辽宁省北苍术生态适宜性和品质区划研究

于学霖 ，贾琳 ，尹海波 ，孙宇泽 ，王丹 ，王娜 ，贾春雷 ，李博文 ，吴伟

1.辽宁中医药大学药学院，辽宁 大连 116600； 2.沈阳国际旅行卫生保健中心，辽宁 沈阳 110623；3.辽宁中医药大学护理学院，辽宁 沈阳 110032

中药苍术为菊科植物茅苍术Atractylodes lancea(Thunb.) DC. 或北苍术Atractylodes chinensis(DC.)Koidz.的干燥根茎[1]。北苍术主要分布于辽宁、黑龙江、吉林和河北等北方地区。作为辽宁省道地药材之一，北苍术在辽宁省内种植面积约104.67 km2，年产量约1.02万吨。其主要活性成分为β-桉叶醇、苍术素、苍术酮、苍术苷A等，其中苍术素为苍术药材的指标性成分[2-4]。根据走访调查及第四次全国中药资源普查结果，市售苍术药材大部分为栽培品，且品种混杂，给临床应用带来一定影响。气候条件和环境因素如降水量、温度、植被类型等对药材质量和产量影响较大[5-7]。辽宁省北苍术种植分布较为分散，各产区地理条件、气候条件等自然环境差异及种子来源、栽培技术不同，使苍术药材质量差异较大。本研究通过收集辽宁省内北苍术栽培基地样品24批，结合数据库中北苍术采样点信息，分析对应产地58个生态因子，利用最大熵（MaxEnt）模型结果作为北苍术生态适宜性的依据，测定β-桉叶醇、苍术酮、苍术素、苍术苷A含量作为北苍术品质区划的依据，利用相关性分析探究药材成分与生态因子之间的相关性，建立成分与生态因子之间的回归模型；以生态适宜性区划和品质区划为基础，为基于苍术素含量的北苍术栽培区域选择和基于气候环境的北苍术资源开发提供参考依据，推动北苍术的合理种植，提高药材质量。

1 资料与方法

1.1 数据来源

查阅《辽宁植物志》[8]、《中国植物志》[9]相关资料，结合课题组实地调查及第四次全国中药资源普查数据，发现北苍术在辽宁省大部分地区有分布，且以辽宁西部居多，课题组于2019－2020年赴朝阳市、葫芦岛市、铁岭市、抚顺市、桓仁县、鞍山市、丹东市、阜新市、辽阳市等辽宁北苍术主要产区进行实地采样，由GPS定位仪和轨迹仪实时获取经纬度、海拔等信息，共获取24批北苍术样品，采样点信息见表1。同时结合中国数字植物标本馆（http://www.cvh.ac.cn/）、全球生物多样性信息网络平台（https://www.gbif.org/），删除重复数据，获得辽宁省北苍术12 个采样点信息（见表2），共计36个采样点信息用于辽宁省北苍术生态适宜性分析。将辽宁省划分为辽宁中部、辽宁东部、辽宁西部、辽宁南部、辽宁北部5个区域，地图来源于辽宁省自然资源厅-标准地图服务系统（http://liaoning.tianditu.gov.cn/standardGIS）。

表1 24批辽宁省北苍术样品采样点信息

表2 数据库检索辽宁省北苍术采样点信息

1.2 生态因子数据

本研究使用生态因子数据来源于中药资源空间信息网格数据库（www.tcm-resources.com）、WorldClim（www.worldclim.org）及辽宁省气象资料。结合北苍术生长特点，选择地形、植被类型、Kira指标、土壤、温度、降水等58个生态因子进行分析，包含12个月份降水量（prec1～prec12）、12个月份平均温度（tmean1～tmean12）、海拔（altitude）、坡向（aspect）、坡度（slope）、植被类型（zblx）、温暖指数（WI）、寒冷指数（CI）、干燥指数（HI）、土壤黏土量（trntl）、土壤酸碱度pH 值（trsjdPH）、土壤有机碳含量（tryjthl）、土壤含沙量（trhsl）、 土壤有效水含量等级（tryxshldj）、土壤类型（trlx）、土壤质地分类（trzdfl）、土壤阳离子交换能力（trylzjhnl）、年平均温度（bio1）、昼夜温差月均值（bio2）、等温性（bio3）、温度季节性变化标准差（bio4）、最暖月最高温（bio5）、最冷月最低温（bio6）、年均温变化范围（bio7）、最湿季节均温（bio8）、最干季节均温（bio9）、最暖季节均温（bio10）、最冷季节均温（bio11）、年平均降水量（bio12）、最湿月降水量（bio13）、最干月降水量（bio14）、降水量变异系数（bio15）、最湿季节降水量（bio16）、最干季节降水量（bio17）、最暖季节降水量（bio18）、最冷季节降水量（bio19）。

