中藥南沙參生態(tài)適宜性區(qū)劃研究

陳博 ，曹后康 ，郭延秀 ，席少陽(yáng) ，呂蓉 ，晉玲，

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，甘肅 蘭州 730000； 2.中（藏）藥資源研究所，甘肅 蘭州 730000

南沙參為桔?？粕硡僦参镙喨~沙參Adenophora tetraphylla（Thunb.）Fisch.或沙參Adenophora strictaMiq.的干燥根，具有養(yǎng)陰清肺、益胃生津、化痰、益氣的功效[1]。近年隨著中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，南沙參的市場(chǎng)需求逐漸增加。因此，研究南沙參的生境適宜性，明確其適生范圍，成為當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，最大熵（MaxEnt）模型在預(yù)測(cè)生物物種潛在分布方面已廣泛使用[2-4]，尤其與地理信息系統(tǒng)（GIS）空間分析技術(shù)結(jié)合在預(yù)測(cè)物種潛在分布、模擬道地藥材生態(tài)適宜性分布等方面具有巨大優(yōu)勢(shì)[5-10]。筆者采用MaxEnt模型結(jié)合GIS技術(shù)預(yù)測(cè)南沙參生態(tài)適宜性分布，為優(yōu)質(zhì)南沙參的人工栽培選地提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 樣點(diǎn)分布數(shù)據(jù)

2019年8－11月通過(guò)野外采集和查閱中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館（https://www.cvh.ac.cn），共收集南沙參樣點(diǎn)信息493個(gè)，其中輪葉沙參263個(gè)、沙參230個(gè)（見(jiàn)圖1）。將物種名、樣點(diǎn)的經(jīng)緯度、海拔信息存儲(chǔ)為.csv格式[11]。

圖1 南沙參樣點(diǎn)分布

1.2 生態(tài)因子數(shù)據(jù)

本研究使用來(lái)源于中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(kù)（http://www.tcm-resources.com/）的55個(gè)生態(tài)因子數(shù)據(jù)，其中包括43個(gè)氣候類(lèi)型數(shù)據(jù)（12個(gè)月的平均溫度與降水量、19個(gè)綜合氣候因子）、8個(gè)土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)、3個(gè)地形數(shù)據(jù)、1個(gè)植被類(lèi)型數(shù)據(jù)。選取適應(yīng)南沙參生長(zhǎng)的所有生態(tài)因子數(shù)據(jù)[12]，在國(guó)家地理信息數(shù)據(jù)網(wǎng)站（http://nfgis.nsdi.gov.cn）下載1∶400萬(wàn)中國(guó)行政區(qū)劃圖及中國(guó)地圖。

1.3 模型預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

將轉(zhuǎn)換為.csv格式的南沙參樣點(diǎn)信息導(dǎo)入MaxEnt3.4.0軟件，設(shè)置建模參數(shù)：隨機(jī)測(cè)試比例15%，最大迭代次數(shù)為106。用受試者工作特征（ROC）曲線(xiàn)下面積（AUC）評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果的精度，并用刀切法檢驗(yàn)權(quán)重，其他參數(shù)為軟件默認(rèn)值。AUC值取值范圍0～1，值越大，表示模型判斷力越強(qiáng)。

導(dǎo)入不同基原南沙參的樣點(diǎn)信息和55個(gè)生態(tài)因子，進(jìn)行迭代運(yùn)算，舍棄貢獻(xiàn)率為0的因子，得到對(duì)南沙參生長(zhǎng)影響貢獻(xiàn)率較高的主要生態(tài)因子，依據(jù)響應(yīng)曲線(xiàn)得到適宜范圍。

1.4 生態(tài)適宜區(qū)劃分

將MaxEnt模型運(yùn)算結(jié)果導(dǎo)入GIS，參照生態(tài)適宜度最小值及正態(tài)分布曲線(xiàn)的均值（μ）和均方差（δ），劃分為不適宜區(qū)、次適宜區(qū)和適宜區(qū)3個(gè)等級(jí)，并繪制不同基原南沙參藥材生態(tài)適宜性區(qū)劃分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 刀切圖

MaxEnt模型運(yùn)算以AUC評(píng)價(jià)模型準(zhǔn)確度。輪葉沙參、沙參ROC曲線(xiàn)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集AUC分別為0.976、0.981，測(cè)試數(shù)據(jù)集AUC分別為0.935、0.951，均大于0.9，表明模型對(duì)預(yù)測(cè)南沙參的全國(guó)潛在分布準(zhǔn)確度和可信度都很高。輪葉沙參、沙參刀切法檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3，輪葉沙參、沙參訓(xùn)練集ROC曲線(xiàn)見(jiàn)圖4、圖5。

圖3 沙參生態(tài)因子刀切圖

圖4 輪葉沙參模型訓(xùn)練集ROC曲線(xiàn)

圖5 沙參模型訓(xùn)練集ROC曲線(xiàn)

2.2 生態(tài)因子選擇

篩選55個(gè)生態(tài)因子，其中47個(gè)對(duì)輪葉沙參生態(tài)適宜性有貢獻(xiàn)率，20個(gè)為影響輪葉沙參適宜性的主要生態(tài)因子，貢獻(xiàn)率總和為89.54%，輪葉沙參主要生態(tài)因子適宜值見(jiàn)表1。50個(gè)生態(tài)因子對(duì)沙參生態(tài)適宜性有貢獻(xiàn)率，13個(gè)為影響沙參適宜性的主要生態(tài)因子，貢獻(xiàn)率總和為89.85%，沙參主要生態(tài)因子適宜值見(jiàn)表2。降水量、溫度、坡度、海拔、土壤亞類(lèi)均為影響不同基原南沙參藥材生長(zhǎng)的主要生態(tài)因子。

