張俊杰，周鍶佳，劉 沛，明忠莉，尹 秀，高新征

（海南醫(yī)學院，海南 ?？?571199）

烏 檀（Naucleaofficinalis（Pirre ex Pitard）Merr.）為茜草科烏檀屬植物，天然分布稀少，其干燥莖（含樹皮）、根是一類海南黎族醫(yī)學常用藥，稱為膽木［1］，含有以生物堿為主的抗炎活性物質(zhì)［2］。膽木味苦性寒，可消炎鎮(zhèn)痛、清熱解毒；臨床常用于治療感冒發(fā)熱、肺炎、泌尿系統(tǒng)感染、癤腫等各類感染炎癥［3］。膽木藥用歷史悠久，早在20世紀末已有臨床上利用膽木制劑治愈鉤端螺旋體病的案例［4］。膽木浸膏片或提取液聯(lián)合抗生素具有協(xié)同相加、高效抗感染的作用［5-6］。我國烏檀主要分布在廣東、廣西和海南中等海拔地區(qū)的森林中［7］。

全球氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)和《中國氣候變化藍皮書（2019）》表明近五年全球氣溫明顯上升［8-9］，目前估計每10年增加0.2℃［10］。物種適應氣候變化有一定的閾值，當某些“不利”因素達到或超過這個閾值時，就可能出現(xiàn)物種分布區(qū)縮小、空間遷移等［11］，氣候變化對各物種群落的分布范圍以及組成結(jié)構(gòu)的影響日益加?。?2］。

分析當前與未來生物氣候條件下烏檀的地理分布及變化，挖掘當前可能存在的潛在分布區(qū)以及未來適宜分布區(qū)，可對烏檀的人工種植區(qū)劃及資源保護開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)處理與方法

1.1 數(shù)據(jù)搜集與整理

1.1.1 烏檀地理分布信息搜集與整理

以烏檀、膽木和Naucleaofficinalis作為關(guān)鍵詞在數(shù)據(jù)庫及植物資源平臺進行檢索，共得到334條數(shù)據(jù)（表1）。

表1 各數(shù)據(jù)庫或資源平臺的現(xiàn)存數(shù)據(jù)量Tab.1 The amount of existing data for each database or resource platform

去除僅記錄到國家、省或極小地名的模糊信息，利用高德地圖開放平臺提取標本分布點的經(jīng)緯度。為防止標本信息過于密集導致結(jié)果過度擬合，可采用ArcMap進行緩沖區(qū)操作，范圍為6 km，去除交叉地點，共得到有效數(shù)據(jù)32條（表2）。對地理分布數(shù)據(jù)進行合并整理，保存為csv格式，作為樣本輸入文件。

表2 各數(shù)據(jù)庫或資源平臺有效標本點的地區(qū)及經(jīng)緯度Tab.2 Region，longitude and latitude of the valid specimen pointsof each database or resource platform

1.1.2 地理信息與生物氣候變量數(shù)據(jù)的收集

在國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站（http：//nfgis.ns?di.gov.cn）下載中國省級行政區(qū)劃矢量地圖。在世界氣候數(shù)據(jù)中心（https：//www.worldclim.org/）下載當前（1970～2000）與 未 來2040-2060年（2050s）及2061-2080年（2070s）生物氣候變量數(shù)據(jù)，選擇精度均為2.5 arc_min。

1.2 研究方法

1.2.1 生態(tài)位模型

生態(tài)位模型主要反映物種處于自然生態(tài)系統(tǒng)中的時空相對位置以及親緣相近物種間的關(guān)系［13］。通過建立MaxEnt（最大熵模型）分析運算，再利用ArcGIS（地理信息系統(tǒng)）下的ArcMap軟件對結(jié)果進行可視化處理及分析。

MaxEnt優(yōu)勢是輸入少量樣本數(shù)據(jù)和生物氣候變量運算可得到分布預測模型，并可自行檢驗偏差。ArcGIS能夠迅速將適生區(qū)分布點展現(xiàn)在地圖上［14］。

1.2.2 數(shù)據(jù)預處理及模型精度分析

為降低生物氣候變量冗余度，提升MaxEnt模型運行速度和增加精確度［15］，需對環(huán)境變量數(shù)據(jù)進行預處理。首先利用現(xiàn)有標本點建立MaxEnt模型，得出生物氣候變量的相對貢獻，選出貢獻率不為0的生物氣候變量數(shù)據(jù)；再利用SPSS20（統(tǒng)計學數(shù)據(jù)分析）對其進行相關(guān)性分析：若數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)≥0.9，則去除貢獻率低的氣候因子。最終得到9個生物氣候數(shù)據(jù)，以ASC格式保存，用于構(gòu)建預測模型。

