遼寧省北蒼術生態適宜性和品質區劃研究

于學霖 ，賈琳 ，尹海波 ，孫宇澤 ，王丹 ，王娜 ，賈春雷 ，李博文 ，吳偉

1.遼寧中醫藥大學藥學院，遼寧 大連 116600； 2.沈陽國際旅行衛生保健中心，遼寧 沈陽 110623；3.遼寧中醫藥大學護理學院，遼寧 沈陽 110032

中藥蒼術為菊科植物茅蒼術Atractylodes lancea(Thunb.) DC. 或北蒼術Atractylodes chinensis(DC.)Koidz.的干燥根莖[1]。北蒼術主要分布于遼寧、黑龍江、吉林和河北等北方地區。作為遼寧省道地藥材之一，北蒼術在遼寧省內種植面積約104.67 km2，年產量約1.02萬噸。其主要活性成分為β-桉葉醇、蒼術素、蒼術酮、蒼術苷A等，其中蒼術素為蒼術藥材的指標性成分[2-4]。根據走訪調查及第四次全國中藥資源普查結果，市售蒼術藥材大部分為栽培品，且品種混雜，給臨床應用帶來一定影響。氣候條件和環境因素如降水量、溫度、植被類型等對藥材質量和產量影響較大[5-7]。遼寧省北蒼術種植分布較為分散，各產區地理條件、氣候條件等自然環境差異及種子來源、栽培技術不同，使蒼術藥材質量差異較大。本研究通過收集遼寧省內北蒼術栽培基地樣品24批，結合數據庫中北蒼術采樣點信息，分析對應產地58個生態因子，利用最大熵（MaxEnt）模型結果作為北蒼術生態適宜性的依據，測定β-桉葉醇、蒼術酮、蒼術素、蒼術苷A含量作為北蒼術品質區劃的依據，利用相關性分析探究藥材成分與生態因子之間的相關性，建立成分與生態因子之間的回歸模型；以生態適宜性區劃和品質區劃為基礎，為基于蒼術素含量的北蒼術栽培區域選擇和基于氣候環境的北蒼術資源開發提供參考依據，推動北蒼術的合理種植，提高藥材質量。

1 資料與方法

1.1 數據來源

查閱《遼寧植物志》[8]、《中國植物志》[9]相關資料，結合課題組實地調查及第四次全國中藥資源普查數據，發現北蒼術在遼寧省大部分地區有分布，且以遼寧西部居多，課題組于2019－2020年赴朝陽市、葫蘆島市、鐵嶺市、撫順市、桓仁縣、鞍山市、丹東市、阜新市、遼陽市等遼寧北蒼術主要產區進行實地采樣，由GPS定位儀和軌跡儀實時獲取經緯度、海拔等信息，共獲取24批北蒼術樣品，采樣點信息見表1。同時結合中國數字植物標本館（http://www.cvh.ac.cn/）、全球生物多樣性信息網絡平臺（https://www.gbif.org/），刪除重復數據，獲得遼寧省北蒼術12 個采樣點信息（見表2），共計36個采樣點信息用于遼寧省北蒼術生態適宜性分析。將遼寧省劃分為遼寧中部、遼寧東部、遼寧西部、遼寧南部、遼寧北部5個區域，地圖來源于遼寧省自然資源廳-標準地圖服務系統（http://liaoning.tianditu.gov.cn/standardGIS）。

