基于“3S”技術(shù)的“安苓”道地生境提取

田羅+周文佐+何萬華+倫丹+劉東紅

[摘要] “逆境”是道地中藥材藥理成分形成的主要原因之一，“逆境”提取是中藥材估產(chǎn)、質(zhì)量監(jiān)測、培植區(qū)位選擇以及道地性保護(hù)的前提。該研究結(jié)合3S（GIS，RS，GPS）技術(shù)，耦合“安苓”多源關(guān)鍵生態(tài)因子信息，首次利用生物間寄生關(guān)系，并對隨季節(jié)顯著變化的氣溫條件進(jìn)行了季節(jié)細(xì)分，提取寄生種藥材——“安苓”的“逆境”區(qū)。結(jié)果顯示，“安苓” 主要分布在大別山山區(qū)，適宜區(qū)面積達(dá)36.8 km²，岳西、舒城、金寨、潛山4縣占“安苓”總適宜區(qū)面積的93.55%，又尤以岳西、舒城、金寨3個(gè)縣為主，占安徽茯苓適宜區(qū)總面積的80.82%，其中岳西縣適宜區(qū)面積最大，占到了總適宜區(qū)的1/3以上。其與已有的調(diào)查估算結(jié)果具有高度的一致性，驗(yàn)證精度達(dá)91.67%，證實(shí)了利用3S技術(shù)結(jié)合藥材關(guān)鍵非生物生態(tài)因子和寄生宿主信息提取寄生種中藥材的可行性。

[關(guān)鍵詞] 安苓； 茯苓； 3S技術(shù)； 逆境； 道地生境； 道地藥材

[Abstract] "Adversity" is one primary element that impacts the pharmacology components of authentic Chinese herbal medicine. Knowledge about "adversity" is a precondition of yield estimation， quality monitoring， location selection and the geo-herbalism protection. Used 3S（GIS， RS and GPS） technology to combine multi-source key ecological factors of "Anling"， and used parasitic relationships between organisms to extracting its suitable region for the first time. Results showed that the "Anling" were mainly distributed in Dabie coteau. Suitable area amount to 36.8 km²， Yuexi， Shucheng， Jinzhai and Qianshan which account for about 93.55% of whole congenial region. The first three accounts for about 80.82%. It was Yuexi that account for 1/3 above especially. Field investigation verify accuracy of extraction about 91.67%， which has confirmed it is feasible that using the relationship between parasitic host and parasitic to extract native environment of parasitic traditional medicine based on 3S technology.

[Key words] Anling； Poria cocos； "3S" technologies； adversity； Dao-di habitat； geo-authentic crude drug

2015年12月國務(wù)院發(fā)布的《中國的中醫(yī)藥》白皮書中指出中醫(yī)藥的傳承與發(fā)展就要“促進(jìn)中藥產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展”，要通過出臺法律法規(guī)、建立自然保護(hù)區(qū)、人工培育和野生撫育等多種手段確保中藥材的道地性，扭轉(zhuǎn)道地藥材異地?zé)o序種植的現(xiàn)狀。中藥材具有顯著的地域性，空間特征和地理環(huán)境對中藥材的品質(zhì)形成起著決定作用，即藥用動植物的“逆境效應(yīng)”[1-2]。對藥用植物的“逆境”提取是中藥材調(diào)查的一個(gè)重要方面，是中藥材合理利用和保護(hù)的首要問題，也是藥用植物物種多樣性和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展研究的一個(gè)重要方向[3-4]。自21世紀(jì)初，3S技術(shù)以其快速、機(jī)動、準(zhǔn)確、可靠和集成的特點(diǎn)在藥用植物資源調(diào)查、適宜性區(qū)劃、蘊(yùn)藏量估算等方面逐步展開應(yīng)用[5-6]。彌補(bǔ)了人工調(diào)查的費(fèi)時(shí)費(fèi)力、主觀性大、準(zhǔn)確性低、實(shí)時(shí)性差等弊端[7]，在生境提取、生境區(qū)劃、產(chǎn)量估算、動態(tài)變化演變等方面取得了一系列具有現(xiàn)實(shí)意義的成果[8-13]。

