環境氣象條件對蘄艾品質的影響

李海燕，劉志雄，付 宇

（1.湖北省黃岡市氣象局，湖北 黃岡 438000；2.武漢區域氣候中心，武漢 430000；3.蘄春縣氣象局，湖北 蘄春 435300）

艾草（Artemisia argyiH.Lév.&Vaniot）在中醫藥里被稱為“百草之王”，以湖北省蘄春縣產艾葉為佳，謂為“蘄艾”。艾葉用于治病已有3 000 年歷史，據本草綱目記載，“艾葉本草不著土產，但生田野，宋時以湯陰復道者為佳，四明者圖形。近代惟湯陰者謂之北艾；四明者謂之海艾。自成化以來則以蘄州者為勝，用充方物，天下重之，謂之蘄艾”［1］。醫家以蘄艾為道地藥材，2019 年蘄春縣蘄艾產值達到50 億元，品牌價值超過百億元，并入選全國特色農產品區域公用品牌。研究表明，艾葉的主要活性物質有揮發油、總黃酮和鞣酸，其中揮發油應用最為廣泛［2-4］，揮發油的主要藥效成分有桉葉精，具有鎮神經痛、皮膚痛和止咳的作用；有側柏酮，對神經系統起到麻醉作用；有樟腦，具有殺菌、鎮痛、消炎的作用［5］。

蘄春縣地處湖北省東陲，大別山南麓，屬亞熱帶大陸性季風氣候，冬冷夏熱，四季分明，光照充足，雨量充沛，氣候溫和，適宜于中藥材的自然生長和人工種植。研究發現，在一定遺傳因素基礎上，環境氣象因子對中藥材品質形成至關重要，李超等［6］發現中藥材生長所需的溫度、光照、土壤、水文等生態因素與其生長發育和品質密切相關；吳洋等［7］研究發現，環境氣象因子在藥材形成過程中起決定性作用，適宜的生長環境能促進藥材中有效成分的合成與積累；揮發性成分組成及含量與氣候因子等環境條件密切相關［8，9］；張小波等［10］研究發現，太陽輻射和日照時數是影響大果木姜子揮發油組分構成的重要生態因子；唐代萍［11］發現年均相對濕度和年均日照時數對多傘阿魏揮發性成分組成及含量影響顯著。關于氣象條件對蘄艾品質的影響研究較少，部分學者分析了某一年份、不同環境氣象因子對蘄艾活性物質的影響［12-14］，但由于資料序列短、因子單一，無法確定環境氣象因子對蘄艾品質形成的影響程度。本研究收集了不同年份蘄艾樣本品質因子，通過蘄艾生育期的環境氣象因子與品質因子的相關性和關聯度分析，探討環境氣象因子在蘄艾品質形成中的作用，為蘄艾的規范化種植提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 蘄艾生育期觀測

蘄艾多為野外生長，具體生育期不明確［15］。在位于蘄春縣漕河鎮的蘄春國家氣象觀測站旁選取長50 m、寬10 m 的地區，于2020 年12 月初從野外移植栽種蘄艾根，并展開觀測、記錄；得到蘄艾生育期為，12 月至次年1 月為移栽期；2 月為出苗期；3 月至5 月下旬為生長期；5 月下旬至6 月中旬為成熟收獲期。

1.2 數據來源

1.2.1 蘄艾品質數據 蘄艾品質數據來自蘄春藥材辦、蘄艾相關企業和相關文獻，收集到蘄春縣1988年以來不同年份檢測的蘄艾樣本品質數據，包括蘄艾揮發油、總黃酮、桉油精、側柏酮、樟腦等5 個品質指標，其中揮發油樣本16 個及同批次標本檢測到的桉油精樣本12 個、總黃酮10 個、側柏酮10 個、樟腦10 個。

1.2.2 環境氣象數據 環境氣象數據來自蘄艾樣本對應的縣氣象站，包括與蘄艾品質因子年份對應的蘄艾整個生育期12 月至次年6 月的逐月平均溫、光、水、風、蒸發（Z）等。其中，溫包含平均氣溫（Ta）、平均最高氣溫（Tm）、平均最低氣溫（Ti）、有效積溫（Tx）、平均地溫（Td）、平均氣溫日較差（Tc）；光為日照時數（S）；水為降水量（R）、相對濕度（RH）；風為平均風速（F）。環境氣象因子的表征方式為，氣象要素_月份/氣象要素_月份_深度（深度單位為cm），例Ta_12 表征2020 年12 月平均氣溫，Ta_1 表征2021年1 月平均氣溫，Td_1_0 表征2021 年1 月0 cm 地溫。

