基于生態(tài)因子的山東太子參生態(tài)適宜區(qū)劃研究

邊麗華 康傳志 許子欣 周潔 王曉

摘要：為了對(duì)山東太子參生長(zhǎng)的生態(tài)適宜區(qū)進(jìn)行劃分同時(shí)對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，本研究利用Surfer 7.0軟件對(duì)氣候主導(dǎo)因子和氣候限制因子的月平均值進(jìn)行空間插值，利用ArcGIS 8.1軟件建立太子參道地性組分（多糖、環(huán)肽A、環(huán)肽B等）的空間分布模型，最終利用ArcGIS制圖輸出功能完成太子參地理分布模式的構(gòu)建和生長(zhǎng)生態(tài)適宜性區(qū)劃。結(jié)果顯示，多糖與太子參環(huán)肽A存在顯著正相關(guān)（P<0.05），與生境適宜度、海拔分別呈極顯著（P<0.01）、顯著（P<0.05）負(fù)相關(guān)，與1月平均氣溫、9月平均氣溫和晝夜溫差月均值均呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；太子參環(huán)肽A含量與年均溫變化范圍和晝夜溫差月均值均呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與生境適宜度和12月平均降雨量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）；太子參環(huán)肽B含量與4月平均降雨量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與11月平均溫度顯著正相關(guān)，而與海拔顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。明確了適宜太子參生長(zhǎng)的最優(yōu)生境，確定其最適宜種植區(qū)主要集中在煙臺(tái)市牟平區(qū)東部，威海市的文登區(qū)、榮成市和乳山市東部，青島市東南部，濟(jì)南市西南部和泰安市北部，及臨沂市的蒙陰縣和臨沭縣。

關(guān)鍵詞：太子參；山東??；生態(tài)因子；生態(tài)適宜區(qū)劃

中圖分類號(hào)：S567.5+30.19文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2018）02-0068-08

Abstract This study was aimed to conduct the ecological regionalization and quality evaluation of Shandong Pseudostellaria heterophylla（Miq.）Pax ex Pax et Hoffm. The monthly mean values of climatic dominant and limiting factors were spatially interpolated by Surfer 7.0. The model of spatial distribution of Pseudostellaria heterophylla based on genuine components was established by ArcGIS 8.1. In the end， we completed the geographical distribution model and ecological adaptable regionalization of Pseudostellaria heterophylla using the ArcGIS mapping output function.The results showed that the polysaccharide significantly positively correlated with Radix Pseudostellariae cyclic peptide A， air temperature mean in January and September， and monthly mean of temperature difference between day and night（P<0.05）， but significantly negatively correlated with habitat suitability（P<0.01）and altitude （P<0.05）. The Radix Pseudostellariae cyclic peptide A significantly positively correlated with annual temeperature variation range and monthly mean temperature difference between day and night（P<0.01）， but significantly negatively correlated with habitat suitability and average rainfall of December （P<0.01）. The Radix Pseudostellariae cyclic peptide B content was positively correlated with average rainfallin in April （P<0.01） and average temperature of November （P<0.05）， but negatively correlated with altitude （P<0.05）.Based on these results， the optimal habitat of Pseudostellaria heterophylla was cleared， and the most suitable planting areas were mainly in the eastern part of Muping District of Yantai City， the eastern Wendeng， Rongcheng and Rushan of Weihai City， the southeast of Qingdao City， the southwest of Jinan City，the northern Taian and the Mengyin and Linshu of Linyi City.

Keywords Pseudostellaria heterophylla（Miq.）Pax ex Pax et Hoffm.；Shandong Province； Climatic factors； Ecological regionalization

