吴明丽，李西文，黄双建，3，吴 杰，陈士林＊＊

（1.湖北中医药大学药学院 武汉 430065；2.中国中医科学院中药研究所 北京 100700；3.蚌埠医学院生命科学系 蚌埠 233000）

广藿香全球产地生态适宜性分析及品质生态学研究＊

吴明丽1，2，李西文2，黄双建2，3，吴 杰2，陈士林1，2＊＊

（1.湖北中医药大学药学院 武汉 430065；2.中国中医科学院中药研究所 北京 100700；3.蚌埠医学院生命科学系 蚌埠 233000）

目的：本研究主要运用药用植物全球产地生态适宜性区划信息系统（GMPGIS），对广藿香全球生态适宜性进行分析。方法：以广藿香道地产区、主产区和野生分布区的234个分布数据为基点，选取最冷季均温、最热季均温、年均温、年均相对湿度、年均降水量、年均日照、土壤类型等7个生态指标作为主要的影响因子。结果：广藿香全球生态相似度最大的区域主要分布在巴西、刚果（民主共和国）、中国、印尼、美国、玻利维亚、秘鲁、哥伦比亚和缅甸等。结论：本研究表明了GMPGIS系统应用于中药材引种及生产区划的科学性和重要性，并为广藿香药材的引种及合理规划生产布局提供了参考依据。

广藿香 生态适宜性 生态因子 GMPGIS

广藿香为唇形科植物广藿香Pogostemon cablin（Blanco）Bent.的干燥地上部分，别名刺蕊草、藿香、海藿香，其性辛、微温；具有芳香化浊、和中止呕、发表解暑之功效[1]。广藿香原产于菲律宾、马来西亚、印度等国，宋朝时传入中国，以栽培为主，经历了1 000多年历史，已成为广东省名贵道地药材，“十大广药”之一。目前在广东、广西、海南等省区均有栽培[2,3]。广藿香因不同产地的生态环境、栽培习惯、加工方法等不同，其药材商品的性状及品质均有差异。国内市场流通的广藿香药材按产地不同一般可分为牌香（广东石牌产）、肇香或枝香（广东高要产）和南香（广东湛江、海南产）3种[4-6]。有不少文献证实，不同栽培地所产的广藿香药材在外形和内在化学成分方面均有不同[7]，其中牌香的品质最佳，为地道药材，是国内广藿香药材的主要来源，在国外市场亦享有盛誉；肇香或枝香的品质稍逊，也可药用；而南香主要用来提取藿香油（称“百秋李油”）[8,9]。但随着城市经济的快速发展，道地药材牌香的种植面积骤减，已无规模[10]，急需找到新的可替代的种植区[12]。

药用植物全球产地生态适宜性区划信息系统（Global Geographic Information System for Medicinal Plant，GMPGIS）是中国中医科学院中药研究所基于GIS框架自主研发的国际首个专业化药用植物产地适宜性分析系统。本研究首次以广藿香主产区分布数据、全球基础地理信息数据库、全球气候因子数据库和土壤数据库为后台数据，将GMPGIS系统作为分析平台，在全球范围内对广藿香生态适宜产区进行定量化、可视化分析，为今后广藿香药材的引种及合理规划生产布局提供科学依据[13]。

1 材料

1.1 广藿香分布点数据

本课题组通过野外实地采集广藿香样品，同时查阅《中国植物志》、Flora of China、中国数字植物标本馆（Chinese Virtual Herbarium，CVH）、全球生物多样性信息网络（Global Biodiversity InformationFacility，GBIF）等网站及相关文献，选择广藿香药材道地产区、主产区和野生分布区的234个样点进行广藿香全球产地生态适宜性分析（图1）。

