基于TCMGIS的百蕊草产地适宜性定量分析△

张玮玮，王永辉，张志鹏，郑司浩，蔡翠芳 ，*

1.山西药科职业学院，山西 太原 030031；2.山西中医药大学，山西 太原 030600；3.山西国新晋药集团道地药材经营有限公司，山西 太原 030032；4.中国中药有限公司，北京 100195

百蕊草ThesiumchinenseTurcz.是檀香科百蕊草属多年生柔弱草本植物[1]，具有抗菌消炎、清热解毒、补肾涩精功效[2-4]。百蕊草是一种广谱的抗菌中药，现代研究表明其具有显著抗炎、解暑、镇痛和广谱抗菌作用，被称为“植物抗生素”，常用于治疗急性乳腺炎、肺炎、扁桃体炎、上呼吸道感染、急性膀胱炎等[5-11]。百蕊草以单味入药有片剂、胶囊剂、注射剂等多种剂型，“百蕊片”“百蕊胶囊”被列为国家中药保护品种[12]。随着近年来医药市场对“植物抗生素”类药材的青睐，市场对百蕊草的需求急剧增加。野生资源被过度采挖加之其特殊的生活方式和生境被破坏，百蕊草野生资源正在逐年锐减[13]。

为了更好地保护百蕊草资源和解决日益扩大的市场需求量，学者们对百蕊草的种群生态学、结构生物学、寄生偏好性及休眠过程进行了大量的研究[13-16]。本研究采用中药材产地适宜性分析地理信息系统(TCMGIS)，根据气候相似和土壤相似原理，确定百蕊草不同的生态相似度的适宜产地，以期为药材新产区预测、引种驯化、筛选适宜种植区提供参考。

1 材料与方法

1.1 样点数据来源

百蕊草野生分布点数据主要来自以下3个部分：1)中国数字植物标本馆(http：//www.cvh.org.cn.)；2)文献，包括《中国植物志》和《中国高等植物图鉴》；3)课题组长期来的野外考察数据。经过数据整理，去除掉重复、信息不完整的分布点数据，确定野生百蕊草的采集地点共699个(见图1)，主要集中分布在华北、华东、华中、西南等地区，东北、华南以及西部地区也有分布。

注：审图号为GS(2020)6691号。图1 百蕊草标本采集地点分布

1.2 数据库来源

TCMGIS是以地理信息系统(GIS)为平台，以气候因子、土壤数据、基础地理信息三大数据库以及第三次全国中药资源普查数据库为支撑，气候因子来源于基于全国气象站点30年地面气象数据，包括活动积温、年均日照时数、年均气温、年均湿度、年均降水量、1月平均温、7月平均温、最冷月和最热月的极端气温9个指标；土壤数据以全国土壤普查的数字化土壤类型数据为基础。

1.3 TCMGIS分析方法

根据百蕊草野生样本点经纬度信息，利用TCMGIS系统提取标本点的生态因子，分析确定影响百蕊草自然分布的关键性生态地理因子，进行栅格数据分析，形成标准化的栅格数据，转化成矢量数据文件，与全国行政区划图层进行叠加，最终获得不同等级生态相似度区域在各行政单位内相关信息，运用Excel 2010统计软件对数据进行处理分析。数据分析原理及方法见文献报道[17-20]。

2 结果与分析

2.1 百蕊草适宜因子范围

通过TCMGIS系统对699个采集点生态因子数据进行分析，得到百蕊草适宜生长因子范围为：年平均气温为-5.9～19.5 ℃；7月最高气温33.9 ℃；1月最低气温-32.7 ℃；7月平均气温3.7～29.2 ℃；1月平均气温-27.9～11.3 ℃；年均相对湿度49.3%～83.9%；年均降水量28.2～197.7 mm；年日照时数879～3272 h；≥10 ℃活动积温0～6 342.5 ℃；适宜的土壤类型主要为红壤土、黄壤土、棕壤土、褐土、壤质黄绵土、新积土、石灰(岩)土、紫色土、粗骨土、潮土、沼泽土、水稻土、黑毡土等。

2.2 百蕊草适宜产地分布

利用TCMGIS系统分析得到的百蕊草产区生态适宜分布图(见图2)。从气候类型角度分析得出，百蕊草适宜分布区主要在我国温带季风气候区和亚热带季风气候区，其中温带季风气候区受冬夏季风交替控制，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨；亚热带季风气候区受冬夏季风交替控制，夏季高温多雨，冬季温和少雨。从干湿状况角度分析得出：百蕊草适宜分布区主要在我国湿润区和半湿润区，该区域干燥度<1.49，降水量在400 mm以上。从中药区划的角度分析得出：百蕊草主要位于Ⅰ区(东北寒温带、中温带野生、家生中药区)、Ⅱ区(华北暖温带野生、家生中药区)、Ⅲ区(华东北亚热带、中亚热带野生、家生中药区)、Ⅳ区(西南北亚热带、中亚热带野生、家生中药区)[21]。本研究中将生态相似度100%区域定义为最适宜生长区、98%～100%区域为次适宜生长区，95%～98%区域为一般生长区，其他为不适宜区域。

注：审图号为GS(2020)6691号。图2 百蕊草生态适宜产地全国分布

2.3 百蕊草最适宜生长区

百蕊草生态相似度100%的最适宜生长区域较为广泛，总面积达3 183 197.7 km2，共分布在30个省市2049个县区(见表1)。其中，西南地区(四川、贵州、云南、重庆、西藏)974 801.7 km2，占全国生态相似度100%区域总面积的30.6%；东北地区(黑龙江、内蒙古、辽宁、吉林)577 182.0 km2，占全国生态相似度100%区域总面积的18.1%；华东地区(上海、山东、江苏、浙江、安徽、福建、江西)500 605.2 km2，占全国生态相似度100%区域总面积的15.7%；华中地区(湖南、湖北、河南)430 249.7 km2，占全国生态相似度100%区域总面积的13.5%；西北地区(陕西、甘肃、青海、新疆、宁夏)352 666.8 km2，占全国生态相似度100%区域总面积的11.1%；华北地区(山西、河北、天津、北京)273 002.3 km2，占全国生态相似度100%区域总面积的8.6%；华南地区(广东、广西)74 690.2 km2，占全国生态相似度100%区域总面积的2.3%。

