基于AcrGIS中協同克里金插值的米槁品質適宜性分析及評價

陳敬忠， 劉濟明， 王 燈， 黃小龍

(貴州大學林學院, 貴陽 550025)

1 引 言

米槁(Cinnamomum migao H. W. Li)系樟科樟屬植物，主要分布于滇黔桂三省交界處[1-2]，其干燥果實為我國西南地區著名苗藥大果木姜子(Cinnamomum fructus)，具有溫中散寒，理氣止痛之功效，在治療胃腸道疾病方面療效顯著[3-5]，而且果實脂肪含量很高，不失為一種優良的油料作物[6-7]，是中成藥金喉健噴霧劑、理氣活血滴丸、心胃止痛膠囊主要原料藥，現收載于《貴州省中藥材、民族藥材質量標準》2003版[8].由于野外藏量較小、生境破碎化、自身更新障礙、人為砍伐嚴重、臨床需求大等原因導致米槁野外居群數量已在瀕危邊緣，對其開展野外種群保護與人工栽培選育工作迫在眉睫[9-10].但是相關研究表明不同產地米槁果實成分含量差異較大[11-13]，在人工栽培過程中面臨著以下關鍵問題：如何選擇合適的種植區域？在何種環境因子影響下產出的米槁果實品質較好？回答上述關鍵問題則需要對米槁品質區劃研究，尋找出影響米槁品質形成的關鍵環境因子和相應化學物質積累的最佳產區.

就藥材品質區劃而言，較多大宗藥材已完成品質區劃的研究，并積累了大量的本底資料[14].對于高品質中心與生長高度適宜區重合的品種，生產區劃完全能夠采用生態適宜性傳統的區劃方法實現[15].但是很多藥材道地產區與生長適宜產區并不完全重疊，在對這些藥材進行品質區劃時不僅應當考慮藥材生長對環境的適宜性，更要兼顧環境因子對有效成分積累的影響[16].只有兼顧質量與產量，這樣藥材的品質才能夠保證.在藥材品質區劃的研究中，AcrGIS的空間插值功能是一個強有力的輔助工具，相應插值方法如反距離權重法(IDW)、徑向基函數法(RBF)、普通克里金法(OK)和協同克里金法(CC)等插值方法均能用于藥材品質區劃[17-18].尤其是協同克里金法在藥材品質區劃中尤為適宜，協同克里金插值能夠容納多個解釋變量，能夠較好反應多個環境因子對藥材品質的影響.目前在米槁相關研究中，尚未見對米槁果實藥效物質基礎的確切報道[19-20]，《貴州省中藥材、民族藥材質量標準》中也僅僅采用對照藥材作為米槁果實質量控制的依據[7].結合目前對米槁化學成分的研究文獻，本文選取總黃酮、粗脂肪、總糖、還原糖、多糖、粗多糖、可溶性多糖等代謝產物作為米槁果實品質評價的指標[6-7,21-23]，對不同產地米槁藥材質量做出初步評價.在課題組前期應用MaxEnt 模型對米槁生態適宜性的研究成果的基礎上借助協同克里金插值對米槁果實進行品質區劃[24]，為后期米槁人工栽培與管理的提供參考依據.

2 材料與方法

2.1 數據來源

實驗所用材料全部為2018年年末采集，考慮到當年氣候對米槁果實發育形成占有主導影響作用，本文將選擇來自滇黔桂閩粵5省92氣象站2018年全年氣象觀測記錄，包含溫度日照時數、降雨量、濕度、氣壓、風速等相關數據作為插值資料，采用在氣象插值中常用的反距離權重插值法(IDW是Acrgis軟件中常用的插值方法，由空間自相關性原則進行插值)，采樣點氣候數據與品質空間插值解釋變量均使用此柵格數據.

2.2 方 法

2.2.1 米槁藥材生態適宜性分析 根據課題組前期對米槁生態適宜性的研究，采用米槁的生態適宜性區劃的基礎上進行米槁品質區劃[24].

表1 米槁采樣點分布點

2.2.2 指標性成分與環境因子的相關性分析 通過 Spearman 相關性系數法對2018年12月集中采集的22個樣本(表1)的測定指標與環境因子、土壤理化因子和化學成分含量數據的進行相關性分析，對米槁果實品質影響顯著的環境因子進行克里金空間插值和以雙線性法進行重采樣和分類處理，繪制米槁果實中粗脂肪、糖類、總黃酮含量空間分布模式分布圖.米槁果實綜合果品質量評價采用AcrGIS中的模糊疊加生成品質分布圖.

2.2.3 土壤酶指標測定 酸性磷酸酶(S-ACP)、脲酶(S-UE)、過氧化氫酶(S-CAT)采用試劑盒進行測定，方法與結果計算參照試劑公司方案(北京索萊寶生物科學技術有限公司).

2.2.4 土壤營養指標測定 pH值(水浸提-電位法)、有機質(重鉻酸鉀氧化容量法)、全氮(半微量開氏法)、全磷(鉬銻抗比色法)、全鉀(火焰光度法)、堿解氮(半微量開氏法)、有效磷(鉬銻抗比色法)、速效鉀(火焰光度法)(魯如坤，1999)[25].

