环境气象条件对蕲艾品质的影响

李海燕，刘志雄，付 宇

（1.湖北省黄冈市气象局，湖北 黄冈 438000；2.武汉区域气候中心，武汉 430000；3.蕲春县气象局，湖北 蕲春 435300）

艾草（Artemisia argyiH.Lév.&Vaniot）在中医药里被称为“百草之王”，以湖北省蕲春县产艾叶为佳，谓为“蕲艾”。艾叶用于治病已有3 000 年历史，据本草纲目记载，“艾叶本草不著土产，但生田野，宋时以汤阴复道者为佳，四明者图形。近代惟汤阴者谓之北艾；四明者谓之海艾。自成化以来则以蕲州者为胜，用充方物，天下重之，谓之蕲艾”［1］。医家以蕲艾为道地药材，2019 年蕲春县蕲艾产值达到50 亿元，品牌价值超过百亿元，并入选全国特色农产品区域公用品牌。研究表明，艾叶的主要活性物质有挥发油、总黄酮和鞣酸，其中挥发油应用最为广泛［2-4］，挥发油的主要药效成分有桉叶精，具有镇神经痛、皮肤痛和止咳的作用；有侧柏酮，对神经系统起到麻醉作用；有樟脑，具有杀菌、镇痛、消炎的作用［5］。

蕲春县地处湖北省东陲，大别山南麓，属亚热带大陆性季风气候，冬冷夏热，四季分明，光照充足，雨量充沛，气候温和，适宜于中药材的自然生长和人工种植。研究发现，在一定遗传因素基础上，环境气象因子对中药材品质形成至关重要，李超等［6］发现中药材生长所需的温度、光照、土壤、水文等生态因素与其生长发育和品质密切相关；吴洋等［7］研究发现，环境气象因子在药材形成过程中起决定性作用，适宜的生长环境能促进药材中有效成分的合成与积累；挥发性成分组成及含量与气候因子等环境条件密切相关［8，9］；张小波等［10］研究发现，太阳辐射和日照时数是影响大果木姜子挥发油组分构成的重要生态因子；唐代萍［11］发现年均相对湿度和年均日照时数对多伞阿魏挥发性成分组成及含量影响显著。关于气象条件对蕲艾品质的影响研究较少，部分学者分析了某一年份、不同环境气象因子对蕲艾活性物质的影响［12-14］，但由于资料序列短、因子单一，无法确定环境气象因子对蕲艾品质形成的影响程度。本研究收集了不同年份蕲艾样本品质因子，通过蕲艾生育期的环境气象因子与品质因子的相关性和关联度分析，探讨环境气象因子在蕲艾品质形成中的作用，为蕲艾的规范化种植提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 蕲艾生育期观测

蕲艾多为野外生长，具体生育期不明确［15］。在位于蕲春县漕河镇的蕲春国家气象观测站旁选取长50 m、宽10 m 的地区，于2020 年12 月初从野外移植栽种蕲艾根，并展开观测、记录；得到蕲艾生育期为，12 月至次年1 月为移栽期；2 月为出苗期；3 月至5 月下旬为生长期；5 月下旬至6 月中旬为成熟收获期。

1.2 数据来源

1.2.1 蕲艾品质数据 蕲艾品质数据来自蕲春药材办、蕲艾相关企业和相关文献，收集到蕲春县1988年以来不同年份检测的蕲艾样本品质数据，包括蕲艾挥发油、总黄酮、桉油精、侧柏酮、樟脑等5 个品质指标，其中挥发油样本16 个及同批次标本检测到的桉油精样本12 个、总黄酮10 个、侧柏酮10 个、樟脑10 个。

1.2.2 环境气象数据 环境气象数据来自蕲艾样本对应的县气象站，包括与蕲艾品质因子年份对应的蕲艾整个生育期12 月至次年6 月的逐月平均温、光、水、风、蒸发（Z）等。其中，温包含平均气温（Ta）、平均最高气温（Tm）、平均最低气温（Ti）、有效积温（Tx）、平均地温（Td）、平均气温日较差（Tc）；光为日照时数（S）；水为降水量（R）、相对湿度（RH）；风为平均风速（F）。环境气象因子的表征方式为，气象要素_月份/气象要素_月份_深度（深度单位为cm），例Ta_12 表征2020 年12 月平均气温，Ta_1 表征2021年1 月平均气温，Td_1_0 表征2021 年1 月0 cm 地温。

