中藥大黃生境適宜性分布研究△

趙文龍，景志賢，張娟，陳紅剛，杜弢，康生福，晉玲*

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.中國中醫(yī)科學(xué)院 中藥資源中心 道地藥材國家重點實驗室培育基地，北京 100700；3.甘南百草生物科技開發(fā)有限公司，甘肅 合作 747000

中藥大黃為蓼科植物唐古特大黃RheumtanguticumMaxim.ex Balf.、藥用大黃R.officinaleBaill.或掌葉大黃R.palmatumL.的干燥根莖，性寒，味苦，有瀉火通便、活血祛瘀、利膽退黃之功效[1-3]。大黃在全球范圍應(yīng)用廣泛，目前共有19個國家的法定藥典將大黃定為可用藥物[4]，因此有著巨大的市場需求。目前，中藥大黃相關(guān)研究主要集中在化學(xué)成分、指紋圖譜和品質(zhì)影響因素等方面[5-7]，對其資源分布和生境特點的研究報道較少，導(dǎo)致種植選址和區(qū)劃布局工作相對滯后。作為中藥資源合理開發(fā)利用的重要依據(jù)和基礎(chǔ)，中藥區(qū)劃研究結(jié)果不僅能因地制宜地指導(dǎo)中藥材資源開發(fā)與生產(chǎn)[8]，還可為制定中藥資源的保護和開發(fā)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)[9]。

最大熵理論提出在已知條件下，熵最大的事物最接近其真實狀態(tài)[10]，以此構(gòu)建的最大熵(MaxEnt)模型可用于預(yù)測物種潛在分布及適宜生境范圍[11]。近年來，國內(nèi)一些學(xué)者陸續(xù)使用該模型開展物種分布研究，且部分研究證實，MaxEnt 模型結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)在預(yù)測藥用植物生境適宜性方面效果較好[12-18]。

本研究對全國中藥大黃3種基原植物的歷史記錄和實地調(diào)查數(shù)據(jù)進行整理，基于MaxEnt模型和GIS技術(shù)，對大黃適宜生境地理分布開展研究，為大黃合理種植區(qū)域的選址提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 環(huán)境及氣候數(shù)據(jù)

本研究中的氣候數(shù)據(jù)是將1950—2000年全國范圍地面標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測站常規(guī)氣象觀測值(降水、溫度和日照等)進行變換得到不同類型的氣候指標(biāo)；環(huán)境數(shù)據(jù)中的土壤類型數(shù)據(jù)是根據(jù)全國1∶100萬土壤類型圖制成；植被覆蓋類型源自全國1∶100萬植被類型圖中的植被亞類，全部55個環(huán)境氣候因子數(shù)據(jù)均被插值為1 km×1 km空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)。

1.2 藥材生境分布數(shù)據(jù)

中藥大黃3種基原植物的地理分布數(shù)據(jù)主要來源于兩部分。第一部分為歷史數(shù)據(jù)，通過中國數(shù)字植物標(biāo)本館和教學(xué)標(biāo)本標(biāo)準(zhǔn)化整理整合與資源共享平臺查詢收集；第二部為實地調(diào)查數(shù)據(jù)，通過第四次全國中藥資源普查以及本課題組近幾年的實地調(diào)查獲得，共整理得到3種大黃的全國地理分布信息408條，其中掌葉大黃176條(歷史數(shù)據(jù)58條，實地調(diào)查數(shù)據(jù)118條)，藥用大黃145條(歷史數(shù)據(jù)49條，實地調(diào)查數(shù)據(jù)96條)，唐古特大黃87條(歷史數(shù)據(jù)32條，實地調(diào)查數(shù)據(jù)55條)，全國樣點空間分布見圖1。

注：審圖號為GS(2020)6688號。圖1 大黃全國樣點空間分布

1.3 模型設(shè)置

將環(huán)境氣候數(shù)據(jù)和樣點坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入MaxEnt模型，以85%的樣點數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本集，以設(shè)置 1×104的迭代次數(shù)用于估算各特征在訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的分布，直到訓(xùn)練集樣本的特征分布和模型的特征分布相同時給出模型最優(yōu)參數(shù)；剩余15%的樣點數(shù)據(jù)作為測試數(shù)據(jù)集對預(yù)測結(jié)果進行隨機測試，同時評價各環(huán)境氣候因子的貢獻率。

1.4 預(yù)測精度評價

采用受試者工作特征(ROC)曲線和曲線下面積(AUC)的大小作為模型預(yù)測準(zhǔn)確度的衡量指標(biāo)，AUC取值為0～1，越接近于1表示模型預(yù)測精度越高，其中，AUC<0.7為精度較差，0.7～0.8為一般，0.8～0.9為較好，0.9～1.0為非常好[11-13]。

