基于GMPGIS 的杜仲全球產地生態適宜性分析＊

鄧陽川，向 麗，湯 歡，楊 俐，李洪運，丁丹丹，葉 萌＊＊

（1.四川農業大學林學院 成都 611130；2.中國中醫科學院中藥研究所 北京 100700；3.中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所 儋州 571737）

1 前言

杜仲，主要指杜仲科植物杜仲（Eucommia ulmoides）或者其樹皮，為第三紀冰川孑遺樹種[1,2]。杜仲的樹皮、葉片、種子、木材都有很高的經濟和藥用價值[3-5]。在2015年版《中華人民共和國藥典》中有收載：性溫、味甘，具補肝腎、強筋骨、安胎等功效。杜仲雖已在國內廣泛栽培甚至引種國外，但對杜仲全球生態適宜區的研究還未見報道。因此，為避免造成對杜仲的盲目引種，確保準確、高效引種。那么，有必要對引種區域進行前期的生態因子量化分析。

藥用植物全球產地生態適宜性區劃信息系統（Global Geographic Information System for Medicinal Plant，GMPGIS），由中國中醫科學院中藥研究所開發，是全球第一個研究藥用植物產地適應性的系統。該系統基于地理信息系統（Geographic Information System，GIS），依靠WorldClim、CliMond、HWSD 等數據庫，將GIS 的空間聚類分析應用于中藥材量化分析中，能科學、精確、快速地分析出與中藥材主產區生態環境（氣候、土壤等）最為相近的區域，傳統的中藥材區劃僅限于國內，而GMPGIS 為全球藥用植物引種栽培提供重要數據支持。為擴大海外種植區域，以及藥用植物產業的合理布局提供科學的決策分析方法。截至目前，有報道顯示，人參[6]、北細辛[7]、檀香[8]、地烏[9]、肉豆蔻[10]等，已借助GMPGIS系統分析了全球產地適應性。

本研究采用GMPGIS系統對杜仲在全球的產地生態適應性進行分析，可為杜仲在全球的引種栽培提供科學指導。

圖1 杜仲全球樣點采集分布圖

2 GMPGIS系統

2.1 GMPGIS系統原理

按照引種生態相似性原則，首先，提取與中藥材道地產區、主產區中與環境相關的7大生態因子：最熱季均溫、最冷季均溫、年均溫度、濕度、降水、土壤、日照強度。其次，分別量化成柵格數據結構。然后，將生態因子數據轉換成每平方公里的單元網格，每一個網格相當于一個數據對象，其屬性值存放于相應網格屬性表中。最后，對網格數據進行空間聚類分析，根據相似程度不同劃分等級，以此劃定藥用植物的生態適宜區域。

2.2 GMPGIS數據標準化處理

數據標準化進行相似性聚類分析的前提，主要用于消除不同生態因子量綱不同對計算的影響，本系統采用線性標準化的方式對數據進行處理，利用公式

將各生態因子數據集標準化為0-100 的數據區間，用于進行相似性聚類分析。

相似性聚類分析用于對每個柵格的歐氏距離進行計算分類，GMPGIS 分析系統中的相似性聚類分析采用了歐氏距離算法的改進算法，其公式為

本算法是將地圖圖層中的每個空間柵格作為一個聚類對象，n 個標準化后的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。

柵格重分類用于將相似性聚類分析結果，根據不同需求分為多類，如：可將相似性聚類分析結果為0的柵格作為最大生態相似度的適宜生長區域，將大于0的柵格作為其他區域。

2.3 GMPGIS系統關聯數據庫

結合多個數據庫數據：①基礎地理信息數據庫，包括矢量數據結構的省區劃、縣區劃和鄉鎮區劃等數據；②氣候因子數據庫，主要包括WorldClim（WorldClimglobal climate data，http://www.worldclim.org/）中的最冷季均溫（BIO 11）、最熱季均溫（BIO 10）、年均溫（BIO 1）、年均降水（BIO 12）全球氣候數據庫[11]；全球生物氣候學建模數據庫中的年均輻射（BIO 20）、以及由其中的月均上午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；③土壤數據庫，主要來源于全球土壤數據庫（Harmonized World Soil Database，HWSD，http://www.iiasa.ac.at/），包括土壤類型、質地、有效含水量、有機質、酸堿度、電導率等指標[12]。