張自力等[8]利用RS技術(shù)，結(jié)合專家知識提取新疆芍藥適宜區(qū)，經(jīng)過實(shí)地采樣驗(yàn)證，精度達(dá)85%以上，證實(shí)了利用RS技術(shù)提取大面積藥種的可行性。陳士林等[9]利用不同空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)了人參資源調(diào)查，并探討了遙感數(shù)據(jù)空間分辨率對于提取精度的影響，為藥種資源調(diào)查的數(shù)據(jù)選擇提供了有益參考。劉金欣等[10]結(jié)合3S技術(shù)和野外抽樣調(diào)查建立了不同生境中的黃芩儲量估算模型，表明結(jié)合3S技術(shù)和樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行藥種估產(chǎn)的可能性。陳士林等[11]探討了地理信息系統(tǒng)在中藥區(qū)劃中的優(yōu)勢和關(guān)鍵技術(shù)。鄭開顏等[12]結(jié)合GIS的空間分析功能和氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)對貴州省艾納香生境進(jìn)行了適宜性區(qū)域分級，得到了各級適宜性區(qū)域的面積信息。孫宇章等[13]利用RS和GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了江蘇邳州市銀杏資源的動態(tài)變化檢測。從已有研究來看：對于中藥材的適宜性分析很多，形成了一個(gè)比較成熟的方法體系[3]。但多為大面積的栽培或野生種，對于以寄生方式存在的藥種卻鮮有報(bào)道。盡管在一些研究中提出了結(jié)合伴生種提取寄生種藥材適宜區(qū)的概念[3，14]。假設(shè)藥種的各生態(tài)因子適宜范圍伴隨藥種植物自萌發(fā)到成熟整個(gè)過程，未對藥材各關(guān)鍵物候期進(jìn)行生態(tài)因子適宜范圍的細(xì)分，尤其是伴隨季節(jié)變化顯著的氣候因子。

茯苓為我國傳統(tǒng)常用中藥材，是一種多孔菌科真菌茯苓Poria cocos （Schw.） Wolf的干燥菌核[15]，具有利水滲濕，健脾和胃，寧心安神等功效[16]，在常用的中醫(yī)方劑中，茯苓的配比率高達(dá)70%，有“十藥九茯苓”的說法[17-18]。茯苓中的三萜類和多糖類化學(xué)成分具有良好的抗腫瘤、調(diào)節(jié)免疫、抗衰老等方面的藥理活性，一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)[19-21]。野生茯苓多寄生于赤松、馬尾松、云南松等松屬植物較老的根部[16]。據(jù)研究，因大量砍伐森林，野生茯苓僅云南麗江可見，數(shù)量極少[22]。藥用茯苓主要依靠栽培種植，到明代中期就已經(jīng)形成了安徽、湖北、河南三大培植產(chǎn)區(qū)[16，23]。在安徽被稱為“安苓”，是我國茯苓道地產(chǎn)區(qū)之一[16]。本研究利用“3S”技術(shù)耦合“安苓”多源生態(tài)因子信息，提取“安苓”道地生境信息。研究對于“安苓”培植區(qū)位選擇、提高培植產(chǎn)量和質(zhì)量、構(gòu)建“安苓”GAP基地具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。同時(shí)也提供了一種結(jié)合伴生關(guān)系提取寄生種的研究思路。

1 研究區(qū)概況

安徽省29°41′—34°38′ N，114°54′—119°37′ E，東西寬約450 km，南北長約570 km，土地面積13.94×10⁴km²，占全國的1.45%。地形地貌由淮北平原、江淮丘陵、皖南山區(qū)組成。氣候上屬暖溫帶與亞熱帶的過渡地區(qū)，年均氣溫為14～17 ℃，年均降水量約773.0 ～1 670.1 mm，年日照時(shí)數(shù)在1 800～2 500 h[24]。土壤以黃棕壤、暗黃棕壤、黃紅壤、黃褐土等為主。植被類型包括溫帶、亞熱帶針葉林，亞熱帶山地針葉林，亞熱帶常綠闊葉林和暖溫帶落葉闊葉林[25]。全省已查明的中藥材達(dá)3 578種，其中藥用植物2 904種，中藥材種植面積達(dá)6萬 hm²。擁有國內(nèi)規(guī)模最大的藥材專業(yè)市場亳州中藥材交易中心，僅該中心日上市量就達(dá)6萬 t，年交易額達(dá)100億元[26]。

