基于生长和药效品质因子的秦巴山区山茱萸种植适宜性分区研究

薛靖晨，高义民*，谢亚婷，王 珂，陶 雷，杨维霞

(1.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨陵 712100；2.西北农林科技大学 化学与药学院，陕西 杨陵 712100)

现代中药产业的快速发展对中药原料的资源需求急剧增长，中药材研究迫切需要解决药材资源不足、供需矛盾突出等问题，而种植药材的产量、性状及药效品质与其产地的气候、土壤等生态因子密切相关[1]。目前，基于优质药材产地生态适宜性评价等研究内容的中药品质生态学成为一门新兴的热门应用学科，受到研究者普遍关注[2]。

山茱萸为山茱萸科(Cornaceae)山茱萸属(Cornus)的植物山茱萸(Cornusofficinalis)的干燥成熟果肉，含有环烯醚萜、鞣质、黄酮、三萜、芳香酚酸、挥发油类等化学成分，具有广泛的药理作用[3]，市场开发和应用前景广阔。国内外关于山茱萸生态学及生物学特性[4]、化学成分及其不同活性成分含量的测定[5]、山茱萸炮制品及其质量控制[6]、山茱萸的药理作用原理[7]以及山茱萸良种选育及栽培技术[8]等方面已大量研究报道，但对于生态因子与山茱萸生长和药效品质形成的效应机制研究较为薄弱[9]。目前对山茱萸的生态适宜性评价研究主要采用基于分布模型的最大熵模型(Maxent)，通过选取已知的分布样本数据和相关生物气候变量，根据一定的算法运算来构建模型，基于可获取的有限的物种分布点及其所关联的环境参数，判断其生态需求，并将运算结果投射至不同的时间和空间中以预测物种的实际分布和潜在分布[10-11]。但由于存在样本采集数量有限、所选取的环境变量与山茱萸生长及药效品质效应关系不够明确等问题，预测结果的适宜性分布区过于笼统[12]，同时评价因子多关注于气候因子，对土壤肥力因子很少涉及，导致适宜区划分的实践性较差。

秦巴山区位于我国中部，地跨甘肃、四川、陕西、重庆、河南、湖北5省1市，是中国气候南北过渡带，也是中国重要的生态屏障，植物种类资源丰富，发展林业经济对当地生态保护和乡村振兴具有重要意义[13]。山茱萸在全区野生资源丰富，人工种植较为广泛。但由于区内地理和气候条件复杂多样，不同地区、不同生长条件下的山茱萸在生长和药效品质方面存在明显的区域差异[14]。为此，本研究从影响山茱萸生长和药效品质形成的气候、土壤、地形和植被类型等因子综合进行适宜性评价和精细化分区，对完善中药品质生态学基础理论、指导秦巴山区发展中药材种植产业，因地制宜调整产业结构等具有重要指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选取位于陕西省境内的陕南秦巴山区为研究区(31°40′-34°25′N，105°30′-111°20′E)，包括商洛、安康、汉中3市全境及宝鸡市凤县、太白2县(图1)，共30个县/区，483个乡镇，总面积7.63万 km2。全区地处亚热带西段北缘地带，年均降水610～1 200 mm，年均气温7.5～14.2 ℃，区内地势南北高、地貌类型多样，山体垂直落差较大，水资源丰富，自然植被发育旺盛，植被类型多样，药用植物物种组成丰富，是我国道地药材的主要产区之一[15]。

1.2 数据来源及处理

本研究所使用的气象数据主要来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/)和温室数据共享平台(http://data.sheshiyuanyi.com/)，并以世界气候数据库(http://www.worldclim.org/)作为补充，形成连续30 a的各气象站观测数据。地形数据(GDEMDEM 30M分辨率的数字高程基础数据)来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)。植被类型和土壤质地及其他相关基础地理数据来源于资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/)。土壤养分数据来源于陕西省耕地质量评价所采集的1 351个农田土壤理化性质分析结果(2016年)。气象站和土壤养分采样点分布如图1所示。

