铁丝威灵仙生态适宜性区划研究

韦翡翡，吕蓉，王莉，卢有媛，林丽，晋玲，3

1.甘肃中医药大学药学院，甘肃 兰州 730000；2.南京中医药大学，江苏 南京 210023；3.中（藏）药资源研究所，甘肃 兰州 730000

铁丝威灵仙为百合科植物黑叶菝葜Smilax nigrescensWang.和短梗菝葜Smilax scobinicaulisC. H.Wright.或鞘柄菝葜Smilax stansMaxim.的干燥根及根茎，具有祛风除湿、舒筋活络、活血止痛功效[1]。威灵仙为毛茛科植物威灵仙Clematis chinensisOsbeck、棉团铁线莲Clematis hexapetalaPall.或东北铁线莲Clematis manshuricaRupr.的干燥根及根茎，用于风湿痹痛、肢体麻木、筋脉拘挛、屈伸不利、骨鲠咽喉等疾病[2]。因两者具有相似功效，在某些地方铁丝威灵仙一直作为威灵仙的替代品使用。目前，铁丝威灵仙相关研究主要是与威灵仙药材鉴别[3-4]，以及成分和药理研究[5-6]，而对其适宜性区划研究较少。最大熵（MaxEnt）模型以物种在现今分布区的环境变量和分布变量为基础，分析得到其现今分布区生态位的占比情况，从而预测该物种在一定范围内相似度极高的潜在地理及环境分布区。笔者通过对铁丝威灵仙3 个基原种分布信息的采集，结合植被类型、气象数据及土壤数据，再利用MaxEnt 模型和地理信息系统（GIS）分析技术对中药铁丝威灵仙的生态适宜性范围进行探索，初步得到影响该药材生态适宜性分布的主要生态因子及适宜生长区，为野生资源抚育和人工种植区的选择提供基础。

1 材料及方法

1.1 仪器及样本收集

便携式卫星导航仪（GPS Rino 530HCx），北京佳明航电科技有限公司。查阅相关文献，得到铁丝威灵仙基原种的分布范围[7]。于2015－2018 年采集黑叶菝葜、短梗菝葜和鞘柄菝葜样本，记录经纬度、海拔和生境；查阅中国数字植物标本馆（http://cvh.cn./cms），收集3 种菝葜分布信息，无经纬度信息则以最小行政单位为准。但在bingmap 同一栅格有2 个数据时，选择保留1 个点。将3 种菝葜信息按物种名、经度和纬度顺序分别进行Excel2010 表格整理，并保存为.csv 文件。

1.2 研究方法

1.2.1 生态因子获取与筛选

本文使用的生态因子数据（气候、土壤、地形、和植被类型）来源于“中药资源空间信息网格数据库”（http://www.tcm-resources.com/）。分别将3 种菝葜分布信息和55个生态因子导入MaxEnt软件进行迭代运算，弃去运算结果中贡献率为0 的生态因子，进行下次运算，直至运算结果全部生态因子贡献率不为0 为止，选取贡献率大、权重高的生态因子为主生态因子。

1.2.2 最大熵模型设置及评价

分别将3 种菝葜标本信息及环境信息按软件保存后（.csv 文件）导入MaxEnt 软件，因数据量较大，所以使用85%标本点建立模型，利用15%进行模型验证，以更加准确保证数据合理性；最大迭代次数为106，利用ROC 评价曲线和刀切法（jackknife）检验权重，其他参数均为默认值。以ROC 曲线及曲线下面积（AUC）对模型进行精准评价。

1.2.3 铁丝威灵仙生态适宜性分析

将MaxEnt 最后一次运算数据导出为.csv 文件，结合原始标本信息，利用GIS 计算生态适宜值并制作生态适宜性图，其中生态适宜值划分依据主要参照GIS 中运算结果属性表，其中有最小值及正态分布曲线的均值（μ）和均方差（σ），以[0，最小值]为不适宜区，[最小值，μ－σ]为次适宜区，[μ－σ，1]为适宜区，分别绘制出铁丝威灵仙中3 个种菝葜生态适宜性区划图。

2 结果与分析

2.1 样本收集

共采集到铁丝威灵仙样本64 份，其中黑叶菝葜18 份、短梗菝葜23 份、鞘柄菝葜23 份；从中国数字植物标本馆获得黑叶菝葜200 份、筛选出106 份，短梗菝葜250 份、筛选出197 份，鞘柄菝葜550 份、筛选出455 份。

2.2 最大熵模型预测精度

以MaxEnt 模型中AUC 值的大小作为评价模型预测精度的衡量标准，AUC 值越大表明模型判断力越强[8]。评价标准:0.5≤AUC＜0.6 为失败，0.6≤AUC＜0.7 为较差，0.7≤AUC＜0.8 为一般，0.8≤AUC＜0.9为好，0.9～1.0 为非常好。

