不同气候情景下我国三七潜在分布研究

陈鹏崟 ，官会林 ，王勇 ，魏富刚 ，杨绍周 ，王豪吉 ，赵林艳 ，徐武美

1.云南师范大学高原特色中药材种植土壤质量演变退化与修复云南省野外科学观测研究站，云南 昆明 650500；2.文山学院文山三七研究院，云南 文山 663099；3.文山苗乡三七科技有限公司，云南 文山 663099

三七为五加科人参属植物三七Panax notoginseng（Burk.） F. H. Chen的干燥根和根茎，具有活血化瘀、消肿定痛功效[1]。随着三七临床需求逐年增加，野生资源枯竭，加之连作障碍等影响，三七主产区从云南文山等地区不断外延。当前，云南昆明、曲靖、红河、玉溪等非三七传统种植区均大面积种植三七[2]，此外，四川、重庆部分地区也有种植[3]，但这些地区是否为三七适生区尚需科学论证。全球气候持续变暖导致三七适生区变化[4-5]，故预测当前和未来气候情景下三七在我国的潜在分布，科学划分三七适生区，对三七人工栽培、野外回归与种群重建具有重要意义。

物种分布模型被广泛用于潜在分布预测，如领域模型、生态位因子分析模型、分类与回归树模型、最大熵（MaxEnt）模型等[6]。MaxEnt模型具有样本需求量低、运行速度快、预测精度高等优点，被广泛用于预测物种分布[7-10]。本研究通过系统查阅标本资料，结合实地调查和环境数据，利用MaxEnt模型和地理信息系统软件（ArcGIS）分析影响三七分布的主要环境因子，预测不同气候情景下三七在我国的潜在分布，为三七田间栽培、仿野生种植、野外回归与种群重建提供依据。

1 材料与方法

1.1 样点分布数据

检索中国国家标本资源共享平台（NSII，http://www.nsii.org.cn/）、中国数字植物标本馆（CVH，http://www.cvh.ac.cn/）、全球生物多样性信息平台（http://www.gbif.org），并对资料进行仔细核对，去除错误信息及重复记录。对于无具体经纬度的标本，根据其记录的位置信息，搜索百度地图（http://api.map.baidu.com/lbsapi/getpoint/index.html），以当地乡（镇）政府所在地经纬度代替。结合实地调查，最终共获得三七在我国60个样点分布信息（见图1）。

图1 我国三七样点分布

1.2 环境因子

本研究使用22个环境因子，包括气候、土壤和地形因子（见表1），空间分辨率为2.5′，其中海拔和生物气候数据（1970—2000年的平均值）来自世界气候数据网站（http://www.worldclim.org/）[11]，土壤pH值数据来源于世界土壤数据库（http://www.tpdc.ac.cn/zhhans/s）[12]，UV-B辐射强度数据来自glUV数据库（http://www.ufz.de/gluv/index.php）[13]。

表1 环境因子数据

基于国家气候中心研发的未来气候变化模型BCCCSM2-MR[14]，在SSP1-2.6和SSP5-8.5气候情景下，利用2021—2040年（2030年）和2061—2080年（2070年）气候因子平均数据（http://www.worldclim.org/）对不同时期三七分布变化进行预测。SSP1-2.6代表SSP1假设下+2.6 W/m2辐射强迫气候情景，表示绿色、可持续发展模式下气候情况；SSP5-8.5代表SSP5假设下+8.5 W/m2辐射强迫气候情景，表示以大量使用化石燃料提供能源的发展模式下气候情况[15-16]。将22个环境因子数据导入ArcGIS10.7软件，利用空间分析工具中的多元分析函数，保留相关系数＜0.75的环境因子（bio1、bio4、bio5、bio6、bio7、bio12、bio17、bio18、bio19、elevation、pH），避免信息冗余导致模型过度拟合[17]。

1.3 地图数据

中国行政区划图来源于国家基础地理信息系统（http://nfgis.nsdi.gov.cn），分辨率为1∶400万。

1.4 模型构建及评价

将三七分布样点信息和相关系数＜0.75的11个环境因子数据导入MaxEnt3.3.3软件进行建模运算，随机选取25%数据作为测试数据集，75%数据作为训练数据集，最大迭代次数5000次，采用交叉验证法，最大背景点数量10000个，其余均为默认值[18]，重复运行10次，结果输出为ASCⅡ文件。采用受试者工作特征（ROC）曲线下面积（AUC）评价模型准确度[19]，AUC取值范围为0～1：AUC≤0.7，预测结果较差；0.7＜AUC≤0.8，预测结果一般；0.8＜AUC≤0.9，预测结果较准确；0.9＜AUC≤1.0，预测结果极准确[20]。利用MaxEnt模型输出的环境因子贡献率和刀切法评估各环境因子重要性。

1.5 适生区划分

将输出的ASCII文件导入ArcGIS10.7软件，空间参考系为GCS_WGS_1984，使用空间分析工具中的重分类命令，按生境适宜度将三七适生区分为不适生区（生境适宜度＜0.20）、一般适生区（0.20≤生境适宜度＜0.40）、中度适生区（0.40≤生境适宜度＜0.6）和高适生区（生境适宜度≥0.6）[21-22]。

2 结果

2.1 模型预测评价

三七分布ROC曲线测试数据集AUC值为0.976，表明模型预测结果具有较高的可信度和准确性，见图2。

图2 三七分布预测模型ROC曲线

2.2 主要环境因子选择

参与MaxEnt模型分析的11个环境因子中，最干季降水量（bio17，41.8%）、气温年较差（bio7，29.7%）、气温季节性变化（bio4，7.7%）和海拔（elevation，5.2%）累计贡献率达84.4%。各环境因子贡献率见表2，主要环境因子响应曲线见图3。

