陳紫葳 杜燕 郭靜霞 楊美青

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2020MS08005）

第一作者簡(jiǎn)介：陳紫葳（1996-），女，碩士研究生。研究方向?yàn)樗幱弥参镞m宜性區(qū)劃。

*通信作者：楊美青（1985-），女，博士，副教授。研究方向?yàn)橹兴庂Y源。

摘? 要：利用最大熵模型（MaxEnt）和地理信息系統(tǒng)（ArcGIS），結(jié)合相關(guān)生態(tài)因子，對(duì)角茴香的生態(tài)適宜性范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。收集角茴香在中國(guó)的205個(gè)經(jīng)緯度信息，結(jié)合19項(xiàng)生態(tài)因子應(yīng)用MaxEnt模型和ArcGIS對(duì)角茴香的潛在適生分布區(qū)進(jìn)行分析。影響角茴香潛在分布的主要生態(tài)因子包括，最冷季節(jié)降水量、最冷季節(jié)平均溫度、最暖季節(jié)降水量、晝夜溫差與年溫差比值等。當(dāng)前氣候條件下，角茴香高度適宜生長(zhǎng)的區(qū)域主要集中在北京、河北北部、山西、河南、陜西和內(nèi)蒙古南部等，面積約為77.4×104 km2；未來氣候條件下，適生區(qū)將向東北部和西部擴(kuò)張。該研究預(yù)測(cè)的結(jié)果與角茴香實(shí)際分布區(qū)域相符，為角茴香的可持續(xù)利用和角茴香的引種栽培提供重要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：藥用植物；角茴香；生態(tài)適宜性；最大熵模型；地理信息系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：Q948? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-9902（2024）01-0014-05

Abstract： To predict and analyze the ecological suitability range of Hypecoum erectum by using maximum entropy model （MaxEnt） and geographic information system （ArcGIS） combined with relevant ecological factors. The 205 messages about the longitudes and latitudes of Hypecoum erectum in China were collected， and the potential suitable distribution area of Hypecoum erectum was analyzed by MaxEnt model and ArcGIS combined with 19 ecological factors. The main ecological factors affecting the potential distribution of Hypecoum erectum were precipitation in the coldest season， average temperature in the coldest season， precipitation in the warmest season， and the ratio of temperature difference between day and night to annual temperature difference. In the current climatic conditions， the highly suitable growth areas of Hypecoum erectum are mainly concentrated in Beijing， northern Hebei， Shanxi， Henan， Shaanxi， southern Inner Mongolia and other places， the area is about 77.4×104 km2; in the future climatic conditions， the suitable growth area will expand to the northeast and west. The predicted results of this study are consistent with the actual distribution area of Hypecoum erectum， which provides an important theoretical basis for the sustainable utilization and introduction and cultivation of Hypecoum erectum.

Keywords： medicinal plants; Hypecoum erectum; ecological suitability; maximum entropy model; geographic information system

角茴香（Hypecoum erectum L.）為罌粟科角茴香屬 （Hypecoum L.）早春短命植物，別名咽喉草、山黃連或野茴香等，蒙藥名為嘎倫－塔巴克，藏藥名為巴爾哇打[1]。角茴香分布于我國(guó)的山西、內(nèi)蒙古、陜西、新疆、四川西部、云南西北部和西藏等，蒙古、俄羅斯和西伯利亞等國(guó)也均有分布，主要生于海拔400～1 200（-4 500） m的山坡草地或河邊砂地，花果期為5—8月[2]。角茴香多以植物的干燥根或全草入藥，具有抗炎、抗菌、抗病毒、保肝和鎮(zhèn)痛等藥理作用[3]。實(shí)地調(diào)查表明，角茴香在我國(guó)呼和浩特市、包頭市及鄂爾多斯市廣泛分布；由于角茴香具有早期返青和開花特點(diǎn)，包頭市將角茴香引種作為一種綠化植物，與其他花卉共同進(jìn)行栽培，提高綠化的效果，具有較大的觀賞價(jià)值[4]。

