福建金线莲的环境因子分析及生境适宜性评价

林协全,王宁,汪其双,陈春锦,刘锦航,邹双全,邹小兴

福建金线莲的环境因子分析及生境适宜性评价

林协全,王宁,汪其双,陈春锦,刘锦航,邹双全,邹小兴*

福建农林大学林学院;自然生物资源保育利用福建省高校工程研究中心, 福建 福州 350002

利用最大熵模型(MaxEnt)和地理信息系统（ArcGIS）技术，结合金线莲的地理空间分部信息，建立生态位模型和空间优化模型，研究金线莲的适宜生境及在福建省的生态适宜性区划，为金线莲种植基地的合理规划提供科学依据。结果表明，年平均气温（8.8%）、热月平均最高温（5.7%）、冷月平均最低温（6.1%）、年平均风速（6.2%）、降水年较差（6.7%）、年平均相对湿度（5.8%）、年最小相对湿度（8.7%）、冷月平均相对湿度（9.2%）、年日照时数（10.4%）、热月日照时数（10%）、冷月日照时数（12.7%）等11个环境因子为影响金线莲生境适宜性区域分布的主要环境因子；南平市武夷山市、宁德市柘荣县等地区是金线莲生长的最适宜分布区，面积约占福建省总面积的1.57 %，适宜区和次适宜区面积共占福建省总面积约83.02%，主要位于福建省的西北部、中部地区。因此，福建省多处地区均适合发展林下金线莲种植产业。

金线莲; 药用植物; 适宜性评价

金线莲（（Wall.）Lindl.）为兰科开唇兰属多年生草本植物，是我国民间药食同源性的珍稀药用植物。金线莲药用价值非常高，素有“药王”、“金草”的美称[1]。其味甘微苦，性平微寒，具有清热解毒、镇痛止咳等功效，可用于治疗高血压、糖尿病、心脏病、肺炎、急慢性肝炎、肾炎等症[2]。金线莲对环境条件要求苛刻，繁殖率低，自然生长慢，随着市场需求不断增加，加上自然环境的恶化和人为的无休止的采挖，野生金线莲已濒临灭绝[3]。福建省的金线莲人工栽培技术较为成熟，金线莲产业正在不断扩大中，己经成为福建省的特色中草药产业之一。然而，当前人工栽培金线莲存在种源混杂、品质参差不齐、存活率和保存率不高等多种弊端，主要在于对金线莲生物学特性与环境因子之间关系缺乏了解[4]，特别是对金线莲的栽培环境的选择较为随意[5]。因此，需对金线莲的生物学进行研究，探明影响金线莲适宜性分布的关键环境因子，划分金线莲的生长适宜区，为福建省药材优质生产基地的建立以及金线莲地域产业的扩增提供科学依据。

目前，MaxEnt模型是最常用的生态位模型之一，可以准确预测出物种的潜在适宜区及分布情况[6,7]。其数学基础简单而清晰，预测结果可靠、预算结果稳定[8,9]，在主导因子筛选、物种现实生境模拟和环境因子对物种生境影响的定量描述方面都具有优势[10]，是被公认为有效性最高的模型[11]。目前已有研究者利用MaxEnt模型和ArcGIS技术对濒危物种、园林植物与药用植物的保育利用提供科学方法[12-14]。

因此，本研究在野生资源实地调查的基础上，基于金线莲地理分布与生态因子数据，利用MaxEnt模型计算金线莲的生境适宜度，获得金线莲在福建省的生境适宜性分布图，并结合地理信息系统技术（GIS）对福建省金线莲产地的生态适宜性进行区划研究，为福建省金线莲的人工栽培和药材生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

