基于MaxEnt模型的甘肃省牛蒡子生态适宜性分布研究

杨春，师立伟，王莉，魏琴芳*，焦旭升

（1.定西市经济作物技术推广站，甘肃 定西 743000；2.甘肃中医药大学药学院，甘肃 兰州 730000）

牛蒡子为菊科植物牛蒡（ArctiumlappaL.）的干燥成熟果实，具有疏散风热，宣肺透疹，解毒利咽的功效［1］。现代药理学证明牛蒡子具有抗炎、抗病毒和抗糖尿病等多种药理作用，其有效成分的微生物转化产物具有较高的生物学活性［2］，牛蒡子提取物还具有较好的抗癌作用［3］。甘肃省辖12个地级市、2个自治州，从南向北包含多个气候类型，地形多样，复杂的地理和气候环境造就了甘肃省中药材资源的多样性。李宗梅等［4］通过运用GIS分析的方法得出全国最适宜牛蒡子生长的区域主要包括东北地区、华南地区和四川、云南、西北部分地区。目前在中药材引种过程中由于对中药材特性及其适宜的种植环境缺乏了解，使得有部分中药材引种后由于环境达不到其生长需求，导致生产的中药材质量不尽人意［5］，因此在研究物种分布过程中开始广泛应用多种生态模型，其中Maxent有较高的准确度［6］，并已经广泛用于生态学研究［7-8］，目前关于牛蒡子大多研究其有效成分和药理作用［9-11］以及其有效成分的提取方法［12-14］。牛蒡子在甘肃分布甚广，属于“十大陇药”之一，但关于牛蒡子在甘肃省生态适宜性的研究鲜有报道，因此研究甘肃牛蒡子分布情况及其生态适宜性迫在眉睫。

本研究利用MaxEnt模型和ArcGIS相结合的方式，进行适宜性区划预测，寻找适宜生长区域，为牛蒡合理种植提供理论基础，同时对牛蒡分布及生产的合理布局具有重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 样本信息采集

结合查阅文献和实地考察的方法，采用便携式卫星导航仪（Rino 530HCx型）实地定位获取，共采集定西市包含甘肃省内47个县（区）牛蒡样本信息270组，基本覆盖甘肃省牛蒡分布的有效范围，经甘肃中医药大学晋琳教授鉴定为菊科牛蒡属植物牛蒡。

图1 甘肃省牛蒡采样分布图Fig.1 Sampling distribution of A.lappa in Gansu Province

1.2 环境变量

环境变量数据（气候变量、地貌变量、土壤变量和植被类型等）来源于“中药资源空间信息网格数据库”。

2 方法

2.1 生态适宜区预测

由于样本量达270份，有足够数据进行模型复核，MaxEnt模型中用75%的牛蒡样本数据设定训练集，25%的牛蒡样本数据设定为测试集，将牛蒡样本信息和环境变量导入MaxEnt软件，其余设置均为默认值，程序重复运行4次，运行时每次去除贡献率为0的生态因子，最终获取贡献率大于0的因子30个。

2.2 精确性验证

利用刀切法［15］和受试者的工作特征曲线分析法（Receiver operating characteristic curve，ROC）［16］来检验权重，用ROC曲线下面的面积（Area under the ROC curve，AUC）数据值对该模型的精确度进行预测。对MaxEnt软件中所预测的牛蒡分布结果进行了精确性验证，得到平均训练集AUC值，作为该模型关于牛蒡分布的精确性指标。AUC值所取的范围一般为0.50～1.00，数值越接近1.00说明该模型预测的结果越准确。当AUC值小于0.60该模型预测结果不可用，AUC值在0.60～0.90之间表示该模型预测一般，AUC值大于0.90说明该模型预测结果良好。

