全國栽培太子參生態適宜性區劃分析

康傳志，周　濤,*，郭蘭萍，黃璐琦，朱壽東，肖承鴻

1 貴陽中醫學院, 貴陽　550002 2 中國中醫科學院中藥資源中心, 道地藥材國家重點實驗室, 北京　100700

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全國栽培太子參生態適宜性區劃分析

康傳志1，周濤1,*，郭蘭萍2，黃璐琦2，朱壽東2，肖承鴻1

1 貴陽中醫學院, 貴陽550002 2 中國中醫科學院中藥資源中心, 道地藥材國家重點實驗室, 北京100700

摘要:采用ArcGIS地理信息系統軟件的空間分析方法和SPSS統計軟件的統計分析方法，分析了全國太子參潛在適宜種植地理分布、適宜生境及化學成分與環境因子的相關性。結果顯示：采用聚類分析從46個樣地中篩選出34個多糖含量較高的樣地。所建模型經ROC曲線驗證，預測效果非常好(AUC > 0.9)。最干月降水量(貢獻率68.4%)、土壤類型(9.7%)、最暖季平均溫(6.0%)、等溫性(4.0%)是影響太子參種植分布最重要的環境因子，其最適宜生境范圍為：最干月降水量20—60mm；最暖季平均溫21.5—30.5℃；等溫性18%—35%；土壤類型為不飽和薄層土、飽和粘磬土中的黃棕壤、黃壤、黃紅壤。相關性分析顯示，多糖和生境適宜度均與最濕季降水量、最暖季降水量、最暖季平均溫、最干月降水量及年平均氣溫無顯著相關性。太子參最適宜區主要分布在長江中下游區域，主要有貴州中部，重慶與湖南、湖北接壤處，河南南部，安徽西部，江蘇中部，福建東北部以及浙江北部和東南部區域。因此，明確全國太子參潛在的適宜種植區可為太子參種植基地的選取和合理布局提供參考。

關鍵詞：太子參；Maxent模型；多糖；環境因子；生態區劃

中藥太子參PseudostellariaeRadix具有益氣健脾、生津潤肺的功效。野生資源主要分布在東北、華北、華中、華東地區，如遼寧、內蒙古、河北、山東、安徽、江蘇、河南、江西等省區[1]。隨著野生資源的稀缺，現今太子參在中醫臨床配方、中成藥、保健藥品生產中所用藥材均來自栽培資源。目前全國比較大的太子參栽培產區有山東、安徽、江蘇、福建、貴州，其中以安徽宣城、福建柘榮、貴州施秉所產藥材占據太子參藥材商品市場的主流。

太子參因藥性溫和，可藥食兩用，向保健食品、化妝品發展的趨勢也在加強。以貴州為例，隨著近五年來太子參藥材商品價格的不斷攀升，十余個縣市行政區擬以發展太子參藥材種植作為推動地方經濟發展的手段之一。而作者前期在分析太子參資源現狀、生物學特性，探討藥材品質變化的因素中，發現太子參在生產種植上缺乏合理布局，受人為主觀因素影響較大，再加上太子參存在連作障礙，每年都面臨重新選地和產區擴大等問題。而已有的研究報道顯示，各地栽培太子參藥材中的有些次生代謝產物含量差異顯著[2]。因此，依據藥材治療功效，在明確品質特征基礎上，選擇合理的生產種植區域，方能有效保證太子參栽培藥材的產量和質量。

生態適宜性區劃是基于中藥資源和生態環境因子，對中藥資源的空間分異規律進行的區域劃分，可為中藥材科學選址和適宜性種植提供參考。現代藥理研究已證明，太子參多糖具有抗應激、抗疲勞、增強免疫力的功效[3]，這與太子參藥材益氣健脾、補氣生津的功效是相一致的，而有學者研究發現不同栽培產區太子參藥材中的多糖含量差異并不明顯[4]，同時，還發現太子參藥材外觀越飽滿的塊根中多糖含量越高[5]，符合市場對太子參藥材商品等級劃分的要求，可作為太子參藥材內外品質的評價指標。鑒于目前太子參在生產布局方面存在的問題及生態適宜性區劃研究方法的日漸成熟，本文以太子參藥材目前的適宜產區為基礎，運用ArcGIS和Maxent模型，以氣候因子、土壤因子、地形因子和植被類型數據為研究基礎，篩選出太子參多糖含量較高的產區，進行生態適宜性區劃，實現既能保證太子參藥材質量又能滿足適宜種植生長的區劃指導。

