全 文 ：第 35 卷第 3 期
2015年 2月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.3
Feb.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(31070293);国家“十一五冶科技支撑计划项目(2006BAI06A13鄄06)
收稿日期:2013鄄04鄄13; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄04鄄03
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: weihy@ snnu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201304120689
郭彦龙, 卫海燕, 顾蔚,张海龙.基于模糊物元模型的桃儿七潜在地理分布研究.生态学报,2015,35(3):770鄄778.
Guo Y L, Wei H Y, Gu W,Zhang H L.Potential distributions of Sinopodophyllum hexandrum based on fuzzy matter element model.Acta Ecologica Sinica,
2015,35(3):770鄄778.
基于模糊物元模型的桃儿七潜在地理分布研究
郭彦龙1,2,, 卫海燕1,*, 顾摇 蔚2,3,,张海龙1
1 陕西师范大学旅游与环境学院,西安摇 710062
2 陕西师范大学西北濒危药材资源开发国家工程实验室,西安摇 710062
3 陕西师范大学生命科学学院,西安摇 710062
摘要:桃儿七(Sinopodophyllum hexandrum(Royle)Ying)为小檗科多年生草本植物,是我国传统濒危藏药。 依据模糊物元模型建
立桃儿七分布点位以及其产量数据与 12个气候环境因子之间的模糊隶属函数,采用最大信息熵模型确定评价指标权重,利用
GIS空间分析功能确定我国西部 7省桃儿七生境适宜性空间分布。 研究表明研究区桃儿七不适宜生境面积占研究区总面积的
61.76%;低适宜生境占 20.11%;中适宜生境占 7.70%;高适宜生境占 10.43%,主要集中在青藏高原东缘的四川、甘肃、青海境内
次生植被丰富、地形复杂的高海拔地区。 结果显示基于 GIS与模糊物元构建的生境适宜性评价模型可以准确的对我国西部 7
省桃儿七生境适宜性做出科学综合评价,量化适宜生境面积和空间分布,为其资源保护和管理提供科学依据。
关键词:桃儿七;模糊物元模型;潜在地理分布
Potential distributions of Sinopodophyllum hexandrum based on fuzzy matter
element model
GUO Yanlong1,2, WEI Haiyan1,*, GU Wei2,3,,ZHANG Hailong1
1 College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi忆an 710062, China
2 National Engineering laboratory for Resource Development of Endangered Crude Drugs in Northwest of China, Shaanxi Normal University, Xi忆 an
710062, China
3 College of Life Sciences, Shaanxi Normal University, Xi忆an 710062, China
Abstract: Specific geographic spatial information about species is an important part of species conservation. This
information is essential for addressing many challenges to species conservation such as those induced by climate change, as
well as other ecological or biological factors. It is also important for both the domestication of a wild species.
Sinopodophyllum hexandrum, a perennial herb in the berberidaceae family, is an endangered traditional Tibetan medical
plant. The wild populations of this species are scarce, and its natural reproductive ability is weak. With an increase in
