廣金錢草分布和品質適宜性區劃研究

李丹+唐曉敏+朱壽東+楊全+程軒軒+張春榮+潘利明+陳端妮

[摘要] 通過對華南和西南地區（廣東、廣西、海南和云南）的廣金錢草實地調研，結合夏佛塔苷、多糖的含量，運用最大信息熵模型和地理信息技術，分別篩選出影響廣金錢草分布適宜性和品質適宜性的主導生態因子，再對廣金錢草的分布和品質進行適宜性區劃。分布區劃的結果表明，4月均溫、最冷季節均溫、土壤類型和寒冷指數4個生態因子對廣金錢草分布適宜性的影響最大。品質區劃的結果表明：①多糖含量與4月降水量呈顯著性正相關；夏佛塔苷含量與4月均溫、最冷季節均溫呈顯著性負相關，與10月、11月降水量，4月、5月日照時長呈極顯著負相關，與4月降水量、溫度季節性變化標準差呈顯著性正相關，與2月、3月降水量呈極顯著性正相關。②分別以夏佛塔苷、多糖為品質指標，依據品質區劃模型繪制出廣金錢草的品質區劃圖。該研究可為廣金錢草生產區劃、種植基地選擇和定向培育提供科學選址依據。

[關鍵詞] 廣金錢草； 最大信息熵； 地理信息技術； 分布適宜性； 品質適宜性

[Abstract] The research on distribution and quality suitability division of Desmodium styracifolium were formulated by Maxent and ArcGIS model based on the content of schaftoside and polysaccharide of D. styracifolium and its field research in the south and southwest areas of China （Guangdong， Guangxi， Hainan and Yunnan）， and the most suitable habitats of distribution suitability and quality suitability were screened. The distribution suitability results indicated that average air temperature in April，mean temperature of coldest quarter， soil type， coldness index were found as the four dominant factors contributing to the plant distribution. The quality suitability results indicated that： ①Polysaccharide content and precipitation in April show significant positive correlation；Schaftoside content and mean temperature of April， mean temperature of coldest quarter show significant negative correlation. Schaftoside content shows significant negative correlation with the precipitation in October and November and the sunshine duration in April and May， while there is a significant positive correlation between schaftoside content and precipitation in April and temperature seasonality standard deviation， and a highly significant positive correlation was found between schaftoside content and precipitation in February and March. ②The quality zoning map was drawn depend on general content of polysaccharide and schaftoside as the index of quality. And this research provides scientific location basis for the production regionalization， cultivation bases selection and directive breeding of D. styracifolium.

[Key words] Desmodium styracifolium； MaxEnt； AcrGis； distribution suitability； quality suitability

廣金錢草Desmodium styracifolium （Osbeck） Merr.為豆科植物，以地上部分入藥[1]，生于山坡、草地、土坎或灌木叢中，是兩廣地區常用中藥，具有清熱除濕，利尿通淋的功效，對腎結石、膽結石治療效果顯著。隨著廣金錢草廣泛應用，野生資源已經不能滿足市場和臨床需要，現在市場上流通的廣金錢草主要以人工栽培為主。生態環境與藥材產量和質量關系密切，盲目引種栽培，加之栽培技術不完善，會導致藥材產量和品質下降，各產地質量差異較大，同時造成土地浪費。本課題組近幾年對廣金錢草的規范化生產關鍵技術[2]、育種技術[3-4]等子方面開展了大量研究工作，現擬通過開展廣金錢草分布和品質適宜性區劃研究，推動廣金錢草在適宜區域進行種植，并提高藥材品質。

1 材料

1.1 采樣點數據 采樣點信息由GPS定位儀實地定位獲取，調查共得到19個采集點，采集對象全部為野生品種，經廣東藥科大學楊全教授鑒定為廣金錢草。19個采集點信息見表1。

1.2 生態因子數據 生態因子數據含有氣候、土壤、地形和植被類型等數據共74個，數據源于中國中醫科學院中藥資源中心的中藥資源空間信息網格數據庫。

1.3 廣金錢草品質指標含量數據 本研究選取2個品質指標，其中夏佛塔苷是歷版《中國藥典》規定的廣金錢草定量檢測指標，多糖是廣金錢草排石利尿、抗炎等藥理作用的主要成分[5-6]。

參考2015年版《中國藥典》測定夏佛塔苷含量[1]，用甲醇提取，采用HPLC在272 nm波長下測定含量；多糖的提取利用“水提醇沉”的方法，苯酚和濃硫酸顯色，采用紫外分光光度法在490 nm處測定多糖含量[7-11]。

