沈亮+吳杰+李西文+徐江+董林林+桑明春+孫成忠+藤原直樹+陳士林

[摘要]通過開展人參全球范圍內(nèi)產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析及農(nóng)田栽培選地規(guī)范制定，為農(nóng)田栽參合理規(guī)劃生產(chǎn)布局及規(guī)范化種植提供科學(xué)依據(jù)。采用中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所自主研發(fā)的“藥用植物全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性區(qū)劃信息系統(tǒng)”（global geo-graphic information system for medicinal plant，GMPGIS），以本草文獻(xiàn)記載的道地產(chǎn)區(qū)、野生分布區(qū)以及當(dāng)前主產(chǎn)區(qū)271個(gè)樣點(diǎn)的生態(tài)環(huán)境因子值為計(jì)算依據(jù)，經(jīng)過生態(tài)相似性分析獲得人參全球范圍內(nèi)的最佳生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)和潛在種植區(qū)，主要包括美國、加拿大、中國、俄羅斯、日本、朝鮮、法國、意大利、烏克蘭、韓國等國家。其中，人參在中國的生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)主要包括黑龍江、吉林、遼寧、陜西、甘肅、湖北、四川、內(nèi)蒙古、山東和山西等省區(qū)。另外，在產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析結(jié)果和項(xiàng)目組多年農(nóng)田栽參研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻(xiàn)及對部分種植基地的調(diào)研結(jié)果，初步制訂了農(nóng)田栽參選地規(guī)范。該研究為人參農(nóng)田規(guī)?；N植、引種栽培和保護(hù)撫育提供科學(xué)依據(jù)，農(nóng)田栽參選地規(guī)范為高品質(zhì)人參的科學(xué)生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]人參；生態(tài)適宜性；GMPGIS；農(nóng)田栽參；選地規(guī)范

人參為五加科植物人參Panax ginseng C.A.Mey.的干燥根及根莖，享有“百草之王”美譽(yù)，主要分布在中國東北、朝鮮、韓國、日本、俄羅斯東部地區(qū)，是馳名中外的珍貴藥材。人參藥用價(jià)值較高，長期掠奪式采挖以及生態(tài)環(huán)境破壞，導(dǎo)致其野生資源瀕臨枯竭，已被中國《國家重點(diǎn)保護(hù)野生藥用動(dòng)植物名錄》收錄，目前人參藥材主要來源于栽培品。雖然中國人參產(chǎn)量大、質(zhì)量好，但其依靠“伐林栽參，參后還林”的栽培模式，對森林資源和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。自1998年起，中國政府明令禁止砍伐森林，規(guī)定25°以上坡地必須退耕還林，造成人參可用林地資源銳減。由于人參連作障礙一直未能解決，原栽培地恢復(fù)期在20年以上，人參種植地面臨重新選地問題，嚴(yán)重限制了人參產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。2012年，衛(wèi)生部批準(zhǔn)人參作為新資源食品在市場上流通，由此導(dǎo)致人參全球范圍內(nèi)供需矛盾日益突出。

為滿足國內(nèi)外市場對人參的巨大需求，中國迫切需要走上“農(nóng)田栽參”等非林地栽參的發(fā)展道路。農(nóng)田栽參種植模式解決了參、林爭地矛盾，有利于人參的集約化經(jīng)營和科學(xué)化管理。韓國、日本、朝鮮等國通過開展人參新品種培育等相關(guān)研究，現(xiàn)已具備較為完善的“農(nóng)田栽參，參糧輪作”配套種植技術(shù)。與此相比，中國“農(nóng)田栽參”起步較晚，又缺乏適合在農(nóng)田栽培的人參新品種，技術(shù)體系還不完善。盲目進(jìn)行農(nóng)田引種，不僅造成大范圍死苗現(xiàn)象，產(chǎn)量下降，導(dǎo)致資源、人力、物力的浪費(fèi)，還導(dǎo)致藥材質(zhì)量下降，影響臨床療效。由于人參新品種培育歷程較長，農(nóng)田栽參大規(guī)模推廣還存在技術(shù)壁壘，通過產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析尋找最適宜人參栽培地有助于提高成功率。

本研究依據(jù)中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所自主研發(fā)的“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 medicinalplant，GMPGIS），在全球范圍內(nèi)開展人參產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析，進(jìn)而選擇最適宜栽培區(qū)域內(nèi)的農(nóng)田進(jìn)行非林地栽參試驗(yàn)，以驗(yàn)證GMPGIS系統(tǒng)的可行性和科學(xué)性。本研究從宏觀和微觀2個(gè)尺度開展人參適宜栽培地的選擇，為合理規(guī)劃人參生產(chǎn)、開展農(nóng)田人參種植區(qū)劃、避免盲目引種及保證人參品質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。本文在產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析結(jié)果和項(xiàng)目組多年農(nóng)田栽參研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，參考國內(nèi)外農(nóng)田栽參種植技術(shù)，初步制定了農(nóng)田栽參選地規(guī)范，可為人參保護(hù)撫育、引種栽培、規(guī)范化農(nóng)田種植提供科學(xué)依據(jù)。