1.2 生态因子数据

本系统采用的气候数据主要来源于WorldClim全球气候数据库＊＊ http∶//www.worldclim.org/＊＊ https∶//www.climond.org/＊＊＊ http∶//www.iiasa.ac.at/[14]和CliMond全球生物气候学建模数据库＊＊＊ http∶//www.worldclim.org/＊＊ https∶//www.climond.org/＊＊＊ http∶//www.iiasa.ac.at/[15]。WorldClim是国际社会公认的区域性精确度较高的气候数据库，包括月最低温度、月最高温度、月均温度、月均降水、海拔以及19个生物气候数据图层。CliMond数据库致力于分享不同格式环境数据、建模数据等，用于物种分布模型、物种濒危模型及全球气候变化等生态领域问题研究，这些数据包括：月最低温度、月最高温度、月均降水、月均上午9时相对湿度、月均下午3时相对湿度以及35个生物气候数据图层。

土壤数据来自全球土壤数据库（Harmonized World Soil Database，HWSD）。HWSD由联合国粮食与农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）和国际应用系统分析研究所（International Institute for Applied Systems Analysis，IIASA）＊＊＊＊ http∶//www.worldclim.org/＊＊ https∶//www.climond.org/＊＊＊ http∶//www.iiasa.ac.at/共同组建，其中包括：土壤名称（参照FAO 90土壤分类系统）、质地、有效含水量、有机质、酸碱度、电导率等指标。土壤类型包括低活性强酸土、高活性强酸土、黑钙土、钙积土等28种。

本研究选取了年均温（BIO 1）、最热季均温（BIO 10）、最冷季均温（BIO 11）、年均降水（BIO 12）、年均辐射（BIO 20）、由月均上午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、土壤类型等7个生态因子用于广藿香药材的产地适宜性研究。

2 方法

2.1 数据标准化

在进行相似性聚类分析前先将各种数据进行标准化处理，以消除不同量纲的影响。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

图1 广藿香全球分布点地图

聚类分析简称聚类，是把数据对象划分成子集的过程。每个子集是一个簇，使簇中的对象彼此相似，而与其它簇中的对象不相似，由聚类分析产生的集合称为簇类。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

基于广藿香在全球主要分布区的234个样点信息，GMPGIS系统分析得到了广藿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（图2）。

3.1 广藿香主要生长区域生态因子值

广藿香为多年生草本，其生物学特征为：喜高温，忌严寒，尤怕霜冻，最适生长气温为25-28℃。不耐烈日强光暴晒，尤其在幼苗期更怕强光，需要适当荫蔽，但成龄植株又要求在全光照下才能生长茂盛。广藿香忌干旱，喜雨量充沛、分布均匀、湿润的环境，适宜于年降水量1 600-2 000 mm、相对湿度80%以上的气候。土壤以土质肥沃疏松、土层深厚、排水良好、微酸性的砂壤土为宜，在排水不良的黏土或低洼积水地种植则生长不良[16,17]。由GMPGIS系统分析得到的广藿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，本研究获得的广藿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，验证了本文选用的广藿香分布点数据的科学性和可靠性。

3.2 广藿香全球生态适宜性区划研究

从图2中可以看出，广藿香在全球最大的生态相似度区域主要分布在南美洲的巴西、玻利维亚、秘鲁、哥伦比亚、委内瑞拉，非洲的刚果（民主共和国）、坦桑尼亚、安哥拉、莫桑比克、越南、喀麦隆、赞比亚，亚洲的中国、印度尼西亚、缅甸、泰国、印度、老挝、菲律宾、马来西亚，北美洲的美国、墨西哥，大洋洲的巴布亚新几内亚等国。其中，广藿香在巴西、刚果（民主共和国）和中国的最大生态相似度区域面积最大，约占全球最大生态相似度区域总面积的一半（图3）。

表1 广藿香全球范围内主要生长区域生态因子值

图2 广藿香全球最大生态相似度区域分布图

为了充分验证GMPGIS系统在广藿香产地适宜性分析结果的可靠性，本研究采用最大熵模型（MaxEnt）系统进行数据平行分析比对，得到了广藿香全球生态适宜区预测图（图4）。