1材料與方法

1.1樣品材料

2013年7—8月太子參藥材采收期，于山東、福建、安徽、江蘇、貴州共5個太子參栽培地區進行實地采樣。在福建采集樣品13份，江蘇采集樣品3份，安徽采集樣品10份，貴州采集樣品16份，山東采集樣品4份，用于生態適宜區劃分析的樣品共計46份。

1.2環境因子數據選取

本研究所用環境因子數據庫為《中藥資源空間信息網格數據庫》，由中國中醫科學院中藥資源中心道地藥材國家重點實驗室提供。各環境因子的選取主要是依據對太子參藥材產量和質量有重要影響的環境因子。

太子參喜溫暖濕潤氣候，怕高溫，抗寒力強，忌強光，有低溫發芽、越冬的特性，在-20 ℃也可安全越冬。在選擇區劃因子時可選取極端溫度如最暖季平均溫、最冷季平均溫等指標。太子參喜陰濕環境，氣候的濕潤度和光照強度也是影響太子參生長的重要因素[6]。地形因子和土壤因子與太子參的生產種植息息相關，對于科學選址具有重要意義[7-8]。此外，王曉鵬等人研究發現太子參群落物種多樣性與太子參的生態環境及其生物學特性直接相關[9]。故本文選取了溫度、降水、日照等共17個生態因子。

因此，本文綜合考慮太子參適宜種植區域和藥材質量，選取了氣候因子、土壤因子、地形因子及植被類型4個方面的環境因子數據用于全國太子參生態適宜性區劃分析。其中，氣候因子數據是根據1950—2000年間的氣象觀測數據插值而成(分辨率1km),包括氣溫、降水等共16個氣候因子。土壤因子數據根據第二次全國土地調查提供的《1∶100萬中華人民共和國土壤圖》(1995年編制)制成，土壤分類系統為FAO- 90，主要包括土壤類型、土壤pH值、土壤含沙量、土壤含粘土量、土壤陽離子交換能力、土壤有效含水量等級、有機碳含量。地形因子數據包括高程、坡度、坡向，此外還有植被類型數據。

1.3太子參多糖含量測定[4]

1.3.1儀器與試劑

GBCCintra20紫外分光光度計(澳大利亞照生公司)。無水葡萄糖標準品(中國藥品生物制品檢定所，批號：110833—201205)；濃硫酸、苯酚、乙醇均為分析純。

1.3.2對照品溶液制備

精密稱取干燥至恒重的葡萄糖對照品15.07mg于25mL的量瓶中，用水定容，即得質量濃度為602.8μg/mL的對照品溶液。

1.3.3供試品溶液的制備

取本品粗粉約0.1g，精密稱定，置100mL圓底燒瓶中，加80%乙醇70mL，置水浴中加熱回流30min，趁熱濾過，將殘渣及濾紙置燒瓶中，加水80mL，置90℃水浴中熱浸1h，趁熱濾過，殘渣用熱水洗滌3次，每次5mL，洗液并入濾液，放冷，轉移至100mL量瓶中，加水至刻度，搖勻，精密量取20mL，轉移至50mL量瓶中，加水至刻度，搖勻，即得供試品溶液。

1.3.4多糖的含量測定

精密量取上述對照品和供試品溶液各2.0mL，分別置25mL試管中，精密加入4%苯酚溶液1mL，混勻，迅速滴加濃硫酸各5mL，搖勻，放置室溫。于487nm處測定，共測太子參樣品46份。

1.4區劃分析方法

本研究首先46份采樣地的多糖進行聚類分析，篩選得到多糖含量較高的產地，再對篩選到的采樣地利用空間信息分析技術(ArcGIS)對全國栽培太子參進行空間數據分析，并結合最大信息熵模型(Maxent)進行適生區域的模擬。

