基于生長(zhǎng)和藥效品質(zhì)因子的秦巴山區(qū)山茱萸種植適宜性分區(qū)研究

薛靖晨，高義民*，謝亞婷，王 珂，陶 雷，楊維霞

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊陵 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 化學(xué)與藥學(xué)院，陜西 楊陵 712100)

現(xiàn)代中藥產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對(duì)中藥原料的資源需求急劇增長(zhǎng)，中藥材研究迫切需要解決藥材資源不足、供需矛盾突出等問(wèn)題，而種植藥材的產(chǎn)量、性狀及藥效品質(zhì)與其產(chǎn)地的氣候、土壤等生態(tài)因子密切相關(guān)[1]。目前，基于優(yōu)質(zhì)藥材產(chǎn)地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)等研究?jī)?nèi)容的中藥品質(zhì)生態(tài)學(xué)成為一門新興的熱門應(yīng)用學(xué)科，受到研究者普遍關(guān)注[2]。

山茱萸為山茱萸科(Cornaceae)山茱萸屬(Cornus)的植物山茱萸(Cornusofficinalis)的干燥成熟果肉，含有環(huán)烯醚萜、鞣質(zhì)、黃酮、三萜、芳香酚酸、揮發(fā)油類等化學(xué)成分，具有廣泛的藥理作用[3]，市場(chǎng)開發(fā)和應(yīng)用前景廣闊。國(guó)內(nèi)外關(guān)于山茱萸生態(tài)學(xué)及生物學(xué)特性[4]、化學(xué)成分及其不同活性成分含量的測(cè)定[5]、山茱萸炮制品及其質(zhì)量控制[6]、山茱萸的藥理作用原理[7]以及山茱萸良種選育及栽培技術(shù)[8]等方面已大量研究報(bào)道，但對(duì)于生態(tài)因子與山茱萸生長(zhǎng)和藥效品質(zhì)形成的效應(yīng)機(jī)制研究較為薄弱[9]。目前對(duì)山茱萸的生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)研究主要采用基于分布模型的最大熵模型(Maxent)，通過(guò)選取已知的分布樣本數(shù)據(jù)和相關(guān)生物氣候變量，根據(jù)一定的算法運(yùn)算來(lái)構(gòu)建模型，基于可獲取的有限的物種分布點(diǎn)及其所關(guān)聯(lián)的環(huán)境參數(shù)，判斷其生態(tài)需求，并將運(yùn)算結(jié)果投射至不同的時(shí)間和空間中以預(yù)測(cè)物種的實(shí)際分布和潛在分布[10-11]。但由于存在樣本采集數(shù)量有限、所選取的環(huán)境變量與山茱萸生長(zhǎng)及藥效品質(zhì)效應(yīng)關(guān)系不夠明確等問(wèn)題，預(yù)測(cè)結(jié)果的適宜性分布區(qū)過(guò)于籠統(tǒng)[12]，同時(shí)評(píng)價(jià)因子多關(guān)注于氣候因子，對(duì)土壤肥力因子很少涉及，導(dǎo)致適宜區(qū)劃分的實(shí)踐性較差。

秦巴山區(qū)位于我國(guó)中部，地跨甘肅、四川、陜西、重慶、河南、湖北5省1市，是中國(guó)氣候南北過(guò)渡帶，也是中國(guó)重要的生態(tài)屏障，植物種類資源豐富，發(fā)展林業(yè)經(jīng)濟(jì)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)保護(hù)和鄉(xiāng)村振興具有重要意義[13]。山茱萸在全區(qū)野生資源豐富，人工種植較為廣泛。但由于區(qū)內(nèi)地理和氣候條件復(fù)雜多樣，不同地區(qū)、不同生長(zhǎng)條件下的山茱萸在生長(zhǎng)和藥效品質(zhì)方面存在明顯的區(qū)域差異[14]。為此，本研究從影響山茱萸生長(zhǎng)和藥效品質(zhì)形成的氣候、土壤、地形和植被類型等因子綜合進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)和精細(xì)化分區(qū)，對(duì)完善中藥品質(zhì)生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)理論、指導(dǎo)秦巴山區(qū)發(fā)展中藥材種植產(chǎn)業(yè)，因地制宜調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等具有重要指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取位于陜西省境內(nèi)的陜南秦巴山區(qū)為研究區(qū)(31°40′-34°25′N，105°30′-111°20′E)，包括商洛、安康、漢中3市全境及寶雞市鳳縣、太白2縣(圖1)，共30個(gè)縣/區(qū)，483個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積7.63萬(wàn) km2。全區(qū)地處亞熱帶西段北緣地帶，年均降水610～1 200 mm，年均氣溫7.5～14.2 ℃，區(qū)內(nèi)地勢(shì)南北高、地貌類型多樣，山體垂直落差較大，水資源豐富，自然植被發(fā)育旺盛，植被類型多樣，藥用植物物種組成豐富，是我國(guó)道地藥材的主要產(chǎn)區(qū)之一[15]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本研究所使用的氣象數(shù)據(jù)主要來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)和溫室數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(http://data.sheshiyuanyi.com/)，并以世界氣候數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.worldclim.org/)作為補(bǔ)充，形成連續(xù)30 a的各氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)(GDEMDEM 30M分辨率的數(shù)字高程基礎(chǔ)數(shù)據(jù))來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)。植被類型和土壤質(zhì)地及其他相關(guān)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來(lái)源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于陜西省耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)所采集的1 351個(gè)農(nóng)田土壤理化性質(zhì)分析結(jié)果(2016年)。氣象站和土壤養(yǎng)分采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 陜西秦巴山區(qū)地理區(qū)位

