基于MaxEnt的南丹參在中國的潛在分布區(qū)預測及適生性分析

何淑婷　 白碧玉　 但佳惠等

摘要 [目的]對南丹參在中國的潛在分布區(qū)進行預測，并對適生性進行分析。[方法]通過收集中草藥南丹參的分布信息，利用最大熵模型（MaxEnt）與地理信息系統(tǒng)（ArcGIS），綜合相關(guān)68項環(huán)境因子，分析南丹參在中國的分布信息。[結(jié)果]全國適合于南丹參分布的地區(qū)主要集中在湖南、江西、浙江和福建等地，其高適生區(qū)面積依次為湖南省（319.44 km2 ）、江西省（251.39 km2）、浙江省（122.92 km2）、福建省（62.5 km2）；刀切法（Jackknife）分析顯示，南丹參分布主要受到降水的影響。[結(jié)論]該研究結(jié)果為南丹參的野生資源利用及其他南丹參相關(guān)研究提供了一定技術(shù)手段和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 南丹參（Salvia bowleyana Dunn.）；潛在適生區(qū)；MaxEnt；ArcGIS；生態(tài)位

中圖分類號 S567.5+3 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）08-02311-04

Prediction of Potential Distribution Areas of Salvia bowleyana Dunn. in China Based on MaxEnt and Suitability Analysis

HE Shuting， JING Pengfei et al （School of Life Science， Shaanxi Normal University， Xian， Shaanxi 710062）

Abstract [Objective] To predict potential distribution area of Salvia bowleyana Dunn. in China and analyze its suitability. [Method] The distribution information of Salvia bowleyana Dunn. and 68 related environmental factors were collected. The potential suitable distribution range of Salvia bowleyana Dunn. in China was analyzed by the software of MaxEnt and ArcGIS. [Result] The results showed that Salvia bowleyana Dunns suitable distribution areas are mainly concentrated in Hunan， Jiangxi， Zhejiang， Fujian. The high suitable area of province above are as follows： Hunan Province（319.44 km2）， Jiangxi Province （251.39 km2）， Zhejiang Province （122.92 km2）， Fujian Province （62.5 km2）. Jackknife analysis showed that precipitation has obvious influence on Salvia bowleyana Dunns distributions. [Conclusion] The results can provide reference for Salvia bowleyana Dunns wild resource utilization and study.

Key words Salvia bowleyana Dunn.； Potential distribution； MaxEnt； ArcGIS； niche

南丹參（Salvia bowleyana Dunn.）系唇形科（Labiaceae）鼠尾草屬（Salvia）多年生草本植物，根肥厚入藥，功效同丹參，可代中藥丹參（S.salviae）入藥，具有祛瘀、活血、調(diào)經(jīng)和抗氧化等功效；主產(chǎn)于浙江、湖南、江西、福建、廣東和廣西等南部地方；生于山地、山谷、路旁、林下或水邊，海拔30～960 m[1-3]，在浙江和江西等一些南方地區(qū)南丹參作丹參藥用[4-5]。施天慧等對云南產(chǎn)的丹參資源植物化學成分進行測定，結(jié)果顯示南丹參中總酚酸的含量為4.53%，丹酚酸B為41.33 μg/g，與丹參中含的量接近，具有較高的利用價值[7]。根據(jù)《中國藥典》2005版中用丹酚酸B作為評價丹參藥材中的酚酸類成分的指標，并規(guī)定丹參中丹酚酸B的含量不低于30 mg/g[8]。雖然南丹參還沒有被藥典收錄，但有研究表明南丹參（浙江產(chǎn)）中丹酚酸B含量（82.52 mg/g）較高，不僅符合藥典的規(guī)定，而且比丹參（云南產(chǎn)）中丹酚酸B含量（45.38 mg/g）高，是丹參藥材中的優(yōu)良品種[9]。南丹參在常用8種丹參品系中生長冠幅最大，單株產(chǎn)量及有效成分含量（丹參素）最高，根的優(yōu)質(zhì)品最高，抗根結(jié)線蟲病能力為中度感病，屬3級，是最為適宜推廣種植的種質(zhì)（品種）[10]。

