基于GMPGIS的地烏全球產地生態適宜性分析＊

吳明麗，胡志剛，裴 紅，湯鈺文，熊 超，李西文

（1.中國中醫科學院中藥研究所 北京 100700；2.湖北中醫藥大學藥學院 武漢 430065；3.廣州康和藥業有限公司 廣州 511440）

基于GMPGIS的地烏全球產地生態適宜性分析＊

吳明麗1，2，胡志剛2，裴 紅3，湯鈺文2，熊 超1，2，李西文1＊＊

（1.中國中醫科學院中藥研究所 北京 100700；2.湖北中醫藥大學藥學院 武漢 430065；3.廣州康和藥業有限公司 廣州 511440）

目的：本研究在藥用植物全球產地生態適宜性區劃信息系統（GMPGIS）的支持下，對鵝掌草全球生態適宜性進行了分析。方法：以地烏藥材原植物鵝掌草道地產區、主產區和野生分布區的195個分布數據為基點，選取年均溫、年均相對濕度、年均降水量、年均日照、土壤類型等7個生態指標作為主要影響因子。結果：鵝掌草全球生態相似度最大的區域主要分布在美國、俄羅斯、加拿大、中國、澳大利亞、哈薩克斯坦、墨西哥、阿根廷、伊朗、巴西、土耳其、烏克蘭、南非等國。其中，鵝掌草在中國的生態適宜性地區主要包括陜西、貴州、甘肅、四川、湖北、重慶、浙江、云南、江蘇、湖南等省區。結論：本研究表明了GMPGIS系統用于藥用植物產地生態適宜性分析的科學性和重要性，并為地烏藥材的引種以及合理規劃生產布局提供了參考依據。

地烏 生態適宜性 生態因子 GMPGIS

地烏為毛茛科植物銀蓮花屬鵝掌草Anemone flaccida Fr. Schmidt為毛茛科植物銀蓮花屬鵝掌草的根莖，又名地雷、黑地雷、金串珠?！顿F州民間藥物》記載，地烏“性溫，味辛微苦，可解毒，驅風濕”。民間多用于祛風濕、助筋骨，治療風濕疼痛、跌打損傷[1,2]，是湖北省土家族常用藥[3]。地烏藥材原植物鵝掌草，又名林蔭銀蓮花、二輪七、蜈蚣三七，主要分布于長江中下游各省，北達陜西省南部，南延華東[4-7]。目前，國內外對地烏藥材的研究尚少，且主要集中在藥理活性及化學成分等方面。邴飛虹等[8,9]以地烏為原料研制出了用于治療類風濕性關節炎的國家五類新藥——地烏風濕安膠囊，極具開發前景。野生鵝掌草雖分布很廣，但數量較少，處于瀕危邊緣[10,11]，且其對生長環境條件要求較高，極大地制約了其藥用成分的開發利用。因此，急需找到新的可替代的鵝掌草生態適宜區，并對其實施人工引種栽培，從而解決地烏藥材開發中資源短缺的問題[12,13]。

在WorldClim、CliMond、HWSD等國際數據庫及中藥材產地適宜性分析地理信息系統（Traditional Chinese Medicine Geographic Information System，TCMGIS）的基礎上，中國中醫科學院中藥研究所基于地理信息系統（Geographic Information System，GIS）框架，自主研發了國際上第一個專業化的藥用植物產地適宜性分析系統——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）。本研究借助GMPGIS系統作為分析平臺，首次以地烏藥材原植物鵝掌草的主產區分布點數據、全球基礎地理信息數據庫、全球氣候因子數據庫和土壤數據庫為后臺數據，在全球范圍內對鵝掌草生態適宜區域進行定量化、可視化分析，為今后地烏藥材的引種及合理規劃生產布局提供科學依據[14]。

1 GMPGIS系統

1.1 GMPGIS系統原理

GMPGIS系統以GIS為平臺，按照引種生態相似性原則，先將與中藥材道地產區環境相關的各生態因子分別量化成柵格數據結構，即將降水、溫度、濕度、土壤、日照等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，然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，從而確定藥用植物的生態適宜區域。

1.2 GMPGIS系統數據庫

數據是開展藥用植物產地生態適宜性分析的基礎，GMPGIS系統進行了多個數據庫的整合，其中主要包括：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全球氣候數據庫[15]和CliMond全球生物氣候學建模數據庫[16]；③土壤數據庫，主要來源于全球土壤數據庫（Harmonized World Soil Database，HWSD），包括土壤名稱、質地、有效含水量、有機質、酸堿度、電導率等指標；④中藥材分布空間數據庫，由全球藥用植物野生分布和產地數據以及第三次全國中藥資源普查數據與基礎地理信息數據整理、集成而來。