1.3 研究方法

1.3.1 灰色關聯度 以蘄艾品質因子為參考數列，各環境氣象因子數據為比較數列，對數據進行均值化處理，則第k個比較數列中第t個數據與參考數列對應數據之間的關聯系數如下。

式中，Δ（min）和Δ（max）分別為兩級最小差和兩級最大差；Δok（t）為第k個比較數列中第t個數據與參考數列對應數據的差的絕對值；ρ為分辨系數，按照郭原等［16］的方法取值。

則第k個比較數列與參考數列之間的關聯度如下。

式中，n為數列長度。

參考鄭華偉等［17］、孟展等［18］的研究結果，將灰色關聯度的取值范圍確定在0～1，并劃分為5 個等級（表1）。灰色關聯度的值越趨近于1，說明關聯性越大，耦合作用也越強。

表1 不同灰色關聯度區間的類型及等級劃分

1.3.2 建立回歸方程 利用SPSS 25.0 軟件分析環境氣象因子與蘄艾品質因子的相關性，取相關系數大、關聯度強且具顯著性的環境氣象因子，運用引入—剔除法構建蘄艾品質因子與環境氣象因子的多元線性回歸方程。

式中，Y為蘄艾品質因子；β0為常數項；β1，β2，…，βk為偏回歸系數；X1，X2，…，Xk為偏回歸系數所對應的自變量。當回歸方程及引入的環境氣象因子的偏回歸系數均達到顯著水平（P＜0.1），說明方程在實際應用中方便可靠，存在統計學意義，即為最優回歸方程。

2 結果與分析

2.1 蘄艾品質指標的基本統計量及相關性

蘄艾品質指標的基本統計量見表2。由表2 可知，蘄艾揮發油變異系數為14.81%，為弱變異（CV＜15%）。其余品質指標均為中等變異（15%＜CV＜100%）。

表2 蘄艾品質指標 （單位：%）

對收集到的蘄艾品質因子進行相關系數計算和顯著性檢驗，得到蘄艾各品質指標之間存在一定相關性，其中揮發油與側柏酮之間存在顯著負相關（P＜0.01），相關系數達到-0.815；桉油精與樟腦之間存在顯著正相關（P＜0.05），相關系數為0.83。

2.2 蘄艾品質因子與環境氣象因子的關聯分析

2.2.1 揮發油與環境氣象因子的關聯分析 將蘄艾揮發油含量與其生育期逐月溫、光、水、風、蒸發等環境氣象因子進行相關分析，取相關系數絕對值超過0.4 的因子，進行灰色關聯度處理，結果見表3。

由表3 可知，在蘄艾整個生育期，與其揮發油積累密切相關的環境氣象因子有栽種形成壯根期溫度、生長期溫度和風、成熟收獲期的光和蒸發，且影響關鍵期為12 月、3 月、5 月和6 月。從相關性看，12月平均氣溫、12 月平均最高氣溫、3 月平均氣溫、3 月有效積溫、3 月平均風速、3 月15 cm 地溫、3 月平均最高氣溫、3 月平均最低氣溫、5 月平均風速與蘄艾揮發油含量呈顯著正相關，5 月平均風速正相關系數最大，為0.681；6 月日照、蒸發與揮發油呈顯著負相關，6 月日照負相關系數最大，為-0.578。通過顯著性檢驗的環境氣象因子與揮發油的灰色關聯度來看，6 月日照、蒸發與揮發油的關聯度為中等關聯，其他顯著相關的環境氣象因子與揮發油的關聯度均為高關聯或極高關聯上，3 月平均風速關聯度最大，為0.998。

表3 揮發油與環境氣象因子的灰色關聯度、相關系數

2.2.2 總黃酮與環境氣象因子的關聯分析 將蘄艾總黃酮與其生育期逐月溫、光、水、風、蒸發等環境氣象因子進行相關分析，取相關系數絕對值超過0.4 的因子，進行灰色關聯度處理，結果見表4。

由表4 可知，在蘄艾整個生育期，與總黃酮積累密切相關的環境氣象因子有栽種形成壯根期的溫、水，出苗期的水、蒸發，生長期的溫、蒸發，且影響關鍵期為12 月、2 月、3 月和5 月。從相關性看，2 月降水量與總黃酮含量存在顯著正相關，相關系數達0.649（P＜0.1）；12 月平均氣溫、12 月相對濕度、2 月蒸發、3 月蒸發、5 月氣溫日較差與總黃酮含量顯著負相關（P＜0.05），5 月氣溫日較差負相關系數最大，為-0.769。

