基于广西柳州市城中区药用植物资源普查数据的综合评估方法构建

2022-03-15巫文鑫戴忠华柴子舒夏玉苹李永华

西南农业学报 2022年12期

巫文鑫，王超，蒋林，戴忠华，郭敏，汝梅，柴子舒，夏玉苹，李永华

(1.广西中医药大学，南宁 530200；2.暨南大学附属第五医院，广东河源 517475)

【研究意义】药用植物资源是我国中医药事业发展的战略物质基础[1]，药用植物资源调查的根本目的是了解重要资源的种类、分布和应用等，其成果可用于指导药用植物资源的合理保护与可持续开发利用[2]。截至20世纪80年代，广西柳州市开展了3次大规模药用植物资源调查，而第三次调查距今已30多年，城市化发展对药用植物资源已造成巨大影响，需再次深入调查了解药用植物资源的家底。因此，基于第四次全国中药资源普查，广西中医药大学中药资源普查队于2019年5月至2021年5月开展了广西柳州市城中区药用植物资源调查工作，并建立综合评估方法，对广西药用植物资源的保护与开发利用具有重要意义。【前人研究进展】药用植物资源的种类和分布受社会发展水平和土地利用因素影响[3]。李珍等[4]调查发现，福建省龙文区126.00 km2土地总面积中人为活动较少的区域仅11.25 km2，记录药用植物仅有156种。广西桉树种植在现代农业种植中占有很大比例[5]，桉树种植过程中的清理林场和整地措施对药用植物资源种类及分布具有一定影响。韦婉羚等[3]调查发现，广西鹿寨县非桉树林样地中的野生重点药用植物物种数是桉树林样地的1.52倍。位于广西柳州市城中区的广西国有三门江林场大力培育桉树人工林，同样面临药用植物资源保护与人工林扩展的矛盾[6]。层次分析法(AHP)和雷达分析法等综合评估方法在解决城市化发展与药用植物资源保护和开发之间的矛盾中已得到应用。吴莹等[7]通过调查和进行AHP评价，得到关黄柏、黄芪、远志和玉竹等药材资源具有良好的质量、数量、经济效益及白果、桃仁和芦根等药材资源具有良好生态效益的结论。王慧等[8]基于中药资源普查数据和动态监测服务体系数据，构建了一种基于雷达图分析法的综合评估模型，该模型具有良好的预警机制。刘俊娟[9]运用层次分析法结合专家意见对洛阳高山地区牡丹品种资源的综合性状进行了综合评价。AHP等监督学习模型与K-means等无监督学习模型的结合使用，可充分考虑现实和人文因素的影响，并揭示数据之间的分类意义。李虹等[10]通过综合赋权和改进的K-means++综合分析方法实现对分布式能源资源的区域类型划分，建立综合评价指标体系，并进行基于资源特征和地理信息的聚类分析。覃茂刚等[11]通过K-means聚类层次分析模型将中沙环礁的环境稳定性进行分级划分，确定沉积物类型、坡度和水深是影响其稳定性的主要因素，为中沙环礁的开发选址、工程建设和防震减灾等提供基础资料和地质依据。【本研究切入点】目前，针对广西柳州市城中区药用植物资源调查与综合评估的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】根据《全国中药资源普查技术规范》和《2018年省级中药资源普查实施方案(广西)》的总体要求，基于第四次全国中药资源普查要求，选取广西柳州市城中区开展药用植物资源调查并建立综合评估方法，为广西药用植物资源的保护与开发利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

广西柳州市城中区位于109°23′51″～109°30′56″E，24°18′34″～24°25′55″N，属柳州市市辖区，地处柳州市中心地带，行政区域面积77.56 km2。辖城中、公园、水上、中南、静兰、河东和潭中7个街道共17个社区。气候属北半球南亚热带与中亚热带交替过渡气候带，年均温20.5 ℃，年降水量1490 mm，年日照时数1635 h。林地面积26.60 km2，占该行政区土地面积的40.4%。地貌以峰林谷地、石灰岩孤峰平原和矮山低丘为主，境内多缓坡丘陵，地形受柳州市郊太阳村所控制的单斜构造影响，多碎块，为河流阶地，以冲积地形为主，属浸蚀溶蚀性河谷平原，其中，老城区内无石山，无土岭，海拔81～93 m。由于土地流转，河东半岛官塘大道沿线土地已进行城市化和商业化开发，使得自然生态面积大幅减少。中药资源普查的2种代表区域——针叶林和草地，多分布于三门江国家森林公园及周边村落。

