基于MaxEnt模型的甘肅省南部洮河流域淫羊藿品質變化分析

李云峰 何平 孟繁蘊

淫羊藿（Epimedium brevicornu Maxim.）作為野生藥材，品質受到自然環(huán)境的影響.為研究淫羊藿品質變化趨勢，本研究選取甘肅省南部洮河流域內淫羊藿為研究對象，以淫羊藿苷含量為淫羊藿品質標準，運用MaxEnt模型和地理信息技術，對影響淫羊藿品質的環(huán)境因子進行篩選分析.結果顯示，淫羊藿苷含量與7月份水蒸氣壓呈線性回歸關系（F=26.331， P=0.000， r=0.703， R2=0.494），淫羊藿苷含量隨著7月份水蒸氣數(shù)值增加逐漸降低，在適宜淫羊藿生長的河道兩邊，距離河流越遠淫羊藿苷含量越高，藥材品質越好.本研究表明，MaxEnt模型和地理信息技術可作為研究影響野生淫羊藿品質變化的一種有效方法，指導淫羊藿藥材資源的保護與開發(fā).

淫羊藿； 淫羊藿苷； 品質； 物種分布模型； MaxEnt

Q948A2023.026002

收稿日期： 2022-05-03

基金項目： 國家自然科學基金（81072999）；河北省中醫(yī)藥管理局科研計劃（2017079）

作者簡介： 李云峰（1983-）， 男， 山東濱州人， 博士研究生， 主要從事中藥資源方面研究. E-mail： 13503347721@163.com

通訊作者： 孟繁蘊. E-mail： mfy@bnu.edu.cn

Quality change analysis of Epimedium brevicornu Maxim. in Taohe River basin in southern Gansu Province based on the MaxEnt model

LI Yun-Feng1，2，3， HE Ping2，3， MENG Fan-Yun2，3

（1. Key Laboratory of Research and Development of Traditional Chinese Medicine in Hebei Province， Chengde Medical University， Chengde 067000， China；

2. Beijing Key Lab of Traditional Chinese Medicine Protection and Utilization， Faculty of Geographical Science， Beijing Normal University， Beijing 100875， China；

3. Engineering Research Center of Natural Medicine， Ministry of Education， Faculty of Geographical Science， Beijing Normal University， Beijing 100875， China）

As a wild medicinal herb， the quality of Epimedium brevicornu Maxim. is affected by the natural environment. In order to study the quality change trend of E. brevicornu Maxim.， this study selected E. brevicornu Maxim. in the Taohe River basin in southern Gansu province as the research object， the content of icariin was taken as the quality standard， MaxEnt model and geographic information technology were used to analyze the correlation between icariin content and the environmental factors. The results showed that there was a linear regression relationship between the content of icariin and water vapor pressure in July （F=26.331， P=0.000， r=0.703， R2=0.494）， and the content of icariin gradually decreased with the increase of water vapor pressure in July. On both sides of the river that is suitable for the growth of E. brevicornu Maxim.， the further the distance from the river， the higher the content of icariin， and the better the quality of the medicinal material. In this study， the MaxEnt model and geographic information technology could be used as an effective method to study the quality changes of wild E. brevicornu Maxim.， and guide the protection and development of its medicinal resources of it.

Epimedium brevicornu Maxim.; Icariin; Quality; Species distribution model; MaxEnt

1 引 言淫羊藿（Epimedium brevicornu Maxim.）為多年生草本植物，屬于小檗科淫羊藿屬，適宜生長在山坡林下陰濕處，俗名為“仙靈脾”，又因其二回三出復葉結構，得名“三枝九葉草”.淫羊藿始載于東漢時期的《神農本草經》，列為中品，書中記載“主陰痿絕傷，莖中痛，利小便，益氣力，強志.一名剛前.生山谷”.陶弘景在《本草經集注》中記錄“西川北部有淫羊，一日百合，蓋食藿所致，故名淫羊藿”，是最早關于“淫羊藿”名稱由來的描述.自古以來，淫羊藿作為藥用植物被用于中醫(yī)臨床治療［1，2］，具有補腎陽、強筋骨等功效.

