中药大黄生境适宜性分布研究△

赵文龙，景志贤，张娟，陈红刚，杜弢，康生福，晋玲*

1.甘肃中医药大学 药学院，甘肃 兰州 730000；2.中国中医科学院 中药资源中心 道地药材国家重点实验室培育基地，北京 100700；3.甘南百草生物科技开发有限公司，甘肃 合作 747000

中药大黄为蓼科植物唐古特大黄RheumtanguticumMaxim.ex Balf.、药用大黄R.officinaleBaill.或掌叶大黄R.palmatumL.的干燥根茎，性寒，味苦，有泻火通便、活血祛瘀、利胆退黄之功效[1-3]。大黄在全球范围应用广泛，目前共有19个国家的法定药典将大黄定为可用药物[4]，因此有着巨大的市场需求。目前，中药大黄相关研究主要集中在化学成分、指纹图谱和品质影响因素等方面[5-7]，对其资源分布和生境特点的研究报道较少，导致种植选址和区划布局工作相对滞后。作为中药资源合理开发利用的重要依据和基础，中药区划研究结果不仅能因地制宜地指导中药材资源开发与生产[8]，还可为制定中药资源的保护和开发规划提供科学依据[9]。

最大熵理论提出在已知条件下，熵最大的事物最接近其真实状态[10]，以此构建的最大熵(MaxEnt)模型可用于预测物种潜在分布及适宜生境范围[11]。近年来，国内一些学者陆续使用该模型开展物种分布研究，且部分研究证实，MaxEnt 模型结合地理信息系统(GIS)技术在预测药用植物生境适宜性方面效果较好[12-18]。

本研究对全国中药大黄3种基原植物的历史记录和实地调查数据进行整理，基于MaxEnt模型和GIS技术，对大黄适宜生境地理分布开展研究，为大黄合理种植区域的选址提供依据。

1 材料与方法

1.1 环境及气候数据

本研究中的气候数据是将1950—2000年全国范围地面标准气象观测站常规气象观测值(降水、温度和日照等)进行变换得到不同类型的气候指标；环境数据中的土壤类型数据是根据全国1∶100万土壤类型图制成；植被覆盖类型源自全国1∶100万植被类型图中的植被亚类，全部55个环境气候因子数据均被插值为1 km×1 km空间分辨率的栅格数据。

1.2 药材生境分布数据

中药大黄3种基原植物的地理分布数据主要来源于两部分。第一部分为历史数据，通过中国数字植物标本馆和教学标本标准化整理整合与资源共享平台查询收集；第二部为实地调查数据，通过第四次全国中药资源普查以及本课题组近几年的实地调查获得，共整理得到3种大黄的全国地理分布信息408条，其中掌叶大黄176条(历史数据58条，实地调查数据118条)，药用大黄145条(历史数据49条，实地调查数据96条)，唐古特大黄87条(历史数据32条，实地调查数据55条)，全国样点空间分布见图1。

注：审图号为GS(2020)6688号。图1 大黄全国样点空间分布

1.3 模型设置

将环境气候数据和样点坐标数据导入MaxEnt模型，以85%的样点数据作为训练样本集，以设置 1×104的迭代次数用于估算各特征在训练数据中的分布，直到训练集样本的特征分布和模型的特征分布相同时给出模型最优参数；剩余15%的样点数据作为测试数据集对预测结果进行随机测试，同时评价各环境气候因子的贡献率。

1.4 预测精度评价

采用受试者工作特征(ROC)曲线和曲线下面积(AUC)的大小作为模型预测准确度的衡量指标，AUC取值为0～1，越接近于1表示模型预测精度越高，其中，AUC<0.7为精度较差，0.7～0.8为一般，0.8～0.9为较好，0.9～1.0为非常好[11-13]。

