廣金錢草分布和品質(zhì)適宜性區(qū)劃研究

李丹+唐曉敏+朱壽東+楊全+程軒軒+張春榮+潘利明+陳端妮

[摘要] 通過(guò)對(duì)華南和西南地區(qū)（廣東、廣西、海南和云南）的廣金錢草實(shí)地調(diào)研，結(jié)合夏佛塔苷、多糖的含量，運(yùn)用最大信息熵模型和地理信息技術(shù)，分別篩選出影響廣金錢草分布適宜性和品質(zhì)適宜性的主導(dǎo)生態(tài)因子，再對(duì)廣金錢草的分布和品質(zhì)進(jìn)行適宜性區(qū)劃。分布區(qū)劃的結(jié)果表明，4月均溫、最冷季節(jié)均溫、土壤類型和寒冷指數(shù)4個(gè)生態(tài)因子對(duì)廣金錢草分布適宜性的影響最大。品質(zhì)區(qū)劃的結(jié)果表明：①多糖含量與4月降水量呈顯著性正相關(guān)；夏佛塔苷含量與4月均溫、最冷季節(jié)均溫呈顯著性負(fù)相關(guān)，與10月、11月降水量，4月、5月日照時(shí)長(zhǎng)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與4月降水量、溫度季節(jié)性變化標(biāo)準(zhǔn)差呈顯著性正相關(guān)，與2月、3月降水量呈極顯著性正相關(guān)。②分別以夏佛塔苷、多糖為品質(zhì)指標(biāo)，依據(jù)品質(zhì)區(qū)劃模型繪制出廣金錢草的品質(zhì)區(qū)劃圖。該研究可為廣金錢草生產(chǎn)區(qū)劃、種植基地選擇和定向培育提供科學(xué)選址依據(jù)。

[關(guān)鍵詞] 廣金錢草； 最大信息熵； 地理信息技術(shù)； 分布適宜性； 品質(zhì)適宜性

[Abstract] The research on distribution and quality suitability division of Desmodium styracifolium were formulated by Maxent and ArcGIS model based on the content of schaftoside and polysaccharide of D. styracifolium and its field research in the south and southwest areas of China （Guangdong， Guangxi， Hainan and Yunnan）， and the most suitable habitats of distribution suitability and quality suitability were screened. The distribution suitability results indicated that average air temperature in April，mean temperature of coldest quarter， soil type， coldness index were found as the four dominant factors contributing to the plant distribution. The quality suitability results indicated that： ①Polysaccharide content and precipitation in April show significant positive correlation；Schaftoside content and mean temperature of April， mean temperature of coldest quarter show significant negative correlation. Schaftoside content shows significant negative correlation with the precipitation in October and November and the sunshine duration in April and May， while there is a significant positive correlation between schaftoside content and precipitation in April and temperature seasonality standard deviation， and a highly significant positive correlation was found between schaftoside content and precipitation in February and March. ②The quality zoning map was drawn depend on general content of polysaccharide and schaftoside as the index of quality. And this research provides scientific location basis for the production regionalization， cultivation bases selection and directive breeding of D. styracifolium.

[Key words] Desmodium styracifolium； MaxEnt； AcrGis； distribution suitability； quality suitability

廣金錢草Desmodium styracifolium （Osbeck） Merr.為豆科植物，以地上部分入藥[1]，生于山坡、草地、土坎或灌木叢中，是兩廣地區(qū)常用中藥，具有清熱除濕，利尿通淋的功效，對(duì)腎結(jié)石、膽結(jié)石治療效果顯著。隨著廣金錢草廣泛應(yīng)用，野生資源已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)和臨床需要，現(xiàn)在市場(chǎng)上流通的廣金錢草主要以人工栽培為主。生態(tài)環(huán)境與藥材產(chǎn)量和質(zhì)量關(guān)系密切，盲目引種栽培，加之栽培技術(shù)不完善，會(huì)導(dǎo)致藥材產(chǎn)量和品質(zhì)下降，各產(chǎn)地質(zhì)量差異較大，同時(shí)造成土地浪費(fèi)。本課題組近幾年對(duì)廣金錢草的規(guī)范化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)[2]、育種技術(shù)[3-4]等子方面開(kāi)展了大量研究工作，現(xiàn)擬通過(guò)開(kāi)展廣金錢草分布和品質(zhì)適宜性區(qū)劃研究，推動(dòng)廣金錢草在適宜區(qū)域進(jìn)行種植，并提高藥材品質(zhì)。

