基于MaxEnt模型的丹參全球潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)分析

高銘 倪淑萍 沈亮

摘 要 目的：為丹參科學引種和規(guī)范栽培提供參考。方法：查閱全球生物多樣性信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫等并結(jié)合實地調(diào)研情況，收集文獻記載的野生分布區(qū)、栽培主產(chǎn)區(qū)及歷史分布區(qū)共697個丹參樣點，采用Spearman系數(shù)法對35個生態(tài)因子進行相關(guān)性檢驗，并結(jié)合文獻篩選生態(tài)因子指標，建立MaxEnt預測模型，采用刀切法中的ROC曲線評價預測模型的準確度，再根據(jù)模型計算出丹參在全球范圍內(nèi)的存在概率，進而利用ArcGIS 10.3軟件繪制丹參全球范圍內(nèi)的潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)圖。結(jié)果：篩選出6個環(huán)境因子指標，分別為年均溫、最熱季均溫、最冷季均溫、年均降水量、年均日照和年均相對濕度。刀切法分析表明，氣溫是影響丹參分布的重要生態(tài)因子。丹參全球潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)主要分布在亞洲東部和北美洲中東部等地區(qū)，其生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)面積約為79.16×105 km2。全球范圍內(nèi)適宜丹參種植的國家主要有中國、美國、俄羅斯、日本、韓國、朝鮮等；我國的丹參潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)主要包括湖南、湖北、河南、江西、山東等地。結(jié)論：全球范圍內(nèi)丹參潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)主要為亞洲東部及北美洲中東部地區(qū)，在引種栽培過程中需要注意種植基地的選擇及種植溫度的調(diào)控，以促進高品質(zhì)丹參藥材的生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞 丹參；MaxEnt模型；生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)；生態(tài)因子；全球

中圖分類號 R282.2 文獻標志碼 A 文章編號 1001-0408（2018）16-2243-05

ABSTRACT OBJECTIVE： To provide reference for scientific introduction and standard cultivation of Salvia miltiorrhiza. METHODS： By reviewing global biodiversity information network database， etc.， based on field research， 697 S. miltiorrhiza sample sites were collected from wild distribution area， main production area and historical distribution area recorded in literature. Spearman coefficient method was used for correlation test of 35 ecological factors. MaxEnt prediction model was established according to literature screening ecological factor index，and using the ROC curve in the Jackknife method to evaluate the accuracy of the prediction model. According to the model， existence probability of S. miltiorrhiza globally was calculated. ArcGIS 10.3 software was used to draw global potential ecological suitable areas of S. miltiorrhiza. RESULTS： Totally 6 environment factor indexes were screened， including mean annual temperature， mean temperature of the hottest season， mean temperature of the coldest season， annual precipitation， annual sunshine and annual relative humidity. Jackknife method showed temperature was an important environmental factor affecting the distribution of S. miltiorrhiza. The potential ecological suitable areas of S. miltiorrhiza were mainly in the eastern Asia and central and easten of North America， and ecological suitable areas for S. miltiorrhiza was 79.16×105 km2. At the global level， S. miltiorrhiza mainly distributed in China， the United States， Russia， Japan， South Korea， North Korea， etc. The potential ecological suitable areas in China mainly included Hunan， Hubei， Henan， Jiangxi， Shandong， etc. CONCLUSIONS： The potential ecological suitable areas for S. miltiorrhiza are mainly in the eastern Asia and central and easten of North America. In the process of introduction and cultivation， great attention should be attached to the selection of planting base and the regulation of the growth temperature of S. miltiorrhiza， so as to promote the production of high quality S. miltiorrhiza.

KEYWORDS Salvia miltiorrhiza； MaxEnt model； Ecological suitable area； Ecological characteristics； Worldwide

丹參為唇形科鼠尾草屬多年生藥用植物丹參（Salvia miltiorrhiza Bge.）的干燥根及根莖，具有活血化瘀、養(yǎng)血安神、降低血壓等功效[1]。丹參主要含有丹參素、丹酚酸、丹參酮、原兒茶醛、咖啡酸、迷迭香酸、紫草酸等化學成分[2]。近年來，隨著對丹參抗氧化、抗凝血、抗血栓等藥理活性的深入研究，其新的藥用價值不斷被發(fā)現(xiàn)，加之心腦血管疾病患者逐年增加，其原料需求量逐年上升[3]。作為根類藥材，丹參人工種植一直存在連作障礙問題，導致丹參可用栽培土地逐年減少，現(xiàn)已嚴重威脅丹參種植產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[4]。為實現(xiàn)該藥材資源的可持續(xù)利用，避免盲目引種擴種帶來的經(jīng)濟損失，利用生態(tài)位模型開展丹參全球潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)預測具有重要意義。

