石子為，楊少華，張麗霞，陳駿飛，劉大會

基于地形土壤因子的滇重樓生態(tài)適宜性區(qū)劃研究

石子為1，2，楊少華3，張麗霞4，陳駿飛3，劉大會2*

(1.云南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，云南昆明 650201;2.湖北中醫(yī)藥大學藥學院，湖北武漢 430065;3.云南省農(nóng)業(yè)科學院高山經(jīng)濟植物研究所，云南麗江 674100;4.中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院藥用植物研究所云南分所，云南景洪 666100)

【目的】對中國滇重樓進行基于地形土壤因子的生態(tài)適宜性等級劃分?！痉椒ā坷米畲笮畔㈧啬Ｐ?MaxEnt)和ArcGIS軟件空間分析功能，結合影響中國滇重樓潛在分布的地形、土壤因子，研究了中國滇重樓潛在分布區(qū)的生態(tài)適宜性并構建了我國滇重樓潛在分布與地形、土壤因子的關系模型。【結果】影響中國滇重樓潛在分布的主導因子為海拔、有機碳含量、土壤陽離子交換能力、土壤含粘土量、土壤有效水含量等級、土壤質地分類，它們對滇重樓潛在分布的累積貢獻率達到了潛在生態(tài)因子的97.1 %，利用所建模型給出的滇重樓在待預測地區(qū)的存在概率，將中國滇重樓生態(tài)適宜性等級劃分為不適宜區(qū)、次適宜區(qū)、較適宜區(qū)和最適宜區(qū)并給出了中國滇重樓潛在分布區(qū)的地形、土壤因子閾值?！窘Y論】該結果可為開展中國滇重樓種植的合理區(qū)域選取提供科學依據(jù)。

地形、土壤因子;滇重樓;生態(tài)適宜性;區(qū)劃

【研究意義】重樓是百合科植物云南重樓[Paris polyphylla Smith var.yunnanensis(Franch)Hand.-Mazz]或者七葉一枝花[Paris polyphylla Smith var. chinensis(Franch)Hara]的干燥塊莖。重樓主要分布于中國云南、貴州和四川一帶，適宜生長在海拔1400～3100 m的常綠闊葉林、云南松林、竹林、灌叢或草坡中，是中國西南地區(qū)珍稀的道地藥材[1]。重樓中含有的甾體皂苷是其主要的活性成分，具有抗腫瘤、止血、免疫調節(jié)和鎮(zhèn)靜鎮(zhèn)痛等藥用功效，是“云南白藥”、“熱毒清”、“季勝德蛇藥片”和“宮血寧”等多種中成藥的主要原料之一[2-3]?！厩叭搜芯窟M展】近年來，已有眾多學者利用最大熵模型(Maxent)和ArcGIS軟件空間分析技術開展了基于地形和氣候因子的中藥材生態(tài)適宜性分析[4-5]，滇重樓為多年生草本植物，從種植到收獲所需時間為8～10年，對生長環(huán)境較為苛刻，適宜生長在濕潤、蔭蔽的環(huán)境，且在地勢平坦、灌溉、排水良好，富含腐殖質多的疏松肥沃的砂質壤土中生長較好。隨著滇重樓野生資源的日益枯竭，為了緩解社會對于滇重樓資源的需求，開展滇重樓人工引種種植勢在必行，因此開展基于地形土壤等環(huán)境因子的生態(tài)適宜性區(qū)劃無疑是解決此問題的最佳方式?！颈狙芯壳腥朦c】目前，在云南、四川、貴州等省均已開展不同規(guī)模的滇重樓人工種植。但由于滇重樓藥材與其引種馴化種植區(qū)的地形、土壤相關基礎性研究工作的缺乏，導致不同地區(qū)滇重樓的品質和產(chǎn)量參差不齊，選取適宜的區(qū)域進行滇重樓人工引種種植，才能保證滇重樓藥材的質量?！緮M解決的關鍵問題】為此，本研究通過前期走訪調查和實地取樣分析，結合中國云南、四川、貴州等3省175個分布點的地理信息和地形因子及土壤環(huán)境數(shù)據(jù)，利用最大熵模型(Maxent)和ArcGIS軟件空間分析技術開展了基于地形和土壤因子的中國滇重樓種植區(qū)生態(tài)適宜性的研究，找出影響中國滇重樓生態(tài)適宜性分布的主導生態(tài)因子、最適宜進行人工引種種植的區(qū)域，從而為中國滇重樓選擇最佳種植區(qū)和政府種植規(guī)劃提供參考。

