基于3S技术的羌活区划研究I基于MaxEnt和ArcGIS的羌活生长适宜性分析及评价.docx
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基于3S技术的羌活区划研究I基于MaxEnt和ArcGIS的羌活生长适宜性分析及评价
基于3S技术的羌活区划研究I.基于MaxEnt和ArcGIS的羌活生长适宜性分析及评价
[摘要]该文在基于MaxEnt和ArcGIS的羌活的生态适宜性分析及评价基础上,提出了生长适宜性的概念,并利用ArcGIS软件中标准分级方案的自然断点法,对羌活的潜在分布区域进行了生长适宜性等级划分,生成羌活生长适宜性区划图并统计了不同等级适宜区的面积。
结果发现,羌活生长最适宜区段主要分布在四川省的阿坝州境内,约占总最适生区的60%以上;海拔、9月均温以及植被类型是影响羌活生长的主导因子;相关性分析显示,在一定范围内降水量和坡度的增加有利于药材中羌活醇积累,而不利于异欧前胡素积累。
研究结果有助于阐明药用植物生长适宜性和品质适宜性的区别,为羌活的生产区划、野生抚育及规模化人工种植提供科学依据。
[关键词]羌活;MaxEnt模型;生态因子;生长适宜性
[收稿日期]2014-09-20
[基金项目]国家自然科学基金项目(81473311);中央本级重大增减支项目(2060302)
[通信作者]蒋舜媛,Tel:
(028)87428339,E-mail:
jsy007@
CulturalregionalizationforNotopterygiumincisumbasedon3Stechnology
platformI.EvaluationforgrowthsuitabilityforN.incisumbasedon
ecologicalfactorsanalysisbyMaxentandArcGISmodel
SUNHong-bing,SUNHui,JIANGShun-yuan,ZHOUYi,CAOWen-long,JIMing-chang,ZHUWen-tao,YANHan-jing
(1.GuangdongPharmaceuticalUniversity,Guangzhou510000,China;
2.SichuanAcademyofChineseMedicineSciences,Chengdu610041,China;
3.DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China;
4.TianzhuTraditionalTibetanhospitaldevelopmentInstitute,Wuwei733299,China)
[Abstract]GrowthsuitabilityasassessmentindicatorsformedicinalplantscultivationwasproposedbasedonchemicalqualitydeterminationandecologicalfactorsanalysisbyMaxentandArcGISmodel.Notopterygiumincisum,anendangeredChinesemedicinalplant,wasanalyzedasacase,itspotentialdistributionareasatdifferentsuitabilitygradeandregionalizationmapwereformulatedbasedongrowthsuitabilitytheory.TheresultsshowedthatthemostsuitablehabitatsisSichuanprovince,andmorethan60%ofthemostsuitableareawaslocatedinthewesternSichuansuchasAbaandGanziprefecturesforN.incisum.Theresultsindicatedthathabitataltitude,averageairtemperatureinSeptember,andvegetationtypeswerethedominantfactorscontributingtothegradeofplantgrowth,precipitationandslopewerethemajorfactorscontributingtonotopterolaccumulationinitsundergroundparts,whileisoimperatorininitsundergroundpartswasnegativelycorelatedwithprecipitationandslopeofitshabitat.However,slopeasafactorinfluencingchemicalcomponentsseemedtobeapseudocorelationship.Therefore,thereweredistinguishingdifferencesbetweengrowthsuitabilityandqualitysuitabilityformedicinalplants,whichwashelpfultofurtherresearchandpracticeofcultivationregionalization,wildresourcemonitoringandlarge-scalecultivationoftraditionalChinesemedicineplants. [Keywords]Notopterygiumincisum;MaxEntmodel;ecologicalfactors;growthsuitability
doi:
10.4268/cjcmm20150514
羌活NotopterygiumincisumTingexH.T.Chang为伞形科中国特有属羌活属的多年生草本植物[1],局域分布于青藏高原及周缘高寒山地,是传统中藏羌医药体系常用大宗药材羌活NotopterygiiRhizomaetRadix最重要的基原植物[2],始载《神农本草经》,为历版药典所收载,也是蚕羌的主要来源。
入方成药达280多种,全国相关药品生产企业达数百家,药材需求量大,但历来依赖野生采挖,尤其近十余年来掠夺性采挖,已造成野生资源量急剧减少,面临枯竭危机,使羌活成为中药材市场紧缺的热门品种,药材质量良莠不齐,急需通过人工种植解决资源和药源的双重危机[3]。
羌活喜冷凉,耐寒,怕强光,主要野生分布在海拔在3500~4500m的高山灌木丛、草丛以及高山林缘地,易生长在土壤疏松、含腐殖质较多、阴湿的地方,生态位较窄,极易受环境的影响[4-5]。
因此,对羌活的生长适宜性进行分析与评价,对于了解羌活资源的整体概况、实施野生资源保护和在适生区推广人工栽培具有十分重要的意义。
目前对生长适宜性的评价主要有2种模式:
一种是基于ArcGIS直接建模进行生长适宜性分析;另一种是结合生态位模型的GIS建模分析。
常见的生态模型有Maxent,Bioclim,Climax,Domain,Grap模型等,蔡静芸等[6]对这5个模型进行分析后发现MaxEnt模型的预测效果最好。
Maxent模型近几年来广泛应用于适宜性分析预测,因其操作简便、预测效果好,同时引入ROC曲线分析对预测结果进行评价,因而在中药材适宜性分析中备受青睐[7-12]。
本研究首先采用的MaxEnt生态位模型联合ArcGIS平台进行建模分析基于生态因子的羌活生长适宜性产地特征,为后续的羌活基于品质的产地区划分析奠定基础。
1材料
野生羌活样品于2013年8月下旬至9月中旬期间采自四川、甘肃、青海、西藏等省,共29个采样点172份样本,每个采样点不少于5株,按单株阴干粉碎,过30目筛。
超高相液相色谱仪(美国WatersACQUITYUPLCH-class),自动进样器为FTN(flowthroughneedle)四元梯度泵(quaternarysolventmanager)。
甲醇、乙腈(Fisher,色谱纯)、磷酸(Sigma,色谱纯),其余试剂为分析纯。
异欧前胡素对照品(批号110827-200407)购自中国食品药品检定研究院,羌活醇对照品(批号130429)购自成都孟德尔科技有限公司,纯度≥98%。
2方法
2.1数据来源
2.1.1采样点相关数据采样点信息经由GPS实地定位获得,采集过程中注意样点在生境和分布的代表性,并经ArcGIS图层筛选(位于同一个象元内的若干采样点合并为一个点),最后得到24个采样点,各采样点原始记录信息见表1。
2.1.2生态因子数据来源于“中药资源空间信息网格数据库”(http:
//www.tcm-resources.com/),包含中药资源分布的生态因子数据,含有气候、土壤、地形和植被类型的数据。
2.1.3地图数据下载于国家基础地理信息系统网(http:
//
2.1.4羌活药材质量指标数据利用超高效液相色谱法(UPLC-PDA)测定所收集样品的化学成分,本研究选取3个指标,即羌活醇(notopterol)含量、异欧前胡素含量(isoimperatorin)以及2010年版《中国药典》规定的羌活定量检测指标(羌活醇+异欧前胡素含量)[2]。
2.2羌活化学成分含量测定
2.2.1色谱条件AcquityUplcBeh-C<sub>18</sub>色谱柱(2.1mm×100mm,1.7μm,美国Waters公司,Ireland),柱温50℃,流速0.4mL?
