黨參藥材分布區(qū)劃研究

吳曉俊　張小波　郭蘭萍　余意　黃璐琦

[摘要]為了明確黨參藥材在我國的分布情況，尋找影響其分布的主要生態(tài)因子，該研究通過查閱文獻(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)本館平臺(tái)、實(shí)地調(diào)查等獲取關(guān)于黨參藥材的分布信息。利用MaxEnt模型和ArcGIS 技術(shù)，綜合55 項(xiàng)環(huán)境因子，分析影響黨參藥材分布的主要環(huán)境因子，結(jié)果顯示，降水量和海拔等對(duì)黨參3個(gè)種的分布均產(chǎn)生主要影響。其中，黨參主要集中在甘肅南部、陜西南部、山西南部、寧夏南部及吉林東南部；素花黨參主要集中在甘肅南部、貴州西北部、四川東北部；川黨參主要集中在湖北西部、重慶東部、四川中部。結(jié)合栽培黨參藥材分布信息，對(duì)所得黨參藥材的分布區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，研究所得分布與每種黨參的實(shí)際分布相一致，為開展黨參藥材合理引種栽培提供了科學(xué)依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]黨參； 分布區(qū)劃； 生態(tài)因子； ArcGIS； MaxEnt

[Abstract]This paper is aimed to clarify the distribution of Codonopsis Radix in China and search the main ecological factors that affect the suitability distribution Through literature reading，National Specimen Information Infrastructure researching， field investigation and general survey of Chinese medicine resources， the distribution information was acquired The MaxEnt model and ArcGIS technologywere applied to analyze the main environmental factors influencing the suitability of Codonopsis Radix with integrated 55 environmental factors The results showed the precipitation and altitude were the major factors impacting the ecology suitable of Codonopsis Radix The ecological suitable region of C pilosula was mainly concentrated in south Gansu， Shanxi， Shanxi， Ningxia and， and the ecological suitable region of C pilosula var modesta was mainly concentrated in south Gansu， northwest Guizhou， northeast Sichuan， and the ecological suitable region of C tangshen was mainly concentrated in west Hubei， east Chongqing， middle Sichuan Combined with the investigation and cultivation of Codonopsis Radix distribution information， the results of ecological suitability of Codonopsis Radix were verified The ecological suitability distribution result of Codonopsis Radix was consistent with each species actual distribution， which could provide scientific basis for carrying out the rational cultivation of Codonopsis Radix

[Key words]Codonopsis Radix； distribution division； environmental factors； ArcGIS； MaxEnt

黨參為桔?？浦参稂h參Codonopsis pilosula（Franch） Nannf.、素花黨參C pilosula Nannf var modesta（Nannf） L T Shen或川黨參C tangshen Oliv的干燥根，其性味甘、平，具有健脾益肺，養(yǎng)血生津等功效[1]，為常用大宗藥材。現(xiàn)代藥理學(xué)研究證實(shí)，黨參對(duì)心血管系統(tǒng)、血液及造血功能、消化系統(tǒng)、機(jī)體免疫功能、延緩衰老等有一定的作用[23]。傳統(tǒng)以山西長治所產(chǎn)潞黨、甘肅文縣所產(chǎn)紋黨、湖北恩施所產(chǎn)板橋黨為道地藥材。近年來，由于黨參藥材需求量大、野生資源有限，市場(chǎng)上以栽培品為主，不同產(chǎn)地間黨參藥材質(zhì)量存在較大的差異。目前黨參藥材產(chǎn)地主要集中于甘肅、山西、四川，陜西、湖北、貴州等地也有分布。由于藥材的生產(chǎn)與其引種地的生態(tài)環(huán)境有關(guān)，因此，進(jìn)行我國黨參藥材適宜性等級(jí)劃分研究，對(duì)了解黨參資源的整體概況和科學(xué)選取適宜區(qū)域進(jìn)行黨參藥材的人工種植具有十分重要的意義。

目前，中藥領(lǐng)域與其他領(lǐng)域的結(jié)合研究已越來越多，“3S”等空間分析技術(shù)已引入到中藥學(xué)領(lǐng)域，并在中藥材產(chǎn)地適應(yīng)性分析方面得到廣泛應(yīng)用[4]。中藥區(qū)劃是依據(jù)中藥資源的地域分布規(guī)律對(duì)其進(jìn)行區(qū)域分化，研究方法包括定性描述法、模糊數(shù)學(xué)方法、構(gòu)建模板法、構(gòu)建模型法和基于遙感數(shù)據(jù)等方法[5]。地理信息系統(tǒng)（GIS）作為空間信息分析的核心技術(shù)，以其強(qiáng)大的空間信息分析和管理能力，在中藥產(chǎn)地適宜性評(píng)價(jià)中得到廣泛應(yīng)用[68]。本研究通過黨參藥材3個(gè)種的分布信息，綜合氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和植被類型等，利用GIS技術(shù)和最大信息熵MaxEnt模型，對(duì)黨參藥材進(jìn)行全國區(qū)域的分布區(qū)劃研究，尋找影響黨參藥材分布的主要生態(tài)因子，得到黨參藥材分布區(qū)劃圖，并結(jié)合黨參藥材栽培地的分布對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，為黨參藥材栽培區(qū)域的選擇提供參考依據(jù)。endprint

