王浩，秦義杰，鐘榮榮，馬東來，曾燕*，王繼永

1.中國中藥有限公司，北京 102600；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071000；3.河北中醫(yī)學(xué)院，河北 石家莊 050200

防風(fēng)為傘形科植物防風(fēng)Saposhnikovia divaricata（Turcz.）Schischk 未抽薹植株的干燥根，始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》，有解表、祛風(fēng)、勝濕止痙等功效[1]。隨著人們健康需求的增加及中藥現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，防風(fēng)藥材資源的需求量不斷增加。然而，防風(fēng)野生資源減少和產(chǎn)地相關(guān)保護(hù)措施的實(shí)施，使野生資源難以滿足不斷增加的市場需求，栽培防風(fēng)逐漸成為商品的主流，種植面積不斷擴(kuò)大。為了避免盲目擴(kuò)大引種栽培造成藥材質(zhì)量下降和不必要的損失，本研究將最大熵（MaxEnt）模型與地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合，對(duì)野生防風(fēng)在主產(chǎn)區(qū)省份內(nèi)分布進(jìn)行適宜性區(qū)劃研究，以期為防風(fēng)仿野生或人工栽培合理選址提供理論依據(jù)，也為防風(fēng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化、生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

近年來，隨著統(tǒng)計(jì)和地理信息技術(shù)的綜合應(yīng)用，已形成了一系列生態(tài)位模型。其中，MaxEnt模型已被廣泛應(yīng)用于物種潛在分布區(qū)研究。一些中藥材也應(yīng)用該模型進(jìn)行了適宜性區(qū)劃研究，并取得了較好的預(yù)測結(jié)果[2-4]。MaxEnt模型是將已知的分布點(diǎn)的像元作為樣點(diǎn)，依據(jù)像元的環(huán)境變量約束，尋找MaxEnt（即最接近均勻值），據(jù)此估計(jì)物種的生境分布，具有運(yùn)算時(shí)間較短、結(jié)果穩(wěn)定、對(duì)計(jì)算機(jī)等設(shè)備的配置要求低的優(yōu)點(diǎn)，還能對(duì)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)[4]。

1 材料與方法

1.1 樣本信息

防風(fēng)樣本分布點(diǎn)主要來自野外調(diào)查，乘車前往目的地采集數(shù)據(jù)，使用手持全球定位系統(tǒng)（GPS）設(shè)備記錄野生防風(fēng)實(shí)際位置。野外調(diào)查共獲得89 份防風(fēng)分布點(diǎn)信息（表1）。

表1 防風(fēng)樣本分布信息

1.2 生態(tài)因子數(shù)據(jù)獲取

本研究選擇從中藥資源空間信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫（http://www.tcm-resources.com/）中提取生態(tài)因子數(shù)據(jù)，主要有樣本位點(diǎn)的坡度、海拔、最冷季平均溫、最濕季平均溫、最暖季降水量、最冷季降水量、最干季平均溫、土壤類型等17 個(gè)生物氣候因子和地形因子（表2）。

表2 防風(fēng)MaxEnt 模型運(yùn)算的生態(tài)因子方差貢獻(xiàn)率

1.3 MaxEnt模型設(shè)定及評(píng)價(jià)

在收集到的89 個(gè)防風(fēng)樣本點(diǎn)中，隨機(jī)選取75%用于模型的構(gòu)建，剩余的25%用于模型驗(yàn)證與測試，重復(fù)迭代運(yùn)算次數(shù)1×106。通過刀切法（Jackknife）定量分析各生態(tài)因子對(duì)防風(fēng)生長的貢獻(xiàn)率，篩選出具有主要貢獻(xiàn)率的生態(tài)因子進(jìn)行二次MaxEnt模型運(yùn)算。

1.4 生態(tài)因子篩選

將89 份防風(fēng)分布信息及50 個(gè)生態(tài)因子導(dǎo)入MaxEnt模型中進(jìn)行迭代運(yùn)算，挑選出運(yùn)算結(jié)果中方差貢獻(xiàn)率為0 的生態(tài)因子，棄去，進(jìn)行第2 次運(yùn)算，至所有生態(tài)因子均有貢獻(xiàn)率，選取方差貢獻(xiàn)率大、權(quán)重高的生態(tài)因子為主生態(tài)因子。

