卻丹華 戴純輝
(1.杭州市臨安區(qū)中醫(yī)院, 浙江 杭州311300; 2.杭州市上城區(qū)紫陽(yáng)街道春江花月社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)站, 浙江杭州310008)
落新婦Astilbe chinensis(Maxim.)Franch.Et.Sav.是虎耳草科落新婦屬植物[1?3]。落新婦具有活血散瘀、解毒止痛功效,用于跌打損傷、風(fēng)濕關(guān)節(jié)等疼痛癥狀的鎮(zhèn)痛治療[4?6]。落新婦具有抗腫瘤、抗 炎、鎮(zhèn) 痛、抑菌等作用[7?8]。落新婦的野生資源有限,在日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求下,人工栽培成了落新婦藥材的主要來源[9]。目前關(guān)于其全國(guó)地理分布格局的研究報(bào)告罕見。因此,了解落新婦資源的總體情況,準(zhǔn)確掌握落新婦生長(zhǎng)的生態(tài)影響因素及生長(zhǎng)適宜性分布區(qū)域,對(duì)促進(jìn)人工栽培落新婦具有重要意義。目前,在物種的潛在分布、物種保護(hù)和資源儲(chǔ)量估算研究方面,應(yīng)用最廣泛的為最大熵模型(MaxEnt)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)的聯(lián)合技術(shù)[10?12]。在實(shí)地調(diào)查和文獻(xiàn)檢索的基礎(chǔ)上,運(yùn)用MaxEnt 模型和地理信息系統(tǒng)技術(shù),分析、探討落新婦生長(zhǎng)的生態(tài)因子和起源特征,對(duì)落新婦在全國(guó)的生長(zhǎng)適宜性分布區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)及區(qū)劃,為落新婦的野生撫育、種植區(qū)劃和規(guī)范化栽培推廣提供參考。
MaxEnt 3.4.4 生態(tài)位模型軟件;ArcGIS 10.8 軟件(美國(guó)ESRI 公司)。從第四次中藥資源普查實(shí)地調(diào)查、文獻(xiàn)資料、中國(guó)植物圖像庫(kù)(http://ppbc.iplant.cn/)和國(guó)家植物標(biāo)本資源庫(kù)(http://www.cvh.ac.cn/)中收集落新婦相關(guān)信息共1 320份,采用具有精確經(jīng)緯度、明確地址和詳細(xì)采集坐標(biāo)的標(biāo)本信息,篩選整理獲得331 份標(biāo)本信息用于落新婦適宜性分布研究[13]。
根據(jù)已知的適合落新婦生長(zhǎng)的環(huán)境條件,選擇7 個(gè)生態(tài)因子進(jìn)行研究,包括生物氣候、溫度、降水、地形、土壤、土地利用類型和植被覆蓋度。19 個(gè)生物氣候因子、12個(gè)月平均溫度因子和12 個(gè)月降水因子均來自世界氣候數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.worldclim.org/)[14]。地形包括海拔、坡度和坡向,是從數(shù)字高程模型中提取的,數(shù)據(jù)來自美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局。土壤、土地利用類型和植被覆蓋數(shù)據(jù)分別取自世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(http://webarchive.iiasa.ac.at/)和世界地圖數(shù)據(jù)庫(kù)(https://globalmaps.github.io/)。
2.1 模型構(gòu)建與運(yùn)算 將采集的331 個(gè)落新婦樣品的地理信息和生態(tài)因子信息輸入MaxEnt,并根據(jù)需要設(shè)置參數(shù)[15]。隨機(jī)選擇其中75%樣本數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集,其余25%用于模型驗(yàn)證和測(cè)試,最大迭代次數(shù)設(shè)置為1×106,其余為默認(rèn)設(shè)置。多次運(yùn)行程序,消除貢獻(xiàn)率為0 的生態(tài)因子,篩選出影響落新婦生長(zhǎng)的生態(tài)因子,各生態(tài)因子貢獻(xiàn)率用刀切法(Jackknife)定量[16],貢獻(xiàn)率最大的用于二級(jí)最大熵模型計(jì)算。
