王 山，孙 莉，吴 杰，李西文＊＊

（1.中国中医科学院中药研究所 北京 100700；2.宁夏大学信息工程学院 银川 750021）

补骨脂全球适宜性区划研究＊

王 山1，2，孙 莉1，2，吴 杰1，李西文1＊＊

（1.中国中医科学院中药研究所 北京 100700；2.宁夏大学信息工程学院 银川 750021）

中药材的引种是扩大药材生产、满足市场需求的重要途径，但不科学的引种会削弱药材的道地性，导致药材质量下降，影响临床疗效。因此，对药用植物道地产区、野生分布区的气候条件和土壤条件的相似性进行分析十分重要。采用中国中医科学院中药研究所自主研发的“药用植物全球产地生态适宜性区划信息系统”（GMPGIS），以本草文献记载的道地产区、野生分布区以及当前主产区126个样点的生态环境因子值为计算依据，经过生态相似性比对分析，获得补骨脂全球范围内的最佳生态适宜产区和潜在种植区，主要包括中国、美国、澳大利亚、墨西哥、印度等国家。其中，补骨脂在中国的生态适宜产区主要包括云南、四川、广西、湖南、湖北、重庆等省区。本研究为补骨脂的规模化种植、引种栽培和保护抚育提供了科学依据，合理的选地标准为高品质补骨脂的科学生产奠定了基础。

补骨脂 生态产地适宜性 欧式距离 GMPGIS

补骨脂为豆科补骨脂属植物Psoralea corylifolia L.，别名破故纸、黑故子、婆固脂[1]。其果实经晒干，搓出的果实可入药，性温，味辛、苦，具有温肾助阳、健脾散寒、补精益髓等功效；常用于治疗腰膝冷痛、肾虚作喘、五更泄泻。《本草图经》有相关记载：“补骨脂，今人多以胡桃合服，此法（用）破故纸十两，净择去皮，洗过捣筛令细，用胡桃瓤二十两，汤浸去皮，细研如泥，即入前末，更以好蜜和搅令匀如饴糖，盛于磁器中。旦日以暖熟水调亦可服，弥久则延年益气，悦心明目，补添筋骨。但禁食芸薹、羊血，馀无忌”。在外用方面，补骨脂已在中国和印度传统医学中，对各种皮肤炎症疾病的治疗发挥了重要作用。补骨脂含有多种活性成分，主要包括香豆素类、黄酮类、单萜酚类等多种化合物[2，3]，具有免疫调节、抗炎、抗氧化、抗肿瘤等功效[4，5]。尤其是补骨脂的雌激素样作用，可治疗更年期的骨质疏松。

补骨脂药材是较名贵的中药材，原植物为一年生草本，多生于原野、溪旁、田边草丛中，喜欢温暖湿润气候，喜阳光，通常在土层深厚、肥沃疏松、排水良好的夹沙土上生长良好，其果实多为扁圆状，一端略尖，有较强的芳香味。古代的补骨脂为舶来品，据苏颂《本草图经》卷7记载：“此物本自外蕃随海舶而来，非中华所有，蕃人呼为补骨脂，语讹化为破故纸也”。明代后，中国河南、四川、陕西等地有栽培。20世纪90年代以来，大量补骨脂从缅甸进口，国内药农逐渐减少种植，栽培补骨脂面积极度萎缩。

“药用植物全球产地生态适宜性分析系统”（Geographic Information System for Global Medicinal Plants，GMPGIS）是由中国中医科学院中药研究所自主研发中药材产地生态适宜性分析系统，该系统以GIS为基础，将气候数据、土壤数据、基础地理信息以及中药材资源普查数据库结合起来，作为该系统的运作基础。

为实现中药资源普查和中药现代化进程以中药材的野生抚育[6，7]，本文通过GMPGIS对国内及全球生长适宜性进行区划[8]。结合补骨脂生物学特性，考虑自然等条件，预测分析补骨脂最大生态相似度区域，为人工引种栽培提供重要的参考价值。

1 数据分析

1.1 补骨脂采样点

本文从道地产区、野生产区、中国数字植物标本馆（http∶//www.cvh.org.cn）、英国皇家植物园（http∶// apps.kew.org）、全球生物多样性信息数据库网络（http∶//www.gbif.org）及参考文献[9-11]，选取了126个生态数据点，主要分布于非洲南部、南北美洲和大洋洲，少数位于亚洲和温带欧洲。其中，中国有补骨脂P. corylifolia L. 1种，产自西南部地区，种子入药，具体分布点见表1。