2結果與分析

各采樣地太子參經緯度及多糖含量信息見表1。

表1　不同采樣地太子參樣品信息

2.1基于多糖的太子參采樣點篩選

圖1　太子參多糖含量聚類分析Fig.1　Cluster analysis of polysaccharide content

圖2　不同省區太子參多糖含量比較Fig.2　Polysaccharide comparision in different provinces

聚類分析結果顯示，當聚類距離為5時，46個樣地的多糖含量聚為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4類，其中Ⅳ類的23(安徽宣城黃渡鄉)和40(貴州余慶)樣地的多糖含量最低，可篩掉這一類；Ⅲ類中的21(安徽六安市)、27(貴州施秉新紅村)和31(貴州施秉下翁哨村)樣地的多糖含量最高，可保留；其余兩類樣地又可分為①、②、③、④，依據多糖含量高低，②這一類的多糖含量最高，而①和④的多糖含量均在31%左右，綜合考慮到不同產區樣地代表性和多糖含量，故篩掉多糖含量低的③類中的17(安徽霍山縣古橋畈村1)、41(貴州施秉甘溪鄉)等10個樣地，最后篩選得到的樣地共計34個(表2)。對34個產地不同省區多糖比較可以看出(圖2)，5個省區的太子參多糖含量差異不大，均在31%—32%左右，且以貴州省的多糖含量最高(32.94%)，山東省的最低(31.44%)。34個產地的太子參藥材質量均差異性不大(5.91%)，可以看作全國太子參的代表性產區。因此，將34個太子參藥材質量較好的采樣點進行數據處理及格式轉換，用于太子參的生態適宜性區劃分析。

2.2環境因子指標的篩選

本研究共選取了27個環境因子指標。基于篩選得到的34個采樣點信息，通過Maxent模型第一次運算后，得到各環境因子的貢獻率(表3)。貢獻率的大小代表各環境因子對模型模擬結果的重要性。從表3可以看出，最干月降水量指標貢獻率最大，達到65.8%，這表明干旱對太子參長勢和質量影響較大。貢獻率大小進行篩選，得到最干月降水量、土壤類型、年平均氣溫、坡向、等溫性、最暖季降水量、植被類型、最暖季平均溫、最濕季降水量共9個環境指標，用于下一步的數據分析。

將篩選得到的9個環境因子指標進行第二次模型分析預測，得到全國太子參生態適宜性區劃分析結果，利用ArcMap中的自然區間分類法將模型計算得到的生境適宜度進行聚類分析，分為最適宜區、適宜區和不適宜區(圖3)。由圖中可知，綠色區域代表不適宜太子參種植，紅色區域則最適宜太子參種植。因此，太子參適宜種植區主要集中在東南部，其中最適宜區主要集中在貴州省大部分，重慶與湖南、湖北接壤處，河南南部，安徽西部，江蘇中部，福建東北部以及浙江部分區域。

根據Maxent模型分析，得到9個環境因子對太子參分布影響的重要性(表4)，最干月降水量對太子參區劃的影響最大，貢獻率達68.4%，植被類型和最濕季降水量的貢獻率最小，僅為1.7%。按照貢獻率從大到小的順序以及貢獻率差值大小，選取最干月降水量、土壤類型、最暖季平均溫、等溫性這4個指標進一步分析研究。

表2　34個采樣點太子參多糖及環境因子信息

表3　各環境因子貢獻率大小

圖3　栽培太子參生態適宜種植區分布圖Fig.3　 Ecological suitable planting regions of P. heterophylla

編號Number變量Variable貢獻率/%Contributionrate編號Number變量Variable貢獻率/%Contributionrate1最干月降水量68.46年平均氣溫2.92土壤類型9.77最暖季降水量2.43最暖季平均溫6.08植被類型1.74等溫性4.09最濕季降水量1.75坡向3.2

