药材锁阳为锁阳科植物锁阳CynomoriumsongaricumRupr的干燥肉质茎[1],是我国干旱半干旱地区特有的药用植物资源,生长于沙漠或戈壁,被誉为“沙漠人参”[2]｡锁阳味甘､性温,归肾经,具有补肾阳､益精血及润肠通便功效｡药理研究表明,锁阳在抗衰老､免疫调节及抗炎等方面具有显著作用,广泛用于补肾壮阳､治疗便秘及与老龄化相关的慢性疾病[3-5]｡锁阳分布于我国西北地区,包括新疆维吾尔自治区､内蒙古自治区､甘肃省和宁夏回族自治区等省份,是传统中药材产业的重要组成部分,同时是当地经济发展的特色资源[6]｡在中医药产业转型升级的背景下,锁阳因其独特的药用价值和生态适应性,成为研究热点｡目前锁阳资源开发仍以野生采集为主,产业化水平较低,缺乏科学的适生区识别模式与生态种植管理规范,制约了锁阳资源的可持续利用[7]｡已有研究评估了锁阳的产地适宜性[8],但缺乏对生境空间分异及主要环境因子的系统探讨｡此外,适生区内不同地表覆盖类型(如沙地､戈壁等)对锁阳分布的影响尚未明确,一定程度上限制了该物种研究成果在中医药产业化发展和野生资源保护中的实际应用｡目前利用最大熵(MaxEnt)模型对药材的基原物种进行潜在的适生区模拟已得到广泛应用[9-11]｡本研究利用MaxEnt3.4.1软件预测锁阳的潜在适生区分布范围,重点分析其生境空间分异规律及关键气候因子｡同时,借助地理探测器分析环境因子及各因子交互作用对适生区分布格局的影响,并结合地表覆盖数据(沙地与戈壁)细化锁阳适生区的空间分布特征与面积占比,为锁阳野生资源保护及生态种植区域优选提供数据支持,并为中医药产业的绿色可持续发展提供理论参考｡

1、资料与方法

1.1锁阳物种分布数据的获取与筛选锁阳的地理分布数据来自全球生物多样性信息平台､国家植物标本库教学标本资源子库､第四次中药资源普查实地调查结果及相关文献[12-14],共获得锁阳样点记录212条｡

为避免样点分布的非系统性或非随机性引起最大熵模型运行结果过度拟合,并减少冗余数据对预测结果的影响,在删除重复数据和异常分布点后,采用ENMTools5.26软件对所收集的分布数据进行筛选,根据模型运行所采用生态因子数据的精度,最终确保在5km×5km格网范围内仅存在单个物种分布点[15],并剔除不在中国境内的分布点数据,最终筛选得到锁阳分布样点180个(见图1),将筛选后的样点经纬度坐标数据以CSV格式保存用于模型运行｡

本研究采用的中国行政区划图源于国家地理信息公共服务平台天地图,分辨率为1∶400万,审图号为GS(2024)0650号｡

1.2环境因子数据获取､筛选和预处理

气候数据变量来源于世界气候数据网站,包含生物气候､降水､温度､太阳辐射､水蒸气压力､风速及海拔等共104个环境因子｡为避免各环境因子间的多重共线性对模型预测结果和变量贡献计算的影响,对104个环境因子进行筛选:①基于104个环境因子和筛选后的物种分布位点数据,初次以默认参数运行MaxEnt模型,剔除运行结果中贡献度为0~1的环境因子｡②其余环境因子采用SPSS26.0进行相关性分析,当两环境因子的相关系数绝对值≥0.9时,剔除贡献度较小的环境因子｡通过变量筛选降低数据维数,减少冗余信息,保留6个最具代表性的环境因子,结果见表1｡

表1用于锁阳适生区预测的环境因子

1.3最大熵模型建立

MaxEnt模型是一种基于最大熵原理评估和预测目标区域内物种可能分布的概率建模方法[16]｡本研究将锁阳的地理分布数据转换为CSV格式,统一各环境因子的投影和分辨率,并将其读入MaxEnt3.4.1软件｡设置模型参数:使用交叉验证方法选择迭代次数为1000次,选择背景点数为10000次,模型重复运行10次取平均值,其余参数为默认设置｡利用受试者工作特征(ROC)曲线和曲线下面积(AUC)验证模型的准确性｡

