基于MaxEnt與ArcGIS的中國角茴香生態適宜性區劃研究

陳紫葳 杜燕 郭靜霞 楊美青

基金項目：內蒙古自治區自然科學基金項目（2020MS08005）

第一作者簡介：陳紫葳（1996-），女，碩士研究生。研究方向為藥用植物適宜性區劃。

*通信作者：楊美青（1985-），女，博士，副教授。研究方向為中藥資源。

摘? 要：利用最大熵模型（MaxEnt）和地理信息系統（ArcGIS），結合相關生態因子，對角茴香的生態適宜性范圍進行預測和分析。收集角茴香在中國的205個經緯度信息，結合19項生態因子應用MaxEnt模型和ArcGIS對角茴香的潛在適生分布區進行分析。影響角茴香潛在分布的主要生態因子包括，最冷季節降水量、最冷季節平均溫度、最暖季節降水量、晝夜溫差與年溫差比值等。當前氣候條件下，角茴香高度適宜生長的區域主要集中在北京、河北北部、山西、河南、陜西和內蒙古南部等，面積約為77.4×104 km2；未來氣候條件下，適生區將向東北部和西部擴張。該研究預測的結果與角茴香實際分布區域相符，為角茴香的可持續利用和角茴香的引種栽培提供重要的理論依據。

關鍵詞：藥用植物；角茴香；生態適宜性；最大熵模型；地理信息系統

中圖分類號：Q948? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-9902（2024）01-0014-05

Abstract： To predict and analyze the ecological suitability range of Hypecoum erectum by using maximum entropy model （MaxEnt） and geographic information system （ArcGIS） combined with relevant ecological factors. The 205 messages about the longitudes and latitudes of Hypecoum erectum in China were collected， and the potential suitable distribution area of Hypecoum erectum was analyzed by MaxEnt model and ArcGIS combined with 19 ecological factors. The main ecological factors affecting the potential distribution of Hypecoum erectum were precipitation in the coldest season， average temperature in the coldest season， precipitation in the warmest season， and the ratio of temperature difference between day and night to annual temperature difference. In the current climatic conditions， the highly suitable growth areas of Hypecoum erectum are mainly concentrated in Beijing， northern Hebei， Shanxi， Henan， Shaanxi， southern Inner Mongolia and other places， the area is about 77.4×104 km2; in the future climatic conditions， the suitable growth area will expand to the northeast and west. The predicted results of this study are consistent with the actual distribution area of Hypecoum erectum， which provides an important theoretical basis for the sustainable utilization and introduction and cultivation of Hypecoum erectum.

Keywords： medicinal plants; Hypecoum erectum; ecological suitability; maximum entropy model; geographic information system

角茴香（Hypecoum erectum L.）為罌粟科角茴香屬 （Hypecoum L.）早春短命植物，別名咽喉草、山黃連或野茴香等，蒙藥名為嘎倫－塔巴克，藏藥名為巴爾哇打[1]。角茴香分布于我國的山西、內蒙古、陜西、新疆、四川西部、云南西北部和西藏等，蒙古、俄羅斯和西伯利亞等國也均有分布，主要生于海拔400～1 200（-4 500） m的山坡草地或河邊砂地，花果期為5—8月[2]。角茴香多以植物的干燥根或全草入藥，具有抗炎、抗菌、抗病毒、保肝和鎮痛等藥理作用[3]。實地調查表明，角茴香在我國呼和浩特市、包頭市及鄂爾多斯市廣泛分布；由于角茴香具有早期返青和開花特點，包頭市將角茴香引種作為一種綠化植物，與其他花卉共同進行栽培，提高綠化的效果，具有較大的觀賞價值[4]。

生態位建模是一種估算物種分布和棲息地適宜性的方法，通常在易于使用的軟件中實現。這種方法利用實地調查、植物采集、文獻提取確定實際的物種分布范圍，并將ArcGIS軟件與氣候和環境變量相結合預測潛在的物種分布范圍。通過計算棲息地指數，對不同級別的棲息地適宜性進行分類，并評估不同地理區域的物種適宜性[5]。生態位模型可以通過ArcGIS軟件進行運行和分析，得出物種的適宜潛在分布區域，結果可通過ArcGIS軟件進行轉換和表達，繪制出簡潔明了的相關潛在分布區域圖[6]。最大熵模型（MaxEnt）是基于最大熵理論的一種生態模型，最大熵原理本身來自計算機科學[7]。MaxEnt廣泛用于預測藥用植物、入侵物種、瀕危物種和有經濟價值的物種的潛在分布，以及全球氣候變化對物種分布的影響等[8]。利用Maxent對藥用植物的潛在分布區域進行預測，并為這些物種提供相應的保護措施已成為保護生物學領域的研究熱點[9]。

