基于AcrGIS中協(xié)同克里金插值的米槁品質(zhì)適宜性分析及評(píng)價(jià)

陳敬忠， 劉濟(jì)明， 王 燈， 黃小龍

(貴州大學(xué)林學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025)

1 引 言

米槁(Cinnamomum migao H. W. Li)系樟科樟屬植物，主要分布于滇黔桂三省交界處[1-2]，其干燥果實(shí)為我國(guó)西南地區(qū)著名苗藥大果木姜子(Cinnamomum fructus)，具有溫中散寒，理氣止痛之功效，在治療胃腸道疾病方面療效顯著[3-5]，而且果實(shí)脂肪含量很高，不失為一種優(yōu)良的油料作物[6-7]，是中成藥金喉健噴霧劑、理氣活血滴丸、心胃止痛膠囊主要原料藥，現(xiàn)收載于《貴州省中藥材、民族藥材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》2003版[8].由于野外藏量較小、生境破碎化、自身更新障礙、人為砍伐嚴(yán)重、臨床需求大等原因?qū)е旅组乱巴饩尤簲?shù)量已在瀕危邊緣，對(duì)其開(kāi)展野外種群保護(hù)與人工栽培選育工作迫在眉睫[9-10].但是相關(guān)研究表明不同產(chǎn)地米槁果實(shí)成分含量差異較大[11-13]，在人工栽培過(guò)程中面臨著以下關(guān)鍵問(wèn)題：如何選擇合適的種植區(qū)域？在何種環(huán)境因子影響下產(chǎn)出的米槁果實(shí)品質(zhì)較好？回答上述關(guān)鍵問(wèn)題則需要對(duì)米槁品質(zhì)區(qū)劃研究，尋找出影響米槁品質(zhì)形成的關(guān)鍵環(huán)境因子和相應(yīng)化學(xué)物質(zhì)積累的最佳產(chǎn)區(qū).

就藥材品質(zhì)區(qū)劃而言，較多大宗藥材已完成品質(zhì)區(qū)劃的研究，并積累了大量的本底資料[14].對(duì)于高品質(zhì)中心與生長(zhǎng)高度適宜區(qū)重合的品種，生產(chǎn)區(qū)劃完全能夠采用生態(tài)適宜性傳統(tǒng)的區(qū)劃方法實(shí)現(xiàn)[15].但是很多藥材道地產(chǎn)區(qū)與生長(zhǎng)適宜產(chǎn)區(qū)并不完全重疊，在對(duì)這些藥材進(jìn)行品質(zhì)區(qū)劃時(shí)不僅應(yīng)當(dāng)考慮藥材生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境的適宜性，更要兼顧環(huán)境因子對(duì)有效成分積累的影響[16].只有兼顧質(zhì)量與產(chǎn)量，這樣藥材的品質(zhì)才能夠保證.在藥材品質(zhì)區(qū)劃的研究中，AcrGIS的空間插值功能是一個(gè)強(qiáng)有力的輔助工具，相應(yīng)插值方法如反距離權(quán)重法(IDW)、徑向基函數(shù)法(RBF)、普通克里金法(OK)和協(xié)同克里金法(CC)等插值方法均能用于藥材品質(zhì)區(qū)劃[17-18].尤其是協(xié)同克里金法在藥材品質(zhì)區(qū)劃中尤為適宜，協(xié)同克里金插值能夠容納多個(gè)解釋變量，能夠較好反應(yīng)多個(gè)環(huán)境因子對(duì)藥材品質(zhì)的影響.目前在米槁相關(guān)研究中，尚未見(jiàn)對(duì)米槁果實(shí)藥效物質(zhì)基礎(chǔ)的確切報(bào)道[19-20]，《貴州省中藥材、民族藥材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中也僅僅采用對(duì)照藥材作為米槁果實(shí)質(zhì)量控制的依據(jù)[7].結(jié)合目前對(duì)米槁化學(xué)成分的研究文獻(xiàn)，本文選取總黃酮、粗脂肪、總糖、還原糖、多糖、粗多糖、可溶性多糖等代謝產(chǎn)物作為米槁果實(shí)品質(zhì)評(píng)價(jià)的指標(biāo)[6-7,21-23]，對(duì)不同產(chǎn)地米槁藥材質(zhì)量做出初步評(píng)價(jià).在課題組前期應(yīng)用MaxEnt 模型對(duì)米槁生態(tài)適宜性的研究成果的基礎(chǔ)上借助協(xié)同克里金插值對(duì)米槁果實(shí)進(jìn)行品質(zhì)區(qū)劃[24]，為后期米槁人工栽培與管理的提供參考依據(jù).

