基于GMPGIS銀杏全球生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)分析

徐 江 沈 亮 汪 耀,2 相 婷 孟祥霄 湯 歡 李西文

(1 中國中醫(yī)科學院中藥研究所，北京，100700; 2 蚌埠醫(yī)學院生物科學系，蚌埠，233000; 3 揚子江藥業(yè)集團有限公司，泰州，225321)

基于GMPGIS銀杏全球生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)分析

徐 江1沈 亮1汪 耀1,2相 婷3孟祥霄1湯 歡1李西文1

(1 中國中醫(yī)科學院中藥研究所，北京，100700; 2 蚌埠醫(yī)學院生物科學系，蚌埠，233000; 3 揚子江藥業(yè)集團有限公司，泰州，225321)

目的：通過對銀杏全球產(chǎn)區(qū)生態(tài)適宜性分析，為其合理生產(chǎn)布局提供科學依據(jù)。方法：采用《藥用植物全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性區(qū)劃信息系統(tǒng)》(Geographic Information System for Global Medicinal Plants，GMPGIS)，以612個銀杏采樣點氣候因子值和土壤類型為依據(jù)，預測銀杏全球最大生態(tài)相似度區(qū)域。結(jié)果：銀杏適宜生長的地區(qū)包括亞洲東部、歐洲大部分地區(qū)、北美洲中部及南部、南美洲南部、非洲南部以及澳洲南部地區(qū)。世界范圍內(nèi)適宜銀杏生長的面積約為41 215.44×103km2，占地球總面積的30.62%。適宜銀杏生長的國家主要包括美國、中國、俄羅斯、阿根廷、加拿大、澳大利亞、哈薩克斯坦、墨西哥、日本等；其中中國適宜銀杏生長的省區(qū)包括內(nèi)蒙古、云南、四川、廣西、浙江、湖北、河南、安徽等。研究結(jié)果基本包括了銀杏現(xiàn)有產(chǎn)區(qū)及文獻記載道地產(chǎn)地，并預測新的生態(tài)適宜種植地區(qū)。結(jié)論：本研究結(jié)果可為銀杏全球范圍內(nèi)引種栽培提供科學依據(jù)，對高品質(zhì)銀杏藥材生產(chǎn)提供參考。

銀杏；GMPGIS；生態(tài)適宜性；品質(zhì)生態(tài)

銀杏(GinkgobilobaL.)為銀杏科銀杏屬落葉喬木，是我國特有珍貴孑遺樹種。銀杏葉為銀杏的干燥葉，具有斂肺、平喘、活血化瘀、止痛等功效[1]。近年來研究表明銀杏葉中黃酮成分具有擴張冠狀動脈血管、增加血流量及降低血壓，解痙抗過敏，抗菌消炎，抗氧化等作用[2]；銀杏內(nèi)酯是血小板活化因子(PAF)的強拮抗物，具有抗氧化和延緩衰老功能[3]；銀杏葉還廣泛應用在美容化妝、保健飲料等產(chǎn)業(yè)中。銀杏葉作為藥物原料在全球范圍內(nèi)應用范圍較廣，全球使用銀杏葉制劑的國家超過130個，2009年銀杏葉全球市場規(guī)模超過80億美元。截止到2013年5月，我國SFDA已經(jīng)批準了173個銀杏葉制劑的藥品生產(chǎn)批文，國內(nèi)生產(chǎn)廠家達到100多家。此外，銀杏種仁白果含有豐富的維生素C、核黃素、胡蘿卜素、鈣、磷、鐵等微量元素以及銀杏酸、白果酚、五碳多糖，脂固醇等成分，能夠治療肺氣、治咳喘、止帶蟲、縮小便、平皴皺、護血管、增加血流量等功能，具有良好的醫(yī)用效果和食療作用[4]。因此，銀杏藥用價值較高，在人類生活及生產(chǎn)領域起到重要作用。

