我国药用植物资源调查方法及资源监控机制研究进展

张江平，翟传佳，李欣柔，宋书祎，耿 晖，赵 鹏，王少平，张永清，李 佳，刘 谦，周 洁，林 莺*

(1.滨州医学院，山东 烟台 264003；2.山东中医药大学，山东 济南 250355；3.济南大学，山东 济南 250022)

中药产业是我国独具特色的民族产业，是国民经济发展的重要支撑。近年来，随着中药活性成分在治疗肿瘤、艾滋病等疾病领域的应用，越来越多的中药进入国际天然药物市场，中药产业进入现代化和国际化的快速发展期。药用植物是中药的主要来源，我国药用植物资源开发利用始终坚持最大持续产量的原则[1]，既要抢占国际生药市场与尖端研究领域，又必须坚持资源的可持续发展。掌握资源的现状及变化规律是资源保护与合理开发的前提，调查方法是资源调查的重要内容，本文综述我国药用植物资源特点，结合全国第四次中药资源普查，分析我国现有的药用植物资源调查方法的适用性及改进方向，并展望我国药用植物资源监控机制的发展方向。

1 我国药用植物资源特点

1.1 药用植物资源概况

我国领土辽阔，地理环境及气候复杂，为药用植物的多样性发展提供了有利条件。全世界作为药用或者药物原料的植物约50000～70000种[2]，我国共有药用植物383科2309属11 146种[3]。早期药用植物资源调查表明[4]：我国临床上常用的药用植物约600种，低等药用植物中以菌类药材为主，如灵芝、冬虫夏草等；高等药用植物中种子植物占90%以上，其中裸子植物以松科、柏科为主，被子植物以菊科、豆科为主。在我国六大行政区中，西南和中南地区药用植物种类最丰富，约占全国的50%～60%，华东和西北占30%左右，东北和华北约占10%；在地形上，高原地区的药用植物种类多于丘陵区，丘陵区多于平原区。我国药用植物种类丰富，分布广泛，根据是否为人工培育可分为野生或栽培药用植物，两类药用植物的资源调查方法差异较大，需分别结合各自的特点选用。

1.2 野生药用植物资源特点

长期的环境破坏与资源过度开发导致野生药用植物资源日益减少，全国常用药材每年约有20%短缺，尤其是占药材市场80%的野生药材短缺[5]，野生人参、冬虫夏草等蕴藏量显著降低，肉苁蓉、甘草等曾是野生广布种现濒临消失[6]，我国大约有2000种野生药用植物已处于灭绝的边缘[7]。野生药用植物易受环境影响而导致其质量、种类及蕴藏量发生变化，其动态性强的特点导致野生药用植物资源调查结果的时效性较短。同时药用植物的有效成分大多为植物受外界环境刺激而产生的次级代谢产物，植物群落的交错区生物多样性及数量较高，即群落的“边缘效应”，会产生更为复杂的生态环境，影响植物体内次级代谢产物的种类及含量，是促成道地药材形成的重要原因[8]。对野生药用植物资源的调查须以群落为研究单位[9]，更多地考虑野生药用植物资源的整体性。

1.3 栽培药用植物资源特点

近代以来我国人口迅速增长，中药材的需求量不断增加，药用植物栽培与生产技术也得到快速发展，可以预见，栽培药材将成为中药材商品的主要来源[10]。2001年我国200种常见栽培药材的栽培面积为40万hm2[11]，2012年全国栽培药用植物种类增至近300种，栽培面积155.2万hm2，约占全国农作物种植面积的1%[12]，目前全国70%以上的中药材来源为人工栽培，大多道地药材也已变成栽培品。我国药材栽培基地主要位于气候与土壤环境较好的东部地区，西部地区栽培种类较少，大多为喜光耐旱的种类，但种植面积较大[13]。不同地区栽培药材质量良莠不齐一直是我国中药市场监管的难题，现代分析检测技术无法从根本上保障药材质量。栽培药用植物的另一个问题在于药用植物化感作用产生的连作障碍，其中以根类入药的药用植物最为严重，如地黄、丹参、人参、西洋参、三七等[14]。提升市场中栽培药材的质量，指导各药用植物栽培基地轮作及间套作计划，保障药材市场平衡是药用植物栽培发展的重点问题。