2 方法

2.1 生態因子篩選 將采樣點的位置信息和74個生態因子圖層加載到AcrMap中，獲取每個采樣點處的生態因子值，之后計算這些因子之間的相關系數，形成相關系數樹，將相關系數≥0.8的2個生態因子只保留其中一個[12]，直至所有保留的生態因子間相關系數<0.8，該過程利用Biosim軟件實現。

2.2 最大信息熵模型（Maxent）預測分布適宜度 本研究采用最大熵值模型來計算廣金錢草的分布適宜度，此模型運行需要實地調研獲得采集點的經緯度和物種分布地區和目標地區的生態因子數據，并且引入ROC線[13]對預測結果評價。在對預測結果進行AUC分析（AUC的值就是處于接收者操作特征（ROC，receiver operating characteristic） 曲線下方面積的大?。┖箫@示，相比其他生態模型，Maxent模型的準確性和方便性較高[14-19]。

將19個采集點的經緯度信息和最終保留的33個生態因子數據加載到Maxent中，重復運行10次Maxent模型，在參數設置中開啟刀切法來評價各生態因子的權重，最終選取10次運算結果的平均值作為最終的生境適宜度。

2.3 模型精度檢驗 建立的生態模型的準確性通過最大信息熵模型（Maxent）計算得到的ROC曲線來驗證。ROC曲線的AUC取值范圍為[0，1]，值越大表示其準確性越高。當AUC為0.5～0.8時認為模型預測效果不理想；在0.8～0.9時，預測效果較好；當AUC>0.9時，表示預測效果可信，準確度較高，能夠準確的反應物種的潛在分布[20]。

2.4 廣金錢草分布適宜性區劃 將10次計算結果的分布適宜度平均值圖層文件加載到AcrMap中，提取多值至點，得到19個采樣點的生境適宜度，并計算19個采樣點的生境適宜度的均值（μ）和標準差（σ），利用AcrMap將生境適宜度分為3類：不適宜區，較適宜區和適宜區。分級依據正態分布原理，將μ-0.5σ作為不適宜區和較適宜區的臨界值，μ+σ作為較適宜區和適宜區的臨界值，最終得到分布適宜性區劃圖。

2.5 廣金錢草品質適宜性區劃 將2個品質指標含量分別與最終保留的生態因子作相關性分析，并選取相關系數較大的生態因子與2個品質指標含量做線性回歸分析，分析2個品質指標與生態因子之間的關系，分別得到線性回歸方程。將得到的方程帶入到Acrtools的柵格計算器中，計算得到各成分含量的分布圖。再將得到的成分含量分布圖與重分類后的分布適宜性區劃圖進行疊加分析，得到品質適宜性區劃圖，最后對區劃結果進行精度檢驗。

3 結果和分析

3.1 2個品質指標含量數據 廣金錢草夏佛塔苷、多糖含量見表2。

3.2 Maxent模型預測準確性評價 運算10次的計算結果見表3。經10次運算，訓練樣本AUC均值為0.997，測試樣本AUC均值為0.991，表明模型預測效果較好，能保證模型預測結果的準確性。

3.3 廣金錢草生態因子適宜性結果 運用刀切法分析生態因子在廣金錢草生境適宜度中所占的權重。從刀切圖中可以看出，index-ci（寒冷指數）、tmean4（4月均溫）、soiltype（土壤類型）和bio11（最冷季節均溫）4個生態因子所占的權重較高，見圖1，4者貢獻率達到77.9%。當寒冷指數為0 ℃，4月均溫為27.1 ℃，見圖2。最冷季節均溫為21.1 ℃時，廣金錢草的生境適宜度達到最大。適合廣金錢草生長的土壤亞類為變性淋溶土、停滯水黑土、酸性硫酸鹽潛育土、人為土、冰凍薄層土、鐵鋁始成土和黃色鐵鋁土。

3.4 生態因子與化學成分含量相關性結果 將2個品質指標含量與最終保留的生態因子做相關性分析，多糖含量與4月降水量呈顯著性正相關；夏佛塔苷含量與4月均溫、最冷季節均溫呈顯著性負相關，與10月、11月降水量，4月、5月日照時長呈極顯著負相關，與4月降水量，溫度季節性變化標準差呈顯著性正相關，與2月、3月降水量呈極顯著性正相關，相關系數見表4。分析2個品質指標含量與生態因子之間的關系，得到方程。

