古麗米拉·克孜爾別克　邱琴　海拉提·克孜爾別克

摘要：利用最大熵模型（MaxEnt）預(yù)測阿勒泰金蓮花潛在適生區(qū)能夠?yàn)樾陆⒗仗┙鹕徎ǖ目茖W(xué)規(guī)范種植提供有效的理論指導(dǎo)和依據(jù)。以12個(gè)實(shí)際分布數(shù)據(jù)及42個(gè)環(huán)境因子為依據(jù)，采用MaxEnt模型結(jié)合GIS（地理信息系統(tǒng)）空間分析技術(shù)預(yù)測阿勒泰金蓮花潛在適生區(qū)，用聚類分析法劃分適生區(qū)等級，使用百分比貢獻(xiàn)率分析其主要環(huán)境因子及生態(tài)位參數(shù)。結(jié)果表明：（1）ROC（受試者工作特征）曲線評價(jià)顯示MaxEnt模型預(yù)測阿勒泰金蓮花潛在適生區(qū)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)集的AUC（ROC下的面積）值分別為0.943和0.994，表明模擬效果優(yōu)秀。（2）影響阿勒泰金蓮花生長的主要環(huán)境因子百分比貢獻(xiàn)率是日照時(shí)數(shù)（24.63%）、4月降水量（24.29%）、年平均最高氣溫（22.89%）和11月降水量（17.91%）;阿勒泰金蓮花適宜生長在日照時(shí)數(shù)≥2868h、4月降水量≤21mm、年平均最高氣溫≤9.1℃和11月降水量≤14.8mm的環(huán)境中。（3）阿勒泰金蓮花潛在適生區(qū)總面積為46042.45km2，其中最適生區(qū)面積7536.71km2，主要分布于阿勒泰市、布爾津縣、富蘊(yùn)縣和哈巴河縣的北部。阿勒泰金蓮花潛在適生區(qū)呈北高南低的空間分布格局，降水、日照和氣溫是影響其分布的主要環(huán)境因子。

關(guān)鍵詞：阿勒泰金蓮花;潛在適生區(qū);最大熵模型;環(huán)境因子;AUC值

中圖分類號：S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2021）04-0082-05

作者簡介：古麗米拉·克孜爾別克（1969—），女，新疆昌吉人，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)信息化、計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的研究。E-mail：942010075@qq.com。

阿勒泰金蓮花為毛莨科多年生草本植物，是一種很重要的非木質(zhì)資源。阿勒泰金蓮花是壩上優(yōu)良茶品，具有較高的觀賞價(jià)值和良好的藥用價(jià)值，以其花入藥，具有清熱解毒、抗菌消炎、止血止咳、明目等功效[1]，對扁桃腺炎、中耳炎、結(jié)膜炎、目赤腫痛等癥療效顯著[2]。金蓮花資源分布廣，但由于人類過度采摘、開荒耕作及旅游業(yè)的發(fā)展使其生境不斷減少，資源蘊(yùn)藏量逐年下降，加之金蓮花較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和藥用價(jià)值深受人們青睞，與日俱增的市場需求，導(dǎo)致野生金蓮花面臨資源枯竭的局面。當(dāng)下關(guān)于金蓮花的研究主要集中于其化學(xué)成分、藥理作用、臨床應(yīng)用等方面[3-5]。索風(fēng)梅等運(yùn)用不同方式對金蓮花在全國的適宜性區(qū)劃進(jìn)行分析，對合理發(fā)展金蓮花引種栽培具有重要意義[6-8]。但關(guān)于新疆地區(qū)阿勒泰金蓮花潛在適生區(qū)方面的研究鮮有報(bào)道，難以有效改善新疆野生金蓮花資源匱乏的現(xiàn)狀。因此，使用科學(xué)合理的方法研究生長環(huán)境因子對阿勒泰金蓮花分布區(qū)域的影響，選擇金蓮花適宜生長地區(qū)進(jìn)行引種和人工栽培，以期為阿勒泰野生金蓮花的資源開發(fā)和物種多樣性保護(hù)提供理論依據(jù)，也為阿勒泰金蓮花藥材種植落實(shí)扶貧政策提供有利保障。