2 药用植物资源调查方法

周应群等[15]于2005年分析了我国中药资源调查方法，总结出踏查、详查与样地调查法、访问调查及统计报表等传统方法，并提出通过改进传统抽样调查方法，加强“3S”技术等现代调查技术在中药资源调查中的结合应用，以促进中药资源现代化研究。

现阶段我国正在进行第四次全国中药资源普查，由于我国药用植物资源种类繁多，分布零散，生境及形态各异，要求在资源普查中既要深入实地采取传统调查方法如踏查、详查、样方调查、访问调查及统计报表，又要结合“3S”技术、卫星遥感技术和无人机遥感技术等现代化调查技术提高资源普查的效率和质量。

2.1 踏查

踏查要求首先通过访问调查获取调查区域的地貌及药用植物的分布规律等，在调查区域中选择有代表性的部分区域，要求包含多种地形且植物种类丰富，设置合适的踏查路线将各代表性区域连接起来。实地踏查时按照预先设定的踏查路线，对踏查路线周围的药用植物进行调查，一次踏查获取的调查结果往往不具代表性，常需要设置多个踏查路线且于不同时间进行多次踏查获取资料，电子设备的地理信息系统(GIS)与全球定位系统(GPS)降低了实地踏查的技术难度。笔者通过野外调查实践，前期将样地地理信息导入手机奥维互动地图应用中，在野外调查中能应用高清导航引路，降低了实地踏查的难度。踏查工作量较小，获取资料有限，适用于对野生药用植物种类的调查及对区域内药用植物资源价值进行评估，为药用植物资源的分布与变化研究提供参考。倪受东等[16]经过长期的踏查及资料收集，对安徽环巢湖流域药用植物资源的调查，确定环巢湖流域野生药用植物种类，为该地区药用植物资源合理开发利用提供参考。但踏查的结果无法覆盖调查区域内全部的野生药用植物，不能提供完整的药用植物群落信息。

2.2 详查

详查即为全面调查，要求对整个调查区域进行实地调查，工作量大，难度高。详查需制定明确的调查计划，有针对性地对区域内需调查的药用植物进行调查，一般适用于某地区内特定种属的野生药用植物调查，如戚旺琴等[17]于对浙江东白山药用植物资源的调查，采用现场详查分类统计调查区域内具体药用植物种质资源。详查可获取调查区域内药用植物完整的资料，包括种类、蕴藏量、生境信息等，有利于发现新物种，但若对地区内所有药用植物进行调查，单独采用详查工作量过大，常与样方调查法相结合。

