基于GMPGIS的檀香全球产地生态适宜性研究＊

汤 欢，李西文，向 丽，孙 莉，3，沈 亮，高锐坤，叶 萌

（1.四川农业大学林学院 成都 611130；2.中国中医科学院中药研究所/中药鉴定与安全性检测评估北京市重点实验室 北京 100700；3.宁夏大学信息工程学院 银川 750021）

基于GMPGIS的檀香全球产地生态适宜性研究＊

汤 欢1，2，李西文2，向 丽2，孙 莉2，3，沈 亮2，高锐坤2，叶 萌1＊＊

（1.四川农业大学林学院 成都 611130；2.中国中医科学院中药研究所/中药鉴定与安全性检测评估北京市重点实验室 北京 100700；3.宁夏大学信息工程学院 银川 750021）

目的：本研究主要对檀香在全球的产地生态适宜性进行分析，以期促进檀香区划研究和生产。方法：以檀香的主产地印度、澳大利亚等131个样点为基点，应用药用植物全球产地生态适宜性区划信息系统（GMPGIS）分析檀香在全球的产地生态适宜性。结果：巴西、印度、刚果（金）、澳大利亚、中国、印度尼西亚等120个国家和地区境内都有适宜檀香生长的区域，能对发展檀香生产、确定檀香区划、保证檀香品质提供科学指导。结论：GMPGIS分析结果将为进一步的檀香资源调查及其全球产地区划提供科学依据。

檀香 生态因子 产地适宜性 GMPGIS

檀香Santalum album L.，又名旃檀、白檀、檀香木、真檀等，檀香科檀香属的一种半寄生性常绿小乔木，素有“香料之王”、“绿色黄金”之称。檀香树干的干燥心材可作为药材使用，2015年版《中华人民共和国药典》（一部）收载，性温、味辛，具行气温中、开胃止痛等功效[1]。檀香是一种集药用、香料、精细工艺材料于一身的重要珍贵树种，其制品涵盖了宗教用品、名贵化妆品、中药材、日用品等[2]。随着人们生活水平提高，檀香产品的需求量也不断增加，早期天然檀香资源由于受到不合理的砍伐利用，野生资源趋于濒危，而檀香天然林的更新时间长达30年甚至更长，这些因素使得各种以檀香为原料或辅料的产品价格不断攀升。现阶段檀香商品生产的原材料多为野生资源，这对保护檀香野生资源的压力较大。为满足世界各地对檀香的需求及扩大檀香市场，目前檀香已在北美、非洲、澳大利亚、东南亚等地引种栽培。为避免盲目扩大引种造成的损失，对檀香的全球潜在种植区进行预测显得尤为重要。

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）是依托WorldClim、CliMond、HWSD等数据库，研发的基于地理信息系统（Geographic Information System，GIS）的药用植物全球产地生态适宜性区划信息系统。将GIS的空间聚类分析应用于中药材数值区划中，能科学、准确、快速地分析出与中药材主产区生态环境（气候、土壤等）最为相近的区域，为全球药用植物引种栽培特别是扩大海外种植区域，以及药用植物产业的合理布局提供科学、可靠、直观、快捷的决策分析方法。本研究采用GMPGIS系统对檀香在全球的产地生态适宜性进行分析，可为檀香在全球的引种栽培提供科学指导。

1 GMPGIS分析方法

1.1 GMPGIS原理

GMPGIS是以GIS为平台，按照中药材引种生态相似原则，对中药材进行产地适宜性分析。首先将与中药材生长环境相关的生态因子量化成栅格数据结构，即将降水、温度、湿度、土壤、日照等生态因子数据转换成网格数据，然后对网格数据进行空间聚类分析，并根据中药材产地生态相似度大小确定药材引种区。