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

實(shí)驗(yàn)所用材料全部為2018年年末采集，考慮到當(dāng)年氣候?qū)γ组鹿麑?shí)發(fā)育形成占有主導(dǎo)影響作用，本文將選擇來(lái)自滇黔桂閩粵5省92氣象站2018年全年氣象觀測(cè)記錄，包含溫度日照時(shí)數(shù)、降雨量、濕度、氣壓、風(fēng)速等相關(guān)數(shù)據(jù)作為插值資料，采用在氣象插值中常用的反距離權(quán)重插值法(IDW是Acrgis軟件中常用的插值方法，由空間自相關(guān)性原則進(jìn)行插值)，采樣點(diǎn)氣候數(shù)據(jù)與品質(zhì)空間插值解釋變量均使用此柵格數(shù)據(jù).

2.2 方 法

2.2.1 米槁藥材生態(tài)適宜性分析 根據(jù)課題組前期對(duì)米槁生態(tài)適宜性的研究，采用米槁的生態(tài)適宜性區(qū)劃的基礎(chǔ)上進(jìn)行米槁品質(zhì)區(qū)劃[24].

表1 米槁采樣點(diǎn)分布點(diǎn)

2.2.2 指標(biāo)性成分與環(huán)境因子的相關(guān)性分析 通過(guò) Spearman 相關(guān)性系數(shù)法對(duì)2018年12月集中采集的22個(gè)樣本(表1)的測(cè)定指標(biāo)與環(huán)境因子、土壤理化因子和化學(xué)成分含量數(shù)據(jù)的進(jìn)行相關(guān)性分析，對(duì)米槁果實(shí)品質(zhì)影響顯著的環(huán)境因子進(jìn)行克里金空間插值和以雙線性法進(jìn)行重采樣和分類(lèi)處理，繪制米槁果實(shí)中粗脂肪、糖類(lèi)、總黃酮含量空間分布模式分布圖.米槁果實(shí)綜合果品質(zhì)量評(píng)價(jià)采用AcrGIS中的模糊疊加生成品質(zhì)分布圖.

2.2.3 土壤酶指標(biāo)測(cè)定 酸性磷酸酶(S-ACP)、脲酶(S-UE)、過(guò)氧化氫酶(S-CAT)采用試劑盒進(jìn)行測(cè)定，方法與結(jié)果計(jì)算參照試劑公司方案(北京索萊寶生物科學(xué)技術(shù)有限公司).

2.2.4 土壤營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)測(cè)定 pH值(水浸提-電位法)、有機(jī)質(zhì)(重鉻酸鉀氧化容量法)、全氮(半微量開(kāi)氏法)、全磷(鉬銻抗比色法)、全鉀(火焰光度法)、堿解氮(半微量開(kāi)氏法)、有效磷(鉬銻抗比色法)、速效鉀(火焰光度法)(魯如坤，1999)[25].

2.2.5 米槁果實(shí)化學(xué)成分測(cè)定 22份米槁果實(shí)樣品均經(jīng)貴州大學(xué)林學(xué)院教授劉濟(jì)明準(zhǔn)確鑒定，憑證藥材現(xiàn)保存于貴州大學(xué)生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室.粗脂肪測(cè)定采用粗脂肪提取器測(cè)定，總黃酮、總糖、多糖、粗多糖、還原糖、可溶性多糖采用比色法進(jìn)行測(cè)定[6-7,21].

3 結(jié)果與分析

3.1 米槁果實(shí)化學(xué)成分測(cè)定結(jié)果

依據(jù)劉剛、王金華等人[6-7,31]對(duì)米槁果實(shí)粗脂肪、糖類(lèi)、總黃酮的建立的測(cè)定方法，對(duì)采集的22份米槁果實(shí)樣品粗脂肪總黃酮、總糖、多糖、粗多糖、可溶性多糖含量進(jìn)行測(cè)定(圖1).從含量測(cè)定結(jié)果來(lái)看，不同產(chǎn)地間糖類(lèi)、脂肪、總黃酮含量差異較大，說(shuō)明對(duì)不同產(chǎn)地米槁果實(shí)進(jìn)行品質(zhì)區(qū)劃具有較高的現(xiàn)實(shí)意義.

