葉雨，樊叢照，張際昭，趙亞琴，邱遠金，王果平，石書兵，李曉瑾，*

1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆維吾爾自治區(qū)中藥民族藥研究所 國家中醫(yī)藥管理局新疆中藥民族藥資源重點研究室，新疆 烏魯木齊 830002

紫草為重要的道地藥材，最早見于《神農(nóng)本草經(jīng)》，具清熱涼血、活血解毒、透疹消斑之功效[1]?！吨腥A人民共和國藥典》自1963 年版開始收載新疆紫草Arnebia euchroma（Royie）Johnst 為藥材紫草的來源之一[2]，逐步成為了主流品。研究表明，新疆紫草具有抗炎、抗腫瘤、抗菌、解熱、鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)靜等藥理活性[3-5]，用于治療肝炎、血管性紫癜、銀屑病、燒傷等多種疾病，還可作為天然色素應(yīng)用于食品、化妝品、印染工業(yè)等領(lǐng)域[6]。其繁殖能力弱，且多年來遭受掠奪式采挖，導(dǎo)致資源處于瀕危狀態(tài)，現(xiàn)被列為國家二級保護野生植物[7-8]。發(fā)展人工種植是瀕危物種保護及合理利用的有效手段。近年來，新疆許多地方相繼開展了新疆紫草人工撫育研究，但部分試驗地新疆紫草種植過程出現(xiàn)病蟲害、生長緩慢、形態(tài)變異等現(xiàn)象。因此，研究新疆紫草適宜種植區(qū)域，對其產(chǎn)業(yè)化種植及野生資源保護具有十分重要的意義。

中藥生態(tài)適宜性分析能夠揭示所分析藥材的生長及分布規(guī)律、指導(dǎo)其生產(chǎn)的合理布局，正確評價藥材生產(chǎn)產(chǎn)區(qū)的自然及社會經(jīng)濟條件對中藥資源開發(fā)和利用績效有直接的影響[9]。目前，有多種用于物種生態(tài)適宜性研究的方法，常見的有最大熵（maximum entropy，MaxEnt）模型、生態(tài)位因子分析（ecological niche factor analysis，ENFA）、遺傳算法（genetic algorithm for rule-set production，GARP）、生物氣候分析系統(tǒng)（bioclimate analysis and prediction system，BIOCLIM）等模型[10]。其中，MaxEnt模型是以MaxEnt理論為基礎(chǔ)的密度估計和物種分布預(yù)測模型，同時引入受試者工作特征（ROC）曲線對預(yù)測結(jié)果進行評價，預(yù)測效果最好，在黃芪、中麻黃等藥用植物潛在分布研究中取得了良好效果[11-17]。近年來，新疆紫草的研究多集中于藥理作用、化學(xué)成分、生物學(xué)特性等[6,8]，關(guān)于其生態(tài)適宜性的研究主要以人工撫育作為分析的基點區(qū)域[18]，選取的生態(tài)因子具有主觀性，導(dǎo)致其研究結(jié)果受主觀因素影響較大。本研究旨在采用實地普查與數(shù)據(jù)處理相結(jié)合，獲取新疆紫草生物學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用MaxEnt 模型和ArcGIS 軟件分析評價新疆紫草的生態(tài)適宜性，探究影響新疆紫草生長的主要生態(tài)因子和生態(tài)適宜性分布區(qū)，為其野生資源的保護和生產(chǎn)基地選址提供參考。

1 樣本數(shù)據(jù)采集

研究所用的所有新疆紫草分布數(shù)據(jù)來自于新疆維吾爾自治區(qū)中藥民族藥研究所第四次全國中藥資源普查新疆普查空間數(shù)據(jù)，共獲得新疆紫草分布信息129 條，剔除重復(fù)的經(jīng)緯度分布信息點后，獲得新疆紫草分布信息44 條（圖1）。按照MaxEnt 軟件要求，將采樣點按物種名、分布點經(jīng)度和緯度順序儲存成.csv格式的文件。

圖1 新疆紫草樣點分布

本研究所使用的生態(tài)因子數(shù)據(jù)均來源于中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫（http://www.tcm-resources.com/），包含降水量、日照、氣候、土壤、地形和植被類型，涵蓋了影響中藥資源分布的所有生態(tài)因子數(shù)據(jù)[10]。研究所用地圖為標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)站（http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/）下載的1∶950萬中國分省（區(qū)、市）地圖——新疆維吾爾自治區(qū)地圖。

2 生態(tài)因子篩選及指標(biāo)值確定

2.1 生態(tài)因子篩選

導(dǎo)入新疆紫草藥材的采集信息和55 個生態(tài)因子，進行迭代運算，舍棄方差貢獻率為0 的生態(tài)因子，進行二次建模。選取第2 次建模累積方差貢獻率>95%的生態(tài)因子和同時考慮地形、氣候、植被等不同類型生態(tài)因子的影響，最終確定影響新疆紫草生長分布的主導(dǎo)生態(tài)因子。通過MaxEnt 模型運行結(jié)果中的響應(yīng)曲線，得出生態(tài)因子適宜值。

