基于GMPGIS的沉香全球产地适宜性分析

徐 江 汪 鹏 谭瑞湘 李西文 廖保生 欧阳蒲月 黄志海

(1 中国中医科学院中药研究所，北京，100700；2 广东省中医药科学院，广州，510006；3 广东食品药品职业学院，广州，510520)

基于GMPGIS的沉香全球产地适宜性分析

徐 江1汪 鹏2谭瑞湘2李西文1廖保生1欧阳蒲月3黄志海2

(1 中国中医科学院中药研究所，北京，100700；2 广东省中医药科学院，广州，510006；3 广东食品药品职业学院，广州，510520)

目的：开展南药沉香全球产地生态适宜性分析，为合理布局沉香的人工引种提供科学依据，实现沉香资源的保护和有效利用。方法：采用药用植物全球产地生态适宜性区划信息系统(GMPGIS)系统对搜集到的白木香Aquilariasinensis(Lour.)Gilg道地产区、主产区及野生分布区共94个样点进行生态因子的聚类分析，得到沉香全球范围的生态适宜区和潜在种植区。结果：沉香在世界范围的生态适宜产区主要为中国，其次巴西、老挝、越南等国家也有白木香的生态适宜区；沉香在中国的主要适宜产区为广东、广西、海南、云南、福建等省区。结论：GMPGIS为沉香的科学种植提供科学指导，同时也为沉香保护抚育、引种栽培及高品质药材的规范化种植提供科学依据。

白木香；生态适宜性；GMPGIS；分布

沉香是我国传统中药，2015版《中华人民共和国药典》收载沉香为瑞香科植物白木香Aquilariasinensis(Lour.)Gilg含有树脂的木材。其性辛、苦，微温，具有行气止痛，温中止呕，纳气平喘功效，用于胸腹胀闷疼痛，胃寒呕，吐呃逆，肾虚气逆喘急[1]；是多种传统中成药的主要成分，如沉香化滞丸、沉香化气丸、沉香舒气丸、八味沉香散、十五位沉香丸等，有广泛的药理作用和应用范围[2]。此外，沉香是一种天然香料，广泛用于香料、医药、工艺品雕刻等领域，具有较高的经济价值[3]；在国际贸易中，沉香每年的交易量可达上百吨，交易规模超过数百万美元。近年来，沉香价格不断攀升，沉香资源遭到掠夺式开发，加之生态环境的恶化以及白木香自然繁殖率低等原因，导致我国野生白木香资源枯竭[4]；1999年，白木香列入《国家重点保护野生植物名录》，成为国家二级重点保护植物，2005年被列为《濒危野生动植物种国际贸易公约》(CITES)附录II，2016年成为广东省立法保护的八大南药品种之一。加强沉香的人工培育种植对于扩大沉香药用资源，实现沉香的可持续利用将具有重要意义。近年来，沉香的人工栽培势头强劲[4-5]，产地适宜性分析可对沉香的引种栽培起到科学指导作用。

药用植物全球产地生态适宜性区划信息系统(Geographic Information System for Global Medicinal Plant，GMPGIS)是用于药用植物产地适宜性分析的数据分析系统，由中国中医科学院中药研究所自主研发。本研究应用GMPGIS系统对沉香进行全球产地适宜性分析，研究影响沉香生长分布的生态因子，在全球范围发现沉香的适宜种植区，为沉香的合理种植规划提供依据，从而达到保护和有效利用沉香资源的目的。

1 数据

1.1 分布点数据 根据药材的道地产区、主产区及野生分布区对其进行分布点的选取。主要参考数字植物标本馆(http://www.cvh.org.cn/)、《中国植物志》、全球生物多样性信息平台(http://www.gbif.org/)等网站及相关文献报道[6-7]。共选取94个样点进行沉香的全球产地生态适宜性分析。