2 方法

研究主要涉及數(shù)據(jù)包括安徽省行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)，來源于安徽省測繪局；安徽省高程數(shù)據(jù)DEM，來源于USGS，空間分辨率為30 m×30 m；安徽省氣象柵格數(shù)據(jù)[27-28]來源于國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(luò)科技資源服務(wù)系統(tǒng)，空間分辨率為1 000 m×1 000 m；1∶100萬植被類型數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心；安徽省1∶400萬土壤pH和沙粒含量分布數(shù)據(jù)，來源于中國土壤數(shù)據(jù)庫；安徽省土壤表層（5～20 cm）含水量數(shù)據(jù)，來源于ISMN（International Soil Moisture Network，http：//ismn.geo.tuwien.ac.at/ismn/），空間分辨率為1 000 m×1 000 m。GPS樣點(diǎn)數(shù)據(jù)選擇根據(jù)已有調(diào)查和研究成果確定。

本研究結(jié)合已有研究成果、文獻(xiàn)查閱和野外實(shí)地考察結(jié)合的方式確立“安苓”各關(guān)鍵非生物生態(tài)因子生態(tài)幅，包括地形地貌、氣候因子和土壤因子。利用ArcGIS 10.2提取“安苓”各非生物生態(tài)因子適宜區(qū)，通過疊加提取“安苓”的非生物環(huán)境適宜區(qū)。宿主松林分布信息提取以Landsat 8 OLI為數(shù)據(jù)源，將野外松林樣方數(shù)據(jù)隨機(jī)分為2組（Ⅰ和Ⅱ），Ⅰ組數(shù)據(jù)作為松林聚類的訓(xùn)練樣本，Ⅱ組數(shù)據(jù)作為松林提取結(jié)果精度驗(yàn)證數(shù)據(jù)。為準(zhǔn)確提取松林，研究結(jié)合Google Earth高分辨率遙感影像對松林聚類結(jié)果進(jìn)行了手動修正。在此基礎(chǔ)上，利用ArcGIS的疊加分析功能實(shí)現(xiàn)“安苓”適宜區(qū)提取并通過GPS實(shí)測樣點(diǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證“安苓”適宜區(qū)提取精度，流程見圖1。樣點(diǎn)分布見圖2，部分樣點(diǎn)各關(guān)鍵非生物生態(tài)因子信息見表1。

3 結(jié)果及分析

3.1 地形地貌適宜區(qū)提取

3.1.1 海拔適宜區(qū)提取 研究通過查閱已有研究成果、文獻(xiàn)資料和實(shí)地樣點(diǎn)數(shù)據(jù)確立“安苓”的高程適宜區(qū)。於小波[22]、邢博[18]、王珍[29]對于我國茯苓的采樣結(jié)果顯示茯苓的適宜海拔分別為265.4～1 396，615～3 200，696～830 m。《中華本草》中確立為600～1 000 m，幾者對于茯苓高程適宜區(qū)的不同界定可能是由于不同區(qū)域茯苓對生境的適應(yīng)所引起的。結(jié)合GPS“安苓”樣點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)，最終確定“安苓”高程適宜范圍為260.3～1 396.7 m。通過ArcGIS提取“安苓”高程適宜區(qū)，見圖3。

3.1.2 坡度適宜區(qū)提取 楊俊杰[15]、於小波[22]、王星星[30]研究指出茯苓坡度適宜范圍分別為15～30°，10～30°，20～45°。《中華本草》確定為10～35°。結(jié)合野外采樣數(shù)據(jù)，最終將“安苓”坡度適宜區(qū)確定為10～30°。通過ArcGIS利用安徽DEM數(shù)據(jù)計(jì)算坡度并提取“安苓”坡度適宜區(qū)，見圖4。