淫羊藿植物含有260多種次生代謝化合物，包括黃酮類、木質素、揮發(fā)油等［1，3］，具有廣闊的應用前景.其中，黃酮類化合物淫羊藿苷作為淫羊藿主要藥效物質，其生理活性作用被廣大學者所研究，藥理學研究和臨床實踐證明淫羊藿苷對肝癌、骨質疏松、心血管疾病和阿爾茨海默病具有預防和治療作用［4-7］，因此，其含量高低常作為衡量淫羊藿品質優(yōu)劣的主要標準［3，8］.

中醫(yī)藥學者在長期的醫(yī)藥實踐中發(fā)現(xiàn)自然環(huán)境變化會引起藥材品質的改變，本草中記載“土地所出，真?zhèn)涡玛?，并各有法?現(xiàn)代研究證實，環(huán)境濕度對植物生長與次生代謝產物積累起到至關重要的作用［9-11］.對于淫羊藿而言，早在明代陳嘉謨便做出了“生處不聞水聲者為美”的闡述，他認為生長環(huán)境對淫羊藿品質具有影響作用，在遠離河流相對干燥的環(huán)境中生長的淫羊藿臨床效果更好，但這一觀點尚未得到科學實驗證實.目前，淫羊藿藥材來源以野生資源為主［12］，傳統(tǒng)產區(qū)主要分布在甘肅、陜西、山西南部等地區(qū)，藥材品質對自然環(huán)境依賴性較大，質量參差不齊.

隨著計算機技術發(fā)展和學科交叉逐漸深入，物種分布模型（Species Distribution Models， SDMs）和地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems，GIS）［13］被應用到中藥資源領域，為研究中藥潛在適宜區(qū)劃及品質區(qū)劃帶來了新的技術手段［14-16］，促進了中藥事業(yè)的蓬勃發(fā)展.SDMs是將物種分布數(shù)據(jù)與所對應的環(huán)境和空間特征信息聯(lián)系起來的統(tǒng)計模型［17］，在諸多SDMs中，最大熵模型（Maximum Entropy Model， MaxEnt）因其所需低樣本量、操作簡便、準確率高等優(yōu)點，得到廣泛使用［18］.

本研究基于MaxEnt模型，以甘肅省南部洮河流域的淫羊藿為研究對象，通過文獻調研和實地采樣獲取樣本地理信息，運用GIS技術提取淫羊藿的生長環(huán)境因子，采用高效液相色譜法（High‐performance Liquid Chromatography， HPLC）測定淫羊藿苷含量，分析淫羊藿苷含量與環(huán)境因子的相關性，探究生長環(huán)境與淫羊藿品質的關系，為淫羊藿藥材資源綜合利用與人工種植提供實驗數(shù)據(jù)參考.

2 材料與方法

2.1 樣本及物種分布數(shù)據(jù)采集

查閱中國植物志（http：//www.iplant.cn/）、中國植物圖像庫（http：//ppbc.iplant.cn/）以及相關文獻資料獲得淫羊藿分布點位信息，在此基礎上根據(jù)淫羊藿實際分布情況，通過實地調查獲取植物樣本.同時利用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System， GPS）獲取對應點經緯度信息.所有淫羊藿分布點位經Excel保存為.CSV格式.

2.2 環(huán)境數(shù)據(jù)獲取

選用土壤類型因子、生物氣候因子、全年單月氣候數(shù)據(jù)（降水量、太陽輻射、水蒸氣壓和風速）、地形因子（坡向、坡度），共計8種類型、70個環(huán)境因子作為影響淫羊藿生長的環(huán)境因子進行研究分析.其中，土壤類型數(shù)據(jù)來源于中國科學院南京土壤研究所（http：//www.issas.ac.cn/），其它氣候數(shù)據(jù)來源于世界氣候數(shù)據(jù)庫（http：//worldclim.org/）的1979—2000年的氣候數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km.