图1 陕西秦巴山区地理区位

采用Microsoft Excel 2016和SPSS Statistics 24.0软件进行数据统计分析和气象数据的格式转换。由于秦巴山区地形复杂，气候多变，为提高气象数据的拟合精度，在研究区域内30个气象站基础上，将周边区域14个基准气象站，33个一般气象站共计77个气象站多年观测数据一并纳入插值运算过程，并采用气象数据曲面拟合软件ANUSPLIN进行气象要素的空间插值。应用ArcGIS 10.2软件进行矢量数据处理、栅格数据叠置分析和专题地图制作，并采用地统计学方法对土壤养分数据进行克里格插值分析。所有插值结果以200 m栅格单元作为基本评价单元。

1.3 生长和品质影响因子的筛选及阈值的确定

生态环境因子通过影响药材生长发育和有效成分形成与积累而对其适宜分布范围及药效品质产生直接影响[2]。本研究通过检索国内外关于生态环境因子与山茱萸生长、产量、化学或有效成分等效应关系的中、英文文献，综合考虑生长适宜性的生态指标和有利于化学指标形成的药效品质影响因子2个方面，从山茱萸生长和产量形成的角度选择了6个气候因子、2个土壤养分因子、2个地形因子和植被类型共计11个指标，从有利于药效品质形成的角度确定了4个气候因子、4个土壤养分因子、1个地形因子共计9个评价指标，并参照相关文献[10,11,16-23]，确定了各个因子的四级适宜性分区阈值，划分结果如表1所示。

表1 山茱萸适宜性评价指标及分区

1.4 研究方法

1.4.1 层次分析法(AHP)构建评价指标体系 采用层次分析法(AHP)[24]最终得到各因子的组合权重(表2)。针对山茱萸生长适宜性评价目标层，建立气候、土壤、地形和植被类型4个要素准则层，共计11个生长适宜性指标层的层次结构模型；针对山茱萸药效品质适宜性评价目标层，建立气候、土壤、地形3个要素准则层，共计9个药效品质适宜性指标层的层次结构模型，通过一致矩阵法，分别构造判断矩阵。层次总排序的一致性检验结果均为CR<0.1，总排序一致性检验通过，因此各判断矩阵均具有满意的一致性。

表2 山茱萸适宜性层次结构模型及因子组合权重

1.4.2 气象数据曲面拟合专用软件ANUSPLIN插值形成各气象因子栅格数据 选取基于薄盘样条理论的气象数据曲面拟合软件ANUSPLIN进行各气象因子的空间插值[25]。局部薄盘光滑样条的理论统计模型表述如下

Zi=f(xi)+bTyi+ei(i=1,…,n)

(1)

式中:Zi为位于空间i点的因变量；xi为d维样条独立变量矢量，f为要估算的关于xi未知平滑函数；yi为p维独立协变量矢量；b为yi的p维系数；函数f和系数b通过最小二乘估计来确定。ei为具有期望值为0和方差为wiσ2的自变量随机误差；wi为作为权重的已知相对误差方差；σ2为所有数据点上误差方差，为常数，但通常未知；n为观测值个数[26]。

ANUSPLIN伴随插值结果会自动统计生成能够判别插值质量优劣的统计参数。本研究中依据SIGNAL(信号自由度)、RTGCV(广义交叉验证均方根)、RTMSR(残差均方根)、RTMSE(期望真实误差均方根)和SNR(信噪比，即Signal与error的比)等指标进行最优插值结果的选取。

1.4.3 GIS叠置分析形成适宜性分区结果 基于适宜性分区阈值(表1)，分别对气候、土壤因子插值结果和地形、植被因子的空间分布图层分级，形成各个评价因子的适宜性分区图，然后对各评价因子的高度适宜、适宜、勉强适宜和不适宜的空间属性分别赋值为3、2、1、0，依据各因子组合权重结果(表2)，应用GIS叠置分析工具进行加权叠加和专题制图，最终得到适宜性分区结果。