3 樣點選擇

通過查閱文獻和相關網站，在杜仲道地產區、主產區以及野生分布區收集樣點，最終篩選出337 個（圖1）。樣點信息來源如下：①國內來源主要采集于中國數字植物標本館網站（http://www.cvh.org.cn/）；②國外來源主要采集于全球生物多樣性信息官網（http://www.gbif.org/），英國皇家植物園官網（http://www.kew.org/）以及（http://www.discoverlife.org/）網站。經緯度查找和確定通過網站提供的經緯度坐標或通過谷歌地球進行搜索（http://www.earthol.com/）。

表1 杜仲最大生態相似度區域不同生態因子值

4 實驗結果及分析

4.1 生態因子值分析

用GMPGIS 系統對收集的樣點進行分析，知杜仲主要生長區生態因子值如下（表1）：最冷季均溫-3.9℃-12.8℃，最熱季均溫為13.7℃-28.4℃，年均溫6.5℃-20.3℃；年均相對濕度54.01%-79.00%；年均降雨量532 mm-1930 mm；年均日照強度104.22 W·m-2-170.38 W·m-2。適合杜仲栽種的土壤類型包括淋溶土、強淋溶土、始成土、人為土、高活性強酸土、粗骨土、沖積土、薄層土、黑鈣土、潛育土、白漿土、低活性淋溶土、灰壤、暗色土。隨后，進一步統計了各種生態因子在不同范圍值的樣點分布數量（表2）。結果顯示：最冷季均溫在-4℃-2℃落有105 個點，在2℃-8℃有212個點，在8℃-14℃有17個點；最熱季均溫在13℃-19℃有12 個點，落在19℃-25℃有168 個點，剩下157 個點落在25℃-31℃；年均溫度在12℃-18℃，落有261 個樣點；174個樣點的濕度在70%-80%，135個樣點的濕度在60℃-70℃；降水量在1000 mm-1500 mm 時，擁有195 個樣點；日照強度處于130 W·m-2-160 W·m-2時，有249個樣點（圖2）。對于土壤類型，統計后發現淋溶性土壤（淋溶土和強淋溶土）、始成土以及人為土在樣點里分布最多，占據了前三位。其中淋溶性土壤（淋溶土和強淋溶土）一共有128 個樣點，占37.98%；始成土58個樣點，占17.21%；人為土42個樣點，占12.46%，表明這三種土壤最適合杜仲栽培生長（表3）。綜上所述，最適合杜仲栽培的區域應符合以下條件：年均溫度12℃-18℃，年均相對濕度60%-80%，年均降水量1000 mm-1500 mm，年均日照強度130 W·m-2-160 W·m-2，最適土壤為淋溶性土壤。