運用SPSS 18.0（IBM corp.， Armonk， NY， USA）對同類型的環(huán)境因子進行Pearson相關性分析，消除因共線性而造成的模型計算結果的過度擬合，設置相關系數(shù)|r|為0.8作為閾值對環(huán)境因子進行篩選.

2.3 淫羊藿苷含量測定

每個采樣地隨機選取淫羊藿植株3株，各摘取3片葉片，曬干至恒重，粉碎混合后過3號篩，作為一組樣本.每組樣本精密稱取0.2 g，置于具塞錐形瓶中，加入精密量取的稀乙醇溶液20 mL，稱定重量，超聲1 h后，補足損失重量，經0.45 μm濾膜過濾得到供試品溶液.采用2020版《中國藥典》［19］規(guī)定的HPLC檢測方法對淫羊藿苷含量進行測定.

2.4 模型運行與適生區(qū)分布

使用MaxEnt V 3.4.1（http：//biodiversityinformatics.amnh.org/open_source/maxent/）生態(tài)位模型，隨機選取25%作為測試集，75%作為訓練集.將土壤類型因子設定為非連續(xù)變量，選擇創(chuàng)建ROC曲線，最大迭代次數(shù)為10 000次，模型結果以Logistic格式和ASC文件輸出，設置使用刀切測試法衡量環(huán)境變量重要性和選擇繪制響應曲線，其余參數(shù)均為軟件默認值［20］.模型計算完成后，使用ROC曲線下面積，即AUC值對預測結果的準確性進行評價［21］，AUC取值范圍為0 ～ 1（表1）.

根據(jù)MaxEnt運算結果繪制淫羊藿潛在適生區(qū)分布圖，存在概率值P數(shù)值在0 ～ 1.00之間，P值越接近于1.00表示該區(qū)域越適宜淫羊藿生長［22］ .潛在適應性區(qū)域分為3種類型：非適應性區(qū)域（0 ～ 0.25）、低適應性區(qū)域（0.25 ～ 0.50）和高適應性區(qū)域（0.50 ～ 1.00）［14］.

2.5 淫羊藿苷含量等級劃分

利用ArcGIS 10.3 （ESRI， Redlands， CA， USA）中的掩模提取功能，提取29個淫羊藿采集地的環(huán)境因子，然后運用SPSS線性回歸分析功能對淫羊藿苷含量與環(huán)境因子進行多元線性回歸分析［23］，并對所得回歸方程精確度進行評價.

根據(jù)多元線性回歸方程結果，利用ArcGIS柵格計算功能，對淫羊藿適生區(qū)柵格數(shù)據(jù)進行處理，得到甘肅省南部洮河流域內淫羊藿苷分布變化柵格圖層.將淫羊藿苷含量變化由低到高分為7組：（0 ～ 1.3%）、（1.3% ～ 1.325%）、（1.325% ～ 1.35%）、（1.35% ～ 1.375%）、（1.375% ～ 1.4%）、（1.4% ～ 1.425%）、（>1.425%）.然后根據(jù)淫羊藿苷含量分組情況，結合淫羊藿植株與河流距離遠近關系，探討分析淫羊藿藥材品質在洮河流域變化趨勢.

3 結果與分析

3.1 淫羊藿點位信息與淫羊藿苷含量

采用野外調查與文獻調研的方式共獲得68條淫羊藿點位信息（圖1）.其中根據(jù)淫羊藿實際分布情況，在河南、山西、陜西、寧夏、甘肅、重慶等省采集植物樣本29份（表2），獲取對應點位信息29條.通過文獻查閱獲得文獻調研點位信息39條.

根據(jù)HPLC檢測結果（表2），淫羊藿苷平均含量為1.04%，其中甘肅省樣本中的淫羊藿苷平均含量為1.29%，非甘肅省樣本中的淫羊藿苷平均含量為0.73%，兩者存在顯著性差異（P＜0.05），說明甘肅省出產的淫羊藿藥材品質顯著優(yōu)于其它省份，與目前甘肅省作為淫羊藿優(yōu)質產區(qū)的實際情況相符合.