采用Microsoft Excel 2016和SPSS Statistics 24.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和氣象數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換。由于秦巴山區(qū)地形復(fù)雜，氣候多變，為提高氣象數(shù)據(jù)的擬合精度，在研究區(qū)域內(nèi)30個(gè)氣象站基礎(chǔ)上，將周邊區(qū)域14個(gè)基準(zhǔn)氣象站，33個(gè)一般氣象站共計(jì)77個(gè)氣象站多年觀測(cè)數(shù)據(jù)一并納入插值運(yùn)算過(guò)程，并采用氣象數(shù)據(jù)曲面擬合軟件ANUSPLIN進(jìn)行氣象要素的空間插值。應(yīng)用ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)處理、柵格數(shù)據(jù)疊置分析和專題地圖制作，并采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行克里格插值分析。所有插值結(jié)果以200 m柵格單元作為基本評(píng)價(jià)單元。

1.3 生長(zhǎng)和品質(zhì)影響因子的篩選及閾值的確定

生態(tài)環(huán)境因子通過(guò)影響藥材生長(zhǎng)發(fā)育和有效成分形成與積累而對(duì)其適宜分布范圍及藥效品質(zhì)產(chǎn)生直接影響[2]。本研究通過(guò)檢索國(guó)內(nèi)外關(guān)于生態(tài)環(huán)境因子與山茱萸生長(zhǎng)、產(chǎn)量、化學(xué)或有效成分等效應(yīng)關(guān)系的中、英文文獻(xiàn)，綜合考慮生長(zhǎng)適宜性的生態(tài)指標(biāo)和有利于化學(xué)指標(biāo)形成的藥效品質(zhì)影響因子2個(gè)方面，從山茱萸生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的角度選擇了6個(gè)氣候因子、2個(gè)土壤養(yǎng)分因子、2個(gè)地形因子和植被類型共計(jì)11個(gè)指標(biāo)，從有利于藥效品質(zhì)形成的角度確定了4個(gè)氣候因子、4個(gè)土壤養(yǎng)分因子、1個(gè)地形因子共計(jì)9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并參照相關(guān)文獻(xiàn)[10,11,16-23]，確定了各個(gè)因子的四級(jí)適宜性分區(qū)閾值，劃分結(jié)果如表1所示。

表1 山茱萸適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)及分區(qū)

1.4 研究方法

1.4.1 層次分析法(AHP)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 采用層次分析法(AHP)[24]最終得到各因子的組合權(quán)重(表2)。針對(duì)山茱萸生長(zhǎng)適宜性評(píng)價(jià)目標(biāo)層，建立氣候、土壤、地形和植被類型4個(gè)要素準(zhǔn)則層，共計(jì)11個(gè)生長(zhǎng)適宜性指標(biāo)層的層次結(jié)構(gòu)模型；針對(duì)山茱萸藥效品質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)目標(biāo)層，建立氣候、土壤、地形3個(gè)要素準(zhǔn)則層，共計(jì)9個(gè)藥效品質(zhì)適宜性指標(biāo)層的層次結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)一致矩陣法，分別構(gòu)造判斷矩陣。層次總排序的一致性檢驗(yàn)結(jié)果均為CR<0.1，總排序一致性檢驗(yàn)通過(guò)，因此各判斷矩陣均具有滿意的一致性。