表4 總黃酮與環境氣象因子的灰色關聯度、相關系數

通過顯著性檢驗的環境氣象因子與總黃酮的灰色關聯度來看，2 月降水量、12 月相對濕度、3 月蒸發與總黃酮的關聯度為高關聯，其他顯著相關的環境氣象因子與揮發油的關聯度均為極高關聯，關聯度最大的是12 月平均氣溫，為0.976。

2.2.3 桉油精與環境氣象因子的關聯分析 桉油精與環境氣象因子的灰色關聯度、相關系數見表5。由表5 可知，蘄艾栽種形成壯根期的水，生長期的溫、風，成熟收獲期的水對桉油精累積有重要影響，且影響關鍵期為12 月、3—6 月。從相關性看，4 月平均最低氣溫、5 月平均最低氣溫與桉油精存在顯著正相關，5 月平均最低氣溫正相關系數最大，為0.537；12 月降水量、3 月平均風速、4 月平均風速、4月氣溫日較差、6 月相對濕度與桉油精存在顯著負相關，4 月平均風速負相關系數最大，為-0.651；從關聯度看，所有通過顯著性檢驗的環境氣象因子與桉油精均為高度關聯，4 月平均最低氣溫關聯度最大，為0.786。

表5 桉油精與環境氣象因子的灰色關聯度、相關系數

2.3 基于環境氣象因子的蘄艾品質最優回歸方程

基于相關和灰色關聯度分析提取的影響蘄艾品質的顯著環境氣象因子，建立蘄艾不同品質指標的多元回歸方程（表6）。由表6 可知，回歸方程擬合優度的決定系數均在0.8 以上，回歸關系達到95%顯著水平。經t檢驗，引入方程的環境氣象因子均達到顯著水平（P＜0.1），表明該方程能夠較準確評估蘄艾品質，即為最優回歸方程。

表6 不同品質指標的回歸方程

3 討論

從回歸分析結果可以看出，移栽期12 月的最高氣溫和生長期3 月的最低氣溫越高，蘄艾揮發油含量越高，而成熟收獲期6 月的日照時數越長揮發油含量越低，且3 個時段對應的3 個環境氣象因子與揮發油含量的相關性極顯著。蘄艾移栽期氣溫低于-3 ℃時，影響根莖成活，其生長期適宜溫度為24～30 ℃，氣溫過低則阻礙莖桿細胞分裂，不利于植株形成，適宜的氣溫有利于提高揮發油含量［19］。此外，在蘄艾成熟收獲期，揮發油已累積到峰值，日照時數以晝夜節律影響艾葉釋放揮發性物質，日照時數越長，釋放越多，揮發油含量就越少，這與已有的研究結論一致［13］。可根據環境氣象因子與蘄艾揮發性成分間的作用規律，選擇12 月高溫和3 月低溫略高、6月日照時數略短的區域來種植蘄艾。

環境氣象因子對蘄艾其他品質的影響表現為，對總黃酮直接作用最大的是移栽期12 月相對濕度和生長期5 月氣溫日較差的負效應，對桉油精直接作用最大的是成長期4 月份氣溫日較差的負效應和5 月月平均最低氣溫的正效應。以上2 個品質指標受不同時期環境氣象因子的影響，可能與各指標形成條件及結構差異有關，需進一步研究。

4 小結

采用線性相關、灰色關聯度和回歸分析方法，分析了環境氣象因子在蘄艾品質形成過程中所起的作用，得到了影響品質形成的關鍵環境氣象因子，為蘄艾的規范化種植提供理論指導。

通過對蘄艾品質指標及其生育期環境氣象因子的關聯分析發現，溫、水、風等環境氣象因子在蘄艾的移栽期、生長期對其品質形成的影響最大，而成熟收獲期光照和蒸發過大會降低蘄艾揮發油含量；與蘄艾揮發油、總黃酮、桉油精品質指標顯著相關系數最大的環境氣象因子分別是5月份的平均風速（0.681）、5 月氣溫日較差（-0.769）、4 月平均風速（-0.651）；蘄艾品質形成影響顯著的環境氣象因子與蘄艾品質指標間均存在高等及以上關聯，耦合作用較強，表明這些氣象因子為蘄艾品質形成的關鍵環境氣象因子。

建立的蘄艾品質因子與環境氣象因子多元線性回歸方程，引入方程的環境氣象因子的偏回歸系數均達到顯著水平（P＜0.1），說明方程在實際應用中方便可靠，存在統計學意義，即為最優回歸方程。

蘄艾品質的形成與環境氣象因子密切相關，本研究為探索蘄艾種植合理布局提供數據支撐，也為蘄艾的氣候品質評價提供參考。