基于MaxEnt模型与ArcGIS的狗脊贯众潜在分布研究

杨明霞 ，秦委 ，张虹 ， ，万柄麟 ，李雯岐 ，刘守金，

1.安徽中医药大学药学院，安徽 合肥 230013； 2.安徽省中医药科学院中药资源保护与开发研究所，安徽 合肥 230013

狗脊贯众为乌毛蕨科植物狗脊蕨Woodwardiajaponica（L.f.）Smith或单芽狗脊蕨Woodwardia unigemmata（Makino）Nakai的干燥根茎，具有清热解毒、散瘀止血、杀虫功效[1]。《神农本草经》列为中品。狗脊蕨根状茎富含淀粉，可酿酒，亦可作土农药，防治蚜虫及红蜘蛛，具有较大的生产价值[2]。

MaxEnt模型可利用较少的数据，运用受试者工作特征（ROC）曲线检验预测结果，进行较准确的分析，操作简便、可靠性高，可以获得较好的预测结果，且已有很多中药材运用此模型进行潜在分布预测[3-4]。气候是影响植物地理分布的关键因素，全球气候变暖导致的多变气候对植物生长环境造成严重影响，加之我国城市化加速及中药产业旺盛，导致狗脊贯众野生资源难以满足市场需求。为此，笔者通过最大熵（MaxEnt）模型与ArcGIS结合进行适生区预测，为狗脊贯众野生资源的可持续利用提供依据。

1 资料及方法

1.1 数据来源

1.1.1 样点

通过中国数字植物标本馆（http://www.cvh.ac.cn/）收集所有狗脊蕨的样点信息，剔除无详细经纬度或地名记录者，共获得180个样点，经校对，删除重复、相邻记录，最终选择165个有效样点进行建模（见图1），将经度、纬度、物种信息存入Excel2016中，转为.csv格式保存。本文所用1∶400万分辨率中国地图及中国行政区划图均下载于国家地理信息系统（http://nfgis.nsdi.gov.cn/）。

图1 狗脊蕨样点分布

1.1.2 生态因子

从中药资源空间信息网格数据库（http://www.tcm-resources.com/）下载相关数据，共53个生态因子，涵盖气候、地形、土壤、植被4种类型。其中气候类型数据包括1～12月降水量和平均温度，以及19个综合气候因子（见表1）；3个地形类型数据为海拔、坡度、坡向；6个土壤类型数据为土壤阳离子交换能力、土壤含沙量、土壤含黏土量、土壤有效水含量等级、土壤亚类及有机碳含量；另有1个植被类型数据。所有因子通过conversion工具转化成ASCⅡ格式。将数据导入ArcGIS10.2。

表1 气候类型数据

1.2 模型构建与准确性评价

将165个样点分布信息及53个生态因子数据导入MaxEnt模型进行迭代运算，随机选取25%分布点作为测试集，75%为训练集，设置最大迭代次数为103，Bootstrap重复运算10次。通过绘制响应曲线评价生态因子适生范围，以ROC曲线及曲线下面积（AUC）评价模型精度。以刀切法（Jack-knife）检验生态因子权重。使用MaxEnt3.3.3软件进行模型运算，ArcMap10.7绘图。AUC取值范围为0～1.0，AUC＜0.6为失败，0.6≤AUC＜0.8为一般，0.8≤AUC＜0.9为良好，0.9≤AUC＜1.0为优秀，数值越接近1.0表明模型越准确。

1.3 潜在分布区域划分

利用软件ArcGIS10.2，将MaxEnt模型运算结果以ASCⅡ格式导入，与中国地图进行叠加，得到狗脊适生区分布图。对狗脊蕨的潜在地理分布区域进行适生等级划分，根据P值将狗脊蕨潜在分布预测区分为4个等级：P＜0.05为不适生区，0.05≤P＜0.25为低适生区，0.25≤P＜0.5为较适生区，P≥0.5为高适生区。

2 结果与分析

2.1 预测精度

精度由ROC曲线及AUC进行评价，ROC曲线由MaxEnt自带函数对训练集进行10次模拟后取均值获得，AUC=0.989，说明MaxEnt模型预测结果达到优秀，可靠性和准确性比较高。见图2。

