贵州栽培太子参质量评价及生长区划

[摘要] 为贵州省栽培太子参的引种栽培选址和合理生产布局，以及GAP种植基地选址提供科学依据。该文采用最大信息熵（Maxent）模型确定生态因子的贡献率，利用ArcMap空间分析功能划分太子参的适宜生长种植区，量化太子参最优生境范围，并探讨了环境因素对太子参药材质量的影响。贵州太子参最适宜区主要集中在施秉县、黄平县、凯里市中东部、岑巩县、余庆县南部、铜仁市西部等地区。太子参最适宜区面积达6 405.39 km2，占研究区总面积的3.64%。土壤类型、最暖季降水量、坡向、坡度、最暖月最高温、土壤有机碳含量、最干月降水量这7个生态因子对太子参的生长影响最大。利用空间信息分析技术准确对贵州栽培太子参的最适宜种植区和最优生境进行了科学综合评价，建议将黔东南州的岑巩县和镇远县作为值得开发的太子参潜在适宜种植区。

[关键词] 太子参；GIS；生态因子；生长区划

[Abstract] This paper is aimed to study the potential ecological suitability regionalization of Pseudostellaria heterophylla for selecting GAP planting base location and designing rational production layout. The ecological factors and contribution rate were determined by using maximum entropy （Maxent） model. Then， the information entropy theory was used to determine the relative importance of each environmental factor， and thus to determine the most limiting habitat criteria. Finally， the probable spatial distribution of P. heterophylla was determined based on GIS spatial analysis of habitat conditions. Meanwhile， the optimal index range of ecological factors was quantified. The moderately and highly suitable habitats were mainly located in Shibing， Huangping， Cengong， the middle and east of Kaili， the south of Yuqing， the west of Tongren. The percentage of moderately and highly suitable habitats for P. heterophylla in the study area was 3.64%， and its area was 6 405.39 km2. The results also showed that seven dominant ecological factors controlled the distribution of P. heterophylla. These factors included agrotype， the warmest rain， aspect， slope， the warmest and highest temperature， contents of soil organic carbon， and the driest month precipitation. The habitat suitability assessment model based on GIS and Maxent model theory could accurately evaluate the habitat suitability distribution of P. heterophylla in Guizhou. In addition， we recommended Cengong and Zhenyuan county in Guizhou province as the worthy developing potential planting areas.

[Key words] Pseudostellaria heterophylla；GIS；ecological factor；growth regionalization

doi：10.4268/cjcmm20161304

太子参为石竹科植物孩儿参Pseudostellaria heterophylla （Miq.） Pax ex Pax et Hoffm.的干燥块根，具有益气健脾，生津润肺的功效[1]。现代研究认为，太子参药材中含有环肽、多糖、皂苷、氨基酸类化学成分[2-4]。其中，太子参环肽类具有抑制络氨酸酶和黑色素生成的作用[5]，多糖具有抗应激、抗疲劳、增强免疫力的作用[4]，两者均与太子参药材补益的功效相一致，可作为太子参药材内在质量的评价指标。近年来，随着太子参市场需求量的不断增加，以致于野生资源逐渐减少，人工栽培已成为太子参药材的主要来源。全国主要太子参种植产区有安徽宣州、江苏句容、福建柘荣、贵州施秉。其中贵州省黔东南州太子参种植面积达20.79万亩，产值1.69亿元，成为当地近几年种植发展最快中药材之一。但随着人工种植的推广，整地、选地方面缺乏合理的生产布局，导致盲目引种、连作，药材品质和产量受到影响。因此，开展太子参药材的生态适宜性和区划研究具有重要现实意义[6-7]。

中药生长区划是在中药资源所在地的自然条件的空间分异规律基础上，对适生地进行区域划分，其目的是准确评价和预测各地域中药资源的特点和优势，为合理布局中药材生产、保护与研究开发中药资源提供科学依据。目前有关中药材生长区划方面的研究方法已较为成熟[8-9]。

太子参作为药食两用中药材，经济价值高、市场需求大，为了科学合理规划生长适宜区域、保证药材产量与质量。本文在调查贵州省太子参栽培资源现状的基础上，综合气候、地形、土壤等生态因子，应用空间信息分析技术，对贵州太子参的生长适宜性进行种植区划，为其生产布局和种植规划提供科学依据，也为贵州太子参人工规范化种植基地的选取和优质原料收购区域的确定提供参考，对太子参产业发展具有现实指导意义。

