于學(xué)霖 ，賈琳 ，尹海波 ，孫宇澤 ，王丹 ，王娜 ，賈春雷 ，李博文 ，吳偉

1.遼寧中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，遼寧 大連 116600； 2.沈陽國(guó)際旅行衛(wèi)生保健中心，遼寧 沈陽 110623；3.遼寧中醫(yī)藥大學(xué)護(hù)理學(xué)院，遼寧 沈陽 110032

中藥蒼術(shù)為菊科植物茅蒼術(shù)Atractylodes lancea(Thunb.) DC. 或北蒼術(shù)Atractylodes chinensis(DC.)Koidz.的干燥根莖[1]。北蒼術(shù)主要分布于遼寧、黑龍江、吉林和河北等北方地區(qū)。作為遼寧省道地藥材之一，北蒼術(shù)在遼寧省內(nèi)種植面積約104.67 km2，年產(chǎn)量約1.02萬噸。其主要活性成分為β-桉葉醇、蒼術(shù)素、蒼術(shù)酮、蒼術(shù)苷A等，其中蒼術(shù)素為蒼術(shù)藥材的指標(biāo)性成分[2-4]。根據(jù)走訪調(diào)查及第四次全國(guó)中藥資源普查結(jié)果，市售蒼術(shù)藥材大部分為栽培品，且品種混雜，給臨床應(yīng)用帶來一定影響。氣候條件和環(huán)境因素如降水量、溫度、植被類型等對(duì)藥材質(zhì)量和產(chǎn)量影響較大[5-7]。遼寧省北蒼術(shù)種植分布較為分散，各產(chǎn)區(qū)地理?xiàng)l件、氣候條件等自然環(huán)境差異及種子來源、栽培技術(shù)不同，使蒼術(shù)藥材質(zhì)量差異較大。本研究通過收集遼寧省內(nèi)北蒼術(shù)栽培基地樣品24批，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中北蒼術(shù)采樣點(diǎn)信息，分析對(duì)應(yīng)產(chǎn)地58個(gè)生態(tài)因子，利用最大熵（MaxEnt）模型結(jié)果作為北蒼術(shù)生態(tài)適宜性的依據(jù)，測(cè)定β-桉葉醇、蒼術(shù)酮、蒼術(shù)素、蒼術(shù)苷A含量作為北蒼術(shù)品質(zhì)區(qū)劃的依據(jù)，利用相關(guān)性分析探究藥材成分與生態(tài)因子之間的相關(guān)性，建立成分與生態(tài)因子之間的回歸模型；以生態(tài)適宜性區(qū)劃和品質(zhì)區(qū)劃為基礎(chǔ)，為基于蒼術(shù)素含量的北蒼術(shù)栽培區(qū)域選擇和基于氣候環(huán)境的北蒼術(shù)資源開發(fā)提供參考依據(jù)，推動(dòng)北蒼術(shù)的合理種植，提高藥材質(zhì)量。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

查閱《遼寧植物志》[8]、《中國(guó)植物志》[9]相關(guān)資料，結(jié)合課題組實(shí)地調(diào)查及第四次全國(guó)中藥資源普查數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)北蒼術(shù)在遼寧省大部分地區(qū)有分布，且以遼寧西部居多，課題組于2019－2020年赴朝陽市、葫蘆島市、鐵嶺市、撫順市、桓仁縣、鞍山市、丹東市、阜新市、遼陽市等遼寧北蒼術(shù)主要產(chǎn)區(qū)進(jìn)行實(shí)地采樣，由GPS定位儀和軌跡儀實(shí)時(shí)獲取經(jīng)緯度、海拔等信息，共獲取24批北蒼術(shù)樣品，采樣點(diǎn)信息見表1。同時(shí)結(jié)合中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館（http://www.cvh.ac.cn/）、全球生物多樣性信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)（https://www.gbif.org/），刪除重復(fù)數(shù)據(jù)，獲得遼寧省北蒼術(shù)12 個(gè)采樣點(diǎn)信息（見表2），共計(jì)36個(gè)采樣點(diǎn)信息用于遼寧省北蒼術(shù)生態(tài)適宜性分析。將遼寧省劃分為遼寧中部、遼寧東部、遼寧西部、遼寧南部、遼寧北部5個(gè)區(qū)域，地圖來源于遼寧省自然資源廳-標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)（http://liaoning.tianditu.gov.cn/standardGIS）。

