采用现代及历史的地理及气候信息研究黄芪道地产区变迁的胁迫因素＊

程春松，刘智祖，谭天琪，黄清文，崔 颢，李玖檐，刘 良＊＊，周 华＊＊

（1.澳门科技大学中医药学院 澳门 999078；2.澳门科技大学中药质量研究国家重点实验室 澳门 999078）

采用现代及历史的地理及气候信息研究黄芪道地产区变迁的胁迫因素＊

程春松1，2，刘智祖1，谭天琪1，黄清文1，崔 颢1，李玖檐1，刘 良1，2＊＊，周 华1，2＊＊

（1.澳门科技大学中医药学院 澳门 999078；2.澳门科技大学中药质量研究国家重点实验室 澳门 999078）

中国药用植物的生物学数据有着2 000多年的文字记载，特别是道地药材在传统本草著作中的记载更为详细，为从道地药材产区历史变迁信息角度探讨植物迁徙的环境生态因素提供了丰富的资源。本文通过文献数据、标本信息和基于网络自由上传图片信息的调查挖掘黄芪现代产地分布，使用地理信息系统（GIS）技术分析产地与气候因子的相关性，获知“春旱”是黄芪产区的共同环境因子，并进一步分析与黄芪产地变迁时间节点相对应的古代气候地质灾害状况，明确了“春旱”是黄芪主产区的气候必要条件之一。本文以现代气象数据为依托，结合古代气象资料，通过气象数据分析的方法进行药材道地产区变迁的理论探索，初步得出的结论和使用的方法将有助于中药材道地性的气象学研究。

黄芪 产地 道地 春旱 植物迁徙

道地药材是指产于特定产区的中药材，是经几千年的中医临床实践检验公认的品质佳、疗效好的药材。古代本草著作中一般对来源明确、产地考究的优质中药材通常评价为道地药材。自唐代以来，中药材名前常冠以产地，如“原州黄芪”（原州，今甘肃固原县）。宋《本草图经》开创绘图的形式记载各个产地的中药材，大部分附图的命名附带产地，后世本草附图多沿用此法。清明上河图中“卖各地道地药材”的药铺说明了“道地性”是古代药材质量评价的重要标准，明代以后“道地药材”进入官修本草《本草品汇精要》。直到今天，中药材的道地性依然是中医用药与老百姓选药的重要参考标准。然而，许多中药的道地产区随着时代的变迁也在不断地迁移，如黄芪来源于豆科植物膜荚黄芪Astragalus membranaceus （Fiseh.） Bunge和蒙古黄芪 A. membranaceus （Fiseh.） Bge.var. mongholicus （Bge.） Hsiao的干燥根，唐以前本草多描述黄芪产于陕西、甘肃一带，自宋代始以山西产为佳，清代以后本草描述其主要产地时始提到（内）蒙古，到民国初期《药物出土辨》始记载东北出产黄芪[1,2]。田硕等[3]将道地药材产区的变迁原因总结了10条，其中最重要的一点即是自然地理因素的变化。那么究竟是什么自然因素对中药材产区有明显的影响，从药材道地产区的历史变迁与古代及现代气象数据的关系来研究这一问题将有助于阐述道地药材与道地产区形成及其变迁的生态学原因，也可以为中药材区划提供科学参考。

由于环境胁迫，物种分布空间和生态位将发生迁移，中药材产区的变迁即受此影响[4]。植物的环境胁迫因子主要包括热（低温/高温）、水（水分过多/不足）、光（太强/较弱/生长季节辐射）等气候情况，以及营养物质供应不足和人为因素等[5,6]。黄芪在明代《本草纲目》记载“十月下种”，由此可见黄芪的种植历史已逾400余年。据上述诸本草中关于黄芪产地的记载，其产区（包括种植区域）系由西向东北逐渐迁移，因此对黄芪生长构成胁迫的气候因子初步判断为以下两个可能：①历史气温的回暖导致适宜在低温下种植的黄芪向东北方向迁移；②降雨量过多导致适合春旱生长的黄芪向东北方向迁移。除气候因子导致药材道地产区变迁以外，因为政治地缘、资源匮乏等因素的复杂原因也可能导致黄芪主产区人为向东北方向迁移。本文试图以黄芪为例，将调查现时黄芪的产区分布，梳理其历史产区迁移资料，结合现代气象数据和历史气候，探讨黄芪产区迁移的气候胁迫因子，并分析探讨中药材道地产区的变迁与环境因子的相关性。