采用ROC曲線（Receiver operating characteris?tic）對模擬結(jié)果進行評價，AUC值作為衡量模型精確度的指標［16］，AUC值越接近1，表明預測結(jié)果準確度就越高。預測結(jié)果可以分為5個等級：預測失?。ˋUC=0.5～0.6）、較差（AUC=0.6～0.7）、一般（AUC=0.7～0.8）、較 好（AUC=0.8～0.9）、極 好（AUC=0.9～1.0）。

1.2.3 模型構(gòu)建及適生區(qū)等級劃分

MaxEnt添加運行6次后，取平均結(jié)果的asc數(shù)據(jù)格式文件，利用Arc Toolbox中的轉(zhuǎn)換工具將其轉(zhuǎn)為柵格格式?；谥袊貓D進行掩膜提取，呈現(xiàn)中國區(qū)域的預測結(jié)果。利用ArcMap自帶的重分類功能，選擇自然間斷點分級法將適生區(qū)劃分為非適生區(qū)、低適生區(qū)、中適生區(qū)、高適生區(qū)，由此得到烏檀適生等級劃分圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 烏檀地理分布現(xiàn)狀及潛在適生區(qū)

根據(jù)當前標本采集情況可知，烏檀集中分布在我國南部沿海廣東、廣西、海南三省，在云貴等省份也有零散分布。

據(jù)當前氣候因子及標本數(shù)據(jù)預測烏檀潛在分布情況（圖1），烏檀中高適生區(qū)在中國全境大體呈三角形分布，主要囊括了南三省粵桂瓊絕大部分和臺灣西部半境；低適生區(qū)主要是中高適生區(qū)向北延伸到長江流域、東至沿海、西界云貴川，西藏云南有零星線性分布；湖南中部東部呈空洞缺失狀態(tài)。這都與烏檀當前標本分布情況大致相符。

圖1 烏檀的現(xiàn)有標本點地理分布與當前適生區(qū)預測圖Fig.1 The geographical distribution of the existing sample sites and the prediction of the current suitable area of Nauclea officinalis

2.2 烏檀的未來適生區(qū)

在未來氣候條件下，烏檀的適生區(qū)分布出現(xiàn)明顯遷移現(xiàn)象（圖1、2）。烏檀中高適生區(qū)整體呈擴張態(tài)勢，并向北方擴大遷移，但仍舊局限于長江流域及其南部。到2050s時期，原高適生區(qū)發(fā)生重大改變，海南的中、高適生區(qū)及臺灣全境幾乎全部降為非適生區(qū)，粵桂二省高適生區(qū)也大部分降為中適生區(qū)；湖南中部東部由非適生區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榈瓦m生區(qū)，其周圍原低適生區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈哌m生區(qū)。2070s時期，上述2050s時期的中適生區(qū)大部分升級為高適生區(qū)，中高適生區(qū)面積有一定增長。

2.3 烏檀預測適生區(qū)的面積結(jié)果與分析

結(jié)果表明，烏檀當前（1970～2000s）適生區(qū)總面積占比13.67%，其中高適生區(qū)僅2.23%，約21.49萬km2，中、低適生區(qū)分別占2.00%和9.44%，面積分別約為19.28 km2和90.99 km2。到2050s，烏檀總適生區(qū)比當前增加了37.68萬km2，高、中適生區(qū)均有所增加，比當前分別增加了14.37萬km2和65.92萬km2，而低適生區(qū)面積略有下降；在2070s的生物氣候變量的作用下，烏檀非適生區(qū)面積與2050s相比無明顯變化。值得注意的是，高適生區(qū)增加了29.49萬km2，但中、低適生區(qū)面積均呈下降趨勢（表3）。

表3 烏檀預測適生區(qū)面積及占比Tab.3 Area and proportion of suitable growth area predicted by Nauclea officinalis

2.4 生物氣候變量貢獻率

刀切法分析三個時期每個生物氣候變量因子（圖3），對烏檀適生區(qū)影響較大的生物氣候變量因子是最熱季降雨量（bio-18），其次是最熱季平均溫度（bio-10），最濕季平均溫度（bio-8），年均溫（bio-1）等生物氣候變量因子。

