不同氣候情景下我國三七潛在分布研究

陳鵬崟 ，官會林 ，王勇 ，魏富剛 ，楊紹周 ，王豪吉 ，趙林艷 ，徐武美

1.云南師范大學高原特色中藥材種植土壤質量演變退化與修復云南省野外科學觀測研究站，云南 昆明 650500；2.文山學院文山三七研究院，云南 文山 663099；3.文山苗鄉三七科技有限公司，云南 文山 663099

三七為五加科人參屬植物三七Panax notoginseng（Burk.） F. H. Chen的干燥根和根莖，具有活血化瘀、消腫定痛功效[1]。隨著三七臨床需求逐年增加，野生資源枯竭，加之連作障礙等影響，三七主產區從云南文山等地區不斷外延。當前，云南昆明、曲靖、紅河、玉溪等非三七傳統種植區均大面積種植三七[2]，此外，四川、重慶部分地區也有種植[3]，但這些地區是否為三七適生區尚需科學論證。全球氣候持續變暖導致三七適生區變化[4-5]，故預測當前和未來氣候情景下三七在我國的潛在分布，科學劃分三七適生區，對三七人工栽培、野外回歸與種群重建具有重要意義。

物種分布模型被廣泛用于潛在分布預測，如領域模型、生態位因子分析模型、分類與回歸樹模型、最大熵（MaxEnt）模型等[6]。MaxEnt模型具有樣本需求量低、運行速度快、預測精度高等優點，被廣泛用于預測物種分布[7-10]。本研究通過系統查閱標本資料，結合實地調查和環境數據，利用MaxEnt模型和地理信息系統軟件（ArcGIS）分析影響三七分布的主要環境因子，預測不同氣候情景下三七在我國的潛在分布，為三七田間栽培、仿野生種植、野外回歸與種群重建提供依據。

1 材料與方法

1.1 樣點分布數據

檢索中國國家標本資源共享平臺（NSII，http://www.nsii.org.cn/）、中國數字植物標本館（CVH，http://www.cvh.ac.cn/）、全球生物多樣性信息平臺（http://www.gbif.org），并對資料進行仔細核對，去除錯誤信息及重復記錄。對于無具體經緯度的標本，根據其記錄的位置信息，搜索百度地圖（http://api.map.baidu.com/lbsapi/getpoint/index.html），以當地鄉（鎮）政府所在地經緯度代替。結合實地調查，最終共獲得三七在我國60個樣點分布信息（見圖1）。

圖1 我國三七樣點分布

1.2 環境因子

本研究使用22個環境因子，包括氣候、土壤和地形因子（見表1），空間分辨率為2.5′，其中海拔和生物氣候數據（1970—2000年的平均值）來自世界氣候數據網站（http://www.worldclim.org/）[11]，土壤pH值數據來源于世界土壤數據庫（http://www.tpdc.ac.cn/zhhans/s）[12]，UV-B輻射強度數據來自glUV數據庫（http://www.ufz.de/gluv/index.php）[13]。

表1 環境因子數據

基于國家氣候中心研發的未來氣候變化模型BCCCSM2-MR[14]，在SSP1-2.6和SSP5-8.5氣候情景下，利用2021—2040年（2030年）和2061—2080年（2070年）氣候因子平均數據（http://www.worldclim.org/）對不同時期三七分布變化進行預測。SSP1-2.6代表SSP1假設下+2.6 W/m2輻射強迫氣候情景，表示綠色、可持續發展模式下氣候情況；SSP5-8.5代表SSP5假設下+8.5 W/m2輻射強迫氣候情景，表示以大量使用化石燃料提供能源的發展模式下氣候情況[15-16]。將22個環境因子數據導入ArcGIS10.7軟件，利用空間分析工具中的多元分析函數，保留相關系數＜0.75的環境因子（bio1、bio4、bio5、bio6、bio7、bio12、bio17、bio18、bio19、elevation、pH），避免信息冗余導致模型過度擬合[17]。

