基于標本信息探究京津冀藥用植物花期對氣溫變化的響應

冀弈儒，張建云，郝偉明，王雨璇，田茜，谷仙，2

(1.河北中醫學院藥學院，河北 石家莊 050200；2.河北省中藥炮制技術創新中心，河北 石家莊 050200)

氣候變化是當前人類面臨的最嚴峻的環境問題。 植物的花期物候變化可以造成其開花時間與傳粉者活動時間不匹配，從而影響生物多樣性，造成藥用植物自然生境退化、擴張或遷移[1]。 花期的改變將直接影響到以花或果實入藥的中草藥如金銀花、連翹和酸棗等的采收期，造成化學成分變化進而影響藥品的質量安全。 研究花期物候變化對于順利開展野外植物資源調查工作、促進中藥材產業可持續發展具有重要意義。 但是，同一氣候區內，不同藥用植物的花期物候變化及對溫度變化的敏感度是否一致仍需深入探討。

京津冀地區地形地貌多樣，海拔落差大，環境異質性強。 受全球氣候變暖影響，近60 年來，河北省氣候發生了明顯變化，呈現出氣溫明顯升高、降水顯著減少和極端天氣氣候事件與氣象災害頻繁發生的特點[2]。 如:河北中南部太行山區海拔落差大，極易發生“焚風效應”，造成溫度偏高；張家口、承德等壩上地區處于生境脆弱的農牧交錯帶，晝夜溫差大。 地理格局的多樣性促成京津冀地區成為全國特色藥材優勢產區，太行山東麓的涉縣北柴胡、巨鹿金銀花、邢臺酸棗仁和燕山山脈的熱河黃芩等中藥材產量占全國總產量的60%以上[3]。 研究顯示，京津冀地區在2040 年以后降水量增幅自西北向東南遞減，東部和西南部地區未來最高溫度增幅最高，太陽輻射呈現明顯的“北低南高”[4]，加之京津冀地區為臭氧、氣溶膠污染較為嚴重區域[5]，對本地區中藥資源的影響增加了不確定性。 研究證實氣候變暖背景下，植物花期會普遍提前[6]；徐韻佳等[7]對牡丹江地區40 種植物花期觀測資料進行整理分析，發現絕大多數植物始花期和末花期的年際變化與季前溫度呈顯著負相關關系；基于數字標本探究發現，在氣候變暖背景下，綠絨蒿屬植物的花期整體呈現延后趨勢[8]。 如果不重視未來氣候變化對中藥材品種萎縮和藥性改變的研究，將對中醫藥發展造成難以預知的影響。

植物花期研究所使用的物候數據通常僅涉及常見木本植物或重要經濟作物、林業資源，對藥用植物而言卻很少有詳細的物候記錄，這使得人們無法從宏觀水平了解京津冀藥用植物花期對氣溫變化的響應，然而利用數字化植物標本信息可在一定程度上彌補這一不足[9]。 目前對京津冀地區中藥資源的研究并未充分考慮氣候變化對花期的影響，這就削弱了中藥資源在實現中醫藥可持續發展中的具體應用效果。 本研究擬通過中國數字標本館整合京津冀館藏道地藥材標本信息，結合京津冀氣溫數據探究代表性道地本草的花期對氣溫變化的響應趨勢，為提高中藥材采收效率和質量提供重要科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

氣溫數據來源于國家氣象科學數據中心(http:/ /data.cma.cn/)，包括1950—2020 年京津冀地區年平均氣溫(圖1)。 藥用植物標本的花期信息主要來源于中國數字植物標本館(https:/ /www.cvh.ac.cn/)，從高級檢索中選擇“‘河北省、北京市和天津市’和‘有花’且‘僅顯示有照片的標本’”模式進行信息搜集，且所選標本必須包含具體的采集時間“年、月和日”。 根據古代本草文獻記載和京津冀地區藥用植物分布情況，參考《中國藥典(2020 版)》中道地藥材基原信息[10]，從1900—2020 年數字化標本中選用京津冀地區17 科22 屬24 種藥用植物，共計4 626 條有效記錄(表1)，包括植物類型、花期、生活型和入藥部位等信息。

表1 選用的京津冀地區藥用植物基本信息

圖1 京津冀年平均氣溫變化趨勢

1.2 研究方法

植物花期計算方法主要參考文獻[9]進行:花期總天數為“花期累積時間”(florescence accumulated time，FAT)，按每月30 天計算；“營養生長期”(vegetative growth period，VGP)為植物進入花期前的當年累積時間，按每月30 天計算；“采集時間”(collection time，CT)為標本采集日期對應的標本采集年中實際天數，例如半夏花期標本的采集時間為7 月15 日，則其CT 為195 天，如果標本中缺乏具體的采集日期，則以標本所采集月份的中旬為標準；“相對采集時間”(relative collection time，RCT)為花期標本CT 在花期中的相對時間，并將標本RCT 在FAT 中所處的相對時間位置定義為“相對采集時間指數”(relative collection time index，RCTI)，其計算公式:RCTI ＝(CTVGP)/FAT。

