濒危药材铁筷子生态适宜性区划研究

1，何微微2，史亚玲1，牛露露1，晋玲3，4，5，郭延秀 1

樊敏

1.甘肃医学院，甘肃 平凉 744000；2.海南科技职业大学，海南 海口 571126；

3.甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000；4.西北中藏药协同创新中心，甘肃 兰州 730000；

5.甘肃省珍稀中药资源评价与保护利用工程研究中心，甘肃 兰州 730000

摘要：目的 预测濒危药材铁筷子在我国的生态适宜性分布区，筛选影响其生长分布的主要生态因子，为铁筷子野生资源的保护和引种驯化栽培选址提供参考。方法 收集铁筷子在我国分布的样点信息，利用最大熵模型和地理信息系统软件分析影响铁筷子分布的主要生态因子，预测其生态适宜性分布区。结果 影响铁筷子生长发育的主要生态因子主要有4、10、12月份降水量，最冷月最低温度，温度季节性变化标准差，最暖月最高温度等。高适宜区主要集中分布在四川西北部、甘肃东南部、陕西南部、湖北西北部和重庆北部。结论 本研究结果可为铁筷子引种驯化栽培区的选择及野生资源保护提供参考。关键词：铁筷子；生态因子；生态适宜性区划；地理信息系统；最大熵模型

中图分类号：R282.1 文献标识码：A 文章编号：1005-5304(2024)05-0001-04 DOI：10.19879/j.cnki.1005-5304.202309167 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on Ecological Suitability Zoning of Endangered Medicinal Material Franch

FAN Min1, HE Weiwei2, SHI Yaling1, NIU Lulu1, JIN Ling3,4,5, GUO Yanxiu1

1. Gansu Medical College, Pingliang 744000, China; 2. Hainan Vocational University of Science and Technology, Haikou 571126, China; 3. Gansu University of Chinese Medicine, Lanzhou 730000, China; 4. Collaborative Innovation Center of Northwest Chinese and Tibetan Medicine, Lanzhou 730000, China; 5. Gansu Engineering Research Center for Evaluation, Protection and Utilization of Rare Traditional Chinese Medicine Resources, Lanzhou 730000, China

Abstract: Objective To predict the ecological suitability zoning of the endangered medicinal material Helleborus thibetanus Franch in China; To screen the main ecological factors affecting its growth and distribution; To provide reference for the protection of wild resources of Helleborus thibetanus Franch and the site selection of introduction and domestication. Methods Sample information of distribution of Helleborus thibetanus Franch in China was collected. The main ecological factors affecting the distribution of Helleborus thibetanus Franch were analyzed by MaxEnt model and geographic information system software, and the ecological suitability areas were predicted. Results The main ecological factors affecting the growth and development of Helleborus thibetanus Franch were precipitation in April, October and December, the lowest temperature in the coldest month, Standard deviation of temperature seasonality and the highest temperature in the warmest month. The suitable growth areas were mainly distributed in northwestern Sichuan, southeast Gansu, southern Shaanxi, northwestern Hubei and Northern Chongqing. Conclusion The results of this study can provide reference for the selection of cultivated areas and the protection of wild resources of Helleborus thibetanus Franch.

Keywords: Helleborus thibetanus Franch; ecological factors; ecological suitability zoning; GIS; MaxEnt model

Helleborus thibetanus

基金项目：中医药部门公共卫生服务补助资金项目（2018年）通讯作者：郭延秀，E-mail：gyx9581@163.com

铁筷子是秦岭地区道地药材，为毛茛科植物铁筷子Helleborus thibetanus Franch的根及根茎，性凉、味苦，有小毒，具有活血散瘀、清热解毒、消肿止痛等

功效[1]。铁筷子又名“小桃儿七”，为我国特有种，是

陕西省“太白七药”之一，具有极高的医疗价值，市场前景广阔。铁筷子含有大量挥发油类、黄酮类、脂肪酸及酯类、糖类及多种微量元素等成分[2]，具有抗肿瘤、强心、局部麻醉、免疫调节和镇痛等药理作用[3]。

铁筷子药用资源以野生资源为主，随着其医疗价值的发现，开发利用强度不断增大。然而，经长期滥采滥挖和生态环境退化，其野生资源出现濒危状况，《世界自然保护联盟濒危物种红色名录》将其列为易危物种。因此，了解铁筷子的资源分布及影响分布的生态因子，预测其适宜区，对资源的可持续开发利用十分必要。

环境是影响中药材产量和质量的重要因素。随着研究深入，基于遥感数据的区划方法已成为目前中药

材区划研究的主要方法[4]。其中，基于生态位的最大熵

（MaxEnt）模型已广泛应用于物种潜在分布区域预测研究。地理信息系统软件ArcGIS也在物种潜在分布区域的预测研究中发挥重要作用，ArcGIS运用生态学原理和数据分析对物种的潜在分布区域进行预测。二者结合已广泛应用于中医药相关领域研究如中药品种适宜性分析等。本研究运用MaxEnt模型和ArcGIS，分析影响铁筷子野生资源分布的主要生态因子，预测其潜在适宜区，为铁筷子的栽培种植条件、环境选择及野生资源保护和可持续利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

通过检索中国数字植物标本馆（https://www.cvh. ac.cn/）收集铁筷子分布的样点信息并进行统计，对数据库中未收载其经纬度信息的坐标，选择以能定位的最小行政单位进行查询，共计278条，去除相同和相似的经度、纬度及无效数据，筛选出183个铁筷子有效样点信息，样点分布见图1。将收集的铁筷子样点数据进行整理，按物种名称、分布点经度和纬度信息存储为MaxEnt软件要求的.csv格式。