popularity of this herb in both the domestic and international drug market, Sinopodophyllum hexandrum wild resources are
being depleted, and traditional areas where the plant could be found no longer host this species. Without good knowledge
about the habitat requirements of this species, species protection via habitat protection measures is not possible. Thus, the
only viable strategy for protecting this species in the wild is to restrict sales of the plant when sourced from certain countries
where the plant populations are known to be endangered. In addition to being essential for effective habitat protection,
specific information about habitat requirements for Sinopodophyllum hexandrum also facilitate cultivating the plant more
effectively鄄thus providing a sustainable supply for medical use. In our research, many samples of Sinopodophyllum
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hexandrum were collected from 25 sampling sites. Based on Matter Element Mode theory, the relationships between plant
yield and 12 climatic and environmental factors were established. Using these data as a base, we calculated the optimum
habitat conditions for Sinopodophyllum hexandrum. The next step was to use the maximum entropy model to determine the
relative importance of each environmental factor, and thus determine the most limiting habitat criteria. Finally, the probable
spatial distribution of Sinopodophyllum hexandrum across seven provinces in western China was determined based on the
weighted average method and GIS spatial analysis of habitat conditions. The root鄄mean鄄square error (RMSE) was used to
evaluate the accuracy of the model忆s prediction.The RMSE value reached 8.6%: a value which indicates predictive accuracy
of the model to have reached the level of “ Excellent 冶 . The results show five dominant climatic factors controlling
Sinopodophyllum hexandrum distribution. These five dominant features are 1) minimum temperature of coldest month
(TMIN), 2) annual mean temperature ( AMT), 3) maximum temperature of warmest month ( TMAX), 4) Annual
sunshine hours (ASH) and 5) elevation above sea level (ASL). The percentage of unsuitable habitat for Sinopodophyllum
