吳茱萸生態(tài)適宜性區(qū)劃研究*

楊海燕 廖衛(wèi)波 張媛媛，4 王小青 蔡妙婷#

（1江西省中醫(yī)藥研究院 南昌 330046；2中藥材種質(zhì)選育繁育重點(diǎn)研究室 江西南昌 330046；3江西省中藥原料質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)服務(wù)中心 南昌 330046；4江西道地特色中藥材標(biāo)準(zhǔn)化重點(diǎn)研究室 南昌 330046）

吳茱萸為蕓香科吳茱萸屬植物吳茱萸Euodia rutaecarpa(Juss.)Benth.、石虎Euodiarutaecarpa(Juss.)Benth.var.officinalis(Dode)Huang或疏毛吳茱萸Euodiarutaecarpa(Juss.)Benth.var.bodinieri(Dode)Huang的干燥近成熟果實(shí)，有降逆止痛、溫中散寒等功效[1]，已知的化學(xué)成分眾多，其中去氫吳茱萸堿[2～5]對(duì)治療腦血管等疾病有較好的療效，檸檬苦素[6～9]具有護(hù)肝、抗炎、抗胃癌等作用，吳茱萸堿和吳茱萸次堿[10～13]具有明顯的治療心血管和抗腫瘤的功效。

唐代陳藏器指出：“茱萸南北總有，入藥者以吳地為好，所以有吳地之名也[14]?！惫糯鷧堑貙儆诮髭M北地區(qū)，且李時(shí)珍在《本草綱目》亦記載：“橫立山脈，盛產(chǎn)吳萸”，其描述的橫立山脈為江西北部地區(qū)瑞昌市的橫立山一帶，由此贛北一帶自古就是我國(guó)吳茱萸藥材的重要出產(chǎn)地[15]。江西生產(chǎn)的吳茱萸藥材其基源主要為石虎和吳茱萸，前者為江西的道地藥材品種，既有豐富的野生藥材資源，也有栽培藥材資源，后者主要來(lái)源則為江西本省或從外省引種的栽培品種資源[16]。

道地藥材的生長(zhǎng)環(huán)境是影響中藥材道地性的重要因素，土壤、氣候及地形作為生長(zhǎng)環(huán)境的主要組成因子，為現(xiàn)今植物生態(tài)適宜性研究的重點(diǎn)。其中，最大熵模型（The Maximum Entropy Model Software,MaxEnt）為眾多物種分布模型中運(yùn)用較廣、結(jié)果預(yù)測(cè)較準(zhǔn)確的一種[17]，適用于目標(biāo)物種分布信息收集量較少情況下的預(yù)測(cè)分析，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于各藥用植物區(qū)劃，如太白貝母[18]、車(chē)前[19]、防風(fēng)[20]。本研究則利用ArcGIS和MaxEnt模型為平臺(tái)對(duì)各因子在分布預(yù)測(cè)貢獻(xiàn)率的結(jié)果分析，從而對(duì)江西吳茱萸生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)進(jìn)行空間化分析，確定吳茱萸適宜生長(zhǎng)的區(qū)域。

1 材料與方法

1.1 采樣儀器 HOLUX·M-241軌跡記錄儀、佳能單反相機(jī)。利用軌跡記錄儀記錄調(diào)查軌跡，將單反相機(jī)時(shí)間調(diào)節(jié)到與軌跡記錄儀一致，利用單反相機(jī)所拍攝吳茱萸照片與調(diào)查軌跡按照時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)匹配，獲取拍攝照片位置經(jīng)緯度信息。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 分布數(shù)據(jù) 通過(guò)第四次全國(guó)中藥資源普查實(shí)地調(diào)查收集位點(diǎn)信息84個(gè)，GBIF[GBIF.org(26 April 2022)GBIF Occurrence Download https://doi.org/10.15468/dl.4ux7gu]數(shù)據(jù)1 237條，通過(guò)物種信息及位置信息核對(duì)，最終確定國(guó)內(nèi)吳茱萸分布位點(diǎn)501個(gè)，去冗余后共篩選到有效位點(diǎn)262個(gè)。見(jiàn)圖1。

圖1 吳茱萸分布點(diǎn)