1.4适生区空间分异影响因素分析

地理探测器是一种检测空间差异并揭示其背后驱动力的统计方法,可识别和量化空间数据中各种因素对特定事件或现象的影响程度和作用机制[17]｡本研究利用相互作用探测器分析不同环境因素间相互作用对锁阳生境空间分异的影响程度｡利用因子探测器检测潜在生境的空间分层异质性和不同环境因子对生境空间变化差异的解释力度,并以q值表示｡q值能清楚地反映各环境因素对生境的影响程度,从而进一步反映影响锁阳生境空间分异的主导因素｡

1.5潜在适生区重新定义与量化

利用2020年30m中国土地利用遥感监测数据集[18],与锁阳的适宜分布区进行叠加分析,获取高､中､低适生区中沙地与戈壁的空间分布特征,得到锁阳实际的可能分布范围｡所采用的地表覆盖数据来源于资源环境科学数据注册与出版系统,由中国科学院地理科学与资源研究所研制｡

2、结果

2.1模型准确性测试结果

ROC和AUC是衡量预测精度的指标｡AUC值在0~1范围内,一般来说,AUC值为(0.7,0.8]时预测结果一般,(0.8,0.9]时预测结果较准确,(0.9,1.0]时预测结果非常准确｡本研究使用MaxEnt3.4.1软件进行模型测试,经过10次运行后获得的AUC平均值为0.988,标准差为0.003,见图2｡表明模型预测结果非常精确,可靠性高,可为锁阳适生区的模拟提供合理结果｡

图2我国锁阳分布预测模型ROC曲线

2.2影响锁阳地理分布的环境因素

利用刀切法检验环境因子对物种适生区分布预测收益的重要性,见图3｡在锁阳的建模评估过程中,单独使用bio11时增益值最高,其次是tmax3､srad8､tmin12､bio19及elev｡除去变量bio19时增益值减少最多,其次是srad8｡表明这些环境因子中含有很多有效信息,是影响锁阳潜在适生区分布预测的主要环境因子｡

图3影响我国锁阳分布环境因子刀切图

各环境因子对MaxEnt模型的贡献见表2｡bio19是锁阳潜在分布的主要限制因素,单因素贡献为30.1%｡其次是srad8､bio11､tmin12和elev,5个环境因子的总贡献率为96.5%｡排列重要性值是对背景训练存在数据上每个环境因素的值的随机替换,值越大表示对该特定变量的依赖程度越大｡tmax3､bio19和srad8是排列重要性较高的3个环境因子｡因此,上述因子是影响锁阳分布预测的主要环境因子｡

表2影响我国锁阳分布的环境因子贡献度和排列重要性(%)

2.3锁阳潜在适生区分布

根据锁阳栖息地适宜度指数(HSI)模拟结果,将HSI值大于最大测试敏感性和特异性逻辑阈值的区域作为潜在适生区,并采用自然断点法将潜在栖息地分为高､中､低适生区,结果见图4｡锁阳的总适生面积约为2.98×106km2,约占中国大陆面积的30.99%,高适生区主要分布于甘肃省､内蒙古自治区､新疆维吾尔自治区､青海省､宁夏回族自治区｡中适生区主要位于新疆维吾尔自治区､内蒙古自治区､山西省､陕西省､河北省｡低适生区主要分布于新疆维吾尔自治区､宁夏回族自治区､山西省｡低､中､高适生区的面积依次为6.21×105km2､1.29×106km2及1.06×106km2｡

