羅漢果全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析

魏小琴，雷 梟，何汶靜*

(1.川北醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，四川 南充 637002; 2.川北醫(yī)學(xué)院 中西醫(yī)臨床醫(yī)學(xué)系，四川 南充 637002)

羅漢果〔Siraitiagrosvenorii(Swingle) C. Jeffrey ex Lu et Z. Y. Zhang〕屬于葫蘆科，為多年生藤本植物，入藥部位為干燥果實，其味甘、性涼、無毒，擁有悠久的民間用藥歷史，具有利咽開音和清熱潤肺的功效，可以用于治療哮喘、肺結(jié)核、百日咳、急慢性扁桃體炎和急慢性氣管炎等病癥[1-2]，為歷版藥典所收載，是我國特有的珍貴藥食兩用植物。研究表明，羅漢果的果實包含黃酮、多糖、甜甙、多種氨基酸和維生素等，具有降血糖、增強免疫、抗癌、抗氧化等作用[2-3]，具有很大的開發(fā)潛力。目前，羅漢果為國家中醫(yī)藥管理局和國家衛(wèi)生部批準(zhǔn)的藥食同源植物，在我國具有悠久的出口歷史，被西方和東南亞等國家譽為長壽之果和東方神果。

羅漢果在我國廣西、廣東、貴州、江西以及湖南南部等均有種植，其在廣西的種植面積最大，種植面積占全球總面積的90%以上[4-5]。目前，羅漢果在福建、云南、浙江等省均有引種種植，其種植面積逐年增加，已從山區(qū)地帶延伸至平原或水田。但是，羅漢果的種植具有嚴(yán)格的生境要求。近年來，在羅漢果的種植發(fā)展過程中，由于盲目引種、相應(yīng)產(chǎn)區(qū)的不合理規(guī)劃，產(chǎn)地選擇欠佳，對植物的生長造成嚴(yán)重影響[7-10]。如羅漢果種植在高溫多雨區(qū)域則會引起病蟲害的滋生蔓延，尤其是皰葉叢枝病常普遍發(fā)生，造成較大的經(jīng)濟損失。因此，利用生態(tài)因子進行合理區(qū)劃，找準(zhǔn)適宜潛在分布區(qū)域十分必要。羅漢果全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析對羅漢果的可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義。

藥用植物全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性信息系統(tǒng)(GMPGIS ，Geographic Information System for Global Medicinal Plants)結(jié)合了數(shù)學(xué)、地理和生態(tài)等多個學(xué)科的方法和理論，該模型可進行定量化和可視化分析，能夠為各種植物的保護撫育、栽培引種和規(guī)范化種植提供有效的科學(xué)指導(dǎo)和依據(jù)[11-15]。當(dāng)前，該模型已對中國的多種常用中藥材的基原物種進行了產(chǎn)地適宜性區(qū)劃分析[16-17]。為此，筆者等對羅漢果已有的自然資源分布進行調(diào)查，并采GMPGIS對羅漢果在全球范圍內(nèi)的生態(tài)適宜性進行分析，并預(yù)測潛在分布區(qū)域，以期為羅漢果的科學(xué)引種和合理規(guī)劃生產(chǎn)布局提供參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 生態(tài)因子數(shù)據(jù)來源 收集準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)對于開展產(chǎn)地生態(tài)適宜性區(qū)劃是重中之重，也是構(gòu)建結(jié)構(gòu)合理和時效性強的數(shù)據(jù)分析結(jié)果和區(qū)劃精度的關(guān)鍵之所在[18-19]。基于GMPGIS模型采用的數(shù)據(jù)是集成多個數(shù)據(jù)庫[20-21]。其中，生態(tài)因子年均溫(℃)、最冷季節(jié)均溫(℃)、最熱季節(jié)均溫(℃)、年均降水量(mm)均采自全球氣候數(shù)據(jù)庫(WorldClim)，年均濕度(%)和年均日照(W/m2)采自生物模型全球氣候數(shù)據(jù)庫(CliMond),土壤數(shù)據(jù)采自全球土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD ,Harmonized World Soil Database)。