表2 山茱萸適宜性層次結(jié)構(gòu)模型及因子組合權(quán)重

1.4.2 氣象數(shù)據(jù)曲面擬合專用軟件ANUSPLIN插值形成各氣象因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù) 選取基于薄盤樣條理論的氣象數(shù)據(jù)曲面擬合軟件ANUSPLIN進(jìn)行各氣象因子的空間插值[25]。局部薄盤光滑樣條的理論統(tǒng)計(jì)模型表述如下

Zi=f(xi)+bTyi+ei(i=1,…,n)

(1)

式中:Zi為位于空間i點(diǎn)的因變量；xi為d維樣條獨(dú)立變量矢量，f為要估算的關(guān)于xi未知平滑函數(shù)；yi為p維獨(dú)立協(xié)變量矢量；b為yi的p維系數(shù)；函數(shù)f和系數(shù)b通過(guò)最小二乘估計(jì)來(lái)確定。ei為具有期望值為0和方差為wiσ2的自變量隨機(jī)誤差；wi為作為權(quán)重的已知相對(duì)誤差方差；σ2為所有數(shù)據(jù)點(diǎn)上誤差方差，為常數(shù)，但通常未知；n為觀測(cè)值個(gè)數(shù)[26]。

ANUSPLIN伴隨插值結(jié)果會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)生成能夠判別插值質(zhì)量?jī)?yōu)劣的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。本研究中依據(jù)SIGNAL(信號(hào)自由度)、RTGCV(廣義交叉驗(yàn)證均方根)、RTMSR(殘差均方根)、RTMSE(期望真實(shí)誤差均方根)和SNR(信噪比，即Signal與error的比)等指標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)插值結(jié)果的選取。

1.4.3 GIS疊置分析形成適宜性分區(qū)結(jié)果 基于適宜性分區(qū)閾值(表1)，分別對(duì)氣候、土壤因子插值結(jié)果和地形、植被因子的空間分布圖層分級(jí)，形成各個(gè)評(píng)價(jià)因子的適宜性分區(qū)圖，然后對(duì)各評(píng)價(jià)因子的高度適宜、適宜、勉強(qiáng)適宜和不適宜的空間屬性分別賦值為3、2、1、0，依據(jù)各因子組合權(quán)重結(jié)果(表2)，應(yīng)用GIS疊置分析工具進(jìn)行加權(quán)疊加和專題制圖，最終得到適宜性分區(qū)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 山茱萸生長(zhǎng)適宜性分區(qū)

研究區(qū)域地形復(fù)雜、氣候多變的特點(diǎn)決定了山茱萸在本地區(qū)生長(zhǎng)適宜性多樣化和區(qū)域分布分散的特點(diǎn)(圖2)。從圖2A看，山茱萸生長(zhǎng)高度適宜區(qū)集中分布于研究區(qū)中南部，包括漢中市中東部、安康市中南部大部分地區(qū)和商洛市南部局部地區(qū)；適宜區(qū)分布相對(duì)分散，廣泛分布于研究區(qū)中部和南部的漢中市、安康市、商洛市大部分地區(qū)；勉強(qiáng)適宜區(qū)呈帶狀，主要分布于研究區(qū)北部和西部，南部局部地區(qū)有少量分布；不適宜區(qū)主要位于研究區(qū)西北部的寶雞市區(qū)域及漢中市北部區(qū)域。從圖2B看，山茱萸生長(zhǎng)的高度適宜區(qū)呈帶狀連片分布，主要位于漢中市、安康市中部及商洛市中東部地區(qū)；適宜區(qū)主要分布于漢中市中西部、安康市中東部和商洛市大部；勉強(qiáng)適宜區(qū)主要位于漢中市、安康市四周邊緣區(qū)域和商洛市西部、北部地區(qū)，呈零散分布狀態(tài)；不適宜區(qū)主要位于研究區(qū)西北部和南部邊緣區(qū)域。從圖2C看，高度適宜區(qū)呈明顯斑塊狀，主要位于漢中市中東部、安康市南部和商洛市北部區(qū)域；適宜區(qū)主要位于漢中市中部和東部、安康市南部、商洛市西北部區(qū)域；勉強(qiáng)適宜區(qū)主要位于安康市、商洛市大部分區(qū)域和漢中市西部；不適宜區(qū)主要分布于安康市中部、商洛市東南部、漢中市西部及寶雞市東部區(qū)域。從圖2D看，山茱萸生長(zhǎng)的不同適宜類型區(qū)呈塊狀或條狀分布。高度適宜區(qū)主要分布于研究區(qū)中部偏南區(qū)域，其中在漢中市中部和安康市中南部連片分布，面積較大，商洛市中部和南部有少量分布，共計(jì)占研究區(qū)總面積的19.45%；適宜區(qū)主要分布于漢中市西部、安康市中部和商洛市中南部大片地區(qū)，共計(jì)占研究區(qū)總面積的44.28%；勉強(qiáng)適宜區(qū)主要分布于漢中市、安康市北部和商洛市西、北部區(qū)域，共計(jì)占研究區(qū)總面積的29.13%；不適宜區(qū)主要分布于整個(gè)研究區(qū)域北部和西部區(qū)域，包括寶雞市、漢中市和安康市南部、商洛市北部局部區(qū)域，共計(jì)占研究區(qū)總面積的7.14%。

