中藥大黃生境適宜性分布研究△

趙文龍，景志賢，張娟，陳紅剛，杜弢，康生福，晉玲*

1.甘肅中醫藥大學 藥學院，甘肅 蘭州 730000；2.中國中醫科學院 中藥資源中心 道地藥材國家重點實驗室培育基地，北京 100700；3.甘南百草生物科技開發有限公司，甘肅 合作 747000

中藥大黃為蓼科植物唐古特大黃RheumtanguticumMaxim.ex Balf.、藥用大黃R.officinaleBaill.或掌葉大黃R.palmatumL.的干燥根莖，性寒，味苦，有瀉火通便、活血祛瘀、利膽退黃之功效[1-3]。大黃在全球范圍應用廣泛，目前共有19個國家的法定藥典將大黃定為可用藥物[4]，因此有著巨大的市場需求。目前，中藥大黃相關研究主要集中在化學成分、指紋圖譜和品質影響因素等方面[5-7]，對其資源分布和生境特點的研究報道較少，導致種植選址和區劃布局工作相對滯后。作為中藥資源合理開發利用的重要依據和基礎，中藥區劃研究結果不僅能因地制宜地指導中藥材資源開發與生產[8]，還可為制定中藥資源的保護和開發規劃提供科學依據[9]。

最大熵理論提出在已知條件下，熵最大的事物最接近其真實狀態[10]，以此構建的最大熵(MaxEnt)模型可用于預測物種潛在分布及適宜生境范圍[11]。近年來，國內一些學者陸續使用該模型開展物種分布研究，且部分研究證實，MaxEnt 模型結合地理信息系統(GIS)技術在預測藥用植物生境適宜性方面效果較好[12-18]。

本研究對全國中藥大黃3種基原植物的歷史記錄和實地調查數據進行整理，基于MaxEnt模型和GIS技術，對大黃適宜生境地理分布開展研究，為大黃合理種植區域的選址提供依據。

1 材料與方法

1.1 環境及氣候數據

本研究中的氣候數據是將1950—2000年全國范圍地面標準氣象觀測站常規氣象觀測值(降水、溫度和日照等)進行變換得到不同類型的氣候指標；環境數據中的土壤類型數據是根據全國1∶100萬土壤類型圖制成；植被覆蓋類型源自全國1∶100萬植被類型圖中的植被亞類，全部55個環境氣候因子數據均被插值為1 km×1 km空間分辨率的柵格數據。

1.2 藥材生境分布數據

中藥大黃3種基原植物的地理分布數據主要來源于兩部分。第一部分為歷史數據，通過中國數字植物標本館和教學標本標準化整理整合與資源共享平臺查詢收集；第二部為實地調查數據，通過第四次全國中藥資源普查以及本課題組近幾年的實地調查獲得，共整理得到3種大黃的全國地理分布信息408條，其中掌葉大黃176條(歷史數據58條，實地調查數據118條)，藥用大黃145條(歷史數據49條，實地調查數據96條)，唐古特大黃87條(歷史數據32條，實地調查數據55條)，全國樣點空間分布見圖1。

注：審圖號為GS(2020)6688號。圖1 大黃全國樣點空間分布

1.3 模型設置

將環境氣候數據和樣點坐標數據導入MaxEnt模型，以85%的樣點數據作為訓練樣本集，以設置 1×104的迭代次數用于估算各特征在訓練數據中的分布，直到訓練集樣本的特征分布和模型的特征分布相同時給出模型最優參數；剩余15%的樣點數據作為測試數據集對預測結果進行隨機測試，同時評價各環境氣候因子的貢獻率。

1.4 預測精度評價

采用受試者工作特征(ROC)曲線和曲線下面積(AUC)的大小作為模型預測準確度的衡量指標，AUC取值為0～1，越接近于1表示模型預測精度越高，其中，AUC<0.7為精度較差，0.7～0.8為一般，0.8～0.9為較好，0.9～1.0為非常好[11-13]。

