不同氣候情景下我國(guó)三七潛在分布研究

陳鵬崟 ，官會(huì)林 ，王勇 ，魏富剛 ，楊紹周 ，王豪吉 ，趙林艷 ，徐武美

1.云南師范大學(xué)高原特色中藥材種植土壤質(zhì)量演變退化與修復(fù)云南省野外科學(xué)觀測(cè)研究站，云南 昆明 650500；2.文山學(xué)院文山三七研究院，云南 文山 663099；3.文山苗鄉(xiāng)三七科技有限公司，云南 文山 663099

三七為五加科人參屬植物三七Panax notoginseng（Burk.） F. H. Chen的干燥根和根莖，具有活血化瘀、消腫定痛功效[1]。隨著三七臨床需求逐年增加，野生資源枯竭，加之連作障礙等影響，三七主產(chǎn)區(qū)從云南文山等地區(qū)不斷外延。當(dāng)前，云南昆明、曲靖、紅河、玉溪等非三七傳統(tǒng)種植區(qū)均大面積種植三七[2]，此外，四川、重慶部分地區(qū)也有種植[3]，但這些地區(qū)是否為三七適生區(qū)尚需科學(xué)論證。全球氣候持續(xù)變暖導(dǎo)致三七適生區(qū)變化[4-5]，故預(yù)測(cè)當(dāng)前和未來氣候情景下三七在我國(guó)的潛在分布，科學(xué)劃分三七適生區(qū)，對(duì)三七人工栽培、野外回歸與種群重建具有重要意義。

物種分布模型被廣泛用于潛在分布預(yù)測(cè)，如領(lǐng)域模型、生態(tài)位因子分析模型、分類與回歸樹模型、最大熵（MaxEnt）模型等[6]。MaxEnt模型具有樣本需求量低、運(yùn)行速度快、預(yù)測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于預(yù)測(cè)物種分布[7-10]。本研究通過系統(tǒng)查閱標(biāo)本資料，結(jié)合實(shí)地調(diào)查和環(huán)境數(shù)據(jù)，利用MaxEnt模型和地理信息系統(tǒng)軟件（ArcGIS）分析影響三七分布的主要環(huán)境因子，預(yù)測(cè)不同氣候情景下三七在我國(guó)的潛在分布，為三七田間栽培、仿野生種植、野外回歸與種群重建提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)分布數(shù)據(jù)

檢索中國(guó)國(guó)家標(biāo)本資源共享平臺(tái)（NSII，http://www.nsii.org.cn/）、中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館（CVH，http://www.cvh.ac.cn/）、全球生物多樣性信息平臺(tái)（http://www.gbif.org），并對(duì)資料進(jìn)行仔細(xì)核對(duì)，去除錯(cuò)誤信息及重復(fù)記錄。對(duì)于無具體經(jīng)緯度的標(biāo)本，根據(jù)其記錄的位置信息，搜索百度地圖（http://api.map.baidu.com/lbsapi/getpoint/index.html），以當(dāng)?shù)剜l(xiāng)（鎮(zhèn)）政府所在地經(jīng)緯度代替。結(jié)合實(shí)地調(diào)查，最終共獲得三七在我國(guó)60個(gè)樣點(diǎn)分布信息（見圖1）。

圖1 我國(guó)三七樣點(diǎn)分布

1.2 環(huán)境因子

本研究使用22個(gè)環(huán)境因子，包括氣候、土壤和地形因子（見表1），空間分辨率為2.5′，其中海拔和生物氣候數(shù)據(jù)（1970—2000年的平均值）來自世界氣候數(shù)據(jù)網(wǎng)站（http://www.worldclim.org/）[11]，土壤pH值數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫（http://www.tpdc.ac.cn/zhhans/s）[12]，UV-B輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)來自glUV數(shù)據(jù)庫（http://www.ufz.de/gluv/index.php）[13]。

表1 環(huán)境因子數(shù)據(jù)

基于國(guó)家氣候中心研發(fā)的未來氣候變化模型BCCCSM2-MR[14]，在SSP1-2.6和SSP5-8.5氣候情景下，利用2021—2040年（2030年）和2061—2080年（2070年）氣候因子平均數(shù)據(jù)（http://www.worldclim.org/）對(duì)不同時(shí)期三七分布變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。SSP1-2.6代表SSP1假設(shè)下+2.6 W/m2輻射強(qiáng)迫氣候情景，表示綠色、可持續(xù)發(fā)展模式下氣候情況；SSP5-8.5代表SSP5假設(shè)下+8.5 W/m2輻射強(qiáng)迫氣候情景，表示以大量使用化石燃料提供能源的發(fā)展模式下氣候情況[15-16]。將22個(gè)環(huán)境因子數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS10.7軟件，利用空間分析工具中的多元分析函數(shù)，保留相關(guān)系數(shù)＜0.75的環(huán)境因子（bio1、bio4、bio5、bio6、bio7、bio12、bio17、bio18、bio19、elevation、pH），避免信息冗余導(dǎo)致模型過度擬合[17]。

1.3 地圖數(shù)據(jù)