3.1.3 坡向適宜區(qū)提取 坡向一方面影響著一地的日照時(shí)數(shù)，尤其是在山地丘陵地區(qū)，進(jìn)而影響土層溫度來影響茯苓生長；另一方面也通過影響土層水分含量來影響茯苓生長。已有研究成果[15，31]和《中華本草》中均指出茯苓多生長在背風(fēng)向陽區(qū)域，研究結(jié)合調(diào)查結(jié)果確定“安苓”適宜坡向?yàn)闁|、東南和南坡。利用ArcGIS計(jì)算坡向信息并提取“安苓”坡向適宜區(qū)，見圖5。

3.2 氣候適宜區(qū)提取

3.2.1 氣溫適宜區(qū)提取 無論是茯苓的生長還是收獲、加工，溫度都是一個(gè)重要的生態(tài)因子[32]。王珍等[29]研究指出茯苓菌絲在35 ℃以上易老化，低于10 ℃則生長十分緩慢，0 ℃以下菌絲處于休眠狀態(tài)。鄧芳席[33]試驗(yàn)表明“茯苓菌絲體在10～35 ℃均能生長。最適生長溫度為25～30 ℃”。於小波[22]對中國茯苓主要產(chǎn)區(qū)的茯苓資源調(diào)查顯示，絕大部分茯苓的溫度生態(tài)幅在12.5～16.4 ℃?！吨腥A本草》中記錄茯苓“孢子22～28 ℃萌發(fā)，菌絲18～35 ℃生長，于25～30 ℃生長迅速，子實(shí)體在18～26 ℃分化生長并能產(chǎn)生孢子”。值得注意的是，藥用植物在各個(gè)生長發(fā)育階段的生態(tài)幅有顯著不同，因此對氣候因子尤其是隨季節(jié)變化而顯著變化的氣溫條件進(jìn)行季節(jié)細(xì)分是必要的。王珍等[29]基于樣點(diǎn)的茯苓生態(tài)因子統(tǒng)計(jì)指出，茯苓適宜區(qū)1月平均溫度在0.95～11.6 ℃，7月平均溫度在20.91～26.39 ℃，年平均氣溫在18.1～24.7 ℃。研究結(jié)合研究區(qū)內(nèi)的調(diào)查數(shù)據(jù)，確定“安苓”的溫度生態(tài)幅為：1月均溫0.95～11.6 ℃，7月均溫20.91～26.39 ℃，年均溫12.5～16.4 ℃。利用ArcGIS提取“安苓”1月、7月和年際均溫適宜區(qū)并進(jìn)行疊加分析得到“安苓”的溫度適宜區(qū)，見圖6。

3.2.2 日照時(shí)數(shù)適宜區(qū)提取 有研究[33]表明茯苓菌絲生長對光照條件不敏感，也有研究[34]指出“沒有直射光線照射的地方不能栽培茯苓”?？紤]到日照一方面影響著一地的土層溫度和氣溫，從而對寄生在松屬植物根部20～30 cm深土層中的茯苓產(chǎn)生影響。另一方面也通過影響土壤水分蒸發(fā)而間接影響土壤透氣性能，因此本研究認(rèn)為日照仍然是茯苓生長的一個(gè)重要生態(tài)因子。王珍[29]的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示茯苓的日照生態(tài)幅為1 400～2 296 h，於小波[22]調(diào)查結(jié)果為1 303.5～2 139 h。結(jié)合實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，確定“安苓”日照時(shí)數(shù)生態(tài)幅為1 400～2 139 h。利用ArcGIS提取日照時(shí)數(shù)適宜區(qū)，見圖7。