1.5 適宜性區(qū)劃分級(jí)

利用GIS 空間分析技術(shù)，由MaxEnt 模型運(yùn)算結(jié)果可提取出防風(fēng)在5 個(gè)主產(chǎn)區(qū)省份的適宜性分布區(qū)域。根據(jù)不同生態(tài)環(huán)境對(duì)防風(fēng)生長的影響，確定其在各區(qū)域的生長適宜性指數(shù)（P），值域?yàn)椋?，1］，P值越大，表示適宜性越高。計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)P值的平均值（μ）和標(biāo)準(zhǔn)差（δ），按照正態(tài)分布理論與專家經(jīng)驗(yàn)法將防風(fēng)適宜性分布區(qū)域劃分3 個(gè)等級(jí)：不適宜區(qū)（P＜μ-δ）、適宜區(qū)（μ-δ≤P＜μ+δ）、最適宜區(qū)（P≥μ+δ）。

2 結(jié)果與分析

2.1 MaxEnt模型精度評(píng)價(jià)

對(duì)89 個(gè)生態(tài)因子進(jìn)行5 次運(yùn)算，除去方差貢獻(xiàn)率為0 的生態(tài)因子，最終選擇出17 個(gè)生態(tài)因子進(jìn)行分析。MaxEnt 模型預(yù)測精度以受試者工作特征（ROC）曲線下面積（AUC）為衡量指標(biāo)。AUC 為0.5～1.0，值越大表示環(huán)境變量與預(yù)測的物種地理分布模型之間的相關(guān)性越大，模型預(yù)測精度越高。AUC 為0.5＜AUC≤0.6，模型預(yù)測失??；0.6＜AUC≤0.7，模型預(yù)測較差；0.7＜AUC≤0.8，模型預(yù)測一般；0.8＜AUC≤0.9，模型預(yù)測好；0.9＜AUC≤1.0，模型預(yù)測非常好。防風(fēng)樣品信息及生態(tài)因子數(shù)據(jù)通過MaxEnt 模型分析后，ROC 曲線訓(xùn)練集的AUC 為0.941，測試集的AUC 為0.943，說明MaxEnt 模型預(yù)測防風(fēng)潛在適宜區(qū)分布結(jié)果具有極高的準(zhǔn)確度和可信度（圖1）。

圖1 防風(fēng)潛在分布預(yù)測的ROC曲線

2.2 生態(tài)因子與防風(fēng)的地理分布關(guān)系

MaxEnt 模型測定不同環(huán)境因子之間的相互作用，分析生態(tài)因子對(duì)建模的方差貢獻(xiàn)率，方差貢獻(xiàn)率從大到小依次為土壤類型、最暖季降水量、最冷季降水量、最干季平均溫、坡向、土壤質(zhì)地分類、年均降水量、最濕月降水量、海拔、坡度、土壤的陽離子交換能力、溫度季節(jié)性變化的標(biāo)準(zhǔn)差、最干月降水量、最濕季平均溫、季節(jié)降水量變異系數(shù)、最冷季平均溫。以上結(jié)果說明，土壤類型、最暖季降水量、最冷季降水量、最干季平均溫、坡向是影響防風(fēng)分布的主要生態(tài)因子。通過Jackknife 檢驗(yàn)的各環(huán)境因子對(duì)防風(fēng)分布影響的AUC見圖2。

圖2 防風(fēng)潛在分布環(huán)境因子Jackknife檢驗(yàn)

2.3 防風(fēng)適宜性分布區(qū)劃

通過GIS 分析軟件對(duì)MaxEnt 模型導(dǎo)出的生境適宜度進(jìn)行重新分類，得到防風(fēng)適宜性區(qū)劃，分為不適宜區(qū)、適宜區(qū)、最適宜區(qū)。從防風(fēng)分布范圍的分布區(qū)劃來看，其分布最適宜區(qū)主要集中在內(nèi)蒙古赤峰市南部、通遼市北部、扎魯特旗南部、興安盟東部，黑龍江鶴崗市中部、齊齊哈爾市東部、大慶市南部，吉林白城市洮南市東部，遼寧省朝陽市北部，河北省保定市中南部、承德市隆化縣、張家口市蔚縣北部。適宜區(qū)主要集中在內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市北部、呼倫貝爾市、烏蘭察布市南部、呼和浩特市南部、巴彥淖爾市，黑龍江省齊齊哈爾、大慶市、綏化市、鶴崗市、佳木斯市、雙鴨山市、雞西市，吉林省白城市、松原市，遼寧省朝陽市、葫蘆島市、錦州市、阜新市，河北省保定市、石家莊市、張家口市、承德市。