2.4不同环境因素对锁阳适生区空间分异的影响

本研究采用地理探测器因子探测与交互作用探测方法评估锁阳适生区空间分异的影响因素｡采用因子探测法检验适生区的空间分层异质性,以及各环境因子对适生区分异的解释力度,结果见图5｡q值表示环境因素与适生区空间分异之间的相关性,P值反映这种相关性是否具有统计学意义,结果表明,环境因子的P值均小于0.01｡6个环境因子对锁阳全国范围内适生指数的空间分异解释能力大小依次为bio11(0.49)>tmin12(0.47)>srad8(0.44)>bio19(0.41)>elev(0.32)>tmax3(0.31),其中前5个环境因子合计解释能力为87.3%,对其有重要影响｡交互作用探测功能可分析不同环境因素之间的相互作用对适生区分异的影响程度｡从结果可直观看出,两因子交互作用的解释力度均高于单个因子的解释力度,对锁阳生境分异解释力度较强的交互变量有:bio11∩srad8(0.82)=bio19∩srad8>srad8∩tmin12(0.79)>bio11∩elev(0.77)>elev∩srad8(0.76)>bio19∩tmax3(0.75)=elev∩tmin12｡

图5不同环境因子对锁阳适生区空间分异的影响

2.5基于地表覆盖类型的锁阳适宜分布范围评估

使用ArcGIS10.8软件将建模结果与地表覆盖数据进行叠加分析,提取其中沙地与戈壁范围,从而更加精准地量化锁阳的适宜生长区及野生资源区域,并绘制可视化分析图,结果见图6｡锁阳实际可能的适生区范围为9.70×105km2,其中适生区沙地面积为5.73×105km2,适生区戈壁面积为3.98×105km2｡其中,高适生区沙地主要集中在甘肃省(酒泉市､武威市)､内蒙古自治区(阿拉善盟､巴彦淖尔市､鄂尔多斯市)､新疆维吾尔自治区(阿克苏地区､喀什地区､巴音郭楞蒙古自治州)､青海省(海西蒙古族藏族自治州),其余省份零星分布｡戈壁高适生区主要分布于甘肃省(酒泉市､嘉峪关市､张掖市､金昌市)､新疆维吾尔自治区(哈密市､吐鲁番市及塔克拉玛干沙漠边缘地区)､内蒙古自治区(阿拉善盟､巴彦淖尔市)及青海省(海西蒙古族藏族自治州)等｡

图6我国锁阳潜在适生区沙地及戈壁分布特征

3、讨论

3.1模型模拟的必要性

锁阳是药食两用的多年生全寄生种子沙生植物[19],其药用价值在现代中医药产业中占据重要地位,特别是在相关疾病治疗及保健品领域受到广泛关注｡然而,由于过度采挖､气候变化和生境退化等因素,锁阳野生资源急剧减少,栖息地破碎化严重,对种群稳定性和遗传多样性造成严重威胁[2]｡锁阳栽培过程中低产､高成本等问题依然突出,生态环境的变化和土壤养分流失进一步限制锁阳的药用价值和市场供应｡因此本研究利用MaxEnt模型和地理探测器,预测锁阳适生区的潜在分布,并揭示主要环境因子的驱动作用｡该模型模拟结果为科学划定锁阳的潜在适生区,制定针对性保护措施,推动生态种植提供理论支持,同时保障临床用药的可持续性｡

3.2影响锁阳资源分布的主要环境因子

最冷季度降水量(bio19)､8月份太阳辐射(srad8)和最冷季度平均温度(bio11)是影响锁阳分布的主要环境因子,与既往研究[20]相符,这与锁阳生长环境对水分､温度和光照的依赖性密切相关｡最冷季度降水量对锁阳的水分供应至关重要,冬季适宜的降水能够保障土壤湿润,避免冻结或过度干旱,为锁阳根系提供稳定的生长环境;8月份是锁阳的生长高峰期,太阳辐射强度直接影响其寄主植物的光合作用效率,适当的光照强度有助于提高寄主植物的碳水化合物积累,从而间接支持锁阳的生长和繁殖;最冷季度的平均温度和12月份最低气温对锁阳越冬和生存至关重要｡适宜的低温可刺激锁阳进入休眠状态,降低代谢需求,提高抗寒能力,从而增强其环境适应性｡此外,研究结果显示,海拔(elev)和3月份最高气温(tmax3)对锁阳分布存在一定影响｡海拔通过调控温度和降水间接影响锁阳的分布,而早春气温(tmax3)决定锁阳复苏及采收的最佳时机[21]｡交互作用分析显示:温度与辐射强度的交互作用(如bio11∩srad8)对适生区空间分异的解释力最高(q=0.82),显著提升了模型的预测能力｡表明锁阳适宜生境的分布不仅受单一环境因子的影响,还受多因子协同作用的显著调控,研究结果可为理解锁阳的生长需求及种植区优选提供参考｡