2.2.5 米槁果實化學成分測定 22份米槁果實樣品均經貴州大學林學院教授劉濟明準確鑒定，憑證藥材現保存于貴州大學生態學實驗室.粗脂肪測定采用粗脂肪提取器測定，總黃酮、總糖、多糖、粗多糖、還原糖、可溶性多糖采用比色法進行測定[6-7,21].

3 結果與分析

3.1 米槁果實化學成分測定結果

依據劉剛、王金華等人[6-7,31]對米槁果實粗脂肪、糖類、總黃酮的建立的測定方法，對采集的22份米槁果實樣品粗脂肪總黃酮、總糖、多糖、粗多糖、可溶性多糖含量進行測定(圖1).從含量測定結果來看，不同產地間糖類、脂肪、總黃酮含量差異較大，說明對不同產地米槁果實進行品質區劃具有較高的現實意義.

3.2 不同產地米槁根際土壤理化性質測定結果

采集的22份米槁果實母株根際土壤樣品理化因子酸性磷酸酶(S-ACP)、脲酶(S-UE)、過氧化氫酶(S-CAT)、pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀相關指標測定結果見圖2.可知米槁大多適合生長在PH值為6以下酸性土壤當中，而且不同產地米槁根際土壤中酸性磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀均具有較大差異，說明土壤理化性質可能是影響米槁果品質量的重要因素.

3.3 米槁果實品質區劃

3.3.1 米槁果實相關指標空間含量估計 應用Arcgis空間數據統計功能，采用 Moran I 系數法評價研究區粗脂肪和總黃酮、糖類(多糖、粗多糖、還原糖、可溶性多糖)含量空間自相關水平，結果見表2.表明在樣點區內米槁相關化學成分在各自在空間上均呈聚集狀與正相關，可以進行克里金空間插值分析.

表2 相關化學成分的Moran Ⅰ 指數

通過 Spearman 相關性系數法對不同產地米槁果實糖類、粗脂肪、總黃酮的含量測定結果與環境因子、土壤理化因子和化學成分含量數據的進行相關性分析，篩選對米槁相關化學成分具有顯著影響的因素(表3).可知在環境因子中：與總糖含量顯著相關的速效鉀、有效磷、平均最低氣壓，與還原糖顯著相關的為速效鉀、平均日照時數，與可溶性多糖顯著相關的為速效鉀、最熱七天氣溫，與粗多糖顯著相關的為全磷、年平均氣溫、平均氣壓、平均最高氣溫、平均水汽壓、平均2分鐘風速，與多糖顯著相關的全磷、速效鉀、年平均氣溫、平均最高氣溫，與總黃酮顯著相關的為過氧化氫酶、平均最高氣溫，與粗脂肪顯著相關的為脲酶、速效鉀、平均日照時數.

圖2 米槁根際土壤理化因子測定結果Fig.2 Determination of physiochemical factors in rhizosphere soil of C. migao

表3 氣候與土壤因子對米槁果品影響的顯著度

*表示差異顯著(P<0.05)；**表示極顯著差異(P<0.01)

The *means statistical significance (P< 0.05), and the **meanssignificance at P<0.01

圖3 相關化學成分的空間插值結果Fig.3 Spatial interpolation results of related chemical components

選擇對總糖含量影響較大平均最低氣溫，對還原糖影響較大的日照時數，對可溶性多糖影響較大平均氣壓，對粗多糖影響較大年平均氣溫、平均氣壓、平均最高氣溫、平均水氣壓、平均2分鐘風速，對多糖影響較大年平均氣溫、平均最高氣溫，對總黃酮影響較大的平均最高氣溫，對粗脂肪影響較大平均2分鐘風速，以上相關氣候因子作為各自的解釋變量借助協同克里金方法進行空間插值計算，并以前期米槁生態適宜性區劃結果適宜區作為掩膜進行空間插值計算，并將適生區行政地圖疊加，便于區劃描述.插值計算結果如下(圖3).

從空間插值結果來看：粗多糖含量從西往東呈逐步增加趨勢，隨后由北向南遞減，在廣西壯族自治區百色、貴港以及廣東省云浮、梅州等地含量最高、貴州省黔南、黔東南等地次之；多糖含量在空間分布上由南向北呈逐漸增加的趨勢，在廣西壯族自治區柳州、賀州、桂林，貴州省的黔南、黔東南以及廣東省的佛山、揭陽、汕尾等地含量最高；還原糖含量在空間分布上則表現間斷分布趨勢，在云南省的紅河、文山，廣西壯族自治區的玉林、茂名以及廣東省河源、汕尾、揭陽、梅州等地的部分地區含量最高，而在貴州省黔南等地含量最低；可溶性多糖含量在空間分布從西往東呈逐步遞增的趨勢，在廣西壯族自治區的百色、柳州、賀州以及廣東省的云浮、肇慶、梅州等地含量最高；總糖含量在空間分布則表現為由北向南呈現出逐步升高的趨勢，在廣東省的揭陽、汕尾、惠州、江門、陽江、云浮以及廣西壯族自治區的玉林、防城港、崇左、貴港、百色、河池的部分地區含量最高；總黃酮含量在空間分布呈現從西向東呈現含量逐漸降低的趨勢，在貴州省畢節、六盤水、安順、黔南等地部分區域含量最高，在廣西壯族自治區百色、玉林以及廣東省的茂名、云浮等地最低；粗脂肪含量在空間分布同樣呈現出間斷變化的趨勢，在西部云南省曲靖、貴州省六盤水以及東部廣西壯族自治區、廣東省大部分地區含量最高，而在中部的廣西壯族自治區、貴州省部分區域含量最低.