注：A、 B、C、D分別代表氣候、地形、土壤、生長(zhǎng)適宜性分區(qū)結(jié)果。

2.2 秦巴山區(qū)山茱萸藥效品質(zhì)適宜性分區(qū)

藥用植物的藥效成分多為次生代謝產(chǎn)物，適宜的生態(tài)環(huán)境有利于藥效成分的合成與積累?；跉夂?、地形(坡向)和土壤因子的陜西秦巴山區(qū)山茱萸藥效品質(zhì)適宜性分區(qū)結(jié)果如圖3所示。從圖3A看，山茱萸藥效品質(zhì)的高度適宜區(qū)主要分布于研究區(qū)東部和中南部，表現(xiàn)出明顯的東強(qiáng)西弱的趨勢(shì)，其中在商洛市中南部、安康市中東部大部分區(qū)域集中連片分布；適宜區(qū)呈片狀分布于研究區(qū)中東部和中南部，安康市西部、漢中市東部和商洛市西北部分布面積較大；勉強(qiáng)適宜區(qū)主要分布在研究區(qū)西部和北部，包括漢中市西部、北部和安康市北部大部分區(qū)域；不適宜區(qū)主要分布在研究區(qū)西部和北部，其中漢中市面積較大。從圖3B看，研究區(qū)域藥效品質(zhì)的適宜性分區(qū)呈碎片化分布，趨勢(shì)性不明顯。從圖3C看，山茱萸藥效品質(zhì)的高度適宜區(qū)主要分布于漢中市中南部、安康市中部及商洛市中部和北部的局部區(qū)域；適宜區(qū)呈片狀分散分布于漢中市西南部、安康市中部和商洛市東部、南部等地；勉強(qiáng)適宜區(qū)分布較為集中的區(qū)域包括漢中市西南部、寶雞市西部(鳳縣)、安康市南部和商洛市北部部分地區(qū)；不適宜區(qū)主要分布于漢中市、安康市北部、寶雞市東部(太白縣)、商洛市西部區(qū)域。從圖3D看，山茱萸藥效品質(zhì)的不同適宜類型區(qū)均呈碎片狀，其中，高度適宜區(qū)面積總體研究區(qū)東部多于西部，南部多于北部，主要分布于研究區(qū)中南部和東部區(qū)域，包括漢中市中東部、安康市中部及商洛市東部大部分區(qū)域，占研究區(qū)總面積的24.66%；適宜區(qū)總體趨勢(shì)與高度適宜區(qū)相類似，占研究區(qū)總面積的31.34%；勉強(qiáng)適宜區(qū)主要分布于漢中市西部和北部、安康市南北部和安康市西部，占研究區(qū)總面積的25.43%；不適宜區(qū)主要分布于研究區(qū)北部和西部，占研究區(qū)總面積的18.57%，其中寶雞市、漢中市北部和西部、安康市北部和商洛市西部較多。

注：A、B、C、D分別代表山茱萸氣候、地形、土壤、品質(zhì)適宜性分區(qū)結(jié)果。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