表1 24批遼寧省北蒼術(shù)樣品采樣點(diǎn)信息

表2 數(shù)據(jù)庫檢索遼寧省北蒼術(shù)采樣點(diǎn)信息

1.2 生態(tài)因子數(shù)據(jù)

本研究使用生態(tài)因子數(shù)據(jù)來源于中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫（www.tcm-resources.com）、WorldClim（www.worldclim.org）及遼寧省氣象資料。結(jié)合北蒼術(shù)生長(zhǎng)特點(diǎn)，選擇地形、植被類型、Kira指標(biāo)、土壤、溫度、降水等58個(gè)生態(tài)因子進(jìn)行分析，包含12個(gè)月份降水量（prec1～prec12）、12個(gè)月份平均溫度（tmean1～tmean12）、海拔（altitude）、坡向（aspect）、坡度（slope）、植被類型（zblx）、溫暖指數(shù)（WI）、寒冷指數(shù)（CI）、干燥指數(shù)（HI）、土壤黏土量（trntl）、土壤酸堿度pH 值（trsjdPH）、土壤有機(jī)碳含量（tryjthl）、土壤含沙量（trhsl）、 土壤有效水含量等級(jí)（tryxshldj）、土壤類型（trlx）、土壤質(zhì)地分類（trzdfl）、土壤陽離子交換能力（trylzjhnl）、年平均溫度（bio1）、晝夜溫差月均值（bio2）、等溫性（bio3）、溫度季節(jié)性變化標(biāo)準(zhǔn)差（bio4）、最暖月最高溫（bio5）、最冷月最低溫（bio6）、年均溫變化范圍（bio7）、最濕季節(jié)均溫（bio8）、最干季節(jié)均溫（bio9）、最暖季節(jié)均溫（bio10）、最冷季節(jié)均溫（bio11）、年平均降水量（bio12）、最濕月降水量（bio13）、最干月降水量（bio14）、降水量變異系數(shù)（bio15）、最濕季節(jié)降水量（bio16）、最干季節(jié)降水量（bio17）、最暖季節(jié)降水量（bio18）、最冷季節(jié)降水量（bio19）。

1.3 生態(tài)適宜性區(qū)劃分析

1.3.1 生態(tài)因子確定

將36個(gè)北蒼術(shù)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與58個(gè)生態(tài)因子導(dǎo)入MaxEnt3.4.1 軟件，運(yùn)算參數(shù)隨機(jī)測(cè)試比例設(shè)置為15%，最大迭代次數(shù)105，選擇刀切法（Jackknife）檢驗(yàn)變量重要性，其他參數(shù)為默認(rèn)值，每次運(yùn)算舍去貢獻(xiàn)率為0的生態(tài)因子。當(dāng)沒有貢獻(xiàn)率為0的生態(tài)因子時(shí)，再進(jìn)行10 次重復(fù)運(yùn)算，通過受試者工作特征（ROC）曲線及曲線下面積（AUC）評(píng)價(jià)模型精度，得到影響北蒼術(shù)生長(zhǎng)的生態(tài)因子[10-14]。

1.3.2 生態(tài)適宜性區(qū)域劃分

通過正態(tài)分布參數(shù)劃分法，將MaxEnt計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS軟件，提取生態(tài)因子圖層的計(jì)算結(jié)果至36個(gè)采樣點(diǎn)，獲得每個(gè)采樣點(diǎn)的生態(tài)適宜度數(shù)值，應(yīng)用SPSS23.0軟件計(jì)算36個(gè)采樣點(diǎn)生態(tài)適宜度的平均值（μ）和標(biāo)準(zhǔn)差（σ）。以提取值中的最小值作為區(qū)分北蒼術(shù)適宜生長(zhǎng)和不適宜生長(zhǎng)區(qū)域的分界線，對(duì)于適宜生長(zhǎng)區(qū)域，選擇μ+σ作為閾值，區(qū)分適宜區(qū)和最適宜區(qū)，即選取[0，最小值]作為不適宜區(qū)，(最小值，μ+σ]作為適宜區(qū)，(μ+σ，1]作為最適宜區(qū)[15-18]，得到北蒼術(shù)生態(tài)適宜性區(qū)劃。

1.4 品質(zhì)區(qū)劃分析

1.4.1 北蒼術(shù)化學(xué)成分檢測(cè)

