2种不同模式中草药适宜性的比较研究

2种不同模式中草药适宜性的比较研究郭兰萍1,黄璐琦1，蒋有绪2，潘耀忠3，朱文泉3，孙宇章1，曾燕1，吕冬梅1，刘旭拢3，张晴3（1.中国中医科学院中药研究所，北京100700；2.中国林业科学院，北京100091；3.北京师范大学资源与环境研究所，北京100875）[摘要]目的：比较不同的区划模式在中药资源区划研究中的适用情况。方法：分别采用“模型模式”及“模板模式”2种模式完成道地药材—苍术挥发油组分积累的气候适宜性区划，并对区划的过程和结果进行比较。结果：得到2张苍术挥发油组分积累的气候适宜性规划图。结论:2种区划模式均能均能很好完成中药资源的区域研究，但其适用范围、操作程序及特点有所不同。“模型模式”以统计分析所建立的相关模型为区划的依据，整个分析过程中人为因素少，区划的结果较客观，但建模过程较复杂；“模板模式”区划过程简单明了，人为因素多。2种模式均要求操作者有良好的专业背景，能全面掌握区划对象本低资料。[关键词]区划；中药道地药材空间分析数据库；道地药材；苍术；模型[中图分类号]S567[文献标识码]A[文章编号]1001-5302（2008）06-0718-14中药区划就是对特定环境下药材的适生性进行评价，并以适当的方式表示出来，它是中药材引种栽培适生地选择的基本策略和依据。中药适生性的概念与其它生物略有不同，除适于药材自身的生长发育外，更强调药材中次生代谢产物的积累，这使中药区划呈现出特有的特色。GIS技术的飞速发展，突破了以往区划的种种局限，并在各类专业区划中取得极大成就。作者曾撰文就传统中药及以GIS为基础的区划的特点进行了比较，并通过试验研究，证明GIS用于中药区划具有广阔的前景。本研究在以往研究的基础上，就2种常用的区划模式在中药资源区划中的应用进行比较，目的是为开展其他中药的区划摸索思路和方法。1研究思路中药规划在实际工作中最常见的有2种情况：一种是已基本建立该药材的质量评价体系，或以提取药材中单一成分为目标的区划，前者如苍术{7},后者如青蒿等；另一种是尚未建立该药的质量评价体系，但知道最好的药的产地或道地产区，如枸杞、甘草等。作者针对这2种情况，选择一个既已基本建立了药材质量评价体系，又明确道地产区的道地药材，进行2种模式的次生代谢产物积累的气候适宜性区划的研究比较。一个完整的区划，通常包括以下内容：区划对象的选定，区划目标的确定，环境及药材本底数据的获得及预处理，区划指标的选择，区划模型的建立，分区标准的制定，区划，结果验证及模型修正，制图输出等。其中，实地调查，区划指标的选择，区划模型的建立，分区标准的制定是影响一个区划科学性的关键。本研究2种区划模式均包括以上研究内容，集中部分内容相同，部分内容随研究思路不同在内容和顺序上均有不同，具体思路见图1。图12种模式中药适应性区划比较的研究思路左侧为“模型模式”，右侧为“模板模式”2方法2.1区划对象的选定生物适生性区划的对象常是一个或-类生物，本研究选定指苍术作为区划最优模版；道地产区生域空间渐变模型分区标准;气象因子为标准区划目标－药效成分积累的区别别别环境及药材本底数据区划指标环境因子与药效成分的相关模型最优模板；药效成分为指标分区标准；药效成分为依据区划研究对象－苍术结果分析及结论地图输出验证及修证环境因子与药效成分的相关模型验证及修正实地调查及专家咨询对象。苍术在我国分布广泛，其道地产区为江苏茅山，研究发现茅山苍术挥发汹呈现特点的比例关系，挥发泊中几个2含量较大的组分及其配比常被作为苍术质量评价的指标[1]。2.2区划目标的确定生物适生性区划的目标通常是对适合生物生长发育及繁衍的程度进行地理分区。而按药效成分积累多少进行地理分区，既是中药资源或道地药材进行区划的特点，也是中药区划的难点。研究发现，气象因子对苍术挥发汹组分的积累有重要影响，因此，本研究的目标是实现苍术挥发油组分积累的气候适宜性区划。