1 材料

1.1 采樣點(diǎn)數(shù)據(jù) 采樣點(diǎn)信息由GPS定位儀實(shí)地定位獲取，調(diào)查共得到19個(gè)采集點(diǎn)，采集對(duì)象全部為野生品種，經(jīng)廣東藥科大學(xué)楊全教授鑒定為廣金錢草。19個(gè)采集點(diǎn)信息見(jiàn)表1。

1.2 生態(tài)因子數(shù)據(jù) 生態(tài)因子數(shù)據(jù)含有氣候、土壤、地形和植被類型等數(shù)據(jù)共74個(gè)，數(shù)據(jù)源于中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥資源中心的中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3 廣金錢草品質(zhì)指標(biāo)含量數(shù)據(jù) 本研究選取2個(gè)品質(zhì)指標(biāo)，其中夏佛塔苷是歷版《中國(guó)藥典》規(guī)定的廣金錢草定量檢測(cè)指標(biāo)，多糖是廣金錢草排石利尿、抗炎等藥理作用的主要成分[5-6]。

參考2015年版《中國(guó)藥典》測(cè)定夏佛塔苷含量[1]，用甲醇提取，采用HPLC在272 nm波長(zhǎng)下測(cè)定含量；多糖的提取利用“水提醇沉”的方法，苯酚和濃硫酸顯色，采用紫外分光光度法在490 nm處測(cè)定多糖含量[7-11]。

2 方法

2.1 生態(tài)因子篩選 將采樣點(diǎn)的位置信息和74個(gè)生態(tài)因子圖層加載到AcrMap中，獲取每個(gè)采樣點(diǎn)處的生態(tài)因子值，之后計(jì)算這些因子之間的相關(guān)系數(shù)，形成相關(guān)系數(shù)樹(shù)，將相關(guān)系數(shù)≥0.8的2個(gè)生態(tài)因子只保留其中一個(gè)[12]，直至所有保留的生態(tài)因子間相關(guān)系數(shù)<0.8，該過(guò)程利用Biosim軟件實(shí)現(xiàn)。

2.2 最大信息熵模型（Maxent）預(yù)測(cè)分布適宜度 本研究采用最大熵值模型來(lái)計(jì)算廣金錢草的分布適宜度，此模型運(yùn)行需要實(shí)地調(diào)研獲得采集點(diǎn)的經(jīng)緯度和物種分布地區(qū)和目標(biāo)地區(qū)的生態(tài)因子數(shù)據(jù)，并且引入ROC線[13]對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)。在對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行AUC分析（AUC的值就是處于接收者操作特征（ROC，receiver operating characteristic） 曲線下方面積的大小）后顯示，相比其他生態(tài)模型，Maxent模型的準(zhǔn)確性和方便性較高[14-19]。

將19個(gè)采集點(diǎn)的經(jīng)緯度信息和最終保留的33個(gè)生態(tài)因子數(shù)據(jù)加載到Maxent中，重復(fù)運(yùn)行10次Maxent模型，在參數(shù)設(shè)置中開(kāi)啟刀切法來(lái)評(píng)價(jià)各生態(tài)因子的權(quán)重，最終選取10次運(yùn)算結(jié)果的平均值作為最終的生境適宜度。

2.3 模型精度檢驗(yàn) 建立的生態(tài)模型的準(zhǔn)確性通過(guò)最大信息熵模型（Maxent）計(jì)算得到的ROC曲線來(lái)驗(yàn)證。ROC曲線的AUC取值范圍為[0，1]，值越大表示其準(zhǔn)確性越高。當(dāng)AUC為0.5～0.8時(shí)認(rèn)為模型預(yù)測(cè)效果不理想；在0.8～0.9時(shí)，預(yù)測(cè)效果較好；當(dāng)AUC>0.9時(shí)，表示預(yù)測(cè)效果可信，準(zhǔn)確度較高，能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)物種的潛在分布[20]。

2.4 廣金錢草分布適宜性區(qū)劃 將10次計(jì)算結(jié)果的分布適宜度平均值圖層文件加載到AcrMap中，提取多值至點(diǎn)，得到19個(gè)采樣點(diǎn)的生境適宜度，并計(jì)算19個(gè)采樣點(diǎn)的生境適宜度的均值（μ）和標(biāo)準(zhǔn)差（σ），利用AcrMap將生境適宜度分為3類：不適宜區(qū)，較適宜區(qū)和適宜區(qū)。分級(jí)依據(jù)正態(tài)分布原理，將μ-0.5σ作為不適宜區(qū)和較適宜區(qū)的臨界值，μ+σ作為較適宜區(qū)和適宜區(qū)的臨界值，最終得到分布適宜性區(qū)劃圖。

