党参药材分布区划研究

吴晓俊　张小波　郭兰萍　余意　黄璐琦

[摘要]为了明确党参药材在我国的分布情况，寻找影响其分布的主要生态因子，该研究通过查阅文献、网络标本馆平台、实地调查等获取关于党参药材的分布信息。利用MaxEnt模型和ArcGIS 技术，综合55 项环境因子，分析影响党参药材分布的主要环境因子，结果显示，降水量和海拔等对党参3个种的分布均产生主要影响。其中，党参主要集中在甘肃南部、陕西南部、山西南部、宁夏南部及吉林东南部；素花黨参主要集中在甘肃南部、贵州西北部、四川东北部；川党参主要集中在湖北西部、重庆东部、四川中部。结合栽培党参药材分布信息，对所得党参药材的分布区划结果进行验证，研究所得分布与每种党参的实际分布相一致，为开展党参药材合理引种栽培提供了科学依据。

[关键词]党参； 分布区划； 生态因子； ArcGIS； MaxEnt

[Abstract]This paper is aimed to clarify the distribution of Codonopsis Radix in China and search the main ecological factors that affect the suitability distribution Through literature reading，National Specimen Information Infrastructure researching， field investigation and general survey of Chinese medicine resources， the distribution information was acquired The MaxEnt model and ArcGIS technologywere applied to analyze the main environmental factors influencing the suitability of Codonopsis Radix with integrated 55 environmental factors The results showed the precipitation and altitude were the major factors impacting the ecology suitable of Codonopsis Radix The ecological suitable region of C pilosula was mainly concentrated in south Gansu， Shanxi， Shanxi， Ningxia and， and the ecological suitable region of C pilosula var modesta was mainly concentrated in south Gansu， northwest Guizhou， northeast Sichuan， and the ecological suitable region of C tangshen was mainly concentrated in west Hubei， east Chongqing， middle Sichuan Combined with the investigation and cultivation of Codonopsis Radix distribution information， the results of ecological suitability of Codonopsis Radix were verified The ecological suitability distribution result of Codonopsis Radix was consistent with each species actual distribution， which could provide scientific basis for carrying out the rational cultivation of Codonopsis Radix

[Key words]Codonopsis Radix； distribution division； environmental factors； ArcGIS； MaxEnt

党参为桔梗科植物党参Codonopsis pilosula（Franch） Nannf.、素花党参C pilosula Nannf var modesta（Nannf） L T Shen或川党参C tangshen Oliv的干燥根，其性味甘、平，具有健脾益肺，养血生津等功效[1]，为常用大宗药材。现代药理学研究证实，党参对心血管系统、血液及造血功能、消化系统、机体免疫功能、延缓衰老等有一定的作用[23]。传统以山西长治所产潞党、甘肃文县所产纹党、湖北恩施所产板桥党为道地药材。近年来，由于党参药材需求量大、野生资源有限，市场上以栽培品为主，不同产地间党参药材质量存在较大的差异。目前党参药材产地主要集中于甘肃、山西、四川，陕西、湖北、贵州等地也有分布。由于药材的生产与其引种地的生态环境有关，因此，进行我国党参药材适宜性等级划分研究，对了解党参资源的整体概况和科学选取适宜区域进行党参药材的人工种植具有十分重要的意义。

目前，中药领域与其他领域的结合研究已越来越多，“3S”等空间分析技术已引入到中药学领域，并在中药材产地适应性分析方面得到广泛应用[4]。中药区划是依据中药资源的地域分布规律对其进行区域分化，研究方法包括定性描述法、模糊数学方法、构建模板法、构建模型法和基于遥感数据等方法[5]。地理信息系统（GIS）作为空间信息分析的核心技术，以其强大的空间信息分析和管理能力，在中药产地适宜性评价中得到广泛应用[68]。本研究通过党参药材3个种的分布信息，综合气象数据、土壤数据和植被类型等，利用GIS技术和最大信息熵MaxEnt模型，对党参药材进行全国区域的分布区划研究，寻找影响党参药材分布的主要生态因子，得到党参药材分布区划图，并结合党参药材栽培地的分布对所得结果进行验证，为党参药材栽培区域的选择提供参考依据。endprint

1材料与方法

11数据收集

通过查阅CNKI、网络标本馆等数据库及实地调查中收集党参药材3个种的分布信息，包括经纬度、海拔、生境等；将分布点按物种名、分布点经度和纬度顺序存储成“csv”格式文件。