2.3实地调查作者在长期研究苍术道地药材过程中不止一次对苍术进行实地调查，本研究针对区划的初步结果，又进行了实地验证。2.4环境及药材本底数据的获得及预处理见作者前期发表文献[1]。2.5区划指标的选择区划指标的代表性是保证区划质量的基础，需要借助现代统计学、数据发掘技术及专业知识或专家系统的联合方可确定。本研究以现代多元统计配合专业知识完成，见作者前期发表文献[1]。2.6区划模型的建立模型的建立是适宜性区划的关键，直接关系区划结果的可靠性。其确定同样需要借助现代统计学、数据发掘技术及专业知识或专家系统的联合方可确定。本研究模型模式选择以现代多元统计配合专业知识完成此项内容，主要是利用典型相关及逐步回归的方法建立了苍术挥发泊中6个主要组分与环境因子的相关模型，并利用Arc-GIS软件的空间分析功能，将相关模型转化为空间相关模型[1]。模板模式直接根据专业知识选择道地产区环境因子作为最优模板，按照自然环境，特别是气象因子连续变异的特点，直接选用空间渐变模型。该模型适用于连续的空间变化，可用-种平滑的数学表面加以描述。2.7最优模板的确定模型模式选择苍术挥发泊中6个主要成分总含盐高为优。模板模式以道地产区生境指标为最优，根据作者前期对苍术道地药材气候生态特征研究结果，确定茅山地区生境特征为:年均温高于15't:，冷月平均最低温度为-2--1't:，热月平均最高温度平均在32't:左右，极端低温一17--15't:，旱季约为1-2个月，年降水量约为l∞0-1160mm，即茅山地区气候具有高温、旱季短、雨量充足的特点(3)。2.8分区标准的制定由实地调查及专业知识确定。模型模式以苍术挥发泊含量由高向低划分为4个等级;“模板模式”依据空间渐变模型，以生态因子的变异幅度划分不同的区划等级。作者研究发现，在确定茅山苍术生境特征的6个气候指标中，4个与温度有关，2个与降水有关，且高温高湿利于苍术挥发油的积累，因此，按温度及降雨量由高向低划分为4个等级，并打分。2.9区划“模型模式”利用ArcGIS软件所建空间分布模型实现等级划分的地图显示；“模板模式”利用本研究组自己构建的“中药道地药材空间分析数据库”(其底层亦为GIS)的叠加(overlay)功能，将2.8项气象指标打分的分值相加，总分从高向低仍分为4个等级，依次为最适直、适直、较适宜、不适宜4个等级。2.10结果验证及模型修正“模型模式”以实地调查及专业知识，结合专家咨询完成此项；“模板模式”在此基础上，同时配合环境因子与药效成分的相关模型完成此项，做法是选择挥发泊中最主要的2个特征成分苍术酣和茅术醇，分别利用逐步回归建立回归模型:：Y2=-O.73-O.∞423XI+O.∞7222X~-0.ω47X~+0.0∞4699X4XS(且为苍术酣，XI为10月日照时数，X2为10月均温，几为2月均温，几为年均温，几为年降7..k);Y3=-0.592+0.0275X(Y3为毛术醇，X为10月降水量)，并依据所选气象因子重复2.8及2.9项进行模型修订和完善。气象因子影响苍术酣及茅术醉含量的打分标准及区划标准见表1。表1影响苍术酣及茅术醇含量的气象因子打分标准及区划标准10月日照分值10月均温平方分值2月均温平方分值年均温及降水的交互作用分值10月降水分值总分区划等级适宜性等级120202802002017002065208585最适宜121～17015201～280150-15151300～17001550～651585～7685～76适宜171～20010101～2001015-25101000～13001030～501075～6575～65较适宜20051005255100053056565不适宜2.11制图输出“模型模式”利用AreGIS软件，“模板模”式利用“中药道地药材空间分析数据库”完成制图输出。3结果及分析本研究成功地获得了2张苍术挥发汹积累的气候适宜性区划图，见图2。由图可见，两者区划图的总体趋势一致:即苍术挥发汹组分形成的气候适直性呈现纬度地带性变化，气候条件从苍术分布区的最南端向北逐步从最适宜、适宜、较适宜到不适宜过渡。