張俊杰，周鍶佳，劉 沛，明忠莉，尹 秀，高新征

（海南醫(yī)學(xué)院，海南 海口 571199）

烏 檀（Naucleaofficinalis（Pirre ex Pitard）Merr.）為茜草科烏檀屬植物，天然分布稀少，其干燥莖（含樹皮）、根是一類海南黎族醫(yī)學(xué)常用藥，稱為膽木［1］，含有以生物堿為主的抗炎活性物質(zhì)［2］。膽木味苦性寒，可消炎鎮(zhèn)痛、清熱解毒；臨床常用于治療感冒發(fā)熱、肺炎、泌尿系統(tǒng)感染、癤腫等各類感染炎癥［3］。膽木藥用歷史悠久，早在20世紀(jì)末已有臨床上利用膽木制劑治愈鉤端螺旋體病的案例［4］。膽木浸膏片或提取液聯(lián)合抗生素具有協(xié)同相加、高效抗感染的作用［5-6］。我國烏檀主要分布在廣東、廣西和海南中等海拔地區(qū)的森林中［7］。

全球氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和《中國氣候變化藍(lán)皮書（2019）》表明近五年全球氣溫明顯上升［8-9］，目前估計(jì)每10年增加0.2℃［10］。物種適應(yīng)氣候變化有一定的閾值，當(dāng)某些“不利”因素達(dá)到或超過這個(gè)閾值時(shí)，就可能出現(xiàn)物種分布區(qū)縮小、空間遷移等［11］，氣候變化對(duì)各物種群落的分布范圍以及組成結(jié)構(gòu)的影響日益加劇［12］。

分析當(dāng)前與未來生物氣候條件下烏檀的地理分布及變化，挖掘當(dāng)前可能存在的潛在分布區(qū)以及未來適宜分布區(qū)，可對(duì)烏檀的人工種植區(qū)劃及資源保護(hù)開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)處理與方法

1.1 數(shù)據(jù)搜集與整理

1.1.1 烏檀地理分布信息搜集與整理

以烏檀、膽木和Naucleaofficinalis作為關(guān)鍵詞在數(shù)據(jù)庫及植物資源平臺(tái)進(jìn)行檢索，共得到334條數(shù)據(jù)（表1）。

表1 各數(shù)據(jù)庫或資源平臺(tái)的現(xiàn)存數(shù)據(jù)量Tab.1 The amount of existing data for each database or resource platform

去除僅記錄到國家、省或極小地名的模糊信息，利用高德地圖開放平臺(tái)提取標(biāo)本分布點(diǎn)的經(jīng)緯度。為防止標(biāo)本信息過于密集導(dǎo)致結(jié)果過度擬合，可采用ArcMap進(jìn)行緩沖區(qū)操作，范圍為6 km，去除交叉地點(diǎn)，共得到有效數(shù)據(jù)32條（表2）。對(duì)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行合并整理，保存為csv格式，作為樣本輸入文件。

表2 各數(shù)據(jù)庫或資源平臺(tái)有效標(biāo)本點(diǎn)的地區(qū)及經(jīng)緯度Tab.2 Region，longitude and latitude of the valid specimen pointsof each database or resource platform

1.1.2 地理信息與生物氣候變量數(shù)據(jù)的收集

在國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站（http：//nfgis.ns?di.gov.cn）下載中國省級(jí)行政區(qū)劃矢量地圖。在世界氣候數(shù)據(jù)中心（https：//www.worldclim.org/）下載當(dāng)前（1970～2000）與 未 來2040-2060年（2050s）及2061-2080年（2070s）生物氣候變量數(shù)據(jù)，選擇精度均為2.5 arc_min。

1.2 研究方法

1.2.1 生態(tài)位模型

生態(tài)位模型主要反映物種處于自然生態(tài)系統(tǒng)中的時(shí)空相對(duì)位置以及親緣相近物種間的關(guān)系［13］。通過建立MaxEnt（最大熵模型）分析運(yùn)算，再利用ArcGIS（地理信息系統(tǒng)）下的ArcMap軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化處理及分析。

MaxEnt優(yōu)勢(shì)是輸入少量樣本數(shù)據(jù)和生物氣候變量運(yùn)算可得到分布預(yù)測(cè)模型，并可自行檢驗(yàn)偏差。ArcGIS能夠迅速將適生區(qū)分布點(diǎn)展現(xiàn)在地圖上［14］。

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理及模型精度分析

為降低生物氣候變量冗余度，提升MaxEnt模型運(yùn)行速度和增加精確度［15］，需對(duì)環(huán)境變量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。首先利用現(xiàn)有標(biāo)本點(diǎn)建立MaxEnt模型，得出生物氣候變量的相對(duì)貢獻(xiàn)，選出貢獻(xiàn)率不為0的生物氣候變量數(shù)據(jù)；再利用SPSS20（統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)分析）對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性分析：若數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)≥0.9，則去除貢獻(xiàn)率低的氣候因子。最終得到9個(gè)生物氣候數(shù)據(jù)，以ASC格式保存，用于構(gòu)建預(yù)測(cè)模型。