太子參為石竹科植物孩兒參Pseudostellaria heterophylla （Miq.）Pax ex Pax et Hoffm.的干燥塊根[1]，味甘、微苦，具有益氣健脾、生津潤(rùn)肺之功效?，F(xiàn)代研究表明太子參具有抗疲勞、增強(qiáng)免疫力的作用[2，3]，其中多糖、環(huán)肽A和環(huán)肽B等物質(zhì)被認(rèn)為是其主要活性成分[4-6]，也是衡量藥材品質(zhì)及道地性的重要指標(biāo)。近年來(lái)，太子參在“江中健胃消食片”、“復(fù)方太子參顆?！钡犬a(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，原藥材價(jià)格逐漸攀升，產(chǎn)值日趨凸顯[7]。山東太子參栽培歷史悠久，“色晶黃、根肥厚、質(zhì)優(yōu)”，被譽(yù)為“道地藥材”[8]。20世紀(jì)70年代山東太子參種植面積逐年減少，道地產(chǎn)區(qū)幾乎名存實(shí)亡。隨著太子參產(chǎn)值的提高，不少地區(qū)又出現(xiàn)了太子參的零星種植，但具有盲目性，不利于太子參質(zhì)量與產(chǎn)量的保障及其道地產(chǎn)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，因此，對(duì)山東太子參進(jìn)行生態(tài)適宜區(qū)劃可以為太子參道地產(chǎn)區(qū)建設(shè)提供數(shù)據(jù)支持。

基于遙感數(shù)據(jù)的區(qū)劃法是通過(guò)中藥資源信息、所在區(qū)域的生境信息以及區(qū)劃范圍內(nèi)的曲面氣候數(shù)據(jù)，構(gòu)建中藥資源與外部環(huán)境之間的關(guān)系模型，然后依據(jù)關(guān)系模型和各要素的空間分異規(guī)律進(jìn)行區(qū)域劃分[9]。目前已對(duì)多種中藥材，如山豆根[10]、甘草[11]、當(dāng)歸[12]等進(jìn)行了生產(chǎn)區(qū)劃研究，對(duì)這些中藥材的生產(chǎn)起到了有效的指導(dǎo)作用。本研究采集山東省各地的太子參樣品，測(cè)定其主要活性成分含量，并通過(guò)逐步回歸分析確定影響太子參質(zhì)量的氣候主導(dǎo)因子和限制因子，然后利用ArcGIS軟件得到山東太子參的生態(tài)適宜區(qū)劃，以期對(duì)山東太子參的合理種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 太子參樣品采集

根據(jù)文獻(xiàn)記載的山東太子參野生資源分布區(qū)，2016年7—8月于山東省的威海、煙臺(tái)、濟(jì)南、臨沂、泰安、濟(jì)寧等太子參分布區(qū)進(jìn)行實(shí)地采樣，共33份（見(jiàn)表1）。采集的樣品經(jīng)山東中醫(yī)藥大學(xué)周鳳琴教授鑒定為石竹科植物孩兒參Pseudostellaria heterophylla （Miq.） Pax ex Pax et Hoffm.的干燥塊根，留樣憑證存放于山東省分析測(cè)試中心山東省中藥質(zhì)量控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

1.2 生態(tài)因子數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用生態(tài)因子數(shù)據(jù)來(lái)源于“中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(kù)”，由中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥資源中心道地藥材國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。其中，山東省的生態(tài)數(shù)據(jù)因子是在全國(guó)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用ArcMap軟件切割處理后獲得[13]。氣象因子數(shù)據(jù)通過(guò)中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)申請(qǐng)獲得。

1.3 太子參主要活性物質(zhì)含量測(cè)定

1.3.1 試劑 甲醇（分析純，山東浩中化工科技有限公司，批號(hào)：161110865）；甲醇（HPLC級(jí)，山東浩中化工科技有限公司，批號(hào)：161020942）；乙腈（色譜純，迪瑪公司，批號(hào)：951801）；定量濾紙（直徑9 cm，上海敬智過(guò)濾材料有限公司，批號(hào)：564）；實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水；太子參環(huán)肽A、環(huán)肽B對(duì)照品均由上海源葉生物公司提供，純度98%以上；無(wú)水葡萄糖對(duì)照品（中國(guó)食品藥品檢定研究院，批號(hào)1604587-201607）；濃硫酸、苯酚、乙醇均為分析純；羥自由基、超氧陰離子自由基及總抗氧化能力檢測(cè)試劑盒（南京建成生物工程研究所）。

1.3.2 環(huán)肽A、環(huán)肽B含量測(cè)定 采用高效液相色譜法測(cè)定，使用C18色譜柱（4.6 mm×250 mm，5 μm，TURNER），流動(dòng)相為乙腈和水，洗脫條件見(jiàn)表2。流速：1.0 mL/min；柱溫：30℃；檢測(cè)波長(zhǎng)：203 nm；進(jìn)樣量：20 μL。