这样的区划结果得到实地调查的支持，即苍术挥发泊含盐的确是由南向北逐渐递减。这在一定程度上证实了2种模式区划的合理性，表明两者区划模式均较好地实现可较好地实现苍术挥发泊积累适宜性区划[1]同时，2张图在细节方面也有所不同，如“模板模式”(图2)显示黑龙江最北边有一部分地区显示为苍术的不适宣区，而模型模式显示为较适宜区。仔细比较2张图可见，区划结果不同的区域都出现在各等级的交接处或边缘。由于区划依据的标准不同，“模型模式”为挥发汹成分，“模板模式”为气象因子，而且分区等级标准是人为制定，所以这种结果完全正常。生物适生性是个渐变的过程，各种区划都是为了直观起见及方便查询，才人为地将其分为具有质变特定的等级区域，事实上等级交界处，常常会体现为相邻2个区的特点。由此可见，这2个区划结果非常一致。4结论本研究表明，上述2种模式的区划均可用于中药资源，尤其是道地药材的区划研究。但由于两者在适用范围和区划程序上不同，也因此具有不同特点。4.1适用范围及区划程序不同模型模式的出发点为药效成分与环境的相关性，并且药效成分的积累贯穿整个区划的全过程。这种区划模式适用于事先知道什么样的药材好，既药材质量评价体系已建立，药效成分相对明确的情况。但对药材是否有明确道地产区，或是否知道哪儿产的药材好并无特殊要求。而“模板模式”的出发点为道地产区，环境因子贯穿整个区划的全过程。本区划适用于事先知道道地产区或哪儿产的药材好，但可能不很确定或不好选择好药材的指标体系的情况。由于道地药材的形成和道地产区的确认与诸多因素有关，除环境因素外，栽培技术或长期栽培中品种选育引起的药材遗传特性的改变，以及产地加工或其他人文因素都可能是道地产区形成的原因。因此，使用本模式前严格要求确认研究对象为生态主导型的道地药材，即产地特定气候土壤等自然条件是道地药材形成和道地产区的确认的主导因子，对于种质或产地加工等因素为主导因素形成的道地药材，如不加区分以此法进行分析，形式上虽然可顺利完成，但结果和结论却是完全错误的。4.22种区划的不同特点模型模式由于以统计分析所建立的相关模型为区划的依据，整个分析过程中人为因素少，区划的结果较客观，但建模过程较复杂，而且模型的质量及使用直接影响整个区划的质量，因此，要求操作者对模型有较好的理解、分析能力。例如，以6个回归方程叠加所形成的苍术挥发油空间分布模型，不但显示了全国各地苍术挥发汹中6个组分的含量情况，更暗含了每个产地的挥发泊中6个组分的配比情况[1]。该模式对适生性等级的划分只是为了地图输出时更直观更便于应用，实际上其在GIS中所显示的空间模型，既使在同一适宜区内的各点其挥发泊积累的数值也不同。采用此模式的前提是要求研究对象的质量评价体系已建立或至少可建立。操作者如果对此缺少理解，可能会在建模指标的选择上无所适从或发生失误。“模板模式”以固有的道地产区为最优模板，采用简单的空间渐变模型完成整个区划，区划过程简单明了。本研究中，2.10节采用了建立环境因子与药效成分的相关模型的方式对区划结果进行了修正，实际操作中，亦可根据实际情况，直接采用实地调查结合专业知识修订模型。以在背景资料不全面，各种信息不明确的情况下，本模式甚至可连空间渐变模型都不用，直接选用适宜模板，并通过相似距离聚类的方法，结合GIS的地图显示功能进行分区。此法虽然结果较粗糙，只能人为地按从适宜到不适宜分成几个区，区域内各点的值完全相同。但由于操作简单，在对研究对象进行初步的区划估计中有一定意义[3,8]。“模板模式”总体技术含量较低，但由于人为因素多，要求操作者有良好的专业背景，能全面掌握区划对象本底资料。4.3坚实的前期工作基础是区划的基础总之，不论哪种模式，良好的专业知识背景、踏实的实践调查及对研究对象相关知识的全面掌握，都是确保区划质量的前提。如本研究以苍术挥发汹积累为区划目标，研究中所用挥发油数据来源于我国18地区26个居群771株苍术个体，代表性非常好，如果缺少了如此坚