广金钱草分布和品质适宜性区划研究

李丹+唐晓敏+朱寿东+杨全+程轩轩+张春荣+潘利明+陈端妮

[摘要] 通过对华南和西南地区（广东、广西、海南和云南）的广金钱草实地调研，结合夏佛塔苷、多糖的含量，运用最大信息熵模型和地理信息技术，分别筛选出影响广金钱草分布适宜性和品质适宜性的主导生态因子，再对广金钱草的分布和品质进行适宜性区划。分布区划的结果表明，4月均温、最冷季节均温、土壤类型和寒冷指数4个生态因子对广金钱草分布适宜性的影响最大。品质区划的结果表明：①多糖含量与4月降水量呈显著性正相关；夏佛塔苷含量与4月均温、最冷季节均温呈显著性负相关，与10月、11月降水量，4月、5月日照时长呈极显著负相关，与4月降水量、温度季节性变化标准差呈显著性正相关，与2月、3月降水量呈极显著性正相关。②分别以夏佛塔苷、多糖为品质指标，依据品质区划模型绘制出广金钱草的品质区划图。该研究可为广金钱草生产区划、种植基地选择和定向培育提供科学选址依据。

[关键词] 广金钱草； 最大信息熵； 地理信息技术； 分布适宜性； 品质适宜性

[Abstract] The research on distribution and quality suitability division of Desmodium styracifolium were formulated by Maxent and ArcGIS model based on the content of schaftoside and polysaccharide of D. styracifolium and its field research in the south and southwest areas of China （Guangdong， Guangxi， Hainan and Yunnan）， and the most suitable habitats of distribution suitability and quality suitability were screened. The distribution suitability results indicated that average air temperature in April，mean temperature of coldest quarter， soil type， coldness index were found as the four dominant factors contributing to the plant distribution. The quality suitability results indicated that： ①Polysaccharide content and precipitation in April show significant positive correlation；Schaftoside content and mean temperature of April， mean temperature of coldest quarter show significant negative correlation. Schaftoside content shows significant negative correlation with the precipitation in October and November and the sunshine duration in April and May， while there is a significant positive correlation between schaftoside content and precipitation in April and temperature seasonality standard deviation， and a highly significant positive correlation was found between schaftoside content and precipitation in February and March. ②The quality zoning map was drawn depend on general content of polysaccharide and schaftoside as the index of quality. And this research provides scientific location basis for the production regionalization， cultivation bases selection and directive breeding of D. styracifolium.

[Key words] Desmodium styracifolium； MaxEnt； AcrGis； distribution suitability； quality suitability

廣金钱草Desmodium styracifolium （Osbeck） Merr.为豆科植物，以地上部分入药[1]，生于山坡、草地、土坎或灌木丛中，是两广地区常用中药，具有清热除湿，利尿通淋的功效，对肾结石、胆结石治疗效果显著。随着广金钱草广泛应用，野生资源已经不能满足市场和临床需要，现在市场上流通的广金钱草主要以人工栽培为主。生态环境与药材产量和质量关系密切，盲目引种栽培，加之栽培技术不完善，会导致药材产量和品质下降，各产地质量差异较大，同时造成土地浪费。本课题组近几年对广金钱草的规范化生产关键技术[2]、育种技术[3-4]等子方面开展了大量研究工作，现拟通过开展广金钱草分布和品质适宜性区划研究，推动广金钱草在适宜区域进行种植，并提高药材品质。

1 材料

1.1 采样点数据 采样点信息由GPS定位仪实地定位获取，调查共得到19个采集点，采集对象全部为野生品种，经广东药科大学杨全教授鉴定为广金钱草。19个采集点信息见表1。

1.2 生态因子数据 生态因子数据含有气候、土壤、地形和植被类型等数据共74个，数据源于中国中医科学院中药资源中心的中药资源空间信息网格数据库。

1.3 广金钱草品质指标含量数据 本研究选取2个品质指标，其中夏佛塔苷是历版《中国药典》规定的广金钱草定量检测指标，多糖是广金钱草排石利尿、抗炎等药理作用的主要成分[5-6]。

参考2015年版《中国药典》测定夏佛塔苷含量[1]，用甲醇提取，采用HPLC在272 nm波長下测定含量；多糖的提取利用“水提醇沉”的方法，苯酚和浓硫酸显色，采用紫外分光光度法在490 nm处测定多糖含量[7-11]。