1.5 主要环境气候因子及生境适宜性分析

MaxEnt模型可预测不同环境气候因子对生境适宜性影响的贡献程度，提取贡献率较高的因子，并依据响应曲线评估最佳取值范围。

常用的生境适宜性等级划分方法主要有百分比划分法、自然断点划分法和正态分布参数划分法，方法不同适宜性等级划分结果也存在差异。MaxEnt模型预测值一般呈正态分布，取值为0～1，数值越大表明物种在该地区生长适宜性越高。本研究使用正态分布参数划分法，通过ArcGIS空间分析工具，提取3种基原大黄生长点所处位置的适宜性值，以正态分布参数平均值(μ)和标准差(δ)作为区分生境次适宜和最适宜区的分隔，以适宜性最小值(Min)作为适宜生境和不适宜生境的分隔值，即[0，Min]为生境不适宜区，[Min，μ-δ]为生境次适宜区，[μ-δ，1]为生境最适宜区。其中，生境最适宜表示药用植物生长地区的环境及气候条件最佳，对生长和发育的限制较少；生境次适宜表示药用植物生长地区的环境及气候条件相比于最适宜区较差，在一定程度上限制生长和发育；生境不适宜则表示药用植物生长地区的环境及气候条件严重限制了生长发育，不适宜引种栽培。

2 结果与分析

2.1 模型预测评价

以AUC值为指标的评价结果显示：掌叶大黄、药用大黄和唐古特大黄的MaxEnt模型训练数据集和测试数据集的AUC 值依次为0.991和0.969、0.994和0.954、0.996和0.973，很接近1.0，说明模型预测结果具有较高的可信度和准确度(见图2)。

注：A.掌叶大黄；B.药用大黄；C.唐古特大黄。图2 不同基原中药大黄的ROC曲线及AUC值

2.2 环境气候因子对大黄生境适宜性的影响

根据MaxEnt模型预测环境气候因子对不同基原大黄适宜生境分布的贡献率，选取贡献率较高的几个因子作为影响生境分布的主要限制因子，结果显示，有21个因子对掌叶大黄的生境适宜性产生了影响，其中9月降雨量贡献率(38.0%)和海拔贡献率(22.2%)影响最大；对药用大黄生境适宜性产生影响的因子有19个，其中10月降雨量和9月降雨量贡献率最高，分别达49.3%、21.8%；对唐古特大黄生境适宜性有影响的因子20个，其中5月降雨量的贡献率(43.1%)和海拔的贡献率(27.8%)最高(见表1)。

表1 影响中药大黄基原植物生境适宜性的主要环境气候因子

2.3 大黄生境适宜性空间分布

利用ArcGIS对模型预测结果进行重分类和叠置分析，按照生境适宜性从低到高将3种大黄的生境适宜分布区各划分为3个等级，分别绘制掌叶大黄、药用大黄和唐古特大黄的分布区划结果。

掌叶大黄生境适宜性划分结果为不适宜生境(0，0.063 8)、次适宜生境(0.063 8，0.265 9)、最适宜生境(0.265 9，1)。从图3可以看出西藏东部接四川西部的甘孜州和阿坝州、甘肃南部接陕西秦岭以及湖北部分地区生境适宜性最高。

药用大黄生境适宜性划分结果为不适宜生境(0，0.051 2)、次适宜生境(0.051 2，0.175 6)、最适宜生境(0.175 6，1)。从图4可以看出四川中东部、重庆、甘肃和陕西南部、湖北西部和贵州北部部分地区生境适宜性最高。

注：审图号为GS(2020)6688号。图3 掌叶大黄生境适宜性分布

注：审图号为GS(2020)6688号。图4 药用大黄生境适宜性分布

唐古特大黄生境适宜性划分结果为不适宜生境(0，0.025 8)、次适宜生境(0.025 8，0.210 0)、最适宜生境(0.210 0，1)。从图5可以看出生境适宜性最高的地区主要集中在四川西部、青海与甘肃甘南高原交汇处，以及西藏东部地区。