表1 24批遼寧省北蒼術樣品采樣點信息

表2 數據庫檢索遼寧省北蒼術采樣點信息

1.2 生態因子數據

本研究使用生態因子數據來源于中藥資源空間信息網格數據庫（www.tcm-resources.com）、WorldClim（www.worldclim.org）及遼寧省氣象資料。結合北蒼術生長特點，選擇地形、植被類型、Kira指標、土壤、溫度、降水等58個生態因子進行分析，包含12個月份降水量（prec1～prec12）、12個月份平均溫度（tmean1～tmean12）、海拔（altitude）、坡向（aspect）、坡度（slope）、植被類型（zblx）、溫暖指數（WI）、寒冷指數（CI）、干燥指數（HI）、土壤黏土量（trntl）、土壤酸堿度pH 值（trsjdPH）、土壤有機碳含量（tryjthl）、土壤含沙量（trhsl）、 土壤有效水含量等級（tryxshldj）、土壤類型（trlx）、土壤質地分類（trzdfl）、土壤陽離子交換能力（trylzjhnl）、年平均溫度（bio1）、晝夜溫差月均值（bio2）、等溫性（bio3）、溫度季節性變化標準差（bio4）、最暖月最高溫（bio5）、最冷月最低溫（bio6）、年均溫變化范圍（bio7）、最濕季節均溫（bio8）、最干季節均溫（bio9）、最暖季節均溫（bio10）、最冷季節均溫（bio11）、年平均降水量（bio12）、最濕月降水量（bio13）、最干月降水量（bio14）、降水量變異系數（bio15）、最濕季節降水量（bio16）、最干季節降水量（bio17）、最暖季節降水量（bio18）、最冷季節降水量（bio19）。

1.3 生態適宜性區劃分析

1.3.1 生態因子確定

將36個北蒼術采樣點數據與58個生態因子導入MaxEnt3.4.1 軟件，運算參數隨機測試比例設置為15%，最大迭代次數105，選擇刀切法（Jackknife）檢驗變量重要性，其他參數為默認值，每次運算舍去貢獻率為0的生態因子。當沒有貢獻率為0的生態因子時，再進行10 次重復運算，通過受試者工作特征（ROC）曲線及曲線下面積（AUC）評價模型精度，得到影響北蒼術生長的生態因子[10-14]。

1.3.2 生態適宜性區域劃分

通過正態分布參數劃分法，將MaxEnt計算結果數據導入ArcGIS軟件，提取生態因子圖層的計算結果至36個采樣點，獲得每個采樣點的生態適宜度數值，應用SPSS23.0軟件計算36個采樣點生態適宜度的平均值（μ）和標準差（σ）。以提取值中的最小值作為區分北蒼術適宜生長和不適宜生長區域的分界線，對于適宜生長區域，選擇μ+σ作為閾值，區分適宜區和最適宜區，即選取[0，最小值]作為不適宜區，(最小值，μ+σ]作為適宜區，(μ+σ，1]作為最適宜區[15-18]，得到北蒼術生態適宜性區劃。

1.4 品質區劃分析

1.4.1 北蒼術化學成分檢測

采用氣相色譜法測定24批北蒼術樣品中揮發性成分β-桉葉醇、蒼術酮、蒼術素含量。色譜條件：HP-5石英彈性毛細管柱（0.32 mm×30 m），氫焰檢測器溫度300 ℃，進樣口溫度240 ℃，載氣N2，分流比20∶1，空氣∶N2∶H2=450∶40∶40，載氣流量1 mL/min，進樣量1 μL。柱箱程序升溫速率：初始溫度110 ℃，第一階段以10 ℃/min升至136 ℃，第二階段以1 ℃/min升至145 ℃，第三階段以5 ℃/min升至205 ℃（保持6 min），第四階段以50 ℃/min升至250 ℃（保持5 min）。采用內標法進行實驗，內標物為正十六醇。

采用高效液相色譜法-蒸發光散射檢測器測定北蒼術中蒼術苷A含量。色譜條件：Symmetry C18色譜柱（美國Waters公司），流動相為乙腈（A）-水（B），梯度洗脫（0～9 min，4%～7%A；9～18 min，7%～16%A；18～25 min，16%A），流速1.0 mL/min，柱溫30 ℃，漂移管溫度（49±1）℃，氮氣壓力3.0×105Pa，進樣量20 μL。

