李宇航，程楚楚，楊爽，劉叢彬，尹永飛，謝冬梅，2，汪宏保

1.安徽中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，安徽 合肥 230012；2.安徽省中醫(yī)藥研究院中藥資源保護(hù)與開(kāi)發(fā)研究所，安徽 合肥 230012；3.石臺(tái)縣二寶農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，安徽 石臺(tái) 245107

虎杖為蓼科多年生草本植物虎杖Polygonum cuspidatumSieb.et Zucc.的干燥根莖及根，具有退黃利濕、散瘀止痛、清熱解毒等功效[1]?，F(xiàn)代研究表明，虎杖含有二苯乙烯類(lèi)、蒽醌類(lèi)、黃酮類(lèi)、苯丙素類(lèi)等成分，可廣泛用于治療炎癥、病毒感染、細(xì)菌感染及神經(jīng)退行性疾病[2]。隨著市場(chǎng)需求量不斷增大，虎杖野生資源被大量采挖，人工栽培已逐漸成為其藥材的重要來(lái)源。

環(huán)境是影響中藥材產(chǎn)量和質(zhì)量的重要因素。隨著研究不斷深入，基于遙感數(shù)據(jù)的區(qū)劃方法已成為現(xiàn)階段中藥材區(qū)劃研究采用的主要方法[3]。其中運(yùn)用最大熵（MaxEnt）模型具有算法明確、運(yùn)算速度快、顯示分布概率且能阻止小樣本情況下過(guò)擬合現(xiàn)象，已廣泛用于中藥材的適宜性區(qū)劃研究[4-8]。為此，筆者根據(jù)分布信息及生態(tài)因子，以MaxEnt模型結(jié)合ArcGIS軟件對(duì)國(guó)內(nèi)虎杖野生資源分布、適宜生長(zhǎng)區(qū)域、生態(tài)環(huán)境進(jìn)行分析，以期為虎杖野生資源的可持續(xù)利用提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1.1 樣點(diǎn)

通過(guò)檢索中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館（https://www.cvh.ac.cn/）、中國(guó)自然保護(hù)區(qū)標(biāo)本資源共享平臺(tái)（http://www.papc.cn/），收集虎杖分布的樣點(diǎn)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)未收載其經(jīng)緯度信息的坐標(biāo)，選擇以能定位最小行政單位進(jìn)行查詢(xún)，共計(jì)1 080條，除去相同和相似的經(jīng)度、緯度，篩選出虎杖有效位點(diǎn)信息328份（見(jiàn)圖1）。將收集的虎杖數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，經(jīng)緯度換算為十進(jìn)制并將文件存為.csv格式。

圖1 虎杖樣點(diǎn)分布

1.1.2 生態(tài)因子

于中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(kù)（http://www.tcm-resources.com/）獲取55個(gè)生態(tài)因子數(shù)據(jù)，包括：植被類(lèi)型數(shù)據(jù)1個(gè)；地形數(shù)據(jù)3個(gè)，分別為坡向、海拔和坡度；土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)8個(gè)，分別為有效水含量等級(jí)、含沙量、土壤類(lèi)型、含黏土量、土壤質(zhì)地分類(lèi)、陽(yáng)離子交換能力、土壤酸堿度、有機(jī)碳含量；氣候類(lèi)型數(shù)據(jù)43個(gè)，分別為1～12月份平均溫度、1～12月份降水量，以及19個(gè)氣候因子。

1.2 最大熵模型參數(shù)設(shè)置及生態(tài)因子篩選

將虎杖樣點(diǎn)數(shù)據(jù)和生態(tài)因子數(shù)據(jù)導(dǎo)入MaxEnt3.4.4對(duì)應(yīng)的區(qū)塊，75%數(shù)據(jù)設(shè)為模型運(yùn)算的訓(xùn)練集，25%數(shù)據(jù)設(shè)為測(cè)試集。收斂閾值設(shè)為0.000 5，最大迭代次數(shù)為106，以受試者工作特征（ROC）曲線(xiàn)及曲線(xiàn)下面積（AUC）、刀切法（jackknife）作為評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果可靠性的指標(biāo)，其余參數(shù)均為軟件默認(rèn)值，進(jìn)行多次運(yùn)算，去除每次運(yùn)算中貢獻(xiàn)率為0的生態(tài)因子，以篩選出所有貢獻(xiàn)率>0的生態(tài)因子。