1.1.1 金线莲数据金线莲分布数据来源于外业调查、中国国家标本资源平台（NSII，http://www.nsii.org.cn/）、中国数字植物标本馆（CVH http://www.cvh.ac.cn)以及中国知网文献（https://www.cnki.net/）获取，去除重复记录，最终获得45个样点、分布记录135条；采样点经纬度数据2018-2020年开展金线莲资源调查，利用手持GPS定位系统，实时定位，最后将数据按照MaxEnt要求将经纬度整理成.csv格式备用。

图 1 福建金线莲的地理分布示意图

1.1.2 生态环境数据本研究选取的生态环境数据源主要来自国家气象科学数据中心的气象观测数据，共收集31个气象台站的日平均数据，时间跨度为1990-2018年，同时采用克里格法对每个气候因子进行插值，生成空间分辨率1 km的栅格图层。土壤属性数据是通过世界土壤数据库（HWSD）获取。其空间分辨率为1 km，投影坐标为WGS1984，采用ArcGISl0.2软件提取。

1.2 方法

1.2.1 Maxent模型参数设置属于生态位模型中的关联模型，其数学基础简单而清晰，无论连续型或分类型的环境变量都可以应用于此模型，同时在主导因子筛选、物种现实生境模拟和环境因子对物种生境影响的定量描述方面都具有优势[10]。在环境参数设置中开启刀切法(Jackknife)来评价各生态因子的权重，并将金线莲的分布位置信息和生态因子数据导入Maxent模型，在对模型参数进行设定时，选取所有样点分布数据中的75%作为训练数据集，剩余25%的样点分布数据作为随机测试数据集，同时设定500迭代次数来估算每个特征在训练数据中的分布，对模型进行随机测试。

1.2.2 模型预测精度评估采用受试者工作特征曲线( Receiver operating characteristic curve，ROC)和曲线下面积(AUC)的大小作为模型预测准确度的衡量指标，其取值范围为0～1，值越大表示模型判断力越强[15]。AUC值在0.5～0.6为失败，0.6～0.7为较差，0.7～0.8为一般，0.8～0.9为好，0.9～1.0为非常好[16]。

1.2.3 主导环境因子选择合理的变量个数与类型可减少弱相关因子的干扰，提高模型的评价效果，本研究根据前人的研究结果以及金线莲的生长特性，选取14个气候因子、2个地形因子以及2个土壤因子等共计18个环境因子（见表1）。

表 1 环境因子参数

2 结果与分析

2.1 模型预测精度评价

本研究选取10次预测结果中AUC值最大的一组作为最后预测结果，受试者工作特征（ROC）评价结果见图2，横坐标的1-Specificity (特异性)为假阳性率，纵坐标的1-Omission(漏报率)为真阳性率，蓝色线条为检验集的ROC曲线[17]，ROC曲线下面积测试集的AUC为0.811，表明Maxent模型对福建金线莲生境分布区的预测效果较好，可信度较高。

图 2 受试者工作特征(ROC) 曲线

2.2 金线莲生态因子适宜性分析在Maxent模型运算中，刀切法可以用来反映不同环境因子在影响金线莲生长适宜度中所占的权重[18]。由表3和图3可知：年平均气温、热月平均最高温、冷月平均最低温、年平均风速、降水年较差、年平均相对湿度、年最小相对湿度、冷月平均相对湿度、年日照时数、热月日照时数、冷月日照时数这11个环境因子对金线莲的贡献率达90.3%，因此选择这11个环境因子进行分析。

图 3 金线莲生境因子刀切图

bio1:年平均气温;bio2:气温年较差;bio3:热月平均最高温;bio4: 冷月平均最低温；bio5:平均年降水量；bio6:年平均风速；bio7:降水年较差；bio8:年平均相对湿度；bio9:年最小相对湿度；bio10:热月平均相对湿度；bio11:冷月平均相对湿度；bio12:年日照时数；bio13:热月日照时数；bio14:冷月日照时数；bio15:海拔；bio16:坡度；bio17:土壤有机质；bio18:pH值

