中藥南沙參生態適宜性區劃研究

陳博 ，曹后康 ，郭延秀 ，席少陽 ，呂蓉 ，晉玲，

1.甘肅中醫藥大學藥學院，甘肅 蘭州 730000； 2.中（藏）藥資源研究所，甘肅 蘭州 730000

南沙參為桔梗科沙參屬植物輪葉沙參Adenophora tetraphylla（Thunb.）Fisch.或沙參Adenophora strictaMiq.的干燥根，具有養陰清肺、益胃生津、化痰、益氣的功效[1]。近年隨著中醫藥產業的迅速發展，南沙參的市場需求逐漸增加。因此，研究南沙參的生境適宜性，明確其適生范圍，成為當前亟需解決的問題。

近年來，最大熵（MaxEnt）模型在預測生物物種潛在分布方面已廣泛使用[2-4]，尤其與地理信息系統（GIS）空間分析技術結合在預測物種潛在分布、模擬道地藥材生態適宜性分布等方面具有巨大優勢[5-10]。筆者采用MaxEnt模型結合GIS技術預測南沙參生態適宜性分布，為優質南沙參的人工栽培選地提供依據。

1 資料與方法

1.1 樣點分布數據

2019年8－11月通過野外采集和查閱中國數字植物標本館（https://www.cvh.ac.cn），共收集南沙參樣點信息493個，其中輪葉沙參263個、沙參230個（見圖1）。將物種名、樣點的經緯度、海拔信息存儲為.csv格式[11]。

圖1 南沙參樣點分布

1.2 生態因子數據

本研究使用來源于中藥資源空間信息網格數據庫（http://www.tcm-resources.com/）的55個生態因子數據，其中包括43個氣候類型數據（12個月的平均溫度與降水量、19個綜合氣候因子）、8個土壤類型數據、3個地形數據、1個植被類型數據。選取適應南沙參生長的所有生態因子數據[12]，在國家地理信息數據網站（http://nfgis.nsdi.gov.cn）下載1∶400萬中國行政區劃圖及中國地圖。

1.3 模型預測評價

將轉換為.csv格式的南沙參樣點信息導入MaxEnt3.4.0軟件，設置建模參數：隨機測試比例15%，最大迭代次數為106。用受試者工作特征（ROC）曲線下面積（AUC）評價預測結果的精度，并用刀切法檢驗權重，其他參數為軟件默認值。AUC值取值范圍0～1，值越大，表示模型判斷力越強。

導入不同基原南沙參的樣點信息和55個生態因子，進行迭代運算，舍棄貢獻率為0的因子，得到對南沙參生長影響貢獻率較高的主要生態因子，依據響應曲線得到適宜范圍。

1.4 生態適宜區劃分

將MaxEnt模型運算結果導入GIS，參照生態適宜度最小值及正態分布曲線的均值（μ）和均方差（δ），劃分為不適宜區、次適宜區和適宜區3個等級，并繪制不同基原南沙參藥材生態適宜性區劃分布圖。

2 結果與分析

2.1 刀切圖

MaxEnt模型運算以AUC評價模型準確度。輪葉沙參、沙參ROC曲線訓練數據集AUC分別為0.976、0.981，測試數據集AUC分別為0.935、0.951，均大于0.9，表明模型對預測南沙參的全國潛在分布準確度和可信度都很高。輪葉沙參、沙參刀切法檢驗結果見圖2、圖3，輪葉沙參、沙參訓練集ROC曲線見圖4、圖5。

圖3 沙參生態因子刀切圖

圖4 輪葉沙參模型訓練集ROC曲線

圖5 沙參模型訓練集ROC曲線

2.2 生態因子選擇

篩選55個生態因子，其中47個對輪葉沙參生態適宜性有貢獻率，20個為影響輪葉沙參適宜性的主要生態因子，貢獻率總和為89.54%，輪葉沙參主要生態因子適宜值見表1。50個生態因子對沙參生態適宜性有貢獻率，13個為影響沙參適宜性的主要生態因子，貢獻率總和為89.85%，沙參主要生態因子適宜值見表2。降水量、溫度、坡度、海拔、土壤亞類均為影響不同基原南沙參藥材生長的主要生態因子。

