補骨脂全球適宜性區(qū)劃研究＊

王 山，孫 莉，吳 杰，李西文＊＊

（1.中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所 北京 100700；2.寧夏大學(xué)信息工程學(xué)院 銀川 750021）

補骨脂全球適宜性區(qū)劃研究＊

王 山1，2，孫 莉1，2，吳 杰1，李西文1＊＊

（1.中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所 北京 100700；2.寧夏大學(xué)信息工程學(xué)院 銀川 750021）

中藥材的引種是擴大藥材生產(chǎn)、滿足市場需求的重要途徑，但不科學(xué)的引種會削弱藥材的道地性，導(dǎo)致藥材質(zhì)量下降，影響臨床療效。因此，對藥用植物道地產(chǎn)區(qū)、野生分布區(qū)的氣候條件和土壤條件的相似性進行分析十分重要。采用中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所自主研發(fā)的“藥用植物全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性區(qū)劃信息系統(tǒng)”（GMPGIS），以本草文獻記載的道地產(chǎn)區(qū)、野生分布區(qū)以及當(dāng)前主產(chǎn)區(qū)126個樣點的生態(tài)環(huán)境因子值為計算依據(jù)，經(jīng)過生態(tài)相似性比對分析，獲得補骨脂全球范圍內(nèi)的最佳生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)和潛在種植區(qū)，主要包括中國、美國、澳大利亞、墨西哥、印度等國家。其中，補骨脂在中國的生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)主要包括云南、四川、廣西、湖南、湖北、重慶等省區(qū)。本研究為補骨脂的規(guī)模化種植、引種栽培和保護撫育提供了科學(xué)依據(jù)，合理的選地標(biāo)準(zhǔn)為高品質(zhì)補骨脂的科學(xué)生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

補骨脂 生態(tài)產(chǎn)地適宜性 歐式距離 GMPGIS

補骨脂為豆科補骨脂屬植物Psoralea corylifolia L.，別名破故紙、黑故子、婆固脂[1]。其果實經(jīng)曬干，搓出的果實可入藥，性溫，味辛、苦，具有溫腎助陽、健脾散寒、補精益髓等功效；常用于治療腰膝冷痛、腎虛作喘、五更泄瀉?！侗静輬D經(jīng)》有相關(guān)記載：“補骨脂，今人多以胡桃合服，此法（用）破故紙十兩，凈擇去皮，洗過搗篩令細，用胡桃瓤二十兩，湯浸去皮，細研如泥，即入前末，更以好蜜和攪令勻如飴糖，盛于磁器中。旦日以暖熟水調(diào)亦可服，彌久則延年益氣，悅心明目，補添筋骨。但禁食蕓薹、羊血，馀無忌”。在外用方面，補骨脂已在中國和印度傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中，對各種皮膚炎癥疾病的治療發(fā)揮了重要作用。補骨脂含有多種活性成分，主要包括香豆素類、黃酮類、單萜酚類等多種化合物[2，3]，具有免疫調(diào)節(jié)、抗炎、抗氧化、抗腫瘤等功效[4，5]。尤其是補骨脂的雌激素樣作用，可治療更年期的骨質(zhì)疏松。

補骨脂藥材是較名貴的中藥材，原植物為一年生草本，多生于原野、溪旁、田邊草叢中，喜歡溫暖濕潤氣候，喜陽光，通常在土層深厚、肥沃疏松、排水良好的夾沙土上生長良好，其果實多為扁圓狀，一端略尖，有較強的芳香味。古代的補骨脂為舶來品，據(jù)蘇頌《本草圖經(jīng)》卷7記載：“此物本自外蕃隨海舶而來，非中華所有，蕃人呼為補骨脂，語訛化為破故紙也”。明代后，中國河南、四川、陜西等地有栽培。20世紀(jì)90年代以來，大量補骨脂從緬甸進口，國內(nèi)藥農(nóng)逐漸減少種植，栽培補骨脂面積極度萎縮。