銀杏起源于中國，除我國浙江天目山、湖北神農(nóng)架地區(qū)以及河南和安徽交界的大別山地區(qū)尚殘存少量野生及半野生銀杏外[5-6]，世界上大部分地區(qū)的銀杏均為引種或栽培品。早在4 000年前的商代時期，銀杏就在我國長流以南地區(qū)廣泛種植，唐朝以后擴展到中原。銀杏于公元6世紀傳到朝鮮和日本，18世紀傳到歐洲和美洲。目前，銀杏在歐洲、亞洲和美洲諸多國家和地區(qū)均有種植，但各國銀杏主要供觀賞及綠化使用[7]。自從20世紀60年代中期，德國科學家發(fā)現(xiàn)銀杏葉片中含有治療心腦血管動脈硬化、高血壓等疾病的有效成分后，銀杏葉的需求量就逐年加大。我國是銀杏葉出國大國，銀杏樹保有量約占全球銀杏樹資源的90%，歐美及日本等國均從我國大量收購銀杏葉原料用于藥劑生產(chǎn)。目前以銀杏葉作為原料生產(chǎn)化妝品和飲料的企業(yè)也逐年增多，導致醫(yī)療健康行業(yè)對銀杏葉的需求日益增長。

為滿足市場需求，國內(nèi)外開展銀杏引種栽培的研究較多，而有關銀杏栽培選址及適宜產(chǎn)區(qū)的研究較少。由于缺乏規(guī)劃、無序發(fā)展，各地銀杏葉及白果在秋季丟棄現(xiàn)象較為嚴重。鑒于國內(nèi)外銀杏葉需求量逐年劇增，建設大規(guī)模優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)銀杏采葉園具有重要意義。銀杏葉以我國銀杏野生分布區(qū)及傳統(tǒng)種植產(chǎn)區(qū)的質(zhì)量最佳，其品質(zhì)地域差異反映了銀杏生長發(fā)育受溫度、濕度、土壤等環(huán)境因子的影響。開展銀杏葉品質(zhì)生態(tài)學研究，可以有效提高葉用銀杏的種植技術。為進一步在全球范圍內(nèi)擴大銀杏栽培面積，基于銀杏現(xiàn)有資源分布調(diào)查數(shù)據(jù)，利用《藥用植物全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性區(qū)劃信息系統(tǒng)》(Geographic Information System for Global Medicinal Plants，GMPGIS)，開展銀杏全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析，指導銀杏引種及擴種產(chǎn)區(qū)規(guī)劃，研究結(jié)果可為銀杏種植產(chǎn)業(yè)的全球化發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 GMPGIS原理 GMPGIS是中國中醫(yī)科學院自主研發(fā)的藥用植物產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)氣候數(shù)據(jù)來源于全球氣候數(shù)據(jù)庫(WorldClim-global Climate Data)和全球生物氣候?qū)W建模數(shù)據(jù)庫(CliMond-global Climatologies for Bioclimatic Modelling)；土壤數(shù)據(jù)庫來源于全球土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD-Harmonized World Soil Database)[8-9]。GMPGIS依據(jù)改進的歐式距離算法，通過模擬運算對藥材采樣信息進行聚類分析，對藥材適宜產(chǎn)區(qū)及潛在產(chǎn)區(qū)進行預測分析[10]。

1.3 數(shù)據(jù)分析 采用ArcGIS 10.2軟件對銀杏各生態(tài)因子值進行分析，采用SPSS 20.0進行統(tǒng)計分析及單因素方差分析(ANOVA)。

1.4 采樣點選擇 基于藥材野生分布區(qū)、主產(chǎn)區(qū)和道地產(chǎn)區(qū)3個選點原則[11]，參考中國數(shù)字植物標本館(http://www.cvh.org.cn/)，全球生物多樣性信息平臺(http://www.gbif.org/)，英國丘園植物名錄(http://apps.kew.org/)，《中國植物志》[12]及已有的文獻報道[13-19]，在全球范圍內(nèi)對中國、韓國、日本、美國、墨西哥、德國、新西蘭等國家銀杏分布區(qū)選取了612個樣點，用于銀杏全球產(chǎn)區(qū)預測(圖1)。

