基于GMPGIS的沉香全球產(chǎn)地適宜性分析

徐 江 汪 鵬 譚瑞湘 李西文 廖保生 歐陽蒲月 黃志海

(1 中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所，北京，100700；2 廣東省中醫(yī)藥科學(xué)院，廣州，510006；3 廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院，廣州，510520)

基于GMPGIS的沉香全球產(chǎn)地適宜性分析

徐 江1汪 鵬2譚瑞湘2李西文1廖保生1歐陽蒲月3黃志海2

(1 中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所，北京，100700；2 廣東省中醫(yī)藥科學(xué)院，廣州，510006；3 廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院，廣州，510520)

目的：開展南藥沉香全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析，為合理布局沉香的人工引種提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)沉香資源的保護(hù)和有效利用。方法：采用藥用植物全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性區(qū)劃信息系統(tǒng)(GMPGIS)系統(tǒng)對搜集到的白木香Aquilariasinensis(Lour.)Gilg道地產(chǎn)區(qū)、主產(chǎn)區(qū)及野生分布區(qū)共94個樣點(diǎn)進(jìn)行生態(tài)因子的聚類分析，得到沉香全球范圍的生態(tài)適宜區(qū)和潛在種植區(qū)。結(jié)果：沉香在世界范圍的生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)主要為中國，其次巴西、老撾、越南等國家也有白木香的生態(tài)適宜區(qū)；沉香在中國的主要適宜產(chǎn)區(qū)為廣東、廣西、海南、云南、福建等省區(qū)。結(jié)論：GMPGIS為沉香的科學(xué)種植提供科學(xué)指導(dǎo)，同時也為沉香保護(hù)撫育、引種栽培及高品質(zhì)藥材的規(guī)范化種植提供科學(xué)依據(jù)。

白木香；生態(tài)適宜性；GMPGIS；分布

沉香是我國傳統(tǒng)中藥，2015版《中華人民共和國藥典》收載沉香為瑞香科植物白木香Aquilariasinensis(Lour.)Gilg含有樹脂的木材。其性辛、苦，微溫，具有行氣止痛，溫中止嘔，納氣平喘功效，用于胸腹脹悶疼痛，胃寒嘔，吐呃逆，腎虛氣逆喘急[1]；是多種傳統(tǒng)中成藥的主要成分，如沉香化滯丸、沉香化氣丸、沉香舒氣丸、八味沉香散、十五位沉香丸等，有廣泛的藥理作用和應(yīng)用范圍[2]。此外，沉香是一種天然香料，廣泛用于香料、醫(yī)藥、工藝品雕刻等領(lǐng)域，具有較高的經(jīng)濟(jì)價值[3]；在國際貿(mào)易中，沉香每年的交易量可達(dá)上百噸，交易規(guī)模超過數(shù)百萬美元。近年來，沉香價格不斷攀升，沉香資源遭到掠奪式開發(fā)，加之生態(tài)環(huán)境的惡化以及白木香自然繁殖率低等原因，導(dǎo)致我國野生白木香資源枯竭[4]；1999年，白木香列入《國家重點(diǎn)保護(hù)野生植物名錄》，成為國家二級重點(diǎn)保護(hù)植物，2005年被列為《瀕危野生動植物種國際貿(mào)易公約》(CITES)附錄II，2016年成為廣東省立法保護(hù)的八大南藥品種之一。加強(qiáng)沉香的人工培育種植對于擴(kuò)大沉香藥用資源，實(shí)現(xiàn)沉香的可持續(xù)利用將具有重要意義。近年來，沉香的人工栽培勢頭強(qiáng)勁[4-5]，產(chǎn)地適宜性分析可對沉香的引種栽培起到科學(xué)指導(dǎo)作用。

