)測(cè)結(jié)果良好[19-20]。

1.5 適宜區(qū)劃分

將MaxEnt模型運(yùn)算結(jié)果導(dǎo)出為.csv文件，結(jié)合原始樣本信息，利用ArcGIS軟件計(jì)算生態(tài)適宜度（P）。P＜0.05區(qū)域?yàn)椴贿m宜區(qū)，0.05≤P＜0.24區(qū)域?yàn)榇芜m宜區(qū)，0.24≤P＜0.97區(qū)域?yàn)檫m宜區(qū)。將MaxEnt模型運(yùn)算結(jié)果加載到ArcGIS中，繪制款冬生態(tài)適宜性分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)

以AUC值評(píng)價(jià)模型預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度，ROC曲線訓(xùn)練集AUC=0.979，測(cè)試集AUC=0.904，均大于0.9，表明MaxEnt模型預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度較好，得到的款冬生態(tài)適宜區(qū)可信度高。ROC曲線見(jiàn)圖1。

圖1 款冬分布預(yù)測(cè)模型ROC曲線

2.2 主要生態(tài)因子選擇

對(duì)55個(gè)生態(tài)因子進(jìn)行運(yùn)算，去除貢獻(xiàn)率為0的生態(tài)因子，采用刀切法對(duì)生態(tài)因子的重要性進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終篩選出14個(gè)對(duì)款冬生長(zhǎng)影響較大的生態(tài)因子，見(jiàn)圖2。貢獻(xiàn)率前6位的生態(tài)因子分別是11月份降水量（prec11，25.4%）、3月份降水量（prec3，21.7%）、土壤類型（soiltype，17.5%）、6月份降水量（prec6，8.8%）、植被類型（zblx，6.1%）、土壤質(zhì)地分類（trzdfl，5.6%），總貢獻(xiàn)率達(dá)85.1%。通過(guò)實(shí)地調(diào)查和查閱文獻(xiàn)獲得各生態(tài)因子適宜值范圍，主要生態(tài)因子貢獻(xiàn)率及適宜值范圍見(jiàn)表2，響應(yīng)曲線見(jiàn)圖3。

圖2 款冬生態(tài)因子刀切圖

圖3 影響款冬主要生態(tài)因子響應(yīng)曲線

表2 影響款冬分布的主要生態(tài)因子貢獻(xiàn)率及適宜值范圍

2.3 生態(tài)適宜性區(qū)劃

款冬適宜分布區(qū)主要集中在我國(guó)中部及南部地區(qū)，包括云南西北部、湖北邊緣地區(qū)、陜西南部、甘肅南部、河北南部、山東中部和東部、河南北部、安徽中部、江蘇西部、江西北部、湖南東部和北部、廣西西部和南部及廣東西南部，見(jiàn)圖4、表3。

圖4 款冬生態(tài)適宜性區(qū)劃

表3 款冬適宜分布區(qū)

3 討論

本研究結(jié)果顯示，11月份降水量、3月份降水量、6月份降水量3個(gè)降水因子對(duì)款冬生長(zhǎng)貢獻(xiàn)率達(dá)55.9%?？疃~片寬大，生長(zhǎng)繁茂，在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中需要充足的水分。春季氣候干燥，3月份充足的降水量能保證款冬出苗率；從6月份開(kāi)始?xì)鉁刂饾u升高，充足的降水量有利于其茁壯成長(zhǎng)；11月份前后，選擇粗壯多花、顏色較白且沒(méi)有病蟲(chóng)害的款冬根狀莖作種秧繁殖，故11月充足降水量可保證款冬幼苗成活率。土壤類型與土壤質(zhì)地分類2個(gè)生態(tài)因子對(duì)款冬分布影響較大，總貢獻(xiàn)率達(dá)23.1%。淋溶黑鈣土及壤質(zhì)砂土土層深厚，排水良好，含腐殖質(zhì)多，營(yíng)養(yǎng)豐富，較適合款冬生長(zhǎng)。

本研究基于GIS技術(shù)，以MaxEnt模型研究款冬生態(tài)適宜性，預(yù)測(cè)結(jié)果AUC值均大于0.9，表明模型預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度高。篩選出14個(gè)對(duì)款冬生長(zhǎng)影響較大生態(tài)因子，其中11月份降水量、3月份降水量、土壤類型、6月份降水量、植被類型、土壤質(zhì)地分類累計(jì)貢獻(xiàn)率＞80%，是最主要的生態(tài)因子?？疃m宜區(qū)主要分布在云南西北部、湖北邊緣地區(qū)、陜西南部、甘肅南部、河北南部、山東中部和東部、河南北部、安徽中部、江蘇西部、江西北部、湖南東部和北部、廣西西部和南部及廣東西南部。本研究所得分布區(qū)與《中國(guó)植物志》[21]記載的款冬分布區(qū)基本吻合，研究結(jié)果可為款冬合理引種栽培提供依據(jù)。