1.2 调查方法

1.2.1 外业调查通过查阅第三次全国中药资源普查、当地相关药用植物普查的文献及《广西中药资源名录》[12]，了解广西柳州市药用植物资源概况及药用植物分布情况，为第四次普查提供初步的资源普查名录。根据广西柳州市城中区面积、植被状况、药用植物资源分布及城市化发展情况，经系统生成41个样地坐标点。参照《全国中药资源普查技术规范》[13]中的样方法和踏查法对其中36个代表性样方和城中区各药材市场进行全面调查，记录药用植物资源的分布与资源利用情况。

1.2.2 内业整理参照《全国中药资源普查技术规范》[13]，在完成大部分外业工作的基础上，进行内业整理，主要包括相关数据资料统计、整理、上传及编写调查报告和腊叶标本制作。

1.2.3 综合评估方法构建参考苏家贤[14]的方法，对各药用植物资源进行层次分析，计算各种药用植物资源的综合评分，继而使用K-means聚类分析方法对综合评分进行聚类分析[15]，确定区域类型划分。

根据各药用植物资源的自身特点及开发价值，运用AHP构建评价模型，该模型主要包含目标层(A)、一级标准层(C)、二级标准层(P)和方案层(S)4个层级。通过yaahp (V 12.7.7993)构建1～5标度法，创建各层次判断矩阵，求得各因素的权重值(W)。各层级的检验系数(CR)均小于0.1000，预示AHP模型满足一致性，可通过逻辑检验，详见表1。

表1 广西柳州市城中区药用植物资源评分体系

K-means聚类是根据数据点的欧式距离构造一个刻画数据空间的度量矩阵。设定K个初始质心(Initial centroids)，根据欧式距离将数据点分配到最近的质心(Nearest centroid)，并根据分配到初始质心所有样本的均值创造出K个类别新质心[14]。各类别数据最终的质心代表该类别数据特征。

1.3 统计分析

通过SPSS 25.0构建二级标准各水平分值(表2)，对各种药用植物资源的各项指标赋值，并将各项数据乘以权重W，得出各药用植物资源价值的综合得分。在文献记载数(P1)方面，基于广西柳州市第七次全国人口普查数据(数据源于柳州市人民政府公报)，全市常住人口中汉族人口和壮族人口所占比例较大，确定其传统中医药主要为汉族医药和壮医药，因此选取《中华本草》[16]《中华人民共和国药典(一部)》[17]《中国壮药学》[18]和《中国壮药资源名录》[19]作为参考文献，且主要探索药用植物资源的潜在价值，故4个参考文献仅进行累计计分，不作排序；在生活型(P4)方面，桉树人工林的大面积推广对广西柳州市城中区药用植物资源特别是乔木和灌木影响巨大[20]，城中区药用植物的适应性发展应以一年生草本和多年生草本为基础，探索更科学的套种模式，故评分标准设置一年生草本为最高评分，乔木为最低评分，与苏家贤[14]的评分有所差异；药用部位数(P2)、使用情况(P3)和出现频度(P5)等其他方面均依据《全国中药资源普查技术规范》和中药资源普查信息管理系统进行判断和评分。其中，环境适应性(P6)依据药用植物资源是否符合当地植物普遍生态类型水平(中生植物、阳性植物、酸性土植物和亚高温植物)进行累计评分。

表2 广西柳州市城中区药用植物资源的二级标准各水平分值

参考吴莹等[7]的AHP评价方法，药用植物的综合评分>4.0000为开发价值高，可作为重点研究对象，划分为Ⅰ级；3.5000<综合评分≤4.0000的药用植物可开发价值较高，但某些层面因素上评分较低，该类药用植物资源也有较大开发潜力，应当重视，划分为Ⅱ级；3.0000<综合评分≤3.5000的药用植物可开发价值一般，不建议重点关注，划分为Ⅲ级；综合评分≤3.000的药用植物可开发价值低，各层面因素上的评分均较低，不适宜在当地开发利用，划分为Ⅳ级。通过SPSS 25.0对药用植物资源的综合得分和一级标准层(C)进行K-means聚类分析，进而对药用植物资源通过AHP得到的等级与K-means聚类得到的类别进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 药用植物资源的物种组成分析