2 结果与分析

2.1 山茱萸生长适宜性分区

研究区域地形复杂、气候多变的特点决定了山茱萸在本地区生长适宜性多样化和区域分布分散的特点(图2)。从图2A看，山茱萸生长高度适宜区集中分布于研究区中南部，包括汉中市中东部、安康市中南部大部分地区和商洛市南部局部地区；适宜区分布相对分散，广泛分布于研究区中部和南部的汉中市、安康市、商洛市大部分地区；勉强适宜区呈带状，主要分布于研究区北部和西部，南部局部地区有少量分布；不适宜区主要位于研究区西北部的宝鸡市区域及汉中市北部区域。从图2B看，山茱萸生长的高度适宜区呈带状连片分布，主要位于汉中市、安康市中部及商洛市中东部地区；适宜区主要分布于汉中市中西部、安康市中东部和商洛市大部；勉强适宜区主要位于汉中市、安康市四周边缘区域和商洛市西部、北部地区，呈零散分布状态；不适宜区主要位于研究区西北部和南部边缘区域。从图2C看，高度适宜区呈明显斑块状，主要位于汉中市中东部、安康市南部和商洛市北部区域；适宜区主要位于汉中市中部和东部、安康市南部、商洛市西北部区域；勉强适宜区主要位于安康市、商洛市大部分区域和汉中市西部；不适宜区主要分布于安康市中部、商洛市东南部、汉中市西部及宝鸡市东部区域。从图2D看，山茱萸生长的不同适宜类型区呈块状或条状分布。高度适宜区主要分布于研究区中部偏南区域，其中在汉中市中部和安康市中南部连片分布，面积较大，商洛市中部和南部有少量分布，共计占研究区总面积的19.45%；适宜区主要分布于汉中市西部、安康市中部和商洛市中南部大片地区，共计占研究区总面积的44.28%；勉强适宜区主要分布于汉中市、安康市北部和商洛市西、北部区域，共计占研究区总面积的29.13%；不适宜区主要分布于整个研究区域北部和西部区域，包括宝鸡市、汉中市和安康市南部、商洛市北部局部区域，共计占研究区总面积的7.14%。

注：A、 B、C、D分别代表气候、地形、土壤、生长适宜性分区结果。

2.2 秦巴山区山茱萸药效品质适宜性分区

药用植物的药效成分多为次生代谢产物，适宜的生态环境有利于药效成分的合成与积累。基于气候、地形(坡向)和土壤因子的陕西秦巴山区山茱萸药效品质适宜性分区结果如图3所示。从图3A看，山茱萸药效品质的高度适宜区主要分布于研究区东部和中南部，表现出明显的东强西弱的趋势，其中在商洛市中南部、安康市中东部大部分区域集中连片分布；适宜区呈片状分布于研究区中东部和中南部，安康市西部、汉中市东部和商洛市西北部分布面积较大；勉强适宜区主要分布在研究区西部和北部，包括汉中市西部、北部和安康市北部大部分区域；不适宜区主要分布在研究区西部和北部，其中汉中市面积较大。从图3B看，研究区域药效品质的适宜性分区呈碎片化分布，趋势性不明显。从图3C看，山茱萸药效品质的高度适宜区主要分布于汉中市中南部、安康市中部及商洛市中部和北部的局部区域；适宜区呈片状分散分布于汉中市西南部、安康市中部和商洛市东部、南部等地；勉强适宜区分布较为集中的区域包括汉中市西南部、宝鸡市西部(凤县)、安康市南部和商洛市北部部分地区；不适宜区主要分布于汉中市、安康市北部、宝鸡市东部(太白县)、商洛市西部区域。从图3D看，山茱萸药效品质的不同适宜类型区均呈碎片状，其中，高度适宜区面积总体研究区东部多于西部，南部多于北部，主要分布于研究区中南部和东部区域，包括汉中市中东部、安康市中部及商洛市东部大部分区域，占研究区总面积的24.66%；适宜区总体趋势与高度适宜区相类似，占研究区总面积的31.34%；勉强适宜区主要分布于汉中市西部和北部、安康市南北部和安康市西部，占研究区总面积的25.43%；不适宜区主要分布于研究区北部和西部，占研究区总面积的18.57%，其中宝鸡市、汉中市北部和西部、安康市北部和商洛市西部较多。