3.2 不同產(chǎn)地米槁根際土壤理化性質(zhì)測(cè)定結(jié)果

采集的22份米槁果實(shí)母株根際土壤樣品理化因子酸性磷酸酶(S-ACP)、脲酶(S-UE)、過(guò)氧化氫酶(S-CAT)、pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀相關(guān)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖2.可知米槁大多適合生長(zhǎng)在PH值為6以下酸性土壤當(dāng)中，而且不同產(chǎn)地米槁根際土壤中酸性磷酸酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀均具有較大差異，說(shuō)明土壤理化性質(zhì)可能是影響米槁果品質(zhì)量的重要因素.

3.3 米槁果實(shí)品質(zhì)區(qū)劃

3.3.1 米槁果實(shí)相關(guān)指標(biāo)空間含量估計(jì) 應(yīng)用Arcgis空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，采用 Moran I 系數(shù)法評(píng)價(jià)研究區(qū)粗脂肪和總黃酮、糖類(lèi)(多糖、粗多糖、還原糖、可溶性多糖)含量空間自相關(guān)水平，結(jié)果見(jiàn)表2.表明在樣點(diǎn)區(qū)內(nèi)米槁相關(guān)化學(xué)成分在各自在空間上均呈聚集狀與正相關(guān)，可以進(jìn)行克里金空間插值分析.

表2 相關(guān)化學(xué)成分的Moran Ⅰ 指數(shù)

通過(guò) Spearman 相關(guān)性系數(shù)法對(duì)不同產(chǎn)地米槁果實(shí)糖類(lèi)、粗脂肪、總黃酮的含量測(cè)定結(jié)果與環(huán)境因子、土壤理化因子和化學(xué)成分含量數(shù)據(jù)的進(jìn)行相關(guān)性分析，篩選對(duì)米槁相關(guān)化學(xué)成分具有顯著影響的因素(表3).可知在環(huán)境因子中：與總糖含量顯著相關(guān)的速效鉀、有效磷、平均最低氣壓，與還原糖顯著相關(guān)的為速效鉀、平均日照時(shí)數(shù)，與可溶性多糖顯著相關(guān)的為速效鉀、最熱七天氣溫，與粗多糖顯著相關(guān)的為全磷、年平均氣溫、平均氣壓、平均最高氣溫、平均水汽壓、平均2分鐘風(fēng)速，與多糖顯著相關(guān)的全磷、速效鉀、年平均氣溫、平均最高氣溫，與總黃酮顯著相關(guān)的為過(guò)氧化氫酶、平均最高氣溫，與粗脂肪顯著相關(guān)的為脲酶、速效鉀、平均日照時(shí)數(shù).

圖2 米槁根際土壤理化因子測(cè)定結(jié)果Fig.2 Determination of physiochemical factors in rhizosphere soil of C. migao

表3 氣候與土壤因子對(duì)米槁果品影響的顯著度

*表示差異顯著(P<0.05)；**表示極顯著差異(P<0.01)

The *means statistical significance (P< 0.05), and the **meanssignificance at P<0.01

圖3 相關(guān)化學(xué)成分的空間插值結(jié)果Fig.3 Spatial interpolation results of related chemical components

選擇對(duì)總糖含量影響較大平均最低氣溫，對(duì)還原糖影響較大的日照時(shí)數(shù)，對(duì)可溶性多糖影響較大平均氣壓，對(duì)粗多糖影響較大年平均氣溫、平均氣壓、平均最高氣溫、平均水氣壓、平均2分鐘風(fēng)速，對(duì)多糖影響較大年平均氣溫、平均最高氣溫，對(duì)總黃酮影響較大的平均最高氣溫，對(duì)粗脂肪影響較大平均2分鐘風(fēng)速，以上相關(guān)氣候因子作為各自的解釋變量借助協(xié)同克里金方法進(jìn)行空間插值計(jì)算，并以前期米槁生態(tài)適宜性區(qū)劃結(jié)果適宜區(qū)作為掩膜進(jìn)行空間插值計(jì)算，并將適生區(qū)行政地圖疊加，便于區(qū)劃描述.插值計(jì)算結(jié)果如下(圖3).