1.2 GMPGIS数据库

数据是开展中药材产地生态适宜性分析的基础，构建结构合理、数据准确、时效性强的中药材数值分析空间数据库是进行中药材产地生态适宜性区划的关键。基于GIS的中药材产地生态适宜性分析数据库进行了多个数据库的整合，GMPGIS所使用的数据库主要有：①基础地理信息数据库，包括：矢量数据结构的省区划、县区划和乡镇区划等数据；②气候因子数据库，包括：WorldClim全球气候数据库＊http∶//www.worldclim.org/https∶//www.climond.org/http∶//www.iiasa.ac.at/http∶//www.gbif.org/，http∶//www.kew.org/，http∶//www.discoverlife.org/，http∶//www.cvh.org.cn/＊＊＊＊＊http∶//www.earthol.com/中的年均温（BIO 1）、最热季均温（BIO 10）、最冷季均温（BIO 11）、年均降水（BIO 12）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/http∶//www.gbif.org/，http∶//www.kew.org/，http∶//www.discoverlife.org/，http∶//www.cvh.org.cn/＊＊＊＊＊http∶//www.earthol.com/中的年均辐射（BIO 20）、以及由其中的月均上午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等数据；③土壤数据库，包括：全球土壤数据库（Harmonized World Soil Database，HWSD）＊＊＊http∶//www.worldclim.org/https∶//www.climond.org/http∶//www.iiasa.ac.at/http∶//www.gbif.org/，http∶//www.kew.org/，http∶//www.discoverlife.org/，http∶//www.cvh.org.cn/＊＊＊＊＊http∶//www.earthol.com/中的28种土壤类型数据；④中药材分布空间数据库，由全国中药材原植物野生分布和产地数据以及第三次全国中药资源普查数据与基础地理信息数据（省区划、县区划和乡镇区划）整理、集成而来。GMPGIS分析主要包括数据准备、数据标准化、聚类分析、栅格重分类、适宜区空间分析等，详见《中国药材产地生态适宜性区划（修订版）》。

1.3 基于GMPGIS的檀香产地生态适宜性分析

应用GMPGIS对檀香进行产地生态适宜性分析的工作流程为：通过开展野外调查（GPS采点）及文献查阅，找到檀香在全球的分布点经纬度，再将此经纬度导入GMPGIS，生成檀香在全球分布点的shape文件，在相关数据库支持下，用GMPGIS进行檀香生态因子值分析及产地适宜性分析，并将最终分析结果以图表形式导出。

2 GMPGIS分析结果

2.1 檀香栽培历史和选点

檀香原产于帝汶岛（Timor）及其附近一些岛屿，后被引种到印度并得到大面积栽培，目前已引种到中国、澳大利亚等地，以印度栽培最多[2-4]。中国使用檀香制品已有1 000多年，但到20世纪初才开始将檀香作为珍贵树种进行引种栽培。台湾林业试验所于1913年从巴黎购得檀香种子并进行栽培引种试验，但研究进程缓慢，直到1950年还只有40多株。中国科学院华南植物园在1962年首次从印度尼西亚引入檀香种子并繁育成功[5]。经过多年的试验研究及推广种植，目前檀香已经在广东、广西、海南、台湾、云南等地栽培成功[6-17]。

本研究通过野外调查、文献查阅[2-32]以及查询相关数据库＊＊＊＊http∶//www.worldclim.org/https∶//www.climond.org/http∶//www.iiasa.ac.at/http∶//www.gbif.org/，http∶//www.kew.org/，http∶//www.discoverlife.org/，http∶//www.cvh.org.cn/＊＊＊＊＊http∶//www.earthol.com/，选取印度的卡纳塔克邦（Karnataka）、泰米尔纳德邦（Tamil Nadu），澳大利亚北方的局部海滨沙地，中国的广东、广西、海南、台湾、云南，南太平洋多个岛国以及印度尼西亚、斯里兰卡等地的131个檀香分布点（详见表1）作为基点，运用GMPGIS分析檀香在全球的适宜分布区。在这些分布点中，大部分有准确的经纬度信息，可直接使用；少数分布点仅有地名，需在Google Earth网站＊＊＊＊＊http∶//www.worldclim.org/https∶//www.climond.org/http∶//www.iiasa.ac.at/http∶//www.gbif.org/，http∶//www.kew.org/，http∶//www.discoverlife.org/，http∶//www.cvh.org.cn/＊＊＊＊＊http∶//www.earthol.com/查找经纬度。另外，为提高分析的准确性，在檀香的全球分布点数据中剔除了明显不适宜的样点。

表1 檀香主要地理分布样点数据及其来源

2.2 生态因子值

通过运用GMPGIS对上述样点进行分析，得到檀香主要生长区域生态因子值范围：最冷季均温13.2-26.3℃，最热季均温20.9-32.6℃，年均温19.2-28.9℃，年均相对湿度40.5%-78.4%，年均降水量515.0-3 051.0 mm，年均日照131.6-240.0 W·m-2，土壤类型以强淋溶土、红砂土、人为土、钙积土、始成土等为主（表2）。

2.3 檀香在全球的产地生态适宜区

根据上述获得的生态因子值范围，利用加权欧式距离法计算得到檀香最大生态相似度区域(指相似度99.9%-100.0%的区域，下同)全球分布图（图1），其局部放大图（图2和图3）。

经GMPGIS分析可知，巴西、印度、刚果（金）、澳大利亚、中国、印度尼西亚等120个国家和地区境内都有适宜檀香生长的区域。在这些区域中，适宜栽种面积从大到小依次为：南美洲的巴西、北美洲的墨西哥、非洲的刚果（金）和安哥拉、大洋洲的澳大利亚，以及亚洲的印度、中国（表3）。因此，建议在以上区域加大檀香的引种栽培，以缓解当前日益紧张的檀香供需。

