鄧陽川，向 麗，湯 歡，楊 俐，李洪運(yùn)，丁丹丹，葉 萌＊＊

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院 成都 611130；2.中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所 北京 100700；3.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)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(jì)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(jīng)濟(jì)和藥用價(jià)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(bǔ)肝腎、強(qiáng)筋骨、安胎等功效。杜仲雖已在國內(nèi)廣泛栽培甚至引種國外，但對杜仲全球生態(tài)適宜區(qū)的研究還未見報(bào)道。因此，為避免造成對杜仲的盲目引種，確保準(zhǔn)確、高效引種。那么，有必要對引種區(qū)域進(jìn)行前期的生態(tài)因子量化分析。

藥用植物全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性區(qū)劃信息系統(tǒng)（Global Geographic Information System for Medicinal Plant，GMPGIS），由中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所開發(fā)，是全球第一個(gè)研究藥用植物產(chǎn)地適應(yīng)性的系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS），依靠WorldClim、CliMond、HWSD 等數(shù)據(jù)庫，將GIS 的空間聚類分析應(yīng)用于中藥材量化分析中，能科學(xué)、精確、快速地分析出與中藥材主產(chǎn)區(qū)生態(tài)環(huán)境（氣候、土壤等）最為相近的區(qū)域，傳統(tǒng)的中藥材區(qū)劃僅限于國內(nèi)，而GMPGIS 為全球藥用植物引種栽培提供重要數(shù)據(jù)支持。為擴(kuò)大海外種植區(qū)域，以及藥用植物產(chǎn)業(yè)的合理布局提供科學(xué)的決策分析方法。截至目前，有報(bào)道顯示，人參[6]、北細(xì)辛[7]、檀香[8]、地烏[9]、肉豆蔻[10]等，已借助GMPGIS系統(tǒng)分析了全球產(chǎn)地適應(yīng)性。

本研究采用GMPGIS系統(tǒng)對杜仲在全球的產(chǎn)地生態(tài)適應(yīng)性進(jìn)行分析，可為杜仲在全球的引種栽培提供科學(xué)指導(dǎo)。

圖1 杜仲全球樣點(diǎn)采集分布圖

2 GMPGIS系統(tǒng)

2.1 GMPGIS系統(tǒng)原理

按照引種生態(tài)相似性原則，首先，提取與中藥材道地產(chǎn)區(qū)、主產(chǎn)區(qū)中與環(huán)境相關(guān)的7大生態(tài)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(qiáng)度。其次，分別量化成柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。然后，將生態(tài)因子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成每平方公里的單元網(wǎng)格，每一個(gè)網(wǎng)格相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)對象，其屬性值存放于相應(yīng)網(wǎng)格屬性表中。最后，對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行空間聚類分析，根據(jù)相似程度不同劃分等級，以此劃定藥用植物的生態(tài)適宜區(qū)域。

2.2 GMPGIS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行相似性聚類分析的前提，主要用于消除不同生態(tài)因子量綱不同對計(jì)算的影響，本系統(tǒng)采用線性標(biāo)準(zhǔn)化的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用公式

將各生態(tài)因子數(shù)據(jù)集標(biāo)準(zhǔn)化為0-100 的數(shù)據(jù)區(qū)間，用于進(jìn)行相似性聚類分析。

相似性聚類分析用于對每個(gè)柵格的歐氏距離進(jìn)行計(jì)算分類，GMPGIS 分析系統(tǒng)中的相似性聚類分析采用了歐氏距離算法的改進(jìn)算法，其公式為

本算法是將地圖圖層中的每個(gè)空間柵格作為一個(gè)聚類對象，n 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化后的生態(tài)因子數(shù)值作為該柵格的聚類條件，每個(gè)柵格都可以看成n 維空間中一個(gè)點(diǎn)。因此，根據(jù)柵格間距離大小將不同柵格進(jìn)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(jié)果，根據(jù)不同需求分為多類，如：可將相似性聚類分析結(jié)果為0的柵格作為最大生態(tài)相似度的適宜生長區(qū)域，將大于0的柵格作為其他區(qū)域。