1.3 生态适宜性区划分析

1.3.1 生态因子确定

将36个北苍术采样点数据与58个生态因子导入MaxEnt3.4.1 软件，运算参数随机测试比例设置为15%，最大迭代次数105，选择刀切法（Jackknife）检验变量重要性，其他参数为默认值，每次运算舍去贡献率为0的生态因子。当没有贡献率为0的生态因子时，再进行10 次重复运算，通过受试者工作特征（ROC）曲线及曲线下面积（AUC）评价模型精度，得到影响北苍术生长的生态因子[10-14]。

1.3.2 生态适宜性区域划分

通过正态分布参数划分法，将MaxEnt计算结果数据导入ArcGIS软件，提取生态因子图层的计算结果至36个采样点，获得每个采样点的生态适宜度数值，应用SPSS23.0软件计算36个采样点生态适宜度的平均值（μ）和标准差（σ）。以提取值中的最小值作为区分北苍术适宜生长和不适宜生长区域的分界线，对于适宜生长区域，选择μ+σ作为阈值，区分适宜区和最适宜区，即选取[0，最小值]作为不适宜区，(最小值，μ+σ]作为适宜区，(μ+σ，1]作为最适宜区[15-18]，得到北苍术生态适宜性区划。

1.4 品质区划分析

1.4.1 北苍术化学成分检测

采用气相色谱法测定24批北苍术样品中挥发性成分β-桉叶醇、苍术酮、苍术素含量。色谱条件：HP-5石英弹性毛细管柱（0.32 mm×30 m），氢焰检测器温度300 ℃，进样口温度240 ℃，载气N2，分流比20∶1，空气∶N2∶H2=450∶40∶40，载气流量1 mL/min，进样量1 μL。柱箱程序升温速率：初始温度110 ℃，第一阶段以10 ℃/min升至136 ℃，第二阶段以1 ℃/min升至145 ℃，第三阶段以5 ℃/min升至205 ℃（保持6 min），第四阶段以50 ℃/min升至250 ℃（保持5 min）。采用内标法进行实验，内标物为正十六醇。

采用高效液相色谱法-蒸发光散射检测器测定北苍术中苍术苷A含量。色谱条件：Symmetry C18色谱柱（美国Waters公司），流动相为乙腈（A）-水（B），梯度洗脱（0～9 min，4%～7%A；9～18 min，7%～16%A；18～25 min，16%A），流速1.0 mL/min，柱温30 ℃，漂移管温度（49±1）℃，氮气压力3.0×105Pa，进样量20 μL。

1.4.2 品质区划方法

参考黄连区划研究[19]，使用ArcGIS软件获取24个北苍术采样点对应的58 个生态因子数据，应用SPSS23.0和Excel2019数据分析功能，对得到的全部数据进行校验，舍去不能用于统计分析的数据，使用相关性分析筛选对上述成分有影响的生态因子。分析24 批北苍术样品中苍术素、β-桉叶醇、苍术酮、苍术苷A 的含量，利用回归分析分别构建各成分与相关性分析得到的影响北苍术品质的生态因子之间的回归模型，在此基础上采用ArcGIS软件构建各成分含量的空间分布图，根据生产需要得出最适宜种植和开发的区域，形成品质区划。

2 结果与分析

2.1 生态因子

通过MaxEnt软件进行10次重复运算，得到ROC曲线（见图1），训练数据集和测试数据集AUC均大于0.9，说明模型预测结果准确度较高。得到影响北苍术生态适宜性的生态因子有7月份降水量、11月份平均温度、植被类型、海拔、土壤黏土量、昼夜温差月均值、3月份平均温度、4月份降水量、坡向（见表3）。结合刀切法检验结果（见图2），7月份降水量（44.8%）、11月份平均温度（31.9%）、植被类型（16.2%）累计贡献率超过90%，是影响北苍术生态适宜性的主要生态因子。主要生态因子响应曲线见图3。

图1 辽宁省北苍术生态分布ROC曲线

图2 辽宁省北苍术生态分布预测模型刀切图

2.2 生态适宜性区划

将影响北苍术生态适宜性的生态因子导入ArcGIS软件，通过重分类功能将生态适宜度进行重分类，划分标准：[0，0.336 759]为不适宜区，(0.336 759，0.719 122]为适宜区，(0.719 122，1]为最适宜区。北苍术生态适宜性区划见图4。辽宁省北苍术生态适宜性分布见表4。可以看出，北苍术最适宜区主要分布在朝阳市双塔区、龙城区、朝阳县，葫芦岛市兴城市、龙港区等辽宁西部地区，以及抚顺市清原满族自治县、新宾满族自治县、本溪市本溪满族自治县等辽宁东部地区；适宜区分布在辽宁中部、北部、东部、西部大部分地区；辽宁南部地区多为北苍术不适宜区。

图4 辽宁省北苍术生态适宜性区划

表4 辽宁省北苍术生态适宜性分布

2.3 含量测定

24批北苍术样品β-桉叶醇、苍术酮及苍术苷A含量测定结果见表5。根据药典对苍术药材中苍术素含量不少于0.30%的规定，24批辽宁省北苍术苍术素含量均符合要求。

表5 24批辽宁省北苍术样品中4种成分含量（mg/g）

2.4 化学成分与生态因子相关性

将24批北苍术样品中苍术素、β-桉叶醇、苍术酮、苍术苷A含量测定结果与58个生态因子进行Pearson相关性分析，得到与北苍术化学成分含量相关的46个生态因子，结果见表6。