表 2 生态因子贡献率

由图4可知，金线莲适宜性分布区域受到气候、土壤、海拔等影响。金线莲生境适应性分布区域受气温、风速、空气湿度、日照时数等因素的影响，其中年平均温度（B1）在17.5～20 ℃，热月平均最高温（B3）在30～34 ℃，冷月平均最低温（B4）在4～6.5 ℃，年平均风速（B6）在1.0～1.2 m/s，降水年较差（B7）在625～665 mm，年平均相对湿度（B8）在76.5～80%，年最小相对湿度（B9）在52.6～58.8%，冷月平均相对湿度（B11）在54.3～57.5%，年日照时数（B12）在1550～1660 h，热月日照时数（B13）在204～224 h，冷月日照时数（B14）在112～155 h区间范围内时，金线莲出现概率逐渐增加。而对于年平均气温，金线莲适宜性温度变化幅度不大，这是因为在全省范围内，年均温差异较小。

图 4 福建金线莲生境适宜性环境因子响应曲线

2.3 福建金线莲的适宜生境区划分

根据金线莲的生物学和生态学特性，并结合前人对药用植物区划研究结果[19-21]，采用生态相似度划分出不同等级分布区域，共划分出5个等级。即不适宜区[0,0.10]、次适宜区[0.10,0.38]，适宜区[0.38,0.77]、最适宜区[0.77,1]，在ArcGIS10.2软件中生成金线莲生境适宜性区划图（见图5）。

图 5 福建金线莲生境适宜性分布图

最适宜区（1 949.378 km2）：主要位于武夷山市、柘荣县等部分地区，约占福建省总面积的1.57%。该区域与金线莲原生生境较为一致，多年年均气温处于17.5～20 ℃，降水量较为丰富，林分郁闭度较高，且通风条件良好，适宜福建金线莲的生长。

适宜区（50 052.16 km2）：主要位于福建省的西北部、中部地区，包括建阳市、建瓯市、顺昌县、明溪县、永安市、德化县等，约占福建省总面积的40.50%。该地区位于福建省戴云山的两侧，海拔约500～1200 m左右，温度适中，降水充沛，有利于金线莲的生长与活性成分积累。

次适宜区（52 541.18 km2）：包括政和县、松溪县、长乐市、福清市、上杭县、武平县和永定县等，约占福建省总面积的42.52%。该区域的海拔较高或者多年平均气温较低，且日照时数以及水分条件与原生境存在一定差距，较不适宜金线莲的生长。

不适宜区（19 029.44 km2）：主要位于福建东南沿海，包括泉州部分地区，厦门、漳州部分地区，约占福建省总面积的15.41%。该地区的经济较为发达，人口大量迁移，城镇化扩展速度较快，不断侵占金线莲的生境。同时，该区域的年均温较高，蒸发量较大，海拔相对较低，不利于金线莲的生长。

3 讨论与结论

MaxEnt模型优化分析表明，金线莲在福建的最宜区范围主要在福建省北部，包括武夷山市、柘荣县等部分地区，适宜区为主要位于福建省的西北部、中部地区，包括建阳市、建瓯市、顺昌县、明溪县、永安市、德化县等，与黄小霞等[22]预测范围基本一致。本次的试验评估的AUC>0.8，说明本次结果可信度较高，对金线莲在福建地区金线莲种质资源的调查与收集以及引种栽培具有指导意义。

年平均气温、热月平均最高温、冷月平均最低温、年平均风速、降水年较差、年平均相对湿度、年最小相对湿度、冷月平均相对湿度、年日照时数、热月日照时数、冷月日照时数等11个环境因子对金线莲分布产生较大影响，其累计贡献率达到了90.3%，其中冷月日照时数是限制金线莲分布最关键的环境因子。光照与温度在植物生长中起着至关重要的作用[23]，金线莲多生于常绿阔叶林下或沟谷阴湿处，长周期的光照条件有助于金线莲的自然生长[23]。

