基于AcrGIS中协同克里金插值的米槁品质适宜性分析及评价

陈敬忠， 刘济明， 王 灯， 黄小龙

(贵州大学林学院, 贵阳 550025)

1 引 言

米槁(Cinnamomum migao H. W. Li)系樟科樟属植物，主要分布于滇黔桂三省交界处[1-2]，其干燥果实为我国西南地区著名苗药大果木姜子(Cinnamomum fructus)，具有温中散寒，理气止痛之功效，在治疗胃肠道疾病方面疗效显著[3-5]，而且果实脂肪含量很高，不失为一种优良的油料作物[6-7]，是中成药金喉健喷雾剂、理气活血滴丸、心胃止痛胶囊主要原料药，现收载于《贵州省中药材、民族药材质量标准》2003版[8].由于野外藏量较小、生境破碎化、自身更新障碍、人为砍伐严重、临床需求大等原因导致米槁野外居群数量已在濒危边缘，对其开展野外种群保护与人工栽培选育工作迫在眉睫[9-10].但是相关研究表明不同产地米槁果实成分含量差异较大[11-13]，在人工栽培过程中面临着以下关键问题：如何选择合适的种植区域？在何种环境因子影响下产出的米槁果实品质较好？回答上述关键问题则需要对米槁品质区划研究，寻找出影响米槁品质形成的关键环境因子和相应化学物质积累的最佳产区.

就药材品质区划而言，较多大宗药材已完成品质区划的研究，并积累了大量的本底资料[14].对于高品质中心与生长高度适宜区重合的品种，生产区划完全能够采用生态适宜性传统的区划方法实现[15].但是很多药材道地产区与生长适宜产区并不完全重叠，在对这些药材进行品质区划时不仅应当考虑药材生长对环境的适宜性，更要兼顾环境因子对有效成分积累的影响[16].只有兼顾质量与产量，这样药材的品质才能够保证.在药材品质区划的研究中，AcrGIS的空间插值功能是一个强有力的辅助工具，相应插值方法如反距离权重法(IDW)、径向基函数法(RBF)、普通克里金法(OK)和协同克里金法(CC)等插值方法均能用于药材品质区划[17-18].尤其是协同克里金法在药材品质区划中尤为适宜，协同克里金插值能够容纳多个解释变量，能够较好反应多个环境因子对药材品质的影响.目前在米槁相关研究中，尚未见对米槁果实药效物质基础的确切报道[19-20]，《贵州省中药材、民族药材质量标准》中也仅仅采用对照药材作为米槁果实质量控制的依据[7].结合目前对米槁化学成分的研究文献，本文选取总黄酮、粗脂肪、总糖、还原糖、多糖、粗多糖、可溶性多糖等代谢产物作为米槁果实品质评价的指标[6-7,21-23]，对不同产地米槁药材质量做出初步评价.在课题组前期应用MaxEnt 模型对米槁生态适宜性的研究成果的基础上借助协同克里金插值对米槁果实进行品质区划[24]，为后期米槁人工栽培与管理的提供参考依据.

2 材料与方法

2.1 数据来源

实验所用材料全部为2018年年末采集，考虑到当年气候对米槁果实发育形成占有主导影响作用，本文将选择来自滇黔桂闽粤5省92气象站2018年全年气象观测记录，包含温度日照时数、降雨量、湿度、气压、风速等相关数据作为插值资料，采用在气象插值中常用的反距离权重插值法(IDW是Acrgis软件中常用的插值方法，由空间自相关性原则进行插值)，采样点气候数据与品质空间插值解释变量均使用此栅格数据.

2.2 方 法

2.2.1 米槁药材生态适宜性分析 根据课题组前期对米槁生态适宜性的研究，采用米槁的生态适宜性区划的基础上进行米槁品质区划[24].

表1 米槁采样点分布点

2.2.2 指标性成分与环境因子的相关性分析 通过 Spearman 相关性系数法对2018年12月集中采集的22个样本(表1)的测定指标与环境因子、土壤理化因子和化学成分含量数据的进行相关性分析，对米槁果实品质影响显著的环境因子进行克里金空间插值和以双线性法进行重采样和分类处理，绘制米槁果实中粗脂肪、糖类、总黄酮含量空间分布模式分布图.米槁果实综合果品质量评价采用AcrGIS中的模糊叠加生成品质分布图.

2.2.3 土壤酶指标测定 酸性磷酸酶(S-ACP)、脲酶(S-UE)、过氧化氢酶(S-CAT)采用试剂盒进行测定，方法与结果计算参照试剂公司方案(北京索莱宝生物科学技术有限公司).