2.3 样方调查

样方调查即采用统计学分层抽样的方法，依据植被类型将调查区域划为不同代表区域，在各代表区域内选择合适数量的样方，详查样方中需要调查的药用植物，以样方中药用植物的信息分析整个调查区域中药用植物资源状况。同时，前期的踏查、调查访问以及查阅相关资料也是必不可少的。样方的大小是样方调查的重要内容，一般根据调查的药用植物的生活型进行设计，乔木样方>灌木样方>草本样方。韦婉羚等[18]对河池金城江区药用植物调查时，在4个植被类型分布区域，即阔叶林区、针叶林区、灌丛区、草丛区设立代表性样地，并选取其中36个进行调查，采用等距法在每个样地内均匀设置5个样方套，每个样方套内设6个样方，其中乔木样方10 m×10 m，灌木5 m×5 m，草本2 m×2 m。王芝恩等[19]调查浑河源地区野生药用植物时，仅在每个林场设置16个2 m×2 m的样方。样方调查法能有效提高药用植物资源调查效率，但对于环境复杂的区域如山区，选择具有足够代表性的样方较为困难。样方的代表性是样方调查法调查结果准确性的重要影响因素，传统的样方调查法在生态环境复杂的地区适用性较差，但对于栽培药用植物资源的调查研究应用价值较高。传统的样方调查法一般采用样株法及投影盖度法对野生药用植物蕴藏量进行估算[20]。投影盖度指一种植物在一定土壤表面所形成的覆盖面积的比例(%)，这种方法只取决于植物的生物学特性，利用投影盖度法计算蕴藏量时需要计算样方上某种植物每平方米的平均盖度(X/%)，1%投影盖度的资源量(Y/g)，通过样方内单位面积该药用植物平均蕴藏量U=X×Y(g)计算区域内单位面积的蕴藏量，该方法适用于估算灌木或者草本植物等生长成群、较难分出单株的药用植物蕴藏量。样株法是指记录样方内单位面积内的特定药用植物的株数X，及单株特定植物的平均重量Y(g)，通过样方内单位面积该药用植物平均蕴藏量U=X×Y(g)计算区域内单位面积的蕴藏量，该方法适用于能准确区分出单株的药用植物蕴藏量估算。

2.4 访问调查

访问调查是指通过咨询当地有经验的药用植物相关工作人员，如药材收购商、当地中药店、药材种植户、大型栽培基地负责人，获取调查区域药用植物资源概况。其单独应用于野生药用植物资源调查准确性较低，但可应用于了解调查区域内药用植物资源分布概况及当地野生稀有药用植物的分布，常作为辅助方法为其他调查方法收集资料，同时也可用于栽培药用植物资源及市场的调查。刘勇等[21]采用野外线路调查与民间访问调查相结合的形式，对江西武夷山自然保护区药用植物资源进行调查。访问调查同时也可应用于大范围、工作量较大的中药材资源的变化规律研究，如石晶等[22]2010年采用资料收集、问卷调查和实际调查访问相结合的方法对我国白芨市场进行调查与分析。

2.5 统计报表

统计报表是第三次全国中药资源普查的主要调查方法，目前在我国主要应用于农业生产状况的监管[23]。该方法以乡镇或村为单位，通过对所需的药用植物的相关信息进行逐级上报，最后汇总为大区域内的药用植物资源信息报告，为药用植物资源的开发与保护提供参考。该方法适用于栽培药用植物的调查，能快速获取所需的资料，计算机网络在线数据库系统使统计报表越来越系统化与自动化，大大减少该调查方法的工作难度，目前统计报表在国内药用植物资源的调查研究中主要应用于对药材市场的调查。贵州省[24]于2011年率先开始实行政府与中药企业合作管理的中药材统计报表制度，实行年度报，报告期为第二年的2月～3月，从而监控贵州省中药产业综合发展。有利于提升贵州省市场中药材的质量，并可为贵州省药用植物栽培基地轮作及间套作计划提供指导，保障贵州省药材市场的均衡发展，统计报表制度在中药现代化企业中具有广阔的发展前景，其发展重点在于不断完善统计指标体系并规范统计口径。