1.2 GMPGIS数据来源

本文使用的气候数据主要来源于全球气候数据库（WorldClim-Global Climate Data，WorldClim）[12]和CliMond全球生物气候学建模数据库（CliMond∶ Global Climatologies for Bioclimatic Modelling）[13]，土壤数据来源于全球土壤数据库（Harmonized World Soil Database，HWSD）。WorldClim气候栅格数据集，分辨率为30′′，包括月最低温度（Min Temperature）、月最高温度（Max Temperature）、月均温度（Mean Temperature）、月均降水（Precipitation）、海拔（Altitude）以及19个生物气候数据图层。本研究选取其中的年均温BIO1、最热季均温BIO10、最冷季均温BIO11、年均降水BIO12等数据用于补骨脂适宜产区分析。CliMond数据库气候栅格数据的分辨率为10′，数据库中包括温度、湿度等30多个生物气候数据图层。本研究选取年均辐射BIO20、相对湿度用于补骨脂全球最适宜产区分析。DHWSD是由联合国教科文组织（UNESCO）和国际应用系统分析研究所（IIASA）共同组建的（http∶//www.iiasa.ac.at/）。HWSD数据库包括土壤名称（参照FAO90土壤分类系统）、质地、有效含水量、容量、有机质等指标。土壤类型包括低活性强酸土、高活性强酸土、暗色土、砂土等28种。

表1 补骨脂全球范围内选样点及数量

1.3 系统分析

1.3.1 数据标准化

数据标准化也就是统计数据的指数化[14]。指数化处理主要包括数据同趋化处理和无量纲化处理两个方面，前者主要解决不同性质数据问题，对不同性质指标直接加总不能正确反映不同作用力的综合结果，须先考虑改变逆指标数据性质，使所有指标对测评方案的作用力同趋化，再加总才能得出正确结果。数据标准化的方法有很多种，常用的有“min-max标准化”、“Z-score标准化”和“按小数定标标准化”等。

该系统使用的是“min-max标准化”，对原始数据进行线性变换。具体是指，设minX和maxX分别为生态因子X的最小值和最大值，将X的一个原始值oldValue通过min-max标准化映射成在区间[0,100]中的值newValue。如公式（1）所示：

1.3.2 聚类分析

聚类分析（Cluster Analysis）又叫聚类（Clustering），通常是将数据分类到不同的类或者簇的一个过程，使得同一个簇中的对象有很大的相似性，而不同的簇之间有很大的差异性，聚类产生的集合称为簇类[15-18]。GMPGIS分析系统中采用的聚类分析是将每个空间栅格作为一个聚类对象，输入的N个生态因子数值作为该栅格聚类的条件，每个栅格可以看成一个N维的向量，比如第i个栅格的向量表示为：Xi=[x1，x2...xn]。该系统聚类之间的距离采用加权欧氏距离（Weighted Euclidean Distance，WED）进行计算。我们用向量W为该物种对应的环境因子所取的权重，那么对于第i个栅格对象与第j个栅格间加权欧式距离公式如下：

表2 聚类分析的算法及过程

我们令W=[w1，w2，...，wn]那么公式（1）转换为：

假设数据集D包含作为欧氏空间中的对象，利用生态因子标准化栅格数据与采样点矢量数据图层，将生态阈值范围内的距离设置为0，阈值范围外则根据欧式距离进行计算，算法如表2所示。

2 结果

2.1 补骨脂在全球的最大生态相似度区域分析

目前，中国的补骨脂商品药材几乎均由缅甸经云南边贸城市瑞丽口岸进入国内，由于缅甸气候条件特别适宜补骨脂生长，因此资源十分丰富，且均为野生分布。广西玉林、四川荷花池、安徽亳州等药材市场几乎为进口商品；昆明菊花村药材市场，进口与云南野生补骨脂各半，但药商一般并未严格区分；河南药材市场有少量当地野生货。早在1995年以前河南、四川、重庆等地仍保持着种植的习惯，后由于国外大量进口价格低廉，所以国内并未大量生产种植[19]。