3.2.3 降水適宜區(qū)提取 降水條件是大部分生物的關(guān)鍵生態(tài)因子，降水多寡一方面直接影響茯苓的生長，另一方面還通過影響土壤性狀，改變土壤通氣條件來制約茯苓的發(fā)育。鄧芳席[33]的茯苓培育試驗(yàn)表明：其他條件不變的情況下，隨著通氣條件變差，茯苓菌絲長度顯著縮短，到達(dá)一定度時(shí)就停止生長。於小波[22]的調(diào)查顯示茯苓降水適宜范圍為1 000～1 772 mm。結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果，最終確定為1 000～1 775.3 mm。利用ArcGIS提取“安苓”降水適宜區(qū)，見圖8。

3.3 土壤適宜區(qū)提取

如前所述，茯苓為寄生于松屬植物根部、深度約20～30 cm的土層中[35]，因此土壤物質(zhì)組成、性狀等對茯苓萌發(fā)和生長具有最直接的影響。

3.3.1 土壤pH適宜區(qū)提取 蔡愛群[36]的pH對茯苓菌絲生長的影響研究顯示茯苓1號菌絲生境的pH為4.0～6.0，菌絲長勢在pH為5之前隨著培養(yǎng)液pH升高而變密，pH大于5之后二者呈反相關(guān)。5.78號菌絲的最適宜pH亦為4.0～6.0，最適宜為4，pH為4之后茯苓長勢變疏?！吨腥A本草》中的記錄為3～7，於小波[22]的調(diào)查結(jié)果為6.72～6.99。鄧芳席[33]茯苓菌絲培育試驗(yàn)顯示pH為2～8時(shí)，茯苓菌絲均能生長，最適宜pH為4～6。經(jīng)過實(shí)地考察確定“安苓”pH適宜范圍為6.72～6.99。通過ArcGIS提取“安苓”土壤pH適宜區(qū)，見圖9。

3.3.2 土壤沙粒含量適宜區(qū)提取 茯苓是一種好氣寄生菌。傳統(tǒng)茯苓產(chǎn)區(qū)曾對茯苓選場土壤總結(jié)出“選場要選麻骨砂”、“三分土，七分砂”等諺語[37]、王星星[30]、於小波[22] 、張錫崇[34]在實(shí)地調(diào)查結(jié)果中指出茯苓適宜沙質(zhì)土。鄧芳席[33]關(guān)于茯苓培育過程中透氣性對茯苓菌絲生長的影響也從側(cè)面印證了透氣性較好的沙質(zhì)土對于茯苓生長的重要性。通過文獻(xiàn)和實(shí)地調(diào)查確定“安苓”土壤沙粒含量適宜范圍為50%～60.2%。通過ArcGIS提取“安苓”土壤沙粒含量適宜區(qū)，見圖10。

3.3.3 土壤表層含水量適宜區(qū)提取 土壤含水量是土壤性狀的一個(gè)重要指標(biāo)。對于茯苓而言，適量的土壤水分用以供給其萌發(fā)和生長、用以蒸發(fā)以維持一定范圍內(nèi)的適宜土溫條件。張錫崇[34]在研究中指出，茯苓適宜區(qū)的土壤含水量以25%～50%為佳。研究結(jié)合實(shí)地調(diào)查結(jié)果和數(shù)據(jù)的可獲得性，確定5～20 cm深土壤含水量為25%～50%。鑒于土層含水量具有顯著的空間連續(xù)性，本研究對于研究區(qū)內(nèi)土壤含水量數(shù)據(jù)中的缺失值采用其8領(lǐng)域的均值進(jìn)行補(bǔ)全。利用ArcGIS 10.2提取“安苓”土壤含水量適宜區(qū)，見圖11。