數(shù)字模型在物種潛在適生區(qū)的研究中越來越被廣泛應(yīng)用，選擇合適的模型不僅能夠科學(xué)準(zhǔn)確地判斷物種實(shí)際生長環(huán)境需求，還能為保護(hù)瀕危物種的生物多樣性提供強(qiáng)有力的支持。目前，應(yīng)用于物種潛在適生區(qū)預(yù)測的生態(tài)位模型有多種，如規(guī)則集遺傳算法模型（geneticalgorithmforrulesetprediction，簡稱GARP）、廣義線性模型（generalizedlinearmodel，簡稱GLM）、生物氣候模型（bioclimaticpredictionsystem，簡稱Bioclim）、區(qū)域環(huán)境模型（domainmodel，簡稱Domain）、CLIMEX（climatechangeexperiment）和最大熵模型（maximumentropymodel，簡稱MaxEnt）[9]。根據(jù)研究表明，MaxEnt與其他模型相比，運(yùn)行更穩(wěn)定[10]、運(yùn)算速度更快、預(yù)測精度更高[11]，且在物種分布點(diǎn)匱乏的情況下，也可以得到較好的預(yù)測結(jié)果。因此，MaxEnt模型已成為物種地理分布預(yù)測的首選模型[12]。1957年MaxEnt模型被提出，該模型通過計(jì)算一定生態(tài)位約束條件下熵值最大的概率分布，根據(jù)熵最大時(shí)的狀態(tài)參數(shù)獲取物種與環(huán)境的關(guān)系，進(jìn)而估計(jì)物種的分布，具有較高的預(yù)測準(zhǔn)確度[13]。MaxEnt模型已被應(yīng)用于包括沙生檉柳[14]、白櫟[15]、胡楊[16]等多個(gè)物種的適生區(qū)研究，并取得了良好的研究成果。本研究采用多種方式獲取阿勒泰金蓮花的分布信息和環(huán)境變量數(shù)據(jù)，基于MaxEnt模型預(yù)測阿勒泰金蓮花的潛在適生區(qū)，利用ArcGIS科學(xué)地對其潛在分布進(jìn)行適宜等級劃分，進(jìn)而分析影響阿勒泰金蓮花的關(guān)鍵環(huán)境因子及其最佳適宜性區(qū)間，旨在為阿勒泰金蓮花的科學(xué)規(guī)范種植提供理論依據(jù)和工具支持，以期為保護(hù)阿勒泰金蓮花資源提供有益參考。

1材料與方法

1.1樣本信息

查閱《中國植物志》和中國數(shù)字植物標(biāo)本館（http：//ww.cvh.org.cn./cms）資料，明確阿勒泰金蓮花的大致生長環(huán)境及分布區(qū)域，于2018、2019年6—7月實(shí)地調(diào)查，共獲得12個(gè)樣本點(diǎn)，并記錄各樣本點(diǎn)的經(jīng)緯度、海拔和面積，總體反映了阿勒泰地區(qū)范圍內(nèi)各種類型地形中金蓮花的分布狀況。采用Excel使分布點(diǎn)數(shù)據(jù)按物種名、分布點(diǎn)經(jīng)緯度順序?qū)С霾⑥D(zhuǎn)換為csv格式文件，作為MaxEnt軟件阿勒泰金蓮花的實(shí)際分布輸入數(shù)據(jù)。

