基于MaxEnt模型瑪咖的全球潛在氣候適宜區(qū)研究△

景志賢，張小波*，汪娟，2，李夢，史婷婷，王慧，郭蘭萍

1.中國中醫(yī)科學(xué)院 中藥資源中心 道地藥材國家重點實驗室培育基地，北京 100700；2.長春中醫(yī)藥大學(xué) 吉林省長白山中藥資源工程中心，吉林 長春 130117

瑪咖是十字花科獨行菜屬植物瑪咖LepidiummeyeniiWalp.(Maca)的地下肉質(zhì)根，原產(chǎn)于南美安第斯山區(qū)[1-2]。研究表明，瑪咖有增強(qiáng)體力、提高生育能力、調(diào)節(jié)內(nèi)分泌、增強(qiáng)免疫力等功效。憑借獨特的功效，瑪咖受到了聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)的重視[3]。20世紀(jì)80年代，F(xiàn)AO建議世界各國推廣對瑪咖的種植，全球產(chǎn)量約750 t。美國、日本、西班牙、厄瓜多爾、玻利維亞、澳大利亞、中國等已相繼進(jìn)行了瑪咖的人工種植研究[4-5]。

2011年，瑪咖被批準(zhǔn)為國家新資源食品[6]，相關(guān)制品陸續(xù)問世?，斂У南M需求不斷增加。目前，對瑪咖的研究主要集中在藥理藥效和化學(xué)成分等方面，全球的資源分布及生態(tài)適宜性研究鮮有報道。研究瑪咖全球適宜性區(qū)劃及其生態(tài)特征，對其科學(xué)引種栽培及精細(xì)化種植管理具有重大意義。本研究利用最大熵(MaxEnt)模型和地理信息系統(tǒng)(GIS)，通過數(shù)據(jù)庫和文獻(xiàn)檢索收集瑪咖分布信息，結(jié)合氣候和地形等相關(guān)生態(tài)因子，對瑪咖地理分布進(jìn)行區(qū)劃，找出最適合瑪咖生長的氣候適宜區(qū)，為瑪咖人工引種栽培及選址提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

瑪咖分布數(shù)據(jù)部分引自全球生物多樣性信息平臺(http：//www.gbif.org/)，全球生物多樣性信息機(jī)構(gòu)(Global Biodiversity Information Facility，GBIF)。該數(shù)據(jù)是世界多個國家和國際組織共享的原始生物多樣性數(shù)據(jù)。參考了部分文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，并通過實地調(diào)查，利用全球定位系統(tǒng)(GPS)獲取了采樣地的經(jīng)度、緯度和海拔。因部分文獻(xiàn)數(shù)據(jù)表達(dá)位置不精確，故經(jīng)篩選和去重，共計有效數(shù)據(jù)49條。

氣候數(shù)據(jù)來源于全球氣候數(shù)據(jù)網(wǎng)站(http：//www.worldclim.org/)，包括19個氣候變量數(shù)據(jù)和12個太陽輻射數(shù)據(jù)，分辨率為1 km2。數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)勘探局網(wǎng)站(https：//glovis.usgs.gov/app)，分辨率為1 km2。

1.2 模型的構(gòu)建和評價

瑪咖的分布數(shù)據(jù)較少，且無法判斷野生和栽培，因此采用2種方法進(jìn)行分析，并將結(jié)果歸一化后進(jìn)行疊加處理。其中，MaxEnt模型是基于最大信息熵理論為基礎(chǔ)的生態(tài)位模型，是基于已知的物種分布信息，并關(guān)聯(lián)其相關(guān)的生態(tài)環(huán)境信息，根據(jù)物種的生態(tài)環(huán)境，用來預(yù)測物種的潛在分布概率[7]；環(huán)境適應(yīng)理論是根據(jù)瑪咖生長和生存對生態(tài)因子的要求都有一定的范圍和限度，超越了耐性限度都會影響其生長或生存，如在耐性限度內(nèi)，就會形成一個適宜生物生存的范圍[8]。

1.2.1MaxEnt模型 美國學(xué)者Phillips等[9-10]根據(jù)該模型，使用JAVA語言開發(fā)了MaxEnt軟件，其操作簡單，運算速度快，預(yù)測結(jié)果也方便解讀。模型預(yù)測評價采用觀測者操作特性曲線(receiver operating characteristic，ROC)工作曲線和曲線下面積(AUC)進(jìn)行模型精度評測[11]。AUC值區(qū)間為[0～1]，AUC越大表示模型判斷力越強(qiáng)，AUC<0.6為失敗，0.670%。

1.2.2環(huán)境適應(yīng)理論 因瑪咖的原產(chǎn)區(qū)為秘魯安第斯山區(qū)，有研究報道瑪咖適宜生長在高海拔、高寒、強(qiáng)風(fēng)及高日照地區(qū)，一般溫度要求-20～20 ℃、相對濕度大約70%。因此利用ArcGIS工具提取瑪咖原產(chǎn)國秘魯?shù)?2組氣候生態(tài)因子范圍，并將全球范圍內(nèi)與其相同因子的區(qū)間范圍歸一化后進(jìn)行加和計算，其值越高，代表環(huán)境相似度越高，更適宜瑪咖生長和生存。

1.3 適宜區(qū)劃分

利用ArcGIS軟件對MaxEnt模型及環(huán)境相似性模型的計算結(jié)果進(jìn)行歸一化后疊加分析和綜合制圖，采用自然間斷點分級法?！白匀婚g斷點”類別基于數(shù)據(jù)中固有的自然分組，對分類間隔加以識別，可對相似值進(jìn)行最恰當(dāng)?shù)胤纸M，并可使各個類之間的差異最大化[12]。繪制出瑪咖的全球氣候生態(tài)適應(yīng)區(qū)劃圖。