圖2 2050s和2070s烏檀的適生區(qū)預測圖Fig.2 Prediction of suitable growing areas of Nauclea officinalis in 2050sand 2070s

圖3 影響烏檀適生的環(huán)境變量刀切分析Fig.3 Analysis of environmental variables affecting the suitability of Nauclea officinalis

2.5 烏檀適生區(qū)氣候特征

計算并排列不同時期不同氣候因子對烏檀適生區(qū)影響的權(quán)重（表4），結(jié)合圖3可知不同時期的高貢獻率的因子大致相同，bio-18、bio-17、bio-15、bio-1的影響力和貢獻率都相對較高，三個時期累積貢獻率均值都超過了80%，說明烏檀在我國的適生區(qū)分布主要由這4個生物氣候變量因子主導。

表4 生物氣候變量貢獻率Tab.4 Contribution rate of bioclimatic variables

選取上述對適生區(qū)影響較大的4個生物氣候因子，通過MaxEnt自動輸出各變量因子的響應曲線，分析最適合烏檀生長的生物氣候變化范圍。

以存在概率>0.5為參考標準，由圖4可知烏檀生境適宜生物氣候環(huán)境包括了以下區(qū)間：bio-1年均溫在20～25℃范圍，bio-15降雨量的季節(jié)性變化在30～60 mm之間，bio-17最干季降雨量在70～140 mm之間，bio-18最熱季降雨量在600 mm以上。可見熱季降雨量及其變化與溫度對烏檀的適生區(qū)的影響極大。

圖4 生物氣候變量響應曲線Fig.4 Response curves of environmental variables

2.6 對烏檀適生區(qū)模型的檢驗

MaxEnt重復運行6次之后得到ROC曲線圖，三個時期的模型的AUC均值都超過0.990，說明預測結(jié)果效果非常好。

3 結(jié)果和討論

基于MaxEnt最大熵模型和ArcGIS地理信息系統(tǒng)模擬三個時期的生物氣候變量數(shù)據(jù)對烏檀適生區(qū)的影響，預測烏檀的適生區(qū)大致范圍為15°～35°N，90°～125°E，主要集中分布在南三省粵桂瓊與臺灣地區(qū)；在未來氣候條件下，烏檀的適生區(qū)出現(xiàn)了2個遷移趨勢，即中高適生區(qū)向北遷移及大部分低中適生區(qū)向高適生區(qū)轉(zhuǎn)化。適生區(qū)變化趨勢與未來氣候變暖的趨勢相符合，烏檀會逐漸由沿海三省粵桂瓊向我國內(nèi)陸遷移。未來江蘇、重慶、云南等地可依據(jù)適生區(qū)遷移趨勢盡早進行烏檀種植基地規(guī)劃，儲備烏檀種植人才，制定生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范，引導本地烏檀行業(yè)發(fā)展。計算不同生物氣候變量對物種分布的貢獻率和影響，降雨量是烏檀分布的主導因素，烏檀適宜生長的氣候類型是全年高溫且潮濕多雨的熱帶與亞熱帶季風氣候，這與現(xiàn)有分布情況相符。此外，烏檀也有適合生長于蔭蔽潮濕地帶的特點［17］，這可能是烏檀在北方?jīng)]有分布的原因之一。

未來氣候的預測有不確定因素，土壤、坡度、日照時數(shù)、人為活動、種間競爭等因素也可能對物種的分布產(chǎn)生影響［18］。本研究僅分析了生物氣候因子，可能對預測結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差，但三個時期模型的AUC參數(shù)評估均值都超過了0.990，說明結(jié)果仍具有較高的準確性和可靠性。

植物智（植物智慧信息系統(tǒng)）顯示烏檀是世界自然保護聯(lián)盟（IUCN）易危（VU）種，因其珍貴、受威脅嚴重且經(jīng)濟價值高成為優(yōu)先保護類植物，烏檀也是我國重點野生保護植物之一。其次，烏檀莖中分離到的生物堿與以烏檀為原料生產(chǎn)的中藥制劑，已廣泛應用于臨床。研究結(jié)果有助于指導日后對烏檀的實際考察方向，可以有針對性地在中高適生區(qū)進行引種擴繁，對進一步探索烏檀的栽培、管理和保護并為其合理開發(fā)利用提供參考依據(jù)。