黑叶菝葜、短梗菝葜和鞘柄菝葜的训练数据集和测试数据集的AUC 值依次为0.992 和0.988、0.985和0.978、0.974 和0.968，3 种菝葜训练数据集和测试数据集均AUC≥0.9，表明MaxEnt 模型具有很高的可信度。3 种菝葜ROC 评价曲线见图1。

2.3 主要生态因子的选择

对55 个生态因子进行生态适宜性运算，剔除贡献率为0 的生态因子，分别对黑叶菝葜、短梗菝葜、鞘柄菝葜数据经过10、7、5 次筛选出33 个生态因子对黑叶菝葜的生态适宜性有贡献，24 个生态因子对短梗菝葜的生态适宜性有贡献，24 个生态因子对鞘柄菝葜的生态适宜性有贡献，结果见图2。

2.4 铁丝威灵仙在我国的生态适宜性区划

黑叶菝葜适宜分布为甘肃天水-陇南一带、陕西汉中和安康地区、四川万源市、重庆市及湖北神农架地区和恩施市；次适宜分布为甘肃清水县-武山县一带，陕西陇县-洛南县一带，河南卢氏县-栾川县一带，湖北襄阳市东部和恩施部分地区，贵州遵义市，毕节市和贵阳市，四川宜宾-眉山一带，云南昭通市。见图3。

图3 黑叶菝葜生态适宜性区划图

短梗菝葜适宜分布为甘肃陇南地区、陕西宝鸡-汉中一带、河南卢氏县-栾川县一带、湖北（十堰市、襄阳市和恩施市）、湖南龙山县-永顺县一带、贵州中部和北部、四川长宁县-梓潼县一带；次适宜分布为甘肃武山县-宁县一带、陕西旬邑县-宜川县地区、山西乡宁县-陵川县一带、河南洛宁县-沥川县一带、湖北谷城县-远安县地区、湖南慈利县-绥宁县一带、贵州东南部、云南（曲靖市、文山市和泸水市）、青藏高原东南一带、和浙江一带及台湾东部。见图4。

图4 短梗菝葜生态适宜性区划图

鞘柄菝葜适宜分布主要为甘肃甘南-陇南地区、陕西汉中-商洛一带、山西中阳县-孟县一带、河南西部，以及四川绵阳市、眉山市和宜宾市；次适宜分布为甘肃兰州市、平凉和庆阳一带、陕西宝鸡市和渭南市一带、山西（绛县和阳城县）、河南洛阳-平顶山一带、湖南张家界-怀化一带、贵州全省、四川西部和南部、云南西北部和东北部、青藏高原东南边缘地区，浙江一些地区也有分布。见图5。

图5 鞘柄菝葜生态适宜性区划图

3 讨论

本研究在实地调查的基础上，结合网络共享平台，采用MaxEnt 模型对铁丝威灵仙进行生态适宜性区划预测模拟，结果ROC 曲线得到的AUC 预测值＞0.9，表明本次模型模拟是比较可靠的。通过全面筛选55 个生态因子，最终分别得到对黑叶菝葜有贡献率的生态因子24 个，对短柄菝葜有贡献的生态因子24 个，对鞘柄菝葜有贡献的生态因子24 个，最终分别得到铁丝威灵仙3 个基原种的适宜性范围。

笔者查阅资料发现，黑叶菝葜产于甘肃（东南部）、陕西（秦岭以南）、四川（中部至东部）、湖北、湖南、贵州和云南（中部至东南部），与本研究所得黑叶菝葜在我国的适宜性区划图基本一致。

短梗菝葜产于河北（西南部）、山西（中南部）、河南（西部）、陕西（秦岭以南）、甘肃（东南部）、四川、湖北、湖南、江西、贵州、云南（东南部至西北部）。这与本研究得到短梗菝葜在我国的生态适宜性区划图基本一致，但减少了河北地区的分布，增加了青藏高原东南部、浙江、安徽及台湾地区的预测适宜性分布。笔者推测可能与环境改变有关，随着全球气候变暖，原本不适宜分布的地区变成了适宜区；另有可能与本研究得到的样本量有关系，因尚未得到青藏高原、浙江、安徽和台湾地区的样本数据。

鞘柄菝葜产于河北（北京至西南部）、山西（中南部）、陕西（中南部）、甘肃南部、四川（西北部至东南部）、湖北、河南、安徽、浙江和台湾地区，与本次研究所得鞘柄菝葜在我国的生态适宜性区划图基本一致，增加了青藏高原东南部、云南（西北部和东北部）及辽宁半岛和山东（中部），笔者认为也是由于环境改变引起的适宜区迁移。

本研究中，黑叶菝葜标本信息124 份，较其他2种菝葜少，所以，黑叶菝葜的次适宜区范围明显较小，适宜性范围可能有所减小。得到更多的黑叶菝葜样本数据将使生态适宜性范围更为准确。