尹秀 王愛(ài)萍 鄒澤傲 李云龍 王雅婷 高新征

摘要 我國(guó)南藥之一、藥食兩用的熱帶植物檳榔，其藥理作用豐富，臨床應(yīng)用廣泛。根據(jù)檳榔現(xiàn)有的分布記錄及氣象數(shù)據(jù)，利用最大熵模型MaxEnt和ArcGIS預(yù)測(cè)氣候變化背景下的檳榔在我國(guó)適宜性生長(zhǎng)區(qū)域，為其種植栽培和開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)。3個(gè)時(shí)期（1970—2000年、2040—2060年、2061—2080年）不同碳排放情景下（RCP2.6、RCP8.5）的模擬預(yù)測(cè)結(jié)果精度均值都達(dá)到了0.990，結(jié)果可信度極高。檳榔適生區(qū)總面積在RCP2.6情境下呈下降趨勢(shì)，在RCP8.5情境下呈上升趨勢(shì);貢獻(xiàn)率和影響力最大的氣候因子為最熱季降雨量，符合檳榔的生態(tài)習(xí)性;集中分布區(qū)域主要在瓊、粵、桂、滇南、臺(tái)等地區(qū)。

關(guān)鍵詞 檳榔;地理分布;適生區(qū)變化;最大熵模型

中圖分類(lèi)號(hào) Q 948文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2022）04-0221-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.04.057

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Prediction of Suitable Growing Areas of Areca catechu in Different Periods under Climate Changes

YIN Xiu1， WANG Ai-ping1， ZOU Ze-ao2 et al

（1.College of Pharmacy， Hainan Medical University， Haikou， Hainan 571199;2.College of Biomedical Information and Engineering， Hainan Medical University， Haikou， Hainan 571199）

Abstract Areca catechu， the first tropical plant in South China， has abundant pharmacological effects and wide clinical application. Under the background of climate change， according to the existing distribution records and meteorological data of Areca catechu， we used MaxEnt and ArcGIS to predict and analyze the suitable growth area of Areca catechu in China，to provide the theoretical basis for its cultivation and development.In the three periods （1970-2000，2040-2060，2061-2080） with different carbon emission scenarios，the average accuracy of simulation prediction results reached 0.990， and the results were highly reliable. In RCP2.6， the total area of suitable area of Areca catechu decreased， while in RCP8.5， it increased. The climate factor with the largest contribution rate and influence was the precipitation in the hottest season， which was in line with the ecological habits of Areca catechu. It is mainly distributed in Hainan， Guangdong， Guangxi， southern Yunnan and Taiwan.

Key words Areca catechu;Geographical distribution;Suitable area change;Maximum entropy

基金項(xiàng)目 海南醫(yī)學(xué)院2021學(xué)年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（X202111810115，X202111810126）。

作者簡(jiǎn)介 尹秀（1997—），女，湖北孝感人，從事藥學(xué)研究。*通信作者，副教授，碩士，從事黎藥研究。

收稿日期 2021-06-01;修回日期 2021-07-02

檳榔（Areca catechu L.）又名仁頻、賓門(mén)及賓門(mén)藥餞等，是單子葉植物綱、初生目、棕櫚科、檳榔屬常綠喬木。檳榔含有生物堿、黃酮、鞣質(zhì)、脂肪酸、萜類(lèi)和甾體等多種化學(xué)成分，主要的活性成分是以檳榔堿為首的生物堿 [1-2]，具有殺蟲(chóng)、抗抑郁、促消化等多方面的藥理活性[3] 。檳榔及其提取物還有鎮(zhèn)痛、消炎、抗氧化 [4]、降血糖及調(diào)節(jié)血脂[4]等其他生物學(xué)效用[6-7]。

近年來(lái)，全球氣候呈變暖的趨勢(shì)愈加明顯，研究表明，大量陸地、淡水和海洋物種的棲息地范圍、季節(jié)活動(dòng)、遷移路線、物種豐度和種間作用都隨著氣候變化而發(fā)生改變[8]，這些變化可能會(huì)造成區(qū)域物種多樣性減少，使物種滅絕風(fēng)險(xiǎn)增加[9]。

檳榔作為藥食兩用且發(fā)展前景良好的南藥之一，探究其在全球氣候變化總體趨暖的背景下，適宜生長(zhǎng)區(qū)的時(shí)空變化規(guī)律對(duì)我國(guó)區(qū)域內(nèi)物種可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。鑒于此，筆者根據(jù)檳榔現(xiàn)有的分布記錄及氣象數(shù)據(jù)，利用最大熵模型MaxEnt和ArcGIS預(yù)測(cè)氣候變化背景下的檳榔在我國(guó)適宜性生長(zhǎng)區(qū)域，為其種植栽培和開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