1.5 主要環(huán)境氣候因子及生境適宜性分析

MaxEnt模型可預(yù)測不同環(huán)境氣候因子對生境適宜性影響的貢獻程度，提取貢獻率較高的因子，并依據(jù)響應(yīng)曲線評估最佳取值范圍。

常用的生境適宜性等級劃分方法主要有百分比劃分法、自然斷點劃分法和正態(tài)分布參數(shù)劃分法，方法不同適宜性等級劃分結(jié)果也存在差異。MaxEnt模型預(yù)測值一般呈正態(tài)分布，取值為0～1，數(shù)值越大表明物種在該地區(qū)生長適宜性越高。本研究使用正態(tài)分布參數(shù)劃分法，通過ArcGIS空間分析工具，提取3種基原大黃生長點所處位置的適宜性值，以正態(tài)分布參數(shù)平均值(μ)和標(biāo)準(zhǔn)差(δ)作為區(qū)分生境次適宜和最適宜區(qū)的分隔，以適宜性最小值(Min)作為適宜生境和不適宜生境的分隔值，即[0，Min]為生境不適宜區(qū)，[Min，μ-δ]為生境次適宜區(qū)，[μ-δ，1]為生境最適宜區(qū)。其中，生境最適宜表示藥用植物生長地區(qū)的環(huán)境及氣候條件最佳，對生長和發(fā)育的限制較少；生境次適宜表示藥用植物生長地區(qū)的環(huán)境及氣候條件相比于最適宜區(qū)較差，在一定程度上限制生長和發(fā)育；生境不適宜則表示藥用植物生長地區(qū)的環(huán)境及氣候條件嚴(yán)重限制了生長發(fā)育，不適宜引種栽培。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型預(yù)測評價

以AUC值為指標(biāo)的評價結(jié)果顯示：掌葉大黃、藥用大黃和唐古特大黃的MaxEnt模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)集的AUC 值依次為0.991和0.969、0.994和0.954、0.996和0.973，很接近1.0，說明模型預(yù)測結(jié)果具有較高的可信度和準(zhǔn)確度(見圖2)。

注：A.掌葉大黃；B.藥用大黃；C.唐古特大黃。圖2 不同基原中藥大黃的ROC曲線及AUC值

2.2 環(huán)境氣候因子對大黃生境適宜性的影響

根據(jù)MaxEnt模型預(yù)測環(huán)境氣候因子對不同基原大黃適宜生境分布的貢獻率，選取貢獻率較高的幾個因子作為影響生境分布的主要限制因子，結(jié)果顯示，有21個因子對掌葉大黃的生境適宜性產(chǎn)生了影響，其中9月降雨量貢獻率(38.0%)和海拔貢獻率(22.2%)影響最大；對藥用大黃生境適宜性產(chǎn)生影響的因子有19個，其中10月降雨量和9月降雨量貢獻率最高，分別達(dá)49.3%、21.8%；對唐古特大黃生境適宜性有影響的因子20個，其中5月降雨量的貢獻率(43.1%)和海拔的貢獻率(27.8%)最高(見表1)。

表1 影響中藥大黃基原植物生境適宜性的主要環(huán)境氣候因子

2.3 大黃生境適宜性空間分布

利用ArcGIS對模型預(yù)測結(jié)果進行重分類和疊置分析，按照生境適宜性從低到高將3種大黃的生境適宜分布區(qū)各劃分為3個等級，分別繪制掌葉大黃、藥用大黃和唐古特大黃的分布區(qū)劃結(jié)果。

掌葉大黃生境適宜性劃分結(jié)果為不適宜生境(0，0.063 8)、次適宜生境(0.063 8，0.265 9)、最適宜生境(0.265 9，1)。從圖3可以看出西藏東部接四川西部的甘孜州和阿壩州、甘肅南部接陜西秦嶺以及湖北部分地區(qū)生境適宜性最高。

藥用大黃生境適宜性劃分結(jié)果為不適宜生境(0，0.051 2)、次適宜生境(0.051 2，0.175 6)、最適宜生境(0.175 6，1)。從圖4可以看出四川中東部、重慶、甘肅和陜西南部、湖北西部和貴州北部部分地區(qū)生境適宜性最高。

注：審圖號為GS(2020)6688號。圖3 掌葉大黃生境適宜性分布

注：審圖號為GS(2020)6688號。圖4 藥用大黃生境適宜性分布

唐古特大黃生境適宜性劃分結(jié)果為不適宜生境(0，0.025 8)、次適宜生境(0.025 8，0.210 0)、最適宜生境(0.210 0，1)。從圖5可以看出生境適宜性最高的地區(qū)主要集中在四川西部、青海與甘肅甘南高原交匯處，以及西藏東部地區(qū)。