采用氣相色譜法測(cè)定24批北蒼術(shù)樣品中揮發(fā)性成分β-桉葉醇、蒼術(shù)酮、蒼術(shù)素含量。色譜條件：HP-5石英彈性毛細(xì)管柱（0.32 mm×30 m），氫焰檢測(cè)器溫度300 ℃，進(jìn)樣口溫度240 ℃，載氣N2，分流比20∶1，空氣∶N2∶H2=450∶40∶40，載氣流量1 mL/min，進(jìn)樣量1 μL。柱箱程序升溫速率：初始溫度110 ℃，第一階段以10 ℃/min升至136 ℃，第二階段以1 ℃/min升至145 ℃，第三階段以5 ℃/min升至205 ℃（保持6 min），第四階段以50 ℃/min升至250 ℃（保持5 min）。采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，內(nèi)標(biāo)物為正十六醇。

采用高效液相色譜法-蒸發(fā)光散射檢測(cè)器測(cè)定北蒼術(shù)中蒼術(shù)苷A含量。色譜條件：Symmetry C18色譜柱（美國(guó)Waters公司），流動(dòng)相為乙腈（A）-水（B），梯度洗脫（0～9 min，4%～7%A；9～18 min，7%～16%A；18～25 min，16%A），流速1.0 mL/min，柱溫30 ℃，漂移管溫度（49±1）℃，氮?dú)鈮毫?.0×105Pa，進(jìn)樣量20 μL。

1.4.2 品質(zhì)區(qū)劃方法

參考黃連區(qū)劃研究[19]，使用ArcGIS軟件獲取24個(gè)北蒼術(shù)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的58 個(gè)生態(tài)因子數(shù)據(jù)，應(yīng)用SPSS23.0和Excel2019數(shù)據(jù)分析功能，對(duì)得到的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，舍去不能用于統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)，使用相關(guān)性分析篩選對(duì)上述成分有影響的生態(tài)因子。分析24 批北蒼術(shù)樣品中蒼術(shù)素、β-桉葉醇、蒼術(shù)酮、蒼術(shù)苷A 的含量，利用回歸分析分別構(gòu)建各成分與相關(guān)性分析得到的影響北蒼術(shù)品質(zhì)的生態(tài)因子之間的回歸模型，在此基礎(chǔ)上采用ArcGIS軟件構(gòu)建各成分含量的空間分布圖，根據(jù)生產(chǎn)需要得出最適宜種植和開發(fā)的區(qū)域，形成品質(zhì)區(qū)劃。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)因子

通過MaxEnt軟件進(jìn)行10次重復(fù)運(yùn)算，得到ROC曲線（見圖1），訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測(cè)試數(shù)據(jù)集AUC均大于0.9，說明模型預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度較高。得到影響北蒼術(shù)生態(tài)適宜性的生態(tài)因子有7月份降水量、11月份平均溫度、植被類型、海拔、土壤黏土量、晝夜溫差月均值、3月份平均溫度、4月份降水量、坡向（見表3）。結(jié)合刀切法檢驗(yàn)結(jié)果（見圖2），7月份降水量（44.8%）、11月份平均溫度（31.9%）、植被類型（16.2%）累計(jì)貢獻(xiàn)率超過90%，是影響北蒼術(shù)生態(tài)適宜性的主要生態(tài)因子。主要生態(tài)因子響應(yīng)曲線見圖3。

圖1 遼寧省北蒼術(shù)生態(tài)分布ROC曲線

圖2 遼寧省北蒼術(shù)生態(tài)分布預(yù)測(cè)模型刀切圖

2.2 生態(tài)適宜性區(qū)劃

將影響北蒼術(shù)生態(tài)適宜性的生態(tài)因子導(dǎo)入ArcGIS軟件，通過重分類功能將生態(tài)適宜度進(jìn)行重分類，劃分標(biāo)準(zhǔn)：[0，0.336 759]為不適宜區(qū)，(0.336 759，0.719 122]為適宜區(qū)，(0.719 122，1]為最適宜區(qū)。北蒼術(shù)生態(tài)適宜性區(qū)劃見圖4。遼寧省北蒼術(shù)生態(tài)適宜性分布見表4。可以看出，北蒼術(shù)最適宜區(qū)主要分布在朝陽市雙塔區(qū)、龍城區(qū)、朝陽縣，葫蘆島市興城市、龍港區(qū)等遼寧西部地區(qū)，以及撫順市清原滿族自治縣、新賓滿族自治縣、本溪市本溪滿族自治縣等遼寧東部地區(qū)；適宜區(qū)分布在遼寧中部、北部、東部、西部大部分地區(qū)；遼寧南部地區(qū)多為北蒼術(shù)不適宜區(qū)。