1.1.1 檳榔地理信息的采集與整理。

通過(guò)查閱中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館（http//www.cvh.org.cn/）、教學(xué)標(biāo)本標(biāo)準(zhǔn)化整理整合與資源共享平臺(tái)（http//mnh.scu.edu.cn/）、中國(guó)自然保護(hù)區(qū)資源平臺(tái)（http//www.papc.cn/bhqzy.aspx）及GBIF網(wǎng)站（https：//www.gbif.org/），結(jié)合實(shí)地考察，查閱公開(kāi)發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)及形色APP等互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的方法，去除模糊以及重復(fù)采集地信息，共收集109條標(biāo)本分布信息。為防止地理信息過(guò)近導(dǎo)致結(jié)果過(guò)度擬合，利用ArcGIS對(duì)其進(jìn)行篩選，以6 km為半徑設(shè)置緩沖區(qū)，去除相交重合標(biāo)本點(diǎn)，最終得到98條檳榔地理分布信息。結(jié)合谷歌地圖提取檳榔標(biāo)本分布點(diǎn)的經(jīng)緯度。將其按照學(xué)名、經(jīng)度、緯度的順序錄入表格，并存為csv格式，作為MaxEnt模型的樣本輸入文件。

1.1.2 氣候數(shù)據(jù)的收集與處理。

在國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站（http：//nfgis.nsdi.gov.cn）下載中國(guó)省級(jí)行政區(qū)劃矢量地圖。氣候數(shù)據(jù)均來(lái)源于世界氣候數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//www.worldcilm.org/），考慮對(duì)比性研究需單一變量性，該研究所需氣候數(shù)據(jù)均為19個(gè)生物氣候變量因子，包括1970—2000年、2040—2060年（2050s）和2061—2080年（2070s），3個(gè)時(shí)期選用基于CCSM4.0中的RCP2.6、RCP8.5（RCP2.6和RCP8.5分別代表最低和最高溫室氣體排放情景）排放路徑下的氣候因子[10]。由于環(huán)境因子相關(guān)性過(guò)高會(huì)造成結(jié)果過(guò)度擬合，故利用SPSS 20對(duì)19個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析，當(dāng)雙變量的相關(guān)系數(shù)≥0.8時(shí)，選擇貢獻(xiàn)率高的環(huán)境因子。去除貢獻(xiàn)率為0的環(huán)境因子，最終得到11個(gè)生物氣候因子（bio-2、bio-3、bio-4、bio-6、bio-8、bio-10、bio-12、bio-14、bio-15、bio-17、bio-18）通過(guò) ArcGIS 10.2 中 ArcToolbox 的轉(zhuǎn)換工具由柵格轉(zhuǎn)化為 ASC Ⅱ 格式。

1.2 研究方法

1.2.1 最大熵模型。

最大熵模型（Maximum entropy，Maxent）是根據(jù)物種現(xiàn)實(shí)分布點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)分布地區(qū)的環(huán)境變量運(yùn)算得出預(yù)測(cè)模型，再利用該模型模擬目標(biāo)物種在目標(biāo)地區(qū)的可能分布情況[11]。它是生態(tài)位模型中一種比較新的用于預(yù)測(cè)物種分布的技術(shù)方法，自帶檢驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果的功能。在物種分布數(shù)據(jù)不全的情況下，MaxEnt仍然能得到較為滿(mǎn)意的結(jié)果[12-14]。

1.2.2 ArcGIS。

ArcGIS 平臺(tái)由美國(guó) Esri 公司發(fā)布，是測(cè)繪地理信息技術(shù)服務(wù)，尤其是地理信息系統(tǒng)（GIS）輔助決策的最具代表性的門(mén)戶(hù)系統(tǒng)，具有信息輸入與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集與編輯、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、數(shù)據(jù)查詢(xún)與分析（柵格數(shù)據(jù)分析、矢量數(shù)據(jù)分析、三維分析、網(wǎng)絡(luò)分析）、空間統(tǒng)計(jì)與可視化、成果表達(dá)與輸出、二次開(kāi)發(fā)與編程等先進(jìn)的技術(shù)集成優(yōu)勢(shì)[15]。將最大熵模型預(yù)測(cè)結(jié)果與ArcGIS相結(jié)合，可得到較為清楚直觀的適生區(qū)分布圖[16-17]。