2.6 基于“3S”技术的样方调查

“3S”技术是一种将遥感技术(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)有机结合在一起的对地监测技术，广泛应用于我国土地资源管理[25]、生态系统检测[26]等领域。在全国中药资源普查(试点)工作中，“3S”技术可有效收集中药资源位置信息，提升中药资源普查工作的效率和质量，同时保证了数据信息的准确性和客观性[27]，并作为新技术应用于第四次全国中药资源普查方案设计中[28]。采用RS与GIS技术将调查区域依据植被类型划分为不同的代表区域，在代表区域中抽取面积不小于1 km2的样地，样地的数量可根据调查精度以及调查成本进行调整。通过野外实地调查，在每个样地中选取不少于5个10 m×10 m的样方套，样方套的选择方法如图1所示，有一字型、十字型、锯齿型等，样方套之间一般要求距离大于200 m，每个样方套由1个10 m×10 m乔木类资源样方、1个5 m×5 m灌木类资源样方、4个2 m×2 m草本资源样方共6个样方组成[29]。在野外实地调查时按要求对样方进行详查，记录样方内药用植物基本信息，采用GPS系统记录样方中植物的位置。通过将卫星遥感数据与野外调查时获取的药用植物的位置、种类、数量、生境等信息相结合，建立药用植物遥感数据模型，可计算整个调查区域内药用植物资源蕴藏量，是药用植物资源动态监测平台的基础。基于“3S”技术的样方调查法在栽培药用植物及野生广布种药用植物资源调查及蕴藏量估算中适宜性较好，但对于野生稀有药用植物及特殊生态环境药用植物(寄生、伴生)的蕴藏量估算，如寄生植物茯苓、水生植物药莲、沙漠中寄生植物肉苁蓉等需要针对不同生态环境信息，选用不同的遥感监测方法[30]。

2.7 卫星遥感与无人机遥感

图1 样方套的选择方法及样方套样式Fig.1 Selection methods and patterns of quadrat

卫星遥感技术(RS)是“3S”技术的核心技术，通过高空卫星系统接收不同种类药用植物或者同种药用植物在不同环境中的光谱学信息，包括可见光、红外、微波等，从而对调查区域内药用植物进行分析。在室内对植物遥感图像进行判读后还需在代表性区域进行实地考察，对室内判读进行验证与修订，提高准确性。RS技术对绿色植物及开花期植物尤其敏感，对栽培药用植物的资源调查适用性较好。陈士林等[31]于2005年建立基于卫星遥感技术的人参资源调查技术路线及方法，利用卫星遥感技术对人参种植区的种植面积进行估算，并通过抽样调查进行估产；同样的技术也被应用于栽培三七的资源调查研究[32—33]，监控植物病虫害情况[34]。RS也可用于特定野生药用植物的分析，如张本刚等[35]以遥感技术为基础，计算出甘草分布的面积和蕴藏量。

无人机遥感技术(UAVRS)即采用无人机搭载遥感设备对调查区域进行监测，属于低空遥感技术，相较于卫星遥感，其遥感监测范围较小，但不受大气影响，可获取近距离遥感数据，分辨率高，且同时具有低门槛、低损耗等特点，在国内广泛应用于环境保护[36]、森林资源调查[37]、应对地质灾害[38]、农业监测[39]等领域。谢彩香等[40]分析了无人机遥感技术在药用植物资源调查研究中的优势及可行性，指出该技术具有技术可行性的调查方案。大范围使用高分辨率卫星遥感成本过高，而单独使用无人机遥感对调查区域进行监测效率较低。将卫星遥感、无人机遥感及野外调查相结合，形成多级遥感调查系统[41]，可有效提高药用植物资源调查的多种要求，减少经费投入，提高药用植物资源调查的精度和准确性。

3 调查方法的改进

传统的调查方法在方法学上相对成熟，加强现代调查技术的应用是当前调查方法发展的主要方向。基于“3S”技术的样方调查法是目前应用最广的药用植物调查方法，其结果的准确性主要受两方面影响：一是野外调查工作量较大，尤其在野外自然资源丰富的地区，野外调查困难，在获取调查区域内药用植物信息时因人为因素而产生一定的误差；二是现代调查技术中遥感技术的分辨率有限，遥感信息与药用植物的基础资料建立的关系模型在面对复杂生态环境的分析研究时，卫星判读结果与实际差别较大。对于人为因素所产生的误差，可通过加强野外调查人员的技术规范培训、合理安排调查研究进度进行控制。引进新的现代调查技术是改进药用植物资源调查方法的重要方向，现代调查技术中高光谱遥感技术相对于一般卫星遥感分辨率有了较大提升，“5S”集成技术可有效提升遥感信息模型及室内判读的准确性。