“藥用植物全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析系統(tǒng)”（Geographic Information System for Global Medicinal Plants，GMPGIS）是由中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所自主研發(fā)中藥材產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)以GIS為基礎(chǔ)，將氣候數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息以及中藥材資源普查數(shù)據(jù)庫結(jié)合起來，作為該系統(tǒng)的運作基礎(chǔ)。

為實現(xiàn)中藥資源普查和中藥現(xiàn)代化進程以中藥材的野生撫育[6，7]，本文通過GMPGIS對國內(nèi)及全球生長適宜性進行區(qū)劃[8]。結(jié)合補骨脂生物學(xué)特性，考慮自然等條件，預(yù)測分析補骨脂最大生態(tài)相似度區(qū)域，為人工引種栽培提供重要的參考價值。

1 數(shù)據(jù)分析

1.1 補骨脂采樣點

本文從道地產(chǎn)區(qū)、野生產(chǎn)區(qū)、中國數(shù)字植物標(biāo)本館（http∶//www.cvh.org.cn）、英國皇家植物園（http∶// apps.kew.org）、全球生物多樣性信息數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)（http∶//www.gbif.org）及參考文獻[9-11]，選取了126個生態(tài)數(shù)據(jù)點，主要分布于非洲南部、南北美洲和大洋洲，少數(shù)位于亞洲和溫帶歐洲。其中，中國有補骨脂P. corylifolia L. 1種，產(chǎn)自西南部地區(qū)，種子入藥，具體分布點見表1。

1.2 GMPGIS數(shù)據(jù)來源

本文使用的氣候數(shù)據(jù)主要來源于全球氣候數(shù)據(jù)庫（WorldClim-Global Climate Data，WorldClim）[12]和CliMond全球生物氣候?qū)W建模數(shù)據(jù)庫（CliMond∶ Global Climatologies for Bioclimatic Modelling）[13]，土壤數(shù)據(jù)來源于全球土壤數(shù)據(jù)庫（Harmonized World Soil Database，HWSD）。WorldClim氣候柵格數(shù)據(jù)集，分辨率為30′′，包括月最低溫度（Min Temperature）、月最高溫度（Max Temperature）、月均溫度（Mean Temperature）、月均降水（Precipitation）、海拔（Altitude）以及19個生物氣候數(shù)據(jù)圖層。本研究選取其中的年均溫BIO1、最熱季均溫BIO10、最冷季均溫BIO11、年均降水BIO12等數(shù)據(jù)用于補骨脂適宜產(chǎn)區(qū)分析。CliMond數(shù)據(jù)庫氣候柵格數(shù)據(jù)的分辨率為10′，數(shù)據(jù)庫中包括溫度、濕度等30多個生物氣候數(shù)據(jù)圖層。本研究選取年均輻射BIO20、相對濕度用于補骨脂全球最適宜產(chǎn)區(qū)分析。DHWSD是由聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）和國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所（IIASA）共同組建的（http∶//www.iiasa.ac.at/）。HWSD數(shù)據(jù)庫包括土壤名稱（參照FAO90土壤分類系統(tǒng)）、質(zhì)地、有效含水量、容量、有機質(zhì)等指標(biāo)。土壤類型包括低活性強酸土、高活性強酸土、暗色土、砂土等28種。

表1 補骨脂全球范圍內(nèi)選樣點及數(shù)量

1.3 系統(tǒng)分析

1.3.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化也就是統(tǒng)計數(shù)據(jù)的指數(shù)化[14]。指數(shù)化處理主要包括數(shù)據(jù)同趨化處理和無量綱化處理兩個方面，前者主要解決不同性質(zhì)數(shù)據(jù)問題，對不同性質(zhì)指標(biāo)直接加總不能正確反映不同作用力的綜合結(jié)果，須先考慮改變逆指標(biāo)數(shù)據(jù)性質(zhì)，使所有指標(biāo)對測評方案的作用力同趨化，再加總才能得出正確結(jié)果。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的方法有很多種，常用的有“min-max標(biāo)準(zhǔn)化”、“Z-score標(biāo)準(zhǔn)化”和“按小數(shù)定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化”等。