1.1.2 植物采樣點數(shù)據(jù)來源 羅漢果原產(chǎn)地采樣點數(shù)據(jù)來源于廣西壯族自治區(qū)永?？h(包括三皇鄉(xiāng)、龍江鄉(xiāng)、羅錦鎮(zhèn)、永安鄉(xiāng)等)、臨桂縣(包括兩江鎮(zhèn)、五通鎮(zhèn)、臨桂鎮(zhèn)、六塘鎮(zhèn)，龍勝縣平等鄉(xiāng)、江底鄉(xiāng)等)和桂林市(包括雁山鎮(zhèn)、大河鄉(xiāng)、二塘鄉(xiāng)，桂平市中沙鎮(zhèn)、金田鎮(zhèn)、尋旺鎮(zhèn)，金秀縣金秀鎮(zhèn)，荔浦縣荔城鎮(zhèn)等)；廣東省英德市(包括大灣鎮(zhèn))，湖南省沅陵縣張家坪鄉(xiāng)，福建省建甌市芝城鎮(zhèn)，貴州省黎平縣德鳳鎮(zhèn)，江西省安遠市(包括版石鎮(zhèn)等)及泰國北部。野生采樣點數(shù)據(jù)來源于中印半島和印度尼西亞。此外，參考www.cvh.org.cn(中國數(shù)字標(biāo)本館)、www.gbif.org和www.discoverlife.org等相關(guān)植物網(wǎng)站數(shù)據(jù)，收集羅漢果產(chǎn)地的經(jīng)緯度或具體的地名信息(圖1)。

1.2 方法

1.2.1 羅漢果生態(tài)閾值范圍的提取 依據(jù)植物精 確采樣地點的經(jīng)緯度，運行GMPGIS模型中的exactFactors功能對其中的生態(tài)因子數(shù)據(jù)進行提取，即可獲得生態(tài)因子閾值的范圍。其中，產(chǎn)地經(jīng)緯度信息主要來源于筆者的實地考察、GMPGIS自帶數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)站檢索。生態(tài)因子數(shù)據(jù)主要來源于全球氣候數(shù)據(jù)庫(Worldclim)、 生物模型全球氣候數(shù)據(jù)庫(CliMond)及全球土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)。

1.2.2 羅漢果全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析 用GMPGIS模型計算獲得羅漢果最大生態(tài)相似度適宜產(chǎn)區(qū)全球分布圖。首先提取羅漢果植物的主產(chǎn)區(qū)、道地產(chǎn)區(qū)和野生分布地區(qū)的生態(tài)因子值及閾值范圍，并分別將提取數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化。然后將標(biāo)準(zhǔn)化的生態(tài)因子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)，每個柵格為一個數(shù)據(jù)對象，利用GMPGIS對柵格數(shù)據(jù)進行空間聚類分析，根據(jù)相似程度劃分等級，以此劃定植物的最大生態(tài)相似適宜產(chǎn)區(qū)。

1.2.3 MaxEnt模型分析 MaxEnt為最大信息熵模型，主要利用物種生態(tài)因子預(yù)測潛在分布區(qū)、評估氣候變化對物種分布格局影響，并已有廣泛應(yīng)用[22]。采用MaxEnt模型進行比較分析，檢測GMPGIS模型對羅漢果分布區(qū)域預(yù)測效果。

對全球氣候數(shù)據(jù)庫(Worldclim)、 生物模型全球氣候數(shù)據(jù)庫(CliMond)及全球土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD) 中的柵格數(shù)據(jù)進行有效的篩選，將生態(tài)因子年均溫度、最冷季節(jié)均溫、最熱季節(jié)均溫、年均降水、年均濕度、年均日照和土壤柵格數(shù)據(jù)輸入MaxEnt模型，并生成柵格格式數(shù)據(jù)結(jié)果。最后將分析結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS 10.2 并運行reclassification工具，將結(jié)果分為0%～10%、10%～30%、30%～50%、50%～80%和80%～100%的相似生態(tài)適宜區(qū)域。