注：A、B、C、D分别代表山茱萸气候、地形、土壤、品质适宜性分区结果。

3 结论与讨论

3.1 结论

从影响山茱萸生长的角度，研究区不同适宜类型区呈块状或条状特征，高度适宜区主要分布于研究区中部偏南区域，不适宜区主要分布于研究区域北部和西部区域，生长的适宜性程度南北方向变化趋势明显。从影响山茱萸药效品质的角度，不同适宜类型区呈碎片状特征，高度适宜区主要分布于研究区中南部和东部区域，不适宜区主要分布于研究区北部和西部，药效品质的适宜性程度东西方向变化趋势明显。

对研究区山茱萸生长适宜性分区和药效品质适宜性分区结果进行比较分析，陕西秦巴山区部分区域既是山茱萸生长的潜在高度适宜区，又是药效品质的潜在高度适宜区，主要分布于汉中市中东部、安康市中部和商洛市部分区域。

3.2 讨论

本研究对于评价因子的选择，充分结合了山茱萸生长习性，具有合理性并兼具实用性。山茱萸喜温暖湿润、忌严寒，其正常生长发育及产量形成对气候、土壤和地形条件均有一定要求。1月平均最低温度是其安全越冬的温度下限值，近10 a 3月平均最低温度代表了花期避免霜冻灾害的最低温度[27]，最湿季平均温度反映了生长关键时期的水热同步性特征，年降水量代表了维持山茱萸正常生长所需的全年水分供应状况，3月降水量和11月降水量分别通过影响山茱萸果实花期授粉和越冬期根系活力，对其生理和产量产生直接影响。土壤有机质含量、土壤速效N含量则是保证山茱萸生长和维持持续高产的基本条件。海拔高度和坡度决定了山茱萸的地理分布和生长条件，植被类型间接反映了区域的植被生境综合特征，从而对山茱萸分布的适宜性划分具有重要参考价值。同时，年均日照时数、年平均温度和1月平均温度与山茱萸有效成分含量成正相关[18]，收获期降水量会影响山茱萸的性状品质等级，土壤有效铁、土壤有效锰、土壤速效K含量对山茱萸药材化学指标影响显著[28]，坡向通过影响光照而对活性物质累积产生影响[29]。

由于秦巴山区地形复杂，气象站点分布不均，密度不足。本研究搜集补充周边区域多个气象站近30 a的相关数据，选取澳大利亚科学家Hutchinson基于薄盘样条插值理论编写的专门针对气象数据曲面拟合的软件ANUSPLIN完成气象要素的空间插值过程，输入文件包含经度、纬度、高程和气象要素数值，插值结果兼顾了气象数据的长时间序列特征，并将DEM数据作为协变量同时进行多种函数模型空间插值并选取最优结果，有效提高了插值的精度[25]，并从空间尺度上充分体现了区域的差异性。从促进山茱萸果实生长形成较高产量和药效成分合成积累2个角度，采用层次分析法(AHP)构建评价指标体系，获取各因子的组合权重，GIS叠置分析工具进行加权叠加，得到的各参评因子及适宜性区划的空间分布图精细化程度较高，针对性强，对陕西秦巴山区因地制宜发展中药材产业具有现实意义。