2.4 中国的檀香产地生态适宜区

由檀香最大生态相似度区域分析结果（图4）可知，檀香在中国的最大生态相似度区域包括广东省、广西省、海南省、台湾省、云南省、西藏自治区等。根据该结果，结合檀香生物学特性及其自然条件、社会经济条件、药材主产地栽培和采收加工技术，建议选择引种栽培研究区域为广东省、广西省、海南省、台湾省和云南省。

3 檀香的品质生态学研究

檀香的引种栽培及其品质等都与地理环境息息相关。不同的寄主、产地和外界刺激等都会对檀香的品质产生影响。黄滨等[7]分析了檀香林分的树高和茎粗生长，比较了不同种类寄主植物对檀香生长的影响，分析了檀香各测树因子的相互关系，发现同龄檀香林分的胸径和树高分布为左偏的单峰分布（接近正态分布），檀香林分树高、茎粗生长与树龄的关系基本遵循S型生长曲线，同时存在年周期的季节性生长变化，不同种类的寄主植物对檀香生长的作用有明显差别，心材的大小以及心材与边材的比例都受树龄的制约，还与植株的生长状况密切关联。林励等[8]对进口檀香及广东、海南、云南等省所产的引种檀香的成分进行分析，结果发现这些省区引种檀香的微量元素及挥发油中有效成份含量均与进口样品接近，表明在上述地区进行引种檀香基本可行。林励等[9]应用气相色谱-质谱-计算机联用技术，对激素及风害等外界因素刺激下檀香所生成心材的质量进行研究，发现风害断梢刺激可使檀香提前结香，其挥发油各项指标及各部位薄层行为与受激素刺激的心材接近，但其挥发油含量仅为后者的1/2左右。刘小金等[10]采用标准地调查的研究方法，调查广东省种植规模较具代表性的3个试验基地内6年生幼龄檀香的生长和结香情况，发现檀香人工林的规模种植在广东表现良好。刘小金[11]通过设计一系列试验，从树干填充气体、树干注射生长调节剂、树干接种真菌、机械损伤等方面着手，分析各种外界处理对檀香生长、心材形成以及心材精油含量、成分变化等的影响，结果表明檀香心材的形成和衰老没有直接联系，但和内部激素的不平衡有较大关系。

表2 檀香主要生长区域生态因子值

图1 檀香最大生态相似度区域全球分布图

图2 檀香在南美洲、北美洲、非洲等地的最大生态相似度区域图

图3 檀香在非洲、亚洲、大洋洲等地的最大生态相似度区域图

表3 檀香最大生态相似度主要区域及其面积

图4 檀香在中国的最大生态相似度区域图

檀香品质的好坏直接关系其商品的价格和销量，对檀香产业发展影响较大。但目前檀香品质生态学方面的研究相对较少。因此，加强檀香品质生态学研究十分必要，将为生产高品质的檀香提供理论基础。

4 中国檀香发展的问题和对策

4.1 檀香发展存在的问题

目前制约中国檀香发展的原因主要有：①檀香主产国对檀香种质资源出口的管控较严；②中国在檀香种源筛选、杂交育种等方面的研究不足，优质檀香种苗十分短缺；③檀香种植的技术要求较高、需要较大的资金投入、回报周期长，降低了檀香种植的积极性；④檀香的环境条件及栽培措施要求较高，限制了檀香种植产业的发展[20]。

