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Study on climate regionalization of Artemisia annuua in Guangxi

广西青蒿种植气候适宜性等级区划研究



全 文 :·研究论文·
广西青蒿种植气候适宜性等级区划研究
张小波1,2,郭兰萍2,韦 霄3,黄璐琦2,梁留科1,孙宇章2,
王利红1,吕金嵘1,2
(1.河南大学 环境与规划学院,河南 开封 475004;
2.中国中医科学院 中药研究所,北京 100700;
3.中国科学院 广西植物研究所,广西 桂林 541006)
[摘要] 目的:分析广西气候条件下青蒿中青蒿素含量变化的主要影响因子,以确定青蒿最佳种植区域。方
法:测定广西各地青蒿中青蒿素含量和各地环境信息,并进行相关和逐步回归分析,用GIS进行地理空间分析和区
划。结果和结论:温度和日照对青蒿素含量的影响最大,降雨量次之,湿度对青蒿素含量的影响较小,风速对青蒿
素含量的影响不明显。此外,苗期和花期的气候因子对青蒿素含量的影响最大,其中花期时,日照时相对较短、温
度相对较低、降雨量较小的区域内青蒿中青蒿素含量较高。桂东北和桂西南丘陵、山地海拔较高的区域最适宜种
植青蒿;而桂中和桂东南平原地区则不适宜种植青蒿;平原向山地的过渡地带亦是青蒿人工种植的适宜区域。
[关键词] 青蒿素;气候因子;等级区划;空间变异
[中图分类号]S567 [文献标识码]A [文章编号]10015302(2008)15179405
[收稿日期] 20071012
[基金项目] 国家重点基础研究发展计划(2006CB504700);国
家自然科学基金项目(30672616,30672617);国家科技支撑计划
(2006BAI09B02,2006BAI09B03);广西科技厅科技攻关与新产品试
制项目(桂科攻0663003)
[通讯作者] 郭兰萍,Tel:(010)64011944,Email:glp01@126.
com
  青蒿为菊科黄花蒿ArtemisiaannuaL.的地上部
分[1],为一年生草本植物,广泛分布于温带、寒温带
和亚热带地区,青蒿主产于中国、坦桑尼亚、肯尼亚
和越南[2],青蒿中所含的青蒿素对治疗疟疾具有很
好的疗效。由于2005年世界卫生组织增加在中国
采购青蒿素药品的订单,全国各地均在大力发展青
蒿的种植,拟建立生产基地。由于青蒿的生长有其
适宜的气候条件,而以往的研究只考虑单个气候因
子对青蒿素含量的影响,所以现有的研究成果很难
指导青蒿人工种植基地的选取。如何选取适宜的区
域进行青蒿的人工种植,为工业提取青蒿素提供有
价值的工业原料,成为有待于研究的课题。
本实验综合考虑气象因子中温度、光照、降雨
量、湿度和风速5个方面的因素对青蒿素含量的影
响,通过对广西地区的青蒿素含量与气候因子之间
的相关分析,明确广西气候条件下影响青蒿素含量
变化的主要气候因子,并以此进行相应的空间分析,
明确广西地区气候条件下青蒿素含量的地理分布,
进行气候适宜性区划,为广西地区优质青蒿种植区
域的选取提供科学依据。本研究采用的空间分析方
法,还可以为空间分析技术在中药资源的定量区划
方面提供范例。
1 材料
1.1 研究区概况
研究区为广西全境(106~116°E,215~259°
N,海拔19~614m),年均温在16~23℃、年降雨量
在1000~2800mm、太阳年总辐射量达 3764~
4128kJ·cm-2。广西地处低纬度地区,南濒热带
海洋,北为南岭山地,西延云贵高原东南边缘,地貌
特征是山地丘陵性盆地地貌。中部和南部多为平
地,地势较平缓,受地形和海陆位置的影响广西南部
和东南部具有温暖湿润的海洋性气候特征。
1.2 材料和数据的获得
于2006年9月初,分别在广西的西南、西北和
东北山地及东南平原地区,共选取31个有代表性的
野生青蒿样区,每个样区采集5株青蒿全草,共155
株个体。晒干青蒿全草后,采用柱前衍生RPHPLC
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测定青蒿中青蒿素的含量。采样过程中用 GPS测
定采样点的经纬度值。气候数据从离采样地最近的