采用ROC曲線（Receiver operating characteris?tic）對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，AUC值作為衡量模型精確度的指標(biāo)［16］，AUC值越接近1，表明預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度就越高。預(yù)測(cè)結(jié)果可以分為5個(gè)等級(jí)：預(yù)測(cè)失敗（AUC=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）。

1.2.3 模型構(gòu)建及適生區(qū)等級(jí)劃分

MaxEnt添加運(yùn)行6次后，取平均結(jié)果的asc數(shù)據(jù)格式文件，利用Arc Toolbox中的轉(zhuǎn)換工具將其轉(zhuǎn)為柵格格式?；谥袊貓D進(jìn)行掩膜提取，呈現(xiàn)中國區(qū)域的預(yù)測(cè)結(jié)果。利用ArcMap自帶的重分類功能，選擇自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將適生區(qū)劃分為非適生區(qū)、低適生區(qū)、中適生區(qū)、高適生區(qū)，由此得到烏檀適生等級(jí)劃分圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 烏檀地理分布現(xiàn)狀及潛在適生區(qū)

根據(jù)當(dāng)前標(biāo)本采集情況可知，烏檀集中分布在我國南部沿海廣東、廣西、海南三省，在云貴等省份也有零散分布。

據(jù)當(dāng)前氣候因子及標(biāo)本數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)烏檀潛在分布情況（圖1），烏檀中高適生區(qū)在中國全境大體呈三角形分布，主要囊括了南三省粵桂瓊絕大部分和臺(tái)灣西部半境；低適生區(qū)主要是中高適生區(qū)向北延伸到長(zhǎng)江流域、東至沿海、西界云貴川，西藏云南有零星線性分布；湖南中部東部呈空洞缺失狀態(tài)。這都與烏檀當(dāng)前標(biāo)本分布情況大致相符。

圖1 烏檀的現(xiàn)有標(biāo)本點(diǎn)地理分布與當(dāng)前適生區(qū)預(yù)測(cè)圖Fig.1 The geographical distribution of the existing sample sites and the prediction of the current suitable area of Nauclea officinalis

2.2 烏檀的未來適生區(qū)

在未來氣候條件下，烏檀的適生區(qū)分布出現(xiàn)明顯遷移現(xiàn)象（圖1、2）。烏檀中高適生區(qū)整體呈擴(kuò)張態(tài)勢(shì)，并向北方擴(kuò)大遷移，但仍舊局限于長(zhǎng)江流域及其南部。到2050s時(shí)期，原高適生區(qū)發(fā)生重大改變，海南的中、高適生區(qū)及臺(tái)灣全境幾乎全部降為非適生區(qū)，粵桂二省高適生區(qū)也大部分降為中適生區(qū)；湖南中部東部由非適生區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榈瓦m生區(qū)，其周圍原低適生區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈哌m生區(qū)。2070s時(shí)期，上述2050s時(shí)期的中適生區(qū)大部分升級(jí)為高適生區(qū)，中高適生區(qū)面積有一定增長(zhǎng)。

2.3 烏檀預(yù)測(cè)適生區(qū)的面積結(jié)果與分析

結(jié)果表明，烏檀當(dāng)前（1970～2000s）適生區(qū)總面積占比13.67%，其中高適生區(qū)僅2.23%，約21.49萬km2，中、低適生區(qū)分別占2.00%和9.44%，面積分別約為19.28 km2和90.99 km2。到2050s，烏檀總適生區(qū)比當(dāng)前增加了37.68萬km2，高、中適生區(qū)均有所增加，比當(dāng)前分別增加了14.37萬km2和65.92萬km2，而低適生區(qū)面積略有下降；在2070s的生物氣候變量的作用下，烏檀非適生區(qū)面積與2050s相比無明顯變化。值得注意的是，高適生區(qū)增加了29.49萬km2，但中、低適生區(qū)面積均呈下降趨勢(shì)（表3）。

表3 烏檀預(yù)測(cè)適生區(qū)面積及占比Tab.3 Area and proportion of suitable growth area predicted by Nauclea officinalis

2.4 生物氣候變量貢獻(xiàn)率

刀切法分析三個(gè)時(shí)期每個(gè)生物氣候變量因子（圖3），對(duì)烏檀適生區(qū)影響較大的生物氣候變量因子是最熱季降雨量（bio-18），其次是最熱季平均溫度（bio-10），最濕季平均溫度（bio-8），年均溫（bio-1）等生物氣候變量因子。

圖2 2050s和2070s烏檀的適生區(qū)預(yù)測(cè)圖Fig.2 Prediction of suitable growing areas of Nauclea officinalis in 2050sand 2070s

圖3 影響烏檀適生的環(huán)境變量刀切分析Fig.3 Analysis of environmental variables affecting the suitability of Nauclea officinalis

