基于MaxEnt和ArcGIS的中药车前子生态适宜性区划研究

陈博，曹后康，吕蓉，王莉，成希，晋玲，2

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

车前子为车前科植物车前Plantago asiaticaL.或平车前Plantago depressaWilld.的干燥成熟种子。具有清热、利尿通淋、渗湿止泻、明目、祛痰等功效，用于治疗热淋涩痛、水肿胀满、暑湿泄泻、目赤肿痛、痰热咳嗽等症[1]。由于市场需求较大，为保证车前子的品质，选择适宜地区进行人工栽培是目前行之有效的方法。

最大熵（MaxEnt）模型可根据物种已知的分布数据和环境变量判断其生态需求，并以此进行该物种的分布预测，结合地理信息系统ArcGIS分析技术，可对物种的潜在分布进行预测，已广泛应用于中药相关领域[2]。本研究通过查阅资料及实地采样，收集车前和平车前样点信息，结合环境因子数据，采用MaxEnt模型预测车前和平车前生态适宜分布区，并利用ArcGIS软件将其展示出来，以期为优质中药车前子人工栽培选地提供依据。

1 资料与方法

1.1 车前和平车前样点分布数据

通过自采及查阅中国数字植物标本馆（http://www.cvh.ac.cn），收集车前和平车前样点信息，其中车前325个、平车前255个，记录其经纬度、海拔等分布信息，样点分布详见图1。

图1 车前和平车前样点分布

1.2 生态因子数据

本研究使用来源于“中药资源空间信息网格数据库”（http://www.tcm-resources.com/）的55个生态因子数据（降水、温度、植被类型、土壤亚类），选取适应车前和平车前生长的所有生态因子数据。

1.3 最大熵模型参数设置与运算

将车前和平车前样点经纬度信息导入MaxEnt3.4.0软件，设置建模参数：随机测试比例25%，最大迭代次数106，收敛门限0.000 5，其余值默认。进行迭代运算，舍弃贡献率为0的生态因子，得到各生态因子对车前和平车前生长贡献率，依据响应曲线得到主生态因子适宜范围[3]。用受试者工作特征（ROC）曲线下面积（AUC）评价预测结果的精度，取值范围0～1，若AUC＞0.9，表明此模型精确度较高。

1.4 生态适宜区划分

将MaxEnt运算结果导入ArcGIS软件，依据生态适宜度最小值及正态分布曲线的均值（μ）和均方差（δ），将车前和平车前生长区划分为不适宜区、次适宜区和适宜区3个等级，并绘制车前和平车前生态适宜性区划分布图。

2 结果与分析

2.1 模型预测精度

车前、平车前的ROC曲线训练数据集AUC分别为0.968、0.977，测试数据集AUC分别为0.927、0.940，均大于0.9，表明MaxEnt模型对预测车前和平车前的潜在分布准确度和可信度都很高。车前、平车前潜在分布MaxEnt模型ROC曲线见图2、图3。

图2 车前分布MaxEnt模型ROC曲线

图3 平车前分布MaxEnt模型ROC曲线

2.2 主生态因子选择

55个生态因子中，42个对车前生态适宜性有贡献，18个为影响车前适宜性的主要生态因子，贡献率总和为94.09%，车前主生态因子适宜值见表1；47个对平车前生态适宜性有贡献，19个为影响平车前适宜性的主要生态因子，贡献率总和为92.95%，平车前主生态因子适宜值见表2。降水量、坡度、温度、海拔、植被类型、土壤亚类为影响车前和平车前生态适宜性的主要生态因子。

表1 车前主生态因子贡献率及适宜值

表2 平车前主生态因子贡献率及适宜值

2.3 生态适宜性区划

车前生态适宜性区划见表3、图4。适宜区包括甘肃省南部边缘、陕西南部、安徽南部、四川东部、重庆、湖北中西部、浙江、福建、贵州、湖南中南部、江西、广西北部、广东南部，次适宜区包括辽宁南部、河北北部和西部、北京、天津大部、山东、山西、河南南部、宁夏、江苏中南部、安徽北部、甘肃中部、四川中部、西藏南部边缘、广西南部、广东南部、台湾中部。

图4 车前生态适宜性区划

表3 车前生态适宜性分布区

平车前主要生态适宜性区划见图5。适宜区包括吉林东部边缘、辽宁东部、青海东北角、甘肃南部、宁夏南部、陕西大部、山西、河北北部、北京、山东南部、河南西部、四川中部、云南北部、安徽南部，次适宜区包括黑龙江中部、吉林中部、辽宁西部、内蒙古中南部、西藏东南部、青海西北角、甘肃北部、宁夏北部、河北南部、天津北部、山东北部、河南东部、安徽大部、江苏中西部、浙江中北部、福建中部、江西大部、湖北大部、重庆大部、云南中部、贵州北部、湖南中北部、广西北部边缘、广东北部边缘、台湾西南边缘。见表4。

图5 平车前生态适宜性区划

表4 平车前生态适宜性分布区

续表4

3 小结

本研究对580个车前子样点进行生态适宜性区划研究，预测模型AUC均大于0.9，表明预测结果良好、可信度高，可为合理选择种植区提供依据。

车前和平车前为耐寒、耐旱型植物，对土壤要求不严格，但更适宜温暖、潮湿、向阳、沙质沃土环境。车前生长海拔为0～3 687.5 m，平车前生长海拔为388～4 000 m，超出该环境范围会影响植物营养吸收；3、4月份为发芽期，9、10月份为开花结果期，适宜的温度、充足的降水量能保证植物获取足够的营养。有报道，车前种子重量与年均温度及年降水量之间关系显著，种子重量随着年均温度及年降水量的增加而增加[4]，与本研究结果一致。