1.2 生态因子筛选

本研究使用的气候、土壤、地形及植被类型等55个生态因子数据来源于中药资源空间信息网格数据库（ http://www.tcm-resources.com/）。将 183 个铁筷子样点信息和55个生态因子导入MaxEnt3.4.4 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，直至所有生态因子贡献率均大于0。最终选取贡献率高和影响权重大的生态因子作为主要生态因子。

图1

最大熵模型评价将铁筷子样点数据和55个生态因子数据导入MaxEnt3.4.4模型，其中75%数据设置为模型运算训练集，随机测试比例设置为25%。最大迭代次数为1×106，收敛阈值设为0.000 5，其余参数均为软件默认值，以受试者工作特征（ROC）曲线及曲线下面积（AUC）评价模型精度，刀切法检验生态因子的权重，从而评价预测结果可靠性[5-7]。AUC取值区间一般为[0.5， 1.0]，值越大表示准确性越高，AUC>0.9表明预测结果

0.5≤AUC<0.6 0.6≤价标准为： 表示预测模型失败，

表示精度较差，0.7≤AUC<0.8 AUC<0.7 表示精度一般， 0.8≤AUC<0.9表示精度好，0.9≤AUC<1.0

表示精度非常好。

1.4 生态适宜性区划分析

使用ArcGIS10.8软件，根据存在概率P值将铁筷子生态适宜性分布区划分为4个等级：P<0.1为不适宜区，0.1≤P<0.3为低适宜区，0.3≤P≤0.5

为中适宜区，P> 0.5为高适宜区。

2 结果与分析

2.1 模型预测评价

铁筷子样点信息及生态因子数据通过MaxEnt模型运算6次后所得ROC曲线见图2。铁筷子MaxEnt模型ROC曲线训练数据集AUC=0.989，测试数据集AUC=0.991，均大于0.9，趋近于1。表明模型预测效果较好，由模型运算得出的铁筷子生态适宜性具有较高准确性和可信度。1.3铁筷子样点分布

较好，可较准确预测物种的潜在分布区域[8-9]。具体评

图2铁筷子生态适宜性预测结果ROC曲线主要生态因子生态因子是药用植物品质形成的关键，其选取可影响模型精度的预测[10]。本研究使用55个生态因子，经MaxEnt3.4.4软件运算6次后剩余23个具有贡献率的生态因子，将筛选出的23个生态因子导入MaxEnt3.4.4软件运行得到各生态因子对铁筷子适宜范围预测的贡献率及序列重要性见表1。

表1影响铁筷子生长的主要生态因子2.2

生态因子

4月份降水量

10月份降水量

12月份降水量最冷月最低温度温度季节性变化标准差最暖月最高温度土壤酸碱度

2月份平均气温最冷季降水量土壤含沙量

3月份降水量土壤的阳离子交换能力季节降水量变异系数土壤类型

坡度

坡向土壤黏土量

1月份降水量

6月份降水量

9月份降水量

7月份降水量土壤有效水含量等级海拔缩写prec4 prec10 prec12 bio6 bio4 bio5 ph tmean2 bio19 hsl prec3 trylzjhnl bio15 soiltype slope aspect ntl prec1 prec6 prec9 prec7 tryxshldj altitude

贡献率/% 42.0 20.2 17.5 4.4 3.1 2.4 1.3 1.1 1.0 0.8 0.7 0.6 0.6 0.5 0.5 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.3 0.2

选取贡献率>0.5%的13个生态因子进行分析，其中前9个生态因子总贡献率为93.0%，分别为prec4 （42.0%）、prec10 （20.2%）， prec12 （17.5%）、bio6 （4.4%）、bio4 （3.1%）、bio5 （2.4%）、ph （1.3%）、tmean2（1.1%）、bio19（1.0%），可认为是影响铁筷子生长的主要生态因子。其中与降水量相关的因子贡献率达80.7%，说明降水量是影响铁筷子分布的决定性因素。

采用刀切法检验各生态因子对铁筷子分布影响，结果见图3。分析影响铁筷子分布的各生态因子的权重，权重得分>0.90的生态因子排序为prec4 > prec3 > prec5 > prec10 > prec9 > bio6 > tmean2 >bio15 > perc6 > bio19 > bio14 > soiltype > prec1 > bio4 > tmean1。整体而言，降水相关生态因子所占权重最大，即对铁筷子分布影响最大，其次为温度和土壤相关生态因子。

图4铁筷子适宜性区划表2我国铁筷子高适宜区分布

高适宜区文县、武都、礼县、西和、两当、徽县、灵台、崇信、崆峒、清水、麦积、秦安荣县、马尔康、理县、茂县、黑水、平武、南江、通江、平昌、营山、清平、蓬安眉县、陇县、凤县、长武、西乡、镇巴、镇坪、平利、旬阳、汉阴、石泉神农架林区、保康、谷城、房县、竹山、竹溪、光山、郧西、襄阳

城口、巫溪、巫山

区主要集中在四川西北部、甘肃东南部、陕西南部、湖北西北部及重庆北部，和《中国植物志》记载的铁筷子分布信息[12]相符。

铁筷子是秦岭地区道地药材“太白七药”之一、我国特有种，具有细胞毒活性、抗肿瘤等多种药理活性，需求量不断增加，市场发展前景广阔。目前铁筷子野生资源处于濒危状态。药材的生产布局通常还受栽培品种适应性、栽培技术、栽培设施条件、产地生态及生产力发展情况等综合影响。本研究可为铁筷子野生资源保护、栽培基地选择及产地生长环境干预提供参考。

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（收稿日期：2023-09-08） （修回日期：2023-12-13；编辑：向宇雁）