該系統(tǒng)使用的是“min-max標(biāo)準(zhǔn)化”，對原始數(shù)據(jù)進行線性變換。具體是指，設(shè)minX和maxX分別為生態(tài)因子X的最小值和最大值，將X的一個原始值oldValue通過min-max標(biāo)準(zhǔn)化映射成在區(qū)間[0,100]中的值newValue。如公式（1）所示：

1.3.2 聚類分析

聚類分析（Cluster Analysis）又叫聚類（Clustering），通常是將數(shù)據(jù)分類到不同的類或者簇的一個過程，使得同一個簇中的對象有很大的相似性，而不同的簇之間有很大的差異性，聚類產(chǎn)生的集合稱為簇類[15-18]。GMPGIS分析系統(tǒng)中采用的聚類分析是將每個空間柵格作為一個聚類對象，輸入的N個生態(tài)因子數(shù)值作為該柵格聚類的條件，每個柵格可以看成一個N維的向量，比如第i個柵格的向量表示為：Xi=[x1，x2...xn]。該系統(tǒng)聚類之間的距離采用加權(quán)歐氏距離（Weighted Euclidean Distance，WED）進行計算。我們用向量W為該物種對應(yīng)的環(huán)境因子所取的權(quán)重，那么對于第i個柵格對象與第j個柵格間加權(quán)歐式距離公式如下：

表2 聚類分析的算法及過程

我們令W=[w1，w2，...，wn]那么公式（1）轉(zhuǎn)換為：

假設(shè)數(shù)據(jù)集D包含作為歐氏空間中的對象，利用生態(tài)因子標(biāo)準(zhǔn)化柵格數(shù)據(jù)與采樣點矢量數(shù)據(jù)圖層，將生態(tài)閾值范圍內(nèi)的距離設(shè)置為0，閾值范圍外則根據(jù)歐式距離進行計算，算法如表2所示。

2 結(jié)果

2.1 補骨脂在全球的最大生態(tài)相似度區(qū)域分析

目前，中國的補骨脂商品藥材幾乎均由緬甸經(jīng)云南邊貿(mào)城市瑞麗口岸進入國內(nèi)，由于緬甸氣候條件特別適宜補骨脂生長，因此資源十分豐富，且均為野生分布。廣西玉林、四川荷花池、安徽亳州等藥材市場幾乎為進口商品；昆明菊花村藥材市場，進口與云南野生補骨脂各半，但藥商一般并未嚴(yán)格區(qū)分；河南藥材市場有少量當(dāng)?shù)匾吧?。早?995年以前河南、四川、重慶等地仍保持著種植的習(xí)慣，后由于國外大量進口價格低廉，所以國內(nèi)并未大量生產(chǎn)種植[19]。

本文在全球范圍內(nèi)共采集126個采樣點，基于補骨脂在全球分布區(qū)的126個樣點信息，GMPGIS分析得到補骨脂主要生長區(qū)域生態(tài)因子值范圍（表2）和補骨脂最大生態(tài)相似度區(qū)域全球分布圖（圖1）。由圖1可知：補骨脂在全球的最大生態(tài)相似度區(qū)域主要分布在亞洲的中國、日本、韓國、朝鮮、土耳其、格魯吉亞、阿塞拜疆及亞美尼亞；歐洲的俄羅斯、法國、意大利、烏克蘭、塞爾維亞、保加利亞、西班牙、匈牙利、羅馬尼亞、德國、瑞士以及北美洲的美國、加拿大等地區(qū)。補骨脂全球最大生態(tài)相似度區(qū)域面積比例圖見圖2，補骨脂在美國、加拿大和中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域面積最大，占補骨脂全球最大生態(tài)相似度區(qū)域面積的72.25%。