1 材料與方法

1.1 自然概況

本研究區(qū)域主要集中在云貴高原的中部和西南部，包含的省份為云南、四川、貴州等，海拔分布在1 500～2000 m，地勢上由西北向東南降低，受云貴高原和四川盆地的影響，地勢起伏較大、地形地貌復雜多變。由于受到西南季風和昆明準靜止鋒的影響，研究區(qū)域的西南部(云南的大部分區(qū)域)冬季溫暖，夏季涼爽，一年內干濕兩季分明;年均降水量在1000 mm;研究區(qū)域的北部(四川全境)受到四川盆地的影響，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，冬暖夏熱，無霜期長，年均降水量在900～1200 mm;研究區(qū)域的東部(貴州西部與云南東部交界處)受到昆明準靜止鋒的影響，冬季陰雨寒冷，夏季受到東南季風的影響，降水量大，氣溫較高，年均降水量在1100 mm。研究區(qū)域大部分屬于亞熱帶、熱帶季風氣候，兼受印度洋西南季風和太平洋東南季風影響，水熱條件均較優(yōu)越，降水充足，年均溫在14℃左右，最冷季平均溫為2℃，最暖季平均溫為24℃。由于氣候受到地形地勢的影響，不同氣候與地形的組合，構成了研究區(qū)域內多種多樣的生態(tài)環(huán)境類型。區(qū)域內特殊的生態(tài)環(huán)境也為滇重樓的生長發(fā)育提供了良好的生態(tài)條件。

1.2 樣品采集

本研究中滇重樓栽培成功的判斷標準是種植年限在2年以上，可正常開花結果和越冬，即種群可以自然更新?？傆嫬@得云南、四川、貴州3省175個滇重樓種植區(qū)的經(jīng)緯度、生境、植物照等信息，調查區(qū)經(jīng)緯為97。39′～108。42′E，21。48′～30。54′N(圖1)。

圖1 滇重樓采樣點分布圖Fig.1 Distribution map of sampling spots of Pairs polyphylla var.yunnanensis

表1 生態(tài)因子數(shù)據(jù)Table 1 The data of environmental factors

1.3 生態(tài)因子數(shù)據(jù)

文章中用的生態(tài)因子數(shù)據(jù)來源于“中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫”包含有:土壤陽離子交換能力、土壤pH、土壤含沙量、土壤亞類(sym90)、土壤含粘土量、土壤質地分類、土壤有效水含量等級、有機碳含量、海拔、坡向、坡度等11個土壤、地形因子，分辨率均為1 km。生態(tài)因子數(shù)據(jù)細節(jié)比例尺為1∶100萬，數(shù)據(jù)格式為Geotiff，投影為WGS84地理坐標系，地理范圍均為全國尺度(表1)。

1.4 地圖數(shù)據(jù)