表1 輪葉沙參主要生態(tài)因子貢獻(xiàn)率及適宜值

表2 沙參主要生態(tài)因子貢獻(xiàn)率及適宜值

2.3 生態(tài)適宜性區(qū)劃

輪葉沙參生態(tài)適宜性分布區(qū)見(jiàn)表3，生態(tài)適宜性區(qū)劃見(jiàn)圖6。吉林東南部、遼寧東部、北京大部、河北中部、山東東北部和東南部、江蘇、浙江、福建大部、安徽中南部、廣東大部、廣西中北部、貴州大部、四川東部為輪葉沙參適宜區(qū)。內(nèi)蒙古東北部、黑龍江、吉林中部、遼寧西部、天津大部、河北北部邊緣、河南大部、山西大部、山東西南部、安徽北部、江西大部、廣東中南部、廣西南部、湖南大部、貴州北部邊緣、湖北大部、重慶、陜西中南部、甘肅南部邊緣、四川東部邊緣、云南東北部為輪葉沙參次適宜區(qū)。

圖6 輪葉沙參生態(tài)適宜性區(qū)劃

表3 輪葉沙參生態(tài)適宜性分布區(qū)

沙參主要生態(tài)適宜性區(qū)劃見(jiàn)圖7，生態(tài)適宜性分布見(jiàn)表4。山西大部、河南東南和西南邊緣地區(qū)、浙江西部、福建西北部、安徽中南部、江西大部、湖北西部和東部、湖南大部、廣西北部邊緣、陜西南部、重慶東部、貴州大部為沙參適宜區(qū)。吉林南部邊緣、遼寧中東部、山東中南部、河南大部、江蘇大部、上海大部、浙江中東部、福建東南部、廣東大部、安徽北部、湖北中部、廣西大部、陜西中北部、重慶中西部、甘肅南部、四川中東部、云南中北部、臺(tái)灣北部邊緣為沙參次適宜區(qū)。

圖7 沙參生態(tài)適宜性區(qū)劃

表4 沙參生態(tài)適宜性分布區(qū)

續(xù)表4

3 討論

本研究收集了493份南沙參樣點(diǎn)分布信息，利用MaxEnt模型結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)南沙參生態(tài)適宜區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果AUC均大于0.9，表明預(yù)測(cè)結(jié)果良好、可信度較高。

綜合分析南沙參的主要生態(tài)因子，對(duì)輪葉沙參生態(tài)適宜性產(chǎn)生影響的生態(tài)因子貢獻(xiàn)率由高至低為6月份降水量（21.10%）>11月份降水量（18.33%）>最濕季節(jié)降水量（13.00%）>7月份溫度（4.29%）>溫度季節(jié)性變動(dòng)系數(shù)（4.04%）>植被類(lèi)型（3.91%）>土壤亞類(lèi)（3.50%）>10月份降水量（2.21%）>7月份降水量（2.18%）>溫度年較差（2.05%）>6月份溫度（2.00%）>12月份降水量（1.89%）>坡度（1.88%）>等溫性（1.64%）>最熱月份最高溫度（1.60%）>土壤質(zhì)地分類(lèi)（1.46%）>最暖季節(jié)平均溫度（1.38%）>8月份溫度（1.08%）>最暖季節(jié)降水量（1.04%）>1月份降水量（1.02%）。對(duì)沙參生態(tài)適宜性產(chǎn)生影響的生態(tài)因子貢獻(xiàn)率由高至低為3月份降水量（37.85%）>11月份降水量（22.43%）>4月份降水量（5.74%）>3月份溫度（5.06%）>坡度（3.33%）>土壤亞類(lèi)（3.03%）>海拔（2.35%）>溫度季節(jié)性變動(dòng)系數(shù)（2.28%）>最干季節(jié)平均溫度（2.18%）>7月份降水量（2.10%）>7月份溫度（1.48%）>土壤質(zhì)地分類(lèi)（1.01%）=等溫性（1.01%）?？梢?jiàn)，降水量、溫度、坡度、海拔、土壤亞類(lèi)均為影響不同基原南沙參生長(zhǎng)的主要生態(tài)因子。

本研究表明，降水量是保證南沙參正常生長(zhǎng)的最重要條件，沙參雖然耐旱，但生長(zhǎng)也需適量水分，以確保植物正常生長(zhǎng)；3月份為植物萌芽時(shí)期，7、8月份為植物成熟結(jié)果時(shí)期，此時(shí)需適宜溫度供植物進(jìn)行正常的新陳代謝。南沙參多生長(zhǎng)于山地丘陵地帶，適宜的坡度是其生長(zhǎng)必要條件，其中輪葉沙參為0～17°，沙參為4～16°，適宜坡度能確保植物水分吸收、減少土壤流失、增長(zhǎng)受光時(shí)間等；另外，輪葉沙參和沙參生長(zhǎng)均應(yīng)以土層深厚肥沃、富含腐殖質(zhì)、排水良好的砂質(zhì)壤土栽培為宜，以此為植物生長(zhǎng)提供必要營(yíng)養(yǎng)。