将不同基原大黄的最适宜生境区进行叠加分析后发现，唐古特大黄和掌叶大黄的最适宜生境重叠区分布最广，主要位于甘肃甘南、四川阿坝和甘孜藏族自治州，以及西藏昌都以东的部分地区，面积约为314.45×103km2；其次是药用大黄与掌叶大黄，主要分布于陕西汉中、甘肃陇南以及湖北南部，面积约为306.29×103km2；唐古特大黄和药用大黄的最适生境重叠区分布范围最小，主要位于甘肃陇南和四川阿坝的部分地区，面积约为87.67×103km2。3种基原中药大黄的最适宜生境重叠区较小，仅在甘肃省甘南和陇南，以及四川省阿坝和甘孜的部分地区有少量分布，面积也仅有68.87×103km2(见图6)。

注：审图号为GS(2020)6688号。图5 唐古特大黄生境适宜性分布

注：审图号为GS(2020)6688号。图6 3种大黄最适宜生境重叠区分布

2.4 预测结果与实际分布对比

比较中药大黄不同基原植物的实际分布和预测结果可以看出，大黄实际生长点均位于预测适宜生境范围内，两者较为吻合。从文献记载的大黄资源分布群集来看，青海、甘肃和四川交汇处的青藏高原东部是我国大黄资源的主要分布区域[19-20]。本次预测结果显示，中药大黄3种基原植物的区域性特征都较强，其中掌叶大黄主要集中在四川、西藏、青海和甘肃，在云南和陕西也有分布；唐古特大黄在四川、青海、甘肃和西藏四省交界处的生境适宜性最高；药用大黄适宜生境分布区较其他2个基原的地理分布东移，主要集中在四川中部、甘肃和陕西南部以及重庆大部分地区，湖南和贵州的山区也有分布，上述结果与文献记载较为一致。

3 讨论

本研究表明，海拔、夏秋季降雨、昼夜温差及季节性温差是影响中药大黄基原植物生长和分布的主要生态因子。其中海拔对掌叶大黄和唐古特大黄生境适宜性的贡献率达到了22.2%和27.8%，但对药用大黄的贡献率只有4.0%。从适应的海拔范围来看，掌叶大黄和唐古特大黄主要分布在海拔为1700～4700 m的地区，而药用大黄主要分布在海拔为270～3800 m的地区，这与薛国菊等[20]的论述较为一致。夏秋季降雨对中药大黄的3种基原植物的生境适宜性贡献率都较大，而昼夜温差及季节性温差的贡献率都较小，这与谢宗强[21]在国产大黄属植物的生态地理分布中提到的大黄属植物类群的生长习性较为一致。适宜的生境条件是道地药材生长的重要基础，这也给大黄药用植物的种植提出了具体的生境要求。

从3种基原大黄最适宜生境的叠加分析结果可以看出，唐古特大黄和掌叶大黄有较大的分布重叠区域，主要位于青藏高原东缘的青海、四川及甘肃交界的部分地区，而药用大黄由于生长环境相对温暖，其分布区域与唐古特大黄重叠较少，但与掌叶大黄重叠较多，表明掌叶大黄对环境温度的适应强于另外2种，其适宜种植范围也更广。上述结果在一些研究中也得到了证实。王岩等[22]在中药大黄资源分布研究中指出，唐古特大黄主要分布在青海东部和东南部、四川西北部；掌叶大黄主要分布在甘肃东部及东南部、青海与四川西北部交界区域；药用大黄主要分布在四川东北部、陕西南部与湖北西北部。这些研究结果表明，不同基原的中药大黄在适宜生境的地理分布上存在差异，未来的引种和栽培规划是要加以区分。

近年来，以野生来源为主的中药材供需矛盾愈加显著，人工种植中药是从根本上缓解该矛盾的有效方法，而适宜种植区域的划分是开展人工引种工作的基础。本研究以药用植物生长的环境及气候条件为基础，利用MaxEnt模型和GIS技术对掌叶大黄、唐古特大黄和药用大黄的适宜生境进行了预测评价，结果将为优化中药大黄种植区域，提升药材质量提供科学依据，从而为加强大黄中药资源的可持续发展打下基础。