何培，秦夢，楊澤東，謝忠強(qiáng)，段緒紅，平鑫，馬宗敏，裴林*

1.河北省中醫(yī)藥科學(xué)院，河北 石家莊 050031；

2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100039；

3.北京環(huán)宇智繪科技有限公司，北京 100018；

4.河北中醫(yī)學(xué)院，河北 石家莊 050200

黃芩為唇形科多年生草本植物黃芩Scutellaria baicalensisGeorgi 的干燥根，喜溫暖，耐旱、耐寒，產(chǎn)黑龍江、遼寧、內(nèi)蒙古、河北、河南、甘肅、陜西、山西、山東、四川等地[1]。黃芩為常用中藥，味苦，性寒，具清熱燥濕、瀉火解毒功效，適用于濕溫、暑濕、胸悶嘔惡等[2]?，F(xiàn)代研究表明，黃芩含有游離黃酮、黃酮苷、苯甲酸糖苷、類固醇、萜、酰胺、酚等類活性成分，其提取物和主要成分具有抗腫瘤、抗病毒、抗菌等藥理活性[3]。

20 世紀(jì)80 年代之前，黃芩藥材主要依靠野生資源供給，基本能達(dá)到產(chǎn)銷平衡，隨著我國大健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和新制劑的開發(fā)，其野生資源已經(jīng)很難滿足市場需求。20 世紀(jì)90 年代初開始，黃芩在河北、山西等地被引種栽培，藥材供給逐漸由野生轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぴ耘郲4]。產(chǎn)地的生態(tài)環(huán)境是影響中藥材質(zhì)量的重要因素，因此選擇適宜的種植區(qū)是中藥引種栽培的前提[5]。河北省自古就是黃芩的道地產(chǎn)區(qū)，為了避免盲目引種造成藥材品質(zhì)、產(chǎn)量降低，開展黃芩的生態(tài)適宜區(qū)劃研究對指導(dǎo)其在河北省的科學(xué)引種和擴(kuò)種、保障藥材品質(zhì)具有重要意義。

中藥區(qū)劃是發(fā)展中藥生產(chǎn)及中藥資源合理開發(fā)利用的依據(jù)和基礎(chǔ)。從20 世紀(jì)80 年代開始，我國就借助中藥資源普查開展了中藥區(qū)劃的研究工作，并進(jìn)行了中藥資源區(qū)劃的分析和研究[6]。20 世紀(jì)90年代以后，隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的引進(jìn)和發(fā)展，中藥研究人員開展了基于地理信息技術(shù)的中藥生態(tài)適宜性區(qū)劃研究，從自然生態(tài)環(huán)境和地理空間分布角度對中藥資源區(qū)劃進(jìn)行分析[7]。利用GIS技術(shù)分析中藥資源適宜性區(qū)劃能夠快速確定環(huán)境因素與藥材生長的相關(guān)性，減少人為因素影響，從而得到中藥資源的生態(tài)適宜生長區(qū)域及面積[8]。

本研究基于黃芩的生長環(huán)境，利用最大信息熵（MaxEnt）模型與GIS空間分析技術(shù)相結(jié)合，收集中藥資源普查及其他方式獲取的黃芩分布點位信息，結(jié)合其分布區(qū)的相關(guān)生態(tài)因子，分析影響黃芩分布的主要生態(tài)因子及黃芩的適宜生長區(qū)域，預(yù)判黃芩在河北省的適宜生長區(qū)域，為河北省黃芩的引種栽培選地和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃提供參考。

1 數(shù)據(jù)及來源

1.1 系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)

建立黃芩適宜性分析系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫，其中包括：1）氣象因子數(shù)據(jù)庫，包括氣溫、降水量等；2）土壤類型數(shù)據(jù)庫，包括土壤類型大類及亞類；3）土壤微量成分?jǐn)?shù)據(jù)庫；4）地理信息數(shù)據(jù)庫，包括基礎(chǔ)地理信息、高程等。