3 討論

3.1 環(huán)境因子分析

本研究基于野生防風(fēng)分布信息及多個(gè)環(huán)境因子，利用MaxEnt 模型預(yù)測其在5 個(gè)主產(chǎn)區(qū)的生態(tài)適宜性分布區(qū)，預(yù)測結(jié)果經(jīng)ROC 曲線驗(yàn)證顯示，測試集和訓(xùn)練集的AUC 均較好，表明該模型預(yù)測的防風(fēng)生態(tài)適宜性分布區(qū)可信度較高。

中藥材生產(chǎn)講究道地種植，說明其質(zhì)量與生長環(huán)境密不可分。同時(shí)，從藥用植物空間分布上來看，環(huán)境條件也是區(qū)域尺度上決定中藥材地理分布的重要因素之一。從環(huán)境條件的分析結(jié)果看，影響防風(fēng)分布的重要環(huán)境因子是土壤類型、最暖季降水量和最冷季降水量等，而最濕季平均溫、季節(jié)降水量變異系數(shù)、最冷季平均溫對(duì)防風(fēng)的分布影響最小。這表明不同的土壤類型與根基土壤中各物質(zhì)的含量對(duì)防風(fēng)的分布起決定性作用，與孫晶波[5]的研究結(jié)論相符。根據(jù)其研究結(jié)果還可以推測，同地區(qū)土壤無機(jī)成分含量及土壤pH 不僅會(huì)影響防風(fēng)植物的分布，還對(duì)藥材的內(nèi)在質(zhì)量有一定影響。防風(fēng)生長期降水量同樣對(duì)其分布有很大影響。研究表明，防風(fēng)苗期的降水量變化對(duì)其生長狀態(tài)有一定影響，生長期不同水分條件會(huì)影響其種苗生長和藥材質(zhì)量[6-7]。

對(duì)于我國防風(fēng)潛在地理分布和環(huán)境因子研究結(jié)果顯示，最適宜的土壤類型為飽和雛形土，最適宜的最暖季降水量為269.9 mm、最冷季降水量為6.6 mm、最干季平均溫度為-14.83 ℃，最適宜的坡向?yàn)闁|南、坡度為112.5°～157.5°。土壤對(duì)防風(fēng)分布和質(zhì)量影響最大。根際土壤對(duì)防風(fēng)藥材質(zhì)量影響研究表明，土壤中有效磷、有機(jī)質(zhì)的含量和土壤中鐵、鉀含量對(duì)防風(fēng)品質(zhì)影響較大[8]。防風(fēng)的最適宜區(qū)土壤類型為雛形土，其有機(jī)質(zhì)含量變異大，需要在引種過程中注意土壤改良。防風(fēng)有一定的耐寒、耐旱性，但提高其藥材質(zhì)量需要一定水分脅迫，除保證防風(fēng)種苗生長初期水分需求外，輕度的水分脅迫（年均降水量400 mm）能夠提高其有效成分的積累[9]。本研究結(jié)果顯示，最適宜區(qū)的年降水量在400 mm 左右，也證實(shí)了在此區(qū)域適宜防風(fēng)藥材的種植。