1.2.2 環(huán)境數(shù)據(jù) 環(huán)境數(shù)據(jù)包括19個(gè)氣候變量、3個(gè)地形變量和27個(gè)土壤變量，其中氣候變量源于WorldClim數(shù)據(jù)集（https://www.worldclim.org/），空間分辨率為2.5 arc-minutes，地形變量通過(guò)國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans）下載的中國(guó)數(shù)字高程圖（1KM）提取得到，土壤變量數(shù)據(jù)來(lái)源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（Harmonized World Soil Database v 1.2,HWSD）。由于環(huán)境變量之間存在的相關(guān)性，會(huì)產(chǎn)生多重線性問(wèn)題，我們對(duì)環(huán)境變量進(jìn)行去共線性分析，利用ENMTools軟件對(duì)19個(gè)氣候因子相關(guān)性分析后，去除相關(guān)系數(shù)大于0.75的變量，結(jié) 果 保 留 bio2、bio3、bio7、bio10、bio11、bio15、bio18、bio19。共8個(gè)氣候變量，地形及土壤變量相關(guān)系數(shù)均小于0.75，全部保留。見(jiàn)表1。

表1 吳茱萸主要生物氣候變量相關(guān)性分析

1.3 應(yīng)用模型及軟件 MaxEnt模型：版本3.4.1（http://biodiversityinformatics.amnh.org/open source/MaxEnt/）；ArcGIS軟件：版本10.7。

1.4 適生區(qū)模擬預(yù)測(cè) 將收集整理的262個(gè)分布數(shù)據(jù)點(diǎn)和篩選后的環(huán)境數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MaxEnt模型中，75%分布點(diǎn)作為訓(xùn)練集，設(shè)置最大迭代次數(shù)為5 000，重復(fù)次數(shù)為10次，收斂閾值10～5，并運(yùn)行繪制響應(yīng)曲線，使用刀切法，結(jié)果以Logistic格式輸出，其余值默認(rèn)。

1.5 結(jié)果評(píng)價(jià) 采用受試者工作特征（Receiver Operating Characteristic,ROC）曲線下與坐標(biāo)軸圍成的面積（Area Under Curve,AUC）值來(lái)評(píng)價(jià)MaxEnt模擬效果。其中AUC值在0.5～1.0、0.5～0.6為預(yù)測(cè)失敗，0.6～0.7為預(yù)測(cè)結(jié)果較差，0.7～0.8為預(yù)測(cè)結(jié)果一般，0.8～0.9為好，0.9～1.0為極好，AUC值越接近1.0表示模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度越高。

1.6 適生區(qū)劃分及面積統(tǒng)計(jì) 運(yùn)用ArcGIS對(duì)吳茱萸分布預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行重分類(lèi)，重分類(lèi)采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法（Jenks），按照存在概率（P）將吳茱萸的潛在適生區(qū)劃分為非適生區(qū)（0.000～0.200）、低適生區(qū)（0.200～0.400）、中適生區(qū)（0.400～0.600）和高適生區(qū)（0.600～0.992）4個(gè)等級(jí)。最后，利用分區(qū)統(tǒng)計(jì)（Zonal Statistics）功能對(duì)吳茱萸各研究區(qū)域的適生面積及比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型準(zhǔn)確性評(píng)價(jià) 模型重復(fù)運(yùn)行10次后，得到累計(jì)閾值函數(shù)測(cè)試遺漏率和ROC曲線，AUC均值為0.941，預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。見(jiàn)圖2。

圖2 MaxEnt模型預(yù)測(cè)遺漏率及ROC曲線

2.2 吳茱萸潛在適生區(qū)模擬結(jié)果及適生區(qū)面積統(tǒng)計(jì) MaxEnt模型預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，吳茱萸分布于我國(guó)21個(gè)省、市、自治區(qū)，主要集中在華東及華南各省，其中高適宜區(qū)以臺(tái)灣及吳茱萸主產(chǎn)區(qū)江西省為中心，輻射浙江、安徽及湖北等省，廣西、廣東也有高適宜區(qū)分布，與市場(chǎng)中吳茱萸的產(chǎn)地分布情況較吻合。見(jiàn)圖3。從適宜分布面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，吳茱萸適宜分布區(qū)占全國(guó)總面積的14.521%，包含高適宜區(qū)129 932.454 km2，中適宜區(qū)528 190.535 km2，低適宜區(qū)745 449.686 km2，高適宜區(qū)主要為江西省，高適宜區(qū)面積達(dá)65 117.311 km2，其次為臺(tái)灣12 691.077 km2，湖北12 237.824 km2，安徽8 007.465 km2，浙江7 705.297 km2。見(jiàn)表2。

圖3 吳茱萸潛在適生區(qū)模擬結(jié)果

表2 吳茱萸潛在適生區(qū)面積統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

2.3 環(huán)境因子對(duì)分布的影響分析 環(huán)境因子對(duì)模型的貢獻(xiàn)率分析結(jié)果顯示，bio19、bio18、bio7、s esp、bio2、bio11、phase1、s bs、add prop、bio3貢獻(xiàn)率排名前10，總貢獻(xiàn)率為86.238%。見(jiàn)表3。其中，貢獻(xiàn)率最大的環(huán)境因子為bio19，貢獻(xiàn)率為57.105%。綜合分析Jackknife刀切法結(jié)果顯示，氣候因子中，bio2、bio7、bio11、bio18、bio19對(duì)模型增益效果明顯，土壤因子中的s bs對(duì)模型增益效果明顯，其中增益效果最顯著的為氣候因子bio2。見(jiàn)圖4。