2.2 主要生態(tài)因子指標(biāo)值確定

根據(jù)MaxEnt模型自動輸出的各生態(tài)因子方差貢獻率，確定影響新疆紫草生長分布的主導(dǎo)生態(tài)因子為海拔（38.0%）、12 月降水量（14.7%）、等溫性（14.1%）、土壤類型（11.2%）、植被類型（3.8%）、10 月平均氣溫（2.2%）、6 月降水量（1.6%），累積方差貢獻率為85.6%。利用MaxEnt軟件繪制主要生態(tài)因子響應(yīng)曲線，分析影響新疆紫草潛在分布的主導(dǎo)生態(tài)因子的特征。新疆紫草適宜區(qū)植被類型為高寒蒿草、雜類草草甸，溫帶叢生矮禾草、矮半灌木荒漠草原，高寒禾草、苔草草原，溫帶禾草、雜類草草甸草原，溫帶叢生禾草典型草原，高山墊狀植被，溫帶禾草、雜類草草甸，高山稀疏植被，寒溫帶和溫帶山地針葉林，溫帶禾草、苔草及雜類草沼澤化草甸，亞高山落葉闊葉灌叢等；適宜土壤類型為草甸土、濱海風(fēng)沙土、鹽化栗鈣土、燥紅土、褐紅土、暗黃棕壤、流動荒漠風(fēng)沙土、黑鈣土；12 月降水量適宜值為2～22 mm，6 月降水量適宜值為10～96 mm，10 月平均氣溫適宜值為–54～51 ℃，海拔適宜值為1654～4216 m，等溫性適宜值為20～29。新疆紫草主要生態(tài)因子響應(yīng)曲線見圖2。

圖2 新疆紫草主要生態(tài)因子響應(yīng)曲線

3 新疆紫草產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析

3.1 生態(tài)適宜性等級區(qū)劃

利用ArcGIS 軟件對MaxEnt 軟件中MaxEnt 模型計算結(jié)果進行疊加和地圖制作，生態(tài)適宜性區(qū)劃根據(jù)采樣點處生境適宜度值，按正態(tài)分布參數(shù)μ、σ進行劃分，以［0，σ］為不適宜區(qū)、［σ，μ–σ］為低適宜區(qū)、［μ–σ，μ］為較適宜區(qū)、［μ，1］為最適宜區(qū)，繪制新疆紫草的生態(tài)適宜性區(qū)劃分布圖[11]（圖3）。

圖3 新疆紫草生態(tài)適宜性區(qū)劃分布

3.2 MaxEnt模型預(yù)測精度評價

由MaxEnt 模型運算顯示，ROC 曲線平均訓(xùn)練集的曲線下面積（AUC）為0.998，表明該模型對新疆紫草在新疆潛在分布的預(yù)測效果較好，模型運算得出的新疆紫草生長區(qū)域適宜度有很高的可信度和準(zhǔn)確度。

將采集的新疆紫草分布信息和下載的環(huán)境數(shù)據(jù)導(dǎo)入MaxEnt 軟件，設(shè)置運行參數(shù)，隨機測試比例為15%，最大迭代次數(shù)為1×106[12]。自定義設(shè)置ROC 曲線和刀切法檢驗權(quán)重，其他參數(shù)為默認值。采用ROC 曲線進行模型精準(zhǔn)度評價，取值為0～1，數(shù)值越接近1，說明該預(yù)測的結(jié)果越好[14,19]。0.5

3.3 生態(tài)適宜性分布區(qū)劃

研究發(fā)現(xiàn)，新疆紫草主要集中分布于天山山脈，最適宜區(qū)主要為和靜縣、尼勒克縣、博樂市、溫泉縣、昭蘇縣等地；較適宜區(qū)為霍城縣、精河縣、伊寧縣、伊寧市、托里縣、裕民縣、奎屯市、阿克陶縣、鞏留縣、察布查爾錫伯自治縣、烏恰縣、和碩縣、烏魯木齊縣等地；低適宜區(qū)為烏魯木齊市達坂城區(qū)、塔城市、富蘊縣、烏什縣、哈密市、阜康市、吉木薩爾縣、沙灣縣、庫車縣、輪臺縣、疏附縣、呼圖壁縣、瑪納斯縣、阿圖什市、青河縣等地。其生態(tài)適宜區(qū)面積>500 km2的有和靜縣、尼勒克縣和溫泉縣；生態(tài)適宜區(qū)面積為100～500 km2的有托里縣、阿克陶縣、博樂市、霍城縣、裕民縣、伊寧縣、精河縣、烏恰縣、特克斯縣、昭蘇縣、庫車縣；生態(tài)適宜區(qū)面積<100 km2的有拜城縣、鞏留縣、輪臺縣、和布克賽爾蒙古自治縣、察布查爾錫伯自治縣、沙灣縣、瑪納斯縣、烏魯木齊縣、巴里坤哈薩克自治縣、塔什庫爾干塔吉克自治縣、哈巴河縣等地區(qū)。在新疆紫草生態(tài)適宜性區(qū)域進行大規(guī)模人工種植的難度較大，可供選擇的區(qū)域少。