1.2 采樣點數(shù)據(jù)

黃芩采樣點信息主要來源于第四次全國中藥資源普查數(shù)據(jù)庫黃芩采樣點及其他科研項目野外調(diào)查獲取的信息，采樣范圍涵蓋黃芩的主要道地產(chǎn)區(qū)和主產(chǎn)區(qū)。黃芩的采樣點主要分布在甘肅省南部、陜西省、山西省、河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū)北部和中部等地（圖1）。

圖1 黃芩采樣點分布

2 方法

中藥材的生長發(fā)育受其地理分布影響，因此中藥材區(qū)劃分析的基本原則是適宜生長區(qū)的生態(tài)因子指標(biāo)最好與藥材的主要道地產(chǎn)區(qū)及主產(chǎn)區(qū)的生態(tài)因子指標(biāo)相似?；诖?，黃芩生態(tài)適宜性區(qū)劃分析模型的構(gòu)建是在GIS 評價分析基礎(chǔ)上，采用多指標(biāo)綜合評價方法，對黃芩的生態(tài)適宜度進(jìn)行定量化、空間化分析[9]。利用MaxEnt 模型從生態(tài)學(xué)角度分析影響黃芩生長發(fā)育的主要生態(tài)因子，利用GIS 軟件的空間信息提取、空間計算和數(shù)據(jù)疊加等空間分析功能對黃芩適宜生長區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 地理信息技術(shù)空間分析

地理信息技術(shù)空間分析分為柵格數(shù)據(jù)空間分析和矢量數(shù)據(jù)空間分析兩大類[10]。在黃芩生態(tài)適宜性區(qū)劃分析中，首先將柵格數(shù)據(jù)空間分析用于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理，形成統(tǒng)一空間范圍和統(tǒng)一空間參考的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫；其次，利用柵格數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、柵格重分類等功能對信息熵模型結(jié)果進(jìn)行處理[7]。矢量數(shù)據(jù)空間分析主要包括空間數(shù)據(jù)查詢和屬性分析、多邊形的疊加分析和矢量數(shù)據(jù)的擦除、相交等。通過矢量數(shù)據(jù)的空間分析可以將黃芩的分布區(qū)域和水域分布進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)對分布區(qū)域的進(jìn)一步優(yōu)化[11]。

2.2 MaxEnt模型

MaxEnt模型是一種密度估計和物種分布預(yù)測模型，是以最大熵理論為基礎(chǔ)的一種選擇性方法。最大熵模型從符合條件的分布中選擇熵最大的分布作為最優(yōu)分布。MaxEnt軟件主要用于預(yù)測物種的潛在地理位置分布[11]。通過確定閾值和響應(yīng)曲線的特征，建立物種與所在地環(huán)境因子之間的響應(yīng)，從而獲得最適環(huán)境因子范圍值和權(quán)重，以此為依據(jù)在給定范圍確定與之相似區(qū)域，從而實現(xiàn)物種潛在分布區(qū)的預(yù)測。

3 產(chǎn)地適宜性區(qū)劃分析流程

利用河北省環(huán)境生態(tài)因子數(shù)據(jù)庫，根據(jù)黃芩采集樣點信息，利用MaxEnt軟件對影響黃芩生長的環(huán)境因子進(jìn)行篩選，得到黃芩與生長分布相關(guān)的環(huán)境因子，利用MaxEnt 模型預(yù)測黃芩可能的產(chǎn)區(qū)分布，并以此分析結(jié)果為基礎(chǔ)，利用地理信息技術(shù)對潛在分布數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、空間疊加分析等處理，最終獲得黃芩的適宜生長區(qū)。黃芩產(chǎn)地適宜性區(qū)劃分析的流程見圖2。