1.4.2 品質區劃方法

參考黃連區劃研究[19]，使用ArcGIS軟件獲取24個北蒼術采樣點對應的58 個生態因子數據，應用SPSS23.0和Excel2019數據分析功能，對得到的全部數據進行校驗，舍去不能用于統計分析的數據，使用相關性分析篩選對上述成分有影響的生態因子。分析24 批北蒼術樣品中蒼術素、β-桉葉醇、蒼術酮、蒼術苷A 的含量，利用回歸分析分別構建各成分與相關性分析得到的影響北蒼術品質的生態因子之間的回歸模型，在此基礎上采用ArcGIS軟件構建各成分含量的空間分布圖，根據生產需要得出最適宜種植和開發的區域，形成品質區劃。

2 結果與分析

2.1 生態因子

通過MaxEnt軟件進行10次重復運算，得到ROC曲線（見圖1），訓練數據集和測試數據集AUC均大于0.9，說明模型預測結果準確度較高。得到影響北蒼術生態適宜性的生態因子有7月份降水量、11月份平均溫度、植被類型、海拔、土壤黏土量、晝夜溫差月均值、3月份平均溫度、4月份降水量、坡向（見表3）。結合刀切法檢驗結果（見圖2），7月份降水量（44.8%）、11月份平均溫度（31.9%）、植被類型（16.2%）累計貢獻率超過90%，是影響北蒼術生態適宜性的主要生態因子。主要生態因子響應曲線見圖3。

圖1 遼寧省北蒼術生態分布ROC曲線

圖2 遼寧省北蒼術生態分布預測模型刀切圖

2.2 生態適宜性區劃

將影響北蒼術生態適宜性的生態因子導入ArcGIS軟件，通過重分類功能將生態適宜度進行重分類，劃分標準：[0，0.336 759]為不適宜區，(0.336 759，0.719 122]為適宜區，(0.719 122，1]為最適宜區。北蒼術生態適宜性區劃見圖4。遼寧省北蒼術生態適宜性分布見表4。可以看出，北蒼術最適宜區主要分布在朝陽市雙塔區、龍城區、朝陽縣，葫蘆島市興城市、龍港區等遼寧西部地區，以及撫順市清原滿族自治縣、新賓滿族自治縣、本溪市本溪滿族自治縣等遼寧東部地區；適宜區分布在遼寧中部、北部、東部、西部大部分地區；遼寧南部地區多為北蒼術不適宜區。

圖4 遼寧省北蒼術生態適宜性區劃

表4 遼寧省北蒼術生態適宜性分布

2.3 含量測定

24批北蒼術樣品β-桉葉醇、蒼術酮及蒼術苷A含量測定結果見表5。根據藥典對蒼術藥材中蒼術素含量不少于0.30%的規定，24批遼寧省北蒼術蒼術素含量均符合要求。

表5 24批遼寧省北蒼術樣品中4種成分含量（mg/g）

2.4 化學成分與生態因子相關性

將24批北蒼術樣品中蒼術素、β-桉葉醇、蒼術酮、蒼術苷A含量測定結果與58個生態因子進行Pearson相關性分析，得到與北蒼術化學成分含量相關的46個生態因子，結果見表6。

表6 遼寧省北蒼術化學成分與生態因子相關性分析

2.4.1 蒼術素品質分析

蒼術素含量（Y）與生態因子（X）的回歸方程為：Y=-0.030X+3.145，X為4月份降水量（prec4）。對方程進行檢驗：R2=0.205，F=5.179，P=0.03，有統計學意義。根據方程可知，蒼術素含量與4月份降水量呈負相關。蒼術素品質區劃見圖5。總體上蒼術素空間分布由遼寧西部至遼寧東部逐漸減少：遼寧西部種植北蒼術中蒼術素空間分布最多，藥材品質在遼寧省內最好，如興城市、朝陽市；遼寧北部、遼寧中部、遼寧南部蒼術素空間分布較遼寧西部少，但仍高于遼寧東部，如盤錦市、鞍山市；遼寧東部地區蒼術素空間分布較遼寧省內其他區域低。