1.2.4 羅漢果全球產(chǎn)地生態(tài)適宜分析的驗證

1) KAPPA驗證。采用KAPPA對2種模型的分析結(jié)果進行一致性檢驗，KAPPA系數(shù)為0.40～0.80，則驗證結(jié)果擁有理想的一致性精度；系數(shù)≥0.8則表明結(jié)果幾乎完全一致；系數(shù)為0.0～0.4說明不夠理想，系數(shù)≤0.0則無一致性。先對MaxEnt和GMPGIS 具有柵格數(shù)據(jù)格式的分析結(jié)果進行處理，將最大相似度區(qū)域轉(zhuǎn)換為N×N矩陣形式，再對矩陣進行KAPPA系數(shù)計算，計算公式：

(1)

式中，N為矩陣元素總數(shù)，xii為對角線元素，xi+為第i行元素總和，y+i為第i列元素總和。

2) 余弦相似性驗證。余弦相似性驗證也稱余弦距離，即使用向量空間中2個向量夾角的余弦值作為衡量2個個體間差異的大小的度量，如式(2)所示。在數(shù)據(jù)處理過程中，首先，將最大生態(tài)適宜區(qū)域共17萬km2轉(zhuǎn)換為17萬條生態(tài)因子向量；其次，將所得向量依次與實際采樣點向量比對，計算出和其中某一點最接近的余弦值作為結(jié)果；最后，根據(jù)不同經(jīng)緯度共劃分為210個不同區(qū)域，并計算出單個地區(qū)的余弦平均值，共計210個數(shù)值，該計算過程由python實現(xiàn)。

(2)

式中，A、B分別為MaxEnt和GMPGIS模型預(yù)測結(jié)果矩陣中的單個生態(tài)因子向量值。

2 結(jié)果與分析

2.1 羅漢果生態(tài)因子閾值范圍

從表1可知，與桂林原產(chǎn)地比較發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)其他產(chǎn)地的年均溫、最冷季均溫、最熱季均溫均有所提升，全球范圍內(nèi)提升更高，而低溫變化不大。在年均降水方面，國內(nèi)其他產(chǎn)地略有提升，而全球范圍內(nèi)閾值明顯擴大。年均日照和年均濕度最低閾值無變化，而最高閾值則從桂林原產(chǎn)地到國內(nèi)外其他種植區(qū)域則有上升趨勢。從圖2可知，以桂林為中心地帶的原產(chǎn)區(qū)生態(tài)因子分布較為集中，從國內(nèi)主要產(chǎn)區(qū)到國外的氣候分布情況發(fā)現(xiàn)，與桂林原產(chǎn)地相比，羅漢果植物的生長會趨向更高溫度、更多日照和降水更充足地區(qū)發(fā)展。土壤類型主要集中在強淋溶土、始成土和沖擊土等類型。

表1 羅漢果生態(tài)因子范圍Table 1 Ecological factors of S. grosvenorii producing areas

圖2羅漢果各生態(tài)因子值范圍的經(jīng)驗分布
Fig.2 Empirical distribution of ecological factors inS.grosvenoriiproducing areas

2.2 GMPGIS預(yù)測的羅漢果生態(tài)適宜區(qū)

從圖3可知，羅漢果主產(chǎn)地中國的潛在分布區(qū)域面積達101.5×104km2，巴西和剛果(民主共和國)為潛在分布最大的2個國家，其潛在分布區(qū)域面積分別為264.6×104km2和112.2×104km2，印尼、哥倫比亞、秘魯、美國、玻利維亞、泰國、緬甸在羅漢果引種栽培方面具有較大發(fā)展?jié)摿?，其潛在分布區(qū)域面積均在30×104km2以上。從圖4可知，在我國，主產(chǎn)地廣西的潛在分布區(qū)域面積達18.7×104km2，廣東、江西、湖南為潛在分布較為廣泛的區(qū)域，分布面積為14.6×104km2、12.6×104km2和12.6×104km2，福建、云南、四川、貴州、浙江、重慶、海南、湖北和臺灣也有少量分布。

