羅漢果全球產地生態適宜性分析

魏小琴，雷 梟，何汶靜*

(1.川北醫學院 醫學影像學院，四川 南充 637002; 2.川北醫學院 中西醫臨床醫學系，四川 南充 637002)

羅漢果〔Siraitiagrosvenorii(Swingle) C. Jeffrey ex Lu et Z. Y. Zhang〕屬于葫蘆科，為多年生藤本植物，入藥部位為干燥果實，其味甘、性涼、無毒，擁有悠久的民間用藥歷史，具有利咽開音和清熱潤肺的功效，可以用于治療哮喘、肺結核、百日咳、急慢性扁桃體炎和急慢性氣管炎等病癥[1-2]，為歷版藥典所收載，是我國特有的珍貴藥食兩用植物。研究表明，羅漢果的果實包含黃酮、多糖、甜甙、多種氨基酸和維生素等，具有降血糖、增強免疫、抗癌、抗氧化等作用[2-3]，具有很大的開發潛力。目前，羅漢果為國家中醫藥管理局和國家衛生部批準的藥食同源植物，在我國具有悠久的出口歷史，被西方和東南亞等國家譽為長壽之果和東方神果。

羅漢果在我國廣西、廣東、貴州、江西以及湖南南部等均有種植，其在廣西的種植面積最大，種植面積占全球總面積的90%以上[4-5]。目前，羅漢果在福建、云南、浙江等省均有引種種植，其種植面積逐年增加，已從山區地帶延伸至平原或水田。但是，羅漢果的種植具有嚴格的生境要求。近年來，在羅漢果的種植發展過程中，由于盲目引種、相應產區的不合理規劃，產地選擇欠佳，對植物的生長造成嚴重影響[7-10]。如羅漢果種植在高溫多雨區域則會引起病蟲害的滋生蔓延，尤其是皰葉叢枝病常普遍發生，造成較大的經濟損失。因此，利用生態因子進行合理區劃，找準適宜潛在分布區域十分必要。羅漢果全球產地生態適宜性分析對羅漢果的可持續性發展具有重要意義。

藥用植物全球產地生態適宜性信息系統(GMPGIS ，Geographic Information System for Global Medicinal Plants)結合了數學、地理和生態等多個學科的方法和理論，該模型可進行定量化和可視化分析，能夠為各種植物的保護撫育、栽培引種和規范化種植提供有效的科學指導和依據[11-15]。當前，該模型已對中國的多種常用中藥材的基原物種進行了產地適宜性區劃分析[16-17]。為此，筆者等對羅漢果已有的自然資源分布進行調查，并采GMPGIS對羅漢果在全球范圍內的生態適宜性進行分析，并預測潛在分布區域，以期為羅漢果的科學引種和合理規劃生產布局提供參考。

1 資料與方法

1.1 數據來源

1.1.1 生態因子數據來源 收集準確的數據對于開展產地生態適宜性區劃是重中之重，也是構建結構合理和時效性強的數據分析結果和區劃精度的關鍵之所在[18-19]。基于GMPGIS模型采用的數據是集成多個數據庫[20-21]。其中，生態因子年均溫(℃)、最冷季節均溫(℃)、最熱季節均溫(℃)、年均降水量(mm)均采自全球氣候數據庫(WorldClim)，年均濕度(%)和年均日照(W/m2)采自生物模型全球氣候數據庫(CliMond),土壤數據采自全球土壤數據庫(HWSD ,Harmonized World Soil Database)。

1.1.2 植物采樣點數據來源 羅漢果原產地采樣點數據來源于廣西壯族自治區永福縣(包括三皇鄉、龍江鄉、羅錦鎮、永安鄉等)、臨桂縣(包括兩江鎮、五通鎮、臨桂鎮、六塘鎮，龍勝縣平等鄉、江底鄉等)和桂林市(包括雁山鎮、大河鄉、二塘鄉，桂平市中沙鎮、金田鎮、尋旺鎮，金秀縣金秀鎮，荔浦縣荔城鎮等)；廣東省英德市(包括大灣鎮)，湖南省沅陵縣張家坪鄉，福建省建甌市芝城鎮，貴州省黎平縣德鳳鎮，江西省安遠市(包括版石鎮等)及泰國北部。野生采樣點數據來源于中印半島和印度尼西亞。此外，參考www.cvh.org.cn(中國數字標本館)、www.gbif.org和www.discoverlife.org等相關植物網站數據，收集羅漢果產地的經緯度或具體的地名信息(圖1)。

