楊明霞 ，秦委 ，張虹 ， ，萬柄麟 ，李雯岐 ，劉守金，

1.安徽中醫(yī)藥大學藥學院，安徽 合肥 230013； 2.安徽省中醫(yī)藥科學院中藥資源保護與開發(fā)研究所，安徽 合肥 230013

狗脊貫眾為烏毛蕨科植物狗脊蕨Woodwardiajaponica（L.f.）Smith或單芽狗脊蕨Woodwardia unigemmata（Makino）Nakai的干燥根莖，具有清熱解毒、散瘀止血、殺蟲功效[1]?！渡褶r(nóng)本草經(jīng)》列為中品。狗脊蕨根狀莖富含淀粉，可釀酒，亦可作土農(nóng)藥，防治蚜蟲及紅蜘蛛，具有較大的生產(chǎn)價值[2]。

MaxEnt模型可利用較少的數(shù)據(jù)，運用受試者工作特征（ROC）曲線檢驗預(yù)測結(jié)果，進行較準確的分析，操作簡便、可靠性高，可以獲得較好的預(yù)測結(jié)果，且已有很多中藥材運用此模型進行潛在分布預(yù)測[3-4]。氣候是影響植物地理分布的關(guān)鍵因素，全球氣候變暖導(dǎo)致的多變氣候?qū)χ参锷L環(huán)境造成嚴重影響，加之我國城市化加速及中藥產(chǎn)業(yè)旺盛，導(dǎo)致狗脊貫眾野生資源難以滿足市場需求。為此，筆者通過最大熵（MaxEnt）模型與ArcGIS結(jié)合進行適生區(qū)預(yù)測，為狗脊貫眾野生資源的可持續(xù)利用提供依據(jù)。

1 資料及方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 樣點

通過中國數(shù)字植物標本館（http://www.cvh.ac.cn/）收集所有狗脊蕨的樣點信息，剔除無詳細經(jīng)緯度或地名記錄者，共獲得180個樣點，經(jīng)校對，刪除重復(fù)、相鄰記錄，最終選擇165個有效樣點進行建模（見圖1），將經(jīng)度、緯度、物種信息存入Excel2016中，轉(zhuǎn)為.csv格式保存。本文所用1∶400萬分辨率中國地圖及中國行政區(qū)劃圖均下載于國家地理信息系統(tǒng)（http://nfgis.nsdi.gov.cn/）。

圖1 狗脊蕨樣點分布

1.1.2 生態(tài)因子

從中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫（http://www.tcm-resources.com/）下載相關(guān)數(shù)據(jù)，共53個生態(tài)因子，涵蓋氣候、地形、土壤、植被4種類型。其中氣候類型數(shù)據(jù)包括1～12月降水量和平均溫度，以及19個綜合氣候因子（見表1）；3個地形類型數(shù)據(jù)為海拔、坡度、坡向；6個土壤類型數(shù)據(jù)為土壤陽離子交換能力、土壤含沙量、土壤含黏土量、土壤有效水含量等級、土壤亞類及有機碳含量；另有1個植被類型數(shù)據(jù)。所有因子通過conversion工具轉(zhuǎn)化成ASCⅡ格式。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS10.2。

表1 氣候類型數(shù)據(jù)

1.2 模型構(gòu)建與準確性評價

將165個樣點分布信息及53個生態(tài)因子數(shù)據(jù)導(dǎo)入MaxEnt模型進行迭代運算，隨機選取25%分布點作為測試集，75%為訓練集，設(shè)置最大迭代次數(shù)為103，Bootstrap重復(fù)運算10次。通過繪制響應(yīng)曲線評價生態(tài)因子適生范圍，以ROC曲線及曲線下面積（AUC）評價模型精度。以刀切法（Jack-knife）檢驗生態(tài)因子權(quán)重。使用MaxEnt3.3.3軟件進行模型運算，ArcMap10.7繪圖。AUC取值范圍為0～1.0，AUC＜0.6為失敗，0.6≤AUC＜0.8為一般，0.8≤AUC＜0.9為良好，0.9≤AUC＜1.0為優(yōu)秀，數(shù)值越接近1.0表明模型越準確。

1.3 潛在分布區(qū)域劃分

利用軟件ArcGIS10.2，將MaxEnt模型運算結(jié)果以ASCⅡ格式導(dǎo)入，與中國地圖進行疊加，得到狗脊適生區(qū)分布圖。對狗脊蕨的潛在地理分布區(qū)域進行適生等級劃分，根據(jù)P值將狗脊蕨潛在分布預(yù)測區(qū)分為4個等級：P＜0.05為不適生區(qū)，0.05≤P＜0.25為低適生區(qū)，0.25≤P＜0.5為較適生區(qū)，P≥0.5為高適生區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)測精度

精度由ROC曲線及AUC進行評價，ROC曲線由MaxEnt自帶函數(shù)對訓練集進行10次模擬后取均值獲得，AUC=0.989，說明MaxEnt模型預(yù)測結(jié)果達到優(yōu)秀，可靠性和準確性比較高。見圖2。

圖2 狗脊蕨生態(tài)分布模型ROC曲線

2.2 潛在分布區(qū)及其適生區(qū)