1 材料和方法

1.1 黄芪现代分布情况调查

黄芪现代产地分布情况调查包括文献数据调查、各地标本地理信息调查和基于网络自由上传图片信息调查两个方面。根据近10年的文献报道，记录精确到县/区的黄芪产地信息或者栽培地信息；各地黄芪标本地理信息调查是通过CVH中国数字植物标本馆（http://www.cvh.org.cn/）查询膜荚黄芪A. membranaceus和蒙古黄芪A. membranaceus var. mongholicus的标本采集信息中记录其精确产地；通过PPBC中国植物图像库（http://www.plantphoto. cn/）查找该两种的图片信息，记录经过专业人员鉴定后的具有明确拍摄地信息的黄芪产地数据。上述方法共收集到687个产地信息，随后利用Google Earth 7.1.2查找这些产地信息，记录其经纬度（十进制度小数形式）以及海拔数据，并使用ArcGIS 10.2中的ArcMap工具对不同海拔段[7]的经纬度数据在中国线状省界地图上进行Lambert投影，将结果保存为TIF/PNG（分辨率2 000 DI）图片格式。

1.2 黄芪产区历史迁移情况调查

根据萧培根[1]和孙三省[2]等考证报道所记录的黄芪自南北朝时期以来的历史道地产区，通过比对中国历史地图册[8]，核对黄芪历史产区的当今行政区划位置，并记录中心产区经纬度数据。使用ArcGIS 10.2中的ArcMap工具对不同历史时期黄芪历史道地产区进行Lambert投影，将结果保存为TIF/PNG（分辨率2 000 DI）图片格式，并通过Power Point Viewer 2010和Photoshop 13.0对图片进行标注说明。

1.3 黄芪现 代产区分布相关气候数据分析

气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网（http://cdc.cma.gov.cn/）提供的中国2004年到2014年间的气温、降水日值数据，根据“1.1”项下所统计的687个黄芪产地，挑选近10年标本或图片的产地信息，根据最接近的气象站点经纬度归纳为48个产地（经纬度误差均＜0.5%），这些产地分布在甘肃、新疆、四川、云南、山西、内蒙古、辽宁、吉林、山东、河北、河南、北京等12个省市。分别提取各站点于2004年到2014年的10年间春季降雨量（2-5月），分析不同产区春旱情况；提取10年间夏季平均温度（6-9月）数据，分析不同产区黄芪生长适宜温度。气象数据经过EXCEL处理，去除无效数据，并运用线性回归进行插补。为了避免数据栅格化对局部（点）气象模拟时造成真实气象信息的覆盖，该研究采用气象数据直接内插法，并运用了Kriging/Cokriging估值地质学方法模块和ArcGIS空间地统计模块的反距离加权法进行气象数据空间插值。

1.4 黄芪历代各产区气候灾害情况分析

根据竺可桢报道的近5 000年来历史气温变化图，并结合近100年气温变化，以近10年的年均气温作为参考标准，绘制自秦汉以来历代年均气温变化曲线图，从而查找黄芪产区变迁历史时间节点的气候地质灾害，并进行深入分析以探索影响黄芪道地性变迁的环境胁迫因子[9-12]。

