基于生态因子的山东太子参生态适宜区划研究

2018-03-29边丽华康传志许子欣周洁王晓

山东农业科学 2018年2期

边丽华康传志许子欣周洁王晓

摘要：為了对山东太子参生长的生态适宜区进行划分同时对其质量进行评价，本研究利用Surfer 7.0软件对气候主导因子和气候限制因子的月平均值进行空间插值，利用ArcGIS 8.1软件建立太子参道地性组分（多糖、环肽A、环肽B等）的空间分布模型，最终利用ArcGIS制图输出功能完成太子参地理分布模式的构建和生长生态适宜性区划。结果显示，多糖与太子参环肽A存在显著正相关（P<0.05），与生境适宜度、海拔分别呈极显著（P<0.01）、显著（P<0.05）负相关，与1月平均气温、9月平均气温和昼夜温差月均值均呈显著正相关（P<0.05）；太子参环肽A含量与年均温变化范围和昼夜温差月均值均呈极显著正相关（P<0.01），与生境适宜度和12月平均降雨量呈极显著负相关（P<0.01）；太子参环肽B含量与4月平均降雨量呈极显著正相关（P<0.01），与11月平均温度显著正相关，而与海拔显著负相关（P<0.05）。明确了适宜太子参生长的最优生境，确定其最适宜种植区主要集中在烟台市牟平区东部，威海市的文登区、荣成市和乳山市东部，青岛市东南部，济南市西南部和泰安市北部，及临沂市的蒙阴县和临沭县。

关键词：太子参；山东省；生态因子；生态适宜区划

中图分类号：S567.5+30.19文献标识号：A文章编号：1001-4942（2018）02-0068-08

Abstract This study was aimed to conduct the ecological regionalization and quality evaluation of Shandong Pseudostellaria heterophylla（Miq.）Pax ex Pax et Hoffm. The monthly mean values of climatic dominant and limiting factors were spatially interpolated by Surfer 7.0. The model of spatial distribution of Pseudostellaria heterophylla based on genuine components was established by ArcGIS 8.1. In the end， we completed the geographical distribution model and ecological adaptable regionalization of Pseudostellaria heterophylla using the ArcGIS mapping output function.The results showed that the polysaccharide significantly positively correlated with Radix Pseudostellariae cyclic peptide A， air temperature mean in January and September， and monthly mean of temperature difference between day and night（P<0.05）， but significantly negatively correlated with habitat suitability（P<0.01）and altitude （P<0.05）. The Radix Pseudostellariae cyclic peptide A significantly positively correlated with annual temeperature variation range and monthly mean temperature difference between day and night（P<0.01）， but significantly negatively correlated with habitat suitability and average rainfall of December （P<0.01）. The Radix Pseudostellariae cyclic peptide B content was positively correlated with average rainfallin in April （P<0.01） and average temperature of November （P<0.05）， but negatively correlated with altitude （P<0.05）.Based on these results， the optimal habitat of Pseudostellaria heterophylla was cleared， and the most suitable planting areas were mainly in the eastern part of Muping District of Yantai City， the eastern Wendeng， Rongcheng and Rushan of Weihai City， the southeast of Qingdao City， the southwest of Jinan City，the northern Taian and the Mengyin and Linshu of Linyi City.

Keywords Pseudostellaria heterophylla（Miq.）Pax ex Pax et Hoffm.；Shandong Province； Climatic factors； Ecological regionalization

太子参为石竹科植物孩儿参Pseudostellaria heterophylla （Miq.）Pax ex Pax et Hoffm.的干燥块根[1]，味甘、微苦，具有益气健脾、生津润肺之功效。现代研究表明太子参具有抗疲劳、增强免疫力的作用[2，3]，其中多糖、环肽A和环肽B等物质被认为是其主要活性成分[4-6]，也是衡量药材品质及道地性的重要指标。近年来，太子参在“江中健胃消食片”、“复方太子参颗粒”等产品中得到广泛应用，原药材价格逐渐攀升，产值日趋凸显[7]。山东太子参栽培历史悠久，“色晶黄、根肥厚、质优”，被誉为“道地药材”[8]。20世纪70年代山东太子参种植面积逐年减少，道地产区几乎名存实亡。随着太子参产值的提高，不少地区又出现了太子参的零星种植，但具有盲目性，不利于太子参质量与产量的保障及其道地产区的可持续发展，因此，对山东太子参进行生态适宜区划可以为太子参道地产区建设提供数据支持。