下載于國家基礎地理信息系統(tǒng)網(wǎng)(http://nfgis.nsdi.gov.cn/)，分辨率為1∶400萬。

1.5 方法

1.5.1 滇重樓生長分布預測 對生態(tài)因子數(shù)據(jù)采用ArcGIS10.2軟件，進行網(wǎng)格數(shù)據(jù)圖層切割、轉換，取得可以加載到最大信息熵模型(MaxEnt)的空間網(wǎng)格數(shù)據(jù)(.asc格式)。滇重樓種植區(qū)采樣點地理信息數(shù)據(jù)整理成CSV格式數(shù)據(jù)，加載到MaxEnt軟件中。MaxEnt模型參數(shù)設置，將滇重樓175個采樣點的GPS地理信息數(shù)據(jù)和生態(tài)因子數(shù)據(jù)按要求轉換格式后導入MaxEnt軟件，設參數(shù)進行建模，參數(shù)如下:最大迭代次數(shù)為106，采取隨機測試比例為15 %，設置響應曲線，另外，MaxEnt軟件自定義設置刀切法(jackknife)檢驗權重和ROC評價曲線，其他參數(shù)均為軟件默認設置。MaxEnt模型預測評價，使用ROC工作曲線與曲線下面積(AUC值)進行模型精度評價;生態(tài)因子的選擇，生態(tài)因子的篩選分為3步，第1步，根據(jù)11個生態(tài)因子和175個滇重樓種植區(qū)采樣點的地理信息數(shù)據(jù)分別在MaxEnt軟件中的迭代運算結果，選總貢獻率≥95%的生態(tài)因子為可供選擇的生態(tài)因子;第2步，將第1步選擇的生態(tài)因子使用ArcGIS軟件多值提取功能，分別提取至175個滇重樓種植區(qū)采樣點并對提取的生態(tài)因子值進行Spearman相關性分析，當2個生態(tài)因子間的相關系數(shù)大于0.8時，棄去貢獻率較小的一個[6];第3步，將第2步篩選得到的生態(tài)因子用MaxEnt模型分析計算，獲得生態(tài)因子對滇重樓生態(tài)適宜性分布的貢獻率以及刀切法獲得的主導生態(tài)因子權重，選取貢獻率大、權重高的生態(tài)因子作為最終變量進行滇重樓的生態(tài)適宜性分析。

1.5.2 主導生態(tài)因子的篩選 MaxEnt模型的構建，參考Moreno等[7]研究方法，將1.5.1項篩選得到的生態(tài)因子帶入到MaxEnt軟件，采取測試集為分布點的25%，訓練集為分布點的75%，其余選項均為模型的默認設置，在環(huán)境參數(shù)設置中開啟刀切法(JackKnife)來評價各氣候因子的權重，并且應用MaxEnt模型模擬輸出ROC曲線的AUC值來評判模型模擬的準確性。主導生態(tài)因子的選取，根據(jù)MaxEnt模型計算得到的生態(tài)因子對滇重樓種植區(qū)潛在分布影響貢獻率的大小，結合模型提供的刀切法(JackKnife)模塊可以對初始模型輸出的各潛在生態(tài)因子對模擬精度的影響進行分析，并分別對各生態(tài)因子對滇重樓種植分布的貢獻率、累積貢獻率及置換重要性進行分析，按照貢獻率大小提取影響滇重樓潛在分布的主導生態(tài)因子，再將主導生態(tài)因子組合重建最大熵模型，計算滇重樓潛在分布的概率。綜合評價得到的生態(tài)因子的權重，從而找出影響中國滇重樓種植區(qū)潛在分布的主導生態(tài)因子。建立中國滇重樓種植區(qū)潛在分布的最大信息熵模型，進行模擬結果精度評價。

1.5.3 基于地形、土壤因子的滇重樓在中國的生態(tài)適宜性區(qū)劃分析 利用ArcGIS10.2軟件、MaxEnt模型計算的結果進行疊加和地圖制作，根據(jù)采樣點處的生境適宜度值(P)，取值范圍在0～1。根據(jù)統(tǒng)計學原理，當物種在某一格點的存在概率P＜0.05時為小概率事件，在此定義為不適宜區(qū)。同時參考IPCC報告中有關評估可能性的劃分方法、前期實地調查與滇重樓實際種植情況，滇重樓種植區(qū)的生態(tài)適宜性區(qū)劃按以下標準進行:P＜0.05為不適宜區(qū); 0.05≤P＜0.33為次適宜區(qū);0.33≤P＜0.66為較適宜區(qū);P≥0.66為最適宜區(qū)[8-10]。利用ArcGIS標準分級方案中的自然斷點法確定相鄰分布區(qū)的界值，繪制滇重樓生態(tài)適宜性區(qū)劃圖。