3.2 環(huán)境因子篩選與MaxEnt模型準確度分析

經Pearson相關性分析去除強相關性因子，最終得到18個環(huán)境因子（表3），其中8個環(huán)境因子（Bio12、Bio15、Prec1、Prec6、Prec8、Prec9、Vapr1、Vapr7）均與濕度相關，表明自然環(huán)境中濕度是決定淫羊藿自然分布的主要因素.MaxEnt模型的測試集平均AUC值為0.980（圖2），平均標準偏差為0.003，表明所構建的模型預測結果達到優(yōu)秀水平，可信度高，能夠對淫羊藿適生區(qū)劃區(qū)域進行準確的模擬預測.

3.3 淫羊藿適生區(qū)分布與關鍵環(huán)境因子分析

淫羊藿適生區(qū)（圖3）主要分布在北緯32°～36°，東經102°～113°范圍內，涉及河南、山西、陜西、寧夏、甘肅等省的部分地區(qū)，適生區(qū)總面積約為26×104 km2，模擬分布結果與當前淫羊藿實際分布狀況基本一致.其中高適生區(qū)面積約為10×104 km2，主要分布在甘肅南部、陜西南部及河南西部地區(qū)；低適生區(qū)面積約為16×104 km2，涉及河南、山西、陜西、寧夏、甘肅等省的部分地區(qū).

刀切測試結果表明，影響淫羊藿適生分布貢獻率較大的6個關鍵環(huán)境因子依次為：9月份平均降水量（Prec9 25.3%）、土壤類型（Soil 17.3%）、1月份水蒸氣壓（Vapr1 17.2%）、7月份水蒸氣壓（Vapr7 16.4%）、溫度的季節(jié)性（Bio4 12.8%）和8月份太陽輻射（SRad8 3.9%），累積貢獻率超過

90%，其中與環(huán)境濕度相關的環(huán)境因子有Prec9、Vapr1、Vapr7，總貢獻率約為58%，其中Vapr1正規(guī)化訓練增益值超過1.2，Prec9和Vapr7數(shù)值均超過0.5（圖4），表明環(huán)境濕度是影響淫羊藿生長與分布的重要因素之一.根據(jù)環(huán)境因子響應曲線圖（圖5），當Prec9在84.61～146.15 mm，Vapr1在0.25～0.39 kPa，Vapr7在1.36～2.33 kPa范圍內變化時，概率值大于0.5，有利于淫羊藿生長.

3.4 甘肅省南部洮河流域淫羊藿苷含量變化分析

對淫羊藿苷含量與18個環(huán)境因子（表3）進行逐步回歸分析，所得回歸方程為 Y=2.178-0.678X，其中Y為淫羊藿苷含量，X為Vapr7.模型顯著性檢驗結果為：F=26.331，P=0.000，r=0.703，R2=0.494，因變量與自變量存在顯著線性關系，方程效應顯著.淫羊藿苷含量與Vapr7呈負相關關系，隨著Vapr7增加淫羊藿苷含量逐漸降低.

根據(jù)回歸方程，運用ArcGIS柵格計算功能得到甘肅省南部洮河流域淫羊藿植株中淫羊藿苷含量變化圖（圖6），淫羊藿苷含量在洮河兩岸呈階梯狀遞增分布，在距離河道較遠的環(huán)境中生長的淫羊藿所含的淫羊藿苷含量更高，藥材品質更好.此次洮河流域所采集的4組樣本的淫羊藿苷含量測定結果表明，距離洮河越遠的環(huán)境中生長的淫羊藿其淫羊藿苷含量越高.樣地13距離洮河最遠，淫羊藿苷含量最高（1.81%），其次為樣地15（1.45%）和樣地16（1.13%），樣地14距離洮河最近，淫羊藿苷含量最低（1.10%）.該藥材品質變化趨勢與陳嘉謨描述相一致.分析產生這一變化的主要原因是環(huán)境濕度隨河流遠近產生變化，水蒸氣壓作為與環(huán)境濕度相關的環(huán)境因子，在一定范圍內水蒸氣壓越低越有利于次生代謝產物累積［9］，使淫羊藿苷含量增加.