生態(tài)位模型是依據(jù)一定數(shù)學算法，利用物種已知的產(chǎn)地分布數(shù)據(jù)及與其生長顯著相關(guān)的環(huán)境變量構(gòu)建的產(chǎn)地區(qū)劃模型，主要用來預測物種的潛在適宜分布區(qū)域[5]。該模型的出現(xiàn)為研究物種保護、進化及推廣種植提供了科學高效的分析工具。目前常用的生態(tài)位預測模型主要有最大熵模型（MaxEnt）、基因遺傳算法（GARP）、藥用植物全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性區(qū)劃信息系統(tǒng)（GMPGIS）等[6-8]，其中MaxEnt模型是基于最大熵原理提出的生態(tài)位模型，該模型具有預測精度高、操作簡單、運算速度快等優(yōu)點，在物種保護、種植區(qū)劃及有害生物防治等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[9]。本研究應(yīng)用MaxEnt模型分析了全球范圍內(nèi)的丹參潛在生態(tài)適宜區(qū)域，旨在為丹參科學引種和規(guī)范栽培提供參考，并為高品質(zhì)丹參藥材生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣點采集

在全球范圍內(nèi)對丹參主要分布區(qū)域進行樣點選取，包括丹參野生分布區(qū)、栽培主產(chǎn)區(qū)及歷史分布區(qū)[10]。查閱全球生物多樣性信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫（GBIF，http：//www.gbif.org/）、中國數(shù)字植物標本館（CVH，http：//www.cvh.org.cn/）、英國丘園（http：//apps.kew.org/）、中國知網(wǎng)等[11]，并結(jié)合本課題組在山東、陜西等丹參種植產(chǎn)區(qū)調(diào)查的工作記錄[12-13]，剔除產(chǎn)地有誤或重復的樣點；沒有經(jīng)緯度信息的標本依據(jù)采樣地點采用Google Earth軟件進行經(jīng)緯度坐標查找，最終共收集了697個丹參樣點，用于丹參全球潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)分析，詳見圖1[圖1經(jīng)國家測繪地理信息局審核，審圖號為：GS（2016）1766號，圖4同]。

1.2 氣侯變量的選擇

本研究氣候變量數(shù)據(jù)來自CliMond數(shù)據(jù)庫（http：//www.climond.org/）1950-2000年的監(jiān)測數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫共有35個生態(tài)因子，坐標系為WGS84，主要包括年均、季均及月均溫/濕度、年均日照、年均降水量等指標，氣候柵格數(shù)據(jù)的分辨率為10′ [14]。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心（http：//www.geodata.cn/Portal/index.jsp）。為了避免各生態(tài)因子間共線性造成模型預測結(jié)果的過度擬合[15]，本研究采用Spearman系數(shù)法對35個生態(tài)因子進行了相關(guān)性檢驗：若兩個因子的相關(guān)系數(shù)≥0.75，則留下其中生態(tài)意義較為重要的因子，相關(guān)系數(shù)<0.75的因子則全部保留[16]；同時，依據(jù)影響藥用植物生長的關(guān)鍵環(huán)境因子，結(jié)合相關(guān)文獻報道，本研究最終選取了6個生態(tài)因子用于后續(xù)分析，即年均溫、最熱季均溫、最冷季均溫、年均降水量、年均日照和年均相對濕度[17-18]。

1.3 模型的建立與評價

由于MaxEnt模型可以根據(jù)物種分布的樣點信息和環(huán)境變量數(shù)值分析該物種的生態(tài)位需求，并預測其潛在分布地區(qū)[9]，因此本研究擬采用MaxEnt模型進行分析。先通過丹參實際分布樣點的環(huán)境變量采用MaxEnt 3.3.3軟件建立MaxEnt預測模型，再根據(jù)模型計算出丹參在全球范圍內(nèi)的存在概率，利用ArcGIS 10.3軟件處理得到丹參全球范圍內(nèi)的潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)。MaxEnt 3.3.3軟件由其網(wǎng)站下載（http：//www.cs.princeton.edu/～schapire/MaxEnt/）；ArcGIS 10.3軟件由美國ESRI公司提供。具體操作方法為：首先，將丹參分布樣點數(shù)據(jù)和環(huán)境因子數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，然后導入MaxEnt 3.3.3軟件中，運行參數(shù)設(shè)置為隨機選取25%的分布點作為測試集（Test data），剩余的樣點數(shù)據(jù)作為訓練集（Training data）進行模型準確性分析，最大迭代次數(shù)為500[6]。