1.3 研究方法

1.3.1 灰色关联度 以蕲艾品质因子为参考数列，各环境气象因子数据为比较数列，对数据进行均值化处理，则第k个比较数列中第t个数据与参考数列对应数据之间的关联系数如下。

式中，Δ（min）和Δ（max）分别为两级最小差和两级最大差；Δok（t）为第k个比较数列中第t个数据与参考数列对应数据的差的绝对值；ρ为分辨系数，按照郭原等［16］的方法取值。

则第k个比较数列与参考数列之间的关联度如下。

式中，n为数列长度。

参考郑华伟等［17］、孟展等［18］的研究结果，将灰色关联度的取值范围确定在0～1，并划分为5 个等级（表1）。灰色关联度的值越趋近于1，说明关联性越大，耦合作用也越强。

表1 不同灰色关联度区间的类型及等级划分

1.3.2 建立回归方程 利用SPSS 25.0 软件分析环境气象因子与蕲艾品质因子的相关性，取相关系数大、关联度强且具显著性的环境气象因子，运用引入—剔除法构建蕲艾品质因子与环境气象因子的多元线性回归方程。

式中，Y为蕲艾品质因子；β0为常数项；β1，β2，…，βk为偏回归系数；X1，X2，…，Xk为偏回归系数所对应的自变量。当回归方程及引入的环境气象因子的偏回归系数均达到显著水平（P＜0.1），说明方程在实际应用中方便可靠，存在统计学意义，即为最优回归方程。

2 结果与分析

2.1 蕲艾品质指标的基本统计量及相关性

蕲艾品质指标的基本统计量见表2。由表2 可知，蕲艾挥发油变异系数为14.81%，为弱变异（CV＜15%）。其余品质指标均为中等变异（15%＜CV＜100%）。

表2 蕲艾品质指标 （单位：%）

对收集到的蕲艾品质因子进行相关系数计算和显著性检验，得到蕲艾各品质指标之间存在一定相关性，其中挥发油与侧柏酮之间存在显著负相关（P＜0.01），相关系数达到-0.815；桉油精与樟脑之间存在显著正相关（P＜0.05），相关系数为0.83。

2.2 蕲艾品质因子与环境气象因子的关联分析

2.2.1 挥发油与环境气象因子的关联分析 将蕲艾挥发油含量与其生育期逐月温、光、水、风、蒸发等环境气象因子进行相关分析，取相关系数绝对值超过0.4 的因子，进行灰色关联度处理，结果见表3。

由表3 可知，在蕲艾整个生育期，与其挥发油积累密切相关的环境气象因子有栽种形成壮根期温度、生长期温度和风、成熟收获期的光和蒸发，且影响关键期为12 月、3 月、5 月和6 月。从相关性看，12月平均气温、12 月平均最高气温、3 月平均气温、3 月有效积温、3 月平均风速、3 月15 cm 地温、3 月平均最高气温、3 月平均最低气温、5 月平均风速与蕲艾挥发油含量呈显著正相关，5 月平均风速正相关系数最大，为0.681；6 月日照、蒸发与挥发油呈显著负相关，6 月日照负相关系数最大，为-0.578。通过显著性检验的环境气象因子与挥发油的灰色关联度来看，6 月日照、蒸发与挥发油的关联度为中等关联，其他显著相关的环境气象因子与挥发油的关联度均为高关联或极高关联上，3 月平均风速关联度最大，为0.998。

表3 挥发油与环境气象因子的灰色关联度、相关系数

2.2.2 总黄酮与环境气象因子的关联分析 将蕲艾总黄酮与其生育期逐月温、光、水、风、蒸发等环境气象因子进行相关分析，取相关系数绝对值超过0.4 的因子，进行灰色关联度处理，结果见表4。

由表4 可知，在蕲艾整个生育期，与总黄酮积累密切相关的环境气象因子有栽种形成壮根期的温、水，出苗期的水、蒸发，生长期的温、蒸发，且影响关键期为12 月、2 月、3 月和5 月。从相关性看，2 月降水量与总黄酮含量存在显著正相关，相关系数达0.649（P＜0.1）；12 月平均气温、12 月相对湿度、2 月蒸发、3 月蒸发、5 月气温日较差与总黄酮含量显著负相关（P＜0.05），5 月气温日较差负相关系数最大，为-0.769。