本文在全球范围内共采集126个采样点，基于补骨脂在全球分布区的126个样点信息，GMPGIS分析得到补骨脂主要生长区域生态因子值范围（表2）和补骨脂最大生态相似度区域全球分布图（图1）。由图1可知：补骨脂在全球的最大生态相似度区域主要分布在亚洲的中国、日本、韩国、朝鲜、土耳其、格鲁吉亚、阿塞拜疆及亚美尼亚；欧洲的俄罗斯、法国、意大利、乌克兰、塞尔维亚、保加利亚、西班牙、匈牙利、罗马尼亚、德国、瑞士以及北美洲的美国、加拿大等地区。补骨脂全球最大生态相似度区域面积比例图见图2，补骨脂在美国、加拿大和中国的最大生态相似度区域面积最大，占补骨脂全球最大生态相似度区域面积的72.25%。

根据GMPGIS系统分析得到补骨脂主要生长区域生态因子范围：最冷季均温-5.7至21.7℃；最热季均温16.0-32.0℃；年均温9.4-27.0℃；年均相对湿度47.0-77.1%；年均降水量46-2984 mm；年均日照124.4-227.3W/m2；土壤类型以强淋溶土、暗色土、始成土、潜育土、薄层土、淋溶土、黑土等等为主（表2）。

图1 补骨脂最大生态相似度区域全球分布图

图2 补骨脂全球最大生态相似度区域面积比例图

2.2 补骨脂在中国的最大生态相似度区域分析

基于补骨脂在中国的样点信息，根据GMPGIS分析得到补骨脂在中国的最大生态相似度区域分布（图3）。补骨脂在中国的最大生态相似度区域包括云南、四川、广西、湖南、湖北、河南、贵州、江西、山东、广东、安徽、陕西等省区（图4）。这与文献记载及实际主产区域基本吻合。其中，面积居前3位的区域是云南省、四川省和广西省（图5）。其中，云南省适宜产区包括鹤庆、丘北、广南、宣威、富锦、昌宁、镇雄等县，四川省适宜产区包括万元、通江、南江、宣汉、达县、兴文、青川等县，广西省适宜产区包括融水、环江、田林、桂平、南丹、苍梧、八步、鹿寨等县（表3）。

3 品质生态学研究

补骨脂具有很高的药用价值，不同的地理环境

对其质量影响也不同[20]，合理进行引种规划时，也要考虑中药材的品质，不应因地域的变化而降低药材质量。品质生态学的研究对于保护药材道地性，使其在引种时并不改变药用价值起到了重要的衡量作用，保护药材所具有的药效和成份。彭锐等[21]对温度、湿度、土壤等因素对补骨脂的影响进行了研究与分析，结果表明：补骨脂幼苗生长时期对温度和湿度较为敏感，同时分析了补骨脂易于生长在含有氮肥和钾肥的土壤中。杨荣平等[22]对重庆市合川补骨脂GAP种植基地所生产的补骨脂药材进行了测定，结果显示：重庆市合川补骨脂具有较好的质量稳定性，并且黄酮类成分含量比河南产补骨脂高，这说明不同产地的补骨脂所含成分有较大的差别。丁家欣等[23]应用高效液相色谱法测定了不同产地补骨脂中补骨脂素、异补骨脂素的含量，结果显示两种成分的含量差别不大。

表3 补骨脂全球范围内主要生长区域生态因子值

图3 补骨脂在中国最大生态相似度区域分布图

图4 补骨脂最大生态相似度区域图

表4 补骨脂在中国的最大生态相似度主要区域

4 讨论

4.1 补骨脂生态适宜区划分的意义

中药材盲目引种不仅造成资源、人力、物力的浪费, 还削弱了药材的道地性, 导致药材质量下降, 影响治疗效果。分析引种地与原产地气候、土壤条件的相似性, 并根据药材生长的限制因子确定全国范围内的适宜产地,是有效指导药材引种、合理规划生产布局的基本保证[24]。GMPGIS系统为补骨脂的栽培及引种提供了指导意义，但在实际引种与栽培规划时，还需要考虑植物生长成本、加工技术、耕作条件、灌溉条件等其他非环境因素进行综合考虑，以获得良好的社会效益。这将为国内扩大补骨脂种植面积提供积极作用。

图5 补骨脂在中国的最大生态相似度区域面积图

4.2 验证了GMPGIS系统的科学性和可靠性

本文以补骨脂为分析对象，采用GMPGIS系统，以地理信息系统为分析平台，以年均温、最热季均温、最冷季均温、年均降水、年均日照强度、年均湿度等环境因子作为系统的输入数据，并结合社会资源、药材栽培和加工技术等，有效的对补骨脂的最大生态相似度区域进行了预测，并计算出了适宜分布区的面积，全球范围内潜在生长区域主要分布在中国、美国、澳大利亚、墨西哥、印度等地区；国内引种建议选择在云南、湖南、广西、湖北、贵州、江西、重庆等一带为宜；本研究中系统预测区域与实际引种区域基本吻合，验证了GMPGIS系统分析结果的可靠性。

1 任仁安. 中药鉴定学. 上海:上海科学技术出版社, 1996: 394.