2 结果与讨论

2.1 黄芪当前分布情况及分析

综合已经报道的产地信息、各地标本地理信息和有效网络图片信息共获取中国境内黄芪产地687个[13-18]，归纳并选取与中国气象站点经纬度吻合的48个产区，参照海拔的分类标准，将不同海拔的产区分为高、中、低3个层次，如下图1所示。黄芪不仅按照3个不同的海拔层次分布于中国的东北、内蒙、甘肃、山西等传统产区，还出现了新的分布地点，主要包括山东、四川、河北、新疆等省，形成一个由东北到西南的带状分布，以下称为“黄芪分布带”。从当前黄芪的分布情况可以发现，现时黄芪主产区以甘肃、山西、内蒙、东北等夏季平均温度相对较低且冬季寒冷的地区为主，占总调查数量的87.50%；在高海拔偏西南的四川及其周边地区亦产，占总调查数量的6.25%；其他地区占总数量的6.25%。根据“黄芪分布带”的这种气候特征，可以推测黄芪是适宜于生长在夏季凉爽、春季较为干旱的地区。由于本研究未进行各产区的黄芪药材产量调查，上述结果仅反映黄芪的产区分布。

2.2 黄芪分布区气候因子分析

为了证实适宜黄芪生长的气候条件为夏季凉爽、春季较为干旱，并且量化黄芪生长区气候因子，以近10年（2004-2014年）的气候数据，分析了黄芪分布区的春季降水量和夏季平均温度（图2、图3）。结果显示，黄芪分布区近10年间月降水量分布表明，目前几大黄芪主产区（甘肃、山西、河北、内蒙古）均处于轻度春旱（春季月均降水量为-2.7-8.2 mm）；夏季平均温度较低（平均温度介于15.9-19.8℃）的气候条件下，反映了现今黄芪道地产区的水分、温度气候特点和黄芪的生长及质量对水分、温度气候因子的需求情况。

2.3 黄芪产区历史迁移情况及与气候的相关分析

据考证[1]，黄芪自秦汉时期以来，其主产区发生了6次变化（图4），其产区变化轨迹可以概括为4个阶段：南北朝以前以甘肃、四川地区产为道地药材；唐代道地产区始向陕西缓慢迁移；宋代时始向山西迁移，以山西北部（接近内蒙古包头）地区所产为佳；明清时期始向内蒙古迁移，至今仍以该区域为黄芪的道地产区。

图1 中药黄芪近10年分布情况

图2 近10年间黄芪分布区（左）及主产区（右）春季降水量分布图

2.3.1 黄芪现时产地气候因子特点

通过比较48个不同产地春旱情况发现，道地产区春旱程度是最高的（图5-A），其中黄芪主产区中春旱程度内蒙古＞山西＞甘肃＞东北地区，且有显著性差异（P＜0.01）；而主产区中（图5-B）内蒙古、山西、甘肃、东北地区的夏季平均温度无显著性差异（仅山东有显著性差异，而山东并非传统主产区）。表明“春旱”系黄芪产地气候因子的显著特点，提示黄芪历史产区迁移可能与降水量胁迫密切相关，而温度胁迫（夏 天高温）可能对黄芪产区迁移影响较小。

2.3.2 历史气温情况分析

据历史气候资料分析[9-12]，隋唐初期气温急速转暖（图6），自隋唐后500年间整体处于历史温暖期，该历史时期物候表明黄河流域气候温暖[19]，这一时期，黄芪产区迁移缓慢（产区尚在甘肃、四川、陕西交界）；自唐朝后期开始，气温逐渐下降，宋代开始气温已经很低，宋代至清末，气温一直处在相对较低水平，而这一时期黄芪产区发生了两次大范围迁徙，这两次大范围的黄芪迁徙时间节点温度变化并不明显，表明历史上黄芪道地产区的变化与气温（夏季平均温度）关系不大，与前述分析结果一致。