2.5 烏檀適生區(qū)氣候特征

計(jì)算并排列不同時(shí)期不同氣候因子對(duì)烏檀適生區(qū)影響的權(quán)重（表4），結(jié)合圖3可知不同時(shí)期的高貢獻(xiàn)率的因子大致相同，bio-18、bio-17、bio-15、bio-1的影響力和貢獻(xiàn)率都相對(duì)較高，三個(gè)時(shí)期累積貢獻(xiàn)率均值都超過了80%，說明烏檀在我國的適生區(qū)分布主要由這4個(gè)生物氣候變量因子主導(dǎo)。

表4 生物氣候變量貢獻(xiàn)率Tab.4 Contribution rate of bioclimatic variables

選取上述對(duì)適生區(qū)影響較大的4個(gè)生物氣候因子，通過MaxEnt自動(dòng)輸出各變量因子的響應(yīng)曲線，分析最適合烏檀生長(zhǎng)的生物氣候變化范圍。

以存在概率>0.5為參考標(biāo)準(zhǔn)，由圖4可知烏檀生境適宜生物氣候環(huán)境包括了以下區(qū)間：bio-1年均溫在20～25℃范圍，bio-15降雨量的季節(jié)性變化在30～60 mm之間，bio-17最干季降雨量在70～140 mm之間，bio-18最熱季降雨量在600 mm以上。可見熱季降雨量及其變化與溫度對(duì)烏檀的適生區(qū)的影響極大。

圖4 生物氣候變量響應(yīng)曲線Fig.4 Response curves of environmental variables

2.6 對(duì)烏檀適生區(qū)模型的檢驗(yàn)

MaxEnt重復(fù)運(yùn)行6次之后得到ROC曲線圖，三個(gè)時(shí)期的模型的AUC均值都超過0.990，說明預(yù)測(cè)結(jié)果效果非常好。

3 結(jié)果和討論

基于MaxEnt最大熵模型和ArcGIS地理信息系統(tǒng)模擬三個(gè)時(shí)期的生物氣候變量數(shù)據(jù)對(duì)烏檀適生區(qū)的影響，預(yù)測(cè)烏檀的適生區(qū)大致范圍為15°～35°N，90°～125°E，主要集中分布在南三省粵桂瓊與臺(tái)灣地區(qū)；在未來氣候條件下，烏檀的適生區(qū)出現(xiàn)了2個(gè)遷移趨勢(shì)，即中高適生區(qū)向北遷移及大部分低中適生區(qū)向高適生區(qū)轉(zhuǎn)化。適生區(qū)變化趨勢(shì)與未來氣候變暖的趨勢(shì)相符合，烏檀會(huì)逐漸由沿海三省粵桂瓊向我國內(nèi)陸遷移。未來江蘇、重慶、云南等地可依據(jù)適生區(qū)遷移趨勢(shì)盡早進(jìn)行烏檀種植基地規(guī)劃，儲(chǔ)備烏檀種植人才，制定生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范，引導(dǎo)本地烏檀行業(yè)發(fā)展。計(jì)算不同生物氣候變量對(duì)物種分布的貢獻(xiàn)率和影響，降雨量是烏檀分布的主導(dǎo)因素，烏檀適宜生長(zhǎng)的氣候類型是全年高溫且潮濕多雨的熱帶與亞熱帶季風(fēng)氣候，這與現(xiàn)有分布情況相符。此外，烏檀也有適合生長(zhǎng)于蔭蔽潮濕地帶的特點(diǎn)［17］，這可能是烏檀在北方?jīng)]有分布的原因之一。

未來氣候的預(yù)測(cè)有不確定因素，土壤、坡度、日照時(shí)數(shù)、人為活動(dòng)、種間競(jìng)爭(zhēng)等因素也可能對(duì)物種的分布產(chǎn)生影響［18］。本研究?jī)H分析了生物氣候因子，可能對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差，但三個(gè)時(shí)期模型的AUC參數(shù)評(píng)估均值都超過了0.990，說明結(jié)果仍具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

植物智（植物智慧信息系統(tǒng)）顯示烏檀是世界自然保護(hù)聯(lián)盟（IUCN）易危（VU）種，因其珍貴、受威脅嚴(yán)重且經(jīng)濟(jì)價(jià)值高成為優(yōu)先保護(hù)類植物，烏檀也是我國重點(diǎn)野生保護(hù)植物之一。其次，烏檀莖中分離到的生物堿與以烏檀為原料生產(chǎn)的中藥制劑，已廣泛應(yīng)用于臨床。研究結(jié)果有助于指導(dǎo)日后對(duì)烏檀的實(shí)際考察方向，可以有針對(duì)性地在中高適生區(qū)進(jìn)行引種擴(kuò)繁，對(duì)進(jìn)一步探索烏檀的栽培、管理和保護(hù)并為其合理開發(fā)利用提供參考依據(jù)。