基于全球氣候數(shù)據(jù)和MaxEnt模型的辣木全球氣候適宜區(qū)研究△

景志賢，李夢，張小波*，汪娟，2，史婷婷，朱壽東，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，北京 100700；2.長春中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，吉林 長春 130117

辣木Moringa oleiferaLam.為辣木科辣木屬植物，喬木，高3～12 m，樹皮軟木質(zhì)，枝有明顯的皮孔及葉痕，小枝有短柔毛，根有辛辣味[1]，現(xiàn)廣植于亞洲和非洲熱帶地區(qū)。研究表明，辣木的主要成分包括氨基甲酸類化合物和黃酮類衍生物等，具有降血壓、降血糖、抗氧化、抗菌、抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)等活性[2]。

2012 年11 月，辣木被批準(zhǔn)為國家新資源食品，推動了辣木在我國的開發(fā)利用[3-5]，為辣木產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展夯實(shí)了基礎(chǔ)。但目前對辣木的研究報(bào)道主要集中在提取物、化學(xué)成分等方面，其全球資源分布及生態(tài)適宜性區(qū)劃的研究鮮有報(bào)道。為了避免出現(xiàn)盲目引種、擴(kuò)種等問題，研究辣木在全球范圍內(nèi)潛在氣候適宜性區(qū)劃及其生態(tài)環(huán)境影響因子特征對辣木的科學(xué)引種及可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。本研究利用最大信息熵（MaxEnt）模型和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，通過全球生物多樣性信息（GBIF）數(shù)據(jù)庫、實(shí)地調(diào)研和文獻(xiàn)整理，收集辣木分布信息，結(jié)合生態(tài)環(huán)境等相關(guān)影響因子，對辣木地理分布進(jìn)行區(qū)劃，探索適合辣木生長的氣候適宜區(qū)，為辣木人工引種栽培及選址、提高辣木質(zhì)量和產(chǎn)量、實(shí)現(xiàn)辣木產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源及方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

辣木分布部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于GBIF 數(shù)據(jù)庫（http://www.gbif.org/），參考了部分文獻(xiàn)數(shù)據(jù)、實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，共計(jì)960 條數(shù)據(jù)。實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)主要利用全球定位系統(tǒng)（GPS）野外采集終端獲取采樣地經(jīng)緯度和海拔。氣候數(shù)據(jù)來自全球氣候數(shù)據(jù)網(wǎng)站（http://www.worldclim.org/version2），主要是數(shù)字高程（DEM）數(shù)據(jù)、19個(gè)氣候變量數(shù)據(jù)、12組降水?dāng)?shù)據(jù)、12組太陽輻射數(shù)據(jù)、12組平均氣溫、12組水蒸氣壓數(shù)據(jù)等共68 組數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫的分辨率為1 km2，是1970—2000 年全球已有的氣候站點(diǎn)數(shù)據(jù)采用經(jīng)度、緯度和海拔三維地理空間進(jìn)行插值。

1.2 模型構(gòu)建和評價(jià)

MaxEnt 模型是美國學(xué)者Phillips 等基于MaxEnt原理，利用JAVA語言構(gòu)建的模型工具。該模型將已知的物種分布信息導(dǎo)入工具中并關(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)境數(shù)據(jù)，預(yù)測物種的潛在分布概率。其操作簡單、運(yùn)算速度快，預(yù)測結(jié)果方便解讀[6]。模型預(yù)測結(jié)果評價(jià)采用接收者操作特征（ROC）工作曲線和曲線下面積（AUC）進(jìn)行模型精度評測[7]。AUC 區(qū)間為[0～1]，越大表示模型判斷力越強(qiáng)，AUC＜0.6 為失敗，0.6≤AUC＜0.7 為較差，0.7≤AUC＜0.8 為一般，0.8≤AUC＜0.9 為較好，0.9≤AUC＜1為好[8]。

1.3 適宜區(qū)劃分

辣木生長和生存對生態(tài)環(huán)境的要求都有一定的范圍和限度，超越了耐性限度就會影響其生長或生存，如在耐性限度內(nèi)就會形成一個(gè)適宜辣木生長和生存的范圍[9]。MaxEnt 模型輸出結(jié)果為基于氣候影響因子的全球范圍內(nèi)的分布概率，輸出結(jié)果為0～1，越接近1 說明分布概率越高。利用ArcGIS 軟件對MaxEnt模型的結(jié)果進(jìn)行疊加分析和綜合制圖，進(jìn)行適宜區(qū)劃分。

1.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用ArcGIS 軟件對氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，得到相同分辨率大小的數(shù)據(jù)，格式為.asc。將采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保留經(jīng)緯度等關(guān)鍵有效字段，并保存為.csv格式。