圖2 黃芩產(chǎn)地適宜性區(qū)劃分析流程

在黃芩產(chǎn)地適宜性區(qū)劃分析中涉及的核心流程包括：1）基于篩選的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，采用MaxEnt理論對黃芩適宜度進(jìn)行分析；2）基于GIS 技術(shù)對適宜度分析結(jié)果進(jìn)行分類，根據(jù)適宜度大小主要分為最適宜區(qū)、次適宜區(qū)、低適宜區(qū)和不適宜區(qū)；3）基于現(xiàn)有的水域分布數(shù)據(jù)和GIS 技術(shù)對分類結(jié)果進(jìn)行空間疊加，分析得到最適宜區(qū)的面積。基于上述分析流程研發(fā)了中藥資源區(qū)劃分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)集地理信息技術(shù)與MaxEnt模型于一體，實現(xiàn)了多種區(qū)劃分析方法的程序化操作[12]。

4 區(qū)劃分析及結(jié)果驗證

4.1 生態(tài)因子篩選及數(shù)值確定

黃芩藥材產(chǎn)地適宜性分析是基于地理信息技術(shù)與MaxEnt 模型，通過構(gòu)建中藥材生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫，利用中國測繪科學(xué)研究院研發(fā)的中藥資源區(qū)劃分析系統(tǒng)[12]完成河北省黃芩藥材產(chǎn)地適宜性區(qū)劃分析。中藥資源區(qū)劃分析系統(tǒng)是通過MaxEnt 模型對黃芩采樣獲得的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)因子二次篩選，獲取生態(tài)因子值[12]。首先，選取該系統(tǒng)中全部環(huán)境因子進(jìn)行MaxEnt 模型運算，得到生態(tài)環(huán)境因子的篩選排序，然后對分析篩選影響因子排名前十幾的因子進(jìn)行二次建模計算，選取第2 次因子篩選建模計算排序中累積貢獻(xiàn)率＞95%的環(huán)境因子，同時考慮地形、土壤、植被等不同類型生態(tài)因子的影響，最終得到黃芩藥材區(qū)劃分析的7 項主導(dǎo)環(huán)境因子，分別是海拔、坡度、最暖季降水量、最濕月降水量、年均溫、土壤類型、植被類型。其中，黃芩生長海拔為24～4291 m，坡度為0°～28.6°，最暖季降水量為24～782 mm，最濕月降水量為11～320 mm，年均溫為18～60 ℃，主要的土壤類型有普通腐棕土、普通雛鈣土、潮暗棕壤、粘淀棕壤、普通灌淤土、石灰性暗潮土、潮黑土，主要植被類型為溫帶落葉闊葉林、2 年三熟或1 年兩熟旱作和落葉果樹園、亞熱帶落葉闊葉林、1 年一熟糧食作物及耐寒經(jīng)濟(jì)作物等。

4.2 區(qū)劃分析

利用中藥資源區(qū)劃分析系統(tǒng)軟件中MaxEnt 算法進(jìn)行MaxEnt 模型計算，輸出黃芩的環(huán)境適宜區(qū)劃文件，利用空間分析功能將文件轉(zhuǎn)為空間數(shù)據(jù)庫中的柵格文件以提取出河北省的適宜范圍，然后利用中藥材區(qū)劃分析軟件中的制圖功能進(jìn)行河北省黃芩區(qū)劃分布圖制作，形成黃芩藥材產(chǎn)地適宜概率分布圖。黃芩藥材產(chǎn)地適宜性概率為1%～100%，其產(chǎn)地適宜概率分布見圖3。

圖3 黃芩產(chǎn)地適宜概率分布

4.3 分析結(jié)果驗證

MaxEnt 模型預(yù)測精度以受試者工作特征（ROC）曲線下的面積（AUC）為衡量指標(biāo)，AUC為0.5～1.0，值越大表示環(huán)境變量與預(yù)測的物種地理分布模型之間的相關(guān)性越大，模型預(yù)測精度越高[13]。在對黃芩適宜性的預(yù)測中，ROC 曲線的訓(xùn)練集和驗證集AUC 分別為0.987 和0.979，說明MaxEnt 模型預(yù)測黃芩潛在適生區(qū)分布結(jié)果具有極高的準(zhǔn)確度，預(yù)測效果較好（圖4）。