1.2 方法

1.2.1 羅漢果生態閾值范圍的提取 依據植物精 確采樣地點的經緯度，運行GMPGIS模型中的exactFactors功能對其中的生態因子數據進行提取，即可獲得生態因子閾值的范圍。其中，產地經緯度信息主要來源于筆者的實地考察、GMPGIS自帶數據庫以及網站檢索。生態因子數據主要來源于全球氣候數據庫(Worldclim)、 生物模型全球氣候數據庫(CliMond)及全球土壤數據庫(HWSD)。

1.2.2 羅漢果全球產地生態適宜性分析 用GMPGIS模型計算獲得羅漢果最大生態相似度適宜產區全球分布圖。首先提取羅漢果植物的主產區、道地產區和野生分布地區的生態因子值及閾值范圍，并分別將提取數據進行標準化。然后將標準化的生態因子數據轉換成柵格數據，每個柵格為一個數據對象，利用GMPGIS對柵格數據進行空間聚類分析，根據相似程度劃分等級，以此劃定植物的最大生態相似適宜產區。

1.2.3 MaxEnt模型分析 MaxEnt為最大信息熵模型，主要利用物種生態因子預測潛在分布區、評估氣候變化對物種分布格局影響，并已有廣泛應用[22]。采用MaxEnt模型進行比較分析，檢測GMPGIS模型對羅漢果分布區域預測效果。

對全球氣候數據庫(Worldclim)、 生物模型全球氣候數據庫(CliMond)及全球土壤數據庫(HWSD) 中的柵格數據進行有效的篩選，將生態因子年均溫度、最冷季節均溫、最熱季節均溫、年均降水、年均濕度、年均日照和土壤柵格數據輸入MaxEnt模型，并生成柵格格式數據結果。最后將分析結果導入ArcGIS 10.2 并運行reclassification工具，將結果分為0%～10%、10%～30%、30%～50%、50%～80%和80%～100%的相似生態適宜區域。

1.2.4 羅漢果全球產地生態適宜分析的驗證

1) KAPPA驗證。采用KAPPA對2種模型的分析結果進行一致性檢驗，KAPPA系數為0.40～0.80，則驗證結果擁有理想的一致性精度；系數≥0.8則表明結果幾乎完全一致；系數為0.0～0.4說明不夠理想，系數≤0.0則無一致性。先對MaxEnt和GMPGIS 具有柵格數據格式的分析結果進行處理，將最大相似度區域轉換為N×N矩陣形式，再對矩陣進行KAPPA系數計算，計算公式：

(1)

式中，N為矩陣元素總數，xii為對角線元素，xi+為第i行元素總和，y+i為第i列元素總和。

2) 余弦相似性驗證。余弦相似性驗證也稱余弦距離，即使用向量空間中2個向量夾角的余弦值作為衡量2個個體間差異的大小的度量，如式(2)所示。在數據處理過程中，首先，將最大生態適宜區域共17萬km2轉換為17萬條生態因子向量；其次，將所得向量依次與實際采樣點向量比對，計算出和其中某一點最接近的余弦值作為結果；最后，根據不同經緯度共劃分為210個不同區域，并計算出單個地區的余弦平均值，共計210個數值，該計算過程由python實現。

(2)

式中，A、B分別為MaxEnt和GMPGIS模型預測結果矩陣中的單個生態因子向量值。

2 結果與分析

2.1 羅漢果生態因子閾值范圍

從表1可知，與桂林原產地比較發現，國內其他產地的年均溫、最冷季均溫、最熱季均溫均有所提升，全球范圍內提升更高，而低溫變化不大。在年均降水方面，國內其他產地略有提升，而全球范圍內閾值明顯擴大。年均日照和年均濕度最低閾值無變化，而最高閾值則從桂林原產地到國內外其他種植區域則有上升趨勢。從圖2可知，以桂林為中心地帶的原產區生態因子分布較為集中，從國內主要產區到國外的氣候分布情況發現，與桂林原產地相比，羅漢果植物的生長會趨向更高溫度、更多日照和降水更充足地區發展。土壤類型主要集中在強淋溶土、始成土和沖擊土等類型。