从广西柳州市城中区共采集并鉴定药用植物资源101科259属346种(包括种下亚等级单位)，其中，野生的珍稀濒危药用物种有金毛狗(Cibotiumbarometz)和苏铁(Cycasrevoluta)；346种药用植物资源中有野生药用植物资源282种，栽培药用植物资源64种；维管植物中蕨类植物有14科14属22种；裸子植物有3科3属3种；被子植物有84科242属321种，被子植物种类占总种数的92.77%，在种类中占绝对优势(表3)。

表3 广西柳州市城中区的药用植物资源组成

2.2 药用植物资源科内分析

由表4可知，广西柳州市城中区药用植物资源单科单属的科数为61科，其科内占比和种内占比分别为60.40%和21.97%；种内占比最多的为单科2～5属，其对应科数为30科，科内与种内占比分别为29.70%和35.55%；含属数最多的科为菊科，共含有26个属，其次为禾本科，共含有22个属。

表4 广西柳州市城中区药用植物资源不同科所含属的数量和所占比例

由表5可知，广西柳州市城中区药用植物资源单科单种的科数为53科，其科内占比和种内占比分别为52.48%和15.32%；种内占比最多的为单科2～10种，科数为42科，科内和种内占比分别为41.58%和48.55%；含种数最多的2个科为菊科和禾本科，种数分别为32和25种，为广西柳州市城中区药用植物的优势科。说明广西柳州市城中区药用植物资源种类较丰富。

表5 广西柳州市城中区药用植物资源不同科所含的种数和所占比例

2.3 药用植物资源生态习性分析

由表6可知，在所调查的药用植物资源中，以水分生态类型进行分析，中生植物最多(297种)，占比最大，为85.84%，水生植物最少(1种)，占比最小，为0.29%；以光生态类型进行分析，阳性植物最多(317种)，占比最大，为91.62%，耐阴植物最少(1种)，占比最小，为0.29%；以土壤生态类型进行分析，酸性土植物最多(340种)，占比最大，为98.27%，钙质土植物最少(2种)，占比最小，为0.58%；以温度生态类型进行分析，亚高温植物最多(324种)，占比最大，为93.64%，微温植物最少(2种)，占比最小，为0.58%。可见，亚热带气候对广西柳州市城中区药用植物资源数量的影响较明显。

表6 广西柳州市城中区不同生态类型药用植物资源的种数及所占比例

2.4 重点药用植物资源的物种统计

根据《全国中药资源普查技术规范》，对样方中出现的重点药用植物资源进行统计，广西柳州市城中区的重点药用植物资源有9种(表7)。其中，有7种为野生种，2种为农户零星栽培，资源量十分有限。可见，包括野生物种在内，重点药用植物在柳州市城中区未得到充分重视与开发。在9种重点药用植物资源中，青葙因入药部位不同功效存在差异，如青葙子长于祛风，青葙长于杀虫和止血，青葙花长于凉血，可根据市场需求适时调整采收入药部位，其综合开发价值较高，应引起关注。

表7 广西柳州市城中区药用植物资源的重点调查物种

2.5 与第三次全国中药资源普查数据的比对分析

与第三次全国中药资源普查数据进行比对发现，本研究调查的346种物种中有181种为差异性物种，涉及76科，并发现优势科内物种数变化明显。其中，变化最大的为禾本科，第四次调查发现禾本科有25种，较第三次全国中药资源普查记录的禾本科总物种数增加9种，新发现物种数为20种，而豆科总物种数由第三次全国中药资源普查记录的40种减少至19种，新发现物种数8种，禾本科已替代替豆科成为第二大优势科；菊科作为第一大优势科其物种数由第三次全国中药资源普查记录的42种减少至32种，新发现物种数15种；木棉科和番杏科为第四次全国中药资源普查记录的新增科。可见，第四次全国中药资源普查的调查范围不同、城市化扩大及桉树人工林推广引起广西柳州市城中区中药植物资源种类的消长。