2 結果與分析

2.1 MaxEnt模型精確度評價

MaxEnt模型模擬輸出ROC曲線的AUC值為模型預測準確度的衡量指標，取值范圍是[0，1]，值越大表示模型預測的準確度越高[11-12]。AUC值0. 50～0.60為失敗，0.61～0.70為較差，0.71～0.80為一般，0.81～0.90為好，0.91～1.0為非常好[13]。結果表明，基于11個生態(tài)因子最大熵模型的AUC值為0.984，對照AUC值評判標準，獲得軟件模擬結果的準確性達“非常好”的標準，也表明所建模型精確度、可信度高。

2.2 主導生態(tài)因子的選擇

明確滇重樓種植區(qū)的主導生態(tài)因子有助于揭示地形、土壤對滇重樓分布的影響。利用Jackknife模塊對各生態(tài)因子對模擬精度的影響進行了分析(圖2)，可見各生態(tài)因子中海拔和有機碳含量對AUC值的影響最大，而土壤陽離子交換能力對AUC值影響相對較小。通過對地形、土壤因子對滇重樓種植潛在分布的貢獻百分率和置換重要性來評價各因子對種植分布影響的貢獻(表2)，可知影響中國滇重樓種植分布的各因子按貢獻率大小排序依次為海拔＞有機碳含量＞土壤陽離子交換能力＞土壤含粘土量＞土壤有效水含量等級＞土壤質地分類＞土壤pH值。其中，海拔和土壤質地分類的置換重要性最高，分別達到54.4%和13.7%，表明這2個因子包含了其他因子不可替代的信息，是滇重樓潛在分布的重要限制因子。綜合上面的分析，選擇影響滇重樓潛在分布的的主導生態(tài)因子為:海拔、有機碳含量、土壤陽離子交換能力、土壤含粘土量、土壤有效水含量等級、土壤質地分類等6個因子，累積貢獻率為97.1%。土壤pH值雖對AUC值影響較大，但其貢獻率(2.8%)較低，故在主導因子中舍去。

圖2 滇重樓正規(guī)化訓練結果Jackknife圖Fig.2 Jackknifemap of regularized training gain for Pairs polyphylla var.Yunnanensis

表2 滇重樓環(huán)境指標的貢獻率Table 2 Contribution rate of environmental factors of Pairs polyphylla var.yunnanens

表3 滇重樓主導生態(tài)因子變量Table 3 Leading ecological factors of Pairs polyphylla var.yunnanensis

2.3 基于地形、土壤因子的滇重樓潛在分布區(qū)及生長適宜性分析

基于篩選的主導生態(tài)因子，然后結合MaxEnt模型，新構建的滇重樓潛在分布模擬模型。結果表明，基于主導生態(tài)因子的AUC值為0.976，模擬結果的準確性達到“非常好”的標準，可用于滇重樓潛在分布模擬。將MaxEnt計算后得到asc圖層文件加載到ArcGIS10.2中，按照滇重樓生態(tài)適宜性等級評判標準繪制了中國滇重樓潛在分布區(qū)劃圖見圖3，滇重樓生態(tài)適宜性等級主導因子變量概況見表3。滇重樓潛在分布最適宜的地區(qū)主要集中在云南全省，貴州的西部、西藏的南部、四川的南部以及甘肅的北部;滇重樓潛在分布較適宜的地區(qū)為云南的大部分地區(qū)、四川中部、貴州中部、西藏南部以及重慶、陜西、湖北、甘肅的部分地區(qū)。基于地形、土壤因子的滇重樓潛在分布適宜(最適宜和較適宜)區(qū)域主要集中在云南、四川、貴州、西藏等地面積較大、集中連片分布。這與筆者前期實地調查采樣和查閱文獻記載地區(qū)相一致，也說明基于地形、土壤因子的中國滇重樓生態(tài)適宜性區(qū)劃結果較為準確可信。