MaxEnt作为机器学习算法模型的一种，在国内外广泛用于预测生物物种的潜在分布区，预测效果较好[18,19]。MaxEnt分析结果显示，广藿香生态适宜区主要分布在南美洲的巴西，非洲中部的刚果（民主共和国）、安哥拉、赞比亚，亚洲的中国、印度、老挝、缅甸、越南等国。两种方法的分析结果基本一致，同时，上述分布区与文献记载[17]的分布范围也基本吻合，证实了GMPGIS系统的科学性和导向性。需要指出的是，由GMPGIS系统分析得到的广藿香全球生态适宜区域略大于MaxEnt系统的分析结果。这是由于MaxEnt的算法会自动遗漏一些分布点数据，使预测区缩小；而GMPGIS系统采用的是欧氏聚类算法，能囊括所有分布数据，准确度较高，并可细化达到乡镇级。

4 广藿香品质生态学研究

图3 广藿香主要生态适宜区面积比例图

图4 广藿香全球生态适宜区预测图

中药材的生长、产量及品质等都与其生存的地理环境息息相关。刘玉萍等[20]和罗集鹏等[21]开展了广藿香的道地性研究，对中国广东省各产区的广藿香进行了气候、土壤的分析比较，阐明了广藿香道地性的内涵及其形成原因。其结果表明气温和日照对广藿香挥发油主要成分广藿香醇和广藿香酮的合成和积累有一定影响，前者随气温和日照的增加而略有增加，后者则相反；而土壤中宏量元素和微量元素对上述成分的影响不明显。姬生国等[22]采用气相色谱法研究了不同光照强度对广藿香中百秋李醇含量的影响，结果表明适当的遮阴处理对获得高品质广藿香药材有一定的促进作用。庞玉新等[23]研究比较了橡胶林下栽培和露地栽培条件下广藿香精油的产量与品质差异，证实了2-3年树龄橡胶林是广藿香适宜栽培环境，其对广藿香精油的产量与品质影响较小。黄艳萍等[24-26]研究了水分对广藿香生长、生理生化特性及有效物质累积等的影响，结果表明土壤含水量为土壤田间最大持水量的60%时处理广藿香叶绿素荧光参数水平最佳，而在土壤水分80%-85%处理下，广藿香所含有效成分的累积增加，即适度干旱有利于提高生长期广藿香的产量与品质。李龙明等[27]比较了不同连栽年限对广藿香植株生长及其药材品质的影响，结果显示连栽对广藿香植株的生长、抗氧化酶活性、总挥发油及百秋李醇积累均有一定程度的抑制影响。杨新全等[28]通过对海南广藿香传统及新种植模式的比较研究，发现新模式种植下的广藿香产量和出油率明显提高。

区域生态环境具有整体性、复杂性、动态性和综合性的特点。因此，生态环境对中药材产量及质量的影响应着重于多个生态因子的动态宏观研究。本研究尝试构建广藿香全球道地产区、主产区和野生分布区的不同生态因子间的气候特征曲线，探寻广藿香不同产区的气候特征，为广藿香药材的引种和栽培提供气候需求特征数据。以GMPGIS系统分析得到的广藿香234个分布点的各生态因子数值为基础，本文分别构建了年均温、年均相对湿度、年均降水量、年均日照间的两两比值曲线，通过对比发现，只有年均温与年均日照的比值基本稳定在1-2之间（变异系数0.09），推测可将该气候特征曲线（图5）作为广藿香产地适宜性分析的一个重要生态特征。

5 讨论

中药材引种的基本原则是气候相似，即引种区与原产区的气候条件相似[29]。依据气候相似性引种，不仅能保证药材的正常生长，还能保障药材品质。光照、温度、水分作为构成气候条件的主要因子，是中药材产地适宜性评价的主要指标[30]。环境中的土壤条件与中药材品质密切相关，也是一个重要的生态因子[31]。因此，本课题组基于GIS系统，自主研发了药用植物全球产地生态适宜性区划信息系统（GMPGIS），将影响中药材生长的主要生态因子进行了量化和综合分析，以期能科学、快速、准确地计算出与药材道地产区生态环境最为相近的区域，从而科学地引导中药材引种、扩种及区划。