3.1 高光谱遥感技术

高光谱遥感是现代遥感技术中的前沿技术，国内主要应用于对植被长势及灾害的监测[42]以及大气环境中气体、水气及温度的测定，地质矿产资源的评价等[43]。高光谱遥感根据设备载体不同分为地面、机载、星载三种，与一般光谱遥感相比，其获取的光谱波段较多，且光谱在一定范围内连续成像，在300～2500 nm波长下，分辨率小于10 nm。卫星遥感在森林及农业监测中适用性较好，但一般遥感难以准确获取复杂生境中野生药用植物所产生的光谱信息，具有高分辨率的高光谱遥感技术在野生药用植物资源调查中具有较大的技术优势。张小波等[44]分析了高光谱遥感在药用植物监测研究中的应用价值，认为高光谱遥感在识别药用植物物种、监测药用植物的生长现状、监测药用植物生物量以及监测中药材品质中具有技术应用的可行性。但当前国内高光谱遥感卫星数量较少，覆盖范围小，重访周期长，且高光谱遥感主要通过地面反射数据建立应用模型，数据处理复杂[45]，大范围应用于药用植物资源监测难度较大。通过无人机搭载高光谱遥感系统，采用近地遥感技术，获取调查区域内具有代表性的区域遥感信息，建立高精度遥感模型，应用于一般光谱遥感卫星获取的遥感信息分析，可提高对调查区域内药用植物资源监测的准确性。

3.2 “5S”集成技术

“5S”集成技术是在“3S”技术的基础上，嵌入专家系统(ES)及智能决策支持系统(IDSS)集成一体化的现代调查研究技术，目前主要应用于我国环境保护[46]、农业科学[47]、土地资源[48]等领域。图2为“5S”集成技术在药用植物资源调查中技术应用示意图。ES是目前人工智能领域的热点分支，主要由“知识库”和“推理机”两部分组成，利用现有的数据库由人类专家推理出计算机模型，解决现实问题中需要专家进行解释的复杂问题，是针对特定领域内的决策问题。ES可利用已有的专家知识库及问题求解子程序对药用植物遥感及地理信息数据进行整合，提高数据分析的自动化与可靠性。药用植物资源的合理开发利用与保护需综合考虑药用植物种质资源利用的规划与区划、珍稀濒危和特有物种的保护、生态环境效益与社会发展，以及药材和原料的多级开发、区划种植及产业化发展等多个方面[49]。IDSS是建立在ES基础上的决策支持系统(DSS)，通过分析多个经ES处理的不同领域数据，建立涉及多领域的模型、推理与数据系统，并采用人机交互系统实现数据-知识-信息-知识-数据的循环或网状发展，辅助决策者解决现实问题。依靠“5S”技术提供的半结构化决策支持，可提高药用植物资源遥感信息判读的准确性及资源开发利用的科学性。

图2 药用植物资源调查研究“5S”集成技术示意图Fig.2 Diagram of 5S integration technology in resources survey of medicinal plants

4 我国药用植物资源监控机制

2016年，由黄璐琦院士牵头，国家中医药管理局组织开展的第四次全国中药资源普查试点工作取得阶段性成果[50]，此次试点工作大量应用现代化调查技术，初步形成了包括1个中心平台、28个省级中药原料质量监测技术服务中心，66个县级监测站的中药资源动态监测信息和技术服务体系，用于实时掌握我国中药材产量、流通量、价格和质量等变化趋势，同时开展中药材质量、田间管理等十大类的技术服务，促进中药产业健康发展。要实现药用植物资源从掌握资源总量向监控资源整体的跨越式转变，首先需充分利用现代调查技术保障调查结果的高准确性，同时结合我国野生及栽培药用植物资源的特点分别进行监控，并具有长期运作的可行性。野生药用植物资源动态性较强，可将卫星遥感与周期性实地调查相结合，建立卫星遥感动态监测平台，结合周期性实地调查修正遥感信息的判读，从而监控野生药用植物资源。我国栽培药用植物资源规模不断扩大，卫星遥感动态监测适用性较好，但质量良莠不齐、栽培计划缺乏科学指导等问题长期存在，也是制约中药现代化的重要因素，可以企业为单位，由国家相关部门强制监督，制定系统化的统计报表制度，从而把控中药产业全程质量，指导药材合理生产。