min<sup>-1</sup>;进样量1μL;流动相为乙腈(A)-0.1%甲酸水溶液(B),色谱条件:
0~1min,19%A;1~1.5min,19%~28%A;1.5~4.5min,28%A;4.5~5.5min,28%~95%A;5.5~6.5min,95%A;6.5~8.5min,95%~19%A。
羌活醇与异欧前胡素检测波长330nm;理论塔板数按羌活醇峰计算应不低于2万。
2.2.2对照品溶液制备分别精密称取2mg羌活醇与异欧前胡素分别溶于甲醇中,混合均匀,配置成混合对照品储备液,4℃条件下保存。
2.2.3供试品溶液制备精密称取待测样品粉末0.5g,置于50mL三角瓶中,加甲醇20mL,超声提取30min,过滤,滤渣用以上条件重复提取2次,合并滤液,浓缩定容到25mL量瓶中,0.22μm滤膜过滤得供试液。
2.2.4线性关系考察将对照品储备液分别配成6种不同浓度的溶液,在所设色谱条件下检测峰面积,同一质量浓度连续测定3次,以质量浓度为横坐。
2.2.5精密度试验测定了日内精密度和日间精密度。
在上述色谱条件下,日内精密度试验将同一混合对照品溶液在1d内测定6次,计算得羌活醇、异欧前胡素的保留时间和峰面积的RSD分别为0.11%~0.54%,0.62%~2.1%;日间精密度试验,将供试品溶液连续3d,每天进样2次,计算得羌活醇、异欧前胡素的保留时间和峰面积的RSD分别为0.23%~1.6%,1.11%~2.7%。
将MaxEnt计算后得到的asc图层文件加载到ArcGIS10.0中,按照羌活生长适宜性等级评判标准(表5)绘制全国尺度下的羌活生长适宜性分布图,见图3。
3.5羌活药材品质差异的区域性分析
对所测羌活药材样品化学成分含量进行分省统计,从含量趋势来看,药材中羌活醇含量远高于异欧前胡素含量;不同产地的药材品质存在一定差异,特别是传统道地产区与其他主产区之间的差异更加明显。
但需要明确的是从该差异尚不能对羌活品质适宜性做出分析及评价,只是从整体趋势上说明药材品质的区域性差异;以药典规定的指标含量[2]为标准,从整体来说川产羌活品质最佳,与传统及文献记载相吻合。
利用ArcMap模块在生长适宜性图上对所采集样品的药典指标含量进行空间可视化分析,可以看出,川产羌活的药典指标成分含量总体高于其他产区,且该区域羌活的适生性也较高,见图4。
3.6羌活生长适宜性区划分析
从全国尺度下的羌活生长适宜性分布图来看,四川省西北部的阿坝州地区为羌活最佳适生区,且集中连片。
该区域主要为高海拔山地,可以选择合适地带开展羌活野生抚育或人工栽培。
利用ArcGIS对生长适宜性分布图与全国行政区划图叠加分析,计算得到羌活生长适宜区分省分布面积统计,见表6,结果可以看出:
最适生区总面积约1.08×10<sup>5</sup>km<sup>2</sup>,该区内采集羌活药材的羌活醇和异欧前胡素的总含量的均值为2.0%,高于2010年版《中国药典》中规定的该指标含量标准(0.40%)[2]。
该区域主要包括四川省阿坝州的小金、马尔康、黑水、理县、松潘和甘孜州的丹巴、康定等县,约占最适生区总面积的72.6%;其他集中在甘肃、青海及西藏3省的交界处,约占最适生区总面积的21.7%;除此之外MaxEnt模型还预测出中国台湾中部山脉区也有羌活生长的最适宜区。
较适生区主要在四川省甘孜州与阿坝州交界处,以及青海省与西藏昌都地区交界的连片区域,面积约0.96×10<sup>5</sup>km<sup>2</sup>,该区域的药材品质符合药典标准。
在内蒙古的包头市附近、河北、河南以及湖北等地也有羌活较适生区,与文献记载相符合,课题组在对全国17大药材专业市场的调查中也发现有源自这些产地的商品药材出售,但货源量不大,品质亦不佳。
4讨论
4.1植物的生长适宜性与药材的品质适宜性