生態(tài)位建模是一種估算物種分布和棲息地適宜性的方法，通常在易于使用的軟件中實(shí)現(xiàn)。這種方法利用實(shí)地調(diào)查、植物采集、文獻(xiàn)提取確定實(shí)際的物種分布范圍，并將ArcGIS軟件與氣候和環(huán)境變量相結(jié)合預(yù)測(cè)潛在的物種分布范圍。通過計(jì)算棲息地指數(shù)，對(duì)不同級(jí)別的棲息地適宜性進(jìn)行分類，并評(píng)估不同地理區(qū)域的物種適宜性[5]。生態(tài)位模型可以通過ArcGIS軟件進(jìn)行運(yùn)行和分析，得出物種的適宜潛在分布區(qū)域，結(jié)果可通過ArcGIS軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換和表達(dá)，繪制出簡(jiǎn)潔明了的相關(guān)潛在分布區(qū)域圖[6]。最大熵模型（MaxEnt）是基于最大熵理論的一種生態(tài)模型，最大熵原理本身來自計(jì)算機(jī)科學(xué)[7]。MaxEnt廣泛用于預(yù)測(cè)藥用植物、入侵物種、瀕危物種和有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的物種的潛在分布，以及全球氣候變化對(duì)物種分布的影響等[8]。利用Maxent對(duì)藥用植物的潛在分布區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)，并為這些物種提供相應(yīng)的保護(hù)措施已成為保護(hù)生物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[9]。

本研究基于角茴香藥用植物的資源分布和生態(tài)因子數(shù)據(jù)，利用MaxEnt模型和ArcGIS軟件，對(duì)當(dāng)前和未來2個(gè)時(shí)期（2021—2040年、2041—2060年）中國(guó)角茴香潛在適宜區(qū)域的分布進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了適宜性分布與環(huán)境變量之間的關(guān)系，以及潛在適宜地點(diǎn)的總體演變情況，研究結(jié)果可以幫助我們更好地了解角茴香的生態(tài)特征和生長(zhǎng)環(huán)境，從而制定出更加科學(xué)、合理的保護(hù)和利用措施。因此，本研究對(duì)于角茴香資源的可持續(xù)利用和保護(hù)具有重要的理論和實(shí)際意義。

1? 資料與方法

1.1? 角茴香樣點(diǎn)信息來源

通過文獻(xiàn)調(diào)查、《中國(guó)植物志》、中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館（CVH，https：//www.cvh.ac.cn/）和國(guó)家標(biāo)本平臺(tái)（http：//www.nsii.org.cn/2017/home.php）收集角茴香分布數(shù)據(jù)，保存物種信息、分布產(chǎn)地的經(jīng)緯度信息，并處理為csv格式；同時(shí)，刪去相似經(jīng)度、緯度的分布信息，以最小可查行政單位為準(zhǔn)，獲取205份角茴香樣品分布信息（圖1）。

注：該圖基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS（2023）2767號(hào)的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)地圖繪制，底圖無修改，圖3、圖4下同。

1.2? 生態(tài)因子獲取

本文使用數(shù)據(jù)來自于全球氣候數(shù)據(jù)庫(kù)Worldclim （https：//www.worldclim.org/），所獲取的數(shù)據(jù)為1970—2000年的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括19個(gè)當(dāng)前氣候條件下的綜合生態(tài)因子，空間分辨率為10 minutes；未來氣候數(shù)據(jù)部分使用的是2021—2040年和2041—2060年低排放情景 （ssp126）下的BCC-CSM2-MR氣候數(shù)據(jù)，空間分辨率為10 minutes。

1.3? 方法

1.3.1? MaxEnt模型參數(shù)設(shè)置

將轉(zhuǎn)換為csv格式的樣點(diǎn)信息導(dǎo)入MaxEnt模型，隨機(jī)測(cè)試率設(shè)定為15%，最大迭代次數(shù)為106次，運(yùn)行次數(shù)設(shè)定為10次，生態(tài)適應(yīng)度計(jì)算取10次運(yùn)行的平均值，將10次運(yùn)行的平均值作為生態(tài)適宜性計(jì)算的結(jié)果，同時(shí)確定響應(yīng)曲線、受試者工作特征ROC曲線和刀切法（Jackknife）。響應(yīng)曲線用于評(píng)估生態(tài)因子的適宜度生長(zhǎng)區(qū)域，ROC曲線和曲線下面積（AUC）值用于評(píng)估模型的準(zhǔn)確性，刀切法（Jackknife）用于檢驗(yàn)生態(tài)因子權(quán)重[10]。

1.3.2? 精確度預(yù)測(cè)

曲線下面積（AUC）用于評(píng)估預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果AUC值為0.5～0.6，則表示模型無法預(yù)測(cè)；0.6～0.7，則表示較差；0.7～0.8，則表示一般；0.8～0.9，則表示較好。如果AUC值大于0.9，則表示預(yù)測(cè)性能極佳，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)物種的潛在分布范圍[11]。