金线莲在福建地域分布上呈现由西北向东南递减的趋势，其中武夷山市、建阳市、建瓯市、柘荣县等地区金线莲发生概率较大，适宜金线莲分布与生长；年平均温度在17.5～20 ℃，降雨量≥1 700 mm和风速<2.5 m·s-1会提高金线莲分布的概率，但是高于一定值时，金线莲分布概率则下降。同时，在海拔300～1 300 m的区域，金线莲分布概率随着海拔的升高而逐渐增加，超过1 300 m，金线莲分布概率则逐渐下降。其原因可能是金线莲性喜温凉、不耐寒，在海拔300～1 200 m处，林下土壤腐殖质较多、空气相对湿度大，较利于金线莲的生长[24]，随着海拔的升高，温度呈下降趋势，进而影响金线莲的生长[25]。

南平市的武夷山市、宁德市的柘荣县地区等是福建金线莲生长的最适宜分布区，其面积约占福建省总面积的1.57%，可充分利用该地区的地理与气候优势，对本土金线莲进行育苗扩繁或引进外来品种，建立栽培示范区，进一步扩大生态效益与经济效益。金线莲广泛分布于福建各地区，适宜区和次适宜区面积共占福建省总面积约83.02%，主要位于福建省的西北部、中部地区，包括建阳市、建瓯市、顺昌县、明溪县、永安市、德化县，以及南平市的政和县和松溪县、长乐市、福清市、上杭县、武平县和永定县等。因此可在该地区进行引种栽培，扩大福建地区金线莲遗传多样性。

[1] 何春年,王春兰,郭顺星,等.福建金线莲的化学成分研究[J].中国药学杂志,2005(8):581-583

[2] 福建省中医研究所.福建药物志:第二册[M].福州:福建科学技术出版社,1983

[3] 沈廷明,刘知远,吴仲玉,等.金线莲开发利用价值及产业化发展思路[J].海峡药学,2016,28(8):7-11

[4] 赵会贤,黄宛祯,黄丽英.不同产地和不同环境生长的金线莲的ISSR遗传特性分析[J].福建医科大学学报,2018,52(5):281-286

[5] 林晓红,施木田,林三睦.高温胁迫对金线莲叶绿素荧光参数及SOD活性与电导率的影响[J].热带作物学报,2014,35(6):1137-1142

[6] 段义忠,王驰,王海涛,等.不同气候条件下沙冬青属植物在我国的潜在分布——基于生态位模型预测[J].生态学报, 2020,40(21):7668-7680

[7] 胡菀,张志勇,陈陆丹,等.末次盛冰期以来观光木的潜在地理分布变迁[J].植物生态学报,2020,44(1):44-55

[8] 王运生,谢丙炎,万方浩,等.ROC曲线分析在评价入侵物种分布模型中的应用[J].生物多样性,2007(4):365-372

[9] 夏尤普·玉苏甫,买买提明·苏来曼,维尼拉·伊利哈尔,等.基于MaxEnt生态位模型预测对齿藓属(Didymodon)植物在 新疆的潜在地理分布[J].植物科学学报,2018,36(4):541-553

[10] 张海龙.基于生态位模型的传统中药秦艽潜在地理分布研究[D].西安:陕西师范大学,2014

[11] 张海娟,陈勇,黄烈健,等.基于生态位模型的薇甘菊在中国适生区的预测[J].农业工程学报,2011,27(S1):413-418

[12] 王鑫,任亦钊,黄琴,等.基于GIS和Maxent模型的赤水河地区濒危植物桫椤生境适宜性评价[J].生态学报,2021,41(15):6123-6133

[13] 高雅,秦华.MaxEnt生态位模型在红花槭引种区预测上的应用探讨[J].中国园林,2018,34(4):89-93

[14] 王志威.药用植物云南土沉香潜在适生区及其关键气候影响因子[J].生态学杂志,2022,41(10):1991-1997

[15] 邵扬,叶丹,欧阳臻,等.薄荷的生境适宜性区划及品质区划研究[J].中国中药杂志,2016,41(17):3169-3175

[16] Yang X, Kushwaha SPS, Saran S,. Maxent modeling for predicting the potential distribution of medicinal plant,L. in Lesser Himalayan foothills[J]. Ecological Engineering, 2013,51:83-87

