人参全球产地生态适宜性分析及农田栽培选地规范

沈亮+吴杰+李西文+徐江+董林林+桑明春+孙成忠+藤原直树+陈士林

[摘要]通过开展人参全球范围内产地生态适宜性分析及农田栽培选地规范制定，为农田栽参合理规划生产布局及规范化种植提供科学依据。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”（global geo-graphic information system for medicinal plant，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271个样点的生态环境因子值为计算依据，经过生态相似性分析获得人参全球范围内的最佳生态适宜产区和潜在种植区，主要包括美国、加拿大、中国、俄罗斯、日本、朝鲜、法国、意大利、乌克兰、韩国等国家。其中，人参在中国的生态适宜产区主要包括黑龙江、吉林、辽宁、陕西、甘肃、湖北、四川、内蒙古、山东和山西等省区。另外，在产地生态适宜性分析结果和项目组多年农田栽参研究数据基础上，结合文献及对部分种植基地的调研结果，初步制订了农田栽参选地规范。该研究为人参农田规模化种植、引种栽培和保护抚育提供科学依据，农田栽参选地规范为高品质人参的科学生产奠定基础。

[关键词]人参；生态适宜性；GMPGIS；农田栽参；选地规范

人参为五加科植物人参Panax ginseng C.A.Mey.的干燥根及根茎，享有“百草之王”美誉，主要分布在中国东北、朝鲜、韩国、日本、俄罗斯东部地区，是驰名中外的珍贵药材。人参药用价值较高，长期掠夺式采挖以及生态环境破坏，导致其野生资源濒临枯竭，已被中国《国家重点保护野生药用动植物名录》收录，目前人参药材主要来源于栽培品。虽然中国人参产量大、质量好，但其依靠“伐林栽参，参后还林”的栽培模式，对森林资源和生态环境造成了严重破坏。自1998年起，中国政府明令禁止砍伐森林，规定25°以上坡地必须退耕还林，造成人参可用林地资源锐减。由于人参连作障碍一直未能解决，原栽培地恢复期在20年以上，人参种植地面临重新选地问题，严重限制了人参产业的可持续发展。2012年，卫生部批准人参作为新资源食品在市场上流通，由此导致人参全球范围内供需矛盾日益突出。

为满足国内外市场对人参的巨大需求，中国迫切需要走上“农田栽参”等非林地栽参的发展道路。农田栽参种植模式解决了參、林争地矛盾，有利于人参的集约化经营和科学化管理。韩国、日本、朝鲜等国通过开展人参新品种培育等相关研究，现已具备较为完善的“农田栽参，参粮轮作”配套种植技术。与此相比，中国“农田栽参”起步较晚，又缺乏适合在农田栽培的人参新品种，技术体系还不完善。盲目进行农田引种，不仅造成大范围死苗现象，产量下降，导致资源、人力、物力的浪费，还导致药材质量下降，影响临床疗效。由于人参新品种培育历程较长，农田栽参大规模推广还存在技术壁垒，通过产地生态适宜性分析寻找最适宜人参栽培地有助于提高成功率。

本研究依据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”（global geographic information system for medicinalplant，GMPGIS），在全球范围内开展人参产地生态适宜性分析，进而选择最适宜栽培区域内的农田进行非林地栽参试验，以验证GMPGIS系统的可行性和科学性。本研究从宏观和微观2个尺度开展人参适宜栽培地的选择，为合理规划人参生产、开展农田人参种植区划、避免盲目引种及保证人参品质提供科学依据。本文在产地生态适宜性分析结果和项目组多年农田栽参研究数据基础上，参考国内外农田栽参种植技术，初步制定了农田栽参选地规范，可为人参保护抚育、引种栽培、规范化农田种植提供科学依据。

1材料

1.1人参样点

本研究在全球范围内分别对中国、韩国、日本、朝鲜及俄罗斯远东地区等人参分布区进行了选点。通过查阅相关文献及网站，选择人参药材道地产区、主产区及野生分布区的27 1个样点进行人参产地生态适宜性分析（表1）。其中，通过查阅相关文献及实地考察，中国东北以及历史上有记载的人参分布区选择了163个样点；韩国中部等人参产区选择了42个样点；朝鲜北部及南部开城等产区选择了26个样点；俄罗斯远东及高加索等有记载人参分布区选择了22个样点；在日本长野县、福岛县、岛根县以及北海道等人参产区选择了18个样点。

1.2GMPGIS数据来源

GMPGIS由中国中医科学院中药研究所自主研发，该系统气候数据主要来源于WoddClim全球气候数据库（WoddClim-global climate data）和CliMond全球生物气候学建模数据库（CliMond：global climatologiesfor bioclimatic modelling），土壤数据来源于全球土壤数据库（harmonized world soil database，HWSD）。

1.2.1气候数据来源WorldClim全球气候数据库是由美国加州大学伯克利分校的Robert J Hijmans，Susan Cameron和Juan Parra发起并建立的一个全球气候栅格数据库。WorldClim是国际社会公认的区域性精确度较高的气候数据库，在植被分布预测及气候变化响应等领域得到广泛应用。WorldClim气候栅格数据集，分辨率为30"，包括月最低温度（rain temperature）、月最高温度（max tem-perature）、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（B101，annualmean temperature）、最热季均温（BIO10，mean tem.perature of warmest quarter）、最冷季均温（B1011，mean temperature of coldest quarter）、年均降水（BIO12，annual precipitation）等数据用于人参适宜产区分析。