1材料

1.1人參樣點(diǎn)

本研究在全球范圍內(nèi)分別對中國、韓國、日本、朝鮮及俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)等人參分布區(qū)進(jìn)行了選點(diǎn)。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)及網(wǎng)站，選擇人參藥材道地產(chǎn)區(qū)、主產(chǎn)區(qū)及野生分布區(qū)的27 1個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行人參產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析（表1）。其中，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)地考察，中國東北以及歷史上有記載的人參分布區(qū)選擇了163個(gè)樣點(diǎn)；韓國中部等人參產(chǎn)區(qū)選擇了42個(gè)樣點(diǎn)；朝鮮北部及南部開城等產(chǎn)區(qū)選擇了26個(gè)樣點(diǎn)；俄羅斯遠(yuǎn)東及高加索等有記載人參分布區(qū)選擇了22個(gè)樣點(diǎn)；在日本長野縣、福島縣、島根縣以及北海道等人參產(chǎn)區(qū)選擇了18個(gè)樣點(diǎn)。

1.2GMPGIS數(shù)據(jù)來源

GMPGIS由中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所自主研發(fā)，該系統(tǒng)氣候數(shù)據(jù)主要來源于WoddClim全球氣候數(shù)據(jù)庫（WoddClim-global climate data）和CliMond全球生物氣候?qū)W建模數(shù)據(jù)庫（CliMond：global climatologiesfor bioclimatic modelling），土壤數(shù)據(jù)來源于全球土壤數(shù)據(jù)庫（harmonized world soil database，HWSD）。

1.2.1氣候數(shù)據(jù)來源WorldClim全球氣候數(shù)據(jù)庫是由美國加州大學(xué)伯克利分校的Robert J Hijmans，Susan Cameron和Juan Parra發(fā)起并建立的一個(gè)全球氣候柵格數(shù)據(jù)庫。WorldClim是國際社會(huì)公認(rèn)的區(qū)域性精確度較高的氣候數(shù)據(jù)庫，在植被分布預(yù)測及氣候變化響應(yīng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。WorldClim氣候柵格數(shù)據(jù)集，分辨率為30"，包括月最低溫度（rain temperature）、月最高溫度（max tem-perature）、月均溫度（mean temperature）、月均降水（precipitation）、海拔（altitude）以及19個(gè)生物氣候數(shù)據(jù)圖層。本研究選取其中的年均溫（B101，annualmean temperature）、最熱季均溫（BIO10，mean tem.perature of warmest quarter）、最冷季均溫（B1011，mean temperature of coldest quarter）、年均降水（BIO12，annual precipitation）等數(shù)據(jù)用于人參適宜產(chǎn)區(qū)分析。

CliMond數(shù)據(jù)庫致力于分享不同格式環(huán)境數(shù)據(jù)、建模數(shù)據(jù)等用于物種分布模型、物種瀕危模型及全球氣候變化等生態(tài)領(lǐng)域問題研究。CliMond數(shù)據(jù)庫氣候柵格數(shù)據(jù)的分辨率為10，包括：月最低溫度（minimum temperature，℃）、月最高溫度（maximumtemperature，℃）、月均降水（rainfall，mm/月）、月均上午9時(shí)相對濕度（relative humidity at 9 am）、月均下午3時(shí)相對濕度（relative humidity at 3 pm）以及35個(gè)生物氣候數(shù)據(jù)圖層。本研究選取年均輻射（BIO 20，annual mean radiation，W·m）、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用于人參全球最適宜產(chǎn)區(qū)分析。

1.2.2土壤數(shù)據(jù)來源DHWSD是由聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）和國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所（IIASA）共同組建的（http：//www.iiasa.ac.at/）。HWSD數(shù)據(jù)庫包括土壤名稱（參照FAO 90土壤分類系統(tǒng)）、質(zhì)地、有效含水量、容重、有機(jī)質(zhì)、酸堿度、電導(dǎo)率等指標(biāo)。土壤類型包括強(qiáng)淋溶土（acrisols）、高活性強(qiáng)酸土（alisols）、暗色土（andosols）、紅砂土（arenosols）、人為土（anthrosols）、黑鈣土（cherno-zems）、鈣積土（calcisols）、始成土（cambisols）、沖積土（fluvisols）、淋溶土（1uvisols）、黏綈土（nitisols）、白漿土（planosols）、粗骨土（regosols）、變性土（verti.sols）等28種。