圖4 遼寧省北蒼術(shù)生態(tài)適宜性區(qū)劃

表4 遼寧省北蒼術(shù)生態(tài)適宜性分布

2.3 含量測(cè)定

24批北蒼術(shù)樣品β-桉葉醇、蒼術(shù)酮及蒼術(shù)苷A含量測(cè)定結(jié)果見表5。根據(jù)藥典對(duì)蒼術(shù)藥材中蒼術(shù)素含量不少于0.30%的規(guī)定，24批遼寧省北蒼術(shù)蒼術(shù)素含量均符合要求。

表5 24批遼寧省北蒼術(shù)樣品中4種成分含量（mg/g）

2.4 化學(xué)成分與生態(tài)因子相關(guān)性

將24批北蒼術(shù)樣品中蒼術(shù)素、β-桉葉醇、蒼術(shù)酮、蒼術(shù)苷A含量測(cè)定結(jié)果與58個(gè)生態(tài)因子進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，得到與北蒼術(shù)化學(xué)成分含量相關(guān)的46個(gè)生態(tài)因子，結(jié)果見表6。

表6 遼寧省北蒼術(shù)化學(xué)成分與生態(tài)因子相關(guān)性分析

2.4.1 蒼術(shù)素品質(zhì)分析

蒼術(shù)素含量（Y）與生態(tài)因子（X）的回歸方程為：Y=-0.030X+3.145，X為4月份降水量（prec4）。對(duì)方程進(jìn)行檢驗(yàn)：R2=0.205，F(xiàn)=5.179，P=0.03，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。根據(jù)方程可知，蒼術(shù)素含量與4月份降水量呈負(fù)相關(guān)。蒼術(shù)素品質(zhì)區(qū)劃見圖5?？傮w上蒼術(shù)素空間分布由遼寧西部至遼寧東部逐漸減少：遼寧西部種植北蒼術(shù)中蒼術(shù)素空間分布最多，藥材品質(zhì)在遼寧省內(nèi)最好，如興城市、朝陽市；遼寧北部、遼寧中部、遼寧南部蒼術(shù)素空間分布較遼寧西部少，但仍高于遼寧東部，如盤錦市、鞍山市；遼寧東部地區(qū)蒼術(shù)素空間分布較遼寧省內(nèi)其他區(qū)域低。

圖5 遼寧省北蒼術(shù)蒼術(shù)素品質(zhì)區(qū)劃

2.4.2 β-桉葉醇品質(zhì)分析

β-桉葉醇含量（Y）與生態(tài)因子（X）的回歸方程為：Y=0.658X1-0.118X2+6.982，X1為4 月份降水量（prec4）、X2為7月份降水量（prec7）。對(duì)方程進(jìn)行檢驗(yàn)：R2=0.520，F(xiàn)=10.325，P=0.03，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。根據(jù)方程可知，β-桉葉醇含量與4月份降水量呈正相關(guān)，與7月份降水量呈負(fù)相關(guān)。應(yīng)用ArcGIS軟件的光柵計(jì)算器（Raster calculator）功能，將生成的圖層與分布概率底圖進(jìn)行疊加，得到β-桉葉醇品質(zhì)區(qū)劃（見圖6）?？梢钥闯?，β-桉葉醇含量以遼寧東部地區(qū)最高，遼寧中部、遼寧南部地區(qū)次之，遼寧西部與遼寧東部部分地區(qū)含量逐漸減少，總體上呈現(xiàn)由中部向東西兩側(cè)逐漸降低的趨勢(shì)。

2.4.3 蒼術(shù)酮品質(zhì)分析

蒼術(shù)酮含量（Y）與生態(tài)因子（X）的回歸方程為：Y=-0.1X1+0.044X2+0.21X3-4.509，X1為4 月份降水量（prec4）、X2為晝夜溫差月均值（bio2）、X3為7月份降水量（prec7）。對(duì)方程進(jìn)行檢驗(yàn)：R2=0.666，F(xiàn)=11.976，P=0.009，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。根據(jù)方程可知，蒼術(shù)酮含量與4月份降水量呈負(fù)相關(guān)，與晝夜溫差月均值和7月份降水量呈正相關(guān)。由圖7可以看出，北蒼術(shù)蒼術(shù)酮含量在遼寧東部山區(qū)最高，由東向西至遼寧西部逐漸減少，在遼寧最西部含量又略有回升。