2 方法

2.1 生态因子筛选 将采样点的位置信息和74个生态因子图层加载到AcrMap中，获取每个采样点处的生态因子值，之后计算这些因子之间的相关系数，形成相关系数树，将相关系数≥0.8的2个生态因子只保留其中一个[12]，直至所有保留的生态因子间相关系数<0.8，该过程利用Biosim软件实现。

2.2 最大信息熵模型（Maxent）预测分布适宜度 本研究采用最大熵值模型来计算广金钱草的分布适宜度，此模型运行需要实地调研获得采集点的经纬度和物种分布地区和目标地区的生态因子数据，并且引入ROC线[13]对预测结果评价。在对预测结果进行AUC分析（AUC的值就是处于接收者操作特征（ROC，receiver operating characteristic） 曲线下方面积的大小）后显示，相比其他生态模型，Maxent模型的准确性和方便性较高[14-19]。

将19个采集点的经纬度信息和最终保留的33个生态因子数据加载到Maxent中，重复运行10次Maxent模型，在参数设置中开启刀切法来评价各生态因子的权重，最终选取10次运算结果的平均值作为最终的生境适宜度。

2.3 模型精度检验 建立的生态模型的准确性通过最大信息熵模型（Maxent）计算得到的ROC曲线来验证。ROC曲线的AUC取值范围为[0，1]，值越大表示其准确性越高。当AUC为0.5～0.8时认为模型预测效果不理想；在0.8～0.9时，预测效果较好；当AUC>0.9时，表示预测效果可信，准确度较高，能够准确的反应物种的潜在分布[20]。

2.4 广金钱草分布适宜性区划 将10次计算结果的分布适宜度平均值图层文件加载到AcrMap中，提取多值至点，得到19个采样点的生境适宜度，并计算19个采样点的生境适宜度的均值（μ）和标准差（σ），利用AcrMap将生境适宜度分为3类：不适宜区，较适宜区和适宜区。分级依据正态分布原理，将μ-0.5σ作为不适宜区和较适宜区的临界值，μ+σ作为较适宜区和适宜区的临界值，最终得到分布适宜性区划图。

2.5 广金钱草品质适宜性区划 将2个品质指标含量分别与最终保留的生态因子作相关性分析，并选取相关系数较大的生态因子与2个品质指标含量做线性回归分析，分析2个品质指标与生态因子之间的关系，分别得到线性回归方程。将得到的方程带入到Acrtools的栅格计算器中，计算得到各成分含量的分布图。再将得到的成分含量分布图与重分类后的分布适宜性区划图进行叠加分析，得到品质适宜性区划图，最后对区划结果进行精度检验。

3 结果和分析

3.1 2个品质指标含量数据 广金钱草夏佛塔苷、多糖含量见表2。

3.2 Maxent模型预测准确性评价 运算10次的计算结果见表3。经10次运算，训练样本AUC均值为0.997，测试样本AUC均值为0.991，表明模型预测效果较好，能保证模型预测结果的准确性。

3.3 广金钱草生态因子适宜性结果 运用刀切法分析生态因子在广金钱草生境适宜度中所占的权重。从刀切图中可以看出，index-ci（寒冷指数）、tmean4（4月均温）、soiltype（土壤类型）和bio11（最冷季节均温）4个生态因子所占的权重较高，见图1，4者贡献率达到77.9%。当寒冷指数为0 ℃，4月均温为27.1 ℃，见图2。最冷季节均温为21.1 ℃时，广金钱草的生境适宜度达到最大。适合广金钱草生长的土壤亚类为变性淋溶土、停滞水黑土、酸性硫酸盐潜育土、人为土、冰冻薄层土、铁铝始成土和黄色铁铝土。

3.4 生态因子与化学成分含量相关性结果 将2个品质指标含量与最终保留的生态因子做相关性分析，多糖含量与4月降水量呈显著性正相关；夏佛塔苷含量与4月均温、最冷季节均温呈显著性负相关，与10月、11月降水量，4月、5月日照时长呈极显著负相关，与4月降水量，温度季节性变化标准差呈显著性正相关，与2月、3月降水量呈极显著性正相关，相关系数见表4。分析2个品质指标含量与生态因子之间的关系，得到方程。

