陳博,朱田田,呂蓉,晉玲,2
1.甘肅中醫藥大學藥學院,甘肅 蘭州 730000;2.中(藏)藥資源研究所,甘肅 蘭州 730000
千金子Leptochloa chinensis(L.)Nees.為禾本科Gramineae 千金子屬一年生草本濕生性植物。研究表明,千金子中含有總氮、粗蛋白、氨基酸、胡蘿卜素、鐵等營養成分,其胡蘿卜素的含量極為豐富,具有較高的營養價值[1]。因此,為保證千金子的品質,選擇適宜地區進行人工栽培是目前最行之有效的方法。筆者通過查閱資料和實地采樣,收集全國不同產區千金子樣點信息149 個,結合環境因子數據,采用最大熵(MaxEnt)模型預測千金子生態適宜分布區,并利用地理信息系統(GIS)技術將其表現出來,以期為優質千金子的人工栽培選育提供依據。
通過自采和查閱中國數字植物標本館(http://www.cvh.org.cn./cms),共收集149 份千金子樣點分布信息。樣點分布詳見圖1,具體樣點分布信息見表1。將實驗所需物種信息存儲為MaxEnt 模型要求的.csv 格式。
圖1 千金子樣點分布
表1 千金子樣點地域分布
土壤數據收集于聯合國糧農組織(FAO)和維也納國際應用系統研究所(ⅡASA)構建的世界土壤數據庫(http://www.crensed.ac.cn/);地形因子數據收集于國際科學數據服務平臺(http://datamirror.csdb.cn/);氣候數據來源于世界氣候數據庫(http://www.worldclim.org/),應用插值法,以1950-2000 年全球各氣象站點記錄數據為基礎生成。采用的中國地圖和中國行政區劃圖源自國家基礎地理信息中心網站(http://ngcc.sbsm.gov.cn/)。
將轉換為.csv 格式的千金子樣點信息導入MaxEnt 模型,隨機測試比例設置為15%,同時設置響應曲線、ROC 曲線和刀切法。用響應曲線評價生態因子適宜度范圍,用ROC 曲線及曲線下面積(AUC值)評價模型精度,用刀切法檢驗生態因子的權重。
采用AUC 值評價預測結果的精度,值越大表示模型判斷力越強(取值范圍0~1)。
導入149 份千金子樣點信息和55 個生態因子,進行迭代運算,舍棄貢獻率為0 的生態因子,得到對千金子生長影響貢獻率較高的主要生態因子,依據響應曲線得到適宜范圍。
將MaxEnt 模型導出的結果導入GIS,參照生態適宜度最小值、正態分布曲線均值(μ)和均方差(δ),以[0,μ-δ]為不適宜區,[μ-δ,μ]為次適宜區,[μ,1]為最適宜區,繪制千金子生態適宜性區劃分布圖。
在MaxEnt 模型運算中,以ROC 曲線下面積的大小預測模型準確度,AUC 數值越大,表明模型判斷力越強。千金子ROC 曲線訓練數據集AUC=0.987,測試數據集AUC=0.973,均大于0.9 而小于1,表明MaxEnt 模型預測千金子在全國的潛在分布準確度很高。千金子訓練集ROC 曲線圖,見圖2。
綜合分析表明,對千金子生長影響較大的主生態因子依次為年平均溫度(29.876 9%)>9月份溫度(26.074 0%)>最暖季節降雨量(7.480 9%)>7月份溫度(4.581 2%)>8 月份溫度(3.837 2%)>10 月份溫度(3.651 6%)>溫度季節性變化標準差(2.594 2%)>植被類型(1.706%)>最濕季節均溫(1.416 5%)>3 月份溫度(1.412%)。
圖2 千金子訓練集ROC曲線
篩選55 個生態因子,其中44個對千金子生態適宜性有貢獻率,10 個為影響千金子適宜性的主要生態因子,貢獻率總和為82.630 5%。主生態因子響應圖見圖3,主生態因子適宜值見表2。
圖3 影響千金子的主生態因子響應曲線
表2 千金子主生態因子的貢獻率及適宜值
千金子主要生態適宜性區劃為:山東南部、河南南部、安徽南部、江蘇南部、湖北中東部、重慶南部、四川東部邊緣、湖南西北部和東南部、江西東部和北部、福建西北部、廣西北部、廣東北部邊緣地區、海南南部、臺灣北部和西部邊緣地區為千金子最適宜區,遼寧東部、北京南部、天津大部、河北中部、山東大部、河南中東部、安徽北部、陜西南部、江蘇中北部、湖北西部、浙江大部、四川東部、湖南西南部、江西中南部、福建中南部、云南南部、廣西大部、廣東大部、海南中南部、臺灣東部為千金子次適宜區。見圖4、表3。
圖4 千金子生態適宜性區劃
表3 千金子生態適宜性分布概況
千金子有其生長的最低溫度、最適溫度和最高溫度。只有溫度在生長所需的最低溫度以上,千金子才開始萌發;溫度在最適范圍內,千金子生長發育良好;溫度達到最高以上,千金子將逐漸死亡。千金子萌發和生長的適宜溫度一般在20 ℃以上,溫度低則不利于生長;3 月份為植物生長的萌發期,7、8、9、10 月份為植物生長及結果期,這幾個月份溫度適宜則適于千金子生長。同時,氣溫影響土壤溫度,適宜的土溫使植物根系的生長發育良好,因此,3、7、8、9、10 月份適宜的溫度對千金子生長至關重要。
水分是影響千金子生長的另一個主要生態因素。降水的時間分布和數量是決定千金子定植、生長,物種生存組成及結構的重要因素。最暖季節的雨水蒸發量大,大量降水被蒸發到空氣中,使土壤濕度低,更適宜千金子的生長。
不同植被類型由不同物質組成,使土壤中的根系有不同形態結構和生理特點,影響植物的營養吸收。同時,不同土質植物的代謝強度和蒸騰強度不同,對千金子生長的影響也有所區別。千金子生長的環境植被類型極為豐富,多為亞熱帶、熱帶氣候,溫度在20 ℃以上。