图5 广藿香分布点年均温与年均日照比值折线图

本文首次以广藿香为分析研究对象，引进GIS作为分析平台，采用GMPGIS系统，分析得到了广藿香在全球的生态适宜区域，并给出了主要分布区域的生态因子范围及最大生态相似度区域分布图。同时，将GMPGIS系统分析结果与MaxEnt模型预测结果及文献记载进行对比研究，结果证明了GMPGIS系统分析结果的可靠性及准确性，为广藿香药材的引种、扩种以及种植区划提供了理论依据。最后，本文提供了一种建立广藿香气候特征曲线的思路，研究尚浅，还有待继续挖掘。当然，GMPGIS系统也存在一定不足。但随着今后全球气候因子数据库、土壤数据库等各项基础数据库的日益完善，以及对算法、各生态因子研究的进一步深入，药用植物全球产地生态适宜性分析将更加科学合理。

1 国家药典委员会.中国药典(一部).北京:中国医药科技出版科, 2015: 45.

2 吴友根,郭巧生,郑焕强.广藿香本草及引种历史考证的研究.中国中药杂志, 2007, 32(20): 2114-2181.

3 张英,周光雄.广藿香的本草考证研究.中药材, 2015, 38(9): 1986-1989.

4 林小桦,贺红.广藿香种质资源的研究现状及存在问题.现代中药研究与实践, 2005, 19(4): 60-62.

5 龙膺西.不同产地广藿香品质评价研究.广州:广州中医药大学硕士学位论文, 2005: 3-5.

6 冯承浩.不同产地广藿香的比较研究.韶关学院学报, 2006, 27(6): 100-103.

7 肖翔林,龙膺西.近年来广藿香的研究概况.中药材, 2004, 27(6): 456-459.

8 张英,陈瑶,张金超,等.广藿香ITS基因型与地理分布的相关性分析.药学学报, 2007, 42(1): 93-97.

9 罗集鹏,冯毅凡,何冰,等.广藿香的道地性研究.中药材, 2005, 28(12): 1121-1125.

10 郭治兴,柴敏,王静,等.广东省广藿香土壤生态适宜性评价. 2011, 28(1): 70-108.

11 陈士林,张本刚,杨智,等.全国中药资源普查方案设计.中国中药杂志, 2005, 30(16): 1229-1232.

12 陈士林,魏建和,黄林芳,等.中药材野生抚育的理论与实践探讨.中国中药杂志, 2004, 29(12): 1123-1126.

13 陈士林,索风梅,韩建萍,等.中国药材生态适宜性分析及生产区划.中草药, 2007, 38(4): 481-487.

14 Zhuravlev Y N, Koren O G, Reunova G D, et al. Ginseng conservation program in Russian primorye: Genetic structure of wild and cultivated populations. J Ginseng Res, 2004, 28(1):60-66.

15 Zhuravlev Y N, Reunova G D, Kats I L, et al. Genetic variability and population structure of endangered Panax ginseng in the Russian Primorye. Chinese Medicine, 2010, 5(21):1-9.

16 徐颂军,王晓峰,徐祥浩,等.药用植物广藿香的品种分类探讨.华南师范大学学报, 2003(1): 82-86.

17 张英,陈瑶,张金超,等.广藿香ITS基因型与地理分布的相关性分析.药学学报, 2007, 42(1): 93-97.

18 Elith J, Graham C H, Anderson R P, et al. Novel methods improve prediction of species’ distributions from occurrence data. Ecography, 2006, 29: 129-151.

19 Phillips S J, Anderson R P, Schapire R E. Maximumentropy modeling of species geographic distributions. Ecological Modelling, 2006, 190: 231-259.

