中药南沙参生态适宜性区划研究

陈博 ，曹后康 ，郭延秀 ，席少阳 ，吕蓉 ，晋玲，

1.甘肃中医药大学药学院，甘肃 兰州 730000； 2.中（藏）药资源研究所，甘肃 兰州 730000

南沙参为桔梗科沙参属植物轮叶沙参Adenophora tetraphylla（Thunb.）Fisch.或沙参Adenophora strictaMiq.的干燥根，具有养阴清肺、益胃生津、化痰、益气的功效[1]。近年随着中医药产业的迅速发展，南沙参的市场需求逐渐增加。因此，研究南沙参的生境适宜性，明确其适生范围，成为当前亟需解决的问题。

近年来，最大熵（MaxEnt）模型在预测生物物种潜在分布方面已广泛使用[2-4]，尤其与地理信息系统（GIS）空间分析技术结合在预测物种潜在分布、模拟道地药材生态适宜性分布等方面具有巨大优势[5-10]。笔者采用MaxEnt模型结合GIS技术预测南沙参生态适宜性分布，为优质南沙参的人工栽培选地提供依据。

1 资料与方法

1.1 样点分布数据

2019年8－11月通过野外采集和查阅中国数字植物标本馆（https://www.cvh.ac.cn），共收集南沙参样点信息493个，其中轮叶沙参263个、沙参230个（见图1）。将物种名、样点的经纬度、海拔信息存储为.csv格式[11]。

图1 南沙参样点分布

1.2 生态因子数据

本研究使用来源于中药资源空间信息网格数据库（http://www.tcm-resources.com/）的55个生态因子数据，其中包括43个气候类型数据（12个月的平均温度与降水量、19个综合气候因子）、8个土壤类型数据、3个地形数据、1个植被类型数据。选取适应南沙参生长的所有生态因子数据[12]，在国家地理信息数据网站（http://nfgis.nsdi.gov.cn）下载1∶400万中国行政区划图及中国地图。

1.3 模型预测评价

将转换为.csv格式的南沙参样点信息导入MaxEnt3.4.0软件，设置建模参数：随机测试比例15%，最大迭代次数为106。用受试者工作特征（ROC）曲线下面积（AUC）评价预测结果的精度，并用刀切法检验权重，其他参数为软件默认值。AUC值取值范围0～1，值越大，表示模型判断力越强。

导入不同基原南沙参的样点信息和55个生态因子，进行迭代运算，舍弃贡献率为0的因子，得到对南沙参生长影响贡献率较高的主要生态因子，依据响应曲线得到适宜范围。

1.4 生态适宜区划分

将MaxEnt模型运算结果导入GIS，参照生态适宜度最小值及正态分布曲线的均值（μ）和均方差（δ），划分为不适宜区、次适宜区和适宜区3个等级，并绘制不同基原南沙参药材生态适宜性区划分布图。

2 结果与分析

2.1 刀切图

MaxEnt模型运算以AUC评价模型准确度。轮叶沙参、沙参ROC曲线训练数据集AUC分别为0.976、0.981，测试数据集AUC分别为0.935、0.951，均大于0.9，表明模型对预测南沙参的全国潜在分布准确度和可信度都很高。轮叶沙参、沙参刀切法检验结果见图2、图3，轮叶沙参、沙参训练集ROC曲线见图4、图5。

图3 沙参生态因子刀切图

图4 轮叶沙参模型训练集ROC曲线

图5 沙参模型训练集ROC曲线

2.2 生态因子选择

筛选55个生态因子，其中47个对轮叶沙参生态适宜性有贡献率，20个为影响轮叶沙参适宜性的主要生态因子，贡献率总和为89.54%，轮叶沙参主要生态因子适宜值见表1。50个生态因子对沙参生态适宜性有贡献率，13个为影响沙参适宜性的主要生态因子，贡献率总和为89.85%，沙参主要生态因子适宜值见表2。降水量、温度、坡度、海拔、土壤亚类均为影响不同基原南沙参药材生长的主要生态因子。