1.3 地圖數據

中國行政區劃圖來源于國家基礎地理信息系統（http://nfgis.nsdi.gov.cn），分辨率為1∶400萬。

1.4 模型構建及評價

將三七分布樣點信息和相關系數＜0.75的11個環境因子數據導入MaxEnt3.3.3軟件進行建模運算，隨機選取25%數據作為測試數據集，75%數據作為訓練數據集，最大迭代次數5000次，采用交叉驗證法，最大背景點數量10000個，其余均為默認值[18]，重復運行10次，結果輸出為ASCⅡ文件。采用受試者工作特征（ROC）曲線下面積（AUC）評價模型準確度[19]，AUC取值范圍為0～1：AUC≤0.7，預測結果較差；0.7＜AUC≤0.8，預測結果一般；0.8＜AUC≤0.9，預測結果較準確；0.9＜AUC≤1.0，預測結果極準確[20]。利用MaxEnt模型輸出的環境因子貢獻率和刀切法評估各環境因子重要性。

1.5 適生區劃分

將輸出的ASCII文件導入ArcGIS10.7軟件，空間參考系為GCS_WGS_1984，使用空間分析工具中的重分類命令，按生境適宜度將三七適生區分為不適生區（生境適宜度＜0.20）、一般適生區（0.20≤生境適宜度＜0.40）、中度適生區（0.40≤生境適宜度＜0.6）和高適生區（生境適宜度≥0.6）[21-22]。

2 結果

2.1 模型預測評價

三七分布ROC曲線測試數據集AUC值為0.976，表明模型預測結果具有較高的可信度和準確性，見圖2。

圖2 三七分布預測模型ROC曲線

2.2 主要環境因子選擇

參與MaxEnt模型分析的11個環境因子中，最干季降水量（bio17，41.8%）、氣溫年較差（bio7，29.7%）、氣溫季節性變化（bio4，7.7%）和海拔（elevation，5.2%）累計貢獻率達84.4%。各環境因子貢獻率見表2，主要環境因子響應曲線見圖3。

表2 影響三七分布11個環境因子貢獻率

圖3 影響三七分布主要環境因子響應曲線

刀切法檢驗結果表明，氣溫年較差（bio7）、最冷月最低溫（bio6）、氣溫季節性變化（bio4）、最干季降水量（bio17）對三七分布影響較大。見圖4。綜合貢獻率和刀切法檢驗結果，影響三七分布的主要因素為降水、氣溫和海拔。

圖4 影響三七分布主要環境因子刀切圖

2.3 當前和未來氣候情景下三七適生區分布

MaxEnt模型分析結果表明，當前氣候情景下三七高適生區面積約為8.88×104km2，占我國國土面積的0.92%，主要分布在云南省馬關縣、西疇縣、硯山縣、富寧縣，廣西壯族自治區那坡縣、靖西市、德保縣、西林縣及貴州省安龍縣等地區。中度適生區面積約11.18×104km2，占我國國土面積的1.16%，主要分布在云南省廣南縣和丘北縣、貴州省興仁市和望謨縣及四川省宜賓市等地區。見圖5、表3。

表3 當前和不同氣候情景下三七適生區面積（×104 km2）

圖5 當前氣候情景下我國三七適生區分布

SSP1-2.6氣候情景下，預測2030年三七高適生區面積約為7.76×104km2，中度適生區面積約為11.30×104km2，總適生區面積約49.20×104km2；與當前氣候情景下比較，高適生區面積減少，中度適生區面積增加，總適生區面積減少7.57×104km2。到2070年，三七高適生區面積約7.96×104km2，中度適生區面積約10.02×104km2，總適生區面積約53.29×104km2；與當前氣候情景下比較，高適生區、中度適生區和總適生區面積分別減少0.92×104、1.15×104、3.48×104km2。SSP5-8.5氣候情景下，預測2030年三七高適生區面積約6.61×104km2，中度適生區面積約10.05×104km2，總適生區面積約44.34×104km2；與當前氣候情景下比較，高適生區、中度適生區和總適生區面積分別減少2.27×104、1.13×104、12.43×104km2。到2070年，三七高適生區面積約為6.10×104km2，中度適生區面積約為7.36×104km2，總適生區面積約33.59×104km2；與當前氣候情景下比較，高適生區、中度適生區和總適生區面積分別減少2.78×104、3.81×104、23.18×104km2。總的來看，在高溫室氣體排放情景下，未來三七適生區面積將大幅縮小。見圖6、圖7。