藥用植物全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性區(qū)劃信息系統(tǒng)(Geographic Information System for Global Medicinal Plant，GMPGIS)是用于藥用植物產(chǎn)地適宜性分析的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，由中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所自主研發(fā)。本研究應(yīng)用GMPGIS系統(tǒng)對沉香進(jìn)行全球產(chǎn)地適宜性分析，研究影響沉香生長分布的生態(tài)因子，在全球范圍發(fā)現(xiàn)沉香的適宜種植區(qū)，為沉香的合理種植規(guī)劃提供依據(jù)，從而達(dá)到保護(hù)和有效利用沉香資源的目的。

1 數(shù)據(jù)

1.1 分布點(diǎn)數(shù)據(jù) 根據(jù)藥材的道地產(chǎn)區(qū)、主產(chǎn)區(qū)及野生分布區(qū)對其進(jìn)行分布點(diǎn)的選取。主要參考數(shù)字植物標(biāo)本館(http://www.cvh.org.cn/)、《中國植物志》、全球生物多樣性信息平臺(http://www.gbif.org/)等網(wǎng)站及相關(guān)文獻(xiàn)報道[6-7]。共選取94個樣點(diǎn)進(jìn)行沉香的全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析。

1.2 生態(tài)因子數(shù)據(jù) GMPGIS系統(tǒng)以GIS為平臺，采用改進(jìn)歐式距離算法進(jìn)行聚類分析，然后對藥材適宜產(chǎn)區(qū)進(jìn)行預(yù)測。該系統(tǒng)中的氣候數(shù)據(jù)來自于全球氣候數(shù)據(jù)庫World Clim(World Clim-Global Climate Data)中的年均溫(BIO 1)、最熱季均溫(BIO 10)、最冷季均溫(BIO 11)、年均降水(BIO 12)以及全球生物氣候?qū)W建模數(shù)據(jù)庫Cli Mond(Global Climatologies for Bioclimatic Modelling)中的年均輻射(BIO 20)、由其中的月均上午9時相對濕度和月均下午3時相對濕度計算得到的年均相對濕度等數(shù)據(jù)；土壤數(shù)據(jù)來自于全球土壤數(shù)據(jù)庫HWSD(Harmonized World Soil Database)中的28種土壤類型數(shù)據(jù)。

2 方法

GMPGIS系統(tǒng)首先將與中藥材生長環(huán)境相關(guān)的生態(tài)因子量化成柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即將降水、溫度、濕度、土壤、日照等生態(tài)因子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格數(shù)據(jù)，然后對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行空間聚類分析，并根據(jù)中藥材產(chǎn)地生態(tài)相似度大小確定藥材引種區(qū)。

2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 為消除不同量綱的影響，在進(jìn)行相似性聚類分析前應(yīng)先將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。GMPGIS系統(tǒng)采用線性標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，將數(shù)據(jù)值歸一化到0～100，如公式(1)所示。

2.2 相似性聚類分析 GMPGIS系統(tǒng)中采用的聚類分析是以每個空間柵格作為一個聚類對象，n個生態(tài)因子數(shù)值作為該柵格的聚類條件，每個柵格都可以看成n維空間中一個點(diǎn)。因此，根據(jù)柵格間距離大小將不同柵格進(jìn)行空間最小距離聚類，第i個柵格對象與第j個柵格對象間距離如公式(2)所示。

2.3 柵格重分類 根據(jù)距離計算結(jié)果[Mindij，Maxdij]，對柵格進(jìn)行重分類，找出最大生態(tài)相似度區(qū)域。

3 結(jié)果

基于94個白木香在全球的分布點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)GMPGIS系統(tǒng)分析得到沉香主要生長區(qū)域的生態(tài)因子數(shù)值范圍(表1)和全球最大生態(tài)相似度區(qū)域分布(圖1)。

3.1 白木香的主要生長區(qū)域生態(tài)因子值 沉香大部分生于海拔400 m以下，主要分布區(qū)位于我國北緯24°以南，屬高溫多雨、濕潤的熱帶和南亞熱帶季風(fēng)氣候。沉香喜高溫，在平均氣溫20 ℃以上，最高氣溫約37 ℃以上才能發(fā)育良好，能耐受低溫和霜凍。沉香偏愛濕潤的環(huán)境，年降水量1 500～2 000 mm較為適宜，相對濕度為80%～88%。白木香對土壤要求不高，在酸性(pH值5～6.5)的紅壤、磚紅壤、山地黃棕壤、石礫土上都能生長[8]。