4.1 卫星遥感动态监测平台

野生药用植物资源在国外大多归为森林资源，其动态性强，调查结果时效性短，实地调查周期较长、成本高，不适宜短时间内多次使用，为实现对森林资源的监控，需充分结合卫星遥感技术。2003年，美国开始采用全国统一的核心监测指标与标准对森林资源进行监测，采用卫星遥感、地面调查、生态因子调查三阶抽样，实行逐年滚动式调查，每5年提供州级和国家级的分析报告，并完成网站在线数据的年度更新，其他国家也建立了类似的监测体系，调查间隔期为5～12年不等[51]。自1973年开始，我国建立了以5年为周期的森林资源清查工作计划，目前已实现以系统抽样野外调查与遥感判读相结合的宏观监测为主要信息源，以专项监测和定点连续监测等为辅助的森林资源监测体系[52]。野生药用植物大多与其他植物成群落分布，且大多数为低矮草本，其遥感信息易被周围环境掩盖，从而降低遥感信息判读的准确性。但随着高光谱遥感、卫星结合无人机的多级遥感、智能集成等技术的应用与发展，可提高野生药用植物的遥感信息判读准确性，形成针对野生药用植物的卫星遥感动态监测平台，结合滚动式实地调查计划，参考已有的森林资源监测体系，建立我国药用植物资源的动态监测平台具有技术可行性，对我国中药的可持续发展具有重要意义。

4.2 中药现代化产业统计报表制度

我国中药现代化产业的发展目标是实现中药质量标准和规范、中药生产技术、中药文化传播的现代化，提高中药产业国际市场份额，为确保中药现代化产业的发展，需对药材的生产、加工、销售进行监控，协调栽培药用植物的生产、野生药用植物开发利用与市场需求。统计报表制度是一种自上而下布置，自下而上收集基础统计资料的调查方法，其来源可靠，回收率高，方式灵活，符合中药现代化产业统计工作发展的内在需求。全国统计报表制度是我国环境管理的基础工作[53]，其从建立到发展完善，在规划我国环境的同时获取了大量的基础性数据，指导我国环境保护战略的制定。我国中药现代化发展同样需要在解决现实问题的基础上，收集规范化的基础性资料指导我国中医药事业的长远发展。贵州省开展的中药现代化统计报表制度是以国家相关报表制度和贵州省产业统计报表制度为依托，是我国中药现代化产业统计报表制度的良好开端。保持统计报表统一性的基本特点，确保指标含义、计算方法、口径的全国统一，由企业监控药材质量，由国家强制规定统计报表的内容并对企业进行监督，建立全国范围的中药现代化产业统计报表制度对监控我国市场中药材产量与质量，指导药用植物资源的合理开发与应用具有重要意义。

5 结语

药用植物是中药的主要来源，也是天然药物开发的宝库，野生药用植物资源的合理保护与开发及栽培药用植物的系统规划管理是我国中药资源可持续发展的重要内容。调查方法的设计需充分结合调查对象的特点及调查的预期目标，加强现代调查技术的应用是提高药用植物资源调查效率及准确性的主要方法。实现对资源的整体监控是药用植物资源调查研究的发展目标，建立卫星遥感动态监测平台与发展中药现代化产业统计报表制度均符合我国中药发展的需求，具有一定应用价值，有利于指导野生及栽培药用植物的开发与生产，控制我国中药材的质量，促进我国中药事业的现代化与可持续发展。