圖1 銀杏全球采集樣點

2 結(jié)果與分析

2.1 銀杏產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析

2.1.1 銀杏生態(tài)因子值范圍 根據(jù)所選取的銀杏采樣點經(jīng)緯度提取該采樣點在GMPGIS系統(tǒng)中的生態(tài)因子數(shù)據(jù)，分析各生態(tài)因子閾值。結(jié)果表明銀杏主要栽培區(qū)域年均溫為0.7～23.4 ℃；最熱季均溫為9.5～30.2 ℃；最冷季均溫為-15.4～17.1 ℃；年均降水量為162～2 981 mm；年均相對濕度為34.0%～82.3%；年均日照為85.6～187.3 W/m2。見表1。銀杏對氣候、土壤的適應性較寬，銀杏能在高溫多雨及雨量稀少、冬季寒冷的地區(qū)生長，適宜銀杏生長的土壤類型主要為強淋溶土、暗色土、紅砂土、鈣積土、始成土、淋溶土、白漿土等。適宜銀杏生長的土壤以濕潤肥沃、排水良好的中性或微酸性土為好。

表1 銀杏主要生長區(qū)域生態(tài)因子值

2.1.2 銀杏全球最大生態(tài)相似度區(qū)域比較 根據(jù)銀杏主要生長區(qū)域生態(tài)因子閾值，利用GMPGIS得到銀杏全球最大生態(tài)相似度區(qū)域分布圖(圖2)。由圖可知，銀杏全球最大生態(tài)相似度區(qū)域主要分布于亞洲東部及南部、歐洲絕大部分地區(qū)、北美洲中部及南部、南美洲南部及非洲南部部分地區(qū)。適宜銀杏生長的面積約為41 215.44×103km2，占地球總面積的30.62%。銀杏適宜生長地區(qū)包括美國、中國、巴西、俄羅斯、加拿大、澳大利亞、阿根廷、哈薩克斯坦、墨西哥、日本等地。

全球范圍內(nèi)適宜銀杏栽培的國家如表2所示。其中美國最大生態(tài)相似度適宜產(chǎn)區(qū)面積最大為8 835.55×103km2，其次為中國，最大生態(tài)相似度適宜產(chǎn)區(qū)面積為5 606.05×103km2。最適宜栽種銀杏的潛在拓展國家為俄羅斯和阿根廷，其最大生態(tài)相似度適宜產(chǎn)區(qū)面積為分布為2 713.10×103km2和2 503.84×103km2。除此之外，北美洲加拿大和墨西哥，大洋洲澳大利亞，南美洲阿根廷、巴西，亞洲哈薩克斯坦、土耳其及伊朗，歐洲法國和西班牙等國家銀杏最大生態(tài)相似度適宜產(chǎn)區(qū)面積都在500×103km2以上，推廣種植潛力較大。

圖2 銀杏全球最大生態(tài)相似度區(qū)域分布圖[審圖號：GS(2016)1766號]

2.1.3 中國銀杏最大生態(tài)相似度區(qū)域比較 中國銀杏最大生態(tài)相似度區(qū)域分布及適宜地區(qū)面積如圖3和圖4所示，其總面積為5 695.67×103km2。其中適宜產(chǎn)區(qū)面積最大的省份為內(nèi)蒙古，面積達到519.06×103km2，其次為云南與四川，面積分布達到435.49×103km2和413.73×103km2。除此之外，廣西、新疆、湖南、陜西、河北等地區(qū)的最大生態(tài)相似度區(qū)域面積也都在200×103km2以上。由于銀杏適宜性較廣，除西藏、新疆、甘肅及內(nèi)蒙古部分干旱地區(qū)不宜種植銀杏外，我國南部地區(qū)及東北大部分地區(qū)均可以進行種植。

表2 銀杏全球最大生態(tài)相似度區(qū)域國家及面積

圖3 中國銀杏最大生態(tài)相似度區(qū)域分布[審圖號：GS(2016)1766號]

圖4 中國銀杏最大生態(tài)相似度區(qū)域面積

2.2 銀杏葉品質(zhì)生態(tài)學研究 我國具有豐富的銀杏資源，銀杏產(chǎn)量的高低與產(chǎn)地及種質(zhì)密切相關。歐洲所需銀杏葉原料90%來自我國，其中全國銀杏產(chǎn)量70%來自山東、江蘇、河南、安徽、浙江、湖北、廣西等地[20]。歐陽紹湘等研究表明3年生葉用銀杏的種植密度約為7.5萬株/hm2最佳[21]。銀杏葉鮮重以5～6月增加最快，葉綠素含量在7～8月間達到最高，施肥及精細管理有助于銀杏葉產(chǎn)量及葉綠素含量提高[22]。喬德奎等通過相關分析得出銀杏內(nèi)酯與葉片產(chǎn)量及樹形等因素存在顯著相關性，可以依據(jù)這些指標用于銀杏新品種的選育[23]。吳岐奎等研究表明銀杏種質(zhì)資源在黃酮和萜類內(nèi)酯含量水平和DNA分子水平上都存在較高遺傳多樣性，利用黃酮和萜內(nèi)酯類含量和AFLP分析相結(jié)合的方法，可以篩選出高黃酮和萜內(nèi)酯類特異種質(zhì)[24]。