基于遥感数据的区划法是通过中药资源信息、所在区域的生境信息以及区划范围内的曲面气候数据，构建中药资源与外部环境之间的关系模型，然后依据关系模型和各要素的空间分异规律进行区域划分[9]。目前已对多种中药材，如山豆根[10]、甘草[11]、当归[12]等进行了生产区划研究，对这些中药材的生产起到了有效的指导作用。本研究采集山东省各地的太子参样品，测定其主要活性成分含量，并通过逐步回归分析确定影响太子参质量的气候主导因子和限制因子，然后利用ArcGIS软件得到山东太子参的生态适宜区划，以期对山东太子参的合理种植提供参考。

1 材料与方法

1.1 太子参样品采集

根据文献记载的山东太子参野生资源分布区，2016年7—8月于山东省的威海、烟台、济南、临沂、泰安、济宁等太子参分布区进行实地采样，共33份（见表1）。采集的样品经山东中医药大学周凤琴教授鉴定为石竹科植物孩儿参Pseudostellaria heterophylla （Miq.） Pax ex Pax et Hoffm.的干燥块根，留样凭证存放于山东省分析测试中心山东省中药质量控制技术重点实验室。

1.2 生态因子数据来源

本研究所用生态因子数据来源于“中药资源空间信息网格数据库”，由中国中医科学院中药资源中心道地药材国家重点实验室提供。其中，山东省的生态数据因子是在全国数据的基础上，利用ArcMap软件切割处理后获得[13]。气象因子数据通过中国气象科学数据共享服务网申请获得。

1.3 太子参主要活性物质含量测定

1.3.1 试剂甲醇（分析纯，山东浩中化工科技有限公司，批号：161110865）；甲醇（HPLC级，山东浩中化工科技有限公司，批号：161020942）；乙腈（色谱纯，迪玛公司，批号：951801）；定量滤纸（直径9 cm，上海敬智过滤材料有限公司，批号：564）；实验用水均为二次蒸馏水；太子参环肽A、环肽B对照品均由上海源叶生物公司提供，纯度98%以上；无水葡萄糖对照品（中国食品药品检定研究院，批號1604587-201607）；浓硫酸、苯酚、乙醇均为分析纯；羟自由基、超氧阴离子自由基及总抗氧化能力检测试剂盒（南京建成生物工程研究所）。

1.3.2 环肽A、环肽B含量测定采用高效液相色谱法测定，使用C18色谱柱（4.6 mm×250 mm，5 μm，TURNER），流动相为乙腈和水，洗脱条件见表2。流速：1.0 mL/min；柱温：30℃；检测波长：203 nm；进样量：20 μL。

1.3.3 多糖含量测定采用UV法测定多糖含量，对照品为葡萄糖溶液（602.8 mg/L）。精密吸取对照品溶液0.5、0.8、1.0、1.3、1.5、1.8 mL，分别置25 mL量瓶中，加水至刻度，摇匀。精密量取上述溶液各2.0 mL，置25 mL试管中，分别精密加入4%苯酚溶液1 mL，混匀，迅速滴加浓硫酸各5 mL，摇匀，室温静置。于487 nm 测定吸光度（A），以A为纵坐标，对照品浓度为横坐标，绘制标准曲线，在葡萄糖溶液质量浓度3.0140～10.8505 mg/L范围内线性关系良好，得回归方程A =0.0548x+0.0042 （r=0.9996）。精密吸取供试样品溶液2 mL进行UV测定，利用标准曲线方程求出多糖质量浓度，然后根据公式求出多糖质量分数。