1.2環(huán)境變量數(shù)據(jù)獲取

本研究采用的環(huán)境數(shù)據(jù)含有42個(gè)環(huán)境因子：（1）氣候數(shù)據(jù)，主要包括與氣溫和降水相關(guān)的39個(gè)氣候因子，其中20個(gè)氣候因子數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)阿勒泰6個(gè)氣象站1995—2018年的逐日地面觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)整理后利用ANUSPLIN插值軟件處理后所得，包括年平均最低氣溫、年平均最高氣溫、年極端最低氣溫、年極端最高氣溫、0℃積溫、日照時(shí)數(shù)、1—12月降水量、日降水量≥0.1mm日數(shù)、平均相對濕度等。同時(shí)增加了來源于世界氣候數(shù)據(jù)庫（WorldClim，http：//www.worldeclim.org）空間分辨率為30″的19個(gè)生物氣候因子。（2）地形數(shù)據(jù)，包含高程、坡度和坡向，高程數(shù)據(jù)從地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.scloud.cn）獲取，并將高程數(shù)據(jù)在ArcGIS中利用空間分析工具得到坡度數(shù)據(jù)和坡向數(shù)據(jù)。利用ARCGIS軟件將所有環(huán)境變量的圖層進(jìn)行重采樣操作，統(tǒng)一像元大小，使用提取工具統(tǒng)一邊界，并統(tǒng)一地理坐標(biāo)系為GCS-WGS-1984，最后將各圖層轉(zhuǎn)換為asc格式文件，作為MaxEnt軟件的環(huán)境變量輸入數(shù)據(jù)。（3）阿勒泰地區(qū)數(shù)據(jù)，來源于國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站（http：//nfgis.nsdi.gov.cn/）1∶400萬中國行政區(qū)劃矢量地圖。

1.3MaxEnt模型的構(gòu)建

將阿勒泰金蓮花分布點(diǎn)和環(huán)境變量數(shù)據(jù)導(dǎo)入MaxEnt3.4.1軟件（http：//www.cs.princeton.edu/～schapire/maxent），設(shè)置刀切法、響應(yīng)曲線，并輸出預(yù)測結(jié)果，選取25%分布點(diǎn)作為測試集，剩余的75%分布點(diǎn)作為訓(xùn)練集，以ASCII格式輸出，模型的其他參數(shù)均為默認(rèn)值。通過刀切法測定各環(huán)境因子的權(quán)重，進(jìn)而識別影像阿勒泰金蓮花空間分布的主要環(huán)境因子，以受試者工作特征曲線（receiveroperatingcharacteristiccurve，簡稱ROC）下的面積（即AUC值）來評估模型預(yù)測的準(zhǔn)確性，對響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，得到各環(huán)境因子的適宜性閾值。

1.4環(huán)境因子篩選

將處理后的12份阿勒泰金蓮花分布點(diǎn)及42個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)導(dǎo)入MaxEnt模型軟件進(jìn)行迭代運(yùn)算，挑選出運(yùn)算結(jié)果中貢獻(xiàn)率為0的環(huán)境因子予以剔除，再次運(yùn)算，經(jīng)多次運(yùn)算篩選直至所有環(huán)境因子均有貢獻(xiàn)率，以提高模型的模擬準(zhǔn)確度。其中貢獻(xiàn)率大、權(quán)重高的為影響阿勒泰金蓮花分布適宜性的主導(dǎo)環(huán)境因子。

1.5潛在適生區(qū)劃分

將MaxEnt模型輸出的結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS軟件中進(jìn)行適生區(qū)分析，首先通過ArcGIS轉(zhuǎn)換工具（ConversionTools）將ASCII格式文件轉(zhuǎn)換為Raster格式，并對其進(jìn)行重分類（Reclassify）操作，劃分阿勒泰金蓮花潛在分布區(qū)的適宜度等級，共分成4個(gè)等級：非適生區(qū)、低適生區(qū)、較適生區(qū)以及最適生區(qū)，繪制金蓮花在阿勒泰地區(qū)的適生區(qū)分布，最后運(yùn)用ArcGIS的字段計(jì)算器計(jì)算各類適生區(qū)的面積，并統(tǒng)計(jì)出面積百分比。

2結(jié)果與分析

2.1模型預(yù)測效果評價(jià)