1.3.3? 生態(tài)適宜性區(qū)域劃分

基于MaxEnt模型預(yù)測(cè)中國(guó)角茴香分布情況，將MaxEnt結(jié)果載入ArcGIS10.8軟件。在ArcGIS10.8軟件中將結(jié)果轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)并用于分析。同時(shí)，提取角茴香潛在適宜區(qū)分布圖，對(duì)得到的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分類，并根據(jù)適宜性指數(shù)的P值將角茴香的適宜性分為4類，即P<0.05為不適宜區(qū)；0.05≤P<0.25為低適宜區(qū)；0.25≤P<0.50為中適宜區(qū)；P>0.5為高適宜區(qū)[12]。

2? ?結(jié)果

2.1? 最大熵模型精確度評(píng)價(jià)

運(yùn)行MaxEnt模型時(shí)生成了角茴香分布的ROC曲線（圖2），訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的AUC=0.987，測(cè)試數(shù)據(jù)集的AUC=0.986，這表明MaxEnt模型在預(yù)測(cè)角茴香潛在分布方面有效，具有很高的可靠性和準(zhǔn)確性。

2.2? 主要生態(tài)因子篩選

通過MaxEnt模型對(duì)19個(gè)生態(tài)因子的貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明，影響角茴香在中國(guó)潛在分布的主要生態(tài)因子依次為：最冷季節(jié)降水量（貢獻(xiàn)率為33%）、最冷季節(jié)平均溫度（貢獻(xiàn)率為31.6%）、最暖季節(jié)降水量（貢獻(xiàn)率為17.3%）、晝夜溫差與年溫差比值（貢獻(xiàn)率為3%）、年平均溫度（貢獻(xiàn)率為2.8%）、最干燥季節(jié)的平均溫度（貢獻(xiàn)率為2.2%）和降水量季節(jié)性變化方差（貢獻(xiàn)率為2.1%），累計(jì)貢獻(xiàn)率為92%。角茴香生態(tài)因子貢獻(xiàn)率見表1。

2.3? 生態(tài)適宜性區(qū)劃

通過最大熵模型得到的角茴香生態(tài)適宜性區(qū)劃分布圖顯示，角茴香在國(guó)內(nèi)部分地區(qū)廣泛分布，顏色由淺入深分別代表非適生區(qū)、低度適生區(qū)、中度適生區(qū)和高度適生區(qū)。高適宜分布的區(qū)域主要集中在北京、河北北部、山西、河南、山東西部和南部、陜西、內(nèi)蒙古南部、甘肅東部、寧夏、西藏南部和東部及四川西部，基于MaxEnt模型預(yù)測(cè)的角茴香潛在分布高度適生區(qū)面積約為77.4×104 km2。中度適宜分布的區(qū)域集中在河北東部、內(nèi)蒙古東部和東南部、遼寧北部、新疆、西藏西部和東部、云南及青海南部，角茴香潛在分布中度適生區(qū)面積約為82.9×104 km2。低度適宜分布的區(qū)域集中在黑龍江、吉林、遼寧北部、內(nèi)蒙古東北部、山東北部、四川部分地區(qū)、西藏部分區(qū)域和新疆西北部，低度適生區(qū)面積約為173.3×104 km2。非適宜分布的區(qū)域則主要分布在貴州、重慶、廣西、廣東、福建、浙江、江西、海南和安徽，面積約為615.7×104 km2（圖3）。

3? 未來氣候條件下角茴香的分布情況

通過從WorldClim下載的2021—2040年和2041—2060年低排放情景（ssp126）下的BCC-CSM2-MR氣候數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成asc格式并結(jié)合角茴香的經(jīng)緯度信息加載到MaxEnt模型中，從而獲得了角茴香未來氣候變化圖。結(jié)果顯示，角茴香的生態(tài)適宜性分布區(qū)域?qū)⒚黠@增加，未來的適生區(qū)將向東北部和西部擴(kuò)張，黑龍江南部、吉林西部、遼寧西北部、內(nèi)蒙古東部及新疆西北部和南部將成為低度適宜的生長(zhǎng)區(qū)域（圖4）。