2 結(jié)果

2.1 瑪咖樣本數(shù)據(jù)分布

根據(jù)GBIF以及文獻(xiàn)相關(guān)資料，瑪咖主要分布在秘魯、玻利維亞、智利、阿根廷、西班牙、澳大利亞、中國，共90個樣本分布(見圖1)。

注：審圖號為GS(2020)5082號。圖1 瑪咖樣本分布

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用ArcGIS軟件將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為(.asc)格式，并將瑪咖分布點數(shù)據(jù)整理成(.csv)格式，便于加載到MaxEnt模型中。并利用ArcGIS工具裁剪秘魯境內(nèi)所有生態(tài)因子，并匯總計算出每個生態(tài)因子的區(qū)間范圍(見表1)。

表1 秘魯環(huán)境因子

2.3 基于MaxEnt模型結(jié)果評價

選擇瑪咖經(jīng)緯度和氣候生態(tài)因子為輸入，設(shè)置輸出目錄，并設(shè)置其用于測試比例為10%，最大迭代次數(shù)為1×106，通過MaxEnt模型計算得到瑪咖分布概率情況。其中訓(xùn)練樣本的AUC值為0.995，測試樣本的AUC值為0.996(見圖2)，表明了模型計算效果達(dá)到了很好的水平，模型計算出的瑪咖全球氣候生態(tài)適宜區(qū)劃具有較高的可信度和準(zhǔn)確度。

圖2 MaxEnt模型預(yù)測ROC曲線

基于MaxEnt模型計算獲得瑪咖的氣候適宜區(qū)結(jié)果，其分布概率值為0～0.93，按照其分布概率劃分5個等級。如圖3所示，基于MaxEnt模型的瑪咖潛在氣候適宜區(qū)主要分布主要集中在南美洲及亞洲，南美洲主要包括哥倫比亞、厄瓜多爾、秘魯、玻利維亞、智利、阿根廷等國家；亞洲主要包括澳大利亞、尼泊爾、不丹、印度尼西亞、巴布亞新幾內(nèi)亞和中國等國家。其他區(qū)域也有少量的適宜區(qū)，在北美洲主要包括墨西哥；非洲主要包括南非、肯尼亞和埃塞爾比亞等部分地區(qū)。

注：審圖號為GS(2020)5082號。圖3 基于MaxEnt模型瑪咖潛在分布概率

2.4 基于環(huán)境適應(yīng)理論結(jié)果

根據(jù)原產(chǎn)國秘魯生態(tài)環(huán)境因子數(shù)據(jù)(見表1)，分析提取全球范圍內(nèi)與其相同因子的區(qū)間范圍，并進(jìn)行歸一化處理后進(jìn)行疊加(見圖4)。結(jié)果表明，瑪咖原產(chǎn)國秘魯生態(tài)環(huán)境相似的區(qū)域，主要包括南美洲大部分地區(qū)，非洲東南部、西部和中部，亞洲東南部部分地區(qū)和澳大利亞東部地區(qū)。

注：審圖號為GS(2020)5082號。圖4 基于環(huán)境適應(yīng)理論的瑪咖分布適宜區(qū)

2.5 瑪咖在全球范圍內(nèi)生態(tài)適宜性評價

將基于MaxEnt模型結(jié)果和環(huán)境適應(yīng)理論結(jié)果進(jìn)行疊加，根據(jù)自然間斷點分級法分為6級(見圖5)，結(jié)果表明，瑪咖氣候最適宜區(qū)主要分布在南美洲中部和北部的哥倫比亞、厄瓜多爾、巴拉圭、秘魯、玻利維亞、巴西、委內(nèi)瑞拉等國家，非洲中西部和中東部的尼日利亞、喀麥隆、剛果、加蓬、坦桑尼亞、莫桑比克、馬達(dá)加斯加等國家，亞洲的印度尼西亞、巴布亞新幾內(nèi)亞、菲律賓、中國等國家。

注：審圖號為GS(2020)5082號。圖5 瑪咖潛在氣候適宜分布區(qū)

3 討論

本研究利用MaxEnt模型，但受限于瑪咖的實地觀測樣本較少，故又結(jié)合了環(huán)境適應(yīng)理論。利用全球氣候因子數(shù)據(jù)，最終得出瑪咖的潛在氣候適宜分布區(qū)。2種方法的相互結(jié)合補充，有效地完善了瑪咖的潛在氣候適應(yīng)分布范圍，可以為瑪咖在全球范圍內(nèi)的野生資源調(diào)查、保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

瑪咖在我國的潛在氣候適宜區(qū)與文獻(xiàn)報道的栽培分布基本一致，在云南北部和西藏南部等海拔較高的區(qū)域?，斂撛跉夂蜻m宜區(qū)的研究可以為其種植提供參考。瑪咖作為新食品資源，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展一直受到關(guān)注，自引種成功后盲目擴(kuò)張的種植方式使其銷售價格波動較大，因此科學(xué)合理栽培瑪咖，充分利用其資源，可以幫助農(nóng)戶獲得更多的經(jīng)濟(jì)回報。作為新資源應(yīng)充分考慮原產(chǎn)國的相關(guān)情況，在全球范圍內(nèi)研究瑪咖的潛在氣候適宜區(qū)，為瑪咖科學(xué)的精細(xì)化種植管理及科學(xué)引種栽培提供參考。