4 結(jié)論

MaxEnt模型是基于生態(tài)位理論提出的物種地理尺度空間分布模型，可以直觀真實地預(yù)測物種在不同時期的分布情況，對物種的保護和可持續(xù)開發(fā)利用具有重要意義[20-21]。研究結(jié)果顯示，新疆紫草最適宜區(qū)主要集中于天山山脈南北坡的和靜縣、昭蘇縣、溫泉縣等地，與參考文獻[22-24]記載及實地考察結(jié)果相符。通過MaxEnt 模型和地理信息系統(tǒng)（GIS）分析可以得出影響新疆紫草生長的主要生態(tài)因子及適宜值。結(jié)果顯示，海拔和降水量對新疆紫草的影響作用最明顯；在6 月（即開花期初）適宜的降水有利于新疆紫草開花，而12 月紫草地上部分枯萎，對水分需求量較少，大量的降水容易使土壤濕度過大，植株爛根死亡不利于新疆紫草的休眠。新疆紫草最宜生長在溫度及降水適宜的高海拔地區(qū)，這與實地考察結(jié)果相符。

新疆紫草在天山山脈中段分布較集中，在昆侖山、巴爾魯克山分布較少，這與其傳統(tǒng)產(chǎn)區(qū)的地貌和氣候密切相關(guān)。新疆紫草喜涼爽濕潤氣候，耐寒怕高溫、怕澇，生長期間溫度過高或濕度過低會造成植株死亡，對水分和光照條件要求苛刻[25]。因此，新疆紫草多生長于礫石山坡、洪積扇、草地及草甸等處[22]。天山山脈位于歐亞大陸腹地，中段與伊犁河谷相接壤，以昆侖山為天然屏障阻擋了北上的季風(fēng)氣流，而南下寒流匯聚于此形成降雨，氣候濕潤，四季不分明，夏季短、冬季漫長，氣溫低，為新疆紫草的生長提供了適宜環(huán)境，使其分布較為廣泛。昆侖山脈地區(qū)多為溫帶荒漠和高山荒漠，平均海拔較高，幾乎不受印度洋和太平洋季風(fēng)氣候影響，氣候極端干燥，降水少，大部分地區(qū)不適合新疆紫草的生長。因而分布較少。雖然，巴爾魯克山山巒起伏明顯，多山地草原，降水豐富，適宜紫草生長，但實地考察發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)新疆紫草多分布于山區(qū)，地形陡峭、耕地少，不利于規(guī)?；N植。此外，在托里縣和額敏縣未發(fā)現(xiàn)新疆紫草分布。因此，結(jié)合實地考察結(jié)果，建議在新疆紫草生長適宜的天山山脈中段，如伊犁州的昭蘇縣、尼勒克縣等地建立人工栽培及藥材加工基地，而在分布地域較偏遠、資源蘊含量豐富的天山山脈中段南麓（如巴州的和靜縣等地）開展擬境栽培及野生撫育工作。

近年來，MaxEnt 模型被廣泛應(yīng)用到中藥材生產(chǎn)適宜性研究中，并取得很好的預(yù)測效果[26-28]。但在實際使用該模型的時候，還受參數(shù)設(shè)置、先驗分布的選擇、樣本量等因素影響[28]。陳新美等[29]研究表明，MaxEnt 模型預(yù)測精準(zhǔn)度隨樣本量增大而增加，最后趨于穩(wěn)定，因此要提高模型預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度，樣本量需根據(jù)物種的不同進行適當(dāng)選取。新疆紫草野生資源蘊含量較少，選擇MaxEnt模型進行物種分布預(yù)測是提高預(yù)測精度的最佳選擇。本研究在研究新疆紫草生態(tài)適宜性分布時，僅考慮氣候、海拔等環(huán)境因子，而未考慮地形、人類活動、栽培技術(shù)等其他因素對新疆紫草生長的影響，可能使模型預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生一定偏差。其次，生態(tài)因子的閾值選取也會使預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生偏差，生態(tài)因子閾值范圍越大，其物種潛在分布范圍也可能會越廣[14]。文獻報道，新疆紫草在日平均氣溫4 ℃即可發(fā)芽，最高溫度超過30 ℃時植株開始死亡[25]。然而，模型輸出的生態(tài)因子適宜值顯示，10 月平均氣溫為–54～51 ℃，此結(jié)果與新疆紫草的生長習(xí)性和產(chǎn)區(qū)真實情況不符。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是：1）模型預(yù)測結(jié)果理論值>實際值；2）AUC反映的是系列閾值判別能力的綜合值，模型在某一閾值的判別能力強并不表示在其他閾值的判別能力也一定強，因此，單個閾值可能會出現(xiàn)假陽性[14]。但是，通過ROC 曲線AUC 參數(shù)評價，表明模型預(yù)測結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。該方法能真實預(yù)測新疆紫草的分布狀況，為新疆紫草的生產(chǎn)基地選址提供了參考。此外，生態(tài)因子是否對新疆紫草藥材次生代謝產(chǎn)物的積累產(chǎn)生影響還需進一步研究。