根據(jù)GMPGIS系統(tǒng)分析得到補骨脂主要生長區(qū)域生態(tài)因子范圍：最冷季均溫-5.7至21.7℃；最熱季均溫16.0-32.0℃；年均溫9.4-27.0℃；年均相對濕度47.0-77.1%；年均降水量46-2984 mm；年均日照124.4-227.3W/m2；土壤類型以強淋溶土、暗色土、始成土、潛育土、薄層土、淋溶土、黑土等等為主（表2）。

圖1 補骨脂最大生態(tài)相似度區(qū)域全球分布圖

圖2 補骨脂全球最大生態(tài)相似度區(qū)域面積比例圖

2.2 補骨脂在中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域分析

基于補骨脂在中國的樣點信息，根據(jù)GMPGIS分析得到補骨脂在中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域分布（圖3）。補骨脂在中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域包括云南、四川、廣西、湖南、湖北、河南、貴州、江西、山東、廣東、安徽、陜西等省區(qū)（圖4）。這與文獻記載及實際主產(chǎn)區(qū)域基本吻合。其中，面積居前3位的區(qū)域是云南省、四川省和廣西?。▓D5）。其中，云南省適宜產(chǎn)區(qū)包括鶴慶、丘北、廣南、宣威、富錦、昌寧、鎮(zhèn)雄等縣，四川省適宜產(chǎn)區(qū)包括萬元、通江、南江、宣漢、達縣、興文、青川等縣，廣西省適宜產(chǎn)區(qū)包括融水、環(huán)江、田林、桂平、南丹、蒼梧、八步、鹿寨等縣（表3）。

3 品質(zhì)生態(tài)學(xué)研究

補骨脂具有很高的藥用價值，不同的地理環(huán)境

對其質(zhì)量影響也不同[20]，合理進行引種規(guī)劃時，也要考慮中藥材的品質(zhì)，不應(yīng)因地域的變化而降低藥材質(zhì)量。品質(zhì)生態(tài)學(xué)的研究對于保護藥材道地性，使其在引種時并不改變藥用價值起到了重要的衡量作用，保護藥材所具有的藥效和成份。彭銳等[21]對溫度、濕度、土壤等因素對補骨脂的影響進行了研究與分析，結(jié)果表明：補骨脂幼苗生長時期對溫度和濕度較為敏感，同時分析了補骨脂易于生長在含有氮肥和鉀肥的土壤中。楊榮平等[22]對重慶市合川補骨脂GAP種植基地所生產(chǎn)的補骨脂藥材進行了測定，結(jié)果顯示：重慶市合川補骨脂具有較好的質(zhì)量穩(wěn)定性，并且黃酮類成分含量比河南產(chǎn)補骨脂高，這說明不同產(chǎn)地的補骨脂所含成分有較大的差別。丁家欣等[23]應(yīng)用高效液相色譜法測定了不同產(chǎn)地補骨脂中補骨脂素、異補骨脂素的含量，結(jié)果顯示兩種成分的含量差別不大。

表3 補骨脂全球范圍內(nèi)主要生長區(qū)域生態(tài)因子值

圖3 補骨脂在中國最大生態(tài)相似度區(qū)域分布圖

圖4 補骨脂最大生態(tài)相似度區(qū)域圖

表4 補骨脂在中國的最大生態(tài)相似度主要區(qū)域

4 討論

4.1 補骨脂生態(tài)適宜區(qū)劃分的意義

中藥材盲目引種不僅造成資源、人力、物力的浪費, 還削弱了藥材的道地性, 導(dǎo)致藥材質(zhì)量下降, 影響治療效果。分析引種地與原產(chǎn)地氣候、土壤條件的相似性, 并根據(jù)藥材生長的限制因子確定全國范圍內(nèi)的適宜產(chǎn)地,是有效指導(dǎo)藥材引種、合理規(guī)劃生產(chǎn)布局的基本保證[24]。GMPGIS系統(tǒng)為補骨脂的栽培及引種提供了指導(dǎo)意義，但在實際引種與栽培規(guī)劃時，還需要考慮植物生長成本、加工技術(shù)、耕作條件、灌溉條件等其他非環(huán)境因素進行綜合考慮，以獲得良好的社會效益。這將為國內(nèi)擴大補骨脂種植面積提供積極作用。