表1 輪葉沙參主要生態因子貢獻率及適宜值

表2 沙參主要生態因子貢獻率及適宜值

2.3 生態適宜性區劃

輪葉沙參生態適宜性分布區見表3，生態適宜性區劃見圖6。吉林東南部、遼寧東部、北京大部、河北中部、山東東北部和東南部、江蘇、浙江、福建大部、安徽中南部、廣東大部、廣西中北部、貴州大部、四川東部為輪葉沙參適宜區。內蒙古東北部、黑龍江、吉林中部、遼寧西部、天津大部、河北北部邊緣、河南大部、山西大部、山東西南部、安徽北部、江西大部、廣東中南部、廣西南部、湖南大部、貴州北部邊緣、湖北大部、重慶、陜西中南部、甘肅南部邊緣、四川東部邊緣、云南東北部為輪葉沙參次適宜區。

圖6 輪葉沙參生態適宜性區劃

表3 輪葉沙參生態適宜性分布區

沙參主要生態適宜性區劃見圖7，生態適宜性分布見表4。山西大部、河南東南和西南邊緣地區、浙江西部、福建西北部、安徽中南部、江西大部、湖北西部和東部、湖南大部、廣西北部邊緣、陜西南部、重慶東部、貴州大部為沙參適宜區。吉林南部邊緣、遼寧中東部、山東中南部、河南大部、江蘇大部、上海大部、浙江中東部、福建東南部、廣東大部、安徽北部、湖北中部、廣西大部、陜西中北部、重慶中西部、甘肅南部、四川中東部、云南中北部、臺灣北部邊緣為沙參次適宜區。

圖7 沙參生態適宜性區劃

表4 沙參生態適宜性分布區

續表4

3 討論

本研究收集了493份南沙參樣點分布信息，利用MaxEnt模型結合GIS技術對南沙參生態適宜區進行預測，結果AUC均大于0.9，表明預測結果良好、可信度較高。

綜合分析南沙參的主要生態因子，對輪葉沙參生態適宜性產生影響的生態因子貢獻率由高至低為6月份降水量（21.10%）>11月份降水量（18.33%）>最濕季節降水量（13.00%）>7月份溫度（4.29%）>溫度季節性變動系數（4.04%）>植被類型（3.91%）>土壤亞類（3.50%）>10月份降水量（2.21%）>7月份降水量（2.18%）>溫度年較差（2.05%）>6月份溫度（2.00%）>12月份降水量（1.89%）>坡度（1.88%）>等溫性（1.64%）>最熱月份最高溫度（1.60%）>土壤質地分類（1.46%）>最暖季節平均溫度（1.38%）>8月份溫度（1.08%）>最暖季節降水量（1.04%）>1月份降水量（1.02%）。對沙參生態適宜性產生影響的生態因子貢獻率由高至低為3月份降水量（37.85%）>11月份降水量（22.43%）>4月份降水量（5.74%）>3月份溫度（5.06%）>坡度（3.33%）>土壤亞類（3.03%）>海拔（2.35%）>溫度季節性變動系數（2.28%）>最干季節平均溫度（2.18%）>7月份降水量（2.10%）>7月份溫度（1.48%）>土壤質地分類（1.01%）=等溫性（1.01%）。可見，降水量、溫度、坡度、海拔、土壤亞類均為影響不同基原南沙參生長的主要生態因子。

本研究表明，降水量是保證南沙參正常生長的最重要條件，沙參雖然耐旱，但生長也需適量水分，以確保植物正常生長；3月份為植物萌芽時期，7、8月份為植物成熟結果時期，此時需適宜溫度供植物進行正常的新陳代謝。南沙參多生長于山地丘陵地帶，適宜的坡度是其生長必要條件，其中輪葉沙參為0～17°，沙參為4～16°，適宜坡度能確保植物水分吸收、減少土壤流失、增長受光時間等；另外，輪葉沙參和沙參生長均應以土層深厚肥沃、富含腐殖質、排水良好的砂質壤土栽培為宜，以此為植物生長提供必要營養。