3 討 論

滇重樓是中國珍稀的中藥資源，隨著社會的進步人們保健意識的增強，具有重要醫(yī)用價值的野生滇重樓資源日益引起關注。但是，中藥產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展使得野生滇重樓的需求量急劇增加，導致市場需求量已遠超過其野生資源的更新能力，長期掠奪式的采挖已導致野生資源瀕危，藥材價格高漲，嚴重影響到以其為原料的醫(yī)藥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)已列為云南省30種稀缺瀕危天然藥物之一[14]。近年來，在云南、四川、貴州等省均已開展不同規(guī)模的滇重樓人工種植，但對野生滇重樓資源保護和資源開發(fā)勢在必行，通過規(guī)劃滇重樓最適宜的野生資源保護區(qū)引種種植區(qū)，來滿足滇重樓的市場需求。緩解對野生資源的壓力，是較有效的方法之一。

圖3 中國滇重樓生態(tài)適宜性區(qū)劃圖Fig.3 Ecological suitability divisions of Pairs polyphylla var.yunnanens in China

利用MaxEnt和ArcGIS軟件相結合的方法，綜合土壤、地形以及采樣點的GPS信息分析了中國滇重樓潛在分布區(qū)的生態(tài)適宜性，對潛在分布區(qū)的環(huán)境因子進行了定量分析。目前，中藥材生態(tài)適宜性區(qū)劃中，存在的關鍵問題就是采樣的代表性。采樣的代表性直接與藥材的品質和產(chǎn)量相關，也是后期進行生態(tài)適宜性分析的基礎。本研究在滇重樓樣品的采集上存在一定的局限性，這也可能對后期的分析具有一定的影響。中藥材的生態(tài)適宜性區(qū)劃是基于采樣地和所選生態(tài)因子來綜合選取適宜藥材生在的區(qū)域，在實際生產(chǎn)工作中，藥材的品質和產(chǎn)量不一定完全和所選生態(tài)因子相關，此外，人為因素的干擾也會對所預測的適宜區(qū)域有一定的影響。藥材的生長發(fā)育是其所在環(huán)境綜合作用的結果，本研究僅選擇了土壤和地形因子，這也會導致預測得到的適宜區(qū)域存在一定的局限性。

4 結 論

本研究通過前期實地采樣調查，收集了175個滇重樓種植區(qū)的地理分布信息，結合從(http:// www.tcm-resources.com/)“中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫”篩選的地形、土壤因子，用ArcGIS技術和MaxEnt模型對滇重樓在中國的生態(tài)適宜區(qū)進行預測，其結果經(jīng)過ROC曲線精度驗證，AUC值為0. 976，表明MaxEnt模型預測結果的可信度和準確度很高?；谕寥酪蜃印⒌匦?，利用MaxEnt模型重復建模并結合ArcGIS技術，綜合分析了影響中國滇重樓潛在分布適宜性的主導因子及其閾值，結果表明，海拔、有機碳含量、土壤陽離子交換能力、土壤含粘土量、土壤質地分類等6個因子對滇重樓的潛在分布適宜性有著重要影響且累積貢獻率達到97.1%。對基于地形、土壤的主導生態(tài)因子分析得到，中國滇重樓適宜生長在海拔在2000 m，有機碳含量值為3，土壤陽離子交換能力為10，土壤含粘土量為50，土壤有效水含量等級為1，且富含有機質的砂壤土或砂質壤土中。