1.3 參數(shù)設(shè)置及模型精度分析

下載并安裝MaxEnt 3.4.1及ArcGIS 10.2軟件。將已經(jīng)轉(zhuǎn)化為合適格式的檳榔分布點(diǎn)數(shù)據(jù)和環(huán)境變量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MaxEnt軟件中，進(jìn)行建模運(yùn)算，測(cè)試集設(shè)置為 25%，采用刀切法檢驗(yàn)權(quán)重，設(shè)置受試者工作曲線（ROC），輸出格式和輸出類(lèi)型分別為 asc 和 Logistic，重復(fù)運(yùn)行6次，得到環(huán)境因子的響應(yīng)曲線、基本預(yù)測(cè)圖以及環(huán)境因子貢獻(xiàn)率等結(jié)果。

1.4 檳榔的適生區(qū)等級(jí)劃分

利用ArcGIS 10.2對(duì)MaxEnt模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行美化分析。先將asc 格式的文件加載到 ArcGIS 中，按掩膜提取出中國(guó)區(qū)域，繪制出基于11個(gè)氣候數(shù)據(jù)下的檳榔適生區(qū)域地圖，然后點(diǎn)擊Spacial anayst工具里的Reclassification進(jìn)行操作，在分類(lèi)方法中采用自然斷點(diǎn)法，將其劃分為4個(gè)適生等級(jí)：非適生區(qū)、低適生區(qū)、中適生區(qū)、高適生區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)測(cè)模型精度測(cè)評(píng)

按照上述方法，重復(fù)運(yùn)行6次之后得到3個(gè)時(shí)期的ROC曲線圖，預(yù)測(cè)結(jié)果可以分為 5 個(gè)等級(jí)：預(yù)測(cè)失?。ˋUC=0.5～0.6）、較差（AUC=0.6～0.7）、一般（AUC=0.7～0.8）、較好（AUC=0.8～0.9）、極好（AUC=0.9～1.0）。構(gòu)建的五次模型ROC曲線的AUC均值都達(dá)到了0.990以上（圖1），說(shuō)明預(yù)測(cè)結(jié)果可信度非常高。

2.2 檳榔當(dāng)前分布區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果

在當(dāng)前氣候條件下（圖2），檳榔分布區(qū)總面積（表1）為155.26萬(wàn)km2，占我國(guó)國(guó)土面積的16.12%。分布區(qū)域主要集中在瓊、粵、桂、滇、閩、臺(tái)等地區(qū)，其中瓊、粵、桂、臺(tái)灣西部及四川眉山樂(lè)山一帶為高適生區(qū)，占地35.58萬(wàn)km2。中適生區(qū)占總適生區(qū)的4.20%，主要分布在云南南部、川渝交界、福建中部及南部。

低適生區(qū)分布區(qū)域最廣，占地79.18萬(wàn)km2，分布在中高適生區(qū)周?chē)》荩瓦m宜性生長(zhǎng)區(qū)的適生指數(shù)較低，僅在自然條件下是較難生長(zhǎng)的。現(xiàn)代檳榔地理分布結(jié)果與檳榔標(biāo)本采集地理信息也相吻合。

2.3 氣候變化條件下檳榔適生區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果

以檳榔現(xiàn)有的檳榔分布記錄與未來(lái)氣候數(shù)據(jù)為媒介，利用Maxent對(duì)2040—2060年、2061—2080年2種不同排放路徑氣候下的檳榔適生區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)（圖3）。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)在RCP8.5情境下，檳榔的適生區(qū)總面積總體上呈增加的趨勢(shì)，2040—2060年適生區(qū)總面積與當(dāng)前相差不大，波動(dòng)小于1.5萬(wàn)km2，2061—2080年適生區(qū)總面積上升幅度較大，上升了27.42萬(wàn)km2，增幅達(dá)到2.84%，分布區(qū)域向西南偏移。而RCP2.6情境下適生區(qū)面積總體呈降低趨勢(shì)：2040—2060年適生區(qū)總面積降低了1.26%，2061—2080年相較于當(dāng)前降幅為0.95%。

在未來(lái)氣候變化下，高適宜性生長(zhǎng)區(qū)都是呈下降趨勢(shì)，其中RCP2.6情景下降幅度最大：從1970—2000年的35.58萬(wàn)km2下降到2040—2060年的25.09萬(wàn)km2再到2061—2080年的20.02萬(wàn)km2，分布區(qū)域變化主要是當(dāng)前的一些高適生區(qū)轉(zhuǎn)換成了中低適生區(qū)，例如海南、臺(tái)灣，兩廣地區(qū)的大部分高適生區(qū)在2040—2060年轉(zhuǎn)換成中適生區(qū)，在2061—2080年甚至轉(zhuǎn)換成了低適生區(qū)。

在 RCP8.5情景下，高適生區(qū)是呈現(xiàn)降低再升高的趨勢(shì)，區(qū)域變化主要是由集中轉(zhuǎn)為分散，雖然南部地區(qū)的適生等級(jí)依舊下降了，但相對(duì)地也增加了一些區(qū)域：川渝交界、云貴川交界等。