刀切法（Jackknife）是一種評估模型可靠性的分析方法，因此本研究采用刀切法中的ROC曲線（Receiver operating characteristic curve）來評價預測模型的準確度[19]。ROC曲線是目前物種潛在分布預測模型評價中應(yīng)用較為廣泛的模型[20]。ROC曲線下面積（Area under curve，AUC）數(shù)值范圍一般為0.5～1.0，其值越大表示預測越精確，通常數(shù)值在0.8～0.9為好，0.9～1.0為非常好[21]。

通常進行生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)劃分的方式有很多種，本研究根據(jù)丹參生長的存在概率，以劃分效果較好的人工分級方法為基礎(chǔ)，將丹參生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)劃分為3級，分別為高適生區(qū)（存在概率為0.6～1）、中適生區(qū)（存在概率為0.4～<0.6）及不宜適生區(qū)（存在概率為0～<0.4）[22]。

采用刀切法在MaxEnt 3.3.3軟件中生成氣候因子響應(yīng)圖，本研究設(shè)定存在概率大于0.5的結(jié)果數(shù)值為物種最適宜的生態(tài)因子范圍[23]。

2 結(jié)果

2.1 影響丹參生長的生態(tài)因子及ROC曲線

基于丹參在全球分布區(qū)的697個樣點，經(jīng)過MaxEnt模型分析得到丹參各生態(tài)因子統(tǒng)計參數(shù)，詳見表1。由表1可知，丹參分布地區(qū)的最冷季均溫數(shù)值變異范圍較大，其次是年均降水量，而最熱季均溫和年均日照數(shù)值變異范圍較小。本研究得到的ROC訓練集及測試集的AUC值均為0.979（如圖2所示），說明模型的預測效果達到了極好的測試水平，因此通過該模型預測得到的丹參生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)具有較高的準確性和可信度。刀切法分析表明，最熱季均溫的貢獻度最大（為34.47%），其次是最冷季均溫（為31.14%），另外年均降水量及年均日照的累積貢獻度約為31.33%，以這4個指標繪制生態(tài)因子響應(yīng)圖，詳見圖3。由圖3可知，存在概率大于0.5的適宜指標結(jié)果為：最適宜丹參生長的地區(qū)最熱季均溫范圍為22.5～27.5 ℃，最冷季均溫范圍為-12～8 ℃，年均降水量范圍為700～1 800 mm，年均日照范圍為130～160 W/m2。

2.2 丹參全球潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)

由上文分析可得丹參全球潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)，詳見圖4。由圖4可知，丹參全球潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)主要包括亞洲東部、歐洲南部、北美洲中東部以及非洲東北部地區(qū)，其全球潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)面積約為79.16×105 km2，其中高適生區(qū)主要分布在中國東部、美國中東部地區(qū)。適宜丹參種植的國家主要有中國、美國、俄羅斯、日本、韓國、朝鮮、哈薩克斯坦等，其中美國適宜產(chǎn)區(qū)面積為30.53×105 km2、中國適宜產(chǎn)區(qū)面積為27.11×105 km2、俄羅斯適宜產(chǎn)區(qū)面積為4.45×105 km2。

2.3 丹參在我國的潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)

利用ArcGIS 10.3軟件將MaxEnt 3.3.3軟件運行的結(jié)果與我國省級行政分區(qū)圖疊加，得到丹參在我國的潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)及各省適宜種植面積。結(jié)果，丹參潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)主要分布于華北平原、長江中下游平原以及新疆、遼寧的部分地區(qū)；其中，湖南、湖北、河南、江西、山東、四川、安徽、陜西、河北等省的適宜種植面積均超過1.50×105 km2。