MaxEnt模型采用受試者評價(jià)特征（receiveroperatingcharacteristiccurve，簡稱ROC）曲線對適生區(qū)分析結(jié)果進(jìn)行精度評估，ROC曲線以假陽性率作為橫坐標(biāo)，真陽性率作為縱坐標(biāo)，曲線與橫坐標(biāo)之間所構(gòu)成的面積值為AUC（areaundercurve）。利用AUC值對模型預(yù)測的準(zhǔn)確性進(jìn)行評價(jià)，AUC值越大表示模型預(yù)測結(jié)果精度越高[17]。AUC值在0.5～0.6之間為不及格;>0.6～0.7時(shí)為較差;>0.7～0.8時(shí)為一般;>0.8～0.9時(shí)為良好;>0.9～1.0時(shí)為優(yōu)秀[18]。結(jié)果表明，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)集的AUC值分別為0.943和0.994（圖1），遠(yuǎn)大于隨機(jī)預(yù)測的AUC值（0.5），說明模型的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際分布區(qū)具有較高的擬合度，表明由模型預(yù)測的金蓮花潛在適生區(qū)具有較好的準(zhǔn)確度和可信度。

[FK（W10][TPGLML1.tif][FK）]

2.2主導(dǎo)環(huán)境因子分析

基于MaxEnt模型，采用刀切法檢驗(yàn)可判斷各環(huán)境因子對阿勒泰金蓮花適生區(qū)分布增益的貢獻(xiàn)率及權(quán)重，進(jìn)而可分析影響物種分布的主要環(huán)境因子。結(jié)果顯示（表1），影響阿勒泰金蓮花分布的降水因子貢獻(xiàn)率為45.89%，日照時(shí)數(shù)貢獻(xiàn)率為24.63%，氣溫貢獻(xiàn)率為22.89%，19個(gè)生物氣候變量因子的貢獻(xiàn)率為5.15%，地形因子貢獻(xiàn)率為0.83%，相對濕度貢獻(xiàn)率為0.61%，表明降水、日照時(shí)數(shù)和氣溫是影響阿勒泰金蓮花分布的主要因子。其中日照時(shí)數(shù)、4月降水量、年平均最高氣溫和11月降水量的貢獻(xiàn)率分別為24.63%、24.29%、22.89%和17.91%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)89.72%，是影響阿勒泰金蓮花生長區(qū)分布最關(guān)鍵的環(huán)境因子。地形數(shù)據(jù)中坡度的貢獻(xiàn)率僅為0.83%，表明地形數(shù)據(jù)對阿勒泰金蓮花的整體分布范圍基本無影響。

使用MaxEnt模型生成的響應(yīng)曲線（responsecurve），分析各主導(dǎo)環(huán)境變量在研究區(qū)域內(nèi)分布的適宜取值范圍（圖2）。響應(yīng)曲線的橫坐標(biāo)表示環(huán)境變量作用區(qū)間范圍，縱坐標(biāo)表示對應(yīng)的環(huán)境變量與分布率的自然對數(shù)，縱坐標(biāo)值與目標(biāo)物種在該環(huán)境變量下的適宜性成正比趨勢。以潛在分布概率閾值0.41提取阿勒泰金蓮花主要環(huán)境因子變化范圍。由圖2-a可知，日照時(shí)數(shù)≥2868h適合阿勒泰金蓮花的生長，隨著日照時(shí)數(shù)的增加，阿勒泰金蓮花的存在概率不斷增大，其最適區(qū)間為3340～3350h。在圖2-b中，隨著4月降水量的增加，阿勒泰金蓮花的存在概率急劇下降，4[KG*8]月降水量[KG*8]≤21[KG*3]mm[KG*8]為阿勒泰金蓮花出現(xiàn)的閾值區(qū)間，其中在7.7～58.0mm區(qū)間里，阿勒泰金蓮花的分布概率出現(xiàn)了明顯的下降，在0.0～7.6mm范圍內(nèi)保持較平穩(wěn)，為最適宜生長的區(qū)間。在圖2-c中，阿勒泰金蓮花的存在概率為年平均最高氣溫≤9.1℃，其中-5.8～2.1℃區(qū)間是最適宜區(qū)間，存在概率最高，2.2～15.3℃存在概率緩慢下降至最低。在圖2-d中，11月降水量≤14.8mm適合阿勒泰金蓮花生長，阿勒泰金蓮花在11月降水量梯度上隨著降水量的增大存在概率明顯降低，其最適范圍為0.0～4.1mm。

