基于3S技术的羌活区划研究Ⅱ.基于协同克里金插值的羌活品质适宜性分析及评价

2017-08-10孙洪兵蒋舜媛孙辉周毅朱文涛

中国中药杂志 2017年14期

关键词：羌活

孙洪兵　蒋舜媛　孙辉　周毅　朱文涛

[摘要]药用植物经济价值关注药效物质为基础的质量特征。很多药材的道地产区与其生长适宜区并不重合，这使得基于生态适宜性的传统区划方法在中药材生产实际应用中有很大局限。为解决药材的高品质区域与高产量区域空间分离的问题，该研究以羌活药材为例提出综合药材品质参数的中药材区划方法。该文在基于协同克里金，结合药材品质空间差异，进行空间插值并进行空间叠加，得到羌活药材品质适应性区划图，再对药材品质与生长适宜性区划图进行空间叠加，构建优质高产药材区划图。结果显示，协同克里金插值构建基于药材品质数据的空间插值是可行的，理论值与实测值极显著相关，为建立基于品质适宜性的药材生产区划方法提供了理论基础；羌活药材品质区划显示品质最适区主要分布在四川省（约占2942%），但品质适宜性与生态适宜性在空间分布上不完全吻合，显示羌活药材的品质适宜性与生态适宜性存在空间分布差异。研究结果有助于为生态适宜性和品质适宜性空间不重合药用植物的优质高产人工栽培的生产和区划提供定量依据。

[关键词]羌活；药材品质；协同克里金插值；品质适宜性

[Abstract]Quality characteristics based on active substance are focused for in the cultivation of traditional Chinese medicine（TCM） plants due to their economic values However， ecological and quality suitability are not always a coincidence， which makes traditional cultural regionalization for TCM cultivation based on ecological suitability have great limitations in practical applications A regionalization method integrated GIS and medicinal plants quality have been analyzed by using field quality data of Notopterygii Rhizoma et Radix as a case study Spatial interpolation based on medicine quality by Cokriging method is reasonable， and the predicted values of interpolation are correlated with measured values significantly， which shows that cultural regionalization for TCM cultivation based on spatial quality suitability is possible theoretically The results indicate that the most suitable areas for quality suitability were mainly distributed in Sichuan province （2942%）， while the spatial distribution of quality suitability and ecological suitability was not coincidence The cultivation regionalization of TCM plants based on quality suitability is helpful to high quality and quantity cultivation of those TCM plants which spatial distribution of geoherbalism and ecological suitability is separated

[Key words]Notopterygium incisum； quality； collocated Cokriging； quality suitability

农作物主要关注以糖、脂肪酸、蛋白质等初生代谢产物为特征的经济指标，而药用植物特别是中药材更加注重以药效物质为基础的次生代谢产物，而有生物活性的次生代谢物质也是评价药材品质的主要物质基础。次生代谢化合物在植物特定部位的累积，是植物长期在逆境条件中适应及进化的结果[12]，使植物表现为特定次生代谢产物含量在一定的环境胁迫条件下随着胁迫强度增加而升高[34]。在中药材中表现为药材的药效组分含量在逆境条件阈值范围内的正反馈效应[58]。就目前报道来看，一些植物的生长适宜性与高品质中心是重合的，同时也存在一些药材需要在一定逆境下才能获得较高的品质[57]，即道地产区与适宜分布区并非部分或者完全重合，甚至完全分离（道地产区位于分布区的边缘）[8]。

对于高品质中心与分布密集中心重合的药材品种，生产区划可以采用基于生态适宜性的传统区划方法实现；對于道地中心与生长适宜中心分离的药材，定量区划还需要考虑药材质量的环境要素适宜度问题。在中药材常规区划中，通常是筛选植物生态适宜性指标结合GIS进行药材的生态适宜度进行区划分析。这种方法可较好地解决产量问题，但实际上是属于药用植物的生长适宜性区划范畴[9]。在人工栽培下药材品质更加重要，因此提出了药材的品质适宜性以及基于此的药材品质适宜性区划。所谓药材品质适宜性（quality suitability），是指形成药材优良品质的各种环境条件的适合度；品质适宜性区划，就是在基于药材品质形成的环境要素的综合评价的基础上，结合GIS等信息平台系统进行中药材生产区划的方法，是基于药材品质适宜性生产不同质量药材的区划[9]。该方法是优先解决药材的品质的前提下，兼顾生长适宜性进行的综合生产区划的重要组成部分，以更加适宜中药材优质高效药材的人工种植和产业的规模化发展。