2.2 模型精確性驗(yàn)證 模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性采用ROC曲線(受試者工作曲線)進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證[17]。
2.3 適宜性區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn) 把MaxEnt 軟件迭代運(yùn)行得到的最終結(jié)果輸入ArcGIS 軟件,將其轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù),并從模型運(yùn)算結(jié)果中提取落新婦在中國(guó)的適宜性分布區(qū)域[18]。根據(jù)不同生態(tài)環(huán)境對(duì)落新婦生長(zhǎng)的影響,確定各區(qū)域落新婦的生長(zhǎng)適宜性指數(shù),用P 表示。在提取結(jié)果的屬性表中計(jì)算得到最大值(max)、最小值(min)、平均值(μ)、標(biāo)準(zhǔn)差(σ)、平均值與標(biāo)準(zhǔn)差相加值(μ+σ)、平均值與標(biāo)準(zhǔn)差相減值(μ?σ)。按照正態(tài)分布理論與相關(guān)報(bào)道,將全國(guó)落新婦適宜性分布區(qū)域劃分3 個(gè)等級(jí),不適宜區(qū)[P<(μ-σ)];次適宜區(qū)[(μ?σ)≤P<μ];適宜區(qū)[(μ-σ)≤P<(μ+σ)]。
3.1 模型精度評(píng)價(jià) ROC 曲線分析法檢驗(yàn)得到的平均訓(xùn)練集精度,結(jié)果表明AUC 值為0.984,驗(yàn)證數(shù)據(jù)的AUC 值為0.984,均達(dá)到高預(yù)測(cè)精度,表明運(yùn)算準(zhǔn)確,結(jié)果可信,見圖1。
圖1 落新婦潛在分布預(yù)測(cè)ROC 曲線
3.2 落新婦適宜生長(zhǎng)條件分析 通過對(duì)主要生態(tài)因子貢獻(xiàn)率和ROC 曲線的分析(圖2),可以看出落新婦的生長(zhǎng)主要受降水、溫度和海拔的影響,而坡度的貢獻(xiàn)率相對(duì)較低。落新婦在年降水量500~2 000 mm 的地區(qū)可以生長(zhǎng)。落新婦萌發(fā)后的快速生長(zhǎng)期對(duì)土壤水分有一定的需求,月降水量至少應(yīng)保持在50 mm 以上,充足的水分可以促進(jìn)根系的生長(zhǎng)和發(fā)育。從開花期開始,月降雨量為20 mm,但在開花期之后,如果遇到連續(xù)降雨,落新婦的根可能會(huì)被漚爛,影響落新婦的生長(zhǎng)。因此,不適合在低洼和澇漬地區(qū)種植。溫度對(duì)落新婦的生長(zhǎng)也有一定的影響,可以在-15.0~35.0 ℃的環(huán)境中存活和生長(zhǎng)。
圖2 落新婦生態(tài)因子ROC 曲線
落新婦是一種耐寒、喜涼爽的植物,適合生長(zhǎng)在海拔3 000 m 以下的涼爽地區(qū),對(duì)土壤質(zhì)地要求不高。土地利用類型和植被覆蓋度對(duì)落新婦的生長(zhǎng)也有輕微的影響,主要生長(zhǎng)在山谷和草地、林緣、灌木和丘陵草甸。在人工栽培中,應(yīng)考慮生長(zhǎng)環(huán)境的溫度和土壤濕度,并應(yīng)注意土地的排水條件,選擇一個(gè)有一定坡度的地方栽培。
3.3 主導(dǎo)環(huán)境因子權(quán)重分析 利用刀切法對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行分析,見圖3。其環(huán)境因子貢獻(xiàn)值得分大小的順序依次是tmean10>bio12 >bio18 >prec11 >prec9 >prec8 >bio13 >bio7 >tmean8>bio4。由于相關(guān)性較強(qiáng)的環(huán)境因子容易過度擬合,需要移除,移除后結(jié)果 為 tmean10(21.8%)、bio12(17.9%)、bio18(15.2%)、prec11(15.0%),這4 個(gè)環(huán)境因子的總累積貢獻(xiàn)率已達(dá)到69.9%,說明最干季度平均溫度、最干季度平均降水量、年均降水量、最暖季節(jié)降水量,這4 個(gè)環(huán)境因子對(duì)最大落新婦適宜分布影響。