1.3農(nóng)田栽參驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)人參全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析結(jié)果，農(nóng)田栽參項(xiàng)目組在與盛實(shí)百草藥業(yè)有限公司合作的吉林省和黑龍江省28個(gè)產(chǎn)地的1萬多畝（1畝=667㎡）人參基地開展了農(nóng)田栽參選地規(guī)范研究。2012-2016年，從人參在中國最適宜種植區(qū)隨機(jī)選取了吉林省白山市靖宇縣太平村及吉林省通化市通化縣富強(qiáng)村2個(gè)前茬為玉米的試驗(yàn)地進(jìn)行農(nóng)田栽參選地規(guī)范驗(yàn)證研究。為避免連作障礙帶來的數(shù)據(jù)影響，2個(gè)地塊以林地土壤指標(biāo)為參照經(jīng)過了消毒等改良處理，重點(diǎn)調(diào)查了人參存苗率和發(fā)病率等生長相關(guān)指標(biāo)。

1.4土壤樣品采集

采用蛇形（S形）取樣法在農(nóng)田栽參試驗(yàn)地采集土壤樣品，采樣點(diǎn)的分布盡量均勻，取樣深度為0～30cm，樣品過2mm篩，按照四分法取樣，每份樣品留500g用于土壤理化性狀分析。

2方法

2.1GMPGIS相似性算法設(shè)計(jì)

2.1.1數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化在進(jìn)行相似性聚類分析前，對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以消除不同量綱的影響。GMPGIS采用線性標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，將數(shù)據(jù)值歸一化到0～100，如公式（1）所示。

2.1.2相似性聚類分析

聚類分析（cluster analy.sis）簡稱聚類（clustering），是把數(shù)據(jù)對象劃分成子集的過程。每個(gè)子集是1個(gè)簇，使簇中的對象彼此相似，但與其他簇中對象不同，由聚類分析產(chǎn)生的集合稱為簇類。GMPGIS系統(tǒng)中采用的聚類分析是以每個(gè)空間柵格作為1個(gè)聚類對象，n個(gè)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1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，第i個(gè)柵格與第j個(gè)柵格間距離如公式（2）所示。

2.1.3柵格重分類根據(jù)距離計(jì)算結(jié)果柵格進(jìn)行重分類，找出人參最大生態(tài)相似度區(qū)域。

2.2農(nóng)田栽參土壤理化指標(biāo)測定

土壤營養(yǎng)成分測定：全氮（TN）參考NY/T53-1987、速效磷（AP）參考NY/T148.1990、速效鉀（AK）參考NY/T 889-2004、有機(jī)質(zhì)參考NY/T1121.6-2006、pH測定采用水浸提法、Ca²⁺含量和Mg²⁺含量測定采用乙酸銨交換EDTA絡(luò)合滴定法。

2.3數(shù)據(jù)分析

采用Excel2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS20.0進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）。

3結(jié)果

3.1人參最大生態(tài)相似度區(qū)域分析

3.1.1人參在全球的最大生態(tài)相似度區(qū)域分析基于人參在全球分布區(qū)的271個(gè)樣點(diǎn)信息，GMPGIS分析得到人參主要生長區(qū)域生態(tài)因子值范圍為：年生長期均溫7.1～20.3℃，最冷季均溫一23.2～3.5，最熱季均溫12.3～24.6，年均溫-2.1～14.0，年均相對濕度為54.9%～71.8%，年均降雨量520.0～1999.0，年均日照為113.0～158.6。人參適宜產(chǎn)區(qū)土壤類型為強(qiáng)淋溶土、暗色土、始成土、潛育土等。人參最大生態(tài)相似度區(qū)域全球分布圖（圖1）。人參在全球的最大生態(tài)相似度區(qū)域（生態(tài)相似度99.9%～100%的區(qū)域）主要分布在亞洲的中國、日本、韓國、朝鮮、土耳其、格魯吉亞、阿塞拜疆及亞美尼亞；歐洲的俄羅斯、法國、意大利、烏克蘭、塞爾維亞、保加利亞、西班牙、匈牙利、羅馬尼亞、德國、瑞士以及北美洲的美國、加拿大等地區(qū)。人參全球最大生態(tài)相似度區(qū)域面積比例圖可見，人參在美國、加拿大和中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域面積最大，占人參全球最大生態(tài)相似度區(qū)域面積的72.25%（圖2）。

3.1.2人參在中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域分析基于人參在中國的樣點(diǎn)信息，根據(jù)GMPGIS分析得到人參在中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域分布圖（圖3）。人參在中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域包括黑龍江、吉林、遼寧、陜西、甘肅、湖北、四川、內(nèi)蒙古、山東、河南、河北等省區(qū)。其中面積前3位的區(qū)域是黑龍江省、吉林省和遼寧?。▓D4）。黑龍江省適宜產(chǎn)區(qū)包括鐵力、嘉蔭、林口、海林、富錦、虎林、寶清等縣，吉林省適宜產(chǎn)區(qū)包括靖宇、撫松、通化、樺甸、集安、敦化、長白等縣，遼寧省適宜產(chǎn)區(qū)包括桓仁、新賓、寬甸、新?lián)?、鳳城、開原、法庫、新民等縣（表2）。