本研究涉及的分析包括兩個層面，一是利用相對采集時間指數(RCTI)與對應的年份進行分析，觀測整體藥用植物標本的花期變化情況；二是分別對春季均溫(2—4 月)、夏季均溫(5—7 月)、秋季均溫(8—10 月)、年均溫(標本采集年)與每種藥用植物的相對采集時間指數(RCTI)進行逐一回歸分析，以RCTI 對氣溫變化的響應趨勢表示京津冀地區主要藥用植物花期對氣溫變化的響應規律。

1.3 數據統計與分析

采用Microsoft Excel 2019 對花期數據進行整理，采用SPSS 22.0 軟件中的一元線性回歸分析探究氣溫對京津冀地區藥用植物花期的影響。

2 結果與分析

2.1 藥用植物花期總體變化趨勢

對京津冀地區24 種藥用植物花期進行統計發現，13 種藥用植物RCTI 隨著年份增加而表現出花期提前趨勢，即回歸系數為負值(表2)。 其中，紫菀、北蒼術、黃芪、北柴胡和穿龍薯蕷的RCTI 與年份呈極顯著負相關(P＜0.01)，回歸系數分別為-0.236、-0.531、-0.873、-0.261 和0.161；白芷、白術、連翹等8 種植物也表現出花期提前趨勢，但未達到顯著水平。

表2 京津冀地區藥用植物標本相對采集時間指數(RCTI)與年份的回歸分析

11 種藥用植物表現出花期延后趨勢，即回歸系數為正值。 黃精和忍冬的RCTI 與年份呈極顯著正相關(P＜0.01)，回歸系數分別為0.276 和0.244；丹參、酸棗的RCTI 與年份呈顯著正相關(P＜0.05)。 防風、枯梗等7 種植物的花期表現出延后趨勢，卻未達到顯著水平。

2.2 不同生活型植物花期對氣溫的響應

依據生活型劃分，本研究藥用植物包括多年生15 種、一年生8 種和二年生1 種。 相對采集時間指數(RCTI)與春季、夏季、秋季和當年平均氣溫的回歸系數見表3。 可以看出，66.7%的多年生藥用植物RCTI 與春季氣溫呈負相關，但僅紫菀、白芷和北柴胡達到極顯著水平，半夏、知母RCTI與春季氣溫分別呈極顯著、顯著正相關，其余多年生藥用植物RCTI 與春季氣溫相關性均不顯著。黃芪RCTI 與春季、夏季氣溫呈負相關，與秋季氣溫呈顯著正相關。 丹參RCTI 與秋季氣溫呈顯著正相關。 4 種一年生藥用植物RCTI 與春季氣溫呈負相關，其中穿龍薯蕷為極顯著負相關。 二年生藥用植物菘藍RCTI 與春季、夏季氣溫呈負相關，表現出花期提前的特征。

表3 京津冀藥用植物相對采集時間指數(RCTI)與氣溫的回歸系數

2.3 根莖類、根類、塊莖類藥用植物花期對氣溫的響應

根據中國藥典中藥材基原，對京津冀地區24種藥用植物入藥部位進行劃分，根莖類和根類植物分別為7 種和8 種(表3)。 根莖類中，紫菀的相對采集時間指數(RCTI)與春季、夏季、秋季和當年平均氣溫均呈顯著負相關，其中與春季和當年平均氣溫達到極顯著水平；黃精RCTI 與春季、夏季、秋季和當年平均氣溫均表現出極顯著正相關關系。

8 種根類藥材中，僅防風的RCTI 與4 個氣溫指標表現為正相關，且與夏季氣溫達到顯著水平；白芷、北柴胡、黃芩、黃芪、黨參、桔梗和菘藍的RCTI 與春季、夏季氣溫的回歸系數均為負，其中北柴胡的RCTI 與春季、夏季、秋季和當年平均氣溫均呈極顯著負相關。

半夏為塊莖入藥，其RCTI 與春季、夏季、秋季和當年平均氣溫均呈正相關，且與春季氣溫達到極顯著水平，與秋季氣溫和當年平均氣溫顯著相關。

2.4 果實、花和種子類藥用植物花期對氣溫的響應

本研究藥用植物中果實類有3 種、花類3 種、種子類2 種(表3)。 果實類中，五味子和山楂的RCTI 與除夏季氣溫的氣溫指標表現為正相關，而連翹RCTI 與除夏季氣溫的氣溫指標呈負相關，但除連翹RCTI 與秋季氣溫呈極顯著負相關外，均未達顯著水平。 款冬和金蓮花的花蕾屬于入藥部位，前者的RCTI 與春季氣溫、后者與4 個氣溫指標均呈負相關，其中金蓮花RCTI 與春季氣溫呈顯著負相關；忍冬RCTI 與4 個氣溫指標的回歸系數均為正值，且與夏季氣溫達到顯著水平。就種子類而言，麥藍菜RCTI 與春季、夏季和當年平均氣溫呈負相關，但均未達到顯著水平；酸棗RCTI 則與4 個氣溫指標呈正相關，也均未達到顯著水平。