hexandrum in this area was 61.76%, with 20.11% classified as marginally suitable habitat, 7.70% classified as moderately
suitable habitat, and 10. 43% highly suitable habitat. Thus the growing area for Sinopodophyllum hexandrum, whether
natural or cultivated, is limited. Our results showed that moderately suitable habitats and highly suitable habitats are mainly
located in Sichuan, Gansu, and Qinghai on the Eastern edge of the Qinghai鄄Tibet Plateau. This area has rich secondary
vegetation and is at high altitude. In conclusion, the habitat suitability assessment model based on GIS and Matter Element
Mode theory could accurately evaluate the habitat suitability of Sinopodophyllum hexandrum, quantify the area of suitable
habitat, and analyze the spatial distribution. This information is of value to address the choice of good agricultural practice
(GAP) and provide insight for choosing the most suitable cultivation sites, as well as habitat protection zones.
Key Words: Sinopodophyllum hexandrum (Royle) Ying; fuzzy matter element model; potential geographic distribution
桃儿七(Sinopodophyllum hexandrum (Royle) Ying)为小檗科多年生草本植物,主要分布于喜马拉雅山及
其邻近山区[1],是我国传统药用植物,重要的藏药资源。 现代医学检测证实桃儿七根茎中含有大量的具有抗
癌活性等有效药用成分,其中鬼臼毒素及其衍生物具有最为显著的抗癌活性,被广泛用于合成各种抗癌药物
的前体[2]。 但是该物种野生资源稀少,天然繁殖能力较弱,随着国内外药品市场需求的增加,桃儿七野生资
源被大规模破坏性采掘,传统道地产区生境遭到破坏,已被纳入《国家重点保护野生药材物种名录》,同时被
收录于《中国植物红皮书》为三级保护野生植物[3]。 到目前为止,国内外对桃儿七的研究主要集中在其药理
药效、栽培技术、药材品种鉴定、种群生物学、种群生态学、形态解剖学和种群遗传学等方面,而对桃儿七在我
国潜在分布区研究鲜见报道[4鄄5]。
对特定物种的生境适宜性评价与潜在分布区预测,国内外已有许多研究,该类研究往往从目标物种已知
分布出发,利用数学方法或模型归纳、模拟生态位需求,通过与目标区域生境对比,得到目标物种的适生分布
区,如MaxEnt模型[6鄄7]、生态位因子分析[8]、分类和回归树模型[9]与 Logistic回归模型[10]等。 但这些模型都侧
重于预测物种的分布,而无法对不同地理环境下生长的目标物种的品质进行预测。 生境因子回归分析与 GIS
(Geo鄄information system, GIS)支持下的植物属性空间格局预测结合起来,是国际上植被与环境关系定量研究
的新途径[11鄄12]。 基本原理都是利用经验知识信息建立物种与环境关系的多变量统计模型,与 GIS 支持的空
间环境数据相结合,对特定植物进行适宜性评价。 但对于没有明确生境适宜性标准的物种来说,特别是野生
植物物种如桃儿七等,由于对其生物地理分布和生物多样性格局的认识还十分有限,缺乏相关的专家知识和
经验模型,因此上面提及的方法是不适用的。 本文利用模糊物元模型以及信息熵理论对桃儿七在我国西部潜
在地理分布进行预测研究,确定不同生境条件下桃儿七产量范围,并以此区划研究区桃儿七不同生境类型及
地理空间分布,不仅可预测研究区桃儿七的潜在分布区,而且能够确定不同生境适宜区桃儿七的品质,为保护
和持续利用桃儿七野生资源提供建议。
177摇 3期 摇 摇 摇 郭彥龙摇 等:基于模糊物元模型的桃儿七潜在地理分布研究 摇
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1摇 材料与方法