2.3 GMPGIS系統(tǒng)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫

結(jié)合多個(gè)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)：①基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，包括矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的省區(qū)劃、縣區(qū)劃和鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)劃等數(shù)據(jù)；②氣候因子數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫[11]；全球生物氣候?qū)W建模數(shù)據(jù)庫中的年均輻射（BIO 20）、以及由其中的月均上午9時(shí)相對濕度和月均下午3時(shí)相對濕度計(jì)算得到的年均相對濕度等數(shù)據(jù)；③土壤數(shù)據(jù)庫，主要來源于全球土壤數(shù)據(jù)庫（Harmonized World Soil Database，HWSD，http://www.iiasa.ac.at/），包括土壤類型、質(zhì)地、有效含水量、有機(jī)質(zhì)、酸堿度、電導(dǎo)率等指標(biāo)[12]。

3 樣點(diǎn)選擇

通過查閱文獻(xiàn)和相關(guān)網(wǎng)站，在杜仲道地產(chǎn)區(qū)、主產(chǎn)區(qū)以及野生分布區(qū)收集樣點(diǎn)，最終篩選出337 個(gè)（圖1）。樣點(diǎn)信息來源如下：①國內(nèi)來源主要采集于中國數(shù)字植物標(biāo)本館網(wǎng)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(wǎng)（http://www.gbif.org/），英國皇家植物園官網(wǎng)（http://www.kew.org/）以及（http://www.discoverlife.org/）網(wǎng)站。經(jīng)緯度查找和確定通過網(wǎng)站提供的經(jīng)緯度坐標(biāo)或通過谷歌地球進(jìn)行搜索（http://www.earthol.com/）。

表1 杜仲最大生態(tài)相似度區(qū)域不同生態(tài)因子值

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 生態(tài)因子值分析

用GMPGIS 系統(tǒng)對收集的樣點(diǎn)進(jìn)行分析，知杜仲主要生長區(qū)生態(tài)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(qiáng)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(qiáng)淋溶土、始成土、人為土、高活性強(qiáng)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(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了各種生態(tài)因子在不同范圍值的樣點(diǎn)分布數(shù)量（表2）。結(jié)果顯示：最冷季均溫在-4℃-2℃落有105 個(gè)點(diǎn)，在2℃-8℃有212個(gè)點(diǎn)，在8℃-14℃有17個(gè)點(diǎn)；最熱季均溫在13℃-19℃有12 個(gè)點(diǎn)，落在19℃-25℃有168 個(gè)點(diǎn)，剩下157 個(gè)點(diǎn)落在25℃-31℃；年均溫度在12℃-18℃，落有261 個(gè)樣點(diǎn)；174個(gè)樣點(diǎn)的濕度在70%-80%，135個(gè)樣點(diǎn)的濕度在60℃-70℃；降水量在1000 mm-1500 mm 時(shí)，擁有195 個(gè)樣點(diǎn)；日照強(qiáng)度處于130 W·m-2-160 W·m-2時(shí)，有249個(gè)樣點(diǎn)（圖2）。對于土壤類型，統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)淋溶性土壤（淋溶土和強(qiáng)淋溶土）、始成土以及人為土在樣點(diǎn)里分布最多，占據(jù)了前三位。其中淋溶性土壤（淋溶土和強(qiáng)淋溶土）一共有128 個(gè)樣點(diǎn)，占37.98%；始成土58個(gè)樣點(diǎn)，占17.21%；人為土42個(gè)樣點(diǎn)，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(qū)域應(yīng)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(qiáng)度130 W·m-2-160 W·m-2，最適土壤為淋溶性土壤。