3 討論

植物物候是發揮物種功能性狀最重要的生物多樣性指標，其中花期物候是對氣候變化影響最敏感的指標之一[11，12]。 在過去100 年中，冬季溫度的升高造成喜馬拉雅山脈的桃兒七(Podophyllum hexandrum)、飛燕草(Delphinium denudatum)等藥用植物花期提前[13]，也進一步影響到物種的分布[14]。 本研究所涉及的藥用植物中有13 種表現為花期提前，可能是受年平均氣溫升高的影響，尤以多年生藥用植物表現最為突出，這可能是由于多年生藥用植物花芽形成往往受上一年秋冬低溫的影響[9]。 本研究所用氣象數據顯示，京津冀地區年平均氣溫呈上升趨勢，而且近60 年來平原地區比山區平均氣溫低5℃左右[15]。 長期物候觀測數據顯示，近50 年全球喬木、灌木、草本植物的春季物候期以每10 年2 ～10 天的速率提前[16]。 本研究中，9 種藥用植物RCTI 與秋季氣溫的回歸系數為正，即表現為花期延后。 張利榮等[17]發現，隨著氣溫上升各地植物的春季物候期提前，而秋季物候期則推遲。 如:酸棗RCTI 與年份呈顯著正相關，與春季、夏季、秋季和當年平均氣溫也均呈正相關，花期整體呈現出延后趨勢，這可能是因為酸棗作為多年生灌木或者小喬木，秋季氣溫升高導致春季花期物候順延有關。 然而，近年來酸棗仁價格上漲迅速，藥農“搶青”問題突出，因此在酸棗花期延后背景下，無法保證酸棗仁質量。

對藥用植物而言，人們往往關注的是入藥部位對氣溫的響應。 本研究中，不同入藥部位植物花期對氣溫的響應趨勢有所差異。 其中，大多數根和根莖類藥材植物的開花時間提前，而知母、黃精和半夏的花期則表現出一定的延后趨勢，這可能是由于三者均為陰生植物，溫度過高不利于開花。 氣候變暖背景下積溫增加，極端天氣現象劇增，干旱發生的頻率和強度明顯增加[18]，可能會導致以果實或種子為藥材的植物采收期延長。如:太行山區重要道地藥材連翹，秋季果實初熟尚帶綠色時采收，習稱“青翹”；果實熟透時采收，習稱“老翹”，二者化學成分的差異正是其功效差異的物質基礎。 如若采收時間不當，則藥材質量難以保證。 過早采收的青翹和老翹中的揮發油成分低于采收期延長之后采收的[19]。

采收期標準的完善是保證中藥材質量的關鍵環節之一，精細的物候期劃分有助于植物藥材采收期標準的完善和提升。 蔣潔梅等[20]對2020 年版《中國藥典》統計發現，499 種植物藥材中，250種植物藥材采收期標準不含物候期。 氣候變暖可能會引發一些芳香類藥用植物生物量和產量下降、化學活性成分改變，影響藥用植物的質量和安全[21]，但也有研究發現，氣溫和降水的增加，導致華北地區藥用山藥生態適宜區向北擴大，產量增加[22]。 京津冀地區地形多樣，海拔落差大，局地小氣候對氣溫升高的響應不同。 因此，在參照傳統采收經驗的基礎上，要立足科學數據闡明氣候變暖對藥用植物的各方面影響。 需求與供給的矛盾導致多種藥材資源已處于瀕危狀態[23]，客觀看待氣候變暖對中藥材的影響，在未來加強藥用植物對氣候變暖的敏感性研究中有助于趨利避害，實現中藥材質量和產量雙贏。 特別是人工栽培的藥材可以通過改進施肥、灌溉和噴施生長調節劑等田間管理措施來應對花期提前或者延后的不利影響。

4 結論

本研究表明，京津冀地區大多數藥用植物花期對春季平均氣溫的敏感性更強。 然而，本研究受標本數量的限制，不同藥用植物的采集時間與年份、氣溫的相關顯著性會有所差異，對于標本個數少的藥用植物而言，其花期對氣溫升高的影響需要進一步觀察確認。 除此以外，未來應加強氣溫、降水、光照等多種氣象因子協同作用對藥用植物花期物候和采收期的影響。