20 刘玉萍,罗集鹏,冯毅凡,等.广藿香的基因序列与挥发油化学型的相关性分析.药学学报, 2002, 37(4): 304-308.

21 罗集鹏,刘玉萍,冯毅凡,等.广藿香的两个化学型及产地与采收期对其挥发油成分的影响.药学学报, 2003, 38(4): 307-310.

22 姬生国,蔡佳良,卢慧娟,等.不同光照强度对广藿香中百秋李醇含量的影响.湖北农业科学, 2016, 55(2): 406-409.

23 庞玉新,张影波,吴敏,等.橡胶林下栽培和露地栽培广藿香精油成分的对比研究.生物质化学工程, 2014, 49(5): 15-18.

24 黄艳萍,袁萍,沈晓萌,等.水分胁迫对广藿香叶绿素荧光特征的影响.安徽农业科学, 2016, 44(1): 171-173.

25 黄艳萍,袁萍,沈晓萌,等.水分胁迫对不同广藿香品种生理生化的影响.安徽农业科学, 2015, 43(17): 79-81.

26 黄艳萍,袁萍,沈晓萌,等.不同水分处理对广藿香生长、生理生化特性及有效物质积累的影响.中国现代中药, 2015, 17(5): 471-474.

27 李龙明,李明,倪韵琪,等.不同连栽年限对广藿香植株生长及其药材品质的影响.广东药学院学报, 2016, 32(3): 315-319.

28 杨新全,何明军,杨海建.海南广藿香不同种植模式比较研究.中国农业信息, 2013(21): 79.

29 孙成忠,赵润怀,陈士林,等.基于聚类的空间数据挖掘技术在中药资源分析中的应用.测绘通报, 2008, 9: 46-49.

30 孙成忠,陈士林,魏建和,等.基于GIS技术的中药材适宜性数值区划划分.世界科学技术-中医药现代化, 2009, 11(1): 48-63.

31 谢彩香,宋经元,韩建萍,等.中药材道地性评价与区划研究.世界科学技术-中医药现代化, 2016, 18(6): 950-957.

A Suitability Evaluation of the Global Producing Area of Pogostemon Cablin Based on GMPGIS

Wu Mingli1,2, Li Xiwen2, Huang Shuangjian2,3, Wu Jie2, Chen Shilin1,2
(1. School of Pharmacy, Hubei University of Chinese Medicine, Wuhan 430065, China;
2. Institute of Chinese Materia Medica, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100700, China;
3. Department of Life Sciences, Bengbu Medical College, Bengbu 233000, China)

Global geographic information system for medicinal plant (GMPGIS) was developed and applied to analyze the optimum producing area of P. cablin rested on 234 occurrence records in the main producing areas of its species and seven key factors, such as annual mean temperature, mean temperature of warmest quarter, mean temperature of coldest quarter, annual precipitation, annual mean radiation, annual mean relative humidity and soil type. As a result, it was found that the optimum producing area of P. cablin mainly involved Brazil, Democratic Republic of the Congo, China, Indonesia, the United States, Bolivia, Peru, Colombia and Myanmar, etc. In conclusion, it was demonstrated that the GMPGIS had significant meaning of introducing a fine variety and producing the division of medicinal plants scientifically, providing a reference for evaluating the suitablity of the optimum producing area and the introduction of P. cablin.

Pogostemon cablin, ecological suitability, ecological factors, global geographic information system for medicinal plant

10.11842/wst.2016.08.005

R282

A

（责任编辑：朱黎婷，责任译审：朱黎婷）

2016-07-29

修回日期：2016-08-15

＊ 科学技术部国家科技计划港澳台合作专项（2015DFM30030）：中国国际贸易中安全性关键环节研究，负责人：陈士林；科学技术部重大新药创制专项子课题（2014ZX09301308-007）：苗药芪胶升白胶囊技术改造及再评价研究，负责人：李西文。

＊＊ 通讯作者：陈士林，本刊编委，研究员，主要研究方向：中药资源学。