1.3.3 多糖含量測(cè)定 采用UV法測(cè)定多糖含量，對(duì)照品為葡萄糖溶液（602.8 mg/L）。精密吸取對(duì)照品溶液0.5、0.8、1.0、1.3、1.5、1.8 mL，分別置25 mL量瓶中，加水至刻度，搖勻。精密量取上述溶液各2.0 mL，置25 mL試管中，分別精密加入4%苯酚溶液1 mL，混勻，迅速滴加濃硫酸各5 mL，搖勻，室溫靜置。于487 nm 測(cè)定吸光度（A），以A為縱坐標(biāo)，對(duì)照品濃度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，在葡萄糖溶液質(zhì)量濃度3.0140～10.8505 mg/L范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，得回歸方程A =0.0548x+0.0042 （r=0.9996）。精密吸取供試樣品溶液2 mL進(jìn)行UV測(cè)定，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線方程求出多糖質(zhì)量濃度，然后根據(jù)公式求出多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

式中，C為多糖稀釋液中葡萄糖質(zhì)量濃度，mg/L；D為多糖溶液的稀釋倍數(shù)；f為多糖換算因子，由回歸方程計(jì)算得來(lái)，本試驗(yàn)f=2.38；W為樣品質(zhì)量，μg。

1.3.4 抗氧化活性測(cè)定 DPPH清除率參照文獻(xiàn)[14]方法，采用分光光度法測(cè)定。

DPPH清除率（%）=A空白-A樣品A空白×100

清除超氧陰離子活力按照檢測(cè)試劑盒方法測(cè)定。定義每毫克樣品在37℃下反應(yīng)1 min，使反應(yīng)體系中H2O2濃度降低1 mmo1/L為一個(gè)清除羥自由基活力單位。

清除超氧陰離子活力（U/mg）=A對(duì)照-A樣品A對(duì)照-A標(biāo)準(zhǔn)×標(biāo)準(zhǔn)濃度×1000 mL × 樣本稀釋倍數(shù)。

總抗氧化活力按照檢測(cè)試劑盒方法測(cè)定。定義在37℃下，每分鐘每毫克樣品使反應(yīng)體系的吸光值增加0.01為一個(gè)總抗氧化活力單位。

總抗氧化活力（U/mg）=A樣品-A對(duì)照0.01×30 ×反應(yīng)液總體積（mL）取樣量（mL） ×樣本稀釋倍數(shù)

1.4 生態(tài)因子指標(biāo)的選取

主要選取對(duì)太子參藥材產(chǎn)量和質(zhì)量有重要影響的生態(tài)環(huán)境因子。太子參喜溫暖濕潤(rùn)氣候，怕高溫，抗寒力強(qiáng)，忌強(qiáng)光，有低溫發(fā)芽、越冬的特性，在-20℃也可安全越冬[15]。因此，在選擇用于區(qū)劃的生態(tài)因子時(shí)，本研究選取了溫度、降水、海拔、日照等9個(gè)生態(tài)因子的最暖季平均溫、最冷季平均溫、空氣濕度、光照強(qiáng)度等55個(gè)指標(biāo)。氣候因子數(shù)據(jù)是根據(jù)1950—2000年間的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)插值而成（分辨率1 km）。

1.5 生態(tài)適宜性區(qū)劃方法

以太子參活性成分含量為因變量，將地理變異與時(shí)空變異結(jié)合起來(lái)，采用典型相關(guān)分析、逐步回歸，得到氣候因子與太子參“道地性”特征成分的相關(guān)模型，確定影響太子參質(zhì)量的氣候主導(dǎo)因子。然后以典型相關(guān)篩選得到的氣候因子為自變量，以太子參活性成分的含量為因變量，利用逐步回歸方法建立太子參各組分與相應(yīng)氣候因子的回歸模型，確定影響太子參藥材質(zhì)量的氣候限制因子。