表2 各生態因子不同范圍樣點數量

表3 不同土壤類型樣點分布數量

4.2 杜仲在全球的最大生態相似度區域分析

根據以上獲得的杜仲生態因子值范圍，利用加權歐式距離法計算得到杜仲最大生態相似度區域（指相似度在99.9%-100%的區域）的全球分布圖。由杜仲最大生態相似度區域分布廣泛，遍布全球主要大洲。亞洲地區分布于東亞和喜馬拉雅山麓以南地區（圖3，4）。主要包括東亞的中國、日本、韓國、朝鮮；南亞為印度、越南、老撾、柬埔寨等。歐洲部分適宜地區范圍廣布，包含了中歐、西歐和環地中海歐洲地區，部分地區靠近北極圈的北歐地區。如西歐的德國；環地中海地區的西班牙、法國、意大利；北歐主要為挪威和瑞典南部。非洲大陸包括北非的摩洛哥、阿爾及利亞和突尼斯；南部非洲主要分布于南非，此外，津巴布韋、馬達加斯加島以及坦桑尼亞和肯尼亞等，也有零星分布。美洲地區，北美洲和南美洲都有分布。北美地區涵蓋美國、墨西哥和多米尼加等，南美地區主要包括阿根廷、智力、烏拉圭、玻利瓦爾以及巴西等。大洋洲地區的澳大利亞和新西蘭皆有杜仲最大生態相似度區域。其中，澳大利亞的杜仲生態適宜區只分布于東海岸和西海岸和塔斯馬尼亞島；新西蘭北島和南島都為適宜區。可見，杜仲的可引種區域較大。但在以上國家和地區中，中國（2964755.94 km2）、美國（2891806.41 km2）這兩國為占有杜仲最大生態相似度區域總面積的前兩位國家并且遠超其他國家（圖5）。其次，在對占有杜仲最大生態相似度區域面積前10 個國家之間進行統計后，中國和美國所占有的面積比例占到這10個國家總面積的69%。另外，歐洲大片地區也適合對杜仲進行引種，如果從單一國家考慮，歐洲各國占有面積不大，但整個歐洲所擁有的杜仲生態適宜區較大。南美洲阿根廷適宜區面積（521497.82 km2）僅次于中國和美國，排名第三。大洋洲的澳大利亞（349743.11 km2）和新西蘭（182674.4694 km2）同樣擁有不小的杜仲生態適宜。

圖2 各樣點不同生態因子統計數據

圖3 杜仲最大生態相似度區域全球分布圖

圖4 杜仲最大生態相似度區域各洲局部放大圖

4.3 杜仲在中國的最大生態相似度區域分析

根據GMPGIS 系統分析，杜仲在中國的最大生態相似度區域包括華東、東南沿海、華中、華南、西南地區及西藏藏南地區和臺灣部分地區（圖6）。主要包括云南、四川、湖北、湖南、貴州、陜西、河南、甘肅、浙江、江蘇、福建、廣東、廣西、安徽、江西、山東、北京以及臺灣東部等地區。其中，云南（324094.09 km2）、四川（271166.62 km2）、湖南（239908.73 km2）所占面積排名前三（圖7）。在與《中國植物志》及相關文獻進行對比后，特別是張維濤等[13]、王璦琦等[14]的文獻中詳細說明了杜仲的分布區域在國內處于22°-42°N，100°-12°30′E，且福建以南省份溫度常年超過10℃[15]，在此種條件下，杜仲無法進行正常休眠，雖然能生長，但生長狀況不好。因此，結合生態因子分析結果、文獻記載、傳統產區、采收加工技術及社會經濟條件[16,17]，最適合引種區包括了西南、華中和華北廣大地區，以：湖北、四川、湖南、云南、重慶、貴州、山東為主。

圖5 杜仲全球最大生態相似度區域面積前十國家（單位：km2）

圖6 杜仲在中國的最大生態相似度區域

5 討論

5.1 生態因子結果

結合表2、圖2、以及表3。可以發現，相對于年均溫度和降水量，杜仲對于濕度和日照強度的適應范圍更窄。濕度都大于50%，不超過80%，且絕大多數處于60-80%；日照幾乎都集中在100 W·m-2-160 W·m-2。這樣的規律和杜仲實際引種情況以及前人的研究結果相符。因為杜仲北至山東、北京、甚至東北，能成功引種[18]，而這些地區年均溫度相對較低；南至云南、福建也能引種成功[16]，杜仲對于低溫尤其耐受，甚至溫度低至-40℃時也能越冬成功。從降水量來看，遼寧遼陽年均降水量765.1 mm，福建三明年均降水量1546.8 mm，相差781.7 mm，杜仲都能適應，受降水量影響相對較小[13]。綜上所述，在判斷某地是否適合種植杜仲或者進行引種時，在考慮各生態因子的同時，應著重考慮濕度和年均日照強度。