气象站获得,包括2006年青蒿生长周期内2到9月
份的月平均最高温度、月平均最低温度、月平均温
度、月平均降雨量、月平均相对湿度、月平均风速和
月平均日照时数共56项。
2 方法
2.1 青蒿素含量的差异性分析
用Excel对各样地青蒿素含量和气候数据进行
整理,并以二维表的格式存储。以每1株青蒿个体
为1条记录作为行,共155个行向量;以采样地的编
号、地理坐标、名称、青蒿素含量和气候指标作为列,
共61个列向量。用SPSS130统计软件对31个样
地的青蒿素含量进行正态性检验,对155个个体中
的青蒿素含量进行单因素方差分析,分析各样地间
青蒿素含量的差异性。
2.2 青蒿素含量与气候因子的相关和回归分析
选取青蒿生命周期内2到9月份的月平均最高
温度、月平均最低温度、月平均温度、月平均降雨量、
月平均相对湿度、月平均风速和月平均日照时数作
为气象因子与青蒿素含量进行相关分析和回归分
析。考虑到气象因子之间的相互作用,计算了各月
温度与降雨量的交互作用:降水系数(降雨量/温
度)和温降系数(温度 ×降雨量);各月温度与日照
时数的交互作用:温日系数(温度 ×照时数);共72
个气象因子指标。
用SPSS130统计软件对31个样地内155株
青蒿个体内的青蒿素含量与气候因子之间的相关性
进行分析。对与青蒿素含量相关性较大的气象因子
进行多元逐步回归分析,构建青蒿素含量与气象因
子之间的关系模型。
2.3 回归方程在GIS软件上的计算
用ArcGis软件中的地理空间分析模块下的空
间插值功能,即 ArcMap功能模块下 Geostatistical
Analyst,GeostatisticalWizard命令,根据 Excel表中
的数据进行空间插值。GIS软件的空间插值功能
(krigingmethod)是将离散点的测量数据转换为连
续的数据曲面。空间插值理论的假设依据是空间位
置越靠近的点,越可能具有相似的特征值。
用ArcMap功能模块中的空间分析功能,根据
回归方程对气候因子的插值结果进行空间计算,并
以图形的形式输出,得到广西地区气候因素影响下
的青蒿素含量等级分布图。根据各区域内青蒿素的
含量对广西地区青蒿人工种植气候适宜性进行等级
区划。
3 结果
3.1 青蒿素含量的地理变异
对31个样地的青蒿素含量排序后,青蒿素含量
差异显著,最低的为032%,最高的为094%,最小
值和最大值相差062%。对31个样地的青蒿素含
量进行正态性检验,ShapiroWilk统计量等于
0966,P>005,青蒿素含量服从正态分布,青蒿素
含量连续变化,可以用统计学的方法对其进行分析。
对31个样地155株青蒿个体中的青蒿素含量进行
方差分析,P<005,青蒿素含量之间差异性显著。
3.2 青蒿素含量与气候因子之间的关系
对31个样地中155株青蒿个体内的青蒿素含
量与72个气象因子之间的相关性分析,P值见表1。
表1 相关分析结果中的P值
因子 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月
降雨量  0005 0006            
相对湿度 0010 0009 0003       0000  
月最高温 0000 0001 0007 0000   0000 0000 0002
月最低温   0000 0000 0000     0009  
平均温度         0001 0012 0016  
日照时          0001   0047 0001
降水系数             0000  
温降系数 0000 0000         0000  
温日系数     0040 0026   0000   0005
  对25个与青蒿素含量相关性较大的气象因子
进行多元逐步回归分析,设定进入变量的概率值为
005,剔除变量的概率值为01。得到青蒿素含量
与气象因子之间的逐步回归模型为:Y=-1885+
004X1-000189X2+000065X3+00001578
X4-0032X5-00000759X6-00000517X7+
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0072X8+000184X9-00000548X10(X12月份湿