1.5 主要環境氣候因子及生境適宜性分析

MaxEnt模型可預測不同環境氣候因子對生境適宜性影響的貢獻程度，提取貢獻率較高的因子，并依據響應曲線評估最佳取值范圍。

常用的生境適宜性等級劃分方法主要有百分比劃分法、自然斷點劃分法和正態分布參數劃分法，方法不同適宜性等級劃分結果也存在差異。MaxEnt模型預測值一般呈正態分布，取值為0～1，數值越大表明物種在該地區生長適宜性越高。本研究使用正態分布參數劃分法，通過ArcGIS空間分析工具，提取3種基原大黃生長點所處位置的適宜性值，以正態分布參數平均值(μ)和標準差(δ)作為區分生境次適宜和最適宜區的分隔，以適宜性最小值(Min)作為適宜生境和不適宜生境的分隔值，即[0，Min]為生境不適宜區，[Min，μ-δ]為生境次適宜區，[μ-δ，1]為生境最適宜區。其中，生境最適宜表示藥用植物生長地區的環境及氣候條件最佳，對生長和發育的限制較少；生境次適宜表示藥用植物生長地區的環境及氣候條件相比于最適宜區較差，在一定程度上限制生長和發育；生境不適宜則表示藥用植物生長地區的環境及氣候條件嚴重限制了生長發育，不適宜引種栽培。

2 結果與分析

2.1 模型預測評價

以AUC值為指標的評價結果顯示：掌葉大黃、藥用大黃和唐古特大黃的MaxEnt模型訓練數據集和測試數據集的AUC 值依次為0.991和0.969、0.994和0.954、0.996和0.973，很接近1.0，說明模型預測結果具有較高的可信度和準確度(見圖2)。

注：A.掌葉大黃；B.藥用大黃；C.唐古特大黃。圖2 不同基原中藥大黃的ROC曲線及AUC值

2.2 環境氣候因子對大黃生境適宜性的影響

根據MaxEnt模型預測環境氣候因子對不同基原大黃適宜生境分布的貢獻率，選取貢獻率較高的幾個因子作為影響生境分布的主要限制因子，結果顯示，有21個因子對掌葉大黃的生境適宜性產生了影響，其中9月降雨量貢獻率(38.0%)和海拔貢獻率(22.2%)影響最大；對藥用大黃生境適宜性產生影響的因子有19個，其中10月降雨量和9月降雨量貢獻率最高，分別達49.3%、21.8%；對唐古特大黃生境適宜性有影響的因子20個，其中5月降雨量的貢獻率(43.1%)和海拔的貢獻率(27.8%)最高(見表1)。

表1 影響中藥大黃基原植物生境適宜性的主要環境氣候因子

2.3 大黃生境適宜性空間分布

利用ArcGIS對模型預測結果進行重分類和疊置分析，按照生境適宜性從低到高將3種大黃的生境適宜分布區各劃分為3個等級，分別繪制掌葉大黃、藥用大黃和唐古特大黃的分布區劃結果。

掌葉大黃生境適宜性劃分結果為不適宜生境(0，0.063 8)、次適宜生境(0.063 8，0.265 9)、最適宜生境(0.265 9，1)。從圖3可以看出西藏東部接四川西部的甘孜州和阿壩州、甘肅南部接陜西秦嶺以及湖北部分地區生境適宜性最高。

藥用大黃生境適宜性劃分結果為不適宜生境(0，0.051 2)、次適宜生境(0.051 2，0.175 6)、最適宜生境(0.175 6，1)。從圖4可以看出四川中東部、重慶、甘肅和陜西南部、湖北西部和貴州北部部分地區生境適宜性最高。

注：審圖號為GS(2020)6688號。圖3 掌葉大黃生境適宜性分布

注：審圖號為GS(2020)6688號。圖4 藥用大黃生境適宜性分布

唐古特大黃生境適宜性劃分結果為不適宜生境(0，0.025 8)、次適宜生境(0.025 8，0.210 0)、最適宜生境(0.210 0，1)。從圖5可以看出生境適宜性最高的地區主要集中在四川西部、青海與甘肅甘南高原交匯處，以及西藏東部地區。