研究得出基于地形、土壤因子的滇重樓在中國的生態(tài)適宜性區(qū)劃分布圖，結果表明，滇重樓在中國的適生區(qū)(包括最適宜和較適宜區(qū))主要集中在中國云南的大部分區(qū)域，四川的中南部，貴州的西南部，西藏的南部、甘肅的北部以及重慶、湖北、陜西的部分地區(qū)?？梢?，滇重樓對地形與土壤等環(huán)境條件要求較為嚴格，最適宜區(qū)和較適宜區(qū)都主要集中在中國云南、四川、貴州三省境內，主要以云貴高原的西南部區(qū)域為主，該區(qū)域地形地勢較為多變且平均海拔達到1500 m左右，該區(qū)域土壤多為紅壤或者棕色砂質壤土且有機質含量較高;甘肅的北部接近內蒙古的部分區(qū)域也有滇重樓的最適宜和較適宜分布區(qū)，該區(qū)域主要是受內古高原的影響平均海拔達到1200 m。本研究所得到的中國滇重樓最適宜和較適宜分布區(qū)和文獻記載的中國滇重樓分布基本一致，分布范圍有所擴大，這與本研究所選取的生態(tài)因子密切相關。若進一步考慮氣候、植被等其他生態(tài)因子的影響，還需要在以后的研究中繼續(xù)討論。本課題組已經(jīng)在陸續(xù)開展基于氣候、植被等生態(tài)因子的中國滇重樓種植區(qū)生態(tài)適宜性區(qū)劃研究。

綜合整個研究，采樣點基本覆蓋了中國滇重樓主要種植區(qū)，同時，也參考了大部分滇重樓分布實際生態(tài)位，預測獲得了影響中國滇重樓生態(tài)適宜區(qū)的主導生態(tài)因子，在理論上預測了中國滇重樓的生態(tài)適宜區(qū)和次適宜區(qū)，研究結果可為中國滇重樓野生資源的保護、收集和引種區(qū)域的選擇提供參考。

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(責任編輯 王家銀)

Regionalization of Ecology Suitability of Paris polyphylla var. Yunnanensis Based on Topographic and Soil Factors

SHIZi-wei1，2，YANG Shao-hua3，ZHANG Li-xia4，CHEN Jun-fei3，LIU Da-hui2*
(1.College of Resourcesand Environment，Yunnan Agricultural University，Yunnan Kunming650205，China;2.Pharmacy Faculty，HubeiU-niversity of Chinese Medicine，HubeiWuhan 430065，China;3.Institute of Alpine Economic Plants，Yunnan Academy of Agricultural Sciences，Yunnan Lijiang 674100，China;4.Institute of Medicinal Plant Development Yunnan Branch，Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College，Yunnan Jinghong 666100，China)

【Objective】The present study aimed to classify the ecological suitability of Pairspolyphylla var.yunnanensis based on topographic and soil factors.【Method】We used themaximum entropymodel(MaxEnt)with spatial analystic function of ArcGISsoftware and the topographic and soil factors affecting the Pairs polyphylla var.yunnanensis distribution in China and studied the ecology suitability of potential distribution of Pairs polyphylla var.yunnanensis and constructed amodel about the relationships between the potential distribution of Pairs polyphylla var.yunnanensis and topographic and soil factors.【Result】The altitude，the content of organic carbon，the soil cation exchange capacity，the soil clay content，the available soilwater content level，the soil texture classification were the leading factors affecting the potential distribution of Pairspolyphylla var.Yunnanensis，and their cumulative contribution rate reached 97.1%ofall candidate factors，ecological suitability of Pairs polyphylla var.yunnanensis was classified four types，themost suitable region，more suitable region，suitable region and unsuitable region in china through the existence probability of Pairs polyphylla var.yunnanensis in the region to be predicted and themodel provided the threshold of topographic and soil factors of potential distribution region of Pairs polyphylla var.yunnanensis in China.【Conclusion】The results of research could provide a scientific basis for developing reasonable cultivation of Pairspolyphylla var.yunnanensis in China.

Topographic and soil factors;Pairs polyphylla var.Yunnanensis;Ecological suitability;Regionalization

S567.239

A

1001-4829(2017)8-1904-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.8.036

2016-09-27

國家重大新藥創(chuàng)制(2014ZX09301306-001);中央本級重大增減支項目(2060302)

石子為(1992-)，男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向為中藥材設施栽培，E-mail:2874211896@qq.com，*為通訊作者:劉大會，E-mail:juhuacha2007@sohu.com。