1.2 生态因子数据 GMPGIS系统以GIS为平台，采用改进欧式距离算法进行聚类分析，然后对药材适宜产区进行预测。该系统中的气候数据来自于全球气候数据库World Clim(World Clim-Global Climate Data)中的年均温(BIO 1)、最热季均温(BIO 10)、最冷季均温(BIO 11)、年均降水(BIO 12)以及全球生物气候学建模数据库Cli Mond(Global Climatologies for Bioclimatic Modelling)中的年均辐射(BIO 20)、由其中的月均上午9时相对湿度和月均下午3时相对湿度计算得到的年均相对湿度等数据；土壤数据来自于全球土壤数据库HWSD(Harmonized World Soil Database)中的28种土壤类型数据。

2 方法

GMPGIS系统首先将与中药材生长环境相关的生态因子量化成栅格数据结构，即将降水、温度、湿度、土壤、日照等生态因子数据转换成网格数据，然后对网格数据进行空间聚类分析，并根据中药材产地生态相似度大小确定药材引种区。

2.1 数据标准化 为消除不同量纲的影响，在进行相似性聚类分析前应先将数据进行标准化处理。GMPGIS系统采用线性标准化方法进行数据标准化处理，将数据值归一化到0～100，如公式(1)所示。

2.2 相似性聚类分析 GMPGIS系统中采用的聚类分析是以每个空间栅格作为一个聚类对象，n个生态因子数值作为该栅格的聚类条件，每个栅格都可以看成n维空间中一个点。因此，根据栅格间距离大小将不同栅格进行空间最小距离聚类，第i个栅格对象与第j个栅格对象间距离如公式(2)所示。

2.3 栅格重分类 根据距离计算结果[Mindij，Maxdij]，对栅格进行重分类，找出最大生态相似度区域。

3 结果

基于94个白木香在全球的分布点数据，经GMPGIS系统分析得到沉香主要生长区域的生态因子数值范围(表1)和全球最大生态相似度区域分布(图1)。

3.1 白木香的主要生长区域生态因子值 沉香大部分生于海拔400 m以下，主要分布区位于我国北纬24°以南，属高温多雨、湿润的热带和南亚热带季风气候。沉香喜高温，在平均气温20 ℃以上，最高气温约37 ℃以上才能发育良好，能耐受低温和霜冻。沉香偏爱湿润的环境，年降水量1 500～2 000 mm较为适宜，相对湿度为80%～88%。白木香对土壤要求不高，在酸性(pH值5～6.5)的红壤、砖红壤、山地黄棕壤、石砾土上都能生长[8]。

由GMPGIS系统分析得到的白木香全球范围内主要生长区域生态因子范围如表1所示。可以看出，本研究获得的白木香主要生长区域的生态因子范围与其生物学特性基本吻合，验证了本文选用的白木香分布点数据的科学性和可靠性。

3.2 白木香在全球的最大生态相似度区域分析 基于白木香在全球的样点信息，根据所获得的生态因子值范围，利用加权欧式距离法计算得到白木香的最大生态相似度区域分布图(图1)。计算结果显示(图2和表2)，全球范围白木香最大生态相似度区域位于21个国家(或地区)内，主要国家为中国、巴西、越南和老挝4国，占白木香全部适宜生长面积的98.1%。白木香在中国的最大生态相似度区域面积为258×103km2，占白木香全部适宜生长面积的60%以上，其次为巴西和越南，面积分别为77×103km2和57.5×103km2。

表1 沉香全球范围内主要生长区域生态因子值

图1 白木香全球最大生态相似度区域分布图

表2 白木香最大生态相似度区域面积

图2 白木香最大生态相似度区域面积占比

据统计，瑞香科沉香属植物约有15种，目前全球沉香树种的野生资源主要分布在亚洲，其中，东南亚地区沉香树种的多样性最丰富，分布于菲律宾、印度尼西亚、缅甸、泰国、越南、老挝、柬埔寨、印度、马来西亚等地；南亚地区有3种沉香树种；东亚地区的沉香树种主要有广泛分布在我国南部的白木香以及少分布的云南沉香(A.yunnanensis)[9-10]。除我国分布有白木香外，由本研究推测，老挝、越南可能也有白木香分布，亚洲其余地区的沉香物种可能为瑞香科其他种植物。