度,X22月份降雨,X32月份温日系数,X43月份温
降系数,X54月份湿度,X64月份温日系数,X75月
份温日系数,X88月份最低温度,X98月份日照时
数,X108月份温降系数)。
对回归方程中的气象因子数据进行01标准化
处理后,对回归方程进行修正,得到:Y1=0353+
0835X1-0268X2+063X3+0415X4-0569X5-
0278X6 - 0154X7 + 0253X8 + 0145X9 -
0725X10。
对模型进行显著性检验,P<005,说明方程效
果显著,可以投入使用。从模型 Y1可以看出:温度、
湿度、降雨量和日照时数及温度、降雨量、日照时数
之间的交互作用对青蒿素的含量有一定影响,没有
找到青蒿素含量与风速的关系。其中2月份的气象
因子有3个、3月份的气象因子有1个、4月份的气
象因子有2个、5月份的气象因子有1个、8月份的
气象因子有3个对青蒿素含量有一定的影响,2,8
月份的气象条件对青蒿素含量影响最大。广西地区
的青蒿在2月末、3月初正处于萌发出芽期,8月份
为花期(采收期)青蒿素含量达到最高。说明幼苗
期和花期的气象因子对青蒿素含量的影响最大。
3.3 气象因子对青蒿素含量的影响
逐步回归得到的模型中,共筛选到影响青蒿素
含量的气象指标:温度5个、日照时数4个、降雨量
3个、湿度2个,包括2月份的温度、湿度、降雨量和
日照时数;3月份的温度、降雨量;4月份的湿度、日
照时数和温度;5月份的温度和日照时数;8月份的
温度、湿度、降雨量。可见温度、日照时数和降雨量
及其交互作用(包括湿度)是影响青蒿中青蒿素含
量的主要气象因子,没有的到与风速有关的气象因
子。从模型Y1可以看出2,8月份的气象因子对青
蒿素的含量影响较大。
3.3.1 温度对青蒿素含量的影响 有文献记载花
蕾前期和花期(7,8月)是青蒿中青蒿素合成最快、
积累最多,含量最高的时期[34],本研究中发现广西
地区青蒿素含量与采样地7,8月份最高温度平均值
和月平均温度都显著负相关,说明温度过高不利于
青蒿素的合成和积累;青蒿素含量与7,8月份的最
低平均温度显著正相关,通过模型可知,提高8月份
最低温度的平均值可以提高青蒿中青蒿素的含量。
3.3.2 日照时数对青蒿素含量的影响 由于北回
归线横贯广西全境,热月太阳高度角较大,区域内温
度与日照时数显著正相关,随着日照时数的增加,地
面和大气的温度均随之升高[3]。本研究中发现青
蒿素的含量与6,8和9月份的日照时数显著负相
关,说明日照时间较长影响青蒿素的合成和积累。
是否由于温度和日照的共同影响,使广西日照时数
较小、温度相对较低区域内的青蒿中青蒿素含量较
高,还有待于进一步研究。
3.3.3 降雨量对青蒿素含量的影响 对文献进行
研究中没有找到青蒿素含量与降雨量和湿度之间关
系的相关的直接报道,本研究中发现青蒿素含量与
采样地2,3,8月份的降雨量和3,4月份的相对湿度
显著负相关(P=001)。由于青蒿处于苗期(2,3,4
月份)和花期(8月份)时青蒿植株生长缓慢,植物对
水的需求量较小。可知苗期和花期降雨量小,有利
于青蒿中青蒿素的合成和积累。
3.3.4 温度、光照和降雨的交互作用对青蒿素含量
的影响 青蒿最佳生长海拔因区域而异,在我国青
蒿主要分布于400m以下的丘陵地区[4],在越南为
50~500m,在坦桑尼亚和肯尼亚则为1000~1500
m[2]。由于坦桑尼亚和肯尼亚处于赤道地区温度较
越南和中国高,而且最佳生长海拔也较越南和中国
高,因为光照强度、温度和降雨量受海拔高度的影响
均存在垂直分布,而且随着海拔高度的增加,光照强
度增加、温度降低、降雨量减小[3]。由于热带地区
青蒿最佳生长区域海拔较亚热带高,提示区域内青
蒿素含量也存在垂直分布。因此,进行青蒿人工种
植时,不但要考虑气候因素对青蒿素含量的影响,而
且要考虑地形因素的间接影响。综合考虑光照、温
度和降雨量的影响,可知花期时处于光照强度较高、
温度相对较低、降雨量较小的区域内的青蒿中青蒿
素含量较高,说明花期时晴朗干燥的天气有利于青
蒿素的合成和积累。如何处理好光照和温度的矛盾
关系是进行青蒿人工种植时要充分考虑的因素。
3.4 广西青蒿种植气候适宜区等级区划
用 ArcGis软件系列中的地理空间分析模块下