羌活Notopterygium incisum Ting ex H T Chang为伞形科羌活属多年生药用植物[10]，是传统中藏羌医药体系常用大宗药材羌活Notopterygii Rhizoma et Radix最重要基原植物。羌活野生分布主要在青藏高原东南缘海拔2 800～4 500 m的高山灌丛、灌丛草地以及高山林缘地[1112]。人工栽培实验显示羌活在峨眉山1 700～2 000 m阴湿山林地生长良好，从生长适宜性角度来看，远较高海拔地带生长时间长产量高。但传统上认为，海拔3 000～4 000 m的羌活药材，品质和品相最好；2015年版《中国药典》规定羌活中指标成分为羌活醇与异欧前胡素，且两者总量不得少于04%[13]，海拔梯度栽培实验分析显示，有效成分含量在低海拔栽培的羌活药材中含量很低，一定范围内随着海拔升高而升高（2 500～3 700 m），而产量随着海拔的升高而降低，表现出典型的高品质与高产量分离[14]。本文以羌活药材为例，阐明中药材品质适宜性区划的基本思路，即在保证药材质量前提下，实现产量与质量之间的平衡与结合，也为解决这类药材优质高产区划提供新的思路。

1材料

11羌活药材样品的药材质量数据野生羌活样品于2013年8月下旬至9月中旬和2014年8月下旬至9月中旬期间采自四川、甘肃、青海、西藏等省区，每个采样点不少于5株，共采集38个采样点，217份样本。经四川省中医药科学院蒋舜媛研究员和周毅副研究员鉴定为伞形科植物羌活N incisum（凭证标本保存于四川省中医药科学院）。样品按单株阴干粉碎，过30目筛，利用超高效液相色谱法（UPLCPDA）测定各有样品中的羌活醇（notopterol）、异欧前胡素（isoimperatorin），按2015年《中国药典》规定的羌活定量检测指标计算羌活醇与异欧前胡素含量[13]。

12羌活药材样品的GPS数据采样点定位信息经由GPS实地获得，生态因子数据来源于“中药资源空间信息网格数据库”（http：//wwwtcmresourcescom/），并经ArcGIS100软件进行图层筛选得到32个采样点。

13地图数据地图数据下载于国家基础地理信息系统网（http：//nfgisnsdigovcn/），分辨率为1∶400万。

2方法

21羌活药材质量数据的正态性检验利用SPSS 200对32个不同产地的药材指标成分羌活醇和异欧前胡素含量数据进行单样本KS正态性检验分析，分析样本数据是否满足空间插值的前提条件，若样本不符合正态性，需对数据进行正态性转换（对数法或BoxCox法等），然后对符合正态性的数据进行下一步的插值分析。

22羌活品质空间插值辅助数据筛选采用Spearman相关系数对不同产地药材的药典指标含量数据和对应的位点信息（经度、纬度、海拔等）进行相关性分析，筛选相关性显著的数据作为空间插值分析的解释变量，并对变量进行空间自相关分析，为插值模型的选取做前期数据准备。

23羌活品质空间插值分析方法建立依据空间插值数据的属性，合理采用反距离权重法（inverse distance weighting method，IDW）、径向基函数法（radial basis function method，RBF）、普通克里金法（ordinary Kriging，OK）和协同克里金法（collocated Cokriging，CC）4种插值方法对进行羌活醇与异欧前胡素含量进行空间插值，4种插值方法的优缺点和应用条件见表1。在此基础上，筛选最佳插值方法分别对羌活醇与异欧前胡素含量进行插值分析；并将所得的羌活醇和异欧前胡素的插值数据，空间叠加到羌活品质预测矢量分布数据，与其样品药材质量的实测数据进行对比，建立药材品质预测数据矫正模型。

24羌活产地的品质适宜性分析与适宜性区划利用ArcGIS 100中的栅格计算器将羌活醇与异欧前胡素的空间分布栅格图空间加合计算，得到药材品质适宜性分布图，并进行分析和评价。

3结果与分析

31药材品质数据的空间插值合理性分析及空間插值辅助因子筛选羌活醇和异欧前胡素含量的单样本KS检验的渐进显著性检验结果表明该数据服从正态分布。进行QQ图分析结果也显示样本的2种指标性化学成分含量数据的正态性较好，表明羌活醇和异欧前胡素含量数据分布比较均匀，见图1。借助Arcgis空间数据统计工具，采用Moran I系数法衡量研究区域内羌活醇和异欧前胡素含量空间自相关水平，羌活醇的Moran I指数为007，且P=014，Z=147；异欧前胡素的Moran I指数为032，且P=000，Z=517，表明在研究区内羌活醇和异欧前胡素含量各自在空间上表现为聚集状态，均呈正相关。综合以上因素，羌活醇和异欧前胡素含量可以进行克里金空间插值分析。

通过Spearman相关性系数对32个样本的生态因子与化学成分含量数据的相关性分析，依据分析结果[9]，对羌活醇含量进行克里金空间插值分析时，选取坡度、4月份降水量为解释变量，选取4月份降水量和10月份降水量为解释变量对异欧前胡素含量进行克里金空间插值分析。