CliMond数据库致力于分享不同格式环境数据、建模数据等用于物種分布模型、物种濒危模型及全球气候变化等生态领域问题研究。CliMond数据库气候栅格数据的分辨率为10，包括：月最低温度（minimum temperature，℃）、月最高温度（maximumtemperature，℃）、月均降水（rainfall，mm/月）、月均上午9时相对湿度（relative humidity at 9 am）、月均下午3时相对湿度（relative humidity at 3 pm）以及35个生物气候数据图层。本研究选取年均辐射（BIO 20，annual mean radiation，W·m）、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用于人参全球最适宜产区分析。

1.2.2土壤数据来源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FAO 90土壤分类系统）、质地、有效含水量、容重、有机质、酸碱度、电导率等指标。土壤类型包括强淋溶土（acrisols）、高活性强酸土（alisols）、暗色土（andosols）、红砂土（arenosols）、人为土（anthrosols）、黑钙土（cherno-zems）、钙积土（calcisols）、始成土（cambisols）、冲积土（fluvisols）、淋溶土（1uvisols）、黏绨土（nitisols）、白浆土（planosols）、粗骨土（regosols）、变性土（verti.sols）等28种。

1.3农田栽参验证试验

根据人参全球产地生态适宜性分析结果，农田栽参项目组在与盛实百草药业有限公司合作的吉林省和黑龙江省28个产地的1万多亩（1亩=667㎡）人参基地开展了农田栽参选地规范研究。2012-2016年，从人参在中国最适宜种植区随机选取了吉林省白山市靖宇县太平村及吉林省通化市通化县富强村2个前茬为玉米的试验地进行农田栽参选地规范验证研究。为避免连作障碍带来的数据影响，2个地块以林地土壤指标为参照经过了消毒等改良处理，重点调查了人参存苗率和发病率等生长相关指标。

1.4土壤样品采集

采用蛇形（S形）取样法在农田栽参试验地采集土壤样品，采样点的分布尽量均匀，取样深度为0～30cm，样品过2mm筛，按照四分法取样，每份样品留500g用于土壤理化性状分析。

2方法

2.1GMPGIS相似性算法设计

2.1.1数据标准化在进行相似性聚类分析前，对各种数据进行标准化处理以消除不同量纲的影响。GMPGIS采用线性标准化方法进行数据标准化处理，将数据值归一化到0～100，如公式（1）所示。

2.1.2相似性聚类分析

聚类分析（cluster analy.sis）简称聚类（clustering），是把数据对象划分成子集的过程。每个子集是1个簇，使簇中的对象彼此相似，但与其他簇中对象不同，由聚类分析产生的集合称为簇类。GMPGIS系统中采用的聚类分析是以每个空间栅格作为1个聚类对象，n个生态因子数值作为该栅格的聚类条件，每个栅格都可以看成n维空间中1个点。因此，根据栅格间距离大小将不同栅格进行空间最小距离聚类，第i个栅格与第j个栅格间距离如公式（2）所示。

2.1.3栅格重分类根据距离计算结果栅格进行重分类，找出人参最大生态相似度区域。

2.2农田栽参土壤理化指标测定

土壤营养成分测定：全氮（TN）参考NY/T53-1987、速效磷（AP）参考NY/T148.1990、速效钾（AK）参考NY/T 889-2004、有机质参考NY/T1121.6-2006、pH测定采用水浸提法、Ca²⁺含量和Mg²⁺含量测定采用乙酸铵交换EDTA络合滴定法。

2.3数据分析

采用Excel2013进行数据处理，SPSS20.0进行单因素方差分析（ANOVA）。

3结果

3.1人参最大生态相似度区域分析

3.1.1人参在全球的最大生态相似度区域分析基于人参在全球分布区的271个样点信息，GMPGIS分析得到人参主要生长区域生态因子值范围为：年生长期均温7.1～20.3℃，最冷季均温一23.2～3.5，最热季均温12.3～24.6，年均温-2.1～14.0，年均相对湿度为54.9%～71.8%，年均降雨量520.0～1999.0，年均日照为113.0～158.6。人参适宜产区土壤类型为强淋溶土、暗色土、始成土、潜育土等。人参最大生态相似度区域全球分布图（图1）。人参在全球的最大生态相似度区域（生态相似度99.9%～100%的区域）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。人参全球最大生态相似度区域面积比例图可见，人参在美国、加拿大和中国的最大生态相似度区域面积最大，占人参全球最大生态相似度区域面积的72.25%（图2）。

3.1.2人参在中国的最大生态相似度区域分析基于人参在中国的样点信息，根据GMPGIS分析得到人参在中国的最大生态相似度区域分布图（图3）。人参在中国的最大生态相似度区域包括黑龙江、吉林、辽宁、陕西、甘肃、湖北、四川、内蒙古、山东、河南、河北等省区。其中面积前3位的区域是黑龙江省、吉林省和辽宁省（图4）。黑龙江省适宜产区包括铁力、嘉荫、林口、海林、富锦、虎林、宝清等县，吉林省适宜产区包括靖宇、抚松、通化、桦甸、集安、敦化、长白等县，辽宁省适宜产区包括桓仁、新宾、宽甸、新抚、凤城、开原、法库、新民等县（表2）。