從空間插值結(jié)果來(lái)看：粗多糖含量從西往東呈逐步增加趨勢(shì)，隨后由北向南遞減，在廣西壯族自治區(qū)百色、貴港以及廣東省云浮、梅州等地含量最高、貴州省黔南、黔東南等地次之；多糖含量在空間分布上由南向北呈逐漸增加的趨勢(shì)，在廣西壯族自治區(qū)柳州、賀州、桂林，貴州省的黔南、黔東南以及廣東省的佛山、揭陽(yáng)、汕尾等地含量最高；還原糖含量在空間分布上則表現(xiàn)間斷分布趨勢(shì)，在云南省的紅河、文山，廣西壯族自治區(qū)的玉林、茂名以及廣東省河源、汕尾、揭陽(yáng)、梅州等地的部分地區(qū)含量最高，而在貴州省黔南等地含量最低；可溶性多糖含量在空間分布從西往東呈逐步遞增的趨勢(shì)，在廣西壯族自治區(qū)的百色、柳州、賀州以及廣東省的云浮、肇慶、梅州等地含量最高；總糖含量在空間分布則表現(xiàn)為由北向南呈現(xiàn)出逐步升高的趨勢(shì)，在廣東省的揭陽(yáng)、汕尾、惠州、江門(mén)、陽(yáng)江、云浮以及廣西壯族自治區(qū)的玉林、防城港、崇左、貴港、百色、河池的部分地區(qū)含量最高；總黃酮含量在空間分布呈現(xiàn)從西向東呈現(xiàn)含量逐漸降低的趨勢(shì)，在貴州省畢節(jié)、六盤(pán)水、安順、黔南等地部分區(qū)域含量最高，在廣西壯族自治區(qū)百色、玉林以及廣東省的茂名、云浮等地最低；粗脂肪含量在空間分布同樣呈現(xiàn)出間斷變化的趨勢(shì)，在西部云南省曲靖、貴州省六盤(pán)水以及東部廣西壯族自治區(qū)、廣東省大部分地區(qū)含量最高，而在中部的廣西壯族自治區(qū)、貴州省部分區(qū)域含量最低.

3.3.2 米槁果實(shí)品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果 根據(jù)米槁果實(shí)的綜合評(píng)價(jià)體系，包括前期生長(zhǎng)適宜性區(qū)劃和對(duì)黃酮、粗脂肪、糖類(lèi)品質(zhì)區(qū)劃結(jié)果，基于ArcGIS圖層模糊疊加功能，對(duì)米槁品質(zhì)進(jìn)行品質(zhì)區(qū)劃(圖4).由圖可知，米槁果實(shí)品質(zhì)積累較好的主要分布廣西壯族自治區(qū)境內(nèi)百色、柳州、賀州以及廣東省的云浮、梅州等地.

圖4 米槁果實(shí)品質(zhì)的區(qū)劃結(jié)果Fig.4 Distribution results of fruit quality of C. migao