2.5 廣金錢草品質(zhì)適宜性區(qū)劃 將2個(gè)品質(zhì)指標(biāo)含量分別與最終保留的生態(tài)因子作相關(guān)性分析，并選取相關(guān)系數(shù)較大的生態(tài)因子與2個(gè)品質(zhì)指標(biāo)含量做線性回歸分析，分析2個(gè)品質(zhì)指標(biāo)與生態(tài)因子之間的關(guān)系，分別得到線性回歸方程。將得到的方程帶入到Acrtools的柵格計(jì)算器中，計(jì)算得到各成分含量的分布圖。再將得到的成分含量分布圖與重分類后的分布適宜性區(qū)劃圖進(jìn)行疊加分析，得到品質(zhì)適宜性區(qū)劃圖，最后對(duì)區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)。

3 結(jié)果和分析

3.1 2個(gè)品質(zhì)指標(biāo)含量數(shù)據(jù) 廣金錢草夏佛塔苷、多糖含量見(jiàn)表2。

3.2 Maxent模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性評(píng)價(jià) 運(yùn)算10次的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。經(jīng)10次運(yùn)算，訓(xùn)練樣本AUC均值為0.997，測(cè)試樣本AUC均值為0.991，表明模型預(yù)測(cè)效果較好，能保證模型預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 廣金錢草生態(tài)因子適宜性結(jié)果 運(yùn)用刀切法分析生態(tài)因子在廣金錢草生境適宜度中所占的權(quán)重。從刀切圖中可以看出，index-ci（寒冷指數(shù)）、tmean4（4月均溫）、soiltype（土壤類型）和bio11（最冷季節(jié)均溫）4個(gè)生態(tài)因子所占的權(quán)重較高，見(jiàn)圖1，4者貢獻(xiàn)率達(dá)到77.9%。當(dāng)寒冷指數(shù)為0 ℃，4月均溫為27.1 ℃，見(jiàn)圖2。最冷季節(jié)均溫為21.1 ℃時(shí)，廣金錢草的生境適宜度達(dá)到最大。適合廣金錢草生長(zhǎng)的土壤亞類為變性淋溶土、停滯水黑土、酸性硫酸鹽潛育土、人為土、冰凍薄層土、鐵鋁始成土和黃色鐵鋁土。

3.4 生態(tài)因子與化學(xué)成分含量相關(guān)性結(jié)果 將2個(gè)品質(zhì)指標(biāo)含量與最終保留的生態(tài)因子做相關(guān)性分析，多糖含量與4月降水量呈顯著性正相關(guān)；夏佛塔苷含量與4月均溫、最冷季節(jié)均溫呈顯著性負(fù)相關(guān)，與10月、11月降水量，4月、5月日照時(shí)長(zhǎng)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與4月降水量，溫度季節(jié)性變化標(biāo)準(zhǔn)差呈顯著性正相關(guān)，與2月、3月降水量呈極顯著性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表4。分析2個(gè)品質(zhì)指標(biāo)含量與生態(tài)因子之間的關(guān)系，得到方程。

Y1=-3.457+0.082X1-0.241X2+0.192X3+0.005X4+0.235X5（Y1多糖，X14月降水量，X23月降水量，X32月降水量，X42月日照時(shí)長(zhǎng)，X5土壤陽(yáng)離子交換能力），回歸方程的決定系數(shù)R2=0.886，對(duì)方程檢驗(yàn)，F(xiàn)=20.107，P=0.000，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

Y2=-0.09+0.029 X1+0.787X2（Y2夏佛塔苷，X13月降水量，X2有機(jī)碳含量），回歸方程的決定系數(shù)R2=0.527，對(duì)方程檢驗(yàn)，F(xiàn)=8.913，P=0.003，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3.5 廣金錢草分布適宜性結(jié)果及評(píng)價(jià) 根據(jù)本課題組多年對(duì)廣金錢草實(shí)地調(diào)研獲得的采樣點(diǎn)信息，運(yùn)用AcrMap對(duì)廣金錢草生境適宜度進(jìn)行等級(jí)劃分，19個(gè)采樣地點(diǎn)的適宜度符合正態(tài)分布，因此將μ-0.5σ和μ+0.5σ分別作為不適宜區(qū)和較適宜區(qū)、較適宜區(qū)和適宜區(qū)的臨界值，μ-0.5σ和μ+0.5σ的計(jì)算結(jié)果分別為0.48，0.79，等級(jí)劃分結(jié)果見(jiàn)表5。適宜區(qū)集中在海南島北部、東部、南部沿海地區(qū)，廣東省雷州半島東南部，廉江、茂名、陽(yáng)江、云浮等地區(qū)；本課題組在2011年[21]和2015年2次對(duì)廣金錢草實(shí)地調(diào)研中，在云南都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)野生廣金錢草分布，但是2015年版《中國(guó)植物志》中記載，云南南部有廣金錢草分布，見(jiàn)圖3。預(yù)測(cè)結(jié)果中云南南部有廣金錢草分布；福建省有廣金錢草分布，這與2014年版《全國(guó)中草藥匯編》所記載的一致，另外結(jié)果還預(yù)測(cè)到臺(tái)灣東部沿海和西南部沿海也有廣金錢草分布。