3.3锁阳资源的保护与可持续利用途径

锁阳作为重要的中药资源,其保护与可持续利用依赖于对其适生区的精准划定和生态特性理解｡基于模型模拟结果,结合地表覆盖数据,将沙地和戈壁等典型地貌纳入分析,进一步明确锁阳适生区的空间分布特征｡结果显示,沙地为锁阳提供了良好的透气性和水分存储条件,占锁阳实际适生区的59%;戈壁环境凭借其低降水量和高温差,与锁阳的耐旱特性相适应,占实际适生区的41%｡Zhang等[22]对不同地理区域锁阳生态型的分类与分析显示,锁阳分布主要集中在我国西北干旱半干旱地区,包括甘肃省､新疆维吾尔自治区､青海省､宁夏回族自治区和内蒙古自治区等省份｡本研究基于MaxEnt模型的预测结果,验证了该分布范围,通过沙地和戈壁生境的量化分析,明确锁阳适生区的生态特性｡为实现锁阳资源可持续利用,可采取以下措施:①在高适生区优先建立保护区,严格限制过度采挖,维持锁阳的野生种群稳定｡②针对沙地和戈壁的不同特点,采用因地制宜的种植技术,优化栽培管理,逐步提高锁阳产量与质量,缓解野生资源开发压力｡③将锁阳资源保护与中医药产业化发展相结合,通过制定区域性产业政策,支持其在干旱和半干旱地区的经济发展和生态恢复｡

3.4区划与锁阳药材品质

锁阳药材品质的区域差异主要受生态因子(如降水量､日照时数､气温和海拔)的显著影响,不同区域生境对其活性成分和矿质元素的积累有重要调控作用｡张锐等[23]研究表明,锁阳原儿茶酸含量与年均无霜期和年均气温呈正相关,儿茶素含量随日照时数的增加而显著提升,而多糖含量则在高海拔区域显著降低,表明干旱半干旱区域的长日照和适宜气温有助于活性成分积累｡赵鹏宇等[24]进一步研究显示,盐碱地环境中的锁阳矿质元素(如钙､锌､锰)含量显著高于其他生境,特别是钙和钠含量在盐碱地中积累最为明显,表明盐碱地不仅适宜锁阳生长,还具有促进矿质元素富集的独特作用,为锁阳的功能性开发提供新方向｡结合模型预测结果和文献分析,本研究结果表明甘肃河西､新疆南部､内蒙古部分地区为锁阳的优质适生区,这些区域的气候特点(如低降水､高日照和适宜气温)可促进锁阳活性成分积累｡而青海盐碱地因其矿质元素富集特性,可作为功能性锁阳的种植推荐区域｡此外,腾格里沙漠和柴达木盆地等区域因其独特的生态条件,适宜开展生态化人工种植｡

本研究通过MaxEnt模型和地理探测器分析,评估锁阳在中国范围内的潜在适宜分布区,识别影响其生境分异的主要环境因子,结合锁阳生长特性及地表覆盖数据,量化锁阳适生区在沙地和戈壁等典型地貌内的分布特征,可为中医药产业中锁阳资源保护及可持续利用提供参考｡

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基金资助:道地药材产区变迁和生产区划研究(ZYZX-2023-KY-083);中国工程院战略研究与咨询项目(GS2021ZDA06);财政部和农业农村部国家现代农业产业技术体系资助项目(CARS-21);甘肃省自然科学基金(23JRRA1213);甘肃中医药大学研究生“创新创业基金”项目(2025CXCY-044);

文章来源:涂工涵,席少阳,郭旭东,等.锁阳潜在适生区地理分布格局模拟及影响因素分析[J].中国中医药信息杂志,2025,32(09):1-6.