Y1=-3.457+0.082X1-0.241X2+0.192X3+0.005X4+0.235X5（Y1多糖，X14月降水量，X23月降水量，X32月降水量，X42月日照时长，X5土壤阳离子交换能力），回归方程的决定系数R2=0.886，对方程检验，F=20.107，P=0.000，有统计学意义。

Y2=-0.09+0.029 X1+0.787X2（Y2夏佛塔苷，X13月降水量，X2有机碳含量），回归方程的决定系数R2=0.527，对方程检验，F=8.913，P=0.003，有统计学意义。

3.5 广金钱草分布适宜性结果及评价 根据本课题组多年对广金钱草实地调研获得的采样点信息，运用AcrMap对广金钱草生境适宜度进行等级划分，19个采样地点的适宜度符合正态分布，因此将μ-0.5σ和μ+0.5σ分别作为不适宜区和较适宜区、较适宜区和适宜区的临界值，μ-0.5σ和μ+0.5σ的计算结果分别为0.48，0.79，等级划分结果见表5。适宜区集中在海南岛北部、东部、南部沿海地区，广东省雷州半岛东南部，廉江、茂名、阳江、云浮等地区；本课题组在2011年[21]和2015年2次对广金钱草实地调研中，在云南都没有发现野生广金钱草分布，但是2015年版《中国植物志》中记载，云南南部有广金钱草分布，见图3。预测结果中云南南部有广金钱草分布；福建省有广金钱草分布，这与2014年版《全国中草药汇编》所记载的一致，另外结果还预测到台湾东部沿海和西南部沿海也有广金钱草分布。

3.6 广金钱草品质适宜性结果及评价 根据2个品质指标与生态因子建立的回归线性方程，运用AcrMap进行空间计算，与分布适宜区划图叠加分析，得到2个品质指标的适宜性区划图，见图4～5。从图中可以看出，预测夏佛塔苷含量最高的地区主要位于海南北部沿海、西北部沿海和中部零星地区；多糖含量最高的地区分布在广西中部，广东中部和雷州半岛北部。另外对品质区划结果的精度进行检验，对比预测含量结果和实测含量结果，夏佛塔苷、多糖的均方根误差分别为0.854，0.866。

4 讨论

本研究所用样品全部为野生广金钱草，其分布和生长过程中几乎不受人为因素干扰，另外考虑到广金钱草分布区域的历史变迁问题，通过实地调查确保采样点生态信息具有代表性，在此前提下完成廣金钱草的分布适宜性区划和品质适宜性区划，相比利用栽培品和仅仅筛选出与传统道地产区生态因子相似度较高的区划的研究，准确性和指导性更高。

在对广金钱草分布适宜性研究中发现，最适宜生长区集中在海南岛，但在2015年对广金钱草的实地调研中发现，海南岛正大力发展旅游业，许多地区处于开发当中，生态环境遭到严重破坏，另一方面，本地农民种植经济作物时喷施除草剂，导致广金钱草数量急剧下降，海南岛有些地区已很难发现广金钱草的踪迹。

广金钱草品质适宜性区划发现，虽然有些地区非常适合广金钱草生长，但夏佛塔苷、多糖含量并非最多，这跟黄璐琦[22]提出的逆境更利于次生代谢产物的形成，可能更利于中药道地性的形成理论相一致。研究发现广金钱草中总黄酮对心血管系统有一 定的保护作用[23]，因此本研究对广金钱草的总黄酮成分也进行测定，利用同样的方法，得到的总黄酮品质区划模型的R2不高，这可能的原因是研究所用的生态因子种类有限，可能尚未涵盖与总黄酮相关的生态因子。广金钱草中不同化学成分的药理作用不同，根据不同产地广金钱草2个品质指标的高低，对其进行定向培育，以满足治疗不同疾病的需要。

本研究通过对广金钱草化学成分含量和生态因子的相关性分析，确定影响化学成分含量的主导生态因子。华南和西南地区其他道地药材中此类化学成分积累是否也受相同生态因子影响，笔者认为应该建立一个影响华南和西南地区不同道地药材化学成分的生态因子信息库，这将是中药适宜性区划在特定区域内分布的药材上的应用。

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