四大名菊重要生态因子及适宜生长区域的研究

四大名菊重要生态因子及适宜生长区域的研究

菊花是原产于中国的品种，有3000年的种植历史。正如古代的《礼记》（月经）所说，“求月观、秋月观、黄华”。它是一种集文化价值、经济价值和科学价值于一体的名茶。其产量和产量在世界花卉行业中排名第一。《本草纲目》中有“菊之品九百种”的记载,其中以杭菊、亳菊、滁菊、怀菊最为有名,有“四大名菊”之称,文献记载:怀菊产于河南武陟、鹿邑、沁阳、博爱;亳菊主产于安徽亳县、涡阳;滁菊主产于安徽全椒、滁县;杭菊主产于浙江桐乡、海宁、嘉兴、湖州市郊。目前,国内外对菊花的研究多集中在产地变迁、栽培、遗传育种、类型之间的质量比较、病理研究等方面,事实上,药用菊花的品质是遗传因子、生态环境、栽培技术及其加工条件等共同作用的结果,同一栽培类型的药用菊花存在着不同的环境表达,其中,气候、土壤是影响植物的主导因子。近年来,作为茶药兼用的杭菊发展较快;而以药用为主的滁菊、亳菊和怀菊的种植面积逐渐萎缩,这与逐渐增长的市场需求矛盾日益突出,而盲目的引种和栽培具有较大的风险性,因此进行四大名菊产地生态适宜性研究对科学引种、可持续利用等方面具有重要的意义。本文首次以四大名菊主产区标本点、系统气候数据库和地形数据库为后台数据,以TCMGIS-II为平台,对其生态适宜产区进行定量化、空间化分析。中国医学科学院药用植物研究所应用该系统已经成功对人参、西洋参、黄檗、蒙古黄芪等200多种药材进行了产地适宜性区划,得到了有效指导药材生产布局的分析结果,发表了多篇学术论文并编纂一部专著,为今后药用植物产地适宜性研究建立了有效的分析模式和平台,对于推动整个中药界科技创新和实践探索具有深远的意义。一、材料和方法1.确定了四大名菊的道地产区和确立通过实地采样、标本和文献查阅确定四大名菊各自的分布区域,同时查阅《中国植物志》、《浙江植物志》、《安徽植物志》、《河南植物志》等地方植物志及相关的研究文献确定四大名菊的道地产区和主产区;从中国数字植物标本馆*(CVH)、国家科技部教学标本资源共享平台**、国家自然科技资源平台***的中国科学院植物研究所、浙江大学、安徽师范大学、河南农业大学等27所研究院校标本馆,获得有效标本235份(图1)。2.中药材种植适宜性分析数据库TCMGIS是基于WindowsXP,采用C#开发,后台数据库平台为SQLServer2000,GIS组件为ArcEngine9.0,是第一个专业化的中药材产地适宜性分析系统,包括气候数据库、土壤数据库、基础地理信息数据库和中药材资源普查空间数据库。TCMGIS-II是在TCMGIS-I系统的基础上进行改进和完善的第二代系统,相比第一代系统,其生态因子数据更加丰富、数据格式更加科学、定量和空间化程度更高。3.分析步骤及方法利用ArcGIS为分析平台,以全国1km2的气候栅格数据库(温度、湿度、年降水量、日照)、土壤数据库和1km2的地形栅格数据库为后台数据,依靠地理信息系统强大的图表索引功能和空间分析能力,从后台数据库中提取四大名菊各自的样本采集点的生态因子序列值Ei(T(i),T1(i),……,Soil(i)),系统分析采用的生态因子公式为:Ef={n∪i=1Ei(Τ(i),Τ1(i),⋯⋯,Soil(i))}Ef={∪i=1nEi(T(i),T1(i),⋯⋯,Soil(i))}。4.计算栅格标准化根据确定的生态因子范围值,TCMGIS-II将每个图层的栅格值采用绝对偏差均值标准化方法,其公式为:Sf=1n(|x1f-mf|+|x2f-mf|+⋯⋯+|xnf-mf|)Sf=1n(|x1f−mf|+|x2f−mf|+⋯⋯+|xnf−mf|),其中mf=1n(x1f+x2f+⋯+xnf)mf=1n(x1f+x2f+⋯+xnf),标准化公式为Ζif=xif-mfSfZif=xif−mfSf,将各层栅格数据归归化到0~100之间;经过标准化后的各栅格数据采用加权欧式距离法dij=[n∑k=1|xik-xjk|2]12dij=[∑k=1n|xik−xjk|2]12计算每个栅格对四大名菊适宜因子范围的统计距离;对得到的每个栅格的统计距离按照均等分方法划分出不同距离等级,从而确定出四大名菊的不同相似系数产区;将四大名菊不同相似系数产区的栅格数据转换成面的矢量数据文件,与县行政区划数据进行矢量数据相交运算和面积计算,得出不同产区在各个县的分布面积。