最大熵理論（the principle of maximum entropy）是一種基于有限的已知信息對未知分布進行無偏推斷的預測方法。對其預測結(jié)果進行AUC（ areas under curve）分析后顯示，其結(jié)果要優(yōu)于同類預測模型如GARP、Climex和BIOCLIM，特別是在物種分布數(shù)據(jù)不全的情況下，MaxEnt仍然能得到較為滿意的結(jié)果[17-21]。目前，該模型已成功應(yīng)用于預測保護物種、入侵種、以及有害生物和藥用植物的潛在生境分布[21-24]。

隨著近年來心腦血管疾病患者的增加及南丹參新的藥理學活性的逐步發(fā)現(xiàn)，其利用價值和需求量也明顯提高[12]。為了充分利用南丹參的野生資源，適應(yīng)南丹參的收集和生產(chǎn)開發(fā)需要，筆者對南丹參的潛在分布區(qū)進行預測，并對其適生性進行分析，以期為南丹參的野生資源利用及其他南丹參相關(guān)研究提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)收集

1.1 南丹參分布數(shù)據(jù)收集和處理 試驗需要的所有南丹參分布數(shù)據(jù)來源于中國數(shù)字標本館（CVH）（http：//www.cv h.or g.cn/cms/）、中國自然保護區(qū)資源平臺（http：//www.papc.cn/）、全球生物多樣性信息平臺（GBIF）（http：//www.gbif.org/）、教學標本標準化整理整合與資源共享平臺（http：//mnh.scu.edu.cn/）和中國國內(nèi)21所高校及研究所標本館（華中師范大學CCNU、中科院成都生物所CDBI、湖北中醫(yī)藥大學ECM等）。經(jīng)過對以上平臺南丹參數(shù)據(jù)的收集，將處理所得的所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度坐標。對于沒有記錄經(jīng)緯度坐標的分布點，均以最小可查的行政單位為準。根據(jù)MaxEnt 軟件要求，將實際分布點按物種名、分布點經(jīng)度和緯度順序儲存成后綴名為.csv格式的文件，其中東經(jīng)和北緯為正，西經(jīng)和南緯為負。

1.2 環(huán)境變量及相關(guān)地理信息數(shù)據(jù) 查詢世界氣候數(shù)據(jù)庫（http：//www.worldclim.org），精度2.5弧分 （2.5 km），得到研究所需的氣候環(huán)境圖層數(shù)據(jù)，共6類，即地形因子：alt（海拔）；生物氣候因子：bio1（年均溫）、 bio2（晝夜溫差月均值）、 bio3（等溫性[（Bio2 / Bio7） ×100]）、 bio4（溫度季節(jié)性變化的標準差）、bio5（最暖月最高溫）、bio6（最冷月最低溫）、bio7（年均溫變化范圍）、bio8（最濕季度平均溫度）、bio9（最干季度平均溫度）、bio10（最暖季度平均溫度）、bio11（最冷季度平均溫度）、bio12（年均降水量）、bio13（最濕月降水量）、bio14（最干月降水量）、bio15（降水量變異系數(shù)）、bio16（最濕季度降水量）、bio17（最干季度降水量）、bio18（最暖季度降水量）、bio19（最冷季度降水量）；單月因子：tmax1-tmax12（1～12月最高溫）； tmean1～tmean12（1～12月平均氣溫）；tmin1～tmin12（1～12月最低氣溫）； prec1～prec12（1～12月降雨量）。在國家地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站（http：//nfgis.nsdi.gov.cn/）下載研究所采用的1：400萬中國地圖及中國行政區(qū)劃圖。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理 將獲得的南丹參分布數(shù)據(jù)和相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)按相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換后導入MaxEnt，之后隨機選取25%的分布點作為測試集（test data），剩余的作為訓練集（training data），其他參數(shù)均為軟件默認值。