從影響山茱萸生長(zhǎng)的角度，研究區(qū)不同適宜類型區(qū)呈塊狀或條狀特征，高度適宜區(qū)主要分布于研究區(qū)中部偏南區(qū)域，不適宜區(qū)主要分布于研究區(qū)域北部和西部區(qū)域，生長(zhǎng)的適宜性程度南北方向變化趨勢(shì)明顯。從影響山茱萸藥效品質(zhì)的角度，不同適宜類型區(qū)呈碎片狀特征，高度適宜區(qū)主要分布于研究區(qū)中南部和東部區(qū)域，不適宜區(qū)主要分布于研究區(qū)北部和西部，藥效品質(zhì)的適宜性程度東西方向變化趨勢(shì)明顯。

對(duì)研究區(qū)山茱萸生長(zhǎng)適宜性分區(qū)和藥效品質(zhì)適宜性分區(qū)結(jié)果進(jìn)行比較分析，陜西秦巴山區(qū)部分區(qū)域既是山茱萸生長(zhǎng)的潛在高度適宜區(qū)，又是藥效品質(zhì)的潛在高度適宜區(qū)，主要分布于漢中市中東部、安康市中部和商洛市部分區(qū)域。

3.2 討論

本研究對(duì)于評(píng)價(jià)因子的選擇，充分結(jié)合了山茱萸生長(zhǎng)習(xí)性，具有合理性并兼具實(shí)用性。山茱萸喜溫暖濕潤(rùn)、忌嚴(yán)寒，其正常生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成對(duì)氣候、土壤和地形條件均有一定要求。1月平均最低溫度是其安全越冬的溫度下限值，近10 a 3月平均最低溫度代表了花期避免霜凍災(zāi)害的最低溫度[27]，最濕季平均溫度反映了生長(zhǎng)關(guān)鍵時(shí)期的水熱同步性特征，年降水量代表了維持山茱萸正常生長(zhǎng)所需的全年水分供應(yīng)狀況，3月降水量和11月降水量分別通過(guò)影響山茱萸果實(shí)花期授粉和越冬期根系活力，對(duì)其生理和產(chǎn)量產(chǎn)生直接影響。土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤速效N含量則是保證山茱萸生長(zhǎng)和維持持續(xù)高產(chǎn)的基本條件。海拔高度和坡度決定了山茱萸的地理分布和生長(zhǎng)條件，植被類型間接反映了區(qū)域的植被生境綜合特征，從而對(duì)山茱萸分布的適宜性劃分具有重要參考價(jià)值。同時(shí)，年均日照時(shí)數(shù)、年平均溫度和1月平均溫度與山茱萸有效成分含量成正相關(guān)[18]，收獲期降水量會(huì)影響山茱萸的性狀品質(zhì)等級(jí)，土壤有效鐵、土壤有效錳、土壤速效K含量對(duì)山茱萸藥材化學(xué)指標(biāo)影響顯著[28]，坡向通過(guò)影響光照而對(duì)活性物質(zhì)累積產(chǎn)生影響[29]。

由于秦巴山區(qū)地形復(fù)雜，氣象站點(diǎn)分布不均，密度不足。本研究搜集補(bǔ)充周邊區(qū)域多個(gè)氣象站近30 a的相關(guān)數(shù)據(jù)，選取澳大利亞科學(xué)家Hutchinson基于薄盤樣條插值理論編寫的專門針對(duì)氣象數(shù)據(jù)曲面擬合的軟件ANUSPLIN完成氣象要素的空間插值過(guò)程，輸入文件包含經(jīng)度、緯度、高程和氣象要素?cái)?shù)值，插值結(jié)果兼顧了氣象數(shù)據(jù)的長(zhǎng)時(shí)間序列特征，并將DEM數(shù)據(jù)作為協(xié)變量同時(shí)進(jìn)行多種函數(shù)模型空間插值并選取最優(yōu)結(jié)果，有效提高了插值的精度[25]，并從空間尺度上充分體現(xiàn)了區(qū)域的差異性。從促進(jìn)山茱萸果實(shí)生長(zhǎng)形成較高產(chǎn)量和藥效成分合成積累2個(gè)角度，采用層次分析法(AHP)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，獲取各因子的組合權(quán)重，GIS疊置分析工具進(jìn)行加權(quán)疊加，得到的各參評(píng)因子及適宜性區(qū)劃的空間分布圖精細(xì)化程度較高，針對(duì)性強(qiáng)，對(duì)陜西秦巴山區(qū)因地制宜發(fā)展中藥材產(chǎn)業(yè)具有現(xiàn)實(shí)意義。