二、结果与分析1.样点的选取根据怀菊的资源分布、标本信息及生态特性,选择河南省武陟县二铺营乡、木城镇、北郭乡;鹿邑县辛集乡、贾滩乡、赵村乡;沁阳市紫陵乡、西万镇、崇义乡;博爱县庙岭村、清化镇、张茹集乡共计4个县(市)12个乡(镇)的262个样点;滁菊选择安徽省全椒县襄河镇、马厂镇、三圣乡、古河镇;滁县沙河镇、杨庄乡、界首乡、章广镇共计2个县(市)8个乡(镇)的189个样点;毫菊选择安徽省涡阳县龙山镇、双庙乡、赵屯乡、石弓镇;毫州市古城乡、双沟镇、十八里乡、大寺镇共计2个县(市)8个乡(镇)的174个样点;杭菊选择浙江省桐乡市灵安镇、崇福镇、石门镇、炉头镇;海宁市袁花镇、庆云镇、许村镇、丁桥镇;嘉兴市凤桥镇、高照乡、王店镇、南汇镇;湖州市双木镇、菱湖镇、县农场共计4个县(市)15个乡(镇)的284个样点,并利用TCMGIS-Ⅱ系统对收集到的样点进行综合分析,得到四大名菊的生态因子范围(表1)。2.适宜区分布情况根据TCMGIS-Ⅱ系统对四大名菊进行分析,得到各自的产地适宜区全国分布图(图2)。系统分析结果显示,滁菊和怀菊生态相似度90%~100%适宜区域面积较大,分布较广,其次为毫菊,杭菊的适宜区域最小。滁菊生态相似度95%~100%的区域主要分布于安徽、江苏、湖北等8个省(市)215个县(市),总适宜面积为139046.4km2。其中安徽适宜面积和占县(市)比例最大,包括定远、寿县、长丰、肥东、肥西、金寨等57个县(市)(适宜面积50026.9km2,占县(市)比例36%,下同);其次为江苏(36805.5km2,36%)、湖北(30986.8km2,17%)、河南(12609.1km2,8%)和湖南(4398.8km2,2%);此外,重庆、贵州和上海也有一定面积的适宜区分布。生态相似度90%~95%的区域分布比较广,共计404个县(市),面积达162408.2km2。以贵州适宜面积最大,为6057.5km2,比例32%;其次为湖北(29396.0km2,16%)、重庆(27111.7km2,33%)和河南(9057km2,5%);安徽、湖南、上海、江苏、陕西、四川、云南、浙江也有少量分布。怀菊生态相似度95%~100%的区域主要分布于河南、山东、陕西等9个省(市),总适宜面积为218502.2km2,其中以河南适宜面积最大,包括太康、济源、滑县、永城、嵩县等108个县(市)(80110.5km2,49%);其次为山东(73897.3km2,48%)、陕西(21293.5km2,10%)、江苏(14709.9km2,15%)和山西(11224.2km2,7%),此外,安徽、河北、甘肃等地也有不同程度的适宜区分布。生态相似度90%~95%的区域总面积为110756.6km2,约占95%~100%适宜面积的一半,包括12个省(市)的281个县(市)。依次为河北(33195.1km2,18%);安徽(22184.8km2,16%);山东(18372.3km2,12%)、河南(17628.8km2,11%),江苏、甘肃、陕西也有适宜区分布,但是适宜面积和比例都比较小。相比滁菊和怀菊,毫菊的适宜面积较小,生态相似度95%~100%的区域面积只为42765.5km2,包括4个省(市)72个县(市),依次为安徽(23286.9km2,17%)、河南(10212.4km2,6%)、江苏(9196.3km2,9%),湖北为零星分布。