3.4 “安苓”寄生宿主松林提取

與其他中藥材不同，茯苓以寄生于松屬植物根部的形式存在，屬于寄生菌種。松屬植被的存在是茯苓萌發(fā)和生長的一個(gè)必要條件，僅由非生物環(huán)境因子確立的適宜區(qū)并不夠。研究以Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)為信息源，采用分層分類的思想，以1∶100萬植被類型圖中針葉林區(qū)域?yàn)榉诸愌谀?，結(jié)合野外實(shí)測數(shù)據(jù)選擇訓(xùn)練樣本，實(shí)現(xiàn)針葉林中松屬植物的提取。參考已有松林提取方法成果[38-43]，利用ENVI 5.1，采用多種聚類方法提取松林分布區(qū)，包括非監(jiān)督分類、監(jiān)督分類和面向?qū)ο蠓诸惙椒āＭㄟ^野外實(shí)測采樣，評估各聚類方法松林提取精度，選擇最優(yōu)的提取結(jié)果。經(jīng)驗(yàn)證，最大似然法監(jiān)督分類松林提取精度最高，在34個(gè)野外樣點(diǎn)中30個(gè)點(diǎn)驗(yàn)證為松林分布區(qū)，精度為88.24%。為準(zhǔn)確提取松林，研究結(jié)合Google Earth高空間分辨率影像對最大似然法松林提取結(jié)果進(jìn)行了手動修正。修正后松林提取結(jié)果見圖12。

3.5 “安苓”適宜生境提取

藥材的生境是多種因子共同作用的結(jié)果。在提取“安苓”各單生態(tài)因子適宜區(qū)的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS疊加上述3大類9個(gè)子類“安苓”非生物生態(tài)因子適宜區(qū)和松林分布區(qū)，提取“安苓”適宜生境，見圖13。經(jīng)調(diào)查樣點(diǎn)對“安苓”適宜區(qū)提取結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在36個(gè)采集樣本中，33個(gè)點(diǎn)被驗(yàn)證為“安苓”實(shí)際分布區(qū)，提取精度為91.67%，符合藥材資源調(diào)查的需要。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，“安苓”適宜區(qū)總計(jì)約36.80 km²，約占安徽總面積的0.03%?！鞍曹摺边m宜區(qū)主要在皖西大別山區(qū)域，與大別山走勢具有高度的一致性，以大別山南坡向區(qū)域?yàn)橹?。從行政區(qū)劃上來看，以六安市南部和安慶市西北部區(qū)域?yàn)橹?，集中在岳西、舒城、金寨、潛?縣，占“安苓”適宜區(qū)的93.55%，又尤以岳西、舒城、金寨三縣為主，占“安苓”適宜區(qū)的80.82%，其中岳西縣適宜區(qū)面積最大，占到了總適宜區(qū)的1/3以上，見表2。

4 結(jié)論與討論

研究充分利用3S技術(shù)整合多源信息，實(shí)現(xiàn)了“安苓”道地生境提取和可視化表達(dá)。經(jīng)驗(yàn)證，提取結(jié)果與實(shí)際具有高度的一致性，證實(shí)了利用3S技術(shù)結(jié)合中藥材關(guān)鍵生態(tài)因子信息和生物間寄生關(guān)系提取非大面積野生或栽培種的可行性，為類似中藥材的適宜區(qū)提取提供了參考。同時(shí)也為安徽省茯苓培植區(qū)位選擇、“安苓”道地性保護(hù)、“安苓”GAP基地建設(shè)提供了有益參考。研究結(jié)果顯示，大別山山區(qū)是“安苓”道地生境的主要分布區(qū)?？臻g上高度集中，利于各相關(guān)縣在“安苓”培植上的合作和產(chǎn)業(yè)化。未來“安苓”培植策略在于建立以岳西縣為主的培植和加工中心，潛山、舒城、霍山和金寨4縣為衛(wèi)星基地。需要突破的限制因素在于各衛(wèi)星基地與岳西縣培育中心、皖西山區(qū)與安徽中東部之間的交通通達(dá)性以及皖西山區(qū)與湖北茯苓主產(chǎn)區(qū)（羅田縣、英山縣等）之間的合作和聯(lián)動。

植物在不同生長階段對于各生態(tài)因子的要求不同，對于“安苓”各生態(tài)因子的量化研究以及各生態(tài)因子之間相互作用的機(jī)制、各生態(tài)因子數(shù)據(jù)的空間尺度對于“安苓”適宜性區(qū)提取精度的影響、社會經(jīng)濟(jì)因子對適宜區(qū)的影響等將是后續(xù)研究需要著重解決的問題。

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[責(zé)任編輯 呂冬梅]