4.2 檀香发展的对策

4.2.1 规范檀香寄主植物选择

半寄生性是檀香有别于其它植物的重要特性之一。檀香种子萌发及幼苗生长早期不需要寄主的参与即可正常生长[21]，但在后续幼苗生长过程中，其根系必须寄生在适宜寄主植物的根上。寄主植物种类、配置方式等对檀香幼苗生长及后续生长发育影响显著[22，23，29，30]。因此，要因地制宜、合理选用寄主种类及配置方式，才能在最大程度上保证檀香的成功种植。檀香的寄主植物应选择适生性强、有固氮功能、根系发达、萌发力强及耐修剪的草本、灌木和乔木。寄主植物的配置应从檀香的地上部分和地下根系的发育全面考虑，营造一个适合檀香生长的生态环境。檀香寄主植物可分为短期、中期和长期3种。短期以草本为主，如：白头婆Eupatorium japonicum Thunb.；中期以灌木为主，如：白灰毛豆Tephrosia candida Candolle、木豆Cajanus cajan (Linn.) Millsp.、长春花Catharanthus roseus (L.) G. Don、九里香Murraya exotica L.、假黄皮Clausena excavata Burm. f.、马缨丹Lantanac amara L.、小果叶下珠Phyllanthus reticulatus Poir.、朱槿Hibiscus rosa-sinensis L.、金凤花Caesalpinia pulcherrima (L.) Sw.等；长期以乔木为主，如：药材类树种苏木C. sappan L.、女贞Ligustrum lucidum Ait.、木棉Bombax ceiba L.、大叶紫珠Callicarpa macrophylla Vahl等，水果类树种龙眼Dimocarpus longan Loureiro、黄皮C. lansium（Loureiro）Skeels、无花果Ficus carica L.等，经济类树种大叶相思A. auriculiformis A. Cunn. ex Benth.、台湾相思Acacia confusa Merr.、南洋楹Falcataria moluccana（Miquel） Barneby & J. W. Grimes、龙牙花Erythrina corallodendron L.、木麻黄Casuarina equisetifolia L.等，珍贵树种铁刀木Senna siamea（Lamarck） H. S. Irwin & Barneby、降香Dalbergia odorifera T. C. Chen、海南黄檀D. hainanensis Merr. et Chun等[19-23]。为充分利用土地资源，选择寄主植物应充分考虑经济收益，在每株檀香周围配置适宜的乔木、灌木或草本寄主。

4.2.2 加速建设檀香示范基地，进行檀香优质种苗选育并推广多种种植模式

檀香经营周期长，技术要求高，有必要建设一批具有一定种植规模的高效檀香种植示范基地，既能起到示范作用，又能加强种植珍贵树种的吸引力、增强林农信心；加速檀香优良苗木的产业化生产和良种推广，提高檀香良种使用率；根据树种特性、立地类型及适地适树原则，设置高效集约经营型、多树种混合经营型、现有林分改造型、农村“四旁”绿化型等檀香种植模式[20]。

4.2.3 加强政策引导、技术培训及宣传，带动檀香种植

通过政策引导、技术扶持、积极宣传等措施，充分调动广大林农的积极性，推进檀香等珍贵树种的种植，带动珍贵林木产业的发展。

5 讨论

根据实地调查及文献记载，檀香原产于帝汶岛及其附近的一些岛屿，目前已广泛引种到印度、中国、澳大利亚、印度尼西亚等地。陈士林等[12]对檀香在中国的产地适宜性区域进行了分析，胡秀等[24]运用MaxEnt对檀香在中国的潜在种植区进行了预测。本文檀香在中国的产地适宜性区域与以上研究结果相符，在全球的产地适宜性区域与其他文献记载的檀香分布区相符，同时也和本课题组实地调研的情况相符，证明GMPGIS分析结果具有科学性和准确性，将为檀香的资源调查及全球产地区划提供科学依据。

从GMPGIS分析结果可知，檀香最大生态相似度区域主要为北纬34°和南纬32°之间的热带国家，包括：巴西、印度、刚果（金）、澳大利亚、中国、印度尼西亚等，檀香在中国主要分布于广东、广西、海南、台湾、云南等省。本文发现南美洲、非洲等地的大片区域适宜种植檀香，而这些区域在文献中很少记载。这些檀香新适宜产区的发现，将为檀香产业结构调整及合理发展提供科学依据。

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A Research on the Ecological Suitability of Santalum Album Based on GMPGIS

Tang Huan1,2, Li Xiwen2, Xiang Li2, Sun Li2,3, Shen Liang2, Gao Ruikun2, Ye Meng1
(1. College of Forestry, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China;
2.Institute of Chinese Materia Medica / Key Laboratory of Beijing for Identification and Safety Evaluation of Chinese Medicine, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100700, China;
3. College of Information Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

In this study, the ecological suitability of S. album was explored for its production, distribution and planning. According to 131 documented localities of Santalum album, such as India and Australia, the similarity in distribution was predicted with spatial analysis of global geographic information system for medicinal plant (GMPGIS). As a result, it was found that the optimum producing areas of S. album were distributed in 120 countries, such as Brazil, India, Democratic Republic of the Congo, Australia, China and Indonesia, which provided a scientific reference for the introduction and cultivation of S. album. In conclusion, it was demonstrated that GMPGIS provided scientific evidence for the further investigation and regionalization of S. album resources.

Santalum album, ecological factors, ecological suitability, global geographic information system for medicinal plant

10.11842/wst.2016.08.007

R282

A

（责任编辑：朱黎婷，责任译审：朱黎婷）

2016-07-28

修回日期：2016-08-15

＊ 科学技术部重大新药创制国家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；科学技术部重大新药创制国家科技重大专项子课题（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：叶萌，博士，教授，主要研究方向：野生珍稀药材资源的开发与利用。