3.2 潛在種植區(qū)分析

通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，野生防風(fēng)的產(chǎn)地及道地產(chǎn)區(qū)發(fā)生了明顯遷移?！渡褶r(nóng)本草經(jīng)》記載其“生川澤、生沙苑”[10]，沙苑即今陜西渭南地區(qū)。唐代《新修本草》記載防風(fēng)“今出齊州（今山東濟(jì)南地區(qū)）、龍山（今山東西南地區(qū)）最善，淄州（今山東淄博地區(qū)）、兗州（今山東兗州地區(qū)）、青州（今山東青州地區(qū)）者亦佳”[11]。民國時(shí)期，《藥物出產(chǎn)辨》記載其“產(chǎn)黑龍江省洮南縣為最多。春秋雨季出新。必經(jīng)煙臺(tái)牛莊運(yùn)來，曰莊風(fēng)。又有一種產(chǎn)直隸（今河北省石家莊保定地區(qū)）、古北口（今北京密云地區(qū)）、熱河（今河北承德）等一帶。清明前后收成。有天津運(yùn)來名曰津風(fēng)。均野生”[12]?！吨腥A本草》記載其“資源分布：分布于東北、華北及陜西、甘肅、寧夏、山東等地”[13]。防風(fēng)產(chǎn)區(qū)已經(jīng)由廣大的北方地區(qū)尤其是山東省遷移至東北三省及內(nèi)蒙古自治區(qū)。

防風(fēng)適宜性區(qū)劃結(jié)果顯示，其種植發(fā)展最適宜區(qū)主要集中在內(nèi)蒙古自治區(qū)的赤峰、興安盟，黑龍江省佳木斯市、大慶市，吉林省白城市。這一預(yù)測結(jié)果與我國防風(fēng)產(chǎn)地遷移及文獻(xiàn)記載的防風(fēng)主要種植區(qū)基本一致。適宜區(qū)主要分布在最適宜區(qū)外圍（如遼寧省朝陽市、內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市、吉林省松原市、河北省保定市部分地區(qū)），可以作為我國防風(fēng)擴(kuò)張種植的潛在地區(qū)。

建議在潛在的最適宜區(qū)優(yōu)先推廣防風(fēng)仿野生種植，最大限度減少人為干預(yù)及藥材種植對(duì)產(chǎn)地土壤環(huán)境的破壞，實(shí)現(xiàn)防風(fēng)藥材資源的可持續(xù)發(fā)展[14]。對(duì)于受降水量影響顯著的適宜區(qū)，應(yīng)當(dāng)推廣適宜的灌溉技術(shù)，注重土壤改良技術(shù)的應(yīng)用，改善防風(fēng)種植條件，提高藥材質(zhì)量與產(chǎn)量。

本研究僅基于樣本生態(tài)環(huán)境因子進(jìn)行潛在種植區(qū)域預(yù)測，實(shí)際藥材栽培生產(chǎn)還受多種因素的影響，如栽培品種的適應(yīng)性、不同產(chǎn)地的栽培技術(shù)差異、栽培產(chǎn)地設(shè)施差異等。除土壤類型的客觀影響難以人為改良外，受降水量影響顯著的適宜區(qū)可以通過適宜的灌溉技術(shù)變?yōu)樽钸m宜區(qū)。此外，后續(xù)可結(jié)合不同適宜區(qū)防風(fēng)藥材的品質(zhì)分析結(jié)果進(jìn)行品質(zhì)區(qū)劃，為防風(fēng)主產(chǎn)區(qū)的擴(kuò)大種植提供更多的參考。

3.3 防風(fēng)適宜種植區(qū)域預(yù)測及MaxEnt 模型應(yīng)用分析

在對(duì)防風(fēng)適宜種植區(qū)進(jìn)行模擬過程中，MaxEnt模型對(duì)防風(fēng)樣本樣點(diǎn)的數(shù)量要求較低，但隨著樣本樣點(diǎn)數(shù)量的增加，其AUC 越來越穩(wěn)定。為了在盡可能低成本的情況下獲取更高穩(wěn)定性的預(yù)計(jì)種植區(qū)劃結(jié)果，應(yīng)當(dāng)選擇適宜數(shù)量的樣本樣點(diǎn)數(shù)。在模擬時(shí)若采用單一氣候變量進(jìn)行分析，得到的防風(fēng)適宜種植區(qū)域會(huì)有明顯的擴(kuò)大，這樣會(huì)過高估計(jì)防風(fēng)的潛在種植區(qū)，而基于方差貢獻(xiàn)率較高的環(huán)境變量模擬后，能夠更真實(shí)地反映防風(fēng)的適宜推廣種植區(qū)。