1 材料与方法

1.1 贵州省自然概况

贵州省位于我国东南部，云贵高原东部，境内地势西高东低，平均海拔1 100 m左右。地貌主要为高原山地、丘陵、盆地，其中喀斯特地貌占总面积的92%。贵州属亚热带湿润季风气候，温和湿润，年平均气温14～16 ℃，年降水量1 100～1 400 mm。土壤以红壤、黄壤为主。由于独特的自然环境，贵州生物种类繁多，其中药用植物资源多达4 800种[10]。

1.2 样品

在调查贵州省太子参主要栽培地区的基础上，2013年7―8月，在施秉县、黔西县、玉屏县、镇远县、余庆县等11个太子参种植区进行实地采样，共16份样品，同时根据GPS记录各采样点的地理信息。

1.3 生态因子数据的获取

本研究所用生态因子数据库为《中药资源空间信息网格数据库》，由中国中医科学院中药资源中心道地药材国家重点实验室提供。其中，贵州省的生态数据因子是在全国数据的基础上，利用ArcMap软件切割处理后获得。

1.4 太子参多糖含量测定[11]

1.4.1 仪器与试剂 GBC Cintra 20 紫外分光光度计（澳大利亚照生公司）；电子天平（METTLER TOLEDO EL104）。无水葡萄糖对照品购于中国食品药品检定研究院（批号 110833-201205）；重蒸馏水；乙醇为分析纯。

1.4.2 对照品溶液制备 精密称取干燥至恒重的葡萄糖对照品15.07 mg于25 mL的量瓶中，用水定容，即得质量浓度为602.8 mg・L-1的对照品溶液。

1.4.3 供试品溶液的制备 取本品粗粉约0.1 g，精密称定，置100 mL圆底烧瓶中，加80%乙醇70 mL，置水浴中加热回流30 min，趁热滤过，将残渣及滤纸置烧瓶中，加水80 mL，置90 ℃水浴中热浸1 h，趁热滤过，残渣用热水洗涤3次，每次5 mL，洗液并入滤液，放冷后，转移至100 mL量瓶中，加水至刻度，摇匀，再精密量取20 mL，转移至50 mL量瓶中，加水至刻度，摇匀，即得供试品溶液。

1.4.4 多糖的含量测定 精密量取上述对照品和供试品溶液各2.0 mL，分别置25 mL试管中，精密加入4%苯酚溶液1 mL，混匀，迅速滴加浓硫酸各5 mL，摇匀，放置室温。于487 nm处测定，共测太子参样品16份。

1.5 太子参环肽B含量测定[12]

仪器与试剂：高效液相色谱仪（LC-20AD，日本岛津公司），DAD二极管阵列检测器，LC Solution中文色谱数据工作站。甲醇为分析纯；乙腈为色谱纯；太子参环肽B对照品购于中国食品药品检定研究院（批号 111887-201001，纯度90.2%）。色谱条件：流动相为水（A）-乙腈（B）；流速0.9 mL・min-1。梯度洗脱条件：0～10 min，10%～25%B；10～30 min，25%～40% B；30～35 min，40%～45% B；柱温 30 ℃；检测波长 203 nm。在此条件下，太子参环肽B与其他组分能达到基线分离。以太子参环肽B作为对照品，绘制标准曲线，计算质量分数，测得贵州省太子参样品16份。

1.6 质量评价 采用ArcMap软件对贵州省不同采样点太子参药材中的多糖和太子参环肽B进行区域质量评价，寻找其中的差异性。

1.7 区划分析

1.7.1 最大熵模型（Maxent）预测 最大熵模型（Maxent）是一个密度估计和物种分布预测模型，是以最大熵理论为基础的一种分析方法。该模型是从不完整的已知信息中做出预测，根据物种已有的分布数据和环境图层，利用数学模型归纳或模拟其生态位需求，从而预测物种的潜在适宜生长区域[13]。本研究应用Maxent 3.3.3c软件对贵州栽培太子参进行适生区预测，运行2次，第一次运算目的识别主要环境变量，筛选出对太子参生长分布有影响的生态因子，第二次运算为筛选出对太子参分布贡献较大的生态因子。提取不同采样点处的生境适宜度值，根据正态分布，对于适宜生长的区间，则以正态分布中的μ为界分为次适宜区和最适宜区。即[0，μ]为不适宜区，[μ-δ，μ]为次适宜区，[μ，1]为最适宜区。