表4 总黄酮与环境气象因子的灰色关联度、相关系数

通过显著性检验的环境气象因子与总黄酮的灰色关联度来看，2 月降水量、12 月相对湿度、3 月蒸发与总黄酮的关联度为高关联，其他显著相关的环境气象因子与挥发油的关联度均为极高关联，关联度最大的是12 月平均气温，为0.976。

2.2.3 桉油精与环境气象因子的关联分析 桉油精与环境气象因子的灰色关联度、相关系数见表5。由表5 可知，蕲艾栽种形成壮根期的水，生长期的温、风，成熟收获期的水对桉油精累积有重要影响，且影响关键期为12 月、3—6 月。从相关性看，4 月平均最低气温、5 月平均最低气温与桉油精存在显著正相关，5 月平均最低气温正相关系数最大，为0.537；12 月降水量、3 月平均风速、4 月平均风速、4月气温日较差、6 月相对湿度与桉油精存在显著负相关，4 月平均风速负相关系数最大，为-0.651；从关联度看，所有通过显著性检验的环境气象因子与桉油精均为高度关联，4 月平均最低气温关联度最大，为0.786。

表5 桉油精与环境气象因子的灰色关联度、相关系数

2.3 基于环境气象因子的蕲艾品质最优回归方程

基于相关和灰色关联度分析提取的影响蕲艾品质的显著环境气象因子，建立蕲艾不同品质指标的多元回归方程（表6）。由表6 可知，回归方程拟合优度的决定系数均在0.8 以上，回归关系达到95%显著水平。经t检验，引入方程的环境气象因子均达到显著水平（P＜0.1），表明该方程能够较准确评估蕲艾品质，即为最优回归方程。

表6 不同品质指标的回归方程

3 讨论

从回归分析结果可以看出，移栽期12 月的最高气温和生长期3 月的最低气温越高，蕲艾挥发油含量越高，而成熟收获期6 月的日照时数越长挥发油含量越低，且3 个时段对应的3 个环境气象因子与挥发油含量的相关性极显著。蕲艾移栽期气温低于-3 ℃时，影响根茎成活，其生长期适宜温度为24～30 ℃，气温过低则阻碍茎杆细胞分裂，不利于植株形成，适宜的气温有利于提高挥发油含量［19］。此外，在蕲艾成熟收获期，挥发油已累积到峰值，日照时数以昼夜节律影响艾叶释放挥发性物质，日照时数越长，释放越多，挥发油含量就越少，这与已有的研究结论一致［13］。可根据环境气象因子与蕲艾挥发性成分间的作用规律，选择12 月高温和3 月低温略高、6月日照时数略短的区域来种植蕲艾。

环境气象因子对蕲艾其他品质的影响表现为，对总黄酮直接作用最大的是移栽期12 月相对湿度和生长期5 月气温日较差的负效应，对桉油精直接作用最大的是成长期4 月份气温日较差的负效应和5 月月平均最低气温的正效应。以上2 个品质指标受不同时期环境气象因子的影响，可能与各指标形成条件及结构差异有关，需进一步研究。

4 小结

采用线性相关、灰色关联度和回归分析方法，分析了环境气象因子在蕲艾品质形成过程中所起的作用，得到了影响品质形成的关键环境气象因子，为蕲艾的规范化种植提供理论指导。

通过对蕲艾品质指标及其生育期环境气象因子的关联分析发现，温、水、风等环境气象因子在蕲艾的移栽期、生长期对其品质形成的影响最大，而成熟收获期光照和蒸发过大会降低蕲艾挥发油含量；与蕲艾挥发油、总黄酮、桉油精品质指标显著相关系数最大的环境气象因子分别是5月份的平均风速（0.681）、5 月气温日较差（-0.769）、4 月平均风速（-0.651）；蕲艾品质形成影响显著的环境气象因子与蕲艾品质指标间均存在高等及以上关联，耦合作用较强，表明这些气象因子为蕲艾品质形成的关键环境气象因子。

建立的蕲艾品质因子与环境气象因子多元线性回归方程，引入方程的环境气象因子的偏回归系数均达到显著水平（P＜0.1），说明方程在实际应用中方便可靠，存在统计学意义，即为最优回归方程。

蕲艾品质的形成与环境气象因子密切相关，本研究为探索蕲艾种植合理布局提供数据支撑，也为蕲艾的气候品质评价提供参考。