2 吉力,徐植灵. 补骨脂化学成分的综述. 中国中药杂志, 1995, 20(2): 120-123.

3 刘桦,白焱晶,陈亚云,等. 中药补骨脂化学成分的研究. 中国中药杂志, 2008, 33(12): 1410-1412.

4 邢建国,王新春,赵媛,等. 复方卡力孜然凝胶剂主要活性成分体外经皮渗透. 中国实验方剂学杂志, 2012, 18(3): 19-22.

5 魏鹏,刘伟霞,贾凤兰,等. 8-甲氧补骨脂素对对乙酰氨基酚致小鼠急性肝损伤的保护作用.中国现代应用药学, 2012, 29(8): 682-686.

6 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, 1289.

7 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.

8 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.

9 Baskaran P, Jayabalan N. Effect of growth regulators on rapid micropropagation and psoralen production in Psoralea corylifolia L. Acta Physiol Plant, 2008, 30(3): 345-351.

10 Newton S M, Lau C, Gurcha S S, et al. The evaluation of forty-three plant species for in vitro antimycobacterial activities ; isolation of active constituents from Psoralea corylifolia and Sanguinaria canadensis. J Ethnopharmacol, 2002, 79(1): 57-67.

11 Purkayastha S, Dahiya P. Phytochemical Screening and Antibacterial Potentiality of Essential Oil from Psoralea corylifolia Linn. International Journal of Bioscience, 2012, 2(3): 188-191.

12 Hijmans R J, Cameron S E, Parra J L, et al. Very high resolution interpolated climate surfaces for global land areas. Int J Climatol, 2005, 25(15): 1965-1978.

13 Kriticos D J, Webber B L, Leriche A, et al. CliMond: global high resolution historical and future scenario climate surfaces for bioclimatic modelling. Methods Ecol Evol, 2012, 3(1): 53-64.

14 何晓群. 多元统计分析.北京:中国人民大学出版社, 2004: 54-92.

15 席景科,谭海樵. 空间聚类分析及评价方法. 计算机工程与设计, 2009, 30(7): 1712-1715.

16 郭红梅,陈维锋,张莹,等. 基于规则引擎与空间聚类分析的多源地震灾情数据清洗策略研究. 震灾防御技术, 2015, 10(4): 892-901.

17 肖宇鹏. 空间聚类分析的研究.哈尔滨:哈尔滨理工大学硕士学位论文, 2015.

18 董志. 地理本体知识约束下的DBSCAN空间聚类算法及应用. 软件导刊, 2016, 15(2): 33-37.

19 周睿,李敏,田蜜,等. 补骨脂药用资源与生产现状调查. 中药与临床, 2011, 2(6): 4-7.

20 曾莉萍,张金莲,范晖,等.中药补骨脂商品药材的应用及市场概况.亚太传统医药. 2014, 10(9): 40-41.

21 彭锐,陈大霞,李隆云,等. 补骨脂种苗质量与影响因素分析. 中国中药杂志, 2007, 32(19): 1975-1978.

22 杨荣平,涂永勤,寿清耀,等. 合川补骨脂药材HPLC指纹图谱研究.中药材, 2006, 29(12): 1292-1294.

23 丁家欣,张秋海,张玲. 不同产地补骨脂中补骨脂素和异补骨脂素的含量测定. 中药材, 2004, 27(11): 817-818.

24 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 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

（责任编辑：马雅静，责任译审：朱黎婷）

2016-07-29

修回日期：2016-08-12

＊ 科学技术部“重大新药创制”科技重大专项子课题（2014ZX09304307001-014）：中药新药安全性检测技术与标准研究，负责人：陈士林；科学技术部“十三五”国家科技支撑计划（2015BAI05B02）：喀斯特山区中药资源可持续利用关键技术，负责人：李西文。

＊＊ 通讯作者：李西文，副研究员，主要研究方向：中药栽培与鉴定。