圖7 遼寧省北蒼術(shù)蒼術(shù)酮品質(zhì)區(qū)劃

2.4.4 蒼術(shù)苷A品質(zhì)分析

經(jīng)計(jì)算，蒼術(shù)苷A含量與生態(tài)因子無線性關(guān)系，即生態(tài)因子對(duì)蒼術(shù)苷A的含量無明顯影響。

2.4.5 綜合品質(zhì)分析

將蒼術(shù)素、β-桉葉醇、蒼術(shù)酮3個(gè)成分的空間分布圖層添加到ArcGIS軟件中，使用Raster calculator功能將上述圖層進(jìn)行模糊疊加，得到北蒼術(shù)3個(gè)成分含量空間分布疊加圖（見圖8）。由圖可知，3個(gè)成分含量分布由東向西逐漸減少，丹東市寬甸縣、鐵嶺市西豐縣、撫順市清原滿族自治縣和新賓滿族自治縣、鞍山市岫巖縣、遼陽市白塔區(qū)北蒼術(shù)綜合品質(zhì)較高。

圖8 遼寧省北蒼術(shù)3種成分含量綜合品質(zhì)區(qū)劃

3 討論

通過生態(tài)適宜性區(qū)劃，可以探究影響北蒼術(shù)生長(zhǎng)分布的生態(tài)因子，并找出適合其生長(zhǎng)的區(qū)域。通過品質(zhì)區(qū)劃，可以探究影響北蒼術(shù)成分含量的生態(tài)因子，因此兩者得到的生態(tài)因子并不完全相同。本研究以實(shí)地調(diào)查的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合多個(gè)數(shù)據(jù)庫包含的信息，運(yùn)用MaxEnt和ArcGIS軟件分析影響遼寧省北蒼術(shù)生態(tài)適宜性的生態(tài)因子及其生態(tài)適宜性等級(jí)分布，預(yù)測(cè)結(jié)果AUC=0.998，說明預(yù)測(cè)結(jié)果較準(zhǔn)確。蒼術(shù)素為蒼術(shù)藥材的指標(biāo)性成分，蒼術(shù)素含量可在一定程度上反映藥材質(zhì)量，因此基于蒼術(shù)素的北蒼術(shù)品質(zhì)區(qū)劃是遼寧省北蒼術(shù)品質(zhì)區(qū)劃的重要部分。通過北蒼術(shù)生態(tài)適宜性區(qū)劃研究，發(fā)現(xiàn)遼寧省大部分地區(qū)適宜栽種北蒼術(shù)（遼寧南部部分地區(qū)除外），最適宜地區(qū)主要分布在遼寧西部。根據(jù)品質(zhì)區(qū)劃分析結(jié)果可知，4月份降水量對(duì)蒼術(shù)素含量影響最大，同時(shí)也是影響β-桉葉醇、蒼術(shù)酮含量的主要生態(tài)因子。結(jié)合影響北蒼術(shù)生態(tài)適宜性的生態(tài)因子及課題組對(duì)北蒼術(shù)栽培基地的走訪調(diào)查得知，遼寧西部地區(qū)由于地處內(nèi)陸，其降水量常年較其他地區(qū)??；遼寧東部與南部由于靠近海洋，雨水充沛，故降水量較高。綜合實(shí)地調(diào)查情況與本研究所得區(qū)劃，認(rèn)為預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際相符，可以說明4月份降水量是影響北蒼術(shù)質(zhì)量的重要生態(tài)因子。建議其他地區(qū)栽種北蒼術(shù)時(shí)，綜合考慮上述生態(tài)因子對(duì)北蒼術(shù)生長(zhǎng)的影響，根據(jù)實(shí)際情況，選擇陽坡、排水較好的較干旱地區(qū)栽種，參考當(dāng)?shù)靥鞖狻⑼寥蕾|(zhì)量等生態(tài)環(huán)境的影響，合理栽種，以收獲高質(zhì)量的北蒼術(shù)藥材。