2.2.4 土壤营养指标测定 pH值(水浸提-电位法)、有机质(重铬酸钾氧化容量法)、全氮(半微量开氏法)、全磷(钼锑抗比色法)、全钾(火焰光度法)、碱解氮(半微量开氏法)、有效磷(钼锑抗比色法)、速效钾(火焰光度法)(鲁如坤，1999)[25].

2.2.5 米槁果实化学成分测定 22份米槁果实样品均经贵州大学林学院教授刘济明准确鉴定，凭证药材现保存于贵州大学生态学实验室.粗脂肪测定采用粗脂肪提取器测定，总黄酮、总糖、多糖、粗多糖、还原糖、可溶性多糖采用比色法进行测定[6-7,21].

3 结果与分析

3.1 米槁果实化学成分测定结果

依据刘刚、王金华等人[6-7,31]对米槁果实粗脂肪、糖类、总黄酮的建立的测定方法，对采集的22份米槁果实样品粗脂肪总黄酮、总糖、多糖、粗多糖、可溶性多糖含量进行测定(图1).从含量测定结果来看，不同产地间糖类、脂肪、总黄酮含量差异较大，说明对不同产地米槁果实进行品质区划具有较高的现实意义.

3.2 不同产地米槁根际土壤理化性质测定结果

采集的22份米槁果实母株根际土壤样品理化因子酸性磷酸酶(S-ACP)、脲酶(S-UE)、过氧化氢酶(S-CAT)、pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾相关指标测定结果见图2.可知米槁大多适合生长在PH值为6以下酸性土壤当中，而且不同产地米槁根际土壤中酸性磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾均具有较大差异，说明土壤理化性质可能是影响米槁果品质量的重要因素.

3.3 米槁果实品质区划

3.3.1 米槁果实相关指标空间含量估计 应用Arcgis空间数据统计功能，采用 Moran I 系数法评价研究区粗脂肪和总黄酮、糖类(多糖、粗多糖、还原糖、可溶性多糖)含量空间自相关水平，结果见表2.表明在样点区内米槁相关化学成分在各自在空间上均呈聚集状与正相关，可以进行克里金空间插值分析.

表2 相关化学成分的Moran Ⅰ 指数

通过 Spearman 相关性系数法对不同产地米槁果实糖类、粗脂肪、总黄酮的含量测定结果与环境因子、土壤理化因子和化学成分含量数据的进行相关性分析，筛选对米槁相关化学成分具有显著影响的因素(表3).可知在环境因子中：与总糖含量显著相关的速效钾、有效磷、平均最低气压，与还原糖显著相关的为速效钾、平均日照时数，与可溶性多糖显著相关的为速效钾、最热七天气温，与粗多糖显著相关的为全磷、年平均气温、平均气压、平均最高气温、平均水汽压、平均2分钟风速，与多糖显著相关的全磷、速效钾、年平均气温、平均最高气温，与总黄酮显著相关的为过氧化氢酶、平均最高气温，与粗脂肪显著相关的为脲酶、速效钾、平均日照时数.

图2 米槁根际土壤理化因子测定结果Fig.2 Determination of physiochemical factors in rhizosphere soil of C. migao

表3 气候与土壤因子对米槁果品影响的显著度

*表示差异显著(P<0.05)；**表示极显著差异(P<0.01)

The *means statistical significance (P< 0.05), and the **meanssignificance at P<0.01

图3 相关化学成分的空间插值结果Fig.3 Spatial interpolation results of related chemical components

选择对总糖含量影响较大平均最低气温，对还原糖影响较大的日照时数，对可溶性多糖影响较大平均气压，对粗多糖影响较大年平均气温、平均气压、平均最高气温、平均水气压、平均2分钟风速，对多糖影响较大年平均气温、平均最高气温，对总黄酮影响较大的平均最高气温，对粗脂肪影响较大平均2分钟风速，以上相关气候因子作为各自的解释变量借助协同克里金方法进行空间插值计算，并以前期米槁生态适宜性区划结果适宜区作为掩膜进行空间插值计算，并将适生区行政地图叠加，便于区划描述.插值计算结果如下(图3).

从空间插值结果来看：粗多糖含量从西往东呈逐步增加趋势，随后由北向南递减，在广西壮族自治区百色、贵港以及广东省云浮、梅州等地含量最高、贵州省黔南、黔东南等地次之；多糖含量在空间分布上由南向北呈逐渐增加的趋势，在广西壮族自治区柳州、贺州、桂林，贵州省的黔南、黔东南以及广东省的佛山、揭阳、汕尾等地含量最高；还原糖含量在空间分布上则表现间断分布趋势，在云南省的红河、文山，广西壮族自治区的玉林、茂名以及广东省河源、汕尾、揭阳、梅州等地的部分地区含量最高，而在贵州省黔南等地含量最低；可溶性多糖含量在空间分布从西往东呈逐步递增的趋势，在广西壮族自治区的百色、柳州、贺州以及广东省的云浮、肇庆、梅州等地含量最高；总糖含量在空间分布则表现为由北向南呈现出逐步升高的趋势，在广东省的揭阳、汕尾、惠州、江门、阳江、云浮以及广西壮族自治区的玉林、防城港、崇左、贵港、百色、河池的部分地区含量最高；总黄酮含量在空间分布呈现从西向东呈现含量逐渐降低的趋势，在贵州省毕节、六盘水、安顺、黔南等地部分区域含量最高，在广西壮族自治区百色、玉林以及广东省的茂名、云浮等地最低；粗脂肪含量在空间分布同样呈现出间断变化的趋势，在西部云南省曲靖、贵州省六盘水以及东部广西壮族自治区、广东省大部分地区含量最高，而在中部的广西壮族自治区、贵州省部分区域含量最低.