2.3太子參適宜生境的篩選

通過Maxent模型分析，得到不同環境因子對太子參存在概率的響應曲線，各環境因子對太子參栽培種植的影響程度各不相同，其中縱坐標越大，代表環境因子范圍越適宜太子參種植，存在的概率也就越大。本研究選取對太子參分布影響較大的最干月降水量、土壤類型、最暖季平均溫、等溫性4個環境因子進行單一指標的生境適宜度分析，篩選最佳適宜生境范圍(圖4—圖7)。

圖4　最干月降水量響應曲線Fig.4　Driest month precipitation response curve

圖5　土壤類型響應曲線Fig.5　Soil response curve

圖6　最暖季平均溫響應曲線Fig.6　The warm-season average temperature response curve

圖7　等溫性的響應曲線Fig.7　Isothermal response curve

最干月降水量是決定太子參分布的重要影響因素，根據最干月降水量響應曲線，得到最干月降水量的最適宜范圍為20—60mm。依據相同方法對其他6個環境因子進行分析，得到最適宜太子參生長的土壤類型代碼為20(不飽和薄層土)、65(飽和粘磬土即黃棕壤)、74(深色淋溶土即黃壤)、126(黃紅壤)；最暖季平均溫為21.5—30.5°C；等溫性為晝夜溫差月均值與年均溫變化范圍的百分比，其值在18%—35%。通過上面環境因子范圍劃分后，得到了太子參最適宜的生境條件，可在人工調控下指導種植。

2.4適宜性區劃結果的評價分析

圖8　Maxent模型模擬的ROC變化曲線Fig.8　The curve of ROC for Maxent model simulations

ROC曲線分析方法在物種潛在分布模型的評價中應用較為廣泛[10]。ROC曲線下的面積為AUC值，取值在0.5—1.0之間。AUC值越大表示環境變量與預測的物種地理分布模型之間的相關性越大，即模型的預測效果越好。一般，AUC值在0.9—1.0范圍內，表示預測效果極好；0.8—0.9表示預測效果好，0.7—0.8表示效果一般，而0.7以下的則模型預測的效果較差[11]。由圖8可知，訓練集的AUC值為0.993，測試集的AUC值為0.975，說明本研究所得的栽培太子參生態適宜種植區劃分析結果是準確的，可為太子參的生產布局提供一定的理論依據。

2.5生境適宜度及環境因子與化學成分的相關性分析

通過區劃分析及數據的提取，得到全國各采樣點的太子參生境適宜度。結果顯示，不同采樣點太子參生境適宜度差異較大，其中安徽六安舒城縣馬河口鎮楊家村的樣品生境適宜度最大，為87.3114%，其多糖含量為31.13%；江蘇鎮江丹徒高資鎮的太子參樣品生境適宜度最小，僅為7.9118%，但其多糖含量較高，達33.42%。通過ArcMap提取了34個采樣點的最濕季降水量、最暖季降水量、最暖季平均溫、最干月降水量及年平均氣溫5個對太子參生長貢獻率較大的連續型氣候因子數據。相關分析結果顯示，生境適宜度與5個氣候因子均無顯著相關性(P>0.05)，且多糖也與其他指標無顯著相關性(P>0.05)。說明太子參多糖這一指標與環境因子的相關性不明顯，不是環境主導型的化學成分指標。

3討論與結論

在生態適宜區劃研究中，生態位理論的模型已有較多應用，其原理主要是利用已有的物種分布資料和生態數據產生以生態位為基礎的物種生態需求，探索物種已知分布區的環境特征與潛在分布區域的非隨機關系。曹向峰等[12]采用GARP、Maxent、ENFA、Bioclim和Domain5個模型預測黃頂菊的潛在分布區，結果Maxent模型的模擬精度最好。同時，Maxent模型也是目前區劃研究中應用較多的信息熵模型。因此，本研究選用Maxent模型對全國太子參進行生態適宜區劃，由ROC曲線得到的AUC預測值均達到0.9，驗證該模型是可靠、準確的，且結果具有較高的可信度。