1.3 分布概率圖制作

采用ArcGIS10.2對(duì)虎杖樣點(diǎn)進(jìn)行分析和作圖。使用該軟件的ArcToolbox，將MaxEnt模型估算結(jié)果轉(zhuǎn)換生成柵格數(shù)據(jù)，作為后期進(jìn)行空間分析和制作虎杖在各地方分布概率圖的基本圖層，對(duì)其進(jìn)行圖層疊加，生成虎杖分布概率圖。根據(jù)適生指數(shù)（P）將虎杖的生態(tài)適宜性等級(jí)區(qū)劃為非適宜區(qū)（P<0.05）、低適宜區(qū)（0.05≤P<0.25）、中適宜區(qū)（0.25≤P<0.5）、高適宜區(qū)（P≥0.5）共4個(gè)等級(jí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性

MaxEnt模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性以AUC為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，AUC取值一般在[0.5，1.0]，值越大表示準(zhǔn)確度越高。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：0.5≤AUC<0.6表示預(yù)測(cè)模型失敗，0.6≤AUC<0.7表示較差，0.7≤AUC<0.8表示一般，0.8≤AUC<0.9表示好，0.9≤AUC<1.0表示極好?；⒄葮狱c(diǎn)數(shù)據(jù)與生態(tài)因子數(shù)據(jù)經(jīng)MaxEnt模型運(yùn)算后ROC曲線(xiàn)訓(xùn)練集AUC=0.955，測(cè)試集AUC=0.940，表明MaxEnt模型用虎杖適宜性分布的估算結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。見(jiàn)圖2。

圖2 虎杖分布ROC曲線(xiàn)

2.2 主要生態(tài)因子篩選

對(duì)55個(gè)生態(tài)因子通過(guò)MaxEnt模型運(yùn)算7次，保留貢獻(xiàn)率>0.1的生態(tài)因子，篩選出23個(gè)用于空間分析（見(jiàn)表1）。根據(jù)生態(tài)因子刀切圖（見(jiàn)圖3），生態(tài)因子對(duì)虎杖適宜性分布影響的權(quán)重大小依次為晝夜溫差月均值、土壤類(lèi)型、4月份降水量、5月份降水量、2月份降水量、3月份降水量、11月份降水量、年均降水量、10月份平均溫度、10月份降水量、9月份平均溫度、季節(jié)降水量變異系數(shù)、土壤類(lèi)型、最冷月最低溫、年均溫度變化范圍。結(jié)果兩者共同生態(tài)因子有8個(gè)，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)77.3%，分別為11月份降水量（58.5%）、土壤類(lèi)型（4.4%）、4月份降水量（2.9%）、9月份平均溫度（2.8%）、植被類(lèi)型（2.4%）、季節(jié)降水量變異系數(shù)（2.2%）、年均溫度變化范圍（2.1%）、5月份降水量（2.0%）。說(shuō)明虎杖生態(tài)適宜性分布主要受這些生態(tài)因子影響。

表1 影響虎杖分布的生態(tài)因子貢獻(xiàn)率

圖3 虎杖適宜性分布生態(tài)因子刀切圖

2.3 適宜性分布區(qū)劃

本研究表明，虎杖理論高適宜分布區(qū)主要為重慶、貴州、湖南、四川、湖北、安徽、山東、陜西、江西、浙江、福建、廣東、廣西等地，見(jiàn)圖4、表2。

圖4 虎杖生態(tài)適宜性區(qū)劃

表2 我國(guó)虎杖高適宜分布區(qū)

續(xù)表2

3 討論

基于上述研究，影響虎杖分布的生態(tài)因子主要有11月、4月、5月降水量，土壤類(lèi)型，9月份平均溫度，植被類(lèi)型，季節(jié)降水量變異系數(shù)，年均溫變化范圍。表明降水量和溫度是影響我國(guó)虎杖分布的主要生態(tài)因子，土壤類(lèi)型和植被類(lèi)型也有一定影響。高適宜分布的區(qū)域?yàn)橹貞c、貴州、湖南、四川、湖北、安徽、山東、江西、浙江、福建、廣東、廣西、甘肅南部、陜西中南部等地，主要為亞熱帶季風(fēng)氣候，地形包括平原、丘陵、高山，虎杖對(duì)土壤要求不太嚴(yán)格，喜濕。與《中國(guó)植物志》[9]和文獻(xiàn)[10-12]有關(guān)描述基本一致。

綜上，本研究預(yù)測(cè)出影響虎杖生態(tài)適宜性分布的生態(tài)因子，并從理論上預(yù)測(cè)了虎杖的適宜分布區(qū)及非適宜區(qū)，可為虎杖野生資源可持續(xù)利用提供依據(jù)，亦為虎杖品質(zhì)區(qū)劃及質(zhì)量評(píng)價(jià)研究奠定基礎(chǔ)。