基于MaxEnt模型的甘肅省牛蒡子生態(tài)適宜性分布研究

楊春，師立偉，王莉，魏琴芳*，焦旭升

（1.定西市經(jīng)濟(jì)作物技術(shù)推廣站，甘肅 定西 743000；2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

牛蒡子為菊科植物牛蒡（ArctiumlappaL.）的干燥成熟果實，具有疏散風(fēng)熱，宣肺透疹，解毒利咽的功效［1］?，F(xiàn)代藥理學(xué)證明牛蒡子具有抗炎、抗病毒和抗糖尿病等多種藥理作用，其有效成分的微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物具有較高的生物學(xué)活性［2］，牛蒡子提取物還具有較好的抗癌作用［3］。甘肅省轄12個地級市、2個自治州，從南向北包含多個氣候類型，地形多樣，復(fù)雜的地理和氣候環(huán)境造就了甘肅省中藥材資源的多樣性。李宗梅等［4］通過運用GIS分析的方法得出全國最適宜牛蒡子生長的區(qū)域主要包括東北地區(qū)、華南地區(qū)和四川、云南、西北部分地區(qū)。目前在中藥材引種過程中由于對中藥材特性及其適宜的種植環(huán)境缺乏了解，使得有部分中藥材引種后由于環(huán)境達(dá)不到其生長需求，導(dǎo)致生產(chǎn)的中藥材質(zhì)量不盡人意［5］，因此在研究物種分布過程中開始廣泛應(yīng)用多種生態(tài)模型，其中Maxent有較高的準(zhǔn)確度［6］，并已經(jīng)廣泛用于生態(tài)學(xué)研究［7-8］，目前關(guān)于牛蒡子大多研究其有效成分和藥理作用［9-11］以及其有效成分的提取方法［12-14］。牛蒡子在甘肅分布甚廣，屬于“十大隴藥”之一，但關(guān)于牛蒡子在甘肅省生態(tài)適宜性的研究鮮有報道，因此研究甘肅牛蒡子分布情況及其生態(tài)適宜性迫在眉睫。

本研究利用MaxEnt模型和ArcGIS相結(jié)合的方式，進(jìn)行適宜性區(qū)劃預(yù)測，尋找適宜生長區(qū)域，為牛蒡合理種植提供理論基礎(chǔ)，同時對牛蒡分布及生產(chǎn)的合理布局具有重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 樣本信息采集

結(jié)合查閱文獻(xiàn)和實地考察的方法，采用便攜式衛(wèi)星導(dǎo)航儀（Rino 530HCx型）實地定位獲取，共采集定西市包含甘肅省內(nèi)47個縣（區(qū)）牛蒡樣本信息270組，基本覆蓋甘肅省牛蒡分布的有效范圍，經(jīng)甘肅中醫(yī)藥大學(xué)晉琳教授鑒定為菊科牛蒡?qū)僦参锱］颉?/p>

圖1 甘肅省牛蒡采樣分布圖Fig.1 Sampling distribution of A.lappa in Gansu Province

1.2 環(huán)境變量

環(huán)境變量數(shù)據(jù)（氣候變量、地貌變量、土壤變量和植被類型等）來源于“中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫”。

2 方法

2.1 生態(tài)適宜區(qū)預(yù)測

由于樣本量達(dá)270份，有足夠數(shù)據(jù)進(jìn)行模型復(fù)核，MaxEnt模型中用75%的牛蒡樣本數(shù)據(jù)設(shè)定訓(xùn)練集，25%的牛蒡樣本數(shù)據(jù)設(shè)定為測試集，將牛蒡樣本信息和環(huán)境變量導(dǎo)入MaxEnt軟件，其余設(shè)置均為默認(rèn)值，程序重復(fù)運行4次，運行時每次去除貢獻(xiàn)率為0的生態(tài)因子，最終獲取貢獻(xiàn)率大于0的因子30個。

2.2 精確性驗證

利用刀切法［15］和受試者的工作特征曲線分析法（Receiver operating characteristic curve，ROC）［16］來檢驗權(quán)重，用ROC曲線下面的面積（Area under the ROC curve，AUC）數(shù)據(jù)值對該模型的精確度進(jìn)行預(yù)測。對MaxEnt軟件中所預(yù)測的牛蒡分布結(jié)果進(jìn)行了精確性驗證，得到平均訓(xùn)練集AUC值，作為該模型關(guān)于牛蒡分布的精確性指標(biāo)。AUC值所取的范圍一般為0.50～1.00，數(shù)值越接近1.00說明該模型預(yù)測的結(jié)果越準(zhǔn)確。當(dāng)AUC值小于0.60該模型預(yù)測結(jié)果不可用，AUC值在0.60～0.90之間表示該模型預(yù)測一般，AUC值大于0.90說明該模型預(yù)測結(jié)果良好。

2.3 定西市牛蒡子適宜區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)