表1 羅漢果生態因子范圍Table 1 Ecological factors of S. grosvenorii producing areas

圖2羅漢果各生態因子值范圍的經驗分布
Fig.2 Empirical distribution of ecological factors inS.grosvenoriiproducing areas

2.2 GMPGIS預測的羅漢果生態適宜區

從圖3可知，羅漢果主產地中國的潛在分布區域面積達101.5×104km2，巴西和剛果(民主共和國)為潛在分布最大的2個國家，其潛在分布區域面積分別為264.6×104km2和112.2×104km2，印尼、哥倫比亞、秘魯、美國、玻利維亞、泰國、緬甸在羅漢果引種栽培方面具有較大發展潛力，其潛在分布區域面積均在30×104km2以上。從圖4可知，在我國，主產地廣西的潛在分布區域面積達18.7×104km2，廣東、江西、湖南為潛在分布較為廣泛的區域，分布面積為14.6×104km2、12.6×104km2和12.6×104km2，福建、云南、四川、貴州、浙江、重慶、海南、湖北和臺灣也有少量分布。

2.3 MaxEnt預測的羅漢果生態適宜區

從圖5可知，在全球產地分布預測中，在中國南方、中印半島和印度尼西亞等主產地區，羅漢果的潛在分布基本一致；在南美洲、北美洲和非洲等地區，MaxEnt模型預測的羅漢果潛在分布地區較大，與GMPGIS比較略有差異，但整體趨勢一致。從圖6可知，在我國范圍內，MaxEnt模型預測的羅漢果潛在分布區域較大，向北發展趨勢較為明顯，但整體分布基本一致。在湖北、安徽和江蘇等區域均有潛在分布區域。

2.4 羅漢果全球產地生態適宜區的驗證

2.4.1 KAPPA驗證 如圖7所示，圓圈外百分比為MaxEnt適宜差異百分比，其中百分比越小表示潛在分布區域越接近采用分布點的生態閾值；圓圈內為KAPPA相似性系數。針對羅漢果植物的潛在分布研究發現，GMPGIS與MaxEnt模型的適宜差異百分比在5%～60%區域內系數均在0以上，具有一定的一致性；并且適宜差異百分比在0%～15%，具有較為理想的一致性，其系數為0.51～0.56。

2.4.2 余弦相似性驗證 從圖8可知，GMPGIS與MaxEnt模型在最大相似度區域劃分的210個地區中，其平均余弦相似性均在99.9%以上，表明GMPGIS模型所產生的潛在分布區域具有較高的預測精度。

3 結論與討論

研究發現，羅漢果的主產地在中國，巴西和剛果(民主共和國)為潛在分布最大的2個國家，此外，在印尼、哥倫比亞、秘魯、美國、玻利維亞、泰國、緬甸在羅漢果引種栽培方面具有較大發展潛力。在我國，羅漢果主要生長在以廣西為主體的周邊各沿海省，并有逐漸向北方生長的趨勢，其溫度與原產地桂林相比緩步上升。羅漢果的主產地為廣西，廣東、江西、湖南為潛在分布較為廣泛的區域，福建、云南、四川、貴州、浙江、重慶、海南、湖北、臺灣有少量分布。經驗證，在最大相似度區域劃分的210個地區中，其平均余弦相似性均在99.9%以上。GMPGIS分析方法所產生的潛在分布區域，具有較高的預測精度，能夠為藥用植物的保護撫育、引種栽培及規范化種植提供有效的科學參考依據。

根據《中醫藥發展戰略規劃綱要(2016—2030年)》的明確指示：需加強道地植物藥材良種繁育基地和規劃化種植養殖基地建設[12]。但是，羅漢果在其整個生長發育周期中，對生長環境的要求極為嚴格和苛刻。經分析，羅漢果在我國的適宜生態區主要在南方，在廣東、廣西、福建和湖南等省均具有廣泛的種植環境，生態位為海拔300～1 400 m亞熱帶的山坡、林下和河邊濕潤地段或叢林、灌木中。研究主要針對羅漢果道地產區、主產區及野生分布區進行精確的采樣，根據經緯度確定生態因子閾值范圍和限制因素，并采用GMPGIS模型，進行生態適宜性分析，分析得出的潛在分布區域具有一定的預測準確性，可指導藥用植物的保護、撫育、栽培、引種及規范化種植，對對藥用植物科學的引種與規劃有較強的指導意義。