基于GMPGIS的沉香全球產地適宜性分析

徐 江 汪 鵬 譚瑞湘 李西文 廖保生 歐陽蒲月 黃志海

(1 中國中醫科學院中藥研究所，北京，100700；2 廣東省中醫藥科學院，廣州，510006；3 廣東食品藥品職業學院，廣州，510520)

基于GMPGIS的沉香全球產地適宜性分析

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 中國中醫科學院中藥研究所，北京，100700；2 廣東省中醫藥科學院，廣州，510006；3 廣東食品藥品職業學院，廣州，510520)

目的：開展南藥沉香全球產地生態適宜性分析，為合理布局沉香的人工引種提供科學依據，實現沉香資源的保護和有效利用。方法：采用藥用植物全球產地生態適宜性區劃信息系統(GMPGIS)系統對搜集到的白木香Aquilariasinensis(Lour.)Gilg道地產區、主產區及野生分布區共94個樣點進行生態因子的聚類分析，得到沉香全球范圍的生態適宜區和潛在種植區。結果：沉香在世界范圍的生態適宜產區主要為中國，其次巴西、老撾、越南等國家也有白木香的生態適宜區；沉香在中國的主要適宜產區為廣東、廣西、海南、云南、福建等省區。結論：GMPGIS為沉香的科學種植提供科學指導，同時也為沉香保護撫育、引種栽培及高品質藥材的規范化種植提供科學依據。

白木香；生態適宜性；GMPGIS；分布

沉香是我國傳統中藥，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用范圍[2]。此外，沉香是一種天然香料，廣泛用于香料、醫藥、工藝品雕刻等領域，具有較高的經濟價值[3]；在國際貿易中，沉香每年的交易量可達上百噸，交易規模超過數百萬美元。近年來，沉香價格不斷攀升，沉香資源遭到掠奪式開發，加之生態環境的惡化以及白木香自然繁殖率低等原因，導致我國野生白木香資源枯竭[4]；1999年，白木香列入《國家重點保護野生植物名錄》，成為國家二級重點保護植物，2005年被列為《瀕危野生動植物種國際貿易公約》(CITES)附錄II，2016年成為廣東省立法保護的八大南藥品種之一。加強沉香的人工培育種植對于擴大沉香藥用資源，實現沉香的可持續利用將具有重要意義。近年來，沉香的人工栽培勢頭強勁[4-5]，產地適宜性分析可對沉香的引種栽培起到科學指導作用。

藥用植物全球產地生態適宜性區劃信息系統(Geographic Information System for Global Medicinal Plant，GMPGIS)是用于藥用植物產地適宜性分析的數據分析系統，由中國中醫科學院中藥研究所自主研發。本研究應用GMPGIS系統對沉香進行全球產地適宜性分析，研究影響沉香生長分布的生態因子，在全球范圍發現沉香的適宜種植區，為沉香的合理種植規劃提供依據，從而達到保護和有效利用沉香資源的目的。

1 數據

1.1 分布點數據 根據藥材的道地產區、主產區及野生分布區對其進行分布點的選取。主要參考數字植物標本館(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/)等網站及相關文獻報道[6-7]。共選取94個樣點進行沉香的全球產地生態適宜性分析。

1.2 生態因子數據 GMPGIS系統以GIS為平臺，采用改進歐式距離算法進行聚類分析，然后對藥材適宜產區進行預測。該系統中的氣候數據來自于全球氣候數據庫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)以及全球生物氣候學建模數據庫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據；土壤數據來自于全球土壤數據庫HWSD(Harmonized World Soil Database)中的28種土壤類型數據。

2 方法

GMPGIS系統首先將與中藥材生長環境相關的生態因子量化成柵格數據結構，即將降水、溫度、濕度、土壤、日照等生態因子數據轉換成網格數據，然后對網格數據進行空間聚類分析，并根據中藥材產地生態相似度大小確定藥材引種區。

2.1 數據標準化 為消除不同量綱的影響，在進行相似性聚類分析前應先將數據進行標準化處理。GMPGIS系統采用線性標準化方法進行數據標準化處理，將數據值歸一化到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個生態因子數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。因此，根據柵格間距離大小將不同柵格進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 根據距離計算結果[Mindij，Maxdij]，對柵格進行重分類，找出最大生態相似度區域。