表2 各生態(tài)因子不同范圍樣點(diǎn)數(shù)量

表3 不同土壤類型樣點(diǎn)分布數(shù)量

4.2 杜仲在全球的最大生態(tài)相似度區(qū)域分析

根據(jù)以上獲得的杜仲生態(tài)因子值范圍，利用加權(quán)歐式距離法計(jì)算得到杜仲最大生態(tài)相似度區(qū)域（指相似度在99.9%-100%的區(qū)域）的全球分布圖。由杜仲最大生態(tài)相似度區(qū)域分布廣泛，遍布全球主要大洲。亞洲地區(qū)分布于東亞和喜馬拉雅山麓以南地區(qū)（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(qū)范圍廣布，包含了中歐、西歐和環(huán)地中海歐洲地區(qū)，部分地區(qū)靠近北極圈的北歐地區(qū)。如西歐的德國；環(huán)地中海地區(qū)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(dá)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(qū)，北美洲和南美洲都有分布。北美地區(qū)涵蓋美國、墨西哥和多米尼加等，南美地區(qū)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(qū)的澳大利亞和新西蘭皆有杜仲最大生態(tài)相似度區(qū)域。其中，澳大利亞的杜仲生態(tài)適宜區(qū)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(qū)?？梢?，杜仲的可引種區(qū)域較大。但在以上國家和地區(qū)中，中國（2964755.94 km2）、美國（2891806.41 km2）這兩國為占有杜仲最大生態(tài)相似度區(qū)域總面積的前兩位國家并且遠(yuǎn)超其他國家（圖5）。其次，在對占有杜仲最大生態(tài)相似度區(qū)域面積前10 個(gè)國家之間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，中國和美國所占有的面積比例占到這10個(gè)國家總面積的69%。另外，歐洲大片地區(qū)也適合對杜仲進(jìn)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(gè)歐洲所擁有的杜仲生態(tài)適宜區(qū)較大。南美洲阿根廷適宜區(qū)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(tài)適宜。

圖2 各樣點(diǎn)不同生態(tài)因子統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖3 杜仲最大生態(tài)相似度區(qū)域全球分布圖

圖4 杜仲最大生態(tài)相似度區(qū)域各洲局部放大圖

4.3 杜仲在中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域分析

根據(jù)GMPGIS 系統(tǒng)分析，杜仲在中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域包括華東、東南沿海、華中、華南、西南地區(qū)及西藏藏南地區(qū)和臺(tái)灣部分地區(qū)（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(tái)灣東部等地區(qū)。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(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行對比后，特別是張維濤等[13]、王璦琦等[14]的文獻(xiàn)中詳細(xì)說明了杜仲的分布區(qū)域在國內(nèi)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(jìn)行正常休眠，雖然能生長，但生長狀況不好。因此，結(jié)合生態(tài)因子分析結(jié)果、文獻(xiàn)記載、傳統(tǒng)產(chǎn)區(qū)、采收加工技術(shù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件[16,17]，最適合引種區(qū)包括了西南、華中和華北廣大地區(qū)，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(tài)相似度區(qū)域面積前十國家（單位：km2）

圖6 杜仲在中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域

5 討論

5.1 生態(tài)因子結(jié)果

結(jié)合表2、圖2、以及表3?？梢园l(fā)現(xiàn)，相對于年均溫度和降水量，杜仲對于濕度和日照強(qiáng)度的適應(yīng)范圍更窄。濕度都大于50%，不超過80%，且絕大多數(shù)處于60-80%；日照幾乎都集中在100 W·m-2-160 W·m-2。這樣的規(guī)律和杜仲實(shí)際引種情況以及前人的研究結(jié)果相符。因?yàn)槎胖俦敝辽綎|、北京、甚至東北，能成功引種[18]，而這些地區(qū)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(shí)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(yīng)，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(jìn)行引種時(shí)，在考慮各生態(tài)因子的同時(shí)，應(yīng)著重考慮濕度和年均日照強(qiáng)度。