4 討 論

淫羊藿具有悠久的臨床應用歷史，現(xiàn)代醫(yī)學研究表明，淫羊藿次生代謝產物具有多種生理活性作用，市場應用前景廣闊.但淫羊藿作為野生藥材，品質容易受到生長環(huán)境影響，因此開展淫羊藿品質影響因素研究意義重大.本文以淫羊藿苷含量作為淫羊藿品質評價標準，基于淫羊藿苷含量與環(huán)境因子相關性，對甘肅省南部洮河流域淫羊藿品質變化趨勢進行研究.

MaxEnt模型能夠對淫羊藿適生區(qū)進行精確運算，根據(jù)模型運算結果，淫羊藿適生區(qū)主要分布于河南、山西、陜西、寧夏、甘肅等省的部分地區(qū)，模型運算結果基本覆蓋淫羊藿實際分布范圍，面積約為26×104 km2，其中高適生面積為10×104 km2，呈帶狀分布于甘肅、陜西及河南境內部分地區(qū)，空間范圍狹小，作為野生淫羊藿藥材主要采收區(qū)，建議在該區(qū)域內開展野生淫羊藿資源保護工作，對資源進行合理開發(fā)與利用，避免過度采收造成生態(tài)環(huán)境破壞，促進淫羊藿資源的可持續(xù)發(fā)展.

根據(jù)MaxEnt模型評估結果，Prec9、Vapr1和Vapr7作為與環(huán)境濕度相關的因子，對于淫羊藿適生分布的累計貢獻率約為58%，說明環(huán)境濕度是決定淫羊藿生長分布的主要因素，在淫羊藿適生區(qū)范圍內，Prec9、Vapr1和Vapr7自東向西整體呈現(xiàn)降低的趨勢（圖7），甘肅省環(huán)境濕度較陜西、河南兩省低.逐步回歸分析結果顯示Vapr7與淫羊藿苷含量呈負相關關系，當水蒸氣壓升高時淫羊藿苷含量隨之降低，甘肅省境內Vapr7數(shù)據(jù)低于陜西、河南兩省，根據(jù)回歸方程，甘肅省境內淫羊藿藥材中淫羊藿苷含量更高，符合目前甘肅省作為淫羊藿藥材優(yōu)質產區(qū)的現(xiàn)狀.

基于所得回歸方程運用ArcGIS柵格計算功能對淫羊藿適生區(qū)圖層進行處理，最終得到淫羊藿苷含量在洮河流域變化趨勢圖層.研究證實水蒸氣壓與環(huán)境中的濕度存在一定關聯(lián)性，當濕度升高時，水蒸氣壓相應增加［24，25］，在洮河流域，環(huán)境濕度隨著與河道距離的增加逐漸降低，水蒸氣壓下降，根據(jù)回歸方程，淫羊藿苷含量相應增加，該趨勢變化與古人對于淫羊藿“生處不聞水聲者為美”描述相符，在遠離河道濕度相對較低的環(huán)境中生長的淫羊藿所含的淫羊藿苷含量較高，藥材品質較好.

本文以洮河流域內淫羊藿為研究對象，基于淫羊藿適生分布區(qū)對影響淫羊藿品質的環(huán)境因子進行了篩選分析，探討了環(huán)境因子對淫羊藿品質的影響路徑，結果表明與環(huán)境濕度相關的環(huán)境因子不但能對淫羊藿生長分布產生影響，而且還可以通過水蒸氣壓對淫羊藿苷含量產生顯著影響，在適宜淫羊藿生長的河道兩邊，距離河流越遠淫羊藿品質越高.該研究對于開展野生淫羊藿資源的保護、開發(fā)，及品種的人工繁育具有一定的理論指導價值.

雖然MaxEnt模型在預測物種空間分布方面具有許多優(yōu)勢，但作為生態(tài)位模型只能夠對物種的基本生態(tài)位進行描述，不能夠代表物種的實際生態(tài)位，同時在本研究中未涉及物種間的競爭、人類活動及地理屏障等因素對于淫羊藿生長分布的影響，可能導致淫羊藿實際生態(tài)位小于基本生態(tài)位.

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