使用Surfer 7.0軟件，對(duì)氣候主導(dǎo)因子和氣候限制因子的月平均值進(jìn)行空間插值，形成二者的空間分布圖。然后基于該圖，利用ArcGIS 8.1軟件，根據(jù)太子參各道地性組分與氣候因子的回歸模型，分別建立各道地性組分的空間分布模型。將各組分的空間分布模型進(jìn)行疊加，得到一個(gè)太子參道地性組分的空間分布模型。對(duì)該空間模型修訂后進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬等級(jí)劃分，分為最適宜、適宜、較適宜、不適宜4個(gè)等級(jí)，并利用ArcGIS制圖輸出功能，完成太子參地理分布模式的構(gòu)建和生態(tài)適宜性區(qū)劃。

應(yīng)用Maxent 3.3.3c軟件對(duì)山東太子參進(jìn)行適生區(qū)預(yù)測(cè)，運(yùn)行2次，第1次運(yùn)算目的是識(shí)別主要環(huán)境變量，篩選出對(duì)太子參生長(zhǎng)分布有影響的生態(tài)因子；第2次運(yùn)算則篩選出對(duì)太子參分布貢獻(xiàn)較大的生態(tài)因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 太子參適宜生境的篩選

首先測(cè)定各樣點(diǎn)采集的太子參中環(huán)肽A、環(huán)肽B和多糖含量及超氧陰離子自由基清除活性（見(jiàn)表3），然后將其與55個(gè)生態(tài)因子指標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Maxent模型中進(jìn)行初步運(yùn)算，得到55個(gè)生態(tài)因子指標(biāo)對(duì)道地性組分的貢獻(xiàn)率大小。然后將貢獻(xiàn)率大于0的因子重新帶入模型中進(jìn)行第二次運(yùn)算，再根據(jù)貢獻(xiàn)率之和大于95%的原則，進(jìn)行第三次運(yùn)算，得到14個(gè)生態(tài)因子指標(biāo)的貢獻(xiàn)率大小（見(jiàn)表4）。從貢獻(xiàn)率大小來(lái)看，氣溫和降水量是影響太子參生長(zhǎng)和分布的重要因素。依據(jù)總貢獻(xiàn)率大于95%的原則，結(jié)合太子參生長(zhǎng)規(guī)律，最終選取年均溫變化范圍、12月平均降雨量、土壤類型、土壤質(zhì)地分類、海拔、有機(jī)碳含量、1月平均溫度、10月平均溫度、坡向和9月平均溫度10個(gè)生態(tài)因子指標(biāo)。

從不同因子的響應(yīng)曲線（圖1）可以看出，各生態(tài)因子對(duì)太子參栽培種植的影響程度各不相同，其中縱坐標(biāo)越大，代表生態(tài)因子范圍越適宜太子參的生長(zhǎng)。根據(jù)Maxent模型計(jì)算結(jié)果中各個(gè)因子的響應(yīng)曲線，確定各個(gè)因子相對(duì)于太子參生長(zhǎng)最適宜的指標(biāo)值。最終得到10個(gè)因子最適宜范圍為：年均溫變化范圍（最暖月最高溫-最冷月最低溫）為20～32℃，12月平均降雨量為22～31 mm，土壤類型以施肥、灌溉過(guò)的人為土為主，土壤質(zhì)地分類以壤土為主，海拔為1 100～1 300 m，有機(jī)碳含量為0～1.7%之間，1月平均溫度為-10～-5℃，10月平均溫度為14～16℃，坡向以西南和東南為宜，9月平均溫度為22～25℃。

2.2 Maxent模型的準(zhǔn)確性分析

ROC曲線分析方法在物種潛在分布模型的評(píng)價(jià)中應(yīng)用較為廣泛。ROC曲線下的面積為AUC值，AUC的取值在0.5～1.0之間，值越大表示環(huán)境變量與預(yù)測(cè)的物種地理分布模型之間的相關(guān)性越大，即模型的預(yù)測(cè)效果越好。一般AUC值在0.9～1.0范圍內(nèi)表示預(yù)測(cè)效果極好，0.8～0.9表示預(yù)測(cè)效果好，0.7～0.8表示預(yù)測(cè)效果一般，而0.7以下則表示預(yù)測(cè)效果較差。由圖2可知，訓(xùn)練集的AUC值為0.965，測(cè)試集的AUC值為0.901，表明該預(yù)測(cè)模型分析得到的山東太子參區(qū)劃結(jié)果極好。