本研究所使用生态因子数据库来源于“中药资源空间信息格网数据库”，包含对中药资源分布有影响的55个生态因子数据。其中气候因子数据是根据我国气象观测站1950—2000年的气候观测数据插值而成，空间分辨率为1 km×1 km；土壤类数据根据第二次全国土地调查提供的《1∶100万中华人民共和国土壤图》制成，采用的土壤分类系统主要为FAO90；地形数据包括：高程和坡向；植被类型数据以中科院植物研究所的《中华人民共和国植被图》（1∶100 万）中的植被亚类数据制成。

12党参药材分布区预测

121主要生态因子的选择第一步，根据3个种分布的GPS 数据和55个生态因子分别在MaxEnt中的迭代运算结果，选取总贡献率≥95%的生态因子作为供筛选的生态因子；第二步，分别提取3个种分布点供筛选的生态因子数值，进行Spearman相关性分析，相关系数大于08的生态因子弃去贡献率较小的1个；第三步，将第二步剩余的生态因子利用MaxEnt模型分别计算分析，得到生态因子对党参药材3个种分布的贡献率和刀切法获得的主要生态因子权重分析，选取贡献率大权重高的生态因子作为主生态因子，根据响应曲线获取适宜性。

122MaxEnt模型参数设置将党参药材3个种的分布信息和环境数据按要求格式转换后分别导入MaxEnt软件，设置参数运行建模，具体参数如下：随机测试比例为15%，最大迭代运算次数为1×106，设置响应曲线，MaxEnt自定义设置ROC评价曲线和刀切法（jackknife）检验权重，其他参数为软件默认值。

123模型预测评价采用MaxEnt计算结果所得的ROC工作曲线和曲线下面积（AUC值）进行模型精度评测。近年来，通过ROC曲线下面积（即AUC）作为模型预测准确度的衡量指标，在物种潜在分布预测模型评价中应用越来越广泛[9]。AUC取值范围为[0，1]，AUC越大表示模型判断力越强。AUC在05～06为失败，06～07为较差，07～08为一般，08～09为好，09～10为非常好[10]。

13潜在分布区划分析

在建立党参药材对生态环境条件适宜性标准时，本研究将各个因子分为最适宜、适宜和不适宜3个等级。最适宜分布区域表示生态因子處于最佳状态，对药材生长发育的限制因素较少；适宜分布区域表示生态因子适宜药材生长，但在程度上略逊于最适宜分布区域；不适宜分布区域表示生态因子有严重限制，对药材的生长不利，不适宜栽培种植。

利用GIS软件MaxEnt模型计算结果进行叠加和地图制作，根据分布点所处生境适宜度值，按正态分布参数μ，δ进行划分：[0，μ-δ]为不适宜区，（μ-δ，μ）为适宜区，[μ，1]为最适宜区，分别绘制党参药材3个种的潜在分布区，并将3个种的图层进行叠加获得党参药材的分布区划图。

14党参药材分布区验证分析

结合所得党参药材的分布区，以党参3个种的部分栽培分布信息作为参考，对党参3个种的区划结果进行验证。

2结果与分析

21数据收集

本研究共收集到党参药材分布信息1 659条，共涉及22省，267县。其中：党参1 295条，素花党参104条，川党参260条，野生及栽培党参药材分布数据见表 1，空间分布图见图1。

22主要生态因子的选择

按121方法，应用Maxent对生态因子进行筛选，结果显示，55个生态因子中38个对党参分布有贡献率、20个对素花党参分布有贡献率、26个对川党参分布有贡献率。筛选贡献率≥95%的生态因子，见表 2。

23模型预测评价

按123的方法，分别计算MaxEnt模型ROC曲线训练数据集和测试数据集的AUC。结果显示，党参的AUC分别是0943，0946；素花党参的AUC分别是0992，0993；川党参的AUC分别是0982，0976。表明MaxEnt模型对党参药材潜在分布区的预测效果非常好。可知模型运算得出的党参药材生境适宜度，具有很高的准确度和可信度。

24党参药材分布区划

利用GIS软件MaxEnt模型计算结果进行叠加和地图制作，分别绘制党参、素花党参和川党参的分布区划结果。其中，党参分布区划结果见图2，较高适宜度主要集中在甘肃南部、陕西南部、山西南部、宁夏南部及吉林东南部；素花党参分布区划结果见图3，较高适宜度主要集中在甘肃南部、贵州西北部、四川东北部；川党参分布区划结果见图4，较高适宜度主要集中在湖北西部、重庆东部、四川中部。将党参、素花党参、川党参3个来源的分布区划结果图叠加，得到党参药材的分布区划图，结果见图5。由图5可知，党参药材的分布适宜区主要集中在甘肃南部、陕西、山西、湖北西部、贵州北部、四川东部、吉林东南部。