由GMPGIS系統(tǒng)分析得到的白木香全球范圍內(nèi)主要生長區(qū)域生態(tài)因子范圍如表1所示?？梢钥闯觯狙芯揩@得的白木香主要生長區(qū)域的生態(tài)因子范圍與其生物學(xué)特性基本吻合，驗(yàn)證了本文選用的白木香分布點(diǎn)數(shù)據(jù)的科學(xué)性和可靠性。

3.2 白木香在全球的最大生態(tài)相似度區(qū)域分析 基于白木香在全球的樣點(diǎn)信息，根據(jù)所獲得的生態(tài)因子值范圍，利用加權(quán)歐式距離法計算得到白木香的最大生態(tài)相似度區(qū)域分布圖(圖1)。計算結(jié)果顯示(圖2和表2)，全球范圍白木香最大生態(tài)相似度區(qū)域位于21個國家(或地區(qū))內(nèi)，主要國家為中國、巴西、越南和老撾4國，占白木香全部適宜生長面積的98.1%。白木香在中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域面積為258×103km2，占白木香全部適宜生長面積的60%以上，其次為巴西和越南，面積分別為77×103km2和57.5×103km2。

表1 沉香全球范圍內(nèi)主要生長區(qū)域生態(tài)因子值

圖1 白木香全球最大生態(tài)相似度區(qū)域分布圖

表2 白木香最大生態(tài)相似度區(qū)域面積

圖2 白木香最大生態(tài)相似度區(qū)域面積占比

據(jù)統(tǒng)計，瑞香科沉香屬植物約有15種，目前全球沉香樹種的野生資源主要分布在亞洲，其中，東南亞地區(qū)沉香樹種的多樣性最豐富，分布于菲律賓、印度尼西亞、緬甸、泰國、越南、老撾、柬埔寨、印度、馬來西亞等地；南亞地區(qū)有3種沉香樹種；東亞地區(qū)的沉香樹種主要有廣泛分布在我國南部的白木香以及少分布的云南沉香(A.yunnanensis)[9-10]。除我國分布有白木香外，由本研究推測，老撾、越南可能也有白木香分布，亞洲其余地區(qū)的沉香物種可能為瑞香科其他種植物。

3.3 白木香在中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域分析 基于白木香在中國的樣點(diǎn)信息，根據(jù)所獲得的生態(tài)因子值范圍，利用加權(quán)歐式距離法計算得到白木香的最大生態(tài)相似度區(qū)域的全國分布圖(圖3和表3)。該區(qū)域主要分布于廣東、廣西、海南、福建、臺灣、云南等省(區(qū))。根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合白木香生物學(xué)特征，并考慮自然條件、社會經(jīng)濟(jì)條件、藥材主要地栽培和采收加工技術(shù)，建議選擇引種栽培研究區(qū)域主要以廣東、廣西、福建、海南、臺灣一帶為宜。

沉香主產(chǎn)于我國南方地區(qū)，以廣東、廣西、海南為主產(chǎn)地[3]。實(shí)際上，自2007年開始，以上省區(qū)已經(jīng)開展白木香的人工種植；目前，白木香的人工栽培主要在廣東省茂名市、江門市、恩平市、臺山市、開平市陽江市、汕頭市等地區(qū)，海南島各市縣，廣西省和福建省雖然起步較晚，但也在積極推廣人工種植技術(shù)；廣東省除種植白木香外，還種植少量的柯拉斯那沉香(A.crassna)和近全緣沉香(A.subintegra)[4-5,10]。