通過對環境指標的優選并結合生產實際，得到太子參優生生長環境：最適宜的最干月降水量為20—60mm；土壤類型為不飽和薄層土(DystricLeptosols)、飽和粘磬土即黃棕壤(EutricPlanosols)、深色淋溶土即黃壤(ChromicLuvisols)、黃紅壤(FerricAlisols)；最暖季平均溫為215—305mm最適宜太子參生長；等溫性(晝夜溫差月均值與年均溫變化范圍的百分比)為18%—35%。

傳統的中藥材市場是以外觀品質作為定價依據，已有的研究表明多糖含量的高低可間接反映藥材品質的好壞[13- 14]。因此，基于太子參多糖指標進行生態適宜區劃，在驗證基于環境因子區劃結果準確性的同時，可達到既滿足適宜種植生長又保證藥材質量的目的。從本文分析結果來看，太子參最適宜的種植區主要有：貴州省黔東南州的雷山縣、施秉縣、黃平縣、凱里市、麻江縣、丹寨縣，黔南州的福泉市、都勻市、龍里縣、貴定縣、甕安縣、平塘縣東部，貴陽市清鎮市、修文縣、息烽縣、開陽縣，畢節黔西縣、金沙縣，遵義市匯川區、紅花崗區、遵義縣、仁懷市東南部、湄潭縣、桐梓縣中部，銅仁松桃縣。重慶市黔江區、酉陽縣、彭水縣。四川省樂山市馬邊縣，眉山市樂壽縣，成都市崇州市、雙流縣。湖南省常德市石門縣，張家界市桑植縣，湘西州龍山縣、花垣縣。

*在95%的置信度下相關性顯著；**在99%的置信度下相關性顯著

河南省南陽市桐柏縣，駐馬店市泌陽縣，信陽市平橋區、潢川縣、固始縣。安徽省六安市，宣城市宣州區、廣德縣、涇縣，黃山市黃山區。江蘇省鎮江市句容縣，南京市江寧區，南通市海安縣、如皋縣，泰州市興化縣、泰興市、姜堰市，鹽城市鹽都區。浙江省湖州市長興縣、安吉縣，杭州市蕭山區，紹興市新昌縣，臺州市天臺縣。福建省寧德市福鼎市、福安市、壽寧縣、柘榮縣、霞浦縣、蕉城區、屏南區，福州市晉安區、羅源縣、連江縣、閩侯縣、永泰縣，南平市建甌市、政和縣、蒲城縣，泉州市德化縣，龍巖市連城縣東部。江西省贛州市崇義縣，郴州市桂東縣中西部。此外，山東臨沂市和臺灣桃園縣、花蓮縣等地區也適宜種植。

中藥材質量優劣不僅與生物因素有關，環境因素也是影響其品質好壞的重要方面。藥材的產地環境與藥材的質量和產量密切相關。現今太子參的栽培主產區也是經過對環境的長期適應而逐漸形成的。已有較多關于中藥材質量與環境的相關分析報道，均表明環境條件對于藥材質量的重要性[15- 17]。生境適宜度的高低可間接反映栽培太子參適宜生長種植的情況，已作為評價生態適宜區種植好壞的重要指標，對指導太子參的科學選址具有重要意義。相關性分析表明，生境適宜度和多糖含量與最濕季降水量、最暖季降水量、最暖季平均溫、最干月降水量及年平均氣溫等5個環境因子相關性不明顯，可推測出生境適宜度并不受單一因素影響，而是多因素綜合作用的結果，同時還可得出多糖并不是環境主導型的藥效成分。此外，尋找環境主導型的太子參藥材藥效組分，對于合理區劃生態布局、科學種植及嘗試藥材定向培育具有重要指導意義。

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Ecological suitability and regionalization ofPseudostellariaheterophylla(Miq.)Pax ex Pax et Hoffm. in China

KANG Chuanzhi1, ZHOU Tao1,*, GUO Lanping2, HUANG Luqi2, ZHU Shoudong2, XIAO Chenghong1

1 Guiyang College of Traditional Chinese Medicine, Guiyang 550002, China 2 State Key Laboratory of Dao-di herbs, National Resources Center for Chinese Materia Medica, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100700, China