利用ArcGIS統(tǒng)計分析工具和MaxEnt模型結(jié)果，發(fā)現(xiàn)狗脊?jié)撛诜植紖^(qū)及其適生區(qū)面積主要分布在秦嶺以南、長江中上游地段，集中在重慶、貴州、廣西、湖南；另外，長江中下游及江南丘陵也有少量分布（見圖3）。與《中國植物志》[2]所載一致。氣候類型以亞熱帶季風氣候為主，其特點是夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，降水充沛，植被主要表現(xiàn)為由常綠闊葉林帶逐步過渡為落葉闊葉林帶，狗脊蕨多生于常綠闊葉林林下、林緣及空氣濕潤地區(qū)的次生灌叢中。

圖3 狗脊蕨適生分布區(qū)劃

2.3 主導(dǎo)生態(tài)因子特征

通過計算狗脊蕨適生區(qū)中不同生態(tài)因子所占比例，可確定其影響的貢獻率。結(jié)合表2和圖4可知，5月降水量（40.6%）、最干季降水量（7.2%）、11月降水量（7.2%）、海拔（5.4%）、10月降水量（5.2%）對狗脊蕨適生影響較大，貢獻率≥2%的生態(tài)因子累計貢獻率為77.7%，其中降水量累計貢獻率超過70%，溫度的貢獻率僅為2.3%，海拔占5.4%，由此推測狗脊蕨的生長對土壤水分和空氣濕度要求較高，而對溫度等要求較低。5月降水量的貢獻率排在第一位，顯著高于其他變量，而溫度季節(jié)性變化的標準差、海拔等變量影響較小。主導(dǎo)環(huán)境因子響應(yīng)曲線見圖5。

表2 影響狗脊蕨分布貢獻率≥2%的生態(tài)因子

圖4 狗脊蕨分布預(yù)測模型刀切圖

圖5 狗脊蕨主導(dǎo)生態(tài)因子響應(yīng)曲線

3 討論

基于狗脊蕨地理分布信息及生態(tài)因子的研究，利用MaxEnt模型與ArcGIS預(yù)測其在中國境內(nèi)的生態(tài)適生性分布區(qū)。研究表明，5月降水量是影響狗脊蕨分布最主要的生態(tài)因子。由圖5可知，當5月降水量＜10 mm時，狗脊蕨幾乎無法生長；當降水量＞10 mm，狗脊蕨分布開始急劇上升；15 mm時達到峰值，此時最有利于狗脊蕨生長。由此可見，5月降水量直接影響狗脊蕨的生長情況。10月、11月、最干季降水量＞5 mm時，狗脊蕨有生長趨勢，10月降水量＞12.5 mm、11月降水量＞8 mm、最干季降水量＞20 mm時，狗脊蕨生長趨于穩(wěn)定。狗脊蕨在海拔300～2 000 m均有分布，但隨著海拔升高，分布逐漸減少。模擬時影響最大的生態(tài)因子是降水量，與本研究結(jié)論相符。

狗脊蕨多生于山谷溝旁或林下陰濕處，喜陰涼濕潤的酸性土壤。鑒于生長特性及生態(tài)因子的影響，狗脊蕨栽培地需保證陰濕環(huán)境及土壤pH值，其他條件要求不高。一般于春、秋季進行，5～6月最好，因狗脊蕨有分株法繁殖和孢子繁殖，梅雨季節(jié)空氣濕度大，生長恢復(fù)快。因其根系生長旺盛，繁殖時應(yīng)保證土層質(zhì)疏松、透氣，即可正常生長。

研究顯示，狗脊蕨對降水量的適生性范圍較大，野生環(huán)境下的生長地形以秦嶺以南為主。秦嶺山地對氣流運行有明顯阻滯作用，夏季使?jié)駶櫟暮Ｑ髿饬鞑灰咨钊胛鞅?，?dǎo)致北方氣候干燥；冬季阻滯寒潮南侵，使?jié)h中盆地、四川盆地免受冷空氣侵襲。這種氣候特點可保證秦嶺以南河流不凍，植被以常綠闊葉林為主，土壤多呈酸性。與《中國植物志》[2]所描述的狗脊蕨生長在酸性土壤環(huán)境相一致。

由于本研究采集狗脊蕨的樣點信息來自中國數(shù)字植物標本館，大部分信息更新不及時，樣點采集地記載模糊，存在一定的數(shù)據(jù)偏差。最終被用來建模的信息遠少于采集樣點記錄的信息，對建模的準確性產(chǎn)生一定影響，因此，本研究在某些方面存在瑕疵。

本研究利用MaxEnt模型和ArcGIS軟件確定了影響狗脊蕨生長的生態(tài)因子，模擬并劃分其潛在適生區(qū)。預(yù)測結(jié)果經(jīng)ROC曲線顯示AUC=0.989，表明MaxEnt模型預(yù)測的狗脊蕨生態(tài)適生性分布區(qū)可信度較高，可為狗脊蕨的資源分布及適生環(huán)境提供可靠數(shù)據(jù)，有助于狗脊蕨的野生撫育及人工種植參考，對其可持續(xù)利用具有重要指導(dǎo)意義。