圖5 補骨脂在中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域面積圖

4.2 驗證了GMPGIS系統(tǒng)的科學(xué)性和可靠性

本文以補骨脂為分析對象，采用GMPGIS系統(tǒng)，以地理信息系統(tǒng)為分析平臺，以年均溫、最熱季均溫、最冷季均溫、年均降水、年均日照強度、年均濕度等環(huán)境因子作為系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，并結(jié)合社會資源、藥材栽培和加工技術(shù)等，有效的對補骨脂的最大生態(tài)相似度區(qū)域進行了預(yù)測，并計算出了適宜分布區(qū)的面積，全球范圍內(nèi)潛在生長區(qū)域主要分布在中國、美國、澳大利亞、墨西哥、印度等地區(qū)；國內(nèi)引種建議選擇在云南、湖南、廣西、湖北、貴州、江西、重慶等一帶為宜；本研究中系統(tǒng)預(yù)測區(qū)域與實際引種區(qū)域基本吻合，驗證了GMPGIS系統(tǒng)分析結(jié)果的可靠性。

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A Suitability Research of Global Ecological Regions of Psoralea corylifolia Linn.

Wang Shan1,2, Sun Li1,2, Wu Jie1, Li Xiwen1
(1. Institute of Chinese Materia Medica, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing100700, China;
2. College of Information Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

The introduction of Chinese medicinal materials is a criticle routine for expanding the production scale of medicinal materials, which meet current market demands. However, inappropriate introduction of indigenous medicinal materials has depressed their medical properties, bringing adverse effects on the quality of medicinal materials and their clinical efficacy. Therefore, it is particularly important to implement similarity analysis of the climate and soil conditions in the indigenous producing areas and wild distributions of medical plants. Inthis study, a zoning information system for the ecological suitability of global producing areas, global geographic information system for medicinal plant (GMPGIS), was developed by Institute of Chinese Materia Medica, China Academy of Chinese Medical Science. According to the ecological environment factors from 126 sampling sites in the indigenous producing areas recorded in acient herbal literature, wild distributions and current mainstream producing areas, the optimum suitable ecological regions and potential planting zones of scurfpea fruit were output by ecological similarity comparison analysis. China, the United States, Australia, Mexico, India and some other countries were involved in the ecological regions and planting zones. In China, the optimum ecological regions consisted of Yunnan, Sichuan, Guangxi, Hunan and Hubei provinces. In conclusion, this study laid a foundation for a prudent produce of high-quality scurfpea fruit with reliable selection standards and provisions of the scientific evidence behind its large-scale planting, introduction, cultivation, preservation and nurture.

Scurfpea fruit, ecological suitability of origin, euclidean distance, geographic information system for global medicinal plants

10.11842/wst.2016.08.008

R282.2

A

（責(zé)任編輯：馬雅靜，責(zé)任譯審：朱黎婷）

2016-07-29

修回日期：2016-08-12

＊ 科學(xué)技術(shù)部“重大新藥創(chuàng)制”科技重大專項子課題（2014ZX09304307001-014）：中藥新藥安全性檢測技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究，負責(zé)人：陳士林；科學(xué)技術(shù)部“十三五”國家科技支撐計劃（2015BAI05B02）：喀斯特山區(qū)中藥資源可持續(xù)利用關(guān)鍵技術(shù)，負責(zé)人：李西文。

＊＊ 通訊作者：李西文，副研究員，主要研究方向：中藥栽培與鑒定。