3.3.2 米槁果实品质综合评价结果 根据米槁果实的综合评价体系，包括前期生长适宜性区划和对黄酮、粗脂肪、糖类品质区划结果，基于ArcGIS图层模糊叠加功能，对米槁品质进行品质区划(图4).由图可知，米槁果实品质积累较好的主要分布广西壮族自治区境内百色、柳州、贺州以及广东省的云浮、梅州等地.

图4 米槁果实品质的区划结果Fig.4 Distribution results of fruit quality of C. migao

4 讨 论

4.1 植物代谢产物积累与环境因子之间的关系

在影响米槁果实品质相关的环境因子中，本文选取了11个土壤理化因子和12气候因子参与评价，分析结果显示在土壤因子中脲酶、过氧化氢酶，全磷、速效钾、有效磷这几个土壤因子是影响米槁果实品质的重要因素.但是笔者在进行空间插值未将上述土壤因子进行空间插值，主要原因在于空间插值在地统计学空间分析中，主要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，或推求其它区域数据[15].在对地区气候、降水以及农作物产量估计都较为广泛[26-27].但是针对上述土壤理化因子来说局限较大，由于不同土地利用方式、地势、水流等因素影响下，导致在同一地理区域土壤理化因子状况差异很大，大尺度空间插值并不能很好的反应地区土壤状况，用此插值结果参与建模也可能会导致预本次测结果误差过大[28-29].但土壤因子(特别是土壤肥力状况)又是在中药材品质形成过程不可忽视的重要因素，许多大宗药材如丹参、党参、佛手等药材品质(尤其是产量)都与土壤因子息息相关[30]，本研究结果也很好的说明了这一问题.所以在较大尺度对药材品质进行区划研究时，特殊小生境背后独特的环境因子(立地条件、小气候)对药材品质形成不可忽视，这也可能是很多中药材道地产区狭窄的重要原因，如同为遵义地区出产银杏叶中两个产地含量相差数百倍，浙贝传统认为道地产区仅仅是在浙江象山[31].中药材品质是在注重药效物质含量同时兼顾产量，二者积累在较大程度受环境影响.而气候因子地域差异较大，利用空间插值实现药材品质的空间化，结合筛选后的气候因子和小区域内土壤相关理化性质，可以实现药材品质形成机制研究大尺度与微观的结果，为中药材栽培驯化和优质高产指明方向[15].

4.2 药材品质区划与生长区划的差异

通过对比米槁果实品质区划结果与课题组生长区划结果来看，米槁品质形成最佳区域与生长适宜性最佳区域在大尺度上是重合的，但是在小区域并不吻合[24].从米槁的实际分布数据与生态适宜性区划来看，其最佳生态适宜区主要集中在黔桂交界红水河两岸(河池、百色、黔东南)，而在品质形成最佳区域主要集中在广西壮族自治区境内百色、柳州、贺州以及广东省的云浮、梅州等地的部分区域.因此，在对药材进行生产区划时仅仅考虑药材生态适宜性作为生产区划原则而忽略药材品质形成的最佳区域可能无法获得质量保证的药材.且从生长适宜性区划结果，米槁生长适宜性与品质形成最佳区域相较于其他大宗药材来说极为狭窄，这可能与米槁本身物种特性和喀斯特地区高度环境异质性相关[32-33].为保证在人工栽培时形成质优效佳的药材品种，在考虑大尺度生长适宜性区划与品质区划基础上，充分考察小区域的环境特性.才能保证药材品质，只有在保证药材品质达标的前提下，再结合生态适宜性区划以保证药材产量.

5 结 论

本研究选取糖类、粗脂肪、总黄酮三类物质作为米槁果实品质评价指标，选取23个环境因子参与评价，完成了米槁果实品质区划.结合前期对米槁的实地调查，综合考虑土壤、气候、药材质量与产量等因素，建议米槁在人工栽培选址时应当选择在气候相对适宜且土地肥沃区域的黔桂交界处的红水河河谷地带为宜.