5.2 GMPGIS結果

此次結果與陳士林等[24]編寫的《中國藥材產地生態適宜性區劃》中關于杜仲的中國適宜性區劃圖對比，絕大部分的區域是一致的。不同之處主要在于南北界都有一定的擴張，如向北擴展到山東、北京；南邊的云南適宜區面積更大，甚至擴展至海南某些地區。在廣泛查閱文獻后可知：第一、杜仲在中國國內和國外早已廣泛引種。國內如云南、山東和北京[16]，甚至東北都成功引種[13,18,19]。其中，以云南大理和麗江最為成功，北京地區的杜仲也至少繁育至第二代[20]。山東省自20世紀50年代開始對杜仲進行引種，在開花結實及樹皮產量方面與原產地相似[15]。國外許多國家的杜仲也是由中國引種出去，如美國、瑞典、日本等[14]，其中瑞典屬于北歐國家，杜仲在瑞典的成功引種，也再次證明了GMPGIS 系統結果的正確性。而在選擇樣點時，也包括了這些穩定的引種區，自然結果也會覆蓋相似的地區，生態相似區域自然也會擴大。第二、這與全球變暖的大背景有著密切的關系。GMPGIS 系統分析出西藏藏南地區以及北歐部分地區也適合作為杜仲引種區。西藏地區出現杜仲生態適宜區緣于藏南地區氣候溫潤，雨水充沛，加之全球氣候變暖，導致藏南地區氣溫上升幅度達到0.34℃·10a-1[21-23]。第三、個別樣點的準確經緯度存在一定的誤差。在搜索文獻和數據庫時，絕大多數會給出杜仲栽培地的精確經緯度，但有極個別情況只給到地名。此時，又分成三種情況：①地名很詳細，通過谷歌地球網站進行搜索樣點時，準確尋找到樣點；②未給出詳細地址，難以找到精確的點位，這時的選點，難免帶有一定的主觀性，但距離準確點位很近且能確定氣候狀況基本一致，無影響；③樣點處于山區。沒有精確的經緯度，就不能精確定位海拔。如果海拔高度相差過大，氣候差異較大，會對結果造成一定的影響。但這種情況是極個別，在收集大量準確樣點信息后，這樣的微小誤差能夠忽略不計。

圖7 杜仲在中國最大生態相似度區域面積前十省份（單位：km2）

5.3 展望

中藥材近年越來越受到重視。剛出臺不久的《中醫藥發展戰略規劃綱要（2016—2030 年）》，明確提出了“制定中藥材主產區種植區域規劃。制定國家道地藥材目錄，加強道地藥材良種繁育基地和規范化種植養殖基地建設”。藥材的產地生態適宜性研究在“十一五”期間得到國家大力支持，也正是由于中藥材產業的熱潮，引發了中藥材盲目種植。GMPGIS系統的開發，目的在于為中藥材科學種植提供可靠的支持，這樣既解決了土地資源集約化、最大化利用的問題；也提供了中藥材種植區域規劃的標準確立；更重要的是，只有選擇適合特定藥材種植的地區進行種植，才能獲得高品質和高收益的中藥材。在全球各類生態因子數據庫和GMPGIS系統的不斷改進下，基于GMPGIS系統的藥材產地適應性分析會日臻完善。

5.4 結論

最適合杜仲栽培的區域應符合以下條件：年均溫度12℃-18℃，年均相對濕度60%-80%，年均降水量1000-1500 mm，年均日照強度130 W·m-2-160 W·m-2，最適土壤為淋溶性土壤。

杜仲最大生態相似度區域分布廣泛，遍布全球主要大洲。面積最大為亞洲、歐洲和美洲地區。其中，中國、美國和阿根廷為擁有最大生態相似度區域面積排名前三的國家。

運用GMPGIS系統能夠獲取杜仲最大生態相似度區域信息，并為今后杜仲合理引種提供可靠的數據支撐。