將不同基原大黃的最適宜生境區(qū)進行疊加分析后發(fā)現(xiàn)，唐古特大黃和掌葉大黃的最適宜生境重疊區(qū)分布最廣，主要位于甘肅甘南、四川阿壩和甘孜藏族自治州，以及西藏昌都以東的部分地區(qū)，面積約為314.45×103km2；其次是藥用大黃與掌葉大黃，主要分布于陜西漢中、甘肅隴南以及湖北南部，面積約為306.29×103km2；唐古特大黃和藥用大黃的最適生境重疊區(qū)分布范圍最小，主要位于甘肅隴南和四川阿壩的部分地區(qū)，面積約為87.67×103km2。3種基原中藥大黃的最適宜生境重疊區(qū)較小，僅在甘肅省甘南和隴南，以及四川省阿壩和甘孜的部分地區(qū)有少量分布，面積也僅有68.87×103km2(見圖6)。

注：審圖號為GS(2020)6688號。圖5 唐古特大黃生境適宜性分布

注：審圖號為GS(2020)6688號。圖6 3種大黃最適宜生境重疊區(qū)分布

2.4 預(yù)測結(jié)果與實際分布對比

比較中藥大黃不同基原植物的實際分布和預(yù)測結(jié)果可以看出，大黃實際生長點均位于預(yù)測適宜生境范圍內(nèi)，兩者較為吻合。從文獻記載的大黃資源分布群集來看，青海、甘肅和四川交匯處的青藏高原東部是我國大黃資源的主要分布區(qū)域[19-20]。本次預(yù)測結(jié)果顯示，中藥大黃3種基原植物的區(qū)域性特征都較強，其中掌葉大黃主要集中在四川、西藏、青海和甘肅，在云南和陜西也有分布；唐古特大黃在四川、青海、甘肅和西藏四省交界處的生境適宜性最高；藥用大黃適宜生境分布區(qū)較其他2個基原的地理分布東移，主要集中在四川中部、甘肅和陜西南部以及重慶大部分地區(qū)，湖南和貴州的山區(qū)也有分布，上述結(jié)果與文獻記載較為一致。

3 討論

本研究表明，海拔、夏秋季降雨、晝夜溫差及季節(jié)性溫差是影響中藥大黃基原植物生長和分布的主要生態(tài)因子。其中海拔對掌葉大黃和唐古特大黃生境適宜性的貢獻率達(dá)到了22.2%和27.8%，但對藥用大黃的貢獻率只有4.0%。從適應(yīng)的海拔范圍來看，掌葉大黃和唐古特大黃主要分布在海拔為1700～4700 m的地區(qū)，而藥用大黃主要分布在海拔為270～3800 m的地區(qū)，這與薛國菊等[20]的論述較為一致。夏秋季降雨對中藥大黃的3種基原植物的生境適宜性貢獻率都較大，而晝夜溫差及季節(jié)性溫差的貢獻率都較小，這與謝宗強[21]在國產(chǎn)大黃屬植物的生態(tài)地理分布中提到的大黃屬植物類群的生長習(xí)性較為一致。適宜的生境條件是道地藥材生長的重要基礎(chǔ)，這也給大黃藥用植物的種植提出了具體的生境要求。

從3種基原大黃最適宜生境的疊加分析結(jié)果可以看出，唐古特大黃和掌葉大黃有較大的分布重疊區(qū)域，主要位于青藏高原東緣的青海、四川及甘肅交界的部分地區(qū)，而藥用大黃由于生長環(huán)境相對溫暖，其分布區(qū)域與唐古特大黃重疊較少，但與掌葉大黃重疊較多，表明掌葉大黃對環(huán)境溫度的適應(yīng)強于另外2種，其適宜種植范圍也更廣。上述結(jié)果在一些研究中也得到了證實。王巖等[22]在中藥大黃資源分布研究中指出，唐古特大黃主要分布在青海東部和東南部、四川西北部；掌葉大黃主要分布在甘肅東部及東南部、青海與四川西北部交界區(qū)域；藥用大黃主要分布在四川東北部、陜西南部與湖北西北部。這些研究結(jié)果表明，不同基原的中藥大黃在適宜生境的地理分布上存在差異，未來的引種和栽培規(guī)劃是要加以區(qū)分。

近年來，以野生來源為主的中藥材供需矛盾愈加顯著，人工種植中藥是從根本上緩解該矛盾的有效方法，而適宜種植區(qū)域的劃分是開展人工引種工作的基礎(chǔ)。本研究以藥用植物生長的環(huán)境及氣候條件為基礎(chǔ)，利用MaxEnt模型和GIS技術(shù)對掌葉大黃、唐古特大黃和藥用大黃的適宜生境進行了預(yù)測評價，結(jié)果將為優(yōu)化中藥大黃種植區(qū)域，提升藥材質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)，從而為加強大黃中藥資源的可持續(xù)發(fā)展打下基礎(chǔ)。