2.3阿勒泰金蓮花潛在分布區(qū)分析

以分布概率閾值0.41對阿勒泰金蓮花潛在適生分布圖進(jìn)行等級劃分（圖3）：0.00～0.41為非適生區(qū)，>0.41～0.73為低適生區(qū)，>0.73～0.88為較適生區(qū)，>0.88～1.00為最適生區(qū)。分布等級圖面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表2）顯示，阿勒泰金蓮花潛在適生區(qū)總面積為46042.44km2，占阿勒泰總面積的38.97%。其中最適生區(qū)面積7536.71km2，主要分布于布爾津縣和阿勒泰市，分別占最適生區(qū)總面積的42.55%和21.99%;較適生區(qū)總面積為14715.21km2，主要分布于阿勒泰市、富蘊(yùn)縣和布爾津縣，分別占較適生區(qū)總面積的25.16%、23.27%、22.77%，低適生區(qū)面積為23790.52km2，主要集中于青河縣和富蘊(yùn)縣，占低適生區(qū)總面積的31.34%和22.17%。將MaxEnt模型預(yù)測的阿勒泰金蓮花適生區(qū)分布與實(shí)際分布點(diǎn)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)實(shí)際分布點(diǎn)多集中于高適生區(qū)和較適生區(qū)內(nèi)，表明該研究可信度較高。

3討論與結(jié)論

當(dāng)前有關(guān)新疆地區(qū)阿勒泰金蓮花的研究相對較少。主要是由于大多數(shù)文獻(xiàn)對新疆地區(qū)金蓮花的分布區(qū)域記載不夠詳盡，對預(yù)測模型所需的分布坐標(biāo)帶來了困難。研究中所使用的分布點(diǎn)來自于實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，基本能夠反映分布點(diǎn)的準(zhǔn)確性。環(huán)境因子來源于各官網(wǎng)發(fā)布數(shù)據(jù)，且已被廣泛應(yīng)用于各物種的適生區(qū)研究中，具有較高的權(quán)威性和可靠性。因此，本研究所得模擬結(jié)果對于阿勒泰金蓮花的科學(xué)開發(fā)與生產(chǎn)具有較高的參考價(jià)值。

本研究基于阿勒泰金蓮花資源調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合最大熵模型MaxEnt和ArcGIS空間分析軟件，較直觀地預(yù)測了阿勒泰金蓮花的潛在適生區(qū)分布，并分析了影響阿勒泰金蓮花潛在適生區(qū)的主要環(huán)境因子。MaxEnt模型檢測結(jié)果經(jīng)ROC曲線驗(yàn)證顯示，訓(xùn)練集的AUC值為0.994，測試集的AUC值為0.943，模型預(yù)測結(jié)果均達(dá)到優(yōu)秀水平（0.9≤AUC<1.0），表明該模型預(yù)測結(jié)果精準(zhǔn)度高、可靠性強(qiáng)。

MaxEnt模型預(yù)測結(jié)果表明，阿勒泰金蓮花潛在適生區(qū)總面積為46042.45km2，約占阿勒泰總面積2/5，主要位于阿勒泰市、布爾津縣、富蘊(yùn)縣、哈巴河和青河縣的北部，整體呈北高南低的分布格局。根據(jù)潛在適生區(qū)分布統(tǒng)計(jì)：最適生區(qū)面積主要分布于布爾津縣和阿勒泰市，同時(shí)布爾津縣、阿勒泰市和富蘊(yùn)縣在較適生區(qū)占較高比例，低適生區(qū)面積主要在高適生區(qū)與較適生區(qū)的南部，集中于青河縣和富蘊(yùn)縣，在哈巴河縣有少量分布。以上研究結(jié)果符合阿勒泰金蓮花實(shí)地調(diào)查分布信息，并與新疆植物志和索風(fēng)梅等[6]研究結(jié)果基本一致，阿勒泰金蓮花適宜分布在阿勒泰、布爾津等地區(qū)。