Y1=-3.457+0.082X1-0.241X2+0.192X3+0.005X4+0.235X5（Y1多糖，X14月降水量，X23月降水量，X32月降水量，X42月日照時長，X5土壤陽離子交換能力），回歸方程的決定系數R2=0.886，對方程檢驗，F=20.107，P=0.000，有統計學意義。

Y2=-0.09+0.029 X1+0.787X2（Y2夏佛塔苷，X13月降水量，X2有機碳含量），回歸方程的決定系數R2=0.527，對方程檢驗，F=8.913，P=0.003，有統計學意義。

3.5 廣金錢草分布適宜性結果及評價 根據本課題組多年對廣金錢草實地調研獲得的采樣點信息，運用AcrMap對廣金錢草生境適宜度進行等級劃分，19個采樣地點的適宜度符合正態分布，因此將μ-0.5σ和μ+0.5σ分別作為不適宜區和較適宜區、較適宜區和適宜區的臨界值，μ-0.5σ和μ+0.5σ的計算結果分別為0.48，0.79，等級劃分結果見表5。適宜區集中在海南島北部、東部、南部沿海地區，廣東省雷州半島東南部，廉江、茂名、陽江、云浮等地區；本課題組在2011年[21]和2015年2次對廣金錢草實地調研中，在云南都沒有發現野生廣金錢草分布，但是2015年版《中國植物志》中記載，云南南部有廣金錢草分布，見圖3。預測結果中云南南部有廣金錢草分布；福建省有廣金錢草分布，這與2014年版《全國中草藥匯編》所記載的一致，另外結果還預測到臺灣東部沿海和西南部沿海也有廣金錢草分布。

3.6 廣金錢草品質適宜性結果及評價 根據2個品質指標與生態因子建立的回歸線性方程，運用AcrMap進行空間計算，與分布適宜區劃圖疊加分析，得到2個品質指標的適宜性區劃圖，見圖4～5。從圖中可以看出，預測夏佛塔苷含量最高的地區主要位于海南北部沿海、西北部沿海和中部零星地區；多糖含量最高的地區分布在廣西中部，廣東中部和雷州半島北部。另外對品質區劃結果的精度進行檢驗，對比預測含量結果和實測含量結果，夏佛塔苷、多糖的均方根誤差分別為0.854，0.866。

4 討論

本研究所用樣品全部為野生廣金錢草，其分布和生長過程中幾乎不受人為因素干擾，另外考慮到廣金錢草分布區域的歷史變遷問題，通過實地調查確保采樣點生態信息具有代表性，在此前提下完成廣金錢草的分布適宜性區劃和品質適宜性區劃，相比利用栽培品和僅僅篩選出與傳統道地產區生態因子相似度較高的區劃的研究，準確性和指導性更高。

在對廣金錢草分布適宜性研究中發現，最適宜生長區集中在海南島，但在2015年對廣金錢草的實地調研中發現，海南島正大力發展旅游業，許多地區處于開發當中，生態環境遭到嚴重破壞，另一方面，本地農民種植經濟作物時噴施除草劑，導致廣金錢草數量急劇下降，海南島有些地區已很難發現廣金錢草的蹤跡。

廣金錢草品質適宜性區劃發現，雖然有些地區非常適合廣金錢草生長，但夏佛塔苷、多糖含量并非最多，這跟黃璐琦[22]提出的逆境更利于次生代謝產物的形成，可能更利于中藥道地性的形成理論相一致。研究發現廣金錢草中總黃酮對心血管系統有一 定的保護作用[23]，因此本研究對廣金錢草的總黃酮成分也進行測定，利用同樣的方法，得到的總黃酮品質區劃模型的R2不高，這可能的原因是研究所用的生態因子種類有限，可能尚未涵蓋與總黃酮相關的生態因子。廣金錢草中不同化學成分的藥理作用不同，根據不同產地廣金錢草2個品質指標的高低，對其進行定向培育，以滿足治療不同疾病的需要。

本研究通過對廣金錢草化學成分含量和生態因子的相關性分析，確定影響化學成分含量的主導生態因子。華南和西南地區其他道地藥材中此類化學成分積累是否也受相同生態因子影響，筆者認為應該建立一個影響華南和西南地區不同道地藥材化學成分的生態因子信息庫，這將是中藥適宜性區劃在特定區域內分布的藥材上的應用。

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