本研究基于角茴香藥用植物的資源分布和生態因子數據，利用MaxEnt模型和ArcGIS軟件，對當前和未來2個時期（2021—2040年、2041—2060年）中國角茴香潛在適宜區域的分布進行了系統研究，分析了適宜性分布與環境變量之間的關系，以及潛在適宜地點的總體演變情況，研究結果可以幫助我們更好地了解角茴香的生態特征和生長環境，從而制定出更加科學、合理的保護和利用措施。因此，本研究對于角茴香資源的可持續利用和保護具有重要的理論和實際意義。

1? 資料與方法

1.1? 角茴香樣點信息來源

通過文獻調查、《中國植物志》、中國數字植物標本館（CVH，https：//www.cvh.ac.cn/）和國家標本平臺（http：//www.nsii.org.cn/2017/home.php）收集角茴香分布數據，保存物種信息、分布產地的經緯度信息，并處理為csv格式；同時，刪去相似經度、緯度的分布信息，以最小可查行政單位為準，獲取205份角茴香樣品分布信息（圖1）。

注：該圖基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS（2023）2767號的中國標準地圖繪制，底圖無修改，圖3、圖4下同。

1.2? 生態因子獲取

本文使用數據來自于全球氣候數據庫Worldclim （https：//www.worldclim.org/），所獲取的數據為1970—2000年的氣象觀測數據，包括19個當前氣候條件下的綜合生態因子，空間分辨率為10 minutes；未來氣候數據部分使用的是2021—2040年和2041—2060年低排放情景 （ssp126）下的BCC-CSM2-MR氣候數據，空間分辨率為10 minutes。

1.3? 方法

1.3.1? MaxEnt模型參數設置

將轉換為csv格式的樣點信息導入MaxEnt模型，隨機測試率設定為15%，最大迭代次數為106次，運行次數設定為10次，生態適應度計算取10次運行的平均值，將10次運行的平均值作為生態適宜性計算的結果，同時確定響應曲線、受試者工作特征ROC曲線和刀切法（Jackknife）。響應曲線用于評估生態因子的適宜度生長區域，ROC曲線和曲線下面積（AUC）值用于評估模型的準確性，刀切法（Jackknife）用于檢驗生態因子權重[10]。

1.3.2? 精確度預測

曲線下面積（AUC）用于評估預測結果的準確性。如果AUC值為0.5～0.6，則表示模型無法預測；0.6～0.7，則表示較差；0.7～0.8，則表示一般；0.8～0.9，則表示較好。如果AUC值大于0.9，則表示預測性能極佳，可以準確預測物種的潛在分布范圍[11]。

1.3.3? 生態適宜性區域劃分

基于MaxEnt模型預測中國角茴香分布情況，將MaxEnt結果載入ArcGIS10.8軟件。在ArcGIS10.8軟件中將結果轉換為柵格數據并用于分析。同時，提取角茴香潛在適宜區分布圖，對得到的柵格數據進行重新分類，并根據適宜性指數的P值將角茴香的適宜性分為4類，即P<0.05為不適宜區；0.05≤P<0.25為低適宜區；0.25≤P<0.50為中適宜區；P>0.5為高適宜區[12]。

2? ?結果

2.1? 最大熵模型精確度評價

運行MaxEnt模型時生成了角茴香分布的ROC曲線（圖2），訓練數據集的AUC=0.987，測試數據集的AUC=0.986，這表明MaxEnt模型在預測角茴香潛在分布方面有效，具有很高的可靠性和準確性。

2.2? 主要生態因子篩選

通過MaxEnt模型對19個生態因子的貢獻率進行分析，研究結果表明，影響角茴香在中國潛在分布的主要生態因子依次為：最冷季節降水量（貢獻率為33%）、最冷季節平均溫度（貢獻率為31.6%）、最暖季節降水量（貢獻率為17.3%）、晝夜溫差與年溫差比值（貢獻率為3%）、年平均溫度（貢獻率為2.8%）、最干燥季節的平均溫度（貢獻率為2.2%）和降水量季節性變化方差（貢獻率為2.1%），累計貢獻率為92%。角茴香生態因子貢獻率見表1。