2.3 定西市牛蒡子适宜区划分标准

在Arctoolbox模块中ConversionTools将MaxEnt最后运行得到的ASC文件转换为栅格数据，在此基础上以甘肃省为提取范围进行掩膜提取，牛蒡的.csv文件中的点数据在多点提取后与掩膜提取结果进行叠加分析。在属性表中对得到的掩膜提取分析结果进行统计，得到最大值（max）、最小值（min）、平均值（μ）、标准差（σ）、平均值与标准差相加（μ+σ）、平均值与标准差相减的数值（μ-σ），在掩膜提取分类中输入限定值，预测牛蒡在甘肃省的生态适宜区范围。

3 结果与分析

3.1 MaxEnt模型预测结果

MaxEnt模型重复运行4次后，最终得到的训练数据集AUC值为0.991，测试数据集为0.989，表明MaxEnt模型对甘肃省牛蒡的生态适宜区预测效果良好。ROC曲线见图2。

图2 牛蒡适宜区预测ROC曲线Fig.2 ROC curve of A.lappa suitable area

3.2 主要生态因子确定

图3表明，生态因子贡献率大小会影响物种分布，本次参与MaxEnt模型建立的生态指标因子总共55个，连续4次运行结束后，挑选贡献率不为0的生态因子共30个，其中排名前7的生态因子贡献率总和达到了76.26%。分别为4月降水量（21.96%）、海拔（20.89%）、5月降水量（9.23%）、年平均温度（6.61%）、12月 降 水 量（6.01%）、3月 降 水 量（5.91%）、土壤酸碱度（5.65%）。上述生态因子对于牛蒡生长适宜的范围分别为4月降水量35～60 mm、海拔2000～2600 m、5月降水量65～90 mm、年平均温度5～12℃、12月降水量2～5 mm、3月降水量17～21 mm、土壤酸碱度pH 6～8，说明以上7个生态因子对牛蒡生长环境的适宜性及其分布状况有重要影响。

图3 影响牛蒡的7种主要生态因子响应图Fig.3 Response diagram of 7 main ecological factors affecting A.lappa

3.3 适宜性区划

掩膜提取分类区间为0～1，对牛蒡生态适宜区的综合评价后分为3类：以0～0.012为不适宜区、0.012～0.409为次适宜区、0.409～0.711为适宜区。结果显示，牛蒡适宜生长分布区与其实地样点和中国数字标本馆标本信息记载相一致。在甘肃省内牛蒡主要分布于东南部地区，详见图4。

图4 牛蒡生态适宜性区划图Fig.4 Ecological suitability zoning map of A.lappa

4 讨论

通过MaxEnt进行运算，此次测试的模型AUC大于0.9，与实际情况非常接近，可信度高。在55个模拟生态因子中进行运算，分别得到30个贡献率值不为0的生态因子，选取7个模拟生态因子对于模拟结果的影响较大，从大到小依次为4月降水量（21.96%）＞海拔（20.89%）＞5月降水量（9.23%）＞年平均气温（6.61%）＞12月降水量（6.01%）＞3月平均降水量（5.91%）＞土壤酸碱度（5.65%），其中累计贡献率为76.26%，最后用ArcGIS分析得到牛蒡在甘肃省内的生态适宜区划结果。结果显示，在3、4、5月牛蒡的生长期需要大量水分，提供根、茎、叶的正常生长，在12月休眠期需要较多水分维持生命活动；海拔在2000 m～2600m的地区更适宜繁殖生长，温度而随着海拔的上升逐渐降低，温度过低不适宜牛蒡生长；牛蒡对盐碱不耐受，对土壤酸碱度要求接近中性。甘肃北部，西北部降水减少，温度变化较大，且有些地区主要为盐碱地，不利于牛蒡生长。

5 结论

本研究结果表明：嘉峪关市、金昌市、白银市、酒泉市、酒泉市、张掖市、武威市、陇南市、庆阳市、甘南藏族自治州等地区降雨少、海拔较高的地区不一定适宜生长牛蒡，兰州市、金昌市、白银市、天水市、张掖市、武威市、定西市、陇南市、平凉市、临夏回族自治州、甘南藏族自治州等地区降雨多、海拔较低的地区都是生长牛蒡最为适宜的地区，这也与它的地理科学考证吻合。