圖3 白木香全國最大生態(tài)相似度區(qū)域分布圖

表3 白木香全國最大生態(tài)相似度主要區(qū)域

4 討論

藥用植物資源的分布、產(chǎn)量及質(zhì)量均與區(qū)域生態(tài)環(huán)境有直接關(guān)系，氣候條件相似是中藥材引種的基本原則。GMPGIS系統(tǒng)將影響中藥材生長的主要生態(tài)因子(溫度、光照、水分及土壤等)進(jìn)行了量化和綜合分析。GMPGIS對白木香的分析結(jié)果顯示，除我國廣東、廣西、海南、福建、云南等地外，白木香的全球適宜性產(chǎn)地可能還存在于老撾、越南和巴西。該系統(tǒng)的成功開發(fā)為國內(nèi)外傳統(tǒng)中醫(yī)藥原料的生產(chǎn)布局提供了指導(dǎo)，也為中藥材生產(chǎn)走向世界奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)白木香的適宜性產(chǎn)地預(yù)測結(jié)果與白木香的野生分布情況相一致，也與目前白木香的人工種植情況相一致，表明目前白木香的人工種植地區(qū)選擇基本科學(xué)合理。

白木香為珍稀瀕危樹種，資源珍貴，開展白木香的人工種植價值巨大，前景廣闊。雖然白木香的人工栽培有數(shù)十年的歷史，然而并未有相應(yīng)的系統(tǒng)性評價和選育，我國白木香的種植大多數(shù)為群眾自發(fā)性種植，缺乏相應(yīng)的科學(xué)指導(dǎo)[4]。除了應(yīng)用GMPGIS進(jìn)行白木香產(chǎn)地適宜區(qū)域的預(yù)測外，還應(yīng)加強(qiáng)對白木香的品質(zhì)生態(tài)學(xué)研究，探索不同地理氣候條件下的白木香品質(zhì)差異狀況與形成機(jī)制，為沉香的資源保護(hù)與利用提供科學(xué)依據(jù)。

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(2017-04-10收稿 責(zé)任編輯：徐穎)

Global Suitability Analysis of Aquilaria Sinensis(Lour.)Gilg Base on GMPGIS

Xu Jiang1，Wang Peng2，Tan Ruixiang2，Li Xiwen1，Liao Baosheng1，Ou Yangpuyue3，Huang Zhihai2

(1InstituteofChineseMateriaMedica，ChinaAcademyofChineseMedicalSciences，Beijing100700，China; 2ChinaAcademyofChineseMedicalSciencesGuangdongBranch，ChinaAcademyofChineseMedicalSciences，Guangzhou510006，China; 3GuangdongFoodandDrugVocationalCollege，Guangzhou510520，China)

Objective:The global ecological suitability analysis was carried out in this study for providing essential data for suitable producing regions of agilawood artificial domestication，thereby to implement resource protection and effective use of this medicinal material.Methods:Global geographic information system for medicinal plant(GMPGIS)was applied to process cluster analysis of Gilg real estate areas，the main producing areas and wild distribution regions of ecological factors of collected Aquilaria sinensis(Lour.)，which containing 94 district sampling points.Results:The most suitable ecological region was China，mainly in Guangdong，Guangxi，Hainan，Yunnan and Fujian provinces.Brazil，Laos and Vietnam were also had the reasonable ecological areas for Aquilaria sinensis producing.Conclusion:GMPGIS can show essential data for suitable producing regions of agilawood cultivation，which also provide scientific basis for resource protection，artificial domestication and standardized cultivation with high quality of agilawood.

Aquilaria sinensis；Ecological suitability；GMPGIS；Distribution

廣東省中醫(yī)院專項(編號：2015KT1817)——嶺南中草藥DNA條形碼分子鑒定和生態(tài)適宜性研究；中國中醫(yī)科學(xué)院中醫(yī)藥健康服務(wù)專項(編號：ZZ0908067)——200余種嶺南中草藥DNA條形碼研究；廣東省教育廳高等職業(yè)教育教學(xué)改革項目(編號：201401134)

黃志海，主任中藥師，研究方向：中藥資源與質(zhì)量控制，E-mail：1925196926@qq.com

[R282.2]

A

10.3969/j.issn.1673-7202.2017.05.004