图 1摇 研究区位置和主要种群分布点位置
Fig.1摇 Study area and geographical distribution of population
1.1摇 材料来源与数据处理
本研究通过查阅有关植物分类、植被与生态及相关
资源调查报告等文献,查阅各大标本馆标本及其记录,
了解桃儿七的分布状况,确定桃儿七分布区范围,并以
此划定研究区(图 1),经度 89毅20忆—111毅25忆 E,纬度
21毅10忆—42毅58忆 N,包括青海、甘肃、宁夏、陕西、四川、云
南 6 省以及西藏的东部地区,面积为 2760079.50 km2。
本研究中桃儿七分布点位以及产量数据来源于 2010 年
重庆市中药研究院濒危药材繁育国家工程实验室的珍
稀濒危药用植物桃儿七的资源调查报告,该调查涉及西
藏、青海、甘肃、四川、云南等省区 25个样点 212 个桃儿
七样方数据(图 1),其调查区域、调查路线、样地调查区
域、样方设置方案、调查时间以及样品处理方式等都经
过认真规划,符合操作规范,所得数据真实可信,是关于
我国桃儿七资源权威的一次静态调查[13]。
研究使用的气候栅格数据(生长期均温、生长期降
水量、年极高气温和年极低气温)来自人地系统的专题
数据库(TDHES),该数据库数据包括全国气象观测站
30个标准年的观测值的均值。 研究区大于 10 益积温、
年日照时数以及年相对湿度数据来自中国气象数据共享服务系统,本研究在该系统中收集了分布在研究区内
的 380个气象观测站 30个标准年的观测值,在 ArcGIS 9.3平台中对气象站点数据进行插值分析,将其转化成
栅格数据进行处理。 研究区数字高程模型数据 (DEM)由中国科学院国际科学数据服务平台 ( http: / /
datamirror.csdb.cn)提供。 研究区土地覆被类型数据来源于寒区旱区科学数据中心(http: / / westdc.westgis.ac.
cn),该数据是 GLC2000(Global Land Cover 2000)项目开发的基于 SPOT4遥感数据的全球土地覆盖数据中国
子集。 依据研究区域的空间大小与环境变异程度,综合考虑计算效果及原始数据的精度,本研究所有栅格分
辨率设置为 1 km 伊 1 km。
1.2摇 桃儿七生态适宜性评价因子选取
物种生态适宜性评价因子的选择是评价的关键[14],本研究根据桃儿七的生长条件并结合其生物学特性
以及前人的研究成果,选择了年均温、年降水量、10 益积温、桃儿七生长期(5 月到 9 月)均温、生长期降水量、
年日照时数、年相对湿度、年极低温、年极高温 9个气候因子和海拔、坡度、坡向 3个地形因子,共计 12 个评价
因子(表 1)。
1.3摇 研究方法
1.3.1摇 模糊物元模型
摇 摇 物元分析理论是由我国数学家蔡文于 20世纪 80年代创立,该理论从形式化角度研究事物的可拓性及其
规律方法。 对于无法用精确的数学语言进行描述现实问题,利用关联函数对事物进行量变和质变过程进行定
量描述。 近年来基于模糊数学的模糊物元模型被广泛应用于环境评价、地质土评价、城市发展评价以及昆虫
种群动态预测,并取得了不错的效果[15]。 在物元模型中,事物由一个三元有序组 R = (N, C, V)表示,其中 N
为名称,C为其特征,V为事物 N的量值,若 V具有模糊性,则 R为模糊物元。 若事物特征值 C1,C2,……,Cn,
277 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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表 1摇 基于气候环境的桃儿七潜在地理分布评价指标
摇 Table 1 摇 Evaluation index of predicting potential geographical
distributions of Sinopodophyllum hexandrum
类型
Classification
中文名称
Index for chinese
数据简称
Code
气候因子 年均温 AMT
Climatic factor 年降水量 AP
10益积温 AT
生长期均温* ATG
生长期降水量* PG
年日照时数 ASH
年相对湿度 ARH
年极低温 TMIN
年极高温 TMAX
地形因子 海拔 ASL
Topographical factor 坡度 SLOP
坡向 ASPE
摇 摇 *生长期为 5月至 9月
必有对应的 n个模糊量值 v1, v2,…,vn,则 R 即为 n 维
模糊物元。 m 个事物及其 n 维物元构成复合物元 Rnm:
Rnm =
M1 M2 … Mm
C1 滋11 滋12 … 滋1m
C2 滋21 滋22 … 滋2m
…
Cn 滋n1 滋n2 … 滋
é
ë
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ù
û
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
nm