圖4 環(huán)境變量重要性刀切法檢驗(yàn)

表3 各環(huán)境變量對(duì)吳茱萸分布影響的貢獻(xiàn)率（%）

2.4 主導(dǎo)環(huán)境變量響應(yīng)曲線 結(jié)合環(huán)境因子貢獻(xiàn)率、Jackknife刀切法分析結(jié)果及關(guān)鍵氣候因子與存在概率的響應(yīng)曲線，最終選取bio2、bio7、bio11、bio18、bio19、s bs、底層淤泥含量（s silt）、底層USDA土壤質(zhì)地分類(lèi)（s usda tex）、頂層黏性層土壤的陽(yáng)離子交換能力（t cec clay）、頂層沙含量（t sand）對(duì)吳茱萸存在概率的影響進(jìn)行分析，bio2在3.527～6.100℃時(shí)，吳茱萸分布概率大于0.503，溫差越低，分布概率越大，溫差降至5.122℃時(shí)，分布概率大于0.900，bio2在7.580～8.390℃時(shí)，分布概率有小幅超過(guò)0.500，但最高分布概率0.544。從bio7響應(yīng)變量曲線的整體趨勢(shì)上可見(jiàn)，年均溫與分布概率成反比，在8.690～19.081℃時(shí)，吳茱萸分布概率大于0.500。bio11分 別 在4.497～10.093℃和15.975～19.401℃時(shí)，吳茱萸分布概率大于0.500。bio18在779.560～2 878.000 mm時(shí)，分布概率大于0.500，且降水量與分布概率成正比，在488.284～720.052 mm時(shí)，也有小幅度的分布概率超過(guò)0.500。bio19為151.142～811.800 mm時(shí)，分布概率大于0.500，分布概率最大值為0.890，降水量為370.771 mm。s bs大于99.920%時(shí)，吳茱萸分布概率大于0.500。s silt在50.557～58.609%wt.時(shí)，分布概率大于0.500，s silt在53.997～57.364%wt.時(shí)，分布概率大于0.900。s usda tex數(shù)據(jù)顯示，吳茱萸在重質(zhì)黏土、泥沙、粉砂壤土、砂質(zhì)黏土這四類(lèi)土壤質(zhì)地中分布概率大于0.500。t cec clay在62.316～73.494 cmol/kg，t sand在1.032～13.848%wt.、20.256～28.373%wt.時(shí)吳茱萸分布概率大于0.500，t sand在5.518～7.761%wt.時(shí)，分布概率大于0.900。見(jiàn)圖5。

3 討論

江西地處北回歸線附近，全省氣候溫暖，雨量充沛，為亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，吳茱萸作為江西省道地藥材，同時(shí)，也被列為“贛十味”品種之一，探索吳茱萸適宜的種植條件具有重大意義。

在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)吳茱萸生態(tài)適宜性分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)對(duì)49個(gè)生態(tài)因子的篩選，得出其中起主導(dǎo)作用的環(huán)境變量為：最冷季度降水量、最暖季度降水量、年均溫變化范圍、底層可交換鈉鹽、晝夜溫差月均值、最冷季度平均溫度、土壤相位、底層基本飽和度、土壤單元中農(nóng)業(yè)用途有關(guān)的特定土壤類(lèi)型、等溫性、土壤參考深度、土壤相位、頂層碳酸鹽或石灰含量、土壤有效水含量及坡度。利用Maxent模型對(duì)吳茱萸分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)吳茱萸主要分布在江西、浙江、安徽及湖北等省，與《中國(guó)植物志》記載基本一致，說(shuō)明預(yù)測(cè)的結(jié)果與實(shí)際較合理，對(duì)吳茱萸的道地藥材生態(tài)種植布局研究具有一定的指導(dǎo)意義。

吳茱萸市場(chǎng)需求廣大，在江西省也有大面積栽培，同時(shí)，作為我省道地藥材之一，其品質(zhì)和藥效極其關(guān)鍵，與其生長(zhǎng)環(huán)境關(guān)系密切，產(chǎn)業(yè)發(fā)展也受到多方關(guān)注和重視，故找到吳茱萸的適宜環(huán)境條件，為其栽培種植及精細(xì)化管理提供理論指導(dǎo)和建議顯得尤為重要。