銀杏葉中黃酮成分是銀杏葉制劑的主要有效成分，其含量變化與藥材產(chǎn)地、種質(zhì)、采收時間等密切相關。王弘等采集了我國17省35份銀杏葉樣品，采用HPLC法開展黃酮成分研究，結(jié)果表明產(chǎn)量大的江蘇邳州、廣西興安、貴州正安、湖北安陸等地銀杏葉總黃酮含量較高，這進一步說明銀杏主產(chǎn)區(qū)藥材質(zhì)量較好，其研究結(jié)果為銀杏葉種植地區(qū)提供參考[25]。程水源等研究表明葉用銀杏園中銀杏葉的黃酮含量最高，果實和銀杏葉兼用的豐產(chǎn)園次之，盆栽園最低；黃酮含量達到高峰時間，前期是葉用園最早，盆栽園次之，豐產(chǎn)園最慢[26]。汪貴斌等研究表明在收獲前適當采取土壤覆蓋和灌水等措施降低種植園的溫度，有利于提高銀杏葉中黃酮含量，增加單位面積黃酮產(chǎn)量[27]。劉芳瑞等研究表明銀杏在逆境條件下次生代謝活動加強，活性物質(zhì)含量增高，當遮蔭、干旱、高溫等逆境因素發(fā)生時，銀杏中的黃酮等活性物質(zhì)含量增加[28]。鞠建明等通過HPLC法研究表明不同采收期銀杏葉中總銀杏酸含量呈先上升后逐漸下降的趨勢，其中5月底6月初的銀杏酸含量最高；不同樹齡銀杏葉中總銀杏酸含量以樹齡大的較低，樹齡小的較高，這為銀杏葉的采收提供了科學依據(jù)[29]。

3 討論

通常一個物種適應性較廣，不僅與其生物學特性有關，還與原產(chǎn)地和引種地或擴種栽培地間環(huán)境條件有著顯著聯(lián)系。此外，藥用植物適應性區(qū)域的大小與其現(xiàn)代分布區(qū)生態(tài)條件和古代歷史生態(tài)條件也有關。GMPGIS系統(tǒng)是基于生態(tài)相似性理論，根據(jù)生態(tài)因子預測出藥用植物最大生態(tài)相似度分布區(qū)域，該系統(tǒng)的成功研發(fā)為藥用植物種植生產(chǎn)提供指導。但藥用植物種植基地的選取除考慮其生物學特征外，還需要對其種植產(chǎn)區(qū)的生產(chǎn)成本、耕作條件、灌溉條件、交通運輸?shù)确黔h(huán)境因素進行綜合評價。因此，除參考本研究結(jié)果外，銀杏在栽培選址時，還應結(jié)合各方因素進行。此外，銀杏對氣候和土壤適宜性較強，但土層太薄、貧瘠及有鹽堿的土壤，易受澇害的濕洼地，過于蔭蔽、寒冷的環(huán)境均不利于銀杏正常生長發(fā)育，引種過程需要多加考慮[30]。

本研究采用GMPGIS分析了銀杏全球生態(tài)適宜區(qū)域，得到銀杏全球范圍內(nèi)的最大生態(tài)相似度適宜產(chǎn)區(qū)，其最適宜產(chǎn)區(qū)與現(xiàn)有銀杏主產(chǎn)區(qū)較為相似，驗證了GMPGIS的科學性，研究結(jié)果可對銀杏的引種和擴種提供理論指導。全球范圍內(nèi)，除中國東部地區(qū)及南部原有種植產(chǎn)區(qū)外，本研究得出歐洲絕大部分地區(qū)、北美洲中部及南部地區(qū)、南美洲中部及南部地區(qū)和非洲南部等地區(qū)均適宜銀杏種植。這些地區(qū)的生境特征符合銀杏生長的生態(tài)環(huán)境，在葉用銀杏原料不足的情況下，上述區(qū)域可以作為銀杏的引種栽培新區(qū)域。在中國范圍內(nèi)，最適宜銀杏的栽培區(qū)域主要集中在華南、華東和華北地區(qū)。除黑龍江北部地區(qū)氣溫較底，西藏、青海、內(nèi)蒙古和新疆沙漠地區(qū)較為干旱外，我國其他地區(qū)均有銀杏種植的相關報道[15-16]。根據(jù)分析結(jié)果，在我國建議引種栽培的區(qū)域主要以華南、華中、華東及西南地區(qū)為宜。