式中, 滋ij ( i = 1, 2,…, n; j = 1, 2,…, m) 是第 j个事
物第 i个特征对应的模糊值[16]。
1.3.2摇 确定隶属规则
模糊数学是由美国自动控制专家查德 ( L. A.
Zadeh)提出的概念,其在实际应用中的核心问题是由隶
属函数刻画一个模糊子集,即通过隶属函数关系解析式
表示各个元素与模糊集合的隶属关系。 对于某个特定
的模糊集合而言,隶属函数不但可以体现它所反映模糊
概念的基本特性,而且还可以通过量化实现对其进行相
应的数学运算及处理[17]。 对于模糊数学理论在实践中
的应用,需首先解决的问题是建立模糊集的隶属函数即隶属规则,将不确定性在形式上转化为确定性,即将模
糊性加以量化,从而可以利用传统的数学方法进行分析和处理。 而在传统模糊物元模型中一般采用越大越优
型或者越小越优型,但是这俩种隶属函数都不足已描述物种对单个环境因子的适宜性,因此本研究根据桃儿
7不同样地的产量与各个生态因子之间特定关系,以及隶属函数的特点作为选取隶属函数的依据,按桃儿七
产量和各评价因子各自的滑动平均数据拟合两者之间回归曲线,进而确定选择何种模糊隶属函数[18],计算每
个因子对野生桃儿七的适宜指数,适宜指数的取值范围从 0 到 1。 0 表示在此环境下桃儿七无法生长或者无
法积累有效成分,即该环境不适合桃儿七生长;1表示该环境下桃儿七产量达到最大即最合适其生长,数值越大
表示越适合桃儿七的生长。 本研究在收集到的桃儿七采样点数据中随机选取 75%的样本作为建模数据,25%的
样本作为检验数据,同时以 Matlab2011 软件对每个单因子的隶属函数都进行误差检验,以保证模型的准确性
(表 2)。
1.3.3摇 关联变换
根据表 2中模糊隶属函数构造关联系数, 建立关联系数复合模糊物元 R孜 :
R孜 =
M1 M2 … Mm
C1 孜11 孜12 … 孜1m
C2 孜21 孜22 … 孜2m
…
Cn 孜n1 孜n2 … 孜
é
ë
ê
ê
ê
ê
ê
ê
êê
ù
û
ú
ú
ú
ú
ú
ú
úú
nm
式中, 孜ij = 滋ij ( i = 1, 2,…,n; j = 1, 2,…, m)为第 j样本第 i个评价指标的关联系数,即本研究中经模糊隶
属函数归一化后第 j样本第 i个评价指标的适宜指数。
1.3.4摇 评价指标权重计算
利用信息熵权法确定指标的客观权重,信息熵是信息论中表示不确定性的概念,熵值越大,表明对应的信
息量越大。 根据信息熵定义[15,19],采用常用对数(ln)对所有评价指标的信息熵 E进行定义:
E =- 移
n
i = 1
移
m
j = 1
滋ij ln滋ij (1)
377摇 3期 摇 摇 摇 郭彥龙摇 等:基于模糊物元模型的桃儿七潜在地理分布研究 摇
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式中, 滋ij 为经隶属函数(表 2)标准化的各评价因子的值, n为评价指标的个数, m为用于建模的样本数。
表 2摇 评价因子的隶属函数及拟合度
Table 2摇 Membership function of evaluation factors and fitting degree摇
评价因子
Evaluation
condition
隶属函数
Membership
function
拟合度
Fitting
degree
评价因子
Evaluation
condition
隶属函数
Membership
function
拟合度 / %
Fitting
degree
AMT y = 0.8 伊 e -(
x-2.6
1.5 )
2 + 0.4 伊 e -(
x-5.5
1.5 )
2 95 AP y = e -(
x-807
286 )
2 90
AT y = e -(
x-1627
450 )
2 93 ATG y = e -(
x-10.6
5.07 )
2 82
PG y = e -(
x-520
160 )
2 90 ASH y = e
-(x-21003982 )
2
x 臆 2400
0.6 x >{ 2400 92
ARH y = e
-(x-57.014.08 )
2
x 臆 60
0.70 x >{ 60 89 TMIN y = e -(
x+4
1.78)
2 95
TMAX y = e -(
x-14.1
13.7 )
2 91 ASL y = e -(
x-3142
670.8 )
2 93
SLOP y =
1 x 臆 30
e -(
x-30
16.7 )
2
x >{ 30 91 ASPE y = e
-(x-212.4113.9 )
2 + 0.5 伊
e -(
x-81.09
59.56 )
2
93
摇 摇 AMT:年均温 Annual mean temperature;AP:年降水量 Annual precipitation;AT:10益积温 accumulation temperature(>10 益);ATG:生长期均温