式中，C为多糖稀释液中葡萄糖质量浓度，mg/L；D为多糖溶液的稀释倍数；f为多糖换算因子，由回归方程计算得来，本试验f=2.38；W为样品质量，μg。

1.3.4 抗氧化活性测定 DPPH清除率参照文献[14]方法，采用分光光度法测定。

DPPH清除率（%）=A空白-A样品A空白×100

清除超氧阴离子活力按照检测试剂盒方法测定。定义每毫克样品在37℃下反应1 min，使反应体系中H2O2浓度降低1 mmo1/L为一个清除羟自由基活力单位。

清除超氧阴离子活力（U/mg）=A对照-A样品A对照-A标准×标准浓度×1000 mL × 样本稀释倍数。

总抗氧化活力按照检测试剂盒方法测定。定义在37℃下，每分钟每毫克样品使反应体系的吸光值增加0.01为一个总抗氧化活力单位。

总抗氧化活力（U/mg）=A样品-A对照0.01×30 ×反应液总体积（mL）取样量（mL） ×样本稀释倍数

1.4 生态因子指标的选取

主要选取对太子参药材产量和质量有重要影响的生态环境因子。太子参喜温暖湿润气候，怕高温，抗寒力强，忌强光，有低温发芽、越冬的特性，在-20℃也可安全越冬[15]。因此，在选择用于区划的生态因子时，本研究选取了温度、降水、海拔、日照等9个生态因子的最暖季平均温、最冷季平均温、空气湿度、光照强度等55个指标。气候因子数据是根据1950—2000年间的气象观测数据插值而成（分辨率1 km）。

1.5 生态适宜性区划方法

以太子参活性成分含量为因变量，将地理变异与时空变异结合起来，采用典型相关分析、逐步回归，得到气候因子与太子参“道地性”特征成分的相关模型，确定影响太子参质量的气候主导因子。然后以典型相关筛选得到的气候因子为自变量，以太子参活性成分的含量为因变量，利用逐步回归方法建立太子参各组分与相应气候因子的回归模型，确定影响太子参药材质量的气候限制因子。

使用Surfer 7.0软件，对气候主导因子和气候限制因子的月平均值进行空间插值，形成二者的空间分布图。然后基于该图，利用ArcGIS 8.1软件，根据太子参各道地性组分与气候因子的回归模型，分别建立各道地性组分的空间分布模型。将各组分的空间分布模型进行叠加，得到一个太子参道地性组分的空间分布模型。对该空间模型修订后进行计算机模拟等级划分，分为最适宜、适宜、较适宜、不适宜4个等级，并利用ArcGIS制图输出功能，完成太子参地理分布模式的構建和生态适宜性区划。

应用Maxent 3.3.3c软件对山东太子参进行适生区预测，运行2次，第1次运算目的是识别主要环境变量，筛选出对太子参生长分布有影响的生态因子；第2次运算则筛选出对太子参分布贡献较大的生态因子。

2 结果与分析

2.1 太子参适宜生境的筛选

首先测定各样点采集的太子参中环肽A、环肽B和多糖含量及超氧阴离子自由基清除活性（见表3），然后将其与55个生态因子指标数据导入Maxent模型中进行初步运算，得到55个生态因子指标对道地性组分的贡献率大小。然后将贡献率大于0的因子重新带入模型中进行第二次运算，再根据贡献率之和大于95%的原则，进行第三次运算，得到14个生态因子指标的贡献率大小（见表4）。从贡献率大小来看，气温和降水量是影响太子参生长和分布的重要因素。依据总贡献率大于95%的原则，结合太子参生长规律，最终选取年均温变化范围、12月平均降雨量、土壤类型、土壤质地分类、海拔、有机碳含量、1月平均温度、10月平均温度、坡向和9月平均温度10个生态因子指标。

从不同因子的响应曲线（图1）可以看出，各生态因子对太子参栽培种植的影响程度各不相同，其中纵坐标越大，代表生态因子范围越适宜太子参的生长。根据Maxent模型计算结果中各个因子的响应曲线，确定各个因子相对于太子参生长最适宜的指标值。最终得到10个因子最适宜范围为：年均温变化范围（最暖月最高温-最冷月最低温）为20～32℃，12月平均降雨量为22～31 mm，土壤类型以施肥、灌溉过的人为土为主，土壤质地分类以壤土为主，海拔为1 100～1 300 m，有机碳含量为0～1.7%之间，1月平均温度为-10～-5℃，10月平均温度为14～16℃，坡向以西南和东南为宜，9月平均温度为22～25℃。