2.3? 生態適宜性區劃

通過最大熵模型得到的角茴香生態適宜性區劃分布圖顯示，角茴香在國內部分地區廣泛分布，顏色由淺入深分別代表非適生區、低度適生區、中度適生區和高度適生區。高適宜分布的區域主要集中在北京、河北北部、山西、河南、山東西部和南部、陜西、內蒙古南部、甘肅東部、寧夏、西藏南部和東部及四川西部，基于MaxEnt模型預測的角茴香潛在分布高度適生區面積約為77.4×104 km2。中度適宜分布的區域集中在河北東部、內蒙古東部和東南部、遼寧北部、新疆、西藏西部和東部、云南及青海南部，角茴香潛在分布中度適生區面積約為82.9×104 km2。低度適宜分布的區域集中在黑龍江、吉林、遼寧北部、內蒙古東北部、山東北部、四川部分地區、西藏部分區域和新疆西北部，低度適生區面積約為173.3×104 km2。非適宜分布的區域則主要分布在貴州、重慶、廣西、廣東、福建、浙江、江西、海南和安徽，面積約為615.7×104 km2（圖3）。

3? 未來氣候條件下角茴香的分布情況

通過從WorldClim下載的2021—2040年和2041—2060年低排放情景（ssp126）下的BCC-CSM2-MR氣候數據，將其轉換成asc格式并結合角茴香的經緯度信息加載到MaxEnt模型中，從而獲得了角茴香未來氣候變化圖。結果顯示，角茴香的生態適宜性分布區域將明顯增加，未來的適生區將向東北部和西部擴張，黑龍江南部、吉林西部、遼寧西北部、內蒙古東部及新疆西北部和南部將成為低度適宜的生長區域（圖4）。

4? 結論

利用MaxEnt與ArcGIS針對中國角茴香的生態適宜性區劃建模，研究角茴香分布情況，在適宜范圍上更具體化與精準化。本研究基于角茴香的自然分布信息及環境因子數據，利用MaxEnt模型和ArcGIS技術對中國角茴香的生態適宜區進行預測，預測結果經ROC曲線驗證，測試數據集和訓練數據集的AUC值均大于 0.9，表明利用該模型對角茴香生態適應性范圍的預測結果準確，可信度高。研究結果表明，角茴香適宜性分布結果與其野生資源分布的區域基本吻合，這些研究區域為角茴香野生撫育、人工栽培選址提供理論依據。

5? 討論

MaxEnt模型是一種在物種生態適宜性分析和區劃研究中廣泛應用的方法，其理論基礎是最大熵原理。該模型利用物種分布數據和環境數據，通過尋找物種分布規律的最大熵，對物種的潛在分布進行預測[13]。根據有關中國角茴香自然分布和19個環境因素的信息，本研究采用MaxEnt和ArcGIS相結合的方法，利用生態因子對中國角茴香的生態適宜分布區域進行分析，并得出了影響其潛在分布的關鍵因素。這些結果為理解角茴香的生態適宜區域和分布提供了重要線索。

通過Maxent模型運算結果經ArcGIS制圖，基于角茴香分布點的生態適宜度值及正態分布曲線劃分其生態適宜區，結果顯示，在19個生態因子中計算得到7個貢獻率大于2%的生態因子，分別為最冷季節降水量、最冷季節平均溫度、最暖季節降水量、晝夜溫差與年溫差比值、年平均溫度、最干燥季節的平均溫度和降水量季節性變化方差，這7個生態因子是影響角茴香潛在分布的主要生態因子；其中，最冷季節降水量被確認為是對角茴香影響最大的因子之一。角茴香是一種早春短命植物，對水分的需求較高，因此最冷季節降水量的影響與其生命周期和生活史相符合。這表明角茴香在適應寒冷和干燥的環境條件方面具有一定的耐受性[14]。此外，研究結果也與文獻報道的角茴香的已知分布區域相一致，角茴香分布在寧夏、新疆、西藏、四川、青海、海南和內蒙古等[2]。這一發現進一步驗證了建立的MaxEnt模型的可靠性和準確性。需要注意的是，本研究的結果僅基于已有數據和模型預測，尚需進一步實地調查和驗證，在預測物種適宜性分布區域時，生態因子是決定潛在地理分布的重要因素，但其他因素的影響也不能被忽視，如土壤條件、人類干擾和競爭等[15]。同時，在篩選環境變量時，可以使用MaxEnt模型多次計算生態因子數據，以減小對植物生態適宜性預測的影響[16]。在后續研究中，將進行多方面的篩選和建模，以獲得更高、更顯著的成功率。這將有助于更準確地預測物種的分布區域，并為植物生態保護和管理提供更有效的參考依據。因此，未來的研究可以繼續探索這些因素，并進一步完善角茴香的生態分布模型。

總之，在本研究中，結合使用MaxEnt和ArcGIS軟件，分析了影響角茴香的生態因子和適宜性分布區域，研究結果對于角茴香的生態保護和管理具有重要意義，可以更好地保護和利用角茴香這一重要的植物資源。

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