Average temperature of growth;PG:生长期降水量 Precipitation of growth;ASH:年日照时数 Annual sunshine hours;ARH:年相对湿度 Annual relative
humidity;TMIN:年极低温 Minimum temperature of coldest month;TMAX:年极高温 Maximum temperature of warmest month;ASL:海拔 Elevation above
sea level;SLOP:坡度 Slope; ASPE:坡向 Aspect
令 ui =移
m
j = 1
uij , k =
1
lnm
则第 i个指标熵值归一化后为:
ei = - k移
m
j = 1
滋ij
滋i
ln
滋ij
滋i
(2)
则评价指标的熵权值可表示为:
兹i =
1
n - Ee
1 - e(滋ij[ ]) (3)
由最大信息熵模型求得的各个评价因子权重如表 3所示。
1.3.5摇 综合评价指标值的计算
设 Rk表 m个事物的关联度组成的关联度复合物元,Rw是指标的信息熵权重向量,则有:
Rk = Rw R孜 =
M1 M2 … Mm
K j K1 K2 … K
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
m
式中, K j =移
n
i = 1
w i孜ij ,公式中的模糊算子采用 M(,+),即先乘后加运算。 在本研究中利用 ArcGIS 9.3空间分析
模块,以 12个评价因子的栅格数据参与计算,其中 K j 是第 j个栅格生境适宜性的总得分, w i 为第 i个指标的
权重, 孜ij 是第 j个栅格第 i个指标隶属度。 K i 的取值范围为(0,1),值越大,表明该栅格单元越适合桃儿七生
长。 最后得到桃儿七产量的 1 km伊1 km栅格单元的生境适宜性评价指数地图,将此与土地覆被类型图层进
行叠加分析,去除不适宜野生桃儿七生长的土地覆被类型,如沙漠、河流、湖泊、城市等,最终得到野生桃儿七
生境适宜性空间分布分布。
477 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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表 3摇 各评价因子最优值、阈值及权重
Table 3摇 The optimal value, threshold value and weigth of each factor
评价因子
Evaluation condition
数值范围及单位
Range and Units
最优值
Optimum value
阈值
Threshold value
权重 / %
Weight
AMT / 益 -16—25 2.6 -1,9 21.04
AP / mm 16—5000 807 0,1500 2.77
AT / 益 0—5200 1627 1000,2500 0.64
ATG / 益 -6.8—20 10.6 -3,20 5.95
PG / mm 16—3000 520 100,900 2.96
ASH / (h / a) 1305—2800 2100 — 10.05
ARH / % 30—85 57.01 48 3.11
TMIN / 益 -35—13 -4 -15,0 21.64
TMAX / 益 0—36 14.10 5,21 14.44
ASL / m 85—6941 3142 1500,4500 8.98
SLOP / (毅) 0.11—75.67 臆30 60 7.10
ASPE / (毅) 0—359.95 212.4 — 1.32
摇 摇 AMT:年均温;AP:年降水量;AT:10益积温;ATG:生长期均温;PG:生长期降水量;ASH:年日照时数;ARH:年相对湿度;TMIN:年极低温;
TMAX:年极高温;ASL:海拔;SLOP:坡度:ASPE:坡向
1.3.6摇 模型验证
本文使用均方根误差(root鄄mean鄄square error, RMSE)验证桃儿七生境适宜性评价模型的适用性:
RMSE= 1
N移
N
i = 1
P i - Q( )i 2
式中,N为样本数,P i是第 i个预测值,Qi代表第 i 个观察值。 RMSE 能很好说明模型模拟值的准确性,RMSE
小于 10%,表明模拟值与实际观测值一致性很高,模拟效果可以接受,10%—20% 表明模拟效果较好,20%—
30% 模拟效果勉强可以接受,RMSE 大于 30%,表明模拟值的误差较大,模拟效果不可接受[20]。 本模型的
RMSE检验结果为 8.6%,即模拟值与实际观测值一致性很高,模拟效果好。
2摇 结果与分析
在 ArcGIS 9.3 平台支持下对结果数据文件进行分类量化,按照适生指数值从低到高,采用的 Natural
Breaks分级方法将研究区桃儿七生境适宜性分别区划为不适宜生境、低适宜生境、中适宜生境和高适宜生境,
Natural Breaks方法基于聚类分析且能较好保持数据统计特性。 分级后适宜指数低于 0.224 的区域为不适宜
生境,适宜指数 0.224—0.400的地区为低适宜生境,适宜指数 0.400 —0.616 的地区为中适宜生境,高适宜生