毫菊生态相似度90%~95%的区域中,只有江苏省的次适宜面积稍大,为9447.8km2,其余省份均为零星分布。杭菊生态相似度95%~100%的区域面积与毫菊相当,为42099.6km2,分布较零散,包括10个省(市)207个县(市)。其中以浙江适宜面积最大,为14891.3km2,包括44个县(市),其次为安徽、湖北、江苏、上海和湖南,此外江西、贵州、重庆和广西也有小量分布。杭菊90%~95%的适宜区域面积较小且多为零星分布,其中只有湖北、浙江有相对小的片状次适宜区分布(图2、图3)。三、讨论1.菊花品种演化、道地变迁与菊花栽培新趋势药用菊花经过长期人工栽培,优质高产的品种不断被选育出来,演变出诸多如贡菊、杭菊、滁菊、亳菊、怀菊、济菊等著名的菊花,中国虽历来就有“四大名菊”之说,但文献记载众说纷纭,“四大名菊”也有很多版本,《本草纲目》中有“菊之品九百种”的记载。诸多文献对菊花的本草考证主要集中在名称的演变和产地变迁,认为茶菊发源于浙江,原产于余杭的白茶菊逐渐北移至桐乡形成杭白菊,原产于德清的德菊被引入安徽歙县形成贡菊,药菊发源于河南,原产于焦作的怀菊逐渐南移至安徽亳州,形成亳菊,亳菊被引入山东嘉祥形成济菊,滁菊形态与南北菊花有较大差异,可能为独立品种。近年来,关于菊花的品种演化和道地变迁文献很多,研究表明贡菊与杭菊有亲缘关系,亳菊、怀菊、济菊及祁菊有亲缘关系,滁菊是独立类型。王德群等认为道地药材菊花来源于不同的栽培变种,并发现了我国药用菊花的9个栽培新变种分别为贡菊、湖菊、小白菊、大白菊、小黄菊、滁菊、亳菊、大马牙、大怀菊。尽管菊花系我国原产、栽培悠久之世界名花,却仍有许多问题尚无定论,亟待解决:如菊花的起源与演化问题、菊花品种分类问题、申报菊花品种国际登录权威问题、菊花产业化发展方向问题等。2.新产区生态相似度较高本研究表明滁菊和怀菊生态相似度90%~100%适宜区域面积较大,分布较广,其次为毫菊,杭菊的适宜区域最小。四大名菊中滁菊以药用而闻名,怀菊为“四大怀药”之一,古代本草多认为河南是药用菊花的道地产区。本研究结果分析出很多与滁菊和怀菊主产区(道地产区)相似度很高的新产区,生态相似度95%~100%的适宜区域中,怀菊适宜区分布于河南、山东、陕西、江苏、山西等省(市);滁菊适宜区分布于安徽、江苏、湖北、河南、湖南等8个省(市),因此有的放矢地引种栽培,对于解决药用菊花目前面临的产区萎缩及缓解市场的供需矛盾具有重要意义。毫菊分布于安徽、河南和江苏等省(市);杭菊分布于浙江、安徽、湖北、江苏、上海和湖南等省(市)。此外,生态相似度90%~95%的次适宜区域也有较大面积。总体来讲,本系统分析结果在涵盖四大名菊原有产区分布的基础上,适宜区有了较大扩展,分析出了很多新的适宜区域,通过后期实地考察和田间试验,这些区域很有可能发展成为四大名菊潜在的适生区域。3.特色菊品种差异道地药材形成的原因复杂多样,研究发现在长期的栽培过程中,地理环境差异和人工选择造成了菊花的种内分化,是形成道地药材菊花的主要原因。近年来,作为茶药兼用的杭白菊、贡菊发展迅速,种植面积越来越大,如杭白菊不仅主产区种植,江苏射阳及湖北引种均形成一定的规模。本研究也分析得出,杭菊生态相似度95%~100%的适宜区面积以浙江省最大,其次为安徽、湖北、江苏、上海和湖南,这表明分析结果与文献记载结果相互印证。而作为药用为主的滁菊、亳菊以及怀菊、济菊、祁菊的种植面积逐渐萎缩,甚至濒临灭绝。滁菊与亳菊一直被认为是药用菊花中质量最佳者,却也摆脱不了这种困境,这是值得进一步探讨的问题。菊花有喜光、喜湿、畏旱、怕涝、生长周期长等习性,不同品种还有自身的适应特点,不同的品种适应不同环境而形成了道地药材,所以四大名菊的生态环境各不相同。杭菊分布在杭嘉湖平原,湿度较大,无霜期最长;滁菊分布在江淮丘陵,纬度居中,温度、雨量、无霜期均