3.4 主要生態(tài)因子貢獻(xiàn)率 利用7 大類55 個(gè)生態(tài)因子來研究落新婦的適宜性分布,不同因子對(duì)其有不同的影響程度。根據(jù)Jackknife 定量計(jì)算結(jié)果,落新婦主要生態(tài)因子貢獻(xiàn)率見表1。影響落新婦生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率最大因子為10 月平均溫度(15.4%),其次為最暖季節(jié)降水量(12.4%),主要生態(tài)因子貢獻(xiàn)率達(dá)到93.5%。充足的降水是落新婦生長(zhǎng)的必要條件,溫度影響落新婦的生長(zhǎng),海拔也是限定落新婦生長(zhǎng)區(qū)域的重要因素,但落新婦生長(zhǎng)對(duì)土壤的要求不高。
表1 生態(tài)因子貢獻(xiàn)率(%)
3.5 落新婦適宜性分布區(qū)劃 依據(jù)MaxEnt 和ArcGIS 軟件相結(jié)合技術(shù),最終得到落新婦在中國(guó)的適生區(qū)域分布預(yù)測(cè)圖(圖3),計(jì)算軟件加載的各地各適生區(qū)面積(表2)。提取采樣點(diǎn)生長(zhǎng)適宜性指數(shù),按照適宜性指數(shù)將分布區(qū)劃分為3 個(gè)區(qū)域:非適宜區(qū)、次適宜區(qū)和適宜區(qū),其適生指數(shù)取值范圍分別為P<0.157、0.157≤P<0.414、P≥0.414。落新婦在我國(guó)陜西、湖南、貴州大部分、四川東南部、河南北部、遼寧南部等部分地區(qū)具有潛在的高適生長(zhǎng)性。
圖3 環(huán)境因子刀切法分析
由表2 可知,全國(guó)適宜落新婦生長(zhǎng)的范圍面積為1 620 501.88 km2,主要分布在我國(guó)的東部、中部和東北部地區(qū)。陜西、湖南、四川、貴州等省份大部分區(qū)域,以及浙江中北部、華中和華南等多個(gè)省份,黑龍江、吉林、遼寧東北三省也有一定范圍的分布,其中12 個(gè)省份的適生區(qū)面積在10 000 km2以上。
表2 落新婦適宜性區(qū)域面積統(tǒng)計(jì)(km2)
本研究結(jié)合GIS 技術(shù),運(yùn)用MaxEnt 模型研究落新婦在全國(guó)范圍的適宜性分布,模型的AUC 大于0.9,可信度高。篩選出對(duì)模擬結(jié)果影響較大的10 個(gè)生態(tài)因子,累積貢獻(xiàn)率達(dá)76.2%。落新婦適應(yīng)環(huán)境能力較強(qiáng),耐寒,適生于海拔3 000 m以下的山谷﹑灌叢間和林緣草地;對(duì)土壤質(zhì)地要求不高;適宜生長(zhǎng)的月降水量為50~200 mm;適宜的生長(zhǎng)溫度為-15.0~35.0 ℃。溫度的變化會(huì)影響落新婦的物候期,尤其是發(fā)芽、葉片生長(zhǎng)和隨后的開花結(jié)果,大范圍的溫度變化會(huì)阻礙它的生長(zhǎng)和發(fā)育,從12 月到次年1月,落新婦的落葉進(jìn)入休眠期,根莖從頂部長(zhǎng)出芽鞘,低溫會(huì)滯后落新婦營(yíng)養(yǎng)器官的分化和胚芽的形成,冬季高溫可保證落新婦的安全越冬和芽分化。10 月份較高的平均降雨量保證了落新婦冬芽分化的安全性,這表明年降水量和最暖季降水量是影響落新婦分布的重要環(huán)境因子。從8 月到11月,落新婦處于快速生長(zhǎng)期,與其他月份相比降雨量相對(duì)較高,這直接影響其地下根莖的生長(zhǎng)和植物的發(fā)育。因此落新婦主要集中在中國(guó)西南、中部和南部。年溫差小,年降雨量大,最暖季節(jié)降雨量高,符合落新婦喜陰、寒、濕的特點(diǎn)。
根據(jù)模擬模型計(jì)算落新婦適宜性指數(shù),按照適宜性指數(shù)將落新婦生長(zhǎng)適宜性區(qū)域劃分為非適宜區(qū)、次適宜區(qū)和適宜區(qū)3 個(gè)等級(jí)。全國(guó)適宜落新婦生長(zhǎng)的區(qū)域面積共計(jì)1 620 501.88 km2,主要集中分布于湖南、四川、陜西、貴州、浙江等省。在核心區(qū)分布圖中,預(yù)測(cè)結(jié)果顯示以陜西為中心的周邊具有較好的分布區(qū)域,主要為亞熱帶氣候,具有春暖干燥、夏熱多雨、秋涼濕潤(rùn)、冬寒干燥等特點(diǎn),年平均氣溫為14~16 ℃,年平均降水量為300~1 200 mm。