境的适宜指数等于或大于 0.616。 同时利用 ArcGIS 9.3空间分析模块将分级后的结果与研究区行政区图叠加
显示(图 2),并计算各生境分省分布面积,得出研究区分省桃儿七各级适生区潜在分布结果(表 4)。
统计发现,桃儿七的高、中、低适宜生境面积分别占研究区面积的 10.43%、7.70%以及 20.11%,桃儿七在
我国西部七省的适生区主要集中在青藏高原东部(图 2),其中,高适宜生境区包括四川西部的康定、马尔康、
西昌以及雅安等地区,西藏东部的林芝、昌都以及山南部分地区,青海东部的海东、西宁以及黄南藏族自治州
部分地区,云南北部的中甸,甘肃南部的甘南、临夏、定西以及甘肃中部武威、兰州兴隆山等地区;中适宜生境
区包括四川的成都、德阳、乐山等地区,青海门源回族自治州以及海南藏族自治州,甘肃陇南、张掖以及兰州部
分地区,宁夏固原,陕西秦岭等地区;低适宜生境区包括青海果洛藏族自治州、玉树藏族自治州东南部以及海
西蒙古族藏族自治州东部,甘肃的庆阳、白银地区,陕西安康南部以及汉中南部部分地区,云南的楚雄、昆明,
西藏那曲,宁夏吴忠等部分地区。 从预测结果来看,桃儿七高、中适宜生境仅占研究区面积的 18.13%,不适生
境则有 61.76%,可见桃儿七对气候环境要求苛刻,生长区域相对狭窄。
577摇 3期 摇 摇 摇 郭彥龙摇 等:基于模糊物元模型的桃儿七潜在地理分布研究 摇
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表 4摇 研究区分省桃儿七各级适生区面积百分比(%)
Table 4摇 The percentage of areas of habitat suitability comprehensive distribution of Sinopodophyllum hexandrumin different province
地区
Region
不适宜生境
Unsuitable area
低适宜生境
Marginally suitable area
中适宜生境
moderately Suitable area
高适宜生境
Highly suitable area
四川 38.52 22.24 12.36 26.88
云南 69.59 17.62 9.49 3.30
西藏东部 48.24 20.07 10.63 21.06
青海 59.27 34.79 3.45 2.49
甘肃 84.53 0.39 7.98 7.10
宁夏 81.59 10.94 5.52 1.95
陕西 82.98 14.84 2.07 0.11
图 2摇 桃儿七潜在地理分布预测结果
摇 Fig.2摇 The result of potential distribution area of
Sinopodophyllum hexandrum摇
3摇 讨论
3.1摇 模型构建及评价
评价结果的科学性和可靠性取决于基础数据的完
整性,以及评价方法选择的合理性[14,21鄄22]。 最大信息熵
模型利用观测数据所提供的信息确定权重系数,避免仅
凭经验确定权重系数而产生的主观偏差,突出评价区域
内限制性较强因子对评价对象的影响[18鄄19]。 而模糊数
学综合评价是应用模糊关系合成原理,根据各评价因子
不同数值与桃儿七产量的隶属度关系实现原始统计数
据标准化,在缺少专家经验支撑下完成生境适宜性模型
构建。 本研究通过收集研究区多个样地的桃儿七分布
点位及其产量数据,经统计与模型分析,确立桃儿七产
量与各评价因子的隶属函数关系,计算出基于桃儿七产
量各生态环境因子最适宜范围。 同时通过最大信息熵
模型确定各生态因子对桃儿七产量的不同影响,从而确
定限制性较大的生态因子,并使用 Matlab2011 对建模
过程中涉及的隶属函数进行误差检验,确保模型的准确
性。 本研究所构建的模型为没有明确生境适宜性标准
的物种提出一种评价该物种生境适宜范围和生境地理
分布的可操作方法,为野生物种管理和保护提供新的思路和途径。
3.2摇 研究区桃儿七生境适宜性分析
通过不同评价因子对桃儿七产量影响的权重(表 3)可知,气候因子中有关气温的因子权重较高,TMIN
(年极低温)、AMT(年均温)和 TMAX(年极高温)的权重分别为 21.64%、21.04%和 14.44%,地形因子中海拔
和坡度因子的权重较高,分别为 8.98%和 7.10%。 由此可见气候因子中有关气温因子对桃儿七产量影响最
大,其他因子次之,地形因子的作用在大尺度上十分有限。 前人研究表明,桃儿七虽然是一个起源于温带的物
种,但在进化过程中完全适应了高海拔地区的寒冷气候,气温控制着桃儿七的生长和发育节律。 在春季,即使
在寒冷干旱的地区,只要气温能够达到阈值(7 益左右),桃儿七休眠状态的芽能够开始活动[5]。 由评价因子
最优值(表 3)可知,桃儿七产量达到最大时,其适宜生境的 ATG 为 10.6 益、TMAX 为 14.10 益和 TMIN 为
-4 益。 水分条件在桃儿七潜在地理分布预测只起到次要作用,评价因子的最大信息熵权结果显示与环境水