图3 近10年间黄芪分布区（左）及主产区（右）夏季平均温分布图

图4 黄芪产区历史的变迁图

2.3.3 历史降水情况分析

以上结果表明，“春旱”是黄芪主产区的显著气候因子之一。那么春旱环境的破坏（水灾或者持续的多雨多湿环境）可能是导致黄芪向北迁移的重要生态因子。南北朝以后至隋唐初期，中原地区降水量是历史最高峰[20-22]（图6），该时期黄芪开始出现向北缓慢迁移。唐代时，文献中关于黄河中下游地区旱灾的记载颇多，几乎贯穿整个统治时期[23]。黄芪产区的大范围迁移大约发生在苏颂（1020-1101）和王好古（1200-1264）之前（公元9世纪后期至10世纪初），该时期历史降水量偏高（图6）。检索发现，宋代北方黄河水患严重[24]，困扰宋政府300余年。其他地区也暴雨成灾，其中，880年到950年有持续50年的严重涝灾，且有150年的涝灾持续期，1230-1490年间又有约260年的涝灾持续期[25]。详细的史料记载发生在今陕西境内的持续春季降雨主要集中在公元9世纪末（982-996年）[26]。明清时期黄芪主产地虽往北迁移，但一直未离开山西，检索发现，明清时期乃至2 000年来，山西汾河流域均旱灾突出[20]。由历史气候可见，宋时黄芪产地大幅度从黄河流域向北迁移的时间节点与黄河水灾泛滥有着密切的关系。明李时珍记载了黄芪种植情况，黄芪产区向内蒙迁移应与气候因子无关，可能是因过度利用导致黄芪野生资源不足而促使人为引种的原因。

3 讨论

3.1 产地与气候因子相关性分析的策略

近10年黄芪主产区的春季降水和夏季气温只能反映如今黄芪产区的共同气候特征和不同产区的气候特点，反映出黄芪生长或保持质量要求的气候因子，而论述产地变迁更加需要对比历史产地变迁路线上的春季降水和温度变化。然而，历史气候数据均是以文字形式记载，现代所分析的古代气候多是根据物候学和年轮的推测，物候推测的结果可以比较清楚地获得中原地区历史温度变化；降水量的变化则很难根据物候学描述来推测。基于年轮的历史降水量重现，其单位最小也是有着60年跨度[21]；根据历史文献所记载的降水方面的文字多是洪水、旱灾的描述，多出自史料或地方县志，这些描述时间跨度较大，且历史上洪水、干旱情况无法量化。我们力图达到所研究的结论精确，需要精确的气候数据，从而获得现代植物物候学很难观察到的气候因子，所以根据文献，特别是Soja A J[4]提出的植物迁徙是环境气候改变胁迫所导致的这一文献，首先提出假设：黄芪道地产区的变迁，是由于环境改变胁迫导致。接下来，我们需要分析的就是黄芪的适宜生态环境，只有清楚其适宜的生态环境才能去定向了解历史上的这一环境是否被破坏，从而确定是否这一气候因子是其产地变迁的胁迫因子。我们通过近10年的气象站点数据可以直接获得现时黄芪不同产地气候因子特点，推测黄芪生长或质佳的适宜气候因子，继而通过回顾历史气候信息，分析了产地变迁时间节点的涝灾、旱灾情况（降水量），最终验证本文提出的假设。

图5 不同黄芪产区近10年春季平均降水量和夏季平均温度

图6 历史温度与历史降水量变化图

3.2 关于黄芪的基原植物种类与产地变迁

中药材中存在着较多的“多基原品种”，这是在长期的医疗实践中不断发现中药新资源的结果，也可能是导致药材产地变迁的因素之一。但由于现时植物分类体系建立的历史远晚于本草的历史，在古代本草中记载的药材品种中，除历史上基原植物发生了显著变迁的品种外，多数品种的基原植物往往难以明确到现今的“物种”，使得在物种水平上讨论产地变迁较为困难。现中药黄芪的基原包括膜荚黄芪A. membranaceus和蒙古黄芪A. membranaceus var. mongholicus，两种的形态差异也较小（蒙古黄芪较膜荚黄芪植株矮小，荚果无毛），诸本草中对黄芪的记载也难以区分“品种与产地的关系”。因此，本文在研究道地药材生态学相关问题时，难以分别讨论两种的产地变迁。但从两种的分布看，蒙古黄芪的分布区域小于膜荚黄芪，偏于东北区域（主要分布于黑龙江、内蒙、河北和山西），不排除黄芪产地向东北迁移是由于蒙古黄芪作为黄芪新资源药用引起的可能性。