表2 影响三七分布11个环境因子贡献率

图3 影响三七分布主要环境因子响应曲线

刀切法检验结果表明，气温年较差（bio7）、最冷月最低温（bio6）、气温季节性变化（bio4）、最干季降水量（bio17）对三七分布影响较大。见图4。综合贡献率和刀切法检验结果，影响三七分布的主要因素为降水、气温和海拔。

图4 影响三七分布主要环境因子刀切图

2.3 当前和未来气候情景下三七适生区分布

MaxEnt模型分析结果表明，当前气候情景下三七高适生区面积约为8.88×104km2，占我国国土面积的0.92%，主要分布在云南省马关县、西畴县、砚山县、富宁县，广西壮族自治区那坡县、靖西市、德保县、西林县及贵州省安龙县等地区。中度适生区面积约11.18×104km2，占我国国土面积的1.16%，主要分布在云南省广南县和丘北县、贵州省兴仁市和望谟县及四川省宜宾市等地区。见图5、表3。

表3 当前和不同气候情景下三七适生区面积（×104 km2）

图5 当前气候情景下我国三七适生区分布

SSP1-2.6气候情景下，预测2030年三七高适生区面积约为7.76×104km2，中度适生区面积约为11.30×104km2，总适生区面积约49.20×104km2；与当前气候情景下比较，高适生区面积减少，中度适生区面积增加，总适生区面积减少7.57×104km2。到2070年，三七高适生区面积约7.96×104km2，中度适生区面积约10.02×104km2，总适生区面积约53.29×104km2；与当前气候情景下比较，高适生区、中度适生区和总适生区面积分别减少0.92×104、1.15×104、3.48×104km2。SSP5-8.5气候情景下，预测2030年三七高适生区面积约6.61×104km2，中度适生区面积约10.05×104km2，总适生区面积约44.34×104km2；与当前气候情景下比较，高适生区、中度适生区和总适生区面积分别减少2.27×104、1.13×104、12.43×104km2。到2070年，三七高适生区面积约为6.10×104km2，中度适生区面积约为7.36×104km2，总适生区面积约33.59×104km2；与当前气候情景下比较，高适生区、中度适生区和总适生区面积分别减少2.78×104、3.81×104、23.18×104km2。总的来看，在高温室气体排放情景下，未来三七适生区面积将大幅缩小。见图6、图7。

图6 未来不同气候情景下我国三七潜在分布

图7 未来不同气候情景下我国三七潜在分布区变化

3 讨论

本研究利用MaxEnt模型结合ArcGIS分析预测当前及未来不同气候情景下三七的地理分布，结果表明，当前三七在我国总适生区面积约56.77×104km2，其中高适生区主要分布在云南文山州和广西百色市西部，该区域地形以山峰、谷地和山岭为主，有充足降水和日照，特殊地理环境为三七生长发育提供有利条件[23]；中度适生区和一般适生区主要分布在四川宜宾、泸州，贵州黔西南，广西百色、崇左、玉林及广东与福建沿海等地，与张琴等[24]研究结果基本一致。当前，模型预测的四川东南部部分一般适生区已有三七种植[3]。

气温和降水是影响植物生长和自然分布的关键因素，本研究结果表明，最干季降水量、气温年较差、气温季节性变化及海拔是影响三七分布的主要环境因子。汪佳维等[25]对三七引种栽培技术进行总结，认为适宜的降水量与海拔是三七健康生长的重要条件；降水量过多或过少及年降水量分配，都会对三七生长、产量和品质产生重要影响[26-27]，说明降水对三七生长和地理分布影响较大。适宜的气温是实现三七高产和高品质的重要前提[28]，金航等[29]研究认为，年温差是影响三七皂苷积累的关键因素；冯旭芹等[30]研究亦表明，年温差11 ℃左右适宜生产优质三七。本研究表明，气温年较差是影响三七分布的重要环境因子；此外，气温季节性变化和最冷月最低温对三七分布也有一定影响。海拔1000～2000 m为三七适宜种植区，1300～1600 m为优质种苗基地[31]。本研究结果显示，在满足气候条件的情况下，适宜三七生长的海拔范围（68.1～2791.2 m）较广。当前三七引种栽培研究主要集中在中高海拔地区，岳攀等[32]研究发现，四川遂宁等低海拔地区生产的三七质量亦符合相关标准，广西梧州部分低海拔地区种植三七也具有可行性[33]。说明三七具有在低海拔地区生长的潜力，可以考虑将部分低海拔地区纳入三七引种栽培范围。

本研究探索未来2种气候情景下三七适生区变化，结果表明，气候变化导致三七潜在分布区减少，特别是在高温室气体排放情景下（SSP5-8.5），三七适生区面积大幅缩小，预测到2070年三七适生区面积将减少40%，福建、广东等沿海地区及广西西南部大部分地区将不再适宜三七生长，在引种栽培时应引起注意。根据《中国生物多样性红色名录—高等植物卷》，三七濒危等级为野外灭绝[34]，且三七种子不耐储存[35]。因此，重建三七野生种群，对保护三七种质资源具有重要意义。本研究表明，三七高适生区主要分布在云南与广西交界处，这些地区是三七传统种植区及主产区，可将该区域内的文山国家级自然保护区等地用于三七野生种群重建，保护三七种质资源。此外，MaxEnt模型分析显示，四川南部、广东和福建等沿海地区也是三七潜在分布区，可在这些区域试种三七，根据情况扩大三七人工种植范围。本研究可为三七田间栽培、仿野生种植、野外回归及种群重建提供科学依据。