基于3S技術的羌活區(qū)劃研究Ⅱ.基于協(xié)同克里金插值的羌活品質適宜性分析及評價

孫洪兵　蔣舜媛　孫輝　周毅　朱文濤

[摘要]藥用植物經濟價值關注藥效物質為基礎的質量特征。很多藥材的道地產區(qū)與其生長適宜區(qū)并不重合，這使得基于生態(tài)適宜性的傳統(tǒng)區(qū)劃方法在中藥材生產實際應用中有很大局限。為解決藥材的高品質區(qū)域與高產量區(qū)域空間分離的問題，該研究以羌活藥材為例提出綜合藥材品質參數(shù)的中藥材區(qū)劃方法。該文在基于協(xié)同克里金，結合藥材品質空間差異，進行空間插值并進行空間疊加，得到羌活藥材品質適應性區(qū)劃圖，再對藥材品質與生長適宜性區(qū)劃圖進行空間疊加，構建優(yōu)質高產藥材區(qū)劃圖。結果顯示，協(xié)同克里金插值構建基于藥材品質數(shù)據(jù)的空間插值是可行的，理論值與實測值極顯著相關，為建立基于品質適宜性的藥材生產區(qū)劃方法提供了理論基礎；羌活藥材品質區(qū)劃顯示品質最適區(qū)主要分布在四川?。s占2942%），但品質適宜性與生態(tài)適宜性在空間分布上不完全吻合，顯示羌活藥材的品質適宜性與生態(tài)適宜性存在空間分布差異。研究結果有助于為生態(tài)適宜性和品質適宜性空間不重合藥用植物的優(yōu)質高產人工栽培的生產和區(qū)劃提供定量依據(jù)。

[關鍵詞]羌活； 藥材品質； 協(xié)同克里金插值； 品質適宜性

[Abstract]Quality characteristics based on active substance are focused for in the cultivation of traditional Chinese medicine（TCM） plants due to their economic values However， ecological and quality suitability are not always a coincidence， which makes traditional cultural regionalization for TCM cultivation based on ecological suitability have great limitations in practical applications A regionalization method integrated GIS and medicinal plants quality have been analyzed by using field quality data of Notopterygii Rhizoma et Radix as a case study Spatial interpolation based on medicine quality by Cokriging method is reasonable， and the predicted values of interpolation are correlated with measured values significantly， which shows that cultural regionalization for TCM cultivation based on spatial quality suitability is possible theoretically The results indicate that the most suitable areas for quality suitability were mainly distributed in Sichuan province （2942%）， while the spatial distribution of quality suitability and ecological suitability was not coincidence The cultivation regionalization of TCM plants based on quality suitability is helpful to high quality and quantity cultivation of those TCM plants which spatial distribution of geoherbalism and ecological suitability is separated

[Key words]Notopterygium incisum； quality； collocated Cokriging； quality suitability

農作物主要關注以糖、脂肪酸、蛋白質等初生代謝產物為特征的經濟指標，而藥用植物特別是中藥材更加注重以藥效物質為基礎的次生代謝產物，而有生物活性的次生代謝物質也是評價藥材品質的主要物質基礎。次生代謝化合物在植物特定部位的累積，是植物長期在逆境條件中適應及進化的結果[12]，使植物表現(xiàn)為特定次生代謝產物含量在一定的環(huán)境脅迫條件下隨著脅迫強度增加而升高[34]。在中藥材中表現(xiàn)為藥材的藥效組分含量在逆境條件閾值范圍內的正反饋效應[58]。就目前報道來看，一些植物的生長適宜性與高品質中心是重合的，同時也存在一些藥材需要在一定逆境下才能獲得較高的品質[57]，即道地產區(qū)與適宜分布區(qū)并非部分或者完全重合，甚至完全分離（道地產區(qū)位于分布區(qū)的邊緣）[8]。