2.2 模型預測評價 設(shè)定環(huán)境圖層導入的每個環(huán)境因子選擇離散（categorical）變量模式，用刀切法將68項環(huán)境因子在模型中按訓練得分排列后，選出得分較高的前15項進行進一步分析，評價影響南丹參分布的最關(guān)鍵因素。

采用MaxEnt軟件中受試者工作曲線方法進行模型精度檢驗，Hanley（1882）闡釋了ROC曲線的意義及使用方法，曲線下的面積（AUC值）代表著模型的測試能力[19]。AUC值在0.5～0.6，表明模型模擬效果為失?。?.6～0.7表明效果較差； 0.7～0.8表明模擬效果一般；0.8～0.9表明模擬效果好；0.9～1.0表明模擬效果非常好[20]。

2.3 環(huán)境因子權(quán)重分析 用刀切法分析各個環(huán)境因子對預測結(jié)果的影響程度，來對影響物種分布的環(huán)境因素進行權(quán)重排序。該方法用所有的變量建立模型（深灰色條帶表示）；單獨用每一變量建立模型（黑色條帶表示）；每次排除一個變量，用剩余的變量建立模型（淺灰色條帶表示），觀察這個模型（淺灰色條帶）與所有變量都存在的模型（深灰色條帶）之間的變化，如果變化大，說明排除的那個變量含有很重要的信息，反之，有用信息少[24]。

3 結(jié)果與分析

3.1 南丹參在中國潛在分布和分析 利用GIS的空間分析工具，采用人工（Manual）分級方法分析得到南丹參在中國的分布圖（圖1），以南丹參在中國的潛在分布圖（ESRI ASCII格式）為底圖，掩膜抽提各省（市﹑自治區(qū)）的分布圖，采用Manual分級方法將各個省份的潛在分布區(qū)面積進行詳細統(tǒng)計（表2）。圖1表明，南丹參在我國的適生范圍主要集中在華南、華中和東南地區(qū)，高適生范圍分布在地處24°～31°N，109°～120°E的湖南東南部，江西西北部，浙江北部和福建東北部，同時西藏、陜西、新疆和甘肅等西北地區(qū)也有少量分布。由表2可知，高適生區(qū)依次為湖南?。?19.44 km2 ）、江西?。?51.39 km2）、浙江省（122.92 km2）、福建省（62.5 km2）和廣西?。?6.53 km2）；較適宜生長區(qū)包括湖南?。? 421.25 km2）、江西?。? 272.22 km2）、浙江?。?91.67 km2）、安徽?。?45.83 km2）和福建?。?68.75 km2）；內(nèi)蒙古、吉林、天津、遼寧、青海和黑龍江等省區(qū)則基本沒有其適生區(qū)分布。其中，湖南省的高適生區(qū)和較適宜生長區(qū)主要分布在長沙市長沙縣、瀏陽縣和岳陽市岳陽縣境內(nèi)；江西省主要分布在東鄉(xiāng)縣、九江縣以及宜豐縣境內(nèi)；浙江省主要分布在蕭山市、紹山市和富陽縣、建德縣境內(nèi)；福建省主要分布在福州市、崇安縣、建寧縣境內(nèi)。

3.2 預測結(jié)果評價 經(jīng)受試者工作曲線檢驗，MaxEnt模型的ROC曲線下面積訓練集和測試集的AUC值依次為0.975和0.968，接近于1，表明MaxEnt模型對南丹參中國潛在分布區(qū)的預測效果非常好（圖3）。

3.3 影響南丹參分布的不同環(huán)境因子的權(quán)重評價和相關(guān)性分析 對最初的68項環(huán)境因子進行刀割法分析，其中測試得分最高的前15項得分由高到低依次為：溫差季節(jié)性變化標準差（bio4）、年均降水量（bio12）、最濕季節(jié)降水量（bio16）、海拔（alt）、最冷季節(jié)降水量（bio19）、4月平均降水量（prec4）、5月平均降雨量（prec5）、3月平均降雨量（prec3）、6月平均降雨量（prec6）、最干月降水量（bio14）、2月平均降雨量（prec2）、最干季度降水量（bio17）、9月份最低溫（tmin9）、最暖季度降水量（bio18）、最干季度平均溫度（bio9）（圖4）。這15項環(huán)境因子對預測結(jié)果有較大的影響。結(jié)果表明，與降雨量相關(guān)的環(huán)境變量對南丹參的地理分布有重要影響，比如溫差季節(jié)性變化標準差、年均降水量、最濕季節(jié)降水量等。