2.3 MaxEnt預(yù)測的羅漢果生態(tài)適宜區(qū)

從圖5可知，在全球產(chǎn)地分布預(yù)測中，在中國南方、中印半島和印度尼西亞等主產(chǎn)地區(qū)，羅漢果的潛在分布基本一致；在南美洲、北美洲和非洲等地區(qū)，MaxEnt模型預(yù)測的羅漢果潛在分布地區(qū)較大，與GMPGIS比較略有差異，但整體趨勢一致。從圖6可知，在我國范圍內(nèi)，MaxEnt模型預(yù)測的羅漢果潛在分布區(qū)域較大，向北發(fā)展趨勢較為明顯，但整體分布基本一致。在湖北、安徽和江蘇等區(qū)域均有潛在分布區(qū)域。

2.4 羅漢果全球產(chǎn)地生態(tài)適宜區(qū)的驗證

2.4.1 KAPPA驗證 如圖7所示，圓圈外百分比為MaxEnt適宜差異百分比，其中百分比越小表示潛在分布區(qū)域越接近采用分布點的生態(tài)閾值；圓圈內(nèi)為KAPPA相似性系數(shù)。針對羅漢果植物的潛在分布研究發(fā)現(xiàn)，GMPGIS與MaxEnt模型的適宜差異百分比在5%～60%區(qū)域內(nèi)系數(shù)均在0以上，具有一定的一致性；并且適宜差異百分比在0%～15%，具有較為理想的一致性，其系數(shù)為0.51～0.56。

2.4.2 余弦相似性驗證 從圖8可知，GMPGIS與MaxEnt模型在最大相似度區(qū)域劃分的210個地區(qū)中，其平均余弦相似性均在99.9%以上，表明GMPGIS模型所產(chǎn)生的潛在分布區(qū)域具有較高的預(yù)測精度。

3 結(jié)論與討論

研究發(fā)現(xiàn)，羅漢果的主產(chǎn)地在中國，巴西和剛果(民主共和國)為潛在分布最大的2個國家，此外，在印尼、哥倫比亞、秘魯、美國、玻利維亞、泰國、緬甸在羅漢果引種栽培方面具有較大發(fā)展?jié)摿?。在我國，羅漢果主要生長在以廣西為主體的周邊各沿海省，并有逐漸向北方生長的趨勢，其溫度與原產(chǎn)地桂林相比緩步上升。羅漢果的主產(chǎn)地為廣西，廣東、江西、湖南為潛在分布較為廣泛的區(qū)域，福建、云南、四川、貴州、浙江、重慶、海南、湖北、臺灣有少量分布。經(jīng)驗證，在最大相似度區(qū)域劃分的210個地區(qū)中，其平均余弦相似性均在99.9%以上。GMPGIS分析方法所產(chǎn)生的潛在分布區(qū)域，具有較高的預(yù)測精度，能夠為藥用植物的保護撫育、引種栽培及規(guī)范化種植提供有效的科學(xué)參考依據(jù)。

根據(jù)《中醫(yī)藥發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要(2016—2030年)》的明確指示：需加強道地植物藥材良種繁育基地和規(guī)劃化種植養(yǎng)殖基地建設(shè)[12]。但是，羅漢果在其整個生長發(fā)育周期中，對生長環(huán)境的要求極為嚴(yán)格和苛刻。經(jīng)分析，羅漢果在我國的適宜生態(tài)區(qū)主要在南方，在廣東、廣西、福建和湖南等省均具有廣泛的種植環(huán)境，生態(tài)位為海拔300～1 400 m亞熱帶的山坡、林下和河邊濕潤地段或叢林、灌木中。研究主要針對羅漢果道地產(chǎn)區(qū)、主產(chǎn)區(qū)及野生分布區(qū)進行精確的采樣，根據(jù)經(jīng)緯度確定生態(tài)因子閾值范圍和限制因素，并采用GMPGIS模型，進行生態(tài)適宜性分析，分析得出的潛在分布區(qū)域具有一定的預(yù)測準(zhǔn)確性，可指導(dǎo)藥用植物的保護、撫育、栽培、引種及規(guī)范化種植，對對藥用植物科學(xué)的引種與規(guī)劃有較強的指導(dǎo)意義。