2.2 Maxent模型的准确性分析

ROC曲线分析方法在物种潜在分布模型的评价中应用较为广泛。ROC曲线下的面积为AUC值，AUC的取值在0.5～1.0之间，值越大表示环境变量与预测的物种地理分布模型之间的相关性越大，即模型的预测效果越好。一般AUC值在0.9～1.0范围内表示预测效果极好，0.8～0.9表示预测效果好，0.7～0.8表示预测效果一般，而0.7以下则表示预测效果较差。由图2可知，训练集的AUC值为0.965，测试集的AUC值为0.901，表明该预测模型分析得到的山东太子参区划结果极好。

2.3 太子参适宜种植区划分

根据生态适宜区划分方法，本研究将太子参种植区分为不适宜区[0，0.3631]、适宜区（0.3631，0.6309]、最适宜区（0.6309，1]。由图3可以看出，太子参最适宜种植区主要集中在威海市中部和西部，烟台市东部，济南市南部，临沂市南部，青岛市东南部。具体主要包括威海市的文登区、荣成市、乳山市东部，烟台市的牟平区东部，青岛市的东南部，济南市长清区，泰安市北部，临沂市的蒙阴县和临沭县。

将山东省地图进行栅格转换后，与生长区划图层叠加，得到不同市区的太子参种植最适宜区和适宜区面积。结果（表5）显示，威海市、烟台市和青岛市的太子参最适宜区面积最大，分别达到585.65、224.13、138.19 km2，分别占最适宜区总面积的54.87%、21.00%和12.95%。在适宜区中，临沂市所占面积最大，达到928.44 km2，其次是烟台市（575.94 km2）和威海市（544.71 km2）。但由于山东省地形较为复杂，实际适宜种植面积相比理论值要小的多。

2.4 药材质量与生态因子指标的相关性

根据前面筛选得到的14个生态因子数据，选取其中的连续型数据作为评价指标，与药材活性成分进行相关性分析。由表6可见，多糖含量高低与生境适宜度（由Maxent 3.3.3c软件分析所得）呈极显著负相关（P<0.01），说明越适宜太子参生长的地区，其多糖含量相对越低；此外，多糖含量与海拔呈显著负相关（P<0.05），而与1月平均温度、9月平均温度和昼夜温差月均值呈显著正相关（P<0.05）。太子参环肽B含量与4月平均降雨量呈极显著正相关（P<0.01），与11月平均温度显著相关（P<0.05），而与海拔呈显著负相关（P<0.05）。太子参环肽A含量与年均温变化范围和昼夜温差月均值呈极显著正相关（P<0.01），而与生境适宜度和12月平均降雨量呈极显著负相关（P<0.01）。超氧阴离子自由基清除能力与各生态因子的相关性不明显（P>0.05）。表明，太子参药材质量优劣与其生长地所在环境是密不可分的，但利用Maxent模型得到的适宜生境其药材质量并不一定好。

3 结论

本研究对山东省太子参进行种植适宜区划分析，得到太子参种植的最优生境和最适宜区。最优生境满足：年均温变化范围（最暖月最高温-最冷月最低温）为20～32℃，12月平均降雨量为22～31 mm，土壤类型以施肥、灌溉过的人为土为主，土壤质地分类以壤土为主，海拔为1 100～1 300 m，有机碳含量为0～1.7%，1月平均温度为-10～-5℃，10月平均温度为14～16℃，坡向以西南和东南为宜，9月平均温度为22～22℃。最适宜种植区主要集中在威海市的文登区、荣成市、乳山市东部，烟台市的牟平区东部，青岛市的东南部，济南市长清区，泰安市北部，临沂市的蒙阴县和临沭县。

通过分析生长环境与太子参药材质量的相关性，认为太子参药材化学成分的积累离不开环境因子的作用，尤其是气温和降雨量对太子参药材质量的影响最大。此外，利用Maxent模型得到的太子参种植适宜区的药材质量并不一定好，人为因素也是影响太子参生长的重要因素。

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