我國有關銀杏藥用的記載始于元朝李昊的《食物本草》，蜀中記載銀杏味甘苦，有毒，其杏仁食之生痰，動氣，利小便。明朝李時珍所撰的《本草綱目》對銀杏的藥用記述最為詳盡。“核仁甘、苦、平、澀，無毒，熟食，味苦微甘，性溫有小毒，多食令人腫脹，生食引瘡解酒，熟食益人”[19]。銀杏在我國的藥用部位一直是果實。自20世紀50年代初，德國植物學家發(fā)現(xiàn)銀杏葉的黃酮苷類和萜類成分具有清除自由基、提高抗血小板活化因素和保護神經(jīng)細胞的功效后，德國生產(chǎn)的銀杏葉提取物制劑EGb761已經(jīng)在60個國家允許上市。銀杏葉作為西方國家開發(fā)的一種西藥逐漸被我國接受并使用，這一段“東學西傳”又到“西學中用”的歷史，進一步說明中藥在未來的醫(yī)藥行業(yè)中必將發(fā)揮更加重要的作用。隨著我國“一帶一路”經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略的推進，本研究得到的銀杏在歐洲、美洲、非洲及大洋洲等地區(qū)的適宜產(chǎn)區(qū)可為其在全球范圍內(nèi)引種栽培提供參考。

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(2017-04-10收稿 責任編輯：徐穎)

Analysis on Global Producing Area Suitability of Ginkgo Biloba Based on GMPGIS

Xu Jiang1，Shen Liang1，Wang Yao1,2，Xiang Ting3，Meng Xiangxiao1，Tang Huan1，Li Xiwen1

(1InstituteofChineseMateriaMedicaChinaAcademyofChineseMedicalSciencis，Beijing100700，China; 2BengbuMedicalCollege，Bengbu233000，China; 3Yangtzeriverpharmaceuticalgroup，Taizhou225321，China)

Objective:Through assess the global production and ecological adaptation of Ginkgo biloba，provided the scientific basis for its production.Methods:Geographic Information System for Global medicinal plants(GMPGIS)was be used to predict the maximum ecological similarity areas for Ginkgo biloba worldwide，based on climate factors and soil types of Ginkgo biloba from 612 sampling sites.Results:The results show that the eastern and south part of Asian，most regions of Europe，Southern and central part of North America，South America and South Africa are the most suitable areas for Ginkgo biloba.The potential distribution of G.biloba predicted was approximately 41215.44×103km2，and 30.62% of the total area of the earth.The American，China，Russia，Argentina，Canada，Australian，Kazakhstan，Mexico and Japan are the country in most suitable ecological and cultivated area globally for Ginkgo biloba.The potential suitable province of Ginkgo biloba in China are mainly included Inner Mongolia，Yunnan，Sichuan，Guangxi，Zhejiang，Hubei，Henan，Anhui.And the predicted results is corresponded with the global cultural region.Conclusion:Use of GMPGIS to select the most optimum Ginkgo biloba production regions provides a new scientific basis for cultivation for Ginkgo biloba and the growth and quality affection by ecology analysis would lay a solid foundation for the high quality Ginkgo biloba production.

Ginkgo biloba；GMPGIS；Suitability of global producing area；Ecology

國家中藥標準化項目(編號：ZYBZH-C-JS-7)；中國中醫(yī)科學院“十三五”重點領域研究專項(編號：ZZ10-007)

徐江，助理研究員，研究方向：從事中藥基因自學及分子生物學研究，E-mail：jxu@icmm.ac.cn

李西文，副研究員，研究方向：中藥栽培與鑒定，Tel：(010)57203877，E-mail：xwli@icmm.ac.cn

[R282.2]

A

10.3969/j.issn.1673-7202.2017.05.002