圖6 未來不同氣候情景下我國三七潛在分布

圖7 未來不同氣候情景下我國三七潛在分布區變化

3 討論

本研究利用MaxEnt模型結合ArcGIS分析預測當前及未來不同氣候情景下三七的地理分布，結果表明，當前三七在我國總適生區面積約56.77×104km2，其中高適生區主要分布在云南文山州和廣西百色市西部，該區域地形以山峰、谷地和山嶺為主，有充足降水和日照，特殊地理環境為三七生長發育提供有利條件[23]；中度適生區和一般適生區主要分布在四川宜賓、瀘州，貴州黔西南，廣西百色、崇左、玉林及廣東與福建沿海等地，與張琴等[24]研究結果基本一致。當前，模型預測的四川東南部部分一般適生區已有三七種植[3]。

氣溫和降水是影響植物生長和自然分布的關鍵因素，本研究結果表明，最干季降水量、氣溫年較差、氣溫季節性變化及海拔是影響三七分布的主要環境因子。汪佳維等[25]對三七引種栽培技術進行總結，認為適宜的降水量與海拔是三七健康生長的重要條件；降水量過多或過少及年降水量分配，都會對三七生長、產量和品質產生重要影響[26-27]，說明降水對三七生長和地理分布影響較大。適宜的氣溫是實現三七高產和高品質的重要前提[28]，金航等[29]研究認為，年溫差是影響三七皂苷積累的關鍵因素；馮旭芹等[30]研究亦表明，年溫差11 ℃左右適宜生產優質三七。本研究表明，氣溫年較差是影響三七分布的重要環境因子；此外，氣溫季節性變化和最冷月最低溫對三七分布也有一定影響。海拔1000～2000 m為三七適宜種植區，1300～1600 m為優質種苗基地[31]。本研究結果顯示，在滿足氣候條件的情況下，適宜三七生長的海拔范圍（68.1～2791.2 m）較廣。當前三七引種栽培研究主要集中在中高海拔地區，岳攀等[32]研究發現，四川遂寧等低海拔地區生產的三七質量亦符合相關標準，廣西梧州部分低海拔地區種植三七也具有可行性[33]。說明三七具有在低海拔地區生長的潛力，可以考慮將部分低海拔地區納入三七引種栽培范圍。

本研究探索未來2種氣候情景下三七適生區變化，結果表明，氣候變化導致三七潛在分布區減少，特別是在高溫室氣體排放情景下（SSP5-8.5），三七適生區面積大幅縮小，預測到2070年三七適生區面積將減少40%，福建、廣東等沿海地區及廣西西南部大部分地區將不再適宜三七生長，在引種栽培時應引起注意。根據《中國生物多樣性紅色名錄—高等植物卷》，三七瀕危等級為野外滅絕[34]，且三七種子不耐儲存[35]。因此，重建三七野生種群，對保護三七種質資源具有重要意義。本研究表明，三七高適生區主要分布在云南與廣西交界處，這些地區是三七傳統種植區及主產區，可將該區域內的文山國家級自然保護區等地用于三七野生種群重建，保護三七種質資源。此外，MaxEnt模型分析顯示，四川南部、廣東和福建等沿海地區也是三七潛在分布區，可在這些區域試種三七，根據情況擴大三七人工種植范圍。本研究可為三七田間栽培、仿野生種植、野外回歸及種群重建提供科學依據。