的空间插值功能,根据 31个采样地的经纬度值,
在广西省区图上确定采样地的地理位置;根据采
样点所在地的地理位置,再对回归方程筛到的 10
个气象指标进行空间插值。根据回归方程对各区
域内气象因子影响下的青蒿素含量进行空间计
算,见图1。
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图1 青蒿素含量等级分布图
  根据青蒿素的含量对广西地区进行气候适宜性
区划,其中青蒿素低于05%的区域为不适宜区,青
蒿素在05% ~075%的区域为适宜区,青蒿素高
于075%的区域为最适宜区。从图1上可以看出,
受气候的影响桂东北的桂林市境内、桂西南的南宁
  
市和百色市境内左、右江、红水河附近的青蒿中青蒿
素质量分数较高,达到075%以上,超过工业提取
最低要求,是青蒿人工种植的适宜区域;桂中盆地柳
州市附近的平原地区、桂东的梧州市境内的浔江平
原地区和桂南部北海市沿海地区青蒿中青蒿素最
低,在05%以下,达不到工业提取最低标准,不具
有工农业生产的可行性,不适宜人工种植青蒿;其他
区域内青蒿素均在 05% ~075%,属于适宜区。
结合广西地形特点,桂东北和桂西南丘陵、山地海拔
较高的区域是青蒿人工种植的最适宜区域;桂中和
桂东南平原地区是青蒿人工种植的不适宜区;平原
向山地的过渡地带是青蒿人工种植的适宜区域。
由于广西地区,青蒿生长周期内2月份到9月
份的温度、降雨量和日照时数对青蒿素含量的影响
最大,尤其是采收期内的气象因子,因此提取各区域
内2月份到9月份和采收期内的气象因子的平均
值,对青蒿的人工种植更具有指导意义,见表2。
表2 各区域内的气象因子
分布区
2~9月 7,8月
月均温/℃ 月降雨量/mm 月日照时间/h 月最低温/℃ 月均温/℃ 月降雨量/mm 月日照时间/h
最适宜区 228 1599 1191 248 280 2043 1681
适宜区  233 1675 1212 244 280 2538 1717
不适宜区 239 1791 1334 233 285 2876 1887
广西全区 232 1664 1224 244 281 2401 1728
  由于青蒿素含量与月平均温度、月最高温度平
均值均负相关,与月最低温度平均值正相关,可知采
收期248~280℃为青蒿素合成和积累的最适宜
温度范围,对比3个区域内月平均温度和月最低温
度平均值之间的温差可知,最适宜区内温差较小降
雨量和日照时数均最小,不适宜区域的均最大。
4 讨论与结论
本实验通过对青蒿素含量与气象因子之间的关
系研究发现:温度、湿度、降雨量和日照时数及其交互
作用对青蒿素的含量有一定影响,温度和日照时数对
青蒿素含量的影响最大,降雨量次之,湿度较小,风速
对青蒿素含量的影响不明显,具体结果如下:①采收
期248~280℃是广西地区青蒿素合成和积累的最
适宜温度范围,温度过高不利于青蒿素的合成和积
累。与郭晨等[5]的研究结果:“30℃气温促进青蒿素
的合成,温度在35℃时青蒿中青蒿素含量急剧下降”
相一致。文献[2]中记载:“青蒿的最佳生长环境位
于热带湿润季风气候区,值青蒿生长期时,这里的平
均气温为176~284℃”。②采收期日照时数较少
有利于广西地区青蒿中青蒿素的合成和积累。张龙
等[6]对青蒿进行短日照处理结果:现蕾前期随着短日
照处理天数的增加,青蒿素含量快速提高,与本研究
结果相一致。同时,刘春朝等[7]的研究表明光照强度
有利于青蒿素的合成;钟凤林等[8]的研究表明晴天中
午12时至下午16时青蒿素含量处于最高状态,说明
光照强度和日照时数能均影响青蒿素的合成和积累,
光照强度和日照时数对青蒿素的综合影响尚有待于
进一步研究。③广西地区青蒿处于苗期和采收时,区
域内降雨量较小有利于青蒿素的合成和积累。李典
鹏等[9]的调查结果表明日照充足,干燥地带的青蒿素
含量高,阴暗、潮湿地带的含量低;韦霄等[10]的研究
结果表明青蒿在幼苗较小并处于生长初期时,青蒿对
供水相对要求较严,在此期间需确保充分供水并注意
排涝,与本研究结果一致。
[参考文献]
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StudyonclimateregionalizationofArtemisiaannuuainGuangxi