中國(guó)行政區(qū)劃圖來源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)（http://nfgis.nsdi.gov.cn），分辨率為1∶400萬。

1.4 模型構(gòu)建及評(píng)價(jià)

將三七分布樣點(diǎn)信息和相關(guān)系數(shù)＜0.75的11個(gè)環(huán)境因子數(shù)據(jù)導(dǎo)入MaxEnt3.3.3軟件進(jìn)行建模運(yùn)算，隨機(jī)選取25%數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)集，75%數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，最大迭代次數(shù)5000次，采用交叉驗(yàn)證法，最大背景點(diǎn)數(shù)量10000個(gè)，其余均為默認(rèn)值[18]，重復(fù)運(yùn)行10次，結(jié)果輸出為ASCⅡ文件。采用受試者工作特征（ROC）曲線下面積（AUC）評(píng)價(jià)模型準(zhǔn)確度[19]，AUC取值范圍為0～1：AUC≤0.7，預(yù)測(cè)結(jié)果較差；0.7＜AUC≤0.8，預(yù)測(cè)結(jié)果一般；0.8＜AUC≤0.9，預(yù)測(cè)結(jié)果較準(zhǔn)確；0.9＜AUC≤1.0，預(yù)測(cè)結(jié)果極準(zhǔn)確[20]。利用MaxEnt模型輸出的環(huán)境因子貢獻(xiàn)率和刀切法評(píng)估各環(huán)境因子重要性。

1.5 適生區(qū)劃分

將輸出的ASCII文件導(dǎo)入ArcGIS10.7軟件，空間參考系為GCS_WGS_1984，使用空間分析工具中的重分類命令，按生境適宜度將三七適生區(qū)分為不適生區(qū)（生境適宜度＜0.20）、一般適生區(qū)（0.20≤生境適宜度＜0.40）、中度適生區(qū)（0.40≤生境適宜度＜0.6）和高適生區(qū)（生境適宜度≥0.6）[21-22]。

2 結(jié)果

2.1 模型預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

三七分布ROC曲線測(cè)試數(shù)據(jù)集AUC值為0.976，表明模型預(yù)測(cè)結(jié)果具有較高的可信度和準(zhǔn)確性，見圖2。

圖2 三七分布預(yù)測(cè)模型ROC曲線

2.2 主要環(huán)境因子選擇

參與MaxEnt模型分析的11個(gè)環(huán)境因子中，最干季降水量（bio17，41.8%）、氣溫年較差（bio7，29.7%）、氣溫季節(jié)性變化（bio4，7.7%）和海拔（elevation，5.2%）累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)84.4%。各環(huán)境因子貢獻(xiàn)率見表2，主要環(huán)境因子響應(yīng)曲線見圖3。

表2 影響三七分布11個(gè)環(huán)境因子貢獻(xiàn)率

圖3 影響三七分布主要環(huán)境因子響應(yīng)曲線

刀切法檢驗(yàn)結(jié)果表明，氣溫年較差（bio7）、最冷月最低溫（bio6）、氣溫季節(jié)性變化（bio4）、最干季降水量（bio17）對(duì)三七分布影響較大。見圖4。綜合貢獻(xiàn)率和刀切法檢驗(yàn)結(jié)果，影響三七分布的主要因素為降水、氣溫和海拔。

圖4 影響三七分布主要環(huán)境因子刀切圖

2.3 當(dāng)前和未來氣候情景下三七適生區(qū)分布

MaxEnt模型分析結(jié)果表明，當(dāng)前氣候情景下三七高適生區(qū)面積約為8.88×104km2，占我國(guó)國(guó)土面積的0.92%，主要分布在云南省馬關(guān)縣、西疇縣、硯山縣、富寧縣，廣西壯族自治區(qū)那坡縣、靖西市、德?？h、西林縣及貴州省安龍縣等地區(qū)。中度適生區(qū)面積約11.18×104km2，占我國(guó)國(guó)土面積的1.16%，主要分布在云南省廣南縣和丘北縣、貴州省興仁市和望謨縣及四川省宜賓市等地區(qū)。見圖5、表3。

表3 當(dāng)前和不同氣候情景下三七適生區(qū)面積（×104 km2）

圖5 當(dāng)前氣候情景下我國(guó)三七適生區(qū)分布

SSP1-2.6氣候情景下，預(yù)測(cè)2030年三七高適生區(qū)面積約為7.76×104km2，中度適生區(qū)面積約為11.30×104km2，總適生區(qū)面積約49.20×104km2；與當(dāng)前氣候情景下比較，高適生區(qū)面積減少，中度適生區(qū)面積增加，總適生區(qū)面積減少7.57×104km2。到2070年，三七高適生區(qū)面積約7.96×104km2，中度適生區(qū)面積約10.02×104km2，總適生區(qū)面積約53.29×104km2；與當(dāng)前氣候情景下比較，高適生區(qū)、中度適生區(qū)和總適生區(qū)面積分別減少0.92×104、1.15×104、3.48×104km2。SSP5-8.5氣候情景下，預(yù)測(cè)2030年三七高適生區(qū)面積約6.61×104km2，中度適生區(qū)面積約10.05×104km2，總適生區(qū)面積約44.34×104km2；與當(dāng)前氣候情景下比較，高適生區(qū)、中度適生區(qū)和總適生區(qū)面積分別減少2.27×104、1.13×104、12.43×104km2。到2070年，三七高適生區(qū)面積約為6.10×104km2，中度適生區(qū)面積約為7.36×104km2，總適生區(qū)面積約33.59×104km2；與當(dāng)前氣候情景下比較，高適生區(qū)、中度適生區(qū)和總適生區(qū)面積分別減少2.78×104、3.81×104、23.18×104km2?？偟膩砜矗诟邷厥覛怏w排放情景下，未來三七適生區(qū)面積將大幅縮小。見圖6、圖7。