圖4 黃芩適宜性區(qū)劃分布預(yù)測ROC曲線

4.4 利用地理信息方法建立河北省黃芩最適宜生長區(qū)

根據(jù)黃芩生境特點和河北省的實際應(yīng)用情況，對上述黃芩概率分布進(jìn)行人工定義分級，形成河北省黃芩藥材產(chǎn)地適宜區(qū)劃：產(chǎn)地適宜概率為90%～100%的區(qū)域為最適宜區(qū)，產(chǎn)地適宜概率為75%～90%的區(qū)域為次適宜區(qū)，產(chǎn)地適宜概率為60%～75%的區(qū)域為低次適宜區(qū)，產(chǎn)地適宜概率為1%～60%的區(qū)域為不適宜區(qū)。河北省黃芩藥材產(chǎn)地適宜性區(qū)劃分布見圖5。

圖5 河北省黃芩藥材產(chǎn)地適宜性區(qū)劃

對于河北省內(nèi)水域等不適宜黃芩生長的區(qū)域都應(yīng)在適宜區(qū)區(qū)劃分析時予以排除。利用地理信息方法建立黃芩最適宜生長區(qū)，利用相交、擦除、合并等矢量數(shù)據(jù)空間分析方法，結(jié)合水域分布數(shù)據(jù)及河北省主要湖泊、水庫等數(shù)據(jù)，對河北省黃芩最適宜區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化[11]。最后，在系統(tǒng)中導(dǎo)出河北省黃芩區(qū)劃最適宜生長區(qū)域面積（表1）。

表1 河北省黃芩藥材最適宜生長區(qū)域面積

5 結(jié)論與建議

本研究利用GIS、MaxEnt 等方法，以黃芩采樣點和生態(tài)環(huán)境因子為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了河北省黃芩潛在分布區(qū)和最適宜生長區(qū)的分析，為該藥材的區(qū)劃分析和引種栽培提供了創(chuàng)新的思路。探明影響黃芩分布的環(huán)境因子及生態(tài)適宜生長區(qū)，就可以在黃芩資源缺乏時，在最適宜生長區(qū)因地制宜開展野生資源保護(hù)、引種馴化、種植區(qū)劃，進(jìn)一步開展黃芩資源的開發(fā)利用[14]。從本研究預(yù)測結(jié)果看，海拔、坡度、最暖季降水量等環(huán)境因子是影響黃芩分布的主要環(huán)境因子。根據(jù)黃芩藥材適宜性區(qū)劃分析結(jié)果可知，黃芩的最適宜生長區(qū)主要分布在太行山山脈的承德市、張家口市、保定市，燕山山脈的秦皇島市，結(jié)合黃芩的生物學(xué)特性和自然條件、社會經(jīng)濟(jì)條件等因素，建議在上述地區(qū)開展黃芩的引種栽培。

基于GIS 技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)區(qū)劃的分析，能對影響藥材生長的環(huán)境因子進(jìn)行量化和綜合分析，科學(xué)、快速地分析出與藥材道地產(chǎn)區(qū)最為相似的地區(qū)，從而為最適宜種植區(qū)域的確定提供了可靠的量化數(shù)據(jù)。但是，區(qū)劃分析結(jié)果尚存在一些不確定因素，如采樣點的多少、環(huán)境因子尺度等[15]，以及社會經(jīng)濟(jì)等人為因素，目前缺乏對這些影響因素的相關(guān)研究。相信隨著信息技術(shù)的發(fā)展，尤其是基于大數(shù)據(jù)的中藥資源產(chǎn)地適宜性區(qū)劃研究不斷深入，分析結(jié)果會更科學(xué)準(zhǔn)確。