1.3 GMPGIS系統分析方法

1.3.1 數據標準化

在進行相似性聚類分析前必須將各種數據進行標準化處理，主要包括數據同趨化處理和無量綱化處理。數據標準化的方法較多，常用的有“min-max標準化”、“Z-score標準化”和“按小數定標標準化”等。GMPGIS系統采用的是“min-max標準化”方法，對原始數據進行線性變換，并將數據值歸一化到0-100，以消除不同量綱的影響。如公式（1）所示：

1.3.2 相似性聚類分析

聚類分析（Cluster Analysis）是指將數據劃分為不同的類或者簇的過程，又叫聚類。使同一個簇中的對象有很大的相似性，而與其它簇之間的對象有很大的差異性，由聚類產生的集合稱為簇類。GMPGIS系統所用的聚類分析是將每一個空間柵格作為一個聚類對象，輸入的n個生態因子數值作為該柵格的聚類條件，每個柵格可以看成一個n維的向量，那么第i個柵格的向量可以表示為：Xi=[x1，x2…xn]。系統采用歐氏距離聚類算法，將不同柵格按柵格間歐氏距離大小進行空間最小距離聚類分析，第i個柵格對象與第j個柵格對象間距離如公式（2）所示。

1.3.3 柵格重分類

根據聚類產生的結果[Mindij，Maxdij]，對整個柵格進行重分類，找出具有最大生態相似度的區域。

2 分析結果

2.1 鵝掌草分布點數據

本文在全球范圍內分別對中國、日本及俄羅斯遠東地區等鵝掌草主要分布區進行了選點。通過野外實地采集地烏藥材原植物樣品，同時查閱《中國植物志》電子版網站＊＊ http∶//frps.eflora.cn＊＊ http∶//www.cvh.org.cn＊＊＊http∶//www.gbif.org、中國數字植物標本館＊＊＊ http∶//frps.eflora.cn＊＊ http∶//www.cvh.org.cn＊＊＊http∶//www.gbif.org、全球生物多樣性信息網絡＊＊＊＊ http∶//frps.eflora.cn＊＊ http∶//www.cvh.org.cn＊＊＊http∶//www.gbif.org等網站及相關文獻，選擇鵝掌草道地產區、主產區、野生分布區的195個樣點進行鵝掌草全球產地生態適宜性分析（表1）。

表1 鵝掌草全球范圍內選樣點及數量

2.2 鵝掌草主要分布區氣候特征分析

地烏藥材原植物鵝掌草為陽性植物，性喜涼爽、潮潤、陽光充足的環境，較耐寒，忌高溫多濕。適應性較強，在偏酸、偏堿及中性土壤中均能生長[17]。本文參照鵝掌草植株生物學特性，選取了氣候因子數據庫中的年均溫（BIO1）、最熱季均溫（BIO10）、最冷季均溫（BIO11）、年均降水（BIO12）、年均輻射（BIO 20）、由月均上午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以及土壤數據庫中的土壤類型等7個對其生長影響較大的生態因子用于鵝掌草的產地適宜性研究。由GMPGIS系統分析得到的鵝掌草全球范圍內主要生長區域生態因子范圍如表2所示。

GMPGIS系統分析得出，鵝掌草主要分布區的最熱季均溫最高為30.8℃，而最冷季均溫最低可以達到-26.2℃，這充分體現了鵝掌草耐寒、忌高溫的生物特性；而鵝掌草忌多濕、耐干旱的特點則體現在年均相對濕度和年均降水量均較小上?？梢钥闯?，本研究獲得的鵝掌草主要生長區域的生態因子范圍與其生物學特性基本吻合，驗證了該系統選用的鵝掌草分布數據的可靠性和科學性。

2.3 鵝掌草生態適宜產區分析

根據上述獲得的生態因子數值范圍，利用GMPGIS系統預測得到鵝掌草最大生態相似度區域全球分布和全國分布。

2.3.1 鵝掌草在全球的最大生態相似度區域分析

由圖1可知：鵝掌草在全球的最大生態相似度區域主要分布在亞洲的中國、哈薩克斯坦、伊朗、土耳其、印度、日本；歐洲的俄羅斯、烏克蘭、西班牙、法國；北美洲的美國、加拿大、墨西哥；大洋洲的澳大利亞；非洲的南非以及南美洲的阿根廷、巴西等地區。鵝掌草全球最大生態相似度區域面積比例圖見圖2，鵝掌草在美國、俄羅斯、加拿大和中國的最大生態相似度區域面積最大，約占鵝掌草全球最大生態相似度區域面積的一半。