對于高品質中心與分布密集中心重合的藥材品種，生產區(qū)劃可以采用基于生態(tài)適宜性的傳統(tǒng)區(qū)劃方法實現(xiàn)；對于道地中心與生長適宜中心分離的藥材，定量區(qū)劃還需要考慮藥材質量的環(huán)境要素適宜度問題。在中藥材常規(guī)區(qū)劃中，通常是篩選植物生態(tài)適宜性指標結合GIS進行藥材的生態(tài)適宜度進行區(qū)劃分析。這種方法可較好地解決產量問題，但實際上是屬于藥用植物的生長適宜性區(qū)劃范疇[9]。在人工栽培下藥材品質更加重要，因此提出了藥材的品質適宜性以及基于此的藥材品質適宜性區(qū)劃。所謂藥材品質適宜性（quality suitability），是指形成藥材優(yōu)良品質的各種環(huán)境條件的適合度；品質適宜性區(qū)劃，就是在基于藥材品質形成的環(huán)境要素的綜合評價的基礎上，結合GIS等信息平臺系統(tǒng)進行中藥材生產區(qū)劃的方法，是基于藥材品質適宜性生產不同質量藥材的區(qū)劃[9]。該方法是優(yōu)先解決藥材的品質的前提下，兼顧生長適宜性進行的綜合生產區(qū)劃的重要組成部分，以更加適宜中藥材優(yōu)質高效藥材的人工種植和產業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。

羌活Notopterygium incisum Ting ex H T Chang為傘形科羌活屬多年生藥用植物[10]，是傳統(tǒng)中藏羌醫(yī)藥體系常用大宗藥材羌活Notopterygii Rhizoma et Radix最重要基原植物。羌活野生分布主要在青藏高原東南緣海拔2 800～4 500 m的高山灌叢、灌叢草地以及高山林緣地[1112]。人工栽培實驗顯示羌活在峨眉山1 700～2 000 m陰濕山林地生長良好，從生長適宜性角度來看，遠較高海拔地帶生長時間長產量高。但傳統(tǒng)上認為，海拔3 000～4 000 m的羌活藥材，品質和品相最好；2015年版《中國藥典》規(guī)定羌活中指標成分為羌活醇與異歐前胡素，且兩者總量不得少于04%[13]，海拔梯度栽培實驗分析顯示，有效成分含量在低海拔栽培的羌活藥材中含量很低，一定范圍內隨著海拔升高而升高（2 500～3 700 m），而產量隨著海拔的升高而降低，表現(xiàn)出典型的高品質與高產量分離[14]。本文以羌活藥材為例，闡明中藥材品質適宜性區(qū)劃的基本思路，即在保證藥材質量前提下，實現(xiàn)產量與質量之間的平衡與結合，也為解決這類藥材優(yōu)質高產區(qū)劃提供新的思路。

1材料

11羌活藥材樣品的藥材質量數(shù)據(jù)野生羌活樣品于2013年8月下旬至9月中旬和2014年8月下旬至9月中旬期間采自四川、甘肅、青海、西藏等省區(qū)，每個采樣點不少于5株，共采集38個采樣點，217份樣本。經四川省中醫(yī)藥科學院蔣舜媛研究員和周毅副研究員鑒定為傘形科植物羌活N incisum（憑證標本保存于四川省中醫(yī)藥科學院）。樣品按單株陰干粉碎，過30目篩，利用超高效液相色譜法（UPLCPDA）測定各有樣品中的羌活醇（notopterol）、異歐前胡素（isoimperatorin），按2015年《中國藥典》規(guī)定的羌活定量檢測指標計算羌活醇與異歐前胡素含量[13]。

12羌活藥材樣品的GPS數(shù)據(jù)采樣點定位信息經由GPS實地獲得，生態(tài)因子數(shù)據(jù)來源于“中藥資源空間信息網格數(shù)據(jù)庫”（http：//wwwtcmresourcescom/），并經ArcGIS100軟件進行圖層篩選得到32個采樣點。

13地圖數(shù)據(jù)地圖數(shù)據(jù)下載于國家基礎地理信息系統(tǒng)網（http：//nfgisnsdigovcn/），分辨率為1∶400萬。

2方法

21羌活藥材質量數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗利用SPSS 200對32個不同產地的藥材指標成分羌活醇和異歐前胡素含量數(shù)據(jù)進行單樣本KS正態(tài)性檢驗分析，分析樣本數(shù)據(jù)是否滿足空間插值的前提條件，若樣本不符合正態(tài)性，需對數(shù)據(jù)進行正態(tài)性轉換（對數(shù)法或BoxCox法等），然后對符合正態(tài)性的數(shù)據(jù)進行下一步的插值分析。