對阿勒泰金蓮花潛在適生區(qū)分布進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在阿勒泰北部集中分布，在南部較少分布，與阿勒泰地區(qū)氣候密切相關(guān)。主要是由于金蓮花喜光、喜濕、怕澇，分布具有一定特殊性，對光照、溫度和降水量的要求較為苛刻[19]。因此，阿勒泰金蓮花主要分布于山地草坡、林下或沼澤地的草叢中，在溝谷與荒坡中分布較少[20]。阿勒泰市北部海拔更高，降水較多，氣溫低，為阿勒泰金蓮花的生長提供了適宜環(huán)境，進(jìn)而分布較為廣泛。阿勒泰南部地區(qū)地勢低，溫度高，降水量較少，使得金蓮花的生長和分布范圍受到一定的抑制。

本研究應(yīng)用刀切法檢驗(yàn)了各環(huán)節(jié)因子對阿勒泰金蓮花潛在分布區(qū)的重要性。結(jié)果表明，日照時(shí)數(shù)、4月降水量、11月降水量和年平均最高氣溫4個(gè)環(huán)境因子在影響阿勒泰金蓮花潛在分布的累積貢獻(xiàn)率達(dá)89.72%，是影響阿勒泰金蓮花生長區(qū)的主要環(huán)境因子，這與盧有媛等分析得出氣溫和降水是影響金蓮花生長分布的主要因素的結(jié)論[7]相一致。通過MaxEnt建立阿勒泰金蓮花存在率與各環(huán)境因子之間的響應(yīng)曲線，分析二者之間的關(guān)系，結(jié)果表明，主要環(huán)境因子適宜取值區(qū)間為日照時(shí)數(shù)≥2868h、4月降水量≤21.0mm、年平均最高氣溫≤9.1℃和11月降水量≤14.8mm，阿勒泰金蓮花存在率隨著日照時(shí)數(shù)增加而逐漸增大，隨著氣溫和降水量的增加而明顯下降。日照時(shí)數(shù)的貢獻(xiàn)率為24.63%，在所有環(huán)境因子中排列第一，這主要是由于光照能直接影響光合作用[21]，是影響植物生存和生長的主要環(huán)境因子。4月降水量和11月降水量累積貢獻(xiàn)率為42.20%，對金蓮花分布具有重要影響，是由于阿勒泰金蓮花具有根系淺，怕干旱，忌水澇的特性，多雨環(huán)境不利于其生長，植株易爛根死亡。因而分布集中于地形相對平緩，起伏小，既不會(huì)大范圍積水，也能維持一定的土壤濕度的區(qū)域。溫度是植物生長發(fā)育必不可少的環(huán)境條件，年平均最高氣溫不高于9.1℃，證明阿勒泰金蓮花適宜生長在低溫地區(qū)，溫度過高不利于阿勒泰金蓮花開花、結(jié)果。

金蓮花藥材有較好的市場前景，已列入我國中藥材產(chǎn)業(yè)扶貧推薦種植中藥材名錄[21]。由于對阿勒泰金蓮花研究的數(shù)據(jù)和資料有限，本研究僅基于光照、氣溫、降水和地形因素對阿勒泰金蓮花適生區(qū)分布進(jìn)行分析，而未考慮土壤、植被、人類交通、栽培技術(shù)等其他因素對阿勒泰金蓮花分布生長發(fā)揮的重要作用，這可能對阿勒泰金蓮花適生區(qū)的預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差。但通過MaxEnt模型中AUC參數(shù)評估，表明其具有較高的準(zhǔn)確性，較好地預(yù)測了阿勒泰金蓮花的潛在適生區(qū)分布，對阿勒泰金蓮花的科學(xué)規(guī)范種植具有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。依據(jù)阿勒泰地區(qū)天然地理的分布特點(diǎn)和優(yōu)勢，制定出科學(xué)的開發(fā)戰(zhàn)略，為阿勒泰金蓮花帶來最佳的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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