4? 結(jié)論

利用MaxEnt與ArcGIS針對(duì)中國(guó)角茴香的生態(tài)適宜性區(qū)劃建模，研究角茴香分布情況，在適宜范圍上更具體化與精準(zhǔn)化。本研究基于角茴香的自然分布信息及環(huán)境因子數(shù)據(jù)，利用MaxEnt模型和ArcGIS技術(shù)對(duì)中國(guó)角茴香的生態(tài)適宜區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果經(jīng)ROC曲線驗(yàn)證，測(cè)試數(shù)據(jù)集和訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的AUC值均大于 0.9，表明利用該模型對(duì)角茴香生態(tài)適應(yīng)性范圍的預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，可信度高。研究結(jié)果表明，角茴香適宜性分布結(jié)果與其野生資源分布的區(qū)域基本吻合，這些研究區(qū)域?yàn)榻擒钕阋吧鷵嵊⑷斯ぴ耘噙x址提供理論依據(jù)。

5? 討論

MaxEnt模型是一種在物種生態(tài)適宜性分析和區(qū)劃研究中廣泛應(yīng)用的方法，其理論基礎(chǔ)是最大熵原理。該模型利用物種分布數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，通過尋找物種分布規(guī)律的最大熵，對(duì)物種的潛在分布進(jìn)行預(yù)測(cè)[13]。根據(jù)有關(guān)中國(guó)角茴香自然分布和19個(gè)環(huán)境因素的信息，本研究采用MaxEnt和ArcGIS相結(jié)合的方法，利用生態(tài)因子對(duì)中國(guó)角茴香的生態(tài)適宜分布區(qū)域進(jìn)行分析，并得出了影響其潛在分布的關(guān)鍵因素。這些結(jié)果為理解角茴香的生態(tài)適宜區(qū)域和分布提供了重要線索。

通過Maxent模型運(yùn)算結(jié)果經(jīng)ArcGIS制圖，基于角茴香分布點(diǎn)的生態(tài)適宜度值及正態(tài)分布曲線劃分其生態(tài)適宜區(qū)，結(jié)果顯示，在19個(gè)生態(tài)因子中計(jì)算得到7個(gè)貢獻(xiàn)率大于2%的生態(tài)因子，分別為最冷季節(jié)降水量、最冷季節(jié)平均溫度、最暖季節(jié)降水量、晝夜溫差與年溫差比值、年平均溫度、最干燥季節(jié)的平均溫度和降水量季節(jié)性變化方差，這7個(gè)生態(tài)因子是影響角茴香潛在分布的主要生態(tài)因子；其中，最冷季節(jié)降水量被確認(rèn)為是對(duì)角茴香影響最大的因子之一。角茴香是一種早春短命植物，對(duì)水分的需求較高，因此最冷季節(jié)降水量的影響與其生命周期和生活史相符合。這表明角茴香在適應(yīng)寒冷和干燥的環(huán)境條件方面具有一定的耐受性[14]。此外，研究結(jié)果也與文獻(xiàn)報(bào)道的角茴香的已知分布區(qū)域相一致，角茴香分布在寧夏、新疆、西藏、四川、青海、海南和內(nèi)蒙古等[2]。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了建立的MaxEnt模型的可靠性和準(zhǔn)確性。需要注意的是，本研究的結(jié)果僅基于已有數(shù)據(jù)和模型預(yù)測(cè)，尚需進(jìn)一步實(shí)地調(diào)查和驗(yàn)證，在預(yù)測(cè)物種適宜性分布區(qū)域時(shí)，生態(tài)因子是決定潛在地理分布的重要因素，但其他因素的影響也不能被忽視，如土壤條件、人類干擾和競(jìng)爭(zhēng)等[15]。同時(shí)，在篩選環(huán)境變量時(shí)，可以使用MaxEnt模型多次計(jì)算生態(tài)因子數(shù)據(jù)，以減小對(duì)植物生態(tài)適宜性預(yù)測(cè)的影響[16]。在后續(xù)研究中，將進(jìn)行多方面的篩選和建模，以獲得更高、更顯著的成功率。這將有助于更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)物種的分布區(qū)域，并為植物生態(tài)保護(hù)和管理提供更有效的參考依據(jù)。因此，未來的研究可以繼續(xù)探索這些因素，并進(jìn)一步完善角茴香的生態(tài)分布模型。

總之，在本研究中，結(jié)合使用MaxEnt和ArcGIS軟件，分析了影響角茴香的生態(tài)因子和適宜性分布區(qū)域，研究結(jié)果對(duì)于角茴香的生態(tài)保護(hù)和管理具有重要意義，可以更好地保護(hù)和利用角茴香這一重要的植物資源。

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