本文基于药材基原植物生长适宜程度而提出的生长适宜性区划,有别于目前药材生产区划分析中常见的基于生态因子评价提出的产地适宜性区划或生态适宜性区划[19-21],与药材品质适宜性区划相结合,在药材生产中更具有指导意义。
因为生态(境)适宜性区划是对大尺度的空间生态因子适合状况与程度而言,是指特定区域土地对于某种土地利用方式(或者植物种植)在生态要素方面理论上的适合状况与程度,将空间生态因子相似区域进行识别筛选和人为等级划分,忽视了原植物分布与实际生产的历史地理变迁与微环境特征,可适用于大尺度土地利用方式的评判。
而生长适宜性区划是针对现有潜在分布区域,对植物本身直接相关因子,特别是微生态因子以及与植物生长相关的局地环境条件进行客观综合分析和等级划分,是在符合客观实际与局地环境特征基础上的一种区划方法,适用于特定区域特定植物的适宜性评价。
同时还应看到,最适生长区是指适合植株生长、发育和繁殖的区域,不一定是药材品质最好的区域,因此,认为药材区划中应该区别开原植物的生长区划(很多研究中等同于生态区划)与药材的品质区划,二者是完全不能等同的概念。
所谓的药材品质区划(qualityregionalization),是指基于药材品质适宜性(qualitysuitability)的生产不同质量药材的区划。
尽管可能存在植株长势好、药材产量高的区域其质量也好的情况,但是药材的高产中心与高质中心分离或者偏离的现象也不少见。
因为绝大多数药材的活性物质是次生代谢产物,而次生代谢很大程度上被认为是植物对逆境适应的结果[22]。
黄璐琦等在逆境理论与药材道地性的研究[22]中指出植物积累次生代谢产物所需的适宜生境(药材品质适宜性)与其生长发育的适宜生境(植物生长适宜性)可能并不一致,甚至相反。
因此,客观上要求对于药材生产区划,不但要体现原植物的生长适宜性,即完成生长适宜性区划,还应从药材品质与区域相关的角度完成药材品质适宜性区划分析,然后在二者空间相关的基础上才能作出合理的药材生产区划,而不是单纯的生态(生境)适宜性区划所能完成的任务。
4.2MaxEnt模型在中药材区划中的应用价值
MaxEnt模型被广泛用于外来入侵物种的研究,并取得很好的预测效果[23-25],近年来该模型被引用到中药材生产适宜性区划研究当中[26],陈新美等指出随着样本量越大,MaxEnt模型预测精确度逐渐增加,最后趋于稳定[27],HernandezPA等的研究表明不同研究区域和尺度、不同生态因子和空间分辨率以及不同生态环境特征会使得MaxEnt模型在物种预测的准确度和达到最大准确度时的样本量不同[28],因而要想使MaxEn-t模型预测结果更加准确,样本量需根据物种的不同进行适当选取。
羌活是生态位狭窄的局域性分布物种,从本文研究结果来看,模型预测结果与前期野外考察和文献记载基本吻合[20],且相同条件下10次MaxEnt模型创建后的AUC值均接近1,且变异较小,因而MaxEnt模型用来模拟生态位较窄的物种时,即使样本分布数据未达到完全覆盖,也可取得很好的预测效果。
4.3关于生态因子与化学成分的相关性问题
本研究的相关性分析显示,羌活中羌活醇含量与坡度和降水量呈正相关,异欧前胡素与坡度和降水量则成负相关。
其中,化学成分与降水量的相关性分析结果与黄林芳等[29]利用偏最小二乘回归分析和冗余分析方法得到的结果一致,即在一定范围内,降水量增加有助于羌活醇含量的积累,而不利于异欧前胡素的积累。
而坡度与化学成分间相关性的合理性有待商榷。
根据野生羌活资源实地调查发现,陡坡上生长的植株其药材化学成分含量高,可能是因地势险要、采挖难度大,使植株得到更充分的生长,比之易于采挖的缓坡,生长年限更长,成分含量的积累也更高,由此可能导致将不同生长年限对药材品质的影响当成坡度的影响进行分析,从而得到一个假相关结果,这一分析结果应该通过坡度-化学成分的专项田间试验加以验证。
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