图2 狗脊蕨生态分布模型ROC曲线

2.2 潜在分布区及其适生区

利用ArcGIS统计分析工具和MaxEnt模型结果，发现狗脊潜在分布区及其适生区面积主要分布在秦岭以南、长江中上游地段，集中在重庆、贵州、广西、湖南；另外，长江中下游及江南丘陵也有少量分布（见图3）。与《中国植物志》[2]所载一致。气候类型以亚热带季风气候为主，其特点是夏季高温多雨，冬季温和少雨，降水充沛，植被主要表现为由常绿阔叶林带逐步过渡为落叶阔叶林带，狗脊蕨多生于常绿阔叶林林下、林缘及空气湿润地区的次生灌丛中。

图3 狗脊蕨适生分布区划

2.3 主导生态因子特征

通过计算狗脊蕨适生区中不同生态因子所占比例，可确定其影响的贡献率。结合表2和图4可知，5月降水量（40.6%）、最干季降水量（7.2%）、11月降水量（7.2%）、海拔（5.4%）、10月降水量（5.2%）对狗脊蕨适生影响较大，贡献率≥2%的生态因子累计贡献率为77.7%，其中降水量累计贡献率超过70%，温度的贡献率仅为2.3%，海拔占5.4%，由此推测狗脊蕨的生长对土壤水分和空气湿度要求较高，而对温度等要求较低。5月降水量的贡献率排在第一位，显著高于其他变量，而温度季节性变化的标准差、海拔等变量影响较小。主导环境因子响应曲线见图5。

表2 影响狗脊蕨分布贡献率≥2%的生态因子

图4 狗脊蕨分布预测模型刀切图

图5 狗脊蕨主导生态因子响应曲线

3 讨论

基于狗脊蕨地理分布信息及生态因子的研究，利用MaxEnt模型与ArcGIS预测其在中国境内的生态适生性分布区。研究表明，5月降水量是影响狗脊蕨分布最主要的生态因子。由图5可知，当5月降水量＜10 mm时，狗脊蕨几乎无法生长；当降水量＞10 mm，狗脊蕨分布开始急剧上升；15 mm时达到峰值，此时最有利于狗脊蕨生长。由此可见，5月降水量直接影响狗脊蕨的生长情况。10月、11月、最干季降水量＞5 mm时，狗脊蕨有生长趋势，10月降水量＞12.5 mm、11月降水量＞8 mm、最干季降水量＞20 mm时，狗脊蕨生长趋于稳定。狗脊蕨在海拔300～2 000 m均有分布，但随着海拔升高，分布逐渐减少。模拟时影响最大的生态因子是降水量，与本研究结论相符。

狗脊蕨多生于山谷沟旁或林下阴湿处，喜阴凉湿润的酸性土壤。鉴于生长特性及生态因子的影响，狗脊蕨栽培地需保证阴湿环境及土壤pH值，其他条件要求不高。一般于春、秋季进行，5～6月最好，因狗脊蕨有分株法繁殖和孢子繁殖，梅雨季节空气湿度大，生长恢复快。因其根系生长旺盛，繁殖时应保证土层质疏松、透气，即可正常生长。

研究显示，狗脊蕨对降水量的适生性范围较大，野生环境下的生长地形以秦岭以南为主。秦岭山地对气流运行有明显阻滞作用，夏季使湿润的海洋气流不易深入西北，导致北方气候干燥；冬季阻滞寒潮南侵，使汉中盆地、四川盆地免受冷空气侵袭。这种气候特点可保证秦岭以南河流不冻，植被以常绿阔叶林为主，土壤多呈酸性。与《中国植物志》[2]所描述的狗脊蕨生长在酸性土壤环境相一致。

由于本研究采集狗脊蕨的样点信息来自中国数字植物标本馆，大部分信息更新不及时，样点采集地记载模糊，存在一定的数据偏差。最终被用来建模的信息远少于采集样点记录的信息，对建模的准确性产生一定影响，因此，本研究在某些方面存在瑕疵。

本研究利用MaxEnt模型和ArcGIS软件确定了影响狗脊蕨生长的生态因子，模拟并划分其潜在适生区。预测结果经ROC曲线显示AUC=0.989，表明MaxEnt模型预测的狗脊蕨生态适生性分布区可信度较高，可为狗脊蕨的资源分布及适生环境提供可靠数据，有助于狗脊蕨的野生抚育及人工种植参考，对其可持续利用具有重要指导意义。