22羌活品質空間插值輔助數(shù)據(jù)篩選采用Spearman相關系數(shù)對不同產地藥材的藥典指標含量數(shù)據(jù)和對應的位點信息（經度、緯度、海拔等）進行相關性分析，篩選相關性顯著的數(shù)據(jù)作為空間插值分析的解釋變量，并對變量進行空間自相關分析，為插值模型的選取做前期數(shù)據(jù)準備。

23羌活品質空間插值分析方法建立依據(jù)空間插值數(shù)據(jù)的屬性，合理采用反距離權重法（inverse distance weighting method，IDW）、徑向基函數(shù)法（radial basis function method，RBF）、普通克里金法（ordinary Kriging，OK）和協(xié)同克里金法（collocated Cokriging，CC）4種插值方法對進行羌活醇與異歐前胡素含量進行空間插值，4種插值方法的優(yōu)缺點和應用條件見表1。在此基礎上，篩選最佳插值方法分別對羌活醇與異歐前胡素含量進行插值分析；并將所得的羌活醇和異歐前胡素的插值數(shù)據(jù)，空間疊加到羌活品質預測矢量分布數(shù)據(jù)，與其樣品藥材質量的實測數(shù)據(jù)進行對比，建立藥材品質預測數(shù)據(jù)矯正模型。

24羌活產地的品質適宜性分析與適宜性區(qū)劃利用ArcGIS 100中的柵格計算器將羌活醇與異歐前胡素的空間分布柵格圖空間加合計算，得到藥材品質適宜性分布圖，并進行分析和評價。

3結果與分析

31藥材品質數(shù)據(jù)的空間插值合理性分析及空間插值輔助因子篩選羌活醇和異歐前胡素含量的單樣本KS檢驗的漸進顯著性檢驗結果表明該數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。進行QQ圖分析結果也顯示樣本的2種指標性化學成分含量數(shù)據(jù)的正態(tài)性較好，表明羌活醇和異歐前胡素含量數(shù)據(jù)分布比較均勻，見圖1。借助Arcgis空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計工具，采用Moran I系數(shù)法衡量研究區(qū)域內羌活醇和異歐前胡素含量空間自相關水平，羌活醇的Moran I指數(shù)為007，且P=014，Z=147；異歐前胡素的Moran I指數(shù)為032，且P=000，Z=517，表明在研究區(qū)內羌活醇和異歐前胡素含量各自在空間上表現(xiàn)為聚集狀態(tài)，均呈正相關。綜合以上因素，羌活醇和異歐前胡素含量可以進行克里金空間插值分析。

通過Spearman相關性系數(shù)對32個樣本的生態(tài)因子與化學成分含量數(shù)據(jù)的相關性分析，依據(jù)分析結果[9]，對羌活醇含量進行克里金空間插值分析時，選取坡度、4月份降水量為解釋變量，選取4月份降水量和10月份降水量為解釋變量對異歐前胡素含量進行克里金空間插值分析。

32不同空間插值方法的適用性分析采用不同插值方法對樣本的羌活醇含量及輔助插值因子進行空間插值分析結果見圖2。其中，反距離權重法、徑向基函數(shù)法、普通克里金法受采樣點的影響較大，徑向基函數(shù)法預測分布圖的平滑度不夠好，普通克里金法預測結果與實際偏差較大，協(xié)同克里金法預測效果與實際情況相比似乎相對較為合理。

對這4種插值方法的誤差進行定量統(tǒng)計分析，結果見表2。其中，協(xié)同克里金法插值需結合相關插值輔助數(shù)據(jù)，通過對插值結果的比較評價，可篩選出較為合理且準確的最佳化學成分插值分析方法，用于后續(xù)指標成分含量的空間特征預測；同時，該方法平均誤差與均方根誤差比另外3種插值方法低。結合插值圖效果，最終選取協(xié)同克里格插值法進行羌活藥材的指標成分的空間插值分析。

因此，利用協(xié)同Kriging空間插值法分別對羌活醇與異歐前胡素含量進行空間插值，并以川、甘、青、藏和滇五省行政區(qū)為掩膜，對插值后的柵格文件進行提取，以雙線性法進行重采樣和分類處理，繪制羌活藥材羌活醇與異歐前胡素含量空間分布模式分布圖，見圖3。