1.7.2 太子参生长适宜性分析 基于对太子参生物学特性的了解及实地调查，结合当前太子参实际种植现状，利用ArcMap10.0和Maxent软件对贵州栽培太子参进行潜在适生区分析，将生态因子数据图层和省级行政图层与模型运算得到的asc格式数据叠加分析，得到太子参适宜生境范围和适宜分布区。再将贵州省界图和生长区划图进行叠加分析，计算不同市区的太子参最适宜生长面积。

2 结果与分析

2.1 生态因子数据的前处理

了解太子参的生物学特性对于生态因子的选取至关重要。太子参喜阴湿环境，怕高温，忌强光，抗寒力强，在-20 ℃也可安全越冬[14]。因此，气候因子如降水、温度等因素对太子参的生长有较大影响。有报道称高温和热害是造成太子参植株提前死亡的重要原因，所以气候的湿润度和光照强度也是影响太子参生长的重要因素[15]。此外，已有较多学者通过研究太子参与环境因素之间的关系，明确了土壤因子[16]、地形因子[17]和植被类型[18]对太子参植株生长和药材质量有一定影响。

2.2 不同产地太子参化学成分差异性

不同采样地太子参样品信息及多糖、太子参环肽B含量见表1。通过对贵州省16个栽培产地太子参多糖和环肽B进行描述性统计，结果显示，多糖质量分数最高为39.41%，为贵州施秉城关镇下翁哨村产地样品，最低为21.54%，为贵州余庆县白泥镇民同村产地样品。其变异系数为14.460 0%，表明贵州省各产地太子参多糖含量差异不大。贵州丹寨县扬武乡黑石头农场的太子参样品中太子参环肽B质量分数最高（0.026 7%），而贵州清镇王庄乡罗田村的太子参样品中的质量分数最低（0.011 1%）。从太子参环肽B的变异系数（28.202 0%）来看，各产地太子参样品中太子参环肽B含量的差异程度比多糖明显。分析其原因可能与太子参环肽B多集中在块根须根和皮部有关。比较2种化学成分区域分布，施秉县的太子参多糖含量相比其他几个区域的多糖含量较高，考虑到多糖集中分布在块根的木质部，故推测施秉地区的太子参块根较为粗大。相比于多糖，太子参环肽B没有明显的区域质量特征。

2.3 太子参适宜生境的筛选

本研究共选取了27个生态因子指标进行模型运算，并进行多次模型运算以得到最有效的结果。通过Maxent模型第一次运算后，筛掉生态因子贡献率为0的指标13个，并将剩余14个指标重新带入Maxent模型中进行模拟，最终得到这14个生态因子的贡献率，见表2。土壤类型的贡献率最大（41.6%），这表明贵州生境不同的土质对太子参生长影响较大。根据各生态因子的贡献率和累计贡献率≥95%的原则，同时兼顾气候、地形、土壤等因子，选取土壤类型、最暖季降水量、坡向、坡度、最暖月最高温、土壤有机碳含量、最干月降水量这7个指标作为影响太子参适宜种植区的重要生态因子。

从不同因子的响应曲线可以看出，各生态因子对太子参栽培种植的影响程度各不相同，其中纵坐标越大，代表生态因子范围越适宜太子参的生长，见图1。根据Maxent模型计算结果中各个因子的响应曲线，确定各个因子相对于太子参生长最适宜的指标值。最终得到7个因子最适宜范围为：土壤类型以耕作、施肥、灌溉过的人为土为主，最暖季降水量的最适宜范围为425～500 mm，最适宜的地形坡向为南向，即南坡，最适宜的坡度为0～10°，最暖月最高温的最适宜范围在30～36 ℃，土壤有机碳量在0～1.7%，最干月降水量在30～45 mm。

2.4 Maxent模型的准确性分析

ROC曲线在物种潜在分布预测方面应用较多，曲线下的面积即为AUC值，取值在0.5～1。AUC越大，说明Maxent模型的预测效果越好。一般AUC值在0.9～1，表示预测效果极好，0.8～0.9表示预测效果好，0.7～0.8表示效果一般，而0.7以下的则模型预测的效果较差[19]。通过Maxent模型分析后得到模型的ROC变化曲线，见图2。训练集的AUC 0.940，测试集的AUC 0.920，表明本研究选用的Maxent模型模拟效果极好，预测结果具有较高的准确度。