在各省区中(见表1)，其中四川(383 789.7 km2)、黑龙江(218 979.5 km2)、云南(216 731.7 km2)、湖南(188 588.3 km2)、内蒙古(183 891.5 km2)、贵州(152 068.1 km2)、湖北(148 021.0 km2)、西藏(145 199.8 km2)、陕西(144 814.7 km2)、河北(138 496.3 km2)分布较多，分布占全国生态相似度100%区域总面积的12.1%、6.9%、6.8%、5.9%、5.8%、4.8%、4.7%、4.6%、4.5%、4.4%，合计占比60.5%。

2.4 百蕊草次适宜生长区

生态相似度98%～100%的次适宜生长区主要在云南、山东、山西等 30个省市1359个县区，面积达503 844.6 km2(见表1)。在云南、山东、山西、陕西、内蒙古、河北、江苏分布最广，面积达257 867.3 km2，占所在县/市总面积的51.2%，7个省市的次适宜区面积分别为48 098.5、40 832.9、38 745.8、38 704.9、31 899.3、31 042.5、28 543.5 km2。在新疆、河南、湖北、广西、辽宁、福建、安徽、黑龙江、吉林等地分布比较分散，面积较小。

表1 百蕊草不同生态相似度区域分布情况

2.5 百蕊草一般生长区

生态相似度95%～98%的一般生长区总面积2 098 248.1 km2，主要集中分布在内蒙古、青海、黑龙江、西藏、新疆等省区，分别为546 238.7、316 713.7、245 896.6、231 458.4、230 845.1 km2，共计占全国生态相似度95%～98%区域总面积的74.9%。

3 讨论

中药材的分布区划方法多种多样，不同区划结果之间存在一定的差异性，也均能在一定程度上反映出中药材的分布范围情况[22]。例如，定性描述法适用于大尺度的宏观研究，缺少对小尺度上生产实践的指导作用[23]；基于生态环境相似的区划结果会与实际分布有一定的偏差，但在具备详实的研究数据基础上，该方法较为适用且被应用于大多中药材区划中[18，23]。百蕊草作为一种重要的广谱抗菌中药资源，目前主要面临3个方面的问题。第一，市场价值的提高诱使药农无序采收，野生生境遭到严重破坏[13]；第二，对百蕊草生长特性的研究力度不足，缺少有效的人工种植技术[15]；第三，不同地区百蕊草的质量有着明显差异[24-25]。为解决资源减少和需求量增加的这一矛盾，本研究借助TCMGIS系统，结合对中药材生长影响最大的10个生态因子对百蕊草在我国的潜在分布地进行了基础评估。结果表明，百蕊草在我国适宜分布区域较广，特别是在我国西南、东北、华东、华北、华中等地区，尤其适宜百蕊草的生长。该区域位于我国温带季风气候区和亚热带季风气候区，且处于湿润区和半湿润区，受冬夏季风交替控制，夏季高温多雨，年降水量在400 mm以上。本研究基于TCMGIS的百蕊草生态相似度100%最适生长区域总面积达3 183 197.7 km2，主要分布省份与《中国植物志》《中国高等植物图鉴》等文献定性描述的结果基本一致，这将为百蕊草分布研究、人工种植推广提供技术支持。此外，为确保百蕊草规范化种植能够生产出优质的药材，还需进一步将生态因子、药材质量指标等数据关联分析处理，最终得到药材质量与产地的适宜性区划结果。

近年来百蕊草受到中药市场的极大青睐，市场价格从2013年的40元/kg逐渐攀升至120元/kg[26]，其价格大涨的根本原因是中药制剂市场需求量与野生资源供给的矛盾，具体表现在药农毁灭性采收导致的资源恢复慢、产量逐年减少等。目前，老产区野生资源逐渐被消耗殆尽，由于缺乏家种资源只能以开发新产区这一被动的方式来弥补野生资源的不足。百蕊草野生资源广布我国各省区，药材原主产于安徽、湖北、江苏、江西[27-28]，现在产地主要集中在湖北枣阳、随州一带，河南南阳、信阳、洛阳、三门峡一带；山西临汾、长治、吕梁一带；甘肃庆阳、镇原；陕西延安等地。本研究的结果表明，四川、黑龙江、云南、湖南、内蒙古、贵州、湖北、西藏、陕西、河北等地百蕊草的潜在分布区广，这些地区均可成为发展新产区的目标区域。

解决百蕊草资源减少和需求量增加这一矛盾的根本出路在于发展人工种植基地。虽然TCMGIS系统从理论上得到百蕊草适宜产区分布区域，可以为百蕊草药材的生产提供科学依据，然而植物生长一般都需一定的生境要求。百蕊草自然生长的环境一般有以下特点：1)多长于池塘坡地、沟渠大堤、田埂路边及山体缓坡，需要靠近水体或水源，土壤湿润，含水量充足[13]；2)百蕊草是半寄生植物，必需依赖于寄主才能完成其生活史，资料显示其寄主种类很多，多达24科70种植物[13，29]；3)喜光照，喜温暖湿润气候[15]。因此，在具体的工作中需要具备充足的实地调研资料和小规模田间实验，才能制定出可操作性很强的百蕊草栽培种植区划及规范化种植计划。