從圖3中可以看出，羌活醇與異歐前胡素空間預測含量分布均可以劃分3個區(qū)段：高含量區(qū)段、中含量區(qū)段和低含量區(qū)段。羌活醇高含量區(qū)段主要分布在四川省的阿壩州和甘孜州，中含量區(qū)段分布主要在青海省境內，低度含量區(qū)段分布在甘肅隴南地區(qū)、西藏昌都以及川、青和藏三省交界處；異歐前胡素高度含量區(qū)段分布在甘肅隴南地區(qū)，中含量區(qū)段多分布在青海省境內，低含量區(qū)段則集中分布四川的阿壩州和甘孜州以及西藏省的昌都地區(qū)。歷史上以產自甘肅、青海及西藏等地的羌活稱之為西羌，產自四川阿壩、甘孜等地的羌活為川羌，且以出自四川的羌活（川羌）品質較佳。

33羌活藥材的品質區(qū)劃的插值分析利用ArcGIS軟件中柵格計算器，對羌活藥材的藥典指標成分羌活醇與異歐前胡素含量的空間插值數(shù)據(jù)進行加合處理，得到羌活品質的空間網格數(shù)據(jù)。按屬性值從羌活生長適宜性網格數(shù)據(jù)[9]中提取羌活適宜分布區(qū)范圍（生境適宜度值[9]在83以上的區(qū)域），以提取后的數(shù)據(jù)為掩膜，借助ArcGIS軟件提取羌活適生范圍內的品質適宜性網格數(shù)據(jù)，并繪制羌活品質適宜性的空間分布圖，見圖4。

4討論

41空間插值法的適用范圍問題空間插值是地統(tǒng)計學空間分析的重要功能，用于將離散點測量數(shù)據(jù)轉換為連續(xù)數(shù)據(jù)曲面，以便與其他空間現(xiàn)象分布模式比較，通過已知點數(shù)據(jù)推求同一區(qū)域未知點數(shù)據(jù)（內插法），或推求其它區(qū)域數(shù)據(jù)（外插法）?？臻g插值法廣泛用于區(qū)域氣候[15]、降水等變化趨勢預測[16]、農作物產量估算[17]以及地球化學成分研究等[1820]領域。野生藥材品質是以藥效物質為基礎的次生代謝產物，積累及含量變化受環(huán)境影響，而環(huán)境因素（如降水、氣溫及光照等）的地域差異較大[2122]，因而野生藥材品質（化學成分）如同地球化學成分一樣在空間上具有一定分布模式，利用此分布模式進行空間插值處理，實現(xiàn)藥材品質（或其他次生代謝產物含量）空間量化，在此基礎上結合空間環(huán)境因子對影響藥材品質的環(huán)境因素進行空間量化。如果對篩選后的影響藥材品質的環(huán)境因子進一步開展微觀研究，即可實現(xiàn)藥材品質（特定次生產物或成分）研究的宏觀與微觀結合，為中藥材的栽培馴化和優(yōu)質高產提供理論研究的新思路。

42藥材品質區(qū)劃與生長區(qū)劃的差異通過對比羌活藥材生長適宜性區(qū)劃[9]和本文所做的羌活藥材的品質適宜性區(qū)劃所得的結果，可以發(fā)現(xiàn)羌活藥材的品質適宜性與生長適宜性的最適區(qū)域在大尺度上是比較一致的，但是在小區(qū)域內并不吻合，而且次適宜區(qū)和不適宜區(qū)偏離更大。因此，單純以藥材生態(tài)適宜性進行生產區(qū)劃存有誤區(qū)，可能導致藥材品質可能不是最佳的區(qū)域。為保障藥材質優(yōu)高產條件下進行人工栽培，需要在藥材品質達標的前提下，再進一步結合生態(tài)適宜性區(qū)劃以保證經濟產量。

5結論

本文以羌活藥材的品質指標（羌活醇與異歐前胡素總量）為例，研究了建立基于藥材品質的空間插值方法和構建基于品質的藥材生產區(qū)劃的可行性，得到結論如下：①對羌活藥材特定化學成分的空間插值方法及空間插值輔助因子的研究，顯示協(xié)同克里金插值是構建基于藥材品質數(shù)據(jù)的空間插值，并且具有可行性，為建立基于藥材品質適宜性的藥材生產區(qū)劃方法提供了理論基礎。②基于協(xié)同克里金插值進行羌活藥材品質的空間分布，其理論值與實測值證實了這種方法在實踐中也是可靠的。③羌活藥材品質區(qū)劃顯示，羌活藥材的品質最適區(qū)主要分布在四川?。?9%），品質次適宜區(qū)也主要在四川?。?2%），但是品質適宜性與生態(tài)適宜性在空間分布不同尺度上的吻合度不同，顯示了羌活藥材的品質適宜性與生態(tài)適宜性存在空間分布差異。