Abstract：In this study of the medicinal plant, Pseudostellaria heterophylla, we obtained the national ecological factors, such as terrain factors, soil factors, and climatic factors, from Chinese medicine resources geospatial grid information database. An additional 46 samples and their distribution information were obtained through field investigation. We used cluster analysis to filter high polysaccharide contents in samples by using the ArcGIS and Maxent model for ecologically suitable planting and growth of P. heterophylla. Correlation analysis of polysaccharides and five climatic factors (wet season, warmest rain, warmest average temperature, driest month, and annual average temperature) were analyzed by SPSS. The following results are presented in this study. We screened sample plots down from 46 to 34 based on polysaccharide content. The models produced accurate forecasts, which were tested by the ROC curve (AUC > 0.9). Driest month precipitation (contribution rate, 68.4%), soil types (9.7%), warm-season average temperature (6.0%), and isothermality (4.0%) were the most important ecological factors influencing the distribution of polysaccharides in cultivated P. heterophylla. When comparing the three factors noted above (terrain, soil, and climatic), soil factors and climatic factors are more influential on the growth of cultivated P. heterophylla with respect to the distribution of polysaccharides. The environmental variables in the areas with the highest potential for cultivation were as follows: the driest month (between 20 and 60 mm of precipitation), the warmest average temperature (between 21.5 and 30.5°C), isothermality (between 18% and 35%), and soil types, such as Dystric Leptosols, Eutric Planosols, Chromic Luvisols, and Ferric Alisols. Correlation analysis revealed that polysaccharides and habitat suitability do not have a significant correlation with the wet season rainfall, warmest season precipitation, warm-season average temperature and precipitation, driest months, and annual mean temperature. It can be inferred that the production of polysaccharides is not dominated by the climatic factors. Regionalization analysis results showed that the most suitable areas for P. heterophylla planting are mainly distributed in the provinces of the middle and lower reaches of the Yangtze River area. Specifically, these areas include central Guizhou, which is bordered by Chongqing, Hunan, Hubei, southern Henan, western Anhui, central Jiangsu, northwestern Fujian, and northern and southeastern Zhejiang. These areas are within the Dao-di area, and are the main agricultural production areas. We used spatial analysis technology to select a suitable ecological area for P. heterophylla planting and provide information about a reasonable layout for its cultivation using climate, soil, and terrain characteristics. Finally, because the effects of polysaccharides and the positive supplementary effects of P. heterophylla roots are similar, we analyzed the content of polysaccharides as an indicator of high quality P. heterophylla using samples from five main producing areas in the country. We analyzed a wide range of material from a large sample size, and showed that reliable results can be obtained from samples within the Dao-di area. We also used new analysis methods to analysis our results. In this paper, the data covering ecological factors and degree of differentiation were highly accurate and offered more clarity than previous studies. Moreover, this study expands on research methods pertaining to the ecological suitability of regions for P. heterophylla cultivation and provides some new ideas and approaches on regional ecological zones and standardized cultivation of medicinal plants. Further, we have detailed useful information that will aid other medicinal plant research, especially endangered medicinal plant species.

Key Words:Pseudostellaria heterophylla(Miq.)Pax ex Pax et Hoffm.; Maxent model; polysaccharide; ecological factor; ecological regionalization

基金項目:國家自然科學基金項目(81460579)；中央本級重大增減支項目“名貴中藥資源可持續利用能力建設”(2060302)；貴州省研究生工作站建設項目(黔教研合JYSZ字[2014]016)；施秉中藥材產業科技合作專項計劃項目(施中藥科合專項(2014)第6號)

收稿日期:2014- 09- 23; 網絡出版日期:2015- 09- 28

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: taozhou88@163.com

DOI:10.5846/stxb201409231880

康傳志，周濤，郭蘭萍，黃璐琦，朱壽東，肖承鴻.全國栽培太子參生態適宜性區劃分析.生態學報,2016,36(10):2934- 2944.

Kang C Z, Zhou T, Guo L P, Huang L Q, Zhu S D, Xiao C H. Ecological suitability and regionalization ofPseudostellariaheterophylla(Miq.)Pax ex Pax et Hoffm. in China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(10):2934- 2944.