1材料與方法

11數(shù)據(jù)收集

通過查閱CNKI、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)本館等數(shù)據(jù)庫及實(shí)地調(diào)查中收集黨參藥材3個(gè)種的分布信息，包括經(jīng)緯度、海拔、生境等；將分布點(diǎn)按物種名、分布點(diǎn)經(jīng)度和緯度順序存儲(chǔ)成“csv”格式文件。

本研究所使用生態(tài)因子數(shù)據(jù)庫來源于“中藥資源空間信息格網(wǎng)數(shù)據(jù)庫”，包含對(duì)中藥資源分布有影響的55個(gè)生態(tài)因子數(shù)據(jù)。其中氣候因子數(shù)據(jù)是根據(jù)我國氣象觀測(cè)站1950—2000年的氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)插值而成，空間分辨率為1 km×1 km；土壤類數(shù)據(jù)根據(jù)第二次全國土地調(diào)查提供的《1∶100萬中華人民共和國土壤圖》制成，采用的土壤分類系統(tǒng)主要為FAO90；地形數(shù)據(jù)包括：高程和坡向；植被類型數(shù)據(jù)以中科院植物研究所的《中華人民共和國植被圖》（1∶100 萬）中的植被亞類數(shù)據(jù)制成。

12黨參藥材分布區(qū)預(yù)測(cè)

121主要生態(tài)因子的選擇第一步，根據(jù)3個(gè)種分布的GPS 數(shù)據(jù)和55個(gè)生態(tài)因子分別在MaxEnt中的迭代運(yùn)算結(jié)果，選取總貢獻(xiàn)率≥95%的生態(tài)因子作為供篩選的生態(tài)因子；第二步，分別提取3個(gè)種分布點(diǎn)供篩選的生態(tài)因子數(shù)值，進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)大于08的生態(tài)因子棄去貢獻(xiàn)率較小的1個(gè)；第三步，將第二步剩余的生態(tài)因子利用MaxEnt模型分別計(jì)算分析，得到生態(tài)因子對(duì)黨參藥材3個(gè)種分布的貢獻(xiàn)率和刀切法獲得的主要生態(tài)因子權(quán)重分析，選取貢獻(xiàn)率大權(quán)重高的生態(tài)因子作為主生態(tài)因子，根據(jù)響應(yīng)曲線獲取適宜性。

122MaxEnt模型參數(shù)設(shè)置將黨參藥材3個(gè)種的分布信息和環(huán)境數(shù)據(jù)按要求格式轉(zhuǎn)換后分別導(dǎo)入MaxEnt軟件，設(shè)置參數(shù)運(yùn)行建模，具體參數(shù)如下：隨機(jī)測(cè)試比例為15%，最大迭代運(yùn)算次數(shù)為1×106，設(shè)置響應(yīng)曲線，MaxEnt自定義設(shè)置ROC評(píng)價(jià)曲線和刀切法（jackknife）檢驗(yàn)權(quán)重，其他參數(shù)為軟件默認(rèn)值。

123模型預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)采用MaxEnt計(jì)算結(jié)果所得的ROC工作曲線和曲線下面積（AUC值）進(jìn)行模型精度評(píng)測(cè)。近年來，通過ROC曲線下面積（即AUC）作為模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的衡量指標(biāo)，在物種潛在分布預(yù)測(cè)模型評(píng)價(jià)中應(yīng)用越來越廣泛[9]。AUC取值范圍為[0，1]，AUC越大表示模型判斷力越強(qiáng)。AUC在05～06為失敗，06～07為較差，07～08為一般，08～09為好，09～10為非常好[10]。

13潛在分布區(qū)劃分析

在建立黨參藥材對(duì)生態(tài)環(huán)境條件適宜性標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，本研究將各個(gè)因子分為最適宜、適宜和不適宜3個(gè)等級(jí)。最適宜分布區(qū)域表示生態(tài)因子處于最佳狀態(tài)，對(duì)藥材生長發(fā)育的限制因素較少；適宜分布區(qū)域表示生態(tài)因子適宜藥材生長，但在程度上略遜于最適宜分布區(qū)域；不適宜分布區(qū)域表示生態(tài)因子有嚴(yán)重限制，對(duì)藥材的生長不利，不適宜栽培種植。