32不同空间插值方法的适用性分析采用不同插值方法对样本的羌活醇含量及辅助插值因子进行空间插值分析结果见图2。其中，反距离权重法、径向基函数法、普通克里金法受采样点的影响较大，径向基函数法预测分布图的平滑度不够好，普通克里金法预测结果与实际偏差较大，协同克里金法预测效果与实际情况相比似乎相对较为合理。

对这4种插值方法的误差进行定量统计分析，结果见表2。其中，协同克里金法插值需结合相关插值辅助数据，通过对插值结果的比较评价，可筛选出较为合理且准确的最佳化学成分插值分析方法，用于后续指标成分含量的空间特征预测；同时，该方法平均误差与均方根误差比另外3种插值方法低。结合插值图效果，最终选取协同克里格插值法进行羌活药材的指标成分的空间插值分析。

因此，利用协同Kriging空间插值法分别对羌活醇与异欧前胡素含量进行空间插值，并以川、甘、青、藏和滇五省行政区为掩膜，对插值后的栅格文件进行提取，以双线性法进行重采样和分类处理，绘制羌活药材羌活醇与异欧前胡素含量空间分布模式分布图，见图3。

從图3中可以看出，羌活醇与异欧前胡素空间预测含量分布均可以划分3个区段：高含量区段、中含量区段和低含量区段。羌活醇高含量区段主要分布在四川省的阿坝州和甘孜州，中含量区段分布主要在青海省境内，低度含量区段分布在甘肃陇南地区、西藏昌都以及川、青和藏三省交界处；异欧前胡素高度含量区段分布在甘肃陇南地区，中含量区段多分布在青海省境内，低含量区段则集中分布四川的阿坝州和甘孜州以及西藏省的昌都地区。历史上以产自甘肃、青海及西藏等地的羌活称之为西羌，产自四川阿坝、甘孜等地的羌活为川羌，且以出自四川的羌活（川羌）品质较佳。

33羌活药材的品质区划的插值分析利用ArcGIS软件中栅格计算器，对羌活药材的药典指标成分羌活醇与异欧前胡素含量的空间插值数据进行加合处理，得到羌活品质的空间网格数据。按属性值从羌活生长适宜性网格数据[9]中提取羌活适宜分布区范围（生境适宜度值[9]在83以上的区域），以提取后的数据为掩膜，借助ArcGIS软件提取羌活适生范围内的品质适宜性网格数据，并绘制羌活品质适宜性的空间分布图，见图4。

4讨论

41空间插值法的适用范围问题空间插值是地统计学空间分析的重要功能，用于将离散点测量数据转换为连续数据曲面，以便与其他空间现象分布模式比较，通过已知点数据推求同一区域未知点数据（内插法），或推求其它区域数据（外插法）。空间插值法广泛用于区域气候[15]、降水等变化趋势预测[16]、农作物产量估算[17]以及地球化学成分研究等[1820]领域。野生药材品质是以药效物质为基础的次生代谢产物，积累及含量变化受环境影响，而环境因素（如降水、气温及光照等）的地域差异较大[2122]，因而野生药材品质（化学成分）如同地球化学成分一样在空间上具有一定分布模式，利用此分布模式进行空间插值处理，实现药材品质（或其他次生代谢产物含量）空间量化，在此基础上结合空间环境因子对影响药材品质的环境因素进行空间量化。如果对筛选后的影响药材品质的环境因子进一步开展微观研究，即可实现药材品质（特定次生产物或成分）研究的宏观与微观结合，为中药材的栽培驯化和优质高产提供理论研究的新思路。

42药材品质区划与生长区划的差异通过对比羌活药材生长适宜性区划[9]和本文所做的羌活药材的品质适宜性区划所得的结果，可以发现羌活药材的品质适宜性与生长适宜性的最适区域在大尺度上是比较一致的，但是在小区域内并不吻合，而且次适宜区和不适宜区偏离更大。因此，单纯以药材生态适宜性进行生产区划存有误区，可能导致药材品质可能不是最佳的区域。为保障药材质优高产条件下进行人工栽培，需要在药材品质达标的前提下，再进一步结合生态适宜性区划以保证经济产量。

5结论

本文以羌活药材的品质指标（羌活醇与异欧前胡素总量）为例，研究了建立基于药材品质的空间插值方法和构建基于品质的药材生产区划的可行性，得到结论如下：①对羌活药材特定化学成分的空间插值方法及空间插值辅助因子的研究，显示协同克里金插值是构建基于药材品质数据的空间插值，并且具有可行性，为建立基于药材品质适宜性的药材生产区划方法提供了理论基础。②基于协同克里金插值进行羌活药材品质的空间分布，其理论值与实测值证实了这种方法在实践中也是可靠的。③羌活药材品质区划显示，羌活药材的品质最适区主要分布在四川省（49%），品质次适宜区也主要在四川省（52%），但是品质适宜性与生态适宜性在空间分布不同尺度上的吻合度不同，显示了羌活药材的品质适宜性与生态适宜性存在空间分布差异。

[注]本文地图插图审图号：GS（2017）2128号。

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