表1 轮叶沙参主要生态因子贡献率及适宜值

表2 沙参主要生态因子贡献率及适宜值

2.3 生态适宜性区划

轮叶沙参生态适宜性分布区见表3，生态适宜性区划见图6。吉林东南部、辽宁东部、北京大部、河北中部、山东东北部和东南部、江苏、浙江、福建大部、安徽中南部、广东大部、广西中北部、贵州大部、四川东部为轮叶沙参适宜区。内蒙古东北部、黑龙江、吉林中部、辽宁西部、天津大部、河北北部边缘、河南大部、山西大部、山东西南部、安徽北部、江西大部、广东中南部、广西南部、湖南大部、贵州北部边缘、湖北大部、重庆、陕西中南部、甘肃南部边缘、四川东部边缘、云南东北部为轮叶沙参次适宜区。

图6 轮叶沙参生态适宜性区划

表3 轮叶沙参生态适宜性分布区

沙参主要生态适宜性区划见图7，生态适宜性分布见表4。山西大部、河南东南和西南边缘地区、浙江西部、福建西北部、安徽中南部、江西大部、湖北西部和东部、湖南大部、广西北部边缘、陕西南部、重庆东部、贵州大部为沙参适宜区。吉林南部边缘、辽宁中东部、山东中南部、河南大部、江苏大部、上海大部、浙江中东部、福建东南部、广东大部、安徽北部、湖北中部、广西大部、陕西中北部、重庆中西部、甘肃南部、四川中东部、云南中北部、台湾北部边缘为沙参次适宜区。

图7 沙参生态适宜性区划

表4 沙参生态适宜性分布区

续表4

3 讨论

本研究收集了493份南沙参样点分布信息，利用MaxEnt模型结合GIS技术对南沙参生态适宜区进行预测，结果AUC均大于0.9，表明预测结果良好、可信度较高。

综合分析南沙参的主要生态因子，对轮叶沙参生态适宜性产生影响的生态因子贡献率由高至低为6月份降水量（21.10%）>11月份降水量（18.33%）>最湿季节降水量（13.00%）>7月份温度（4.29%）>温度季节性变动系数（4.04%）>植被类型（3.91%）>土壤亚类（3.50%）>10月份降水量（2.21%）>7月份降水量（2.18%）>温度年较差（2.05%）>6月份温度（2.00%）>12月份降水量（1.89%）>坡度（1.88%）>等温性（1.64%）>最热月份最高温度（1.60%）>土壤质地分类（1.46%）>最暖季节平均温度（1.38%）>8月份温度（1.08%）>最暖季节降水量（1.04%）>1月份降水量（1.02%）。对沙参生态适宜性产生影响的生态因子贡献率由高至低为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月份温度（5.06%）>坡度（3.33%）>土壤亚类（3.03%）>海拔（2.35%）>温度季节性变动系数（2.28%）>最干季节平均温度（2.18%）>7月份降水量（2.10%）>7月份温度（1.48%）>土壤质地分类（1.01%）=等温性（1.01%）。可见，降水量、温度、坡度、海拔、土壤亚类均为影响不同基原南沙参生长的主要生态因子。

本研究表明，降水量是保证南沙参正常生长的最重要条件，沙参虽然耐旱，但生长也需适量水分，以确保植物正常生长；3月份为植物萌芽时期，7、8月份为植物成熟结果时期，此时需适宜温度供植物进行正常的新陈代谢。南沙参多生长于山地丘陵地带，适宜的坡度是其生长必要条件，其中轮叶沙参为0～17°，沙参为4～16°，适宜坡度能确保植物水分吸收、减少土壤流失、增长受光时间等；另外，轮叶沙参和沙参生长均应以土层深厚肥沃、富含腐殖质、排水良好的砂质壤土栽培为宜，以此为植物生长提供必要营养。