2.6 药用植物资源综合评价

由表8可知，根据广西柳州市城中区药用植物资源的AHP综合评分，可将广西柳州市城中区药用植物资源分为4个等级。其中，Ⅰ级有药用植物88种(表9)，可作为重点发展对象，重点药用植物有青葙(限于篇幅，每个等级仅列出1种重点药用植物资源名称，下同)；Ⅱ级有药用植物104种，均具有较大的开发潜力，重点药用植物有千里光；Ⅲ级有药用植物90种，开发价值较低，重点药用植物有枇杷；Ⅳ级有药用植物64种，不适宜在当地进行开发，无重点药用植物。可见，广西柳州市城中区有Ⅰ和Ⅱ级共计192种较高价值的药用植物资源及青葙、千里光、杠板归、槲蕨和木鳖子等5种高价值重点药用植物资源有待合理开发。

表8 广西柳州市城中区药用植物资源的AHP等级划分

表9 广西柳州市城中区重点药用植物资源的AHP综合评分及等级划分

2.6.1 历史使用价值分析由表10可知，从文献记载数(P1)角度分析，有8种药用植物资源在《中华本草》《中华人民共和国药典(一部)》《中国壮药学》《中国壮药资源名录》等4本书籍均有记载，其中包含4种Ⅰ级药用植物资源和4种Ⅱ级药用植物资源；药用植物资源以草药居多，多数未被《中华人民共和国药典(一部)》和《中国壮药资源名录》收录，因此需对药用植物资源在4种文献中的收录情况分别统计分析。从表11可看出，《中华本草》收录药用植物307种，包含Ⅰ级药用植物87种，Ⅱ级药用植物92种；《中华人民共和国药典(一部)》收录药用植物52种，包含Ⅰ级药用植物19种，Ⅱ级药用植物20种；《中国壮药学》收录药用植物148种，包含Ⅰ级药用植物63种，Ⅱ级药用植物26种；《中国壮药资源名录》收录药用植物76种，包含Ⅰ级药用植物33种，Ⅱ级药用植物18种。从表10还可看出，301种药用植物存在使用情况(P3)，但多数未收录于《中华人民共和国药典(一部)》和《中国壮药资源名录》，说明多数药用植物资源未得到充分开发；从药用部位数(P2)角度分析可知，药用部位数4种以上或以地上部为药用部位药用植物的总数为173种(药用部位划分参考张贵君[21]的方法)，其中，综合评分等级为Ⅰ级的药用植物80种，占该分值种数的46.24%；综合评分等级为Ⅱ级的药用植物82种，占该分值种数的47.40%。可见，广西柳州市城中区高价值药用植物资源应用广泛，均具有明确的药用疗效记载。

表10 广西柳州市城中区药用植物资源的历史使用价值分析

表11 广西柳州市城中区药用植物资源的文献记载分析

2.6.2 植物学特征分析各药用植物资源的植物学特征见表12。其中，从生活型(P4)角度进行分析，广西柳州市城中区有一年生药用草本植物153种，包含Ⅰ级的药用植物66种，占该分值药用植物数的43.14%，Ⅱ级药用植物64种，占该分值药用植物数的41.83%；从出现频度(P5)角度进行分析，出现频度为多的药用植物有42种，包含Ⅰ级药用植物资源14种，占该分值药用植物数的33.33%，Ⅱ级药用植物资源14种，占该分值药用植物数的33.33%；从环境适宜性(P6)来看，适应性强的药用植物有264种，包含Ⅰ级药用植物资源67种，占该分值药用植物数的25.38%，Ⅱ级药用植物资源72种，占该分值药用植物数的27.27%。可见，广西柳州市城中区高价值药用植物多为草本，具有较高的出现频度和较强的环境适应性。

表12 广西柳州市城中区药用植物资源的植物学特征分析

表13 广西柳州市城中区药用植物资源的可开发价值分析

表14 广西柳州市城中区药用植物资源的K-means聚类分析

2.6.3 可开发价值分析由表13可知，从栽培情况(P7)角度分析，广西柳州市城中区有野生药用植物283种，其中，Ⅰ级药用植物资源有75种，占该分值野生药用植物数的26.50%，Ⅱ级药用植物资源有83种，占该分值野生药用植物数的29.33%，说明野生高价值资源种类较多，当地可开发药用植物资源丰富；从药用部位类型(P8)角度分析，药用部位为全草或叶的药用植物有195种，其中，Ⅰ级药用植物资源有82种，占该分值药用植物数的42.05%，Ⅱ级药用植物资源有84种，占该分值药用植物数的43.08%。可见，广西柳州市城中区高价值药用植物资源多以全草或叶入药，而全草入药对植物个体消耗较大，对资源总量影响较明显，应合理开发避免造成不可逆的破坏。