圖6 未來不同氣候情景下我國(guó)三七潛在分布

圖7 未來不同氣候情景下我國(guó)三七潛在分布區(qū)變化

3 討論

本研究利用MaxEnt模型結(jié)合ArcGIS分析預(yù)測(cè)當(dāng)前及未來不同氣候情景下三七的地理分布，結(jié)果表明，當(dāng)前三七在我國(guó)總適生區(qū)面積約56.77×104km2，其中高適生區(qū)主要分布在云南文山州和廣西百色市西部，該區(qū)域地形以山峰、谷地和山嶺為主，有充足降水和日照，特殊地理環(huán)境為三七生長(zhǎng)發(fā)育提供有利條件[23]；中度適生區(qū)和一般適生區(qū)主要分布在四川宜賓、瀘州，貴州黔西南，廣西百色、崇左、玉林及廣東與福建沿海等地，與張琴等[24]研究結(jié)果基本一致。當(dāng)前，模型預(yù)測(cè)的四川東南部部分一般適生區(qū)已有三七種植[3]。

氣溫和降水是影響植物生長(zhǎng)和自然分布的關(guān)鍵因素，本研究結(jié)果表明，最干季降水量、氣溫年較差、氣溫季節(jié)性變化及海拔是影響三七分布的主要環(huán)境因子。汪佳維等[25]對(duì)三七引種栽培技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為適宜的降水量與海拔是三七健康生長(zhǎng)的重要條件；降水量過多或過少及年降水量分配，都會(huì)對(duì)三七生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生重要影響[26-27]，說明降水對(duì)三七生長(zhǎng)和地理分布影響較大。適宜的氣溫是實(shí)現(xiàn)三七高產(chǎn)和高品質(zhì)的重要前提[28]，金航等[29]研究認(rèn)為，年溫差是影響三七皂苷積累的關(guān)鍵因素；馮旭芹等[30]研究亦表明，年溫差11 ℃左右適宜生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)三七。本研究表明，氣溫年較差是影響三七分布的重要環(huán)境因子；此外，氣溫季節(jié)性變化和最冷月最低溫對(duì)三七分布也有一定影響。海拔1000～2000 m為三七適宜種植區(qū)，1300～1600 m為優(yōu)質(zhì)種苗基地[31]。本研究結(jié)果顯示，在滿足氣候條件的情況下，適宜三七生長(zhǎng)的海拔范圍（68.1～2791.2 m）較廣。當(dāng)前三七引種栽培研究主要集中在中高海拔地區(qū)，岳攀等[32]研究發(fā)現(xiàn)，四川遂寧等低海拔地區(qū)生產(chǎn)的三七質(zhì)量亦符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，廣西梧州部分低海拔地區(qū)種植三七也具有可行性[33]。說明三七具有在低海拔地區(qū)生長(zhǎng)的潛力，可以考慮將部分低海拔地區(qū)納入三七引種栽培范圍。

本研究探索未來2種氣候情景下三七適生區(qū)變化，結(jié)果表明，氣候變化導(dǎo)致三七潛在分布區(qū)減少，特別是在高溫室氣體排放情景下（SSP5-8.5），三七適生區(qū)面積大幅縮小，預(yù)測(cè)到2070年三七適生區(qū)面積將減少40%，福建、廣東等沿海地區(qū)及廣西西南部大部分地區(qū)將不再適宜三七生長(zhǎng)，在引種栽培時(shí)應(yīng)引起注意。根據(jù)《中國(guó)生物多樣性紅色名錄—高等植物卷》，三七瀕危等級(jí)為野外滅絕[34]，且三七種子不耐儲(chǔ)存[35]。因此，重建三七野生種群，對(duì)保護(hù)三七種質(zhì)資源具有重要意義。本研究表明，三七高適生區(qū)主要分布在云南與廣西交界處，這些地區(qū)是三七傳統(tǒng)種植區(qū)及主產(chǎn)區(qū)，可將該區(qū)域內(nèi)的文山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)等地用于三七野生種群重建，保護(hù)三七種質(zhì)資源。此外，MaxEnt模型分析顯示，四川南部、廣東和福建等沿海地區(qū)也是三七潛在分布區(qū)，可在這些區(qū)域試種三七，根據(jù)情況擴(kuò)大三七人工種植范圍。本研究可為三七田間栽培、仿野生種植、野外回歸及種群重建提供科學(xué)依據(jù)。