分条件相关的评价因子 ARH (年相对湿度)、PG(生长期降水量)和 AP(年降水量)的权重仅分别为 3.11%、
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2郾 96%和 2.77%,这表明水分不是制约桃儿七分布的因子,它可以分布在较湿润的环境,也可分布在较干旱的
区域,这与桃儿七是鬼臼类植物中最能适应干旱环境的类群结论[23]一致。 由表 3 可知,桃儿七产量达到最
大,其适宜生境的 ARH为 57.01%、AP 为 807 mm和 PG 为 520 mm。 在相同纬度上,海拔高度与地形坡度控
制着不同的光热水分条件,前人研究表明桃儿七分布在次生植被丰富、地形复杂的高海拔地区[1,5,23]。 本研究
的结果表明桃儿七的最适海拔为 3142 m,最适坡度为小于等于 30毅。 研究结果显示基于桃儿七产量的高适宜
生境集中分布在研究区青藏高原东缘海拔 2400—4000 m山区,如四川西部的康定、马尔康、西昌以及雅安等
地区,西藏东部的林芝、昌都以及山南的部分地区,青海东部的海东、西宁以及黄南藏族自治州部分地区,这些
地区年极低温为-10—-5 益,年均温为 2.5—5.5 益,生长期降水量 400—600 mm,生长期均温为 5—15 益,湿
度适宜,稳定在 40%—75%,年日照时数 1700—2600 h / a,有利于桃儿七果实生长。
3.3摇 研究区桃儿七保护建议
研究结果表明桃儿七的适宜生境(高适宜生境与中适宜生境)面积为 500236.03 km2,在研究区涉及到的
各省中,以四川、西藏东部和甘肃的适宜生境面积最大,分别为 188905.51 km2、141459.57 km2和 68534.51 km2
(表 5),是桃儿七的主要分布区也是其道地产区。 在这些地区对桃儿七的保护应有目的选择高适宜生境或适
宜生境区加以管理,特别在桃儿七野生抚育 GAP(good agricultural practice)基地选址和建设时,应充分考虑其
适宜生境,尤其是高适宜生境区。 但对陕西、甘肃 7 个桃儿七种群分布点位的研究显示,由于受到放牧的影
响,在开旷草地很少有桃儿七分布,该植物是一种高大的草本,其茎叶占整株比例较大,虽植食动物很少食用,
但由于其茎肉质脆嫩,极易被放牧动物践踏而折断。 在地形比较复杂的地段,如多石、多刺或多灌丛的山地,
以及许多牲畜不能到达的地方,桃儿七能够良好地生长。 因此对该植物应加强保护,加大宣传保护力度,提倡
野生抚育,收集优良种质进行人工繁育,在其分布区内通过禁牧等措施以扩大桃儿七种群数量。
表 5摇 研究区桃儿七各级适生区面积
Table 5摇 The areas of habitat suitability comprehensive distribution of Sinopodophyllum hexandrum in different province
地区摇 摇
Region摇
面积 Area / km2
不适宜生境
Unsuitable area
低适宜生境
Marginally suitable area
中适宜生境
moderately Suitable area
高适宜生境
Highly suitable area
四川摇 摇 185419.50 107075.10 59487.71 129417.80
云南摇 摇 266745.30 67518.13 36382.03 12654.50
西藏东部 215361.50 89623.44 47460.15 93999.42
青海摇 摇 428134.60 251306.20 24900.34 17958.83
甘肃摇 摇 384097.20 1768.26 36265.07 32269.44
宁夏摇 摇 54258.08 7272.55 3673.95 1296.71
陕西摇 摇 170723.90 30539.71 4264.93 205.15
总计 Total 1704740.08 555103.39 212434.18 287801.85
4摇 结论
本文依据模糊物元模型和气候环境图层建模分析了桃儿七在我国西部七省潜在地理分布和主要影响因
子,模拟出研究区桃儿七的潜在地理布局。 研究结果显示桃儿七在研究区适宜生长的环境(高、中适宜生境)
面积仅为 500236.03 km2,占研究区总面积的 18.13%,可见其生长区域狭窄,对环境要求苛刻。 同时由于其种
群受人类活动影响加之生长周期较长(自然条件下需 5—7a 的生长期),导致该物种的分布区面积减小,居群
数量锐减,确定适宜生境对该物种原产地保护与人工野生抚育具有重要意义。 本文综合区划我国西部七省野
生桃儿七 4种生境及地理空间分布,为桃儿七野生抚育 GAP 基地选址和建设提供理论与数据支撑,为野生物
种尤其对尚未实施人工栽培的野生药材、以及珍稀濒危药材资源的保护和管理提供参考。
777摇 3期 摇 摇 摇 郭彥龙摇 等:基于模糊物元模型的桃儿七潜在地理分布研究 摇
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