2.3.2 鵝掌草在中國的最大生態相似度區域分析

基于鵝掌草在中國的樣點信息，根據GMPGIS系統分析得到鵝掌草在中國的最大生態相似度區域分布（圖3）。結果顯示，鵝掌草在中國的最大生態相似度區域主要包括陜西省、湖北省、浙江省、云南省、貴州省、安徽省、江蘇省、重慶市、四川省、甘肅省、江西省、山東省、山西省、河北省、廣東省、廣西省等。據《中國植物志》[18]記載，地烏藥材原植物林鵝掌草分布于云南省西北部、四川省、貴州省、湖北省西部、湖南省、江西省、浙江省西北部、江蘇省南部、陜西省南部、甘肅省南部；在日本和蘇聯遠東地區也有分布。對比可以發現，由GMPGIS系統分析得出的鵝掌草生態適宜區域與《中國植物志》及相關文獻[19，20]記載的分布范圍基本吻合，可以證實GMPGIS系統的科學性和導向性。根據分析結果，結合鵝掌草生物學特性，并考慮其自然條件、社會經濟條件、藥材主產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陜西、湖北、重慶、貴州、云南等?。▍^）為宜。

表2 鵝掌草全球范圍內主要生長區域生態因子值

圖1 鵝掌草最大生態相似度區域全球分布圖

圖2 鵝掌草全球最大生態相似度區域面積比例圖

圖3 鵝掌草最大生態相似度區域中國分布圖

3 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，不同環境因素作用下的同一品種中藥材，其藥性、產量、品質都會有較大差別[21]。因此，氣候條件相似是中藥材引種的基本原則[22]。溫度、光照、水分及土壤作為構成環境的主要生態因子，與中藥材品質密切相關，是中藥材產地適宜性分析的主要評價指標[23]。本課題組在GIS組件的基礎上，自主研發了藥用植物全球產地生態適宜性區劃信息系統（GMPGIS），將影響中藥材生長的主要生態因子進行了量化和綜合分析，以期能科學、快速、準確地計算出與中藥材道地產區生態環境最為相似的區域，從而科學地引導中藥材引種、擴種及區劃。

本文首次以地烏藥材原植物鵝掌草為分析研究對象，引進GIS軟件作為主要分析平臺，采用GMPGIS系統，分析得到了鵝掌草在全球的生態適宜區域，并給出主要分布區域的生態因子范圍及最大生態相似度區域分布圖。同時，將GMPGIS系統分析結果與文獻記載進行對比，結果證實了GMPGIS系統分析結果的可靠性和準確性，為中藥材的引種、擴種以及種植區劃提供了理論依據。目前，有關鵝掌草品質生態學方面的研究較少，而鵝掌草品質的好壞直接關系到地烏藥材商品的價格和銷量，對整個地烏產業的發展影響較大。因此，很有必要加強對鵝掌草品質生態學方面的研究，為生產高品質的地烏藥材提供理論基礎。GMPGIS系統的成功研發，使中藥材種植區域可以擴大至全球范圍，能解決中藥材種植與農田、林地等土地資源間的矛盾，對中藥材全球化具有推動作用。相信隨著全球氣候因子數據庫、土壤數據庫等各項基礎數據庫的日益完善，以及對算法、各生態因子研究的進一步深入，藥用植物全球產地生態適宜性分析將更加科學合理。

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Suitability Evaluation of Anemone Flaccida's Global Producing Area Based on GMPGIS

Wu Mingli1,2, Hu Zhigang2, Pei Hong3, Tang Yuwen2, Xiong Chao1,2, Li Xiwen1
(1. Institute of Chinese Materia Medica, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100700, China;
2. Pharmacy Faculty, Hubei University of Chinese Medicine, Wuhan 430065, China;
3. GKH Pharmaceutical Ltd., China)

Global geographic information system for medicinal plant (GMPGIS) was developed and used to analyze the suitable producing area of A. flaccida based on 195 occurrence records in the main producing area of the species. Seven key factors referred to plant growth, such as annual mean temperature, annual precipitation, annual mean radiation, annual mean relative humidity and soil type, were chosen to be considered. The result showed that the suitable area for A. flaccida' growth mainly involved United States, Russia, Canada, China, Australia, Kazakhstan, Mexico, Argentina, Iran, Brazil, Turkey, Ukraine and South Africa, etc. What’s more, the ecological suitability regions of A. flaccida in China mainly covered Shanxi, Guizhou, Gansu, Sichuan, Hubei, Chongqing, Zhejiang, Yunnan, Jiangsu and Hunan provinces, etc. In conclusion, it was demonstrated that GMPGIS was scientific and valuable for the ecological suitability analysis of medicinal plants, which provided a reference for analyzing suitable producing areas and the introduction of A. flaccida.

Anemone flaccida, ecological suitability, ecological factors, GMPGIS

10.11842/wst.2016.08.010

R282

A

（責任編輯：朱黎婷，責任譯審：朱黎婷）

2016-07-28

修回日期：2016-08-15

＊ 科學技術部重大新藥創制國家科技重大專項子課題（2014ZX09304307001-014）：中藥新藥安全性檢測技術與標準研究，負責人：陳士林；科學技術部國家科技支撐計劃（2015BAI05B02）：喀斯特山區中藥資源可持續利用關鍵技術，負責人：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。