3.6 廣金錢草品質(zhì)適宜性結(jié)果及評(píng)價(jià) 根據(jù)2個(gè)品質(zhì)指標(biāo)與生態(tài)因子建立的回歸線性方程，運(yùn)用AcrMap進(jìn)行空間計(jì)算，與分布適宜區(qū)劃圖疊加分析，得到2個(gè)品質(zhì)指標(biāo)的適宜性區(qū)劃圖，見(jiàn)圖4～5。從圖中可以看出，預(yù)測(cè)夏佛塔苷含量最高的地區(qū)主要位于海南北部沿海、西北部沿海和中部零星地區(qū)；多糖含量最高的地區(qū)分布在廣西中部，廣東中部和雷州半島北部。另外對(duì)品質(zhì)區(qū)劃結(jié)果的精度進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)比預(yù)測(cè)含量結(jié)果和實(shí)測(cè)含量結(jié)果，夏佛塔苷、多糖的均方根誤差分別為0.854，0.866。

4 討論

本研究所用樣品全部為野生廣金錢草，其分布和生長(zhǎng)過(guò)程中幾乎不受人為因素干擾，另外考慮到廣金錢草分布區(qū)域的歷史變遷問(wèn)題，通過(guò)實(shí)地調(diào)查確保采樣點(diǎn)生態(tài)信息具有代表性，在此前提下完成廣金錢草的分布適宜性區(qū)劃和品質(zhì)適宜性區(qū)劃，相比利用栽培品和僅僅篩選出與傳統(tǒng)道地產(chǎn)區(qū)生態(tài)因子相似度較高的區(qū)劃的研究，準(zhǔn)確性和指導(dǎo)性更高。

在對(duì)廣金錢草分布適宜性研究中發(fā)現(xiàn)，最適宜生長(zhǎng)區(qū)集中在海南島，但在2015年對(duì)廣金錢草的實(shí)地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，海南島正大力發(fā)展旅游業(yè)，許多地區(qū)處于開(kāi)發(fā)當(dāng)中，生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，另一方面，本地農(nóng)民種植經(jīng)濟(jì)作物時(shí)噴施除草劑，導(dǎo)致廣金錢草數(shù)量急劇下降，海南島有些地區(qū)已很難發(fā)現(xiàn)廣金錢草的蹤跡。

廣金錢草品質(zhì)適宜性區(qū)劃發(fā)現(xiàn)，雖然有些地區(qū)非常適合廣金錢草生長(zhǎng)，但夏佛塔苷、多糖含量并非最多，這跟黃璐琦[22]提出的逆境更利于次生代謝產(chǎn)物的形成，可能更利于中藥道地性的形成理論相一致。研究發(fā)現(xiàn)廣金錢草中總黃酮對(duì)心血管系統(tǒng)有一 定的保護(hù)作用[23]，因此本研究對(duì)廣金錢草的總黃酮成分也進(jìn)行測(cè)定，利用同樣的方法，得到的總黃酮品質(zhì)區(qū)劃模型的R2不高，這可能的原因是研究所用的生態(tài)因子種類有限，可能尚未涵蓋與總黃酮相關(guān)的生態(tài)因子。廣金錢草中不同化學(xué)成分的藥理作用不同，根據(jù)不同產(chǎn)地廣金錢草2個(gè)品質(zhì)指標(biāo)的高低，對(duì)其進(jìn)行定向培育，以滿足治療不同疾病的需要。

本研究通過(guò)對(duì)廣金錢草化學(xué)成分含量和生態(tài)因子的相關(guān)性分析，確定影響化學(xué)成分含量的主導(dǎo)生態(tài)因子。華南和西南地區(qū)其他道地藥材中此類化學(xué)成分積累是否也受相同生態(tài)因子影響，筆者認(rèn)為應(yīng)該建立一個(gè)影響華南和西南地區(qū)不同道地藥材化學(xué)成分的生態(tài)因子信息庫(kù)，這將是中藥適宜性區(qū)劃在特定區(qū)域內(nèi)分布的藥材上的應(yīng)用。

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