將不同基原大黃的最適宜生境區進行疊加分析后發現，唐古特大黃和掌葉大黃的最適宜生境重疊區分布最廣，主要位于甘肅甘南、四川阿壩和甘孜藏族自治州，以及西藏昌都以東的部分地區，面積約為314.45×103km2；其次是藥用大黃與掌葉大黃，主要分布于陜西漢中、甘肅隴南以及湖北南部，面積約為306.29×103km2；唐古特大黃和藥用大黃的最適生境重疊區分布范圍最小，主要位于甘肅隴南和四川阿壩的部分地區，面積約為87.67×103km2。3種基原中藥大黃的最適宜生境重疊區較小，僅在甘肅省甘南和隴南，以及四川省阿壩和甘孜的部分地區有少量分布，面積也僅有68.87×103km2(見圖6)。

注：審圖號為GS(2020)6688號。圖5 唐古特大黃生境適宜性分布

注：審圖號為GS(2020)6688號。圖6 3種大黃最適宜生境重疊區分布

2.4 預測結果與實際分布對比

比較中藥大黃不同基原植物的實際分布和預測結果可以看出，大黃實際生長點均位于預測適宜生境范圍內，兩者較為吻合。從文獻記載的大黃資源分布群集來看，青海、甘肅和四川交匯處的青藏高原東部是我國大黃資源的主要分布區域[19-20]。本次預測結果顯示，中藥大黃3種基原植物的區域性特征都較強，其中掌葉大黃主要集中在四川、西藏、青海和甘肅，在云南和陜西也有分布；唐古特大黃在四川、青海、甘肅和西藏四省交界處的生境適宜性最高；藥用大黃適宜生境分布區較其他2個基原的地理分布東移，主要集中在四川中部、甘肅和陜西南部以及重慶大部分地區，湖南和貴州的山區也有分布，上述結果與文獻記載較為一致。

3 討論

本研究表明，海拔、夏秋季降雨、晝夜溫差及季節性溫差是影響中藥大黃基原植物生長和分布的主要生態因子。其中海拔對掌葉大黃和唐古特大黃生境適宜性的貢獻率達到了22.2%和27.8%，但對藥用大黃的貢獻率只有4.0%。從適應的海拔范圍來看，掌葉大黃和唐古特大黃主要分布在海拔為1700～4700 m的地區，而藥用大黃主要分布在海拔為270～3800 m的地區，這與薛國菊等[20]的論述較為一致。夏秋季降雨對中藥大黃的3種基原植物的生境適宜性貢獻率都較大，而晝夜溫差及季節性溫差的貢獻率都較小，這與謝宗強[21]在國產大黃屬植物的生態地理分布中提到的大黃屬植物類群的生長習性較為一致。適宜的生境條件是道地藥材生長的重要基礎，這也給大黃藥用植物的種植提出了具體的生境要求。

從3種基原大黃最適宜生境的疊加分析結果可以看出，唐古特大黃和掌葉大黃有較大的分布重疊區域，主要位于青藏高原東緣的青海、四川及甘肅交界的部分地區，而藥用大黃由于生長環境相對溫暖，其分布區域與唐古特大黃重疊較少，但與掌葉大黃重疊較多，表明掌葉大黃對環境溫度的適應強于另外2種，其適宜種植范圍也更廣。上述結果在一些研究中也得到了證實。王巖等[22]在中藥大黃資源分布研究中指出，唐古特大黃主要分布在青海東部和東南部、四川西北部；掌葉大黃主要分布在甘肅東部及東南部、青海與四川西北部交界區域；藥用大黃主要分布在四川東北部、陜西南部與湖北西北部。這些研究結果表明，不同基原的中藥大黃在適宜生境的地理分布上存在差異，未來的引種和栽培規劃是要加以區分。

近年來，以野生來源為主的中藥材供需矛盾愈加顯著，人工種植中藥是從根本上緩解該矛盾的有效方法，而適宜種植區域的劃分是開展人工引種工作的基礎。本研究以藥用植物生長的環境及氣候條件為基礎，利用MaxEnt模型和GIS技術對掌葉大黃、唐古特大黃和藥用大黃的適宜生境進行了預測評價，結果將為優化中藥大黃種植區域，提升藥材質量提供科學依據，從而為加強大黃中藥資源的可持續發展打下基礎。