3.3 白木香在中国的最大生态相似度区域分析 基于白木香在中国的样点信息，根据所获得的生态因子值范围，利用加权欧式距离法计算得到白木香的最大生态相似度区域的全国分布图(图3和表3)。该区域主要分布于广东、广西、海南、福建、台湾、云南等省(区)。根据分析结果，结合白木香生物学特征，并考虑自然条件、社会经济条件、药材主要地栽培和采收加工技术，建议选择引种栽培研究区域主要以广东、广西、福建、海南、台湾一带为宜。

沉香主产于我国南方地区，以广东、广西、海南为主产地[3]。实际上，自2007年开始，以上省区已经开展白木香的人工种植；目前，白木香的人工栽培主要在广东省茂名市、江门市、恩平市、台山市、开平市阳江市、汕头市等地区，海南岛各市县，广西省和福建省虽然起步较晚，但也在积极推广人工种植技术；广东省除种植白木香外，还种植少量的柯拉斯那沉香(A.crassna)和近全缘沉香(A.subintegra)[4-5,10]。

图3 白木香全国最大生态相似度区域分布图

表3 白木香全国最大生态相似度主要区域

4 讨论

药用植物资源的分布、产量及质量均与区域生态环境有直接关系，气候条件相似是中药材引种的基本原则。GMPGIS系统将影响中药材生长的主要生态因子(温度、光照、水分及土壤等)进行了量化和综合分析。GMPGIS对白木香的分析结果显示，除我国广东、广西、海南、福建、云南等地外，白木香的全球适宜性产地可能还存在于老挝、越南和巴西。该系统的成功开发为国内外传统中医药原料的生产布局提供了指导，也为中药材生产走向世界奠定了基础。国内白木香的适宜性产地预测结果与白木香的野生分布情况相一致，也与目前白木香的人工种植情况相一致，表明目前白木香的人工种植地区选择基本科学合理。

白木香为珍稀濒危树种，资源珍贵，开展白木香的人工种植价值巨大，前景广阔。虽然白木香的人工栽培有数十年的历史，然而并未有相应的系统性评价和选育，我国白木香的种植大多数为群众自发性种植，缺乏相应的科学指导[4]。除了应用GMPGIS进行白木香产地适宜区域的预测外，还应加强对白木香的品质生态学研究，探索不同地理气候条件下的白木香品质差异状况与形成机制，为沉香的资源保护与利用提供科学依据。

[1]国家药典委员会.中华人民共和国药典(一部)[S].北京：中国医药科技出版社，2015：172.

[2]梅全喜,林焕泽,李红念.沉香的药用历史、品种、产地研究应用浅述[J].中国中医药现代远程教育,2013,11(8):85-88.

[3]梅全喜,李汉超,汪科元,等.南药沉香的药用历史与产地考证[J].今日药学,2011,2(1):3-5.

[4]晏小霞,邓必玉,王祝年,等.海南岛珍稀濒危药用植物白木香资源调查[J].现代农业科技,2010,38(23):135-137.

[5]林励,丘金裕,蔡岳文,等.广东珍贵南药树种生产现状、问题及对策研究[J].中国现代中药,2013,15(2):127-130.

[6]赵翾,赵树进.白木香群体的表型多样性分析[J].华南理工大学学报：自然科学版,2007,35(4):117-122，133.

[7]贾文杰.白木香遗传多样性研究[D].南昌：南昌大学,2008.

[8]李红念,梅全喜,吴惠妃,等.沉香的资源、栽培与鉴别研究进展[J].亚太传统医药,2011,7(2):134-136.

[9]晏小霞.白木香种质资源遗传多样性研究进展[J].中国农学通报,2010,26(19):383-386.

[10]董梦妤,焦立超,姜笑梅,等.沉香的资源分布、识别与贸易现状[J].木材工业,2016,30(4):20-24.

(2017-04-10收稿 责任编辑：徐颖)

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

广东省中医院专项(编号：2015KT1817)——岭南中草药DNA条形码分子鉴定和生态适宜性研究；中国中医科学院中医药健康服务专项(编号：ZZ0908067)——200余种岭南中草药DNA条形码研究；广东省教育厅高等职业教育教学改革项目(编号：201401134)

黄志海，主任中药师，研究方向：中药资源与质量控制，E-mail：1925196926@qq.com

[R282.2]

A

10.3969/j.issn.1673-7202.2017.05.004