5.2 GMPGIS結(jié)果

此次結(jié)果與陳士林等[24]編寫的《中國藥材產(chǎn)地生態(tài)適宜性區(qū)劃》中關(guān)于杜仲的中國適宜性區(qū)劃圖對比，絕大部分的區(qū)域是一致的。不同之處主要在于南北界都有一定的擴(kuò)張，如向北擴(kuò)展到山東、北京；南邊的云南適宜區(qū)面積更大，甚至擴(kuò)展至海南某些地區(qū)。在廣泛查閱文獻(xiàn)后可知：第一、杜仲在中國國內(nèi)和國外早已廣泛引種。國內(nèi)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(qū)的杜仲也至少繁育至第二代[20]。山東省自20世紀(jì)50年代開始對杜仲進(jìn)行引種，在開花結(jié)實(shí)及樹皮產(chǎn)量方面與原產(chǎn)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(tǒng)結(jié)果的正確性。而在選擇樣點(diǎn)時(shí)，也包括了這些穩(wěn)定的引種區(qū)，自然結(jié)果也會(huì)覆蓋相似的地區(qū)，生態(tài)相似區(qū)域自然也會(huì)擴(kuò)大。第二、這與全球變暖的大背景有著密切的關(guān)系。GMPGIS 系統(tǒng)分析出西藏藏南地區(qū)以及北歐部分地區(qū)也適合作為杜仲引種區(qū)。西藏地區(qū)出現(xiàn)杜仲生態(tài)適宜區(qū)緣于藏南地區(qū)氣候溫潤，雨水充沛，加之全球氣候變暖，導(dǎo)致藏南地區(qū)氣溫上升幅度達(dá)到0.34℃·10a-1[21-23]。第三、個(gè)別樣點(diǎn)的準(zhǔn)確經(jīng)緯度存在一定的誤差。在搜索文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)庫時(shí)，絕大多數(shù)會(huì)給出杜仲栽培地的精確經(jīng)緯度，但有極個(gè)別情況只給到地名。此時(shí)，又分成三種情況：①地名很詳細(xì)，通過谷歌地球網(wǎng)站進(jìn)行搜索樣點(diǎn)時(shí)，準(zhǔn)確尋找到樣點(diǎn)；②未給出詳細(xì)地址，難以找到精確的點(diǎn)位，這時(shí)的選點(diǎn)，難免帶有一定的主觀性，但距離準(zhǔn)確點(diǎn)位很近且能確定氣候狀況基本一致，無影響；③樣點(diǎn)處于山區(qū)。沒有精確的經(jīng)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(huì)對結(jié)果造成一定的影響。但這種情況是極個(gè)別，在收集大量準(zhǔn)確樣點(diǎn)信息后，這樣的微小誤差能夠忽略不計(jì)。

圖7 杜仲在中國最大生態(tài)相似度區(qū)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(tái)不久的《中醫(yī)藥發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要（2016—2030 年）》，明確提出了“制定中藥材主產(chǎn)區(qū)種植區(qū)域規(guī)劃。制定國家道地藥材目錄，加強(qiáng)道地藥材良種繁育基地和規(guī)范化種植養(yǎng)殖基地建設(shè)”。藥材的產(chǎn)地生態(tài)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(chǎn)業(yè)的熱潮，引發(fā)了中藥材盲目種植。GMPGIS系統(tǒng)的開發(fā)，目的在于為中藥材科學(xué)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(qū)域規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)確立；更重要的是，只有選擇適合特定藥材種植的地區(qū)進(jìn)行種植，才能獲得高品質(zhì)和高收益的中藥材。在全球各類生態(tài)因子數(shù)據(jù)庫和GMPGIS系統(tǒng)的不斷改進(jìn)下，基于GMPGIS系統(tǒng)的藥材產(chǎn)地適應(yīng)性分析會(huì)日臻完善。

5.4 結(jié)論

最適合杜仲栽培的區(qū)域應(yīng)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(qiáng)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(tài)相似度區(qū)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(qū)。其中，中國、美國和阿根廷為擁有最大生態(tài)相似度區(qū)域面積排名前三的國家。

運(yùn)用GMPGIS系統(tǒng)能夠獲取杜仲最大生態(tài)相似度區(qū)域信息，并為今后杜仲合理引種提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。