3 結果

基于94個白木香在全球的分布點數據，經GMPGIS系統分析得到沉香主要生長區域的生態因子數值范圍(表1)和全球最大生態相似度區域分布(圖1)。

3.1 白木香的主要生長區域生態因子值 沉香大部分生于海拔400 m以下，主要分布區位于我國北緯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 ℃以上才能發育良好，能耐受低溫和霜凍。沉香偏愛濕潤的環境，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系統分析得到的白木香全球范圍內主要生長區域生態因子范圍如表1所示。可以看出，本研究獲得的白木香主要生長區域的生態因子范圍與其生物學特性基本吻合，驗證了本文選用的白木香分布點數據的科學性和可靠性。

3.2 白木香在全球的最大生態相似度區域分析 基于白木香在全球的樣點信息，根據所獲得的生態因子值范圍，利用加權歐式距離法計算得到白木香的最大生態相似度區域分布圖(圖1)。計算結果顯示(圖2和表2)，全球范圍白木香最大生態相似度區域位于21個國家(或地區)內，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相似度區域面積為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 沉香全球范圍內主要生長區域生態因子值

圖1 白木香全球最大生態相似度區域分布圖

表2 白木香最大生態相似度區域面積

圖2 白木香最大生態相似度區域面積占比

據統計，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；南亞地區有3種沉香樹種；東亞地區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相似度區域分析 基于白木香在中國的樣點信息，根據所獲得的生態因子值范圍，利用加權歐式距離法計算得到白木香的最大生態相似度區域的全國分布圖(圖3和表3)。該區域主要分布于廣東、廣西、海南、福建、臺灣、云南等省(區)。根據分析結果，結合白木香生物學特征，并考慮自然條件、社會經濟條件、藥材主要地栽培和采收加工技術，建議選擇引種栽培研究區域主要以廣東、廣西、福建、海南、臺灣一帶為宜。

沉香主產于我國南方地區，以廣東、廣西、海南為主產地[3]。實際上，自2007年開始，以上省區已經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，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；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相似度區域分布圖

表3 白木香全國最大生態相似度主要區域

4 討論

藥用植物資源的分布、產量及質量均與區域生態環境有直接關系，氣候條件相似是中藥材引種的基本原則。GMPGIS系統將影響中藥材生長的主要生態因子(溫度、光照、水分及土壤等)進行了量化和綜合分析。GMPGIS對白木香的分析結果顯示，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地可能還存在于老撾、越南和巴西。該系統的成功開發為國內外傳統中醫藥原料的生產布局提供了指導，也為中藥材生產走向世界奠定了基礎。國內白木香的適宜性產地預測結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選擇基本科學合理。

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十年的歷史，然而并未有相應的系統性評價和選育，我國白木香的種植大多數為群眾自發性種植，缺乏相應的科學指導[4]。除了應用GMPGIS進行白木香產地適宜區域的預測外，還應加強對白木香的品質生態學研究，探索不同地理氣候條件下的白木香品質差異狀況與形成機制，為沉香的資源保護與利用提供科學依據。

[1]國家藥典委員會.中華人民共和國藥典(一部)[S].北京：中國醫藥科技出版社，2015：172.

[2]梅全喜,林煥澤,李紅念.沉香的藥用歷史、品種、產地研究應用淺述[J].中國中醫藥現代遠程教育,2013,11(8):85-88.

[3]梅全喜,李漢超,汪科元,等.南藥沉香的藥用歷史與產地考證[J].今日藥學,2011,2(1):3-5.

[4]晏小霞,鄧必玉,王祝年,等.海南島珍稀瀕危藥用植物白木香資源調查[J].現代農業科技,2010,38(23):135-137.

[5]林勵,丘金裕,蔡岳文,等.廣東珍貴南藥樹種生產現狀、問題及對策研究[J].中國現代中藥,2013,15(2):127-130.

[6]趙翾,趙樹進.白木香群體的表型多樣性分析[J].華南理工大學學報：自然科學版,2007,35(4):117-122，133.

[7]賈文杰.白木香遺傳多樣性研究[D].南昌：南昌大學,2008.

[8]李紅念,梅全喜,吳惠妃,等.沉香的資源、栽培與鑒別研究進展[J].亞太傳統醫藥,2011,7(2):134-136.

[9]晏小霞.白木香種質資源遺傳多樣性研究進展[J].中國農學通報,2010,26(19):383-386.

[10]董夢妤,焦立超,姜笑梅,等.沉香的資源分布、識別與貿易現狀[J].木材工業,2016,30(4):20-24.

(2017-04-10收稿 責任編輯：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

廣東省中醫院專項(編號：2015KT1817)——嶺南中草藥DNA條形碼分子鑒定和生態適宜性研究；中國中醫科學院中醫藥健康服務專項(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教育教學改革項目(編號：201401134)

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

[R282.2]

A

10.3969/j.issn.1673-7202.2017.05.004