千层塔的濒危机制和保护对策

2018-01-09王锋刘刚武芸

湖北农业科学 2017年23期

关键词：保护对策

王锋+刘刚+武芸

摘要：从千层塔（Huperzia serrata）的自然生境及地理分布和形态特征、繁殖（孢子繁殖、人工繁殖）等生物学特征方面，分析了导致千层塔濒危的机制，提出了相应的措施和保护对策。

关键词：千层塔（Huperzia serrata）；濒危机制；保护对策

中图分类号：Q949.95 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）23-4534-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.23.029

Abstract： Based on the natural habitat，geographical distribution，morphological characteristics，propagation（including spore propagation and artificial propagation），and other biological characteristics of Huperzia serrata，the mechanism leading to Huperzia serrata endangerment was analyzed and corresponding measures and conservation strategies were put forward.

Key words： Huperzia Serrata； endangered mechanism； conservation strategy

千层塔（Huperzia serrata）又名蛇足石杉、金不换，为石杉科石杉属蕨类植物[1]。千层塔的有效成分石杉碱甲是一种高效胆碱酯酶抑制剂，在医疗应用上有特殊作用，能增强记忆，具有抗老年性痴呆的显著作用[2-5]。然而，自然界中野生千层塔的资源总存储量少，加上其生长缓慢，长期以来的过度采掘导致其濒危，因此对千层塔的濒危机制的研究非常有必要。本研究从千层塔的地理分布（生态学特征）、形态及繁殖等生物学特征方面探索千层塔的致濒机制，提出对濒危千层塔的保护措施。这对于保护千层塔的自然资源、合理开发和利用均具有重要意义。

1 千层塔的生物学特性

1.1 千层塔的地理分布

千层塔的分布范围较广，在大洋洲、俄罗斯等地均有分布。在中国千层塔主要分布在长江流域以南、东北、云南、贵州及两广地区，其生长环境差别较大但多数性喜阴湿、适应于富含腐殖质的土壤。在中国东部和东南部，由于气候、地理原因形成了该种种类变异和多度中心，其生态环境为天然常绿阔叶林、针阔混交林、亚热带常绿阔叶林和南亚热带常绿阔叶林，因其性喜阴湿，要求空气湿度大，适应于海拔300～2 800 m[6]。常见其生境为沟边、林缘、石上阴湿处，过高或过低的光照强度均不利于千层塔的生长，氮、磷丰富的地方更有利于其生长。经研究发现，毛竹林下的温度、湿度等生态条件是最适合蛇足石杉的生长发育。蛇足石杉生长的土壤为沙壤和轻壤，其有机质含量为12.40%～19.25%，pH為4.02～4.40，含氮量为0.310%～0.700%。此外铅和锰有利于蛇足石杉的生长。全年中4月份蛇足石杉有效成分石杉碱甲的含量最高。张君诚等[7]对福建金铙山处于不同海拔高度的蛇足石杉种群分布的17个样点进行了调查，结果显示，海拔在653～900 m的范围有利于蛇足石杉的生长。吴荭等[8]研究表明，垂直分布在52～2 700 m，海拔在300～1 500 m范围内的蛇足石杉分布较多。王志安等[9]通过对浙江蛇足石杉的生态因子进行研究，得到在温度为18.8～26.3 ℃时有利于其生长，光照强度在1 330～3 000 lx范围内生长较好；但温度较高不利于石杉碱甲的合成。裴刚等[10]研究了皱边石杉中石杉碱甲的含量与当地年平均温度的关系，结果表明，石杉碱甲的含量与当地的年平均温度呈负相关性[11]。

1.2 千层塔的形态特征

千层塔高度在10～30 cm，暗绿色，略带有光泽。根状茎的直径大约为2.0 mm，茎直立或斜生。茎上部有很多叉状的分支，枝上部常有芽孢，叶螺旋状排列，平展，狭椭圆形，向基部明显变狭；顶端有小芽，叶基部渐狭。孢子囊多单生于叶腋处，营养叶与孢子叶同型。孢子囊横生于叶腋，两端露出，呈淡黄色，肾形，成熟易裂开，气微稍苦[12]。

1.3 千层塔的孢子繁殖

在自然环境下千层塔通过孢子繁殖和芽孢繁殖，但是绝大多数是通过孢子繁殖，后者的繁殖在自然界极少发现。千层塔的孢子繁殖过程为：孢子→原叶体→不规则体→卵子器（精子器）→卵子（精子）→胚→孢子体。千层塔孢子萌发后形成原叶体，成熟的原叶体为不规则体的形状，通常是贴在土的表面，配子体为绿色，孢子萌发到配子体成熟这一过程需要5～14年才能成熟，周期特别长。卵子器和精子器产生于配子体上，卵子器和精子器产生的卵子和精子在水环境中受精，两者结合形成胚，胚是寄生于配子体上，长大后的配子体则死亡。胚发育形成孢子体，幼叶是在孢子体的顶端长出，而孢子体的根生于茎的基部，是不定根。这种不定根需要和土壤中特定的真菌共生，形成了菌根才能正常生长。因为自然界中千层塔的另一种繁殖方式芽孢繁殖在野外极少发现，这也使得千层塔的再生资源受到很大的限制。另一方面由于千层塔从孢子到配子体成熟需要5～14年，生长周期长且生长缓慢也是限制千层塔资源再生的重要因素。加上近年来医药领域对千层塔有效成分石杉碱甲的的提取，石杉碱甲的含量在千层塔中很低，从而导致需要大量的千层塔作为原料[13]。野生千层塔遭受到无节制的采挖，以及近年来自然环境的恶化，使得千层塔的自然总蕴藏量非常少，这些都是自然界中千层塔濒危的主要因素。