中、低適生區(qū)變化范圍在2個(gè)時(shí)期不同情境下變化趨勢(shì)較大。中適生區(qū)在RCP8.5模式下呈線性增加趨勢(shì)，在RCP2.6情境下呈先增后減的趨勢(shì)，最終面積與當(dāng)前相差不大;低適生區(qū)呈先下降后上升趨勢(shì)。分布區(qū)域主要是向西南區(qū)域偏移增加的區(qū)域，或者是不同適生指數(shù)的適生區(qū)域相互轉(zhuǎn)換。

2.4 環(huán)境因子貢獻(xiàn)率

由圖4可知，軟件的刀切法分別對(duì)每一個(gè)環(huán)境影響因子進(jìn)行分析，以柱狀圖的形式表現(xiàn)了單個(gè)變量的貢獻(xiàn)程度。

由圖4可知，對(duì)檳榔適生區(qū)影響較大的環(huán)境因子是bio-18最熱季降雨量，結(jié)合通過(guò)模型計(jì)算得到不同氣候因子對(duì)檳榔適生區(qū)影響的貢獻(xiàn)率結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不同時(shí)期的高貢獻(xiàn)率的環(huán)境因子大致相同，bio-18、bio-12、bio-10這3個(gè)氣候因子在不同時(shí)期不同排放路徑的權(quán)重都很高。

從表2可以看出，構(gòu)建的5個(gè)不同預(yù)測(cè)模型的輸出結(jié)果中，最熱季降雨量（bio-18）、溫度季節(jié)性變化（bio-4）、年平均降雨量（bio-12）、降雨季節(jié)性變化（bio-15）、最干月份降雨量（bio-14）、最冷月份最低溫（bio-6）6個(gè)環(huán)境變量的貢獻(xiàn)率和影響力都靠前。累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)90%，其中比重最大的為bio-18，貢獻(xiàn)率在50%以上，其他降水量相關(guān)因子的貢獻(xiàn)率也很高，說(shuō)明檳榔在我國(guó)的適生區(qū)分布主要由這6個(gè)氣候因子變量主導(dǎo)，最重要的環(huán)境變量系降雨量，其次為溫度，這也符合檳榔的生態(tài)生長(zhǎng)習(xí)性。

3 結(jié)論

該研究以熱帶植物檳榔為研究對(duì)象，通過(guò)最大熵模型MaxEnt和ArcGIS研究3個(gè)時(shí)期（1970—2000年、2040—2060年、2061—2080年）不同RCP模式下的檳榔適生區(qū)變化。通過(guò)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)氣候變暖在一定程度上對(duì)檳榔的生長(zhǎng)是有益的。不管是當(dāng)前還是未來(lái)，檳榔的核心分布區(qū)較為穩(wěn)定，主要是瓊、粵、桂、滇南、閩、臺(tái)及川渝交界等一些受熱帶或亞熱帶季風(fēng)氣候影響的地區(qū)，增加的分布區(qū)域較為分散，如川渝、湖南的張家界、湖北的恩施等地，屬盆地或者多山地區(qū)，降雨量比較充足。在氣候變化背景下，RCP2.6情境對(duì)檳榔的適生區(qū)呈負(fù)影響，RCP8.5情境下呈正影響，可能是溫室氣體高排放量會(huì)使氣候趨暖幅度變大，使我國(guó)西南、東南地區(qū)的溫度增加，在降雨量也充足的情況下，檳榔分布率會(huì)增加。結(jié)合當(dāng)前的一些氣候研究報(bào)告來(lái)看，氣候變化雖總體趨暖，但氣溫也并不是直線上升的，例如2020年的溫度驟降、寒潮頻發(fā)現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，檳榔的適生區(qū)域變化也是和氣候變化規(guī)律息息相關(guān)的。

4 討論

該研究旨在對(duì)檳榔當(dāng)前潛在分布區(qū)和未來(lái)適生區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析檳榔的適生區(qū)是否會(huì)在全球氣候趨暖的影響下發(fā)生改變，為其種植栽培和開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)。但該研究利用的環(huán)境變量?jī)H為生物氣候變量，忽略了地形、土壤、人為等因素的影響。雖然大量研究表明，在通過(guò)最大熵模型預(yù)測(cè)物種適生區(qū)范圍時(shí)僅使用氣候因子，也可以得到相對(duì)精確的預(yù)測(cè)結(jié)果。但是本著嚴(yán)謹(jǐn)且認(rèn)真的研究態(tài)度，在接下來(lái)的研究中還需要考慮其他影響植物生長(zhǎng)的環(huán)境變量，這對(duì)于更加精確地預(yù)測(cè)檳榔的適生區(qū)范圍具有重要意義。

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