圖5 遼寧省北蒼術蒼術素品質區劃

2.4.2 β-桉葉醇品質分析

β-桉葉醇含量（Y）與生態因子（X）的回歸方程為：Y=0.658X1-0.118X2+6.982，X1為4 月份降水量（prec4）、X2為7月份降水量（prec7）。對方程進行檢驗：R2=0.520，F=10.325，P=0.03，有統計學意義。根據方程可知，β-桉葉醇含量與4月份降水量呈正相關，與7月份降水量呈負相關。應用ArcGIS軟件的光柵計算器（Raster calculator）功能，將生成的圖層與分布概率底圖進行疊加，得到β-桉葉醇品質區劃（見圖6）。可以看出，β-桉葉醇含量以遼寧東部地區最高，遼寧中部、遼寧南部地區次之，遼寧西部與遼寧東部部分地區含量逐漸減少，總體上呈現由中部向東西兩側逐漸降低的趨勢。

2.4.3 蒼術酮品質分析

蒼術酮含量（Y）與生態因子（X）的回歸方程為：Y=-0.1X1+0.044X2+0.21X3-4.509，X1為4 月份降水量（prec4）、X2為晝夜溫差月均值（bio2）、X3為7月份降水量（prec7）。對方程進行檢驗：R2=0.666，F=11.976，P=0.009，有統計學意義。根據方程可知，蒼術酮含量與4月份降水量呈負相關，與晝夜溫差月均值和7月份降水量呈正相關。由圖7可以看出，北蒼術蒼術酮含量在遼寧東部山區最高，由東向西至遼寧西部逐漸減少，在遼寧最西部含量又略有回升。

圖7 遼寧省北蒼術蒼術酮品質區劃

2.4.4 蒼術苷A品質分析

經計算，蒼術苷A含量與生態因子無線性關系，即生態因子對蒼術苷A的含量無明顯影響。

2.4.5 綜合品質分析

將蒼術素、β-桉葉醇、蒼術酮3個成分的空間分布圖層添加到ArcGIS軟件中，使用Raster calculator功能將上述圖層進行模糊疊加，得到北蒼術3個成分含量空間分布疊加圖（見圖8）。由圖可知，3個成分含量分布由東向西逐漸減少，丹東市寬甸縣、鐵嶺市西豐縣、撫順市清原滿族自治縣和新賓滿族自治縣、鞍山市岫巖縣、遼陽市白塔區北蒼術綜合品質較高。

圖8 遼寧省北蒼術3種成分含量綜合品質區劃

3 討論

通過生態適宜性區劃，可以探究影響北蒼術生長分布的生態因子，并找出適合其生長的區域。通過品質區劃，可以探究影響北蒼術成分含量的生態因子，因此兩者得到的生態因子并不完全相同。本研究以實地調查的數據為基礎，結合多個數據庫包含的信息，運用MaxEnt和ArcGIS軟件分析影響遼寧省北蒼術生態適宜性的生態因子及其生態適宜性等級分布，預測結果AUC=0.998，說明預測結果較準確。蒼術素為蒼術藥材的指標性成分，蒼術素含量可在一定程度上反映藥材質量，因此基于蒼術素的北蒼術品質區劃是遼寧省北蒼術品質區劃的重要部分。通過北蒼術生態適宜性區劃研究，發現遼寧省大部分地區適宜栽種北蒼術（遼寧南部部分地區除外），最適宜地區主要分布在遼寧西部。根據品質區劃分析結果可知，4月份降水量對蒼術素含量影響最大，同時也是影響β-桉葉醇、蒼術酮含量的主要生態因子。結合影響北蒼術生態適宜性的生態因子及課題組對北蒼術栽培基地的走訪調查得知，遼寧西部地區由于地處內陸，其降水量常年較其他地區小；遼寧東部與南部由于靠近海洋，雨水充沛，故降水量較高。綜合實地調查情況與本研究所得區劃，認為預測結果與實際相符，可以說明4月份降水量是影響北蒼術質量的重要生態因子。建議其他地區栽種北蒼術時，綜合考慮上述生態因子對北蒼術生長的影響，根據實際情況，選擇陽坡、排水較好的較干旱地區栽種，參考當地天氣、土壤質量等生態環境的影響，合理栽種，以收獲高質量的北蒼術藥材。