2.3 太子參適宜種植區(qū)劃分

根據(jù)生態(tài)適宜區(qū)劃分方法，本研究將太子參種植區(qū)分為不適宜區(qū)[0，0.3631]、適宜區(qū)（0.3631，0.6309]、最適宜區(qū)（0.6309，1]。由圖3可以看出，太子參最適宜種植區(qū)主要集中在威海市中部和西部，煙臺(tái)市東部，濟(jì)南市南部，臨沂市南部，青島市東南部。具體主要包括威海市的文登區(qū)、榮成市、乳山市東部，煙臺(tái)市的牟平區(qū)東部，青島市的東南部，濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)，泰安市北部，臨沂市的蒙陰縣和臨沭縣。

將山東省地圖進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)換后，與生長(zhǎng)區(qū)劃圖層疊加，得到不同市區(qū)的太子參種植最適宜區(qū)和適宜區(qū)面積。結(jié)果（表5）顯示，威海市、煙臺(tái)市和青島市的太子參最適宜區(qū)面積最大，分別達(dá)到585.65、224.13、138.19 km2，分別占最適宜區(qū)總面積的54.87%、21.00%和12.95%。在適宜區(qū)中，臨沂市所占面積最大，達(dá)到928.44 km2，其次是煙臺(tái)市（575.94 km2）和威海市（544.71 km2）。但由于山東省地形較為復(fù)雜，實(shí)際適宜種植面積相比理論值要小的多。

2.4 藥材質(zhì)量與生態(tài)因子指標(biāo)的相關(guān)性

根據(jù)前面篩選得到的14個(gè)生態(tài)因子數(shù)據(jù)，選取其中的連續(xù)型數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，與藥材活性成分進(jìn)行相關(guān)性分析。由表6可見(jiàn)，多糖含量高低與生境適宜度（由Maxent 3.3.3c軟件分析所得）呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），說(shuō)明越適宜太子參生長(zhǎng)的地區(qū)，其多糖含量相對(duì)越低；此外，多糖含量與海拔呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），而與1月平均溫度、9月平均溫度和晝夜溫差月均值呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。太子參環(huán)肽B含量與4月平均降雨量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與11月平均溫度顯著相關(guān)（P<0.05），而與海拔呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。太子參環(huán)肽A含量與年均溫變化范圍和晝夜溫差月均值呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），而與生境適宜度和12月平均降雨量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。超氧陰離子自由基清除能力與各生態(tài)因子的相關(guān)性不明顯（P>0.05）。表明，太子參藥材質(zhì)量?jī)?yōu)劣與其生長(zhǎng)地所在環(huán)境是密不可分的，但利用Maxent模型得到的適宜生境其藥材質(zhì)量并不一定好。

3 結(jié)論

本研究對(duì)山東省太子參進(jìn)行種植適宜區(qū)劃分析，得到太子參種植的最優(yōu)生境和最適宜區(qū)。最優(yōu)生境滿足：年均溫變化范圍（最暖月最高溫-最冷月最低溫）為20～32℃，12月平均降雨量為22～31 mm，土壤類型以施肥、灌溉過(guò)的人為土為主，土壤質(zhì)地分類以壤土為主，海拔為1 100～1 300 m，有機(jī)碳含量為0～1.7%，1月平均溫度為-10～-5℃，10月平均溫度為14～16℃，坡向以西南和東南為宜，9月平均溫度為22～22℃。最適宜種植區(qū)主要集中在威海市的文登區(qū)、榮成市、乳山市東部，煙臺(tái)市的牟平區(qū)東部，青島市的東南部，濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)，泰安市北部，臨沂市的蒙陰縣和臨沭縣。

通過(guò)分析生長(zhǎng)環(huán)境與太子參藥材質(zhì)量的相關(guān)性，認(rèn)為太子參藥材化學(xué)成分的積累離不開(kāi)環(huán)境因子的作用，尤其是氣溫和降雨量對(duì)太子參藥材質(zhì)量的影響最大。此外，利用Maxent模型得到的太子參種植適宜區(qū)的藥材質(zhì)量并不一定好，人為因素也是影響太子參生長(zhǎng)的重要因素。

參 考 文 獻(xiàn)：

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