鑒于環(huán)境因子之間存在相關(guān)性，試驗利用ArcGIS中的Band Collection Statistics工具對得分較高的幾項環(huán)境因子進行了相關(guān)性分析。由于年均降水量（bio12）、最濕季節(jié)降水量（bio16）、最冷季節(jié)降水量（bio19）、4月平均降水量（prec4）這幾項環(huán)境因子的相關(guān)性較高，所以選擇相關(guān)性較低而權(quán)重較高的幾項環(huán)境因子進行分析，得出對南丹參適宜生長區(qū)域生態(tài)位影響較大的環(huán)境因子是：溫度季節(jié)性變化的標準差（bio4）700～850；最干季度降水量（bio17）15～20 mm；海拔（alt）0～200 m；9月份最低溫（tmin9）20.5～22.0 ℃；最干季度平均溫度（bio9）10～14 ℃。

圖3 刀切法的環(huán)境變量重要性分析

4 結(jié)論與討論

試驗利用MaxEnt模型與地理信息系統(tǒng)對南丹參在我國的適生區(qū)進行預測，直觀且定量地獲得了南丹參在我國的潛在分布區(qū)，其預測結(jié)果經(jīng)ROC曲線分析法驗證，得到模型的AUC值為0.968，預測效果相當好。經(jīng)Jacknife對環(huán)境因子分析后得出，與降雨量相關(guān)的環(huán)境變量對南丹參的地理分布有關(guān)鍵性的影響。預測結(jié)果得出，南丹參的高適生區(qū)主要分布于湖南、江西、浙江和福建等地；較適宜生長區(qū)主要分布在華東和華南地區(qū)（浙江、安徽、廣西、廣東和福建等）；四川省、重慶市以及陜西省等西北和西南地區(qū)也有分布。預測結(jié)果與南丹參主要產(chǎn)地（浙江、湖南、江西、福建和廣東）相吻合，表明這些地區(qū)的氣候適合南丹參生長繁殖，南丹參在這些地區(qū)的野生資源也可能比較豐富。

試驗得出南丹參在浙江省適生區(qū)面積為91 624.98 km2，高適生面積為122.92 km2 ，云南省只有低適生區(qū)，面積為341 688 km2。而施天慧等對云南產(chǎn)的南丹參化學成分測定，結(jié)果顯示其丹酚酸B為41.33 μg/g[7]。李旻輝等人對浙江產(chǎn)南丹參中測定丹酚酸B含量為82.52 mg/g[9]，得出浙江產(chǎn)南丹參的丹酚酸B含量比云南產(chǎn)的南丹參要高。故推測南丹參在潛在適生區(qū)生長，其個體發(fā)育狀況會比其非適生區(qū)好，且有效活性物質(zhì)的積累量會更高。因此建議：采收和使用南丹參時可以參考研究中得出的南丹參野生資源理論分布點；積極推廣、擴大、保護南丹參野生藥用資源。研究得到南丹參藥材的適生區(qū)可以對其進行野生資源保護，生態(tài)環(huán)境保護，合理采購、并且結(jié)合其生長生理特性進行可持續(xù)資源開發(fā)利用。

綜上所述，研究采集了相當數(shù)量的南丹參分布數(shù)據(jù)，基本考慮到絕大多數(shù)南丹參的實際生態(tài)位，從理論上明確了南丹參的具體適生區(qū)，可以為南丹參野生資源的收集利用，保護資源活動和科學研究提供參考。研究中的不足之處是僅考慮了氣候和地區(qū)的影響，而沒有考慮土壤類型和人類活動范圍以及社會的城鎮(zhèn)化發(fā)展對其分布的影響。

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