2.5 太子参适宜生长种植区划分析

本文将太子参生长适宜种植区分为不适宜区[0，21.166 1]、适宜区[21.166 1，85.837 5]、最适宜区[85.837 5，1]，见图3。绿色区域代表次适宜太子参种植，红色区域则最适宜太子参种植。太子参最适宜区主要集中在施秉县、黄平县、凯里市中东部、台江县北部、镇远县中部和东部、岑巩县、余庆县南部、铜仁市西部等地区。而生长次适宜区范围较广，主要分布在贵州省中部和东部地区，具体分布在开阳县、都匀市、福泉市、瓮安县、麻江县、遵义县、石阡县、思南县、兴义市等地区。考虑到最适宜区范围和当前贵州省太子参种植现状，贵州岑巩县和镇远县是值得开发的太子参潜在适宜种植区。

将贵州省地图进行栅格转换后，与生长区划图层进行叠加分析，得到不同市区的太子参最适宜区和次适宜区面积，见表3。太子参最适宜区面积达到6 405.39 km2，占研究区总面积的3.64%。在太子参最适宜区中，黔东南自治州的面积最大（3 018.47 km2），占总最适宜区面积的47.12%，其次是铜仁地区（1 440.54 km2），占总面积的22.49%。在太子参次适宜区中，同样以黔东南自治州的面积最大（5 309.03 km2），占总次适宜区面积的29.52%，其次是遵义市、铜仁地区和黔南自治州的次适宜区面积也相对较大，均达到3 000 km2以上。从适宜种植面积来说，贵州黔东南自治州是最适宜太子参栽培种植产区。但考虑到贵州地形多以山地、丘陵为主，故实际适宜种植面积相比理论值要小的多。

3 讨论与结论

本研究采用Maxent模型对贵州省栽培太子参主产区进行生长适宜种植区划模拟，由ROC曲线得到的AUC预测值均在0.9以上，可以证明本研究所用Maxent模型是可靠、准确的。此外，本研究通过对环境指标的优选并结合生产实际，得到太子参优生生长环境：最适宜太子参生长的土壤类型为耕作、施肥、灌溉过的人为土；最暖季降水量的最适宜范围为425～500 mm；最适宜的地形坡向为南向，即南坡；最适宜的坡度为0～10°；最暖月最高温的最适宜范围在30～36 ℃；土壤有机碳量在0～1.7%；最干月降水量在30～45 mm。同时还明确了贵州省内太子参最适宜种植区域主要集中在：黔东南州的施秉县、黄平县、凯里市中东部、台江县北部、镇远县中部和东部、三穗县中部及北部，铜仁地区的岑巩县、铜仁市西部，遵义市的遵义县东部、余庆县中部等地区。贵州省太子参次适宜种植区范围较广，主要分布在贵州省中部和东部地区，较分散，具体主要有贵阳市的市区、开阳县、修文县、息烽县，黔东南州的天柱县西部、榕江县北部，黔南州的福泉市、麻江县、都匀市、瓮安县、丹寨县、贵定县西部，铜仁地区的石阡县、思南县、兴义市，毕节地区的金沙县东部等地区。当前，贵州省施秉县和黄平县是太子参种植面积和产量最大的种植区。同时，生长区划结果发现，贵州黔东南自治州是最适宜区面积最大的，其中的岑巩县和镇远县也是最适宜区面积最大的，同时考虑该地区地处低山丘陵地带，雨量充沛，农业发展较好，故在今后产地规划布局上，建议将这2个地区作为发展栽培太子参潜在种植县。

目前，贵州已成为全国太子参最重要的种植主产区，年产量占到全国太子参产量的三分之一以上，多以小农个体分散种植为主，很少有大规模规范化的种植基地。而考虑到太子参连作障碍，每年药农又会面临种植选址问题。故开展贵州省太子参潜在适生区区划研究，寻找适宜种植区是很有必要的。本研究基于贵州省生态数据和空间信息技术，得到太子参适生生境和适宜种植区，为优化布局太子参种植基地提供了参考价值。

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