3.3.2 米槁果實品質綜合評價結果 根據米槁果實的綜合評價體系，包括前期生長適宜性區劃和對黃酮、粗脂肪、糖類品質區劃結果，基于ArcGIS圖層模糊疊加功能，對米槁品質進行品質區劃(圖4).由圖可知，米槁果實品質積累較好的主要分布廣西壯族自治區境內百色、柳州、賀州以及廣東省的云浮、梅州等地.

圖4 米槁果實品質的區劃結果Fig.4 Distribution results of fruit quality of C. migao

4 討 論

4.1 植物代謝產物積累與環境因子之間的關系

在影響米槁果實品質相關的環境因子中，本文選取了11個土壤理化因子和12氣候因子參與評價，分析結果顯示在土壤因子中脲酶、過氧化氫酶，全磷、速效鉀、有效磷這幾個土壤因子是影響米槁果實品質的重要因素.但是筆者在進行空間插值未將上述土壤因子進行空間插值，主要原因在于空間插值在地統計學空間分析中，主要用于將離散點測量數據轉換為連續數據曲面，以便與其他空間現象分布模式比較，通過已知點數據推求同一區域未知點數據，或推求其它區域數據[15].在對地區氣候、降水以及農作物產量估計都較為廣泛[26-27].但是針對上述土壤理化因子來說局限較大，由于不同土地利用方式、地勢、水流等因素影響下，導致在同一地理區域土壤理化因子狀況差異很大，大尺度空間插值并不能很好的反應地區土壤狀況，用此插值結果參與建模也可能會導致預本次測結果誤差過大[28-29].但土壤因子(特別是土壤肥力狀況)又是在中藥材品質形成過程不可忽視的重要因素，許多大宗藥材如丹參、黨參、佛手等藥材品質(尤其是產量)都與土壤因子息息相關[30]，本研究結果也很好的說明了這一問題.所以在較大尺度對藥材品質進行區劃研究時，特殊小生境背后獨特的環境因子(立地條件、小氣候)對藥材品質形成不可忽視，這也可能是很多中藥材道地產區狹窄的重要原因，如同為遵義地區出產銀杏葉中兩個產地含量相差數百倍，浙貝傳統認為道地產區僅僅是在浙江象山[31].中藥材品質是在注重藥效物質含量同時兼顧產量，二者積累在較大程度受環境影響.而氣候因子地域差異較大，利用空間插值實現藥材品質的空間化，結合篩選后的氣候因子和小區域內土壤相關理化性質，可以實現藥材品質形成機制研究大尺度與微觀的結果，為中藥材栽培馴化和優質高產指明方向[15].

4.2 藥材品質區劃與生長區劃的差異

通過對比米槁果實品質區劃結果與課題組生長區劃結果來看，米槁品質形成最佳區域與生長適宜性最佳區域在大尺度上是重合的，但是在小區域并不吻合[24].從米槁的實際分布數據與生態適宜性區劃來看，其最佳生態適宜區主要集中在黔桂交界紅水河兩岸(河池、百色、黔東南)，而在品質形成最佳區域主要集中在廣西壯族自治區境內百色、柳州、賀州以及廣東省的云浮、梅州等地的部分區域.因此，在對藥材進行生產區劃時僅僅考慮藥材生態適宜性作為生產區劃原則而忽略藥材品質形成的最佳區域可能無法獲得質量保證的藥材.且從生長適宜性區劃結果，米槁生長適宜性與品質形成最佳區域相較于其他大宗藥材來說極為狹窄，這可能與米槁本身物種特性和喀斯特地區高度環境異質性相關[32-33].為保證在人工栽培時形成質優效佳的藥材品種，在考慮大尺度生長適宜性區劃與品質區劃基礎上，充分考察小區域的環境特性.才能保證藥材品質，只有在保證藥材品質達標的前提下，再結合生態適宜性區劃以保證藥材產量.

5 結 論

本研究選取糖類、粗脂肪、總黃酮三類物質作為米槁果實品質評價指標，選取23個環境因子參與評價，完成了米槁果實品質區劃.結合前期對米槁的實地調查，綜合考慮土壤、氣候、藥材質量與產量等因素，建議米槁在人工栽培選址時應當選擇在氣候相對適宜且土地肥沃區域的黔桂交界處的紅水河河谷地帶為宜.