在Arctoolbox模塊中ConversionTools將MaxEnt最后運行得到的ASC文件轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上以甘肅省為提取范圍進(jìn)行掩膜提取，牛蒡的.csv文件中的點數(shù)據(jù)在多點提取后與掩膜提取結(jié)果進(jìn)行疊加分析。在屬性表中對得到的掩膜提取分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，得到最大值（max）、最小值（min）、平均值（μ）、標(biāo)準(zhǔn)差（σ）、平均值與標(biāo)準(zhǔn)差相加（μ+σ）、平均值與標(biāo)準(zhǔn)差相減的數(shù)值（μ-σ），在掩膜提取分類中輸入限定值，預(yù)測牛蒡在甘肅省的生態(tài)適宜區(qū)范圍。

3 結(jié)果與分析

3.1 MaxEnt模型預(yù)測結(jié)果

MaxEnt模型重復(fù)運行4次后，最終得到的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集AUC值為0.991，測試數(shù)據(jù)集為0.989，表明MaxEnt模型對甘肅省牛蒡的生態(tài)適宜區(qū)預(yù)測效果良好。ROC曲線見圖2。

圖2 牛蒡適宜區(qū)預(yù)測ROC曲線Fig.2 ROC curve of A.lappa suitable area

3.2 主要生態(tài)因子確定

圖3表明，生態(tài)因子貢獻(xiàn)率大小會影響物種分布，本次參與MaxEnt模型建立的生態(tài)指標(biāo)因子總共55個，連續(xù)4次運行結(jié)束后，挑選貢獻(xiàn)率不為0的生態(tài)因子共30個，其中排名前7的生態(tài)因子貢獻(xiàn)率總和達(dá)到了76.26%。分別為4月降水量（21.96%）、海拔（20.89%）、5月降水量（9.23%）、年平均溫度（6.61%）、12月 降 水 量（6.01%）、3月 降 水 量（5.91%）、土壤酸堿度（5.65%）。上述生態(tài)因子對于牛蒡生長適宜的范圍分別為4月降水量35～60 mm、海拔2000～2600 m、5月降水量65～90 mm、年平均溫度5～12℃、12月降水量2～5 mm、3月降水量17～21 mm、土壤酸堿度pH 6～8，說明以上7個生態(tài)因子對牛蒡生長環(huán)境的適宜性及其分布狀況有重要影響。

圖3 影響牛蒡的7種主要生態(tài)因子響應(yīng)圖Fig.3 Response diagram of 7 main ecological factors affecting A.lappa

3.3 適宜性區(qū)劃

掩膜提取分類區(qū)間為0～1，對牛蒡生態(tài)適宜區(qū)的綜合評價后分為3類：以0～0.012為不適宜區(qū)、0.012～0.409為次適宜區(qū)、0.409～0.711為適宜區(qū)。結(jié)果顯示，牛蒡適宜生長分布區(qū)與其實地樣點和中國數(shù)字標(biāo)本館標(biāo)本信息記載相一致。在甘肅省內(nèi)牛蒡主要分布于東南部地區(qū)，詳見圖4。

圖4 牛蒡生態(tài)適宜性區(qū)劃圖Fig.4 Ecological suitability zoning map of A.lappa

4 討論

通過MaxEnt進(jìn)行運算，此次測試的模型AUC大于0.9，與實際情況非常接近，可信度高。在55個模擬生態(tài)因子中進(jìn)行運算，分別得到30個貢獻(xiàn)率值不為0的生態(tài)因子，選取7個模擬生態(tài)因子對于模擬結(jié)果的影響較大，從大到小依次為4月降水量（21.96%）＞海拔（20.89%）＞5月降水量（9.23%）＞年平均氣溫（6.61%）＞12月降水量（6.01%）＞3月平均降水量（5.91%）＞土壤酸堿度（5.65%），其中累計貢獻(xiàn)率為76.26%，最后用ArcGIS分析得到牛蒡在甘肅省內(nèi)的生態(tài)適宜區(qū)劃結(jié)果。結(jié)果顯示，在3、4、5月牛蒡的生長期需要大量水分，提供根、莖、葉的正常生長，在12月休眠期需要較多水分維持生命活動；海拔在2000 m～2600m的地區(qū)更適宜繁殖生長，溫度而隨著海拔的上升逐漸降低，溫度過低不適宜牛蒡生長；牛蒡?qū)}堿不耐受，對土壤酸堿度要求接近中性。甘肅北部，西北部降水減少，溫度變化較大，且有些地區(qū)主要為鹽堿地，不利于牛蒡生長。

5 結(jié)論

本研究結(jié)果表明：嘉峪關(guān)市、金昌市、白銀市、酒泉市、酒泉市、張掖市、武威市、隴南市、慶陽市、甘南藏族自治州等地區(qū)降雨少、海拔較高的地區(qū)不一定適宜生長牛蒡，蘭州市、金昌市、白銀市、天水市、張掖市、武威市、定西市、隴南市、平?jīng)鍪小⑴R夏回族自治州、甘南藏族自治州等地區(qū)降雨多、海拔較低的地區(qū)都是生長牛蒡最為適宜的地區(qū)，這也與它的地理科學(xué)考證吻合。