利用GIS軟件MaxEnt模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加和地圖制作，根據(jù)分布點(diǎn)所處生境適宜度值，按正態(tài)分布參數(shù)μ，δ進(jìn)行劃分：[0，μ-δ]為不適宜區(qū)，（μ-δ，μ）為適宜區(qū)，[μ，1]為最適宜區(qū)，分別繪制黨參藥材3個(gè)種的潛在分布區(qū)，并將3個(gè)種的圖層進(jìn)行疊加獲得黨參藥材的分布區(qū)劃圖。

14黨參藥材分布區(qū)驗(yàn)證分析

結(jié)合所得黨參藥材的分布區(qū)，以黨參3個(gè)種的部分栽培分布信息作為參考，對(duì)黨參3個(gè)種的區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2結(jié)果與分析

21數(shù)據(jù)收集

本研究共收集到黨參藥材分布信息1 659條，共涉及22省，267縣。其中：黨參1 295條，素花黨參104條，川黨參260條，野生及栽培黨參藥材分布數(shù)據(jù)見表 1，空間分布圖見圖1。

22主要生態(tài)因子的選擇

按121方法，應(yīng)用Maxent對(duì)生態(tài)因子進(jìn)行篩選，結(jié)果顯示，55個(gè)生態(tài)因子中38個(gè)對(duì)黨參分布有貢獻(xiàn)率、20個(gè)對(duì)素花黨參分布有貢獻(xiàn)率、26個(gè)對(duì)川黨參分布有貢獻(xiàn)率。篩選貢獻(xiàn)率≥95%的生態(tài)因子，見表 2。

23模型預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

按123的方法，分別計(jì)算MaxEnt模型ROC曲線訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測(cè)試數(shù)據(jù)集的AUC。結(jié)果顯示，黨參的AUC分別是0943，0946；素花黨參的AUC分別是0992，0993；川黨參的AUC分別是0982，0976。表明MaxEnt模型對(duì)黨參藥材潛在分布區(qū)的預(yù)測(cè)效果非常好。可知模型運(yùn)算得出的黨參藥材生境適宜度，具有很高的準(zhǔn)確度和可信度。

24黨參藥材分布區(qū)劃

利用GIS軟件MaxEnt模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加和地圖制作，分別繪制黨參、素花黨參和川黨參的分布區(qū)劃結(jié)果。其中，黨參分布區(qū)劃結(jié)果見圖2，較高適宜度主要集中在甘肅南部、陜西南部、山西南部、寧夏南部及吉林東南部；素花黨參分布區(qū)劃結(jié)果見圖3，較高適宜度主要集中在甘肅南部、貴州西北部、四川東北部；川黨參分布區(qū)劃結(jié)果見圖4，較高適宜度主要集中在湖北西部、重慶東部、四川中部。將黨參、素花黨參、川黨參3個(gè)來源的分布區(qū)劃結(jié)果圖疊加，得到黨參藥材的分布區(qū)劃圖，結(jié)果見圖5。由圖5可知，黨參藥材的分布適宜區(qū)主要集中在甘肅南部、陜西、山西、湖北西部、貴州北部、四川東部、吉林東南部。

根據(jù)中國植物志記載：黨參分布于西藏東南部、四川西部、云南西北部、甘肅東部、陜西南部、寧夏、青海東部、河南、山西、河北、內(nèi)蒙古及東北等地區(qū)。

本研究顯示，除以上分布區(qū)外，貴州、湖南、新疆等地也有分布。素花黨參分布于四川西北部、青海、甘肅及陜西南部至山西中部，以陜西南部為集中分布地區(qū)。川黨參分布于四川北部及東部、貴州北部、湖南西北部、湖北西部以及陜西西南部，本研究結(jié)果與該種記載分布區(qū)大致相同。以上所得適宜分布區(qū)與中國植物志中黨參藥材的3個(gè)種的分布區(qū)域基本吻合。由此，可得出黨參藥材主要集中分布于甘肅、陜西、山西、四川。

由表2可知，海拔對(duì)黨參藥材3個(gè)種分布均有影響?；谒命h參適宜分布區(qū)結(jié)果，應(yīng)用ArcGIS軟件，提取黨參藥材3個(gè)種的地理空間分布范圍，結(jié)果見表3。endprint