[17] 王汉卿,王庆,马玲,等.枸杞子药材生产区划研究[J].中国中药杂志,2016,41(17):3127-3131

[18] 伍奥林,李敏,张寿文,等.地形因子对桃儿七鬼臼毒素含量的影响与生态适宜度研究[J].中国中药杂志,2015,40(12):2299-2303

[19] 赵文龙,陈红刚,林丽,等.不同基原的中药川贝母生境适宜性分布[J].生态学杂志,2018,37(4):1037-1042

[20] 张东方,张琴,郭杰,等.基于MaxEnt模型的当归全球生态适宜区和生态特征研究[J].生态学报,2017,37(15):5111-5120

[21] 王书越,潘少安,王明睿,等.基于MaxEnt模型评估刺五加在东北地区的空间分布[J].生态学报,2019,39(9):3277-3286

[22] 黄小霞,付钰康,陈思明.基于生态位模型的福建沿海金线莲适宜性研究[J].闽江学院学报,2021,42(2):81-88

[23] 罗光宇,陈超,李月灵,等.光照强度对濒危植物长序榆光合特性的影响[J].生态学杂志,2021,40(4):980-988

[24] 卓秀媛,陈锍,陈福梓.宁德蕉城金线莲种植气候条件分析[J].福建热作科技,2019,44(1):56-58

[25] 牛蓓,傅华龙,卿人韦,等.温度对组培金线莲生理生化影响的研究[J].四川大学学报(自然科学版),2004(4):842-844

Environmental Factor Analysis and Habitat Suitability Evaluation of（Wall.）Lindl. in Fujian Province

LIN Xie-quan, WANG Ning, WANG Qi-shuang, CHEN Chun-jin, LIU Jin-hang, ZOU Shuang-quan, ZOU Xiao-xing*

350002

Using the maximum entropy model(MaxEnt) and geographic information system (ArcGIS) technology ,combined with the geographic space division information of,the niche model and spatial optimization model are established, to explore the suitable habitat and ecological suitability zoning of clematis in Fujian Province, and provide scientific basis for the reasonable planning ofplanting base. The results showed that, 11 environmental factors, such as annual average temperature (8.8%), average maximum temperature in hot month (5.7%) and average minimum temperature in cold month (6.1%), average annual wind speed (6.2%), annual precipitation range (6.7%), annual average relative humidity (5.8%), annual minimum relative humidity (8.7%), average relative humidity in cold month (9.2%), annual sunshine hours (10.4%), sunshine hours in hot months (10%), sunshine hours in cold months (12.7%) are the main environmental factors affecting the regional distribution of; Wuyishan City of Nanping City and Zherong County of Ningde City are the most suitable areas for the growth of, accounts for about 1.57% of the total area of Fujian Province. The suitable and sub-suitable areas account for about 83.02% of the total area of Fujian Province, mainly located in the northwest and central areas of Fujian Province. Therefore, many areas in Fujian Province are suitable for the development ofplanting industry.

; Medicinal plant; suitability evaluation

[R282.2]

A

1000-2324(2023)02-0201-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.02.007

2023-03-25

2023-04-15

中央财政林业科技推广示范项目(闽[2017]TG16号);福建农林大学科技创新专项基金项目(KHF190014);福建农林大学乡村振兴服务团队项目(11899170128)

林协全(1998-),男,硕士研究生,主要从事药用植物资源开发与利用. E-mail:fjlxqlxq@163.com

Author for correspondence. E-mail:zxx0299@fafu.edu.cn