1.5 MaxEnt模型配置

將處理好的分布點(diǎn)數(shù)據(jù)及生態(tài)環(huán)境因子，導(dǎo)入到MaxEnt 模型中，設(shè)置模型參數(shù)及輸出目錄。其中，輸出格式為Logistic，測試集樣本為總體樣本的15%，迭代次數(shù)為1×106，設(shè)置ROC曲線，模型默認(rèn)設(shè)置ROC曲線和刀切法（jacknife）檢驗(yàn)權(quán)重。

2 結(jié)果

2.1 辣木分布樣本數(shù)據(jù)

將預(yù)處理好的.csv 格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ArcGIS 軟件，通過綜合制圖工具制作辣木全球樣本分布圖（圖1）。

圖1 辣木全球樣本分布

2.2 辣木區(qū)劃結(jié)果的精度評價(jià)

通過MaxEnt模型計(jì)算得到辣木的分布概率預(yù)測模型ROC 曲線（圖2）。其中，訓(xùn)練集的AUC 為0.953，測試集的AUC 為0.945，表明該模型計(jì)算效果較好，由其計(jì)算出的辣木全球潛在氣候生態(tài)適宜區(qū)分布概率具有較高的可信度和準(zhǔn)確度。

圖2 MaxEnt模型預(yù)測ROC曲線

2.3 影響辣木分布的氣候因子貢獻(xiàn)率

通過MaxEnt模型的計(jì)算得出不同氣候影響因子對辣木生長潛在分布的總貢獻(xiàn)率。水蒸氣壓總體貢獻(xiàn)率最高為70.8%，9—11 月的水蒸氣壓影響最大，占總水蒸氣壓貢獻(xiàn)率的89.97%。其次，太陽輻射貢獻(xiàn)率為14.7%，11 月的太陽輻射貢獻(xiàn)率最大，占總太陽輻射的49.66%。氣候環(huán)境變量貢獻(xiàn)率為4.4%，溫度季節(jié)性變化標(biāo)準(zhǔn)差占總氣候環(huán)境變量的63.63%，降水量貢獻(xiàn)率為2.9%，平均氣溫貢獻(xiàn)率為2.7%。其中，貢獻(xiàn)率＞0.5%的氣候因子見表1，為總貢獻(xiàn)率的94.7%。

表1 對辣木生長潛在分布貢獻(xiàn)率＞0.5%的氣候因子

2.4 全球辣木潛在分布區(qū)

通過MaxEnt 模型計(jì)算得出辣木在全球氣候影響因子中的分布概率為0～0.966。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)法將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，以20%為間隔劃分為＜10.00%、10.01%～30.00%、30.01%～50.00%、50.01%～70.00%、＞70.01%共5 個(gè)級別（圖3）。

圖3 基于MaxEnt模型的辣木全球氣候適宜潛在分布概率

由圖3 可知，辣木在全球氣候條件下的潛在適宜區(qū)主要包括亞洲的中國、印度、老撾、緬甸、泰國等國家的部分地區(qū)；北美洲的墨西哥、古巴、尼加拉瓜、牙買加等國家的部分地區(qū)；南美洲的委內(nèi)瑞拉、巴西等國家的部分地區(qū)；非洲的塞內(nèi)加爾、塞拉利昂、布基納法索、加納、科特迪瓦、多哥、貝寧，尼日利亞、乍得、馬達(dá)加斯等國家的部分地區(qū)；大洋洲的澳大利亞、巴布亞新幾內(nèi)亞等國家的部分地區(qū)。

2.5 辣木中國分布概率

通過ArcGIS 軟件將全球氣候潛在分布概率結(jié)果和中國行政區(qū)劃進(jìn)行疊加分析，得到辣木在中國的分布概率（圖4）。其中，分布概率最高值為79%，以20% 為間隔分別劃分為＜10%、11%～30%、31%～50%、＞51%。辣木分布概率＞51%的區(qū)域主要在海南南部；分布概率為30%～50%的區(qū)域主要在海南中部、臺灣西部和云南部分區(qū)域；分布概率為11%～30%的區(qū)域主要在云南、廣西中南部、廣東西南和東南部、福建東南沿海和臺灣沿海地區(qū)。

圖4 辣木在中國的氣候適宜潛在分布區(qū)劃

3 討論

本研究基于全球氣候數(shù)據(jù)庫及MaxEnt模型，通過ArcGIS 軟件等工具，得出辣木在全球和中國潛在氣候適宜區(qū)。本研究的氣候適宜性區(qū)劃與《中國植物志》和《Flora of China》中描述的范圍基本一致[10]，可以為辣木在全球范圍內(nèi)野生和栽培資源的調(diào)查、保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

中藥材的品質(zhì)和藥效與其生長的氣候環(huán)境密切相關(guān)。辣木作為新中藥資源，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展一直受到關(guān)注，自引種成功后種植面積和產(chǎn)量變化波動較大，迫切需要研究辣木的潛在氣候適宜區(qū)，為辣木科學(xué)化、精細(xì)化種植管理及引種栽培提供依據(jù)。