根据中国植物志记载：党参分布于西藏东南部、四川西部、云南西北部、甘肃东部、陕西南部、宁夏、青海东部、河南、山西、河北、内蒙古及东北等地区。

本研究显示，除以上分布区外，贵州、湖南、新疆等地也有分布。素花党参分布于四川西北部、青海、甘肃及陕西南部至山西中部，以陕西南部为集中分布地区。川党参分布于四川北部及东部、贵州北部、湖南西北部、湖北西部以及陕西西南部，本研究结果与该种记载分布区大致相同。以上所得适宜分布区与中国植物志中党参药材的3个种的分布区域基本吻合。由此，可得出党参药材主要集中分布于甘肃、陕西、山西、四川。

由表2可知，海拔对党参药材3个种分布均有影响。基于所得党参适宜分布区结果，应用ArcGIS软件，提取党参药材3个种的地理空间分布范围，结果见表3。endprint

25党参药材分布验证

党参药材资源分布较广，以栽培为主，少量为野生，且栽培区域呈逐年扩大的趋势。目前，以党参为基原的“潞党”、“白条党”在山西长治、甘肃渭源等地大量栽培；素花党参为基原的“纹党”、“凤党”在甘肃文县、陕西凤县等地栽培；川党参为基原的“板桥党”在湖北恩施、贵州等地栽培种植。根据《中国植物志》记载，党参药材的3个来源，主要分布于河北、山西、内蒙古、吉林、辽宁、黑龙江、河南、湖北、湖南、四川、贵州、云南、西藏、陕西、甘肃、青海、宁夏等省。通过本研究结果显示，在新疆、浙江、福建等省也有党参药材的潜在分布区域。

通过二次实地调查，结果显示，新疆昭苏县现正种植党参为基原的党参药材。浙江、福建等省份前期有党参栽培，但以零星种植为主，无法药用。以上印证了本研究结果。

3结论

本研究利用MaxEnt模型和ArcGIS技术相结合，较全面的考虑了各生态因子的影响，最终得出对党参、素花党参、川党参分布影响较大的生态因子及其适宜范围。再综合分析3个种的主要影响生态因子，降雨量、海拔对3个种分布均产生主要影响。从地理空间分布角度分析，与党参相比，素花党参和川党参适宜分布的海拔范围相对较广；水平方向上，党参分布范围远远大于素花党参和川党参。

综合整个研究，收集的分布信息基本覆盖了党参药材的分布区，考虑大多数党参药材的实际分布，研究得出党参药材在我国的潜在区划分布。党参药材3个种的道地性分布较强，最适宜地区集中分布在甘肃、山西和陕西、四川。其中，甘肃以党参和素花党参潜在分布为主，山西以党参的潜在分布面积最大，四川、湖北等省有较大的川党参潜在分布；云南、河南和湖南等省有一定的潛在分布性，但其适宜度较低，不作为引种栽培的首选区域。由于党参3个种的适宜生长区域存在差异，在引种栽培和种植规划时需要进行区分。通过与实地调查栽培党参药材分布结果对比，模型预测结果与党参药材的实际分布吻合度较高，可以为党参药材野生资源的收集、保护和种植区划提供理论依据。

[参考文献]

[1]中国药典一部[S]2015：281.

[2]冯佩佩， 李忠祥， 原忠 党参属药用植物化学成分和药理研究进展[J] 沈阳药科大学学报， 2012（4）：307

[3]张晓君， 祝晨， 胡黎，等 党参多糖对小鼠免疫和造血功能的影响[J] 中药新药与临床药理， 2003， 14（3）：174

[4]陈士林 中国药材产地生态适宜性区划[M] 北京：科学出版社， 2011：5

[5]张小波， 郭兰萍， 黄璐琦 中药区划研究进展[J] 中国农业资源与区划， 2010， 31（3）：64

[6]郭兰萍， 黄璐琦， 蒋有绪，等 影响苍术挥发油组分的气候主导因子及气候适宜性区划研究[J] 中国中药杂志， 2007， 32（10）：888

[7]张小波， 郭兰萍， 韦霄，等 广西青蒿种植气候适宜性等级区划研究[J] 中国中药杂志， 2008， 33（15）：1794

[8]郭兰萍， 黄璐琦， 蒋有绪，等 基于3S的苍术道地药材研究（二）──苍术挥发油组分的气候主导因子筛选及气候适宜性区划[C]淄博：全国中药资源生态学学术研讨会，2006

[9]Vanagas G Receiver operating characteristic curves and comparison of cardiac surgery risk stratification systems[J] Interact Cardiovasc Thoracic Surg， 2004， 3（2）：319

[10]王茹琳， 高晓清， 王闫利，等 基于MaxEnt的非洲橘硬蓟马在全球及中国的潜在分布区预测[J] 中国农学通报， 2014， 30（28）：315

[责任编辑吕冬梅]endprint