25黨參藥材分布驗(yàn)證

黨參藥材資源分布較廣，以栽培為主，少量為野生，且栽培區(qū)域呈逐年擴(kuò)大的趨勢(shì)。目前，以黨參為基原的“潞黨”、“白條黨”在山西長治、甘肅渭源等地大量栽培；素花黨參為基原的“紋黨”、“鳳黨”在甘肅文縣、陜西鳳縣等地栽培；川黨參為基原的“板橋黨”在湖北恩施、貴州等地栽培種植。根據(jù)《中國植物志》記載，黨參藥材的3個(gè)來源，主要分布于河北、山西、內(nèi)蒙古、吉林、遼寧、黑龍江、河南、湖北、湖南、四川、貴州、云南、西藏、陜西、甘肅、青海、寧夏等省。通過本研究結(jié)果顯示，在新疆、浙江、福建等省也有黨參藥材的潛在分布區(qū)域。

通過二次實(shí)地調(diào)查，結(jié)果顯示，新疆昭蘇縣現(xiàn)正種植黨參為基原的黨參藥材。浙江、福建等省份前期有黨參栽培，但以零星種植為主，無法藥用。以上印證了本研究結(jié)果。

3結(jié)論

本研究利用MaxEnt模型和ArcGIS技術(shù)相結(jié)合，較全面的考慮了各生態(tài)因子的影響，最終得出對(duì)黨參、素花黨參、川黨參分布影響較大的生態(tài)因子及其適宜范圍。再綜合分析3個(gè)種的主要影響生態(tài)因子，降雨量、海拔對(duì)3個(gè)種分布均產(chǎn)生主要影響。從地理空間分布角度分析，與黨參相比，素花黨參和川黨參適宜分布的海拔范圍相對(duì)較廣；水平方向上，黨參分布范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于素花黨參和川黨參。

綜合整個(gè)研究，收集的分布信息基本覆蓋了黨參藥材的分布區(qū)，考慮大多數(shù)黨參藥材的實(shí)際分布，研究得出黨參藥材在我國的潛在區(qū)劃分布。黨參藥材3個(gè)種的道地性分布較強(qiáng)，最適宜地區(qū)集中分布在甘肅、山西和陜西、四川。其中，甘肅以黨參和素花黨參潛在分布為主，山西以黨參的潛在分布面積最大，四川、湖北等省有較大的川黨參潛在分布；云南、河南和湖南等省有一定的潛在分布性，但其適宜度較低，不作為引種栽培的首選區(qū)域。由于黨參3個(gè)種的適宜生長區(qū)域存在差異，在引種栽培和種植規(guī)劃時(shí)需要進(jìn)行區(qū)分。通過與實(shí)地調(diào)查栽培黨參藥材分布結(jié)果對(duì)比，模型預(yù)測(cè)結(jié)果與黨參藥材的實(shí)際分布吻合度較高，可以為黨參藥材野生資源的收集、保護(hù)和種植區(qū)劃提供理論依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]中國藥典一部[S]2015：281.

[2]馮佩佩， 李忠祥， 原忠 黨參屬藥用植物化學(xué)成分和藥理研究進(jìn)展[J] 沈陽藥科大學(xué)學(xué)報(bào)， 2012（4）：307

[3]張曉君， 祝晨， 胡黎，等 黨參多糖對(duì)小鼠免疫和造血功能的影響[J] 中藥新藥與臨床藥理， 2003， 14（3）：174

[4]陳士林 中國藥材產(chǎn)地生態(tài)適宜性區(qū)劃[M] 北京：科學(xué)出版社， 2011：5

[5]張小波， 郭蘭萍， 黃璐琦 中藥區(qū)劃研究進(jìn)展[J] 中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃， 2010， 31（3）：64

[6]郭蘭萍， 黃璐琦， 蔣有緒，等 影響蒼術(shù)揮發(fā)油組分的氣候主導(dǎo)因子及氣候適宜性區(qū)劃研究[J] 中國中藥雜志， 2007， 32（10）：888

[7]張小波， 郭蘭萍， 韋霄，等 廣西青蒿種植氣候適宜性等級(jí)區(qū)劃研究[J] 中國中藥雜志， 2008， 33（15）：1794

[8]郭蘭萍， 黃璐琦， 蔣有緒，等 基于3S的蒼術(shù)道地藥材研究（二）──蒼術(shù)揮發(fā)油組分的氣候主導(dǎo)因子篩選及氣候適宜性區(qū)劃[C]淄博：全國中藥資源生態(tài)學(xué)學(xué)術(shù)研討會(huì)，2006

[9]Vanagas G Receiver operating characteristic curves and comparison of cardiac surgery risk stratification systems[J] Interact Cardiovasc Thoracic Surg， 2004， 3（2）：319

[10]王茹琳， 高曉清， 王閆利，等 基于MaxEnt的非洲橘硬薊馬在全球及中國的潛在分布區(qū)預(yù)測(cè)[J] 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)， 2014， 30（28）：315

[責(zé)任編輯呂冬梅]endprint