4 討 論

4.1 植物代謝產(chǎn)物積累與環(huán)境因子之間的關(guān)系

在影響米槁果實(shí)品質(zhì)相關(guān)的環(huán)境因子中，本文選取了11個(gè)土壤理化因子和12氣候因子參與評(píng)價(jià)，分析結(jié)果顯示在土壤因子中脲酶、過(guò)氧化氫酶，全磷、速效鉀、有效磷這幾個(gè)土壤因子是影響米槁果實(shí)品質(zhì)的重要因素.但是筆者在進(jìn)行空間插值未將上述土壤因子進(jìn)行空間插值，主要原因在于空間插值在地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間分析中，主要用于將離散點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)數(shù)據(jù)曲面，以便與其他空間現(xiàn)象分布模式比較，通過(guò)已知點(diǎn)數(shù)據(jù)推求同一區(qū)域未知點(diǎn)數(shù)據(jù)，或推求其它區(qū)域數(shù)據(jù)[15].在對(duì)地區(qū)氣候、降水以及農(nóng)作物產(chǎn)量估計(jì)都較為廣泛[26-27].但是針對(duì)上述土壤理化因子來(lái)說(shuō)局限較大，由于不同土地利用方式、地勢(shì)、水流等因素影響下，導(dǎo)致在同一地理區(qū)域土壤理化因子狀況差異很大，大尺度空間插值并不能很好的反應(yīng)地區(qū)土壤狀況，用此插值結(jié)果參與建模也可能會(huì)導(dǎo)致預(yù)本次測(cè)結(jié)果誤差過(guò)大[28-29].但土壤因子(特別是土壤肥力狀況)又是在中藥材品質(zhì)形成過(guò)程不可忽視的重要因素，許多大宗藥材如丹參、黨參、佛手等藥材品質(zhì)(尤其是產(chǎn)量)都與土壤因子息息相關(guān)[30]，本研究結(jié)果也很好的說(shuō)明了這一問(wèn)題.所以在較大尺度對(duì)藥材品質(zhì)進(jìn)行區(qū)劃研究時(shí)，特殊小生境背后獨(dú)特的環(huán)境因子(立地條件、小氣候)對(duì)藥材品質(zhì)形成不可忽視，這也可能是很多中藥材道地產(chǎn)區(qū)狹窄的重要原因，如同為遵義地區(qū)出產(chǎn)銀杏葉中兩個(gè)產(chǎn)地含量相差數(shù)百倍，浙貝傳統(tǒng)認(rèn)為道地產(chǎn)區(qū)僅僅是在浙江象山[31].中藥材品質(zhì)是在注重藥效物質(zhì)含量同時(shí)兼顧產(chǎn)量，二者積累在較大程度受環(huán)境影響.而氣候因子地域差異較大，利用空間插值實(shí)現(xiàn)藥材品質(zhì)的空間化，結(jié)合篩選后的氣候因子和小區(qū)域內(nèi)土壤相關(guān)理化性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)藥材品質(zhì)形成機(jī)制研究大尺度與微觀的結(jié)果，為中藥材栽培馴化和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)指明方向[15].

4.2 藥材品質(zhì)區(qū)劃與生長(zhǎng)區(qū)劃的差異

通過(guò)對(duì)比米槁果實(shí)品質(zhì)區(qū)劃結(jié)果與課題組生長(zhǎng)區(qū)劃結(jié)果來(lái)看，米槁品質(zhì)形成最佳區(qū)域與生長(zhǎng)適宜性最佳區(qū)域在大尺度上是重合的，但是在小區(qū)域并不吻合[24].從米槁的實(shí)際分布數(shù)據(jù)與生態(tài)適宜性區(qū)劃來(lái)看，其最佳生態(tài)適宜區(qū)主要集中在黔桂交界紅水河兩岸(河池、百色、黔東南)，而在品質(zhì)形成最佳區(qū)域主要集中在廣西壯族自治區(qū)境內(nèi)百色、柳州、賀州以及廣東省的云浮、梅州等地的部分區(qū)域.因此，在對(duì)藥材進(jìn)行生產(chǎn)區(qū)劃時(shí)僅僅考慮藥材生態(tài)適宜性作為生產(chǎn)區(qū)劃原則而忽略藥材品質(zhì)形成的最佳區(qū)域可能無(wú)法獲得質(zhì)量保證的藥材.且從生長(zhǎng)適宜性區(qū)劃結(jié)果，米槁生長(zhǎng)適宜性與品質(zhì)形成最佳區(qū)域相較于其他大宗藥材來(lái)說(shuō)極為狹窄，這可能與米槁本身物種特性和喀斯特地區(qū)高度環(huán)境異質(zhì)性相關(guān)[32-33].為保證在人工栽培時(shí)形成質(zhì)優(yōu)效佳的藥材品種，在考慮大尺度生長(zhǎng)適宜性區(qū)劃與品質(zhì)區(qū)劃基礎(chǔ)上，充分考察小區(qū)域的環(huán)境特性.才能保證藥材品質(zhì)，只有在保證藥材品質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下，再結(jié)合生態(tài)適宜性區(qū)劃以保證藥材產(chǎn)量.

5 結(jié) 論

本研究選取糖類(lèi)、粗脂肪、總黃酮三類(lèi)物質(zhì)作為米槁果實(shí)品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取23個(gè)環(huán)境因子參與評(píng)價(jià)，完成了米槁果實(shí)品質(zhì)區(qū)劃.結(jié)合前期對(duì)米槁的實(shí)地調(diào)查，綜合考慮土壤、氣候、藥材質(zhì)量與產(chǎn)量等因素，建議米槁在人工栽培選址時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇在氣候相對(duì)適宜且土地肥沃區(qū)域的黔桂交界處的紅水河河谷地帶為宜.