ZHANGXiaobo1,2,GUOLanping2,WEIXiao3,HUANGLuqi2,LIANGLiuke1,SUNYuzhang2,
WANGLihong1,LVJinrong1
(1.TheColegeofEnvironmentandPlanningHenanUniversity,Kaifeng475001,China;
2.InstituteofChineseMaterialMedical,ChinaAcademyofChineseMedicalSciences,Beijing100700,China;
3.GuangxiZhuangzuAutonomousRegionandAcademiaSciences,Guilin541006,China)
  [Abstract] Objective:ToanalyzethemajorefectivefactorsundertheclimaticconditionsofGuangxiwhichinfluenceartemisi
nincontent,inordertodeterminethebestplantingregion.Method:Thecorelation,thegradualyregressionanalysiswiththestatisti
calanalysissystem,thegeographyspaceanalysisandtheregionalizationwithGISwereusedforthestudy.Resultandconclusion:
Thetemperatureandthesunshinehourwerethemajorefectivefactorstoartemisinincontent,folowedbytherainfalamount,thehu
midityshowedlessinfluence,andwindspeedhadnoefect;Andtheclimaticfactorsofseedlingstageandthefloweringseasonwere
themostinfluencestotheartemisinincontent.Theartemisinincontentwashigherduringthefloweringseason,intheregionoftempera
turerelativelylowerandtherainfalamountsmaler.TheknolandthemountainousregioninnortheastandsouthwestofGuangxiisthe
bestsuitableregionfortheArtemisiaannuaplanting.TheplainareainthesoutheastandmiddleofGuangxiisthenotsuitableregion;
OtherareasaresuitableregionsfortheA.annuaplanting.
[Keywords] artemisinin;climaticfactors;regionalization;spatialvariability [责任编辑 吕冬梅]
[收稿日期] 20070705
[基金项目] 国家科技部社会公益项目(2004DIA3J011)
[通讯作者] 王秋颖,Tel:(010)62818260,Email:qywang@implad.ac.cn
鲍氏针层孔菌生产菌丝体及胞外多糖的
液体发酵培养
曾念开1,2,王秋颖1,苏明声1
(1.中国协和医科大学 中国医学科学院 药用植物研究所,北京 100094;
2.海南医学院 药学系,海南 海口 571101)
[摘要] 目的:考察营养因子和环境因子对鲍氏针层孔菌液体发酵生产菌丝体和胞外多糖产量的影响。方
法:通过摇瓶实验,对不同的碳源、氮源、接种量、起始pH和温度进行筛选。结果:鲍氏针层孔菌液体发酵生产菌丝
体和胞外多糖时,所需的最优碳源和氮源分别是葡萄糖和大豆蛋白胨;适宜的接种量、起始 pH、温度分别为6%,
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