2.6.4 K-means聚类分析为检验AHP等级划分的合理性，设定K-means聚类的初始质心数为4，对广西柳州市城中区药用植物资源的综合评分及一级标准层(C)进行聚类分析。由表14可知，4个类别药用植物资源的划分规律明显，从一类到四类，其质心的总分和历史使用价值(C1)特征值依次降低，植物学特征(C2)和可开发价值(C3)总体上也呈降低趋势，其中，历史使用价值(C1)对总分的影响最明显，植物学特征(C2)次之，可开发价值(C3)的影响最小。

2.6.5 相关分析如表15所示，药用植物资源通过AHP得到的等级与K-means聚类得到的类别相关性为0.959，大于0.900，2组数据呈极显著相关(P<0.01)，即AHP各等级内的数据具有一致性，且K-means类别划分的质心能代表AHP各等级药用植物资源的特征，说明AHP与K-means结合的综合评估方法科学、合理。

表15 广西柳州市城中区药用植物资源的AHP等级与K-means聚类类别的相关分析

3 讨论

本研究在广西柳州市城中区开展第四次全国中药资源普查共采集到药用植物资源种数346种，涉及101科259属，与第三次全国中药资源普查采集的674种相比，药用植物资源种数大幅度减少。原因主要有3个方面，其一是调查范围不同：第三次全国中药资源普查时的调查范围是广西柳州市的城中区、鱼峰区、柳南区和柳北区4个城区。其二是受城市化发展影响：本研究发现差异性物种181种，其中禾本科、豆科和菊科等优势科的科内物种变化较明显，禾本科取代豆科成为第二大优势科，与张斯斯和肖宜安[22]及王沫和王红兵[23]研究认为禾本科是我国外来入侵植物的优势科，具有“草本、可种子繁殖、花小、花期短”特点，表现出较强的生态可塑性，在城市高干扰生态中具有一定耐受性的观点一致，也与李晓鹏等[24]对北京奥林匹克森林公园、杨永川等[25]对上海中心城区的研究结果相似。因此，可通过建立并完善广西柳州市城中区动植物动态监测站，建设辖区内重点药用植物种质资源保护体系及稀缺重点药用植物种质资源圃，确保辖区内药用资源得到有效保护[26]，同时，兼顾高等动物如鸟类和蛇类的动态检测，通过高等动物的多样性变化辅助监测植物群落的稳定性[27]。其三是受桉树人工林面积扩大影响：2004年由位于广西柳州市城中区的广西国有三门江林场牵头，在场内及场外种植的速生桉面积为11.52 km2[28]，2018年达121.57 km2[29]，2021年达286.93 km2(数据源于广西国有三门江林场官网)。该林场的桉树林多为纯林经营，且经营周期较短(6年)，连栽代数多，导致地力衰退和乡土植物更替难问题[29-30]。参考药用植物资源中的杉木和湿地松[31-32]均能与桉树形成生态效益、经济效益较好的复层混交林，且绿肥植物田菁能提高桉树人工林土壤有机质及速效氮、磷、钾等养分含量[33]的研究结果，建议各地进行桉树人工林经营时结合当地药用植物资源的优势形成可持续发展产业。

现有针对药用植物资源调查的研究多数为进行生物学、功效和毒性等分类描述[34]，少数为综合价值(SVMP)[3]和基于AHP[7]评价模型的研究，其研究对象仅为重点药用植物，个案数较少，且未对研究区域的一般药用植物资源进行分析，易忽略潜在的高价值一般药用植物资源。本研究采用AHP评价模型对346种药用植物资源进行综合评分，并进行K-means聚类分析，对于药用植物资源的分析更全面，且模型更可靠。在后续研究中，还可增加药用植物资源经济价值、群落生态作用指标继续完善综合评估方法，以筛选出适合当地可持续开发的药用植物资源；科学规划当地药用植物资源市场发展，建立完善的产销机制，逐步扩大当地药用植物资源市场；增加奖励机制，提高农户种植药用植物的积极性。