表6 辽宁省北苍术化学成分与生态因子相关性分析

2.4.1 苍术素品质分析

苍术素含量（Y）与生态因子（X）的回归方程为：Y=-0.030X+3.145，X为4月份降水量（prec4）。对方程进行检验：R2=0.205，F=5.179，P=0.03，有统计学意义。根据方程可知，苍术素含量与4月份降水量呈负相关。苍术素品质区划见图5。总体上苍术素空间分布由辽宁西部至辽宁东部逐渐减少：辽宁西部种植北苍术中苍术素空间分布最多，药材品质在辽宁省内最好，如兴城市、朝阳市；辽宁北部、辽宁中部、辽宁南部苍术素空间分布较辽宁西部少，但仍高于辽宁东部，如盘锦市、鞍山市；辽宁东部地区苍术素空间分布较辽宁省内其他区域低。

图5 辽宁省北苍术苍术素品质区划

2.4.2 β-桉叶醇品质分析

β-桉叶醇含量（Y）与生态因子（X）的回归方程为：Y=0.658X1-0.118X2+6.982，X1为4 月份降水量（prec4）、X2为7月份降水量（prec7）。对方程进行检验：R2=0.520，F=10.325，P=0.03，有统计学意义。根据方程可知，β-桉叶醇含量与4月份降水量呈正相关，与7月份降水量呈负相关。应用ArcGIS软件的光栅计算器（Raster calculator）功能，将生成的图层与分布概率底图进行叠加，得到β-桉叶醇品质区划（见图6）。可以看出，β-桉叶醇含量以辽宁东部地区最高，辽宁中部、辽宁南部地区次之，辽宁西部与辽宁东部部分地区含量逐渐减少，总体上呈现由中部向东西两侧逐渐降低的趋势。

2.4.3 苍术酮品质分析

苍术酮含量（Y）与生态因子（X）的回归方程为：Y=-0.1X1+0.044X2+0.21X3-4.509，X1为4 月份降水量（prec4）、X2为昼夜温差月均值（bio2）、X3为7月份降水量（prec7）。对方程进行检验：R2=0.666，F=11.976，P=0.009，有统计学意义。根据方程可知，苍术酮含量与4月份降水量呈负相关，与昼夜温差月均值和7月份降水量呈正相关。由图7可以看出，北苍术苍术酮含量在辽宁东部山区最高，由东向西至辽宁西部逐渐减少，在辽宁最西部含量又略有回升。

图7 辽宁省北苍术苍术酮品质区划

2.4.4 苍术苷A品质分析

经计算，苍术苷A含量与生态因子无线性关系，即生态因子对苍术苷A的含量无明显影响。

2.4.5 综合品质分析

将苍术素、β-桉叶醇、苍术酮3个成分的空间分布图层添加到ArcGIS软件中，使用Raster calculator功能将上述图层进行模糊叠加，得到北苍术3个成分含量空间分布叠加图（见图8）。由图可知，3个成分含量分布由东向西逐渐减少，丹东市宽甸县、铁岭市西丰县、抚顺市清原满族自治县和新宾满族自治县、鞍山市岫岩县、辽阳市白塔区北苍术综合品质较高。

图8 辽宁省北苍术3种成分含量综合品质区划

3 讨论

通过生态适宜性区划，可以探究影响北苍术生长分布的生态因子，并找出适合其生长的区域。通过品质区划，可以探究影响北苍术成分含量的生态因子，因此两者得到的生态因子并不完全相同。本研究以实地调查的数据为基础，结合多个数据库包含的信息，运用MaxEnt和ArcGIS软件分析影响辽宁省北苍术生态适宜性的生态因子及其生态适宜性等级分布，预测结果AUC=0.998，说明预测结果较准确。苍术素为苍术药材的指标性成分，苍术素含量可在一定程度上反映药材质量，因此基于苍术素的北苍术品质区划是辽宁省北苍术品质区划的重要部分。通过北苍术生态适宜性区划研究，发现辽宁省大部分地区适宜栽种北苍术（辽宁南部部分地区除外），最适宜地区主要分布在辽宁西部。根据品质区划分析结果可知，4月份降水量对苍术素含量影响最大，同时也是影响β-桉叶醇、苍术酮含量的主要生态因子。结合影响北苍术生态适宜性的生态因子及课题组对北苍术栽培基地的走访调查得知，辽宁西部地区由于地处内陆，其降水量常年较其他地区小；辽宁东部与南部由于靠近海洋，雨水充沛，故降水量较高。综合实地调查情况与本研究所得区划，认为预测结果与实际相符，可以说明4月份降水量是影响北苍术质量的重要生态因子。建议其他地区栽种北苍术时，综合考虑上述生态因子对北苍术生长的影响，根据实际情况，选择阳坡、排水较好的较干旱地区栽种，参考当地天气、土壤质量等生态环境的影响，合理栽种，以收获高质量的北苍术药材。