3 討論

丹參作為根莖類藥材，存在較為嚴重的連作障礙問題，重茬種植丹參易導致其抗逆性（抗旱、澇、蟲?。┫陆?、產(chǎn)量減少、外觀粗糙、須根增多等問題；隨著種植年限增加，容易導致死苗、根腐爛、產(chǎn)生大量寄生線蟲等問題[12]。開展丹參生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)預測，可有效指導丹參科學選地及生產(chǎn)高品質(zhì)藥材。通過物種生態(tài)預測模型可有效預測物種的生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)，其中MaxEnt模型因其設(shè)置的環(huán)境約束條件，使其預測結(jié)果相對保守，但準確性較高，預測面積適中，應(yīng)用較為廣泛[24]，因此本研究采用MaxEnt模型對丹參生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)進行預測。結(jié)果表明，該模型訓練集和測試集的AUC值均大于0.9，說明模型預測結(jié)果準確度較高，適用于丹參藥材生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)的預測分析。另外，該模型預測的適宜產(chǎn)區(qū)基本包括了目前我國已有的丹參種植產(chǎn)區(qū)，如陜西商洛、河南方城、四川中江、遼寧凌源、河北撫寧、山東平邑、江蘇南京等地[13，25-26]，進一步驗證了本研究MaxEnt模型預測的準確性。

本研究結(jié)果表明，丹參潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)主要分布在亞洲東部和北美洲中東部地區(qū)，全球范圍內(nèi)丹參生態(tài)相似度最高的地區(qū)主要集中在中國、美國、俄羅斯、日本、韓國、朝鮮等地。我國的丹參潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)主要包括湖南、湖北、河南、江西、山東、四川、安徽、陜西、河北等地，另外浙江、貴州等地也適宜引種丹參進行栽培。楊先富等[27]研究表明，在貴州地區(qū)引種的丹參藥材質(zhì)量在10～11月份品質(zhì)較好，各丹參酮成分含量較高，均高于2015年版《中國藥典》規(guī)定，這也說明了本研究預測產(chǎn)區(qū)的準確性。魏志華等[28]采用中藥材產(chǎn)地適宜性分析地理信息系統(tǒng)（TCMGIS）對裕丹參在我國的生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)進行了區(qū)劃，結(jié)果表明，裕丹參除河南外，在四川、陜西、湖北等地均可生長。何淑婷等[25]采用MaxEnt模型對南丹參在我國的潛在分布區(qū)進行了預測，結(jié)果表明南丹參適宜生長的地區(qū)包括湖南、江西、浙江和福建等地。景鵬飛[26]采用MaxEnt模型研究表明，我國丹參的生態(tài)適宜分布區(qū)主要在華北地區(qū)。本研究預測得到的我國丹參生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)基本包含了前人的預測地區(qū)，且預測所得全球生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)面積更大、覆蓋范圍更廣，對未來丹參引種及科學種植具有一定參考價值。

中藥材產(chǎn)量及有效成分與其生長環(huán)境生態(tài)因子密切相關(guān)[29]。謝彩香等[30]研究表明，適當?shù)蜏靥幚碛欣谌藚⒃碥粘煞值目焖俜e累。本研究結(jié)果表明，影響丹參分布的主要生態(tài)因子有最熱季均溫、最冷季均溫、年均降水量和年均日照。其中，最熱季均溫的貢獻率高達34.47%，其次是最冷季均溫（31.14%），由此表明這兩個因子是影響丹參生長最重要的生態(tài)因子。由我國的丹參潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)圖可以看出，丹參適宜生長在溫帶地區(qū)，在我國最北端的適宜產(chǎn)區(qū)以北京和河北周邊地區(qū)為界限，這說明氣溫對丹參的分布影響較大。張辰露等[31]研究表明，在溫暖濕潤、晝夜溫差相對小的地區(qū)，丹參中丹參酮類成分的含量較高，而隨著緯度及海拔升高，其含量逐漸降低。這與本研究得出的影響丹參的主要生態(tài)因子為氣溫的結(jié)論相符。因此，高海拔及高緯度地區(qū)不適宜丹參栽培，在引種過程中需要注意種植基地的選擇及種植溫度的調(diào)控。

綜上所述，本研究預測的丹參潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)可為未來丹參藥材引種和栽培提供科學參考。但由于影響丹參生長的環(huán)境因素眾多，本研究預測的部分產(chǎn)區(qū)實際可能不適宜丹參生長，因此需要先進行小范圍栽培試驗，成功后方可大規(guī)模推廣種植。

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（收稿日期：2018-02-24 修回日期：2018-07-02）

（編輯：孫 冰）