4 小结

传统本草认为，中药材的产地直接关系到中药材的性味、药力，现代中药研究也试图通过化学技术、生物技术阐述道地药材的科学内涵。然而，仅仅针对某种药材的现代分布及使用情况，试图深入研究并揭示其道地性，尚难以全面理解道理药材的内涵。道地产区的变迁是很多中药材的共性，如人参、巴戟天等，其产生变迁的原因也具有多样性。由于气候和地理环境对药材基源植物的分布和质量有着重要的作用，特别是道地药材特定产区的气候、地质、生态是形成道地药材的根本重要因素之一，所以分析药材产地的气候因子、环境生态是理解进而揭示道地性科学内涵的重要方面。本文以黄芪为例，通过现代黄芪产地分布，分析了近10年来黄芪分布地点的气候胁迫因子，并且以古代气候地质灾害资料佐证了促使黄芪产地变迁的气候胁迫因子之一——春旱这一假设，同时在一定程度上否定了温度变化导致黄芪产地迁移的假设。本文以现代气象数据为依托，结合古代气象资料，通过本草考证的方法进行药材道地产区变迁的理论探索，初步得出的结论和使用的方法将有助于中药材道地性的气象学研究，也可给中药材种植区域及资源保护的国家战略规划提供科学依据。

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Investigation on Stress Factors Causing Dao-Di Production Area Change of Astragalus membranaceus Using Current and Historical Geographic and Climatic Information

Cheng Chunsong1,2, Liu Zhizu1, Tan Tianqi1, Huang Qingwen1, Cui Hao1, Li Jiuyan1, Liu Liang1,2, Zhou Hua1,2
(1. Faculty of Chinese Medicine, Macau University of Science and Technology, Macau 999078, China; 2. State Key Laboratory of Quality Research in Chinese Medicine, Macau University of Science and Technology, Macau 999078, China)

In China, the biological data of medicinal plants have a lot of written records accumulated by more than 2 000 years. In particular, Dao-Di (authentic) herbs were described in more details in the writings of traditional herbal medicine, which would irreplaceable conducive to the study of plant migration. Pattern of current geographic distribution area of Astragalus membranaceus was established by collecting and analyzing the information recorded in published papers, electronic specimens and freely uploaded plant pictures. The correlation between climate factors and geographic production were analyzed by geographic information system (GIS) technique. The GIS results showed that spring drought was the common climate factor in all the production area of A. menbranaceus. Analysis of historical climate change along with the migration of A. menbranaceus further confirmed that spring drought was a prerequisite for the growth of A. menbranaceus. In this paper, the current and historical climate data were used to explore the possible reasons of production area change of Chinese medicine with the assistance of textual research based on ancient records of production area change of Chinese medicine. The preliminary obtained conclusions and methods will be helpful for exploring the influence of climate to Dao-Di property of Chinese medicine.

Astragalus membranaceus, production area, Dao-Di, spring drought, plant migration

10.11842/wst.2016.01.002

R282

A

（责任编辑：刘馨雨 张志华，责任译审：王 晶）

2015-08-25

修回日期：2015-10-15

＊ 澳门科学技术发展基金（092/2012/A3）：基于化学和生物多元前沿分析技术建立中药复方制剂质量控制的新方法和新标准，负责人：刘良。

＊＊ 通讯作者：刘良，讲座教授，主要研究方向：中医内科学；周华，副教授，主要研究方向：中药质量研究。