[注]本文地圖插圖審圖號：GS（2017）2128號。

[參考文獻]

[1]Chapin III F S， Autumn K， Pugnaire F Evolution of suites of traits in response to environmental stress[J] Am Nat， 1993，142： S78

[2]Gershenzon J Changes in the levels of plant secondary metabolites under water and nutrient stress[M]// Timmermann B N， Steelink C， Loewus F A Phytochemical adaptations to stress US：Springer， 1984： 273

[3]Zobayed S M A， Afreen F， Kozai T Temperature stress can alter the photosynthetic efficiency and secondary metabolite concentrations in St John′s wort[J] Plant Physiol Biochem， 2005， 43（10）： 977

[4]Bourgaud F， Gravot A， Milesi S， et al Production of plant secondary metabolites： a historical perspective[J] Plant Sci， 2001， 161（5）： 839

[5]田桂香， 湯紹虎 干旱脅迫對黃連生理作用的影響[J]西南師范大學學報：自然科學版， 2006， 31（2）：133

[6]柯用春， 周凌云， 徐迎春， 等 土壤水分對金銀花總綠原酸含量的影響[J]中國中藥雜志， 2005， 30（15）：1201

[7]李霞， 王洋， 閻秀峰 水分脅迫對黃檗幼苗三種生物堿含量的影響[J]生態(tài)學報， 2007， 27（1）：58

[8]郭蘭萍， 黃璐琦， 閻洪， 等 基于地理信息系統(tǒng)的蒼術道地藥材氣候生態(tài)特征研究[J] 中國中藥雜志， 2005， 30（8）： 565

[9]孫洪兵， 孫輝， 蔣舜媛， 等 基于3G技術的羌活區(qū)劃研究I 基于MaxEnt和ArcGIS的羌活生長適宜性分析及評價[J]. 中國中藥雜志， 2015， 40（5）： 33

[10]溥發(fā)鼎， 王萍莉， 鄭中華， 等 重訂羌活屬的分類[J]植物分類學報，2000，38（5）：430

[11]蔣舜媛， 孫輝， 周毅， 等 羌活和寬葉羌活的環(huán)境土壤學研究[J] 中草藥， 2005， 36（6）： 917

[12]孫輝， 蔣舜媛， 周毅， 等 藥用植物羌活現(xiàn)狀及其民族植物學調查[J] 世界科技研究與發(fā)展， 2004， 26（6）： 42

[13]中國藥典 一部[S] 2010：170

[14]張艷俠 滇虎榛子和寬葉羌活的化學成分研究[D] 成都：中國科學院成都生物研究所， 2012

[15]何紅艷， 郭志華， 肖文發(fā) 降水空間插值技術的研究進展[J] 生態(tài)學雜志， 2005， 24（10）： 1187

[16]岳文澤， 徐建華， 徐麗華 基于地統(tǒng)計方法的氣候要素空間插值研究[J] 高原氣象， 2005， 24（6）： 974

[17]張淑娟 基于GPS和GIS的精細農業(yè)田間信息采集和處理方法的研究[D] 杭州：浙江大學， 2003

[18]李曉暉， 袁峰， 賈蔡， 等 基于多維分形模型與指示克里格方法的地球化學異常識別研究[J] 地理與地理信息科學， 2011 （6）： 23

[19]葛躍進 地球化學數(shù)據(jù)插值方法比較[D] 石家莊：石家莊經濟學院， 2011

[20]龔鵬 地球化學礦致異常空間分析與定量評價[D] 北京：中國地質大學， 2014

[21]銀玲， 彭月， 劉榮， 等 產地生態(tài)環(huán)境要素與中藥品質相關性研究[J] 中藥與臨床， 2012， 3（6）： 9

[22]黃璐琦， 郭蘭萍 環(huán)境脅迫下次生代謝產物的積累及道地藥材的形成[J] 中國中藥雜志， 2007， 32（4）： 277

[責任編輯呂冬梅]