1.4 千层塔的人工繁殖

千层塔的人工繁殖目前主要是通过扦插、组织培养方式。千层塔的扦插繁殖可通过特殊药剂如吲哚乙酸、萘乙酸等，对千层塔的枝条进行处理，促进其快速生根繁殖。李娜等[14]对扦插繁殖的蛇足石杉采用光照强度800～1 200 lx进行处理，可以促进枝条的存活。盛束军等[15]通过扦插试验，探究了不同浓度的吲哚丁酸、萘乙酸、生根粉和前两者药剂的组合处理千层塔插条对插条生根量、生根率等的影响，得出了吲哚丁酸在0.2%条件下，生根粉在0.1%条件下可促进千层塔插条的生长发育，最佳基质是腐殖土与河沙的混和[14]。刘海华等[16]对千层塔的扦插进行了研究，期望提高生根率的繁殖途径，达到大量快速繁殖的目的。中国对千层塔扦插繁殖的研究应用于实践大面积的培育千层塔还有一定的障碍，还需要加强对千层塔人工繁殖的探索，解除千层塔的濒危现状。

组织培养是人工繁殖千层塔的另一个途径，通过组织培养技术可以快速获得千层塔植株且可以改变条件，筛选获得高含量的石杉碱甲千层塔植株；但在组织培养过程中必须严格控制培养基的灭菌过程，对培养基体系进行筛选。沈晓霞等[17]通过对千层塔茎尖组织培养灭菌方法进行研究，筛选出了一套理论上较为完善的灭菌方法，并成功诱导出愈伤组织。

2 千层塔的保护

2.1 濒危植物保护生物学的内涵

濒危植物是指根据某种植物受危的程度对需要保护的这种植物进行的分类，这种分类可使人们对濒危植物所受危的程度有较为明确的认识，采取有针对性的措施保护这种濒危植物。IUCN（国际自然及自然资源保护联盟）在1994年对濒危植物的定义是，特定的植物因受到各种致危因素的影响，在自然条件下不能正常产生个体，种群数量严重下降到危急水平。濒危植物与普通植物相比较，具有以下特点：濒危植物在尚未被保护前几乎全部是野生植物；濒危植物由于受到人为因素和自然因素的干扰破坏，均已处于生存脆弱、濒临灭绝的受危境地；人类对濒危植物采取的各种保护措施，一般属于强制性；人类对濒危植物的保护的目的，是使其解除灭绝危险，促进濒危植物物种群数量的持续增长，保持植物种类的多样性。

2.1.1 濒危等级的划分物种濒危等级的划分对于物种保护的优先秩序至关重要，物种濒危等级较为广泛认同的划分标准是IUCN的物种濒危等级。IUCN根据物种受威胁程度和估计灭绝的风险将物种列为不同的濒危等级，在早期对濒危物种等级划分标准是：灭绝、濒危、易危、稀有、未定和欠了解[18]。由此可以看出，早期对濒危物种的等级划分标准存在较大的主观性和随意性。中国濒危物种等级划分标准是参考IUCN濒危物种红色等级，将物种等级划分为野生灭绝、绝迹、濒危、易危、稀有和未定等级[19]。而中国植物红皮书则采用了濒危、稀有、渐危3个等级。濒危指的是显著范围内随时有灭绝的危险；稀有指的是该物种只存在于非常有限的区域内，可能很快消失；渐危指的是由于人类活动或自然原因所导致且在分布区域很有可能成为濒危的物种。另外，蒋志刚[19]将中国水生野生生物濒危等级分为无危、值得关注、受胁、濒危和灭绝五级。通过对物种濒危等级划分标准的认识，就可以有针对性地重点保护受危对象，更好地探究植物濒危机制。

2.1.2 濒危机制分析分析植物濒危机制是濒危植物研究较为重要的一方面，是保护生物学中重要的研究内容，物种濒危机制的分析研究也是当下的研究热点之一。对植物濒危机制的研究国内很多学者从生态学、群落生态学、遗传学、繁殖学等角度，重点分析濒危原因及濒危的过程，得出植物的濒危原因主要是外部因素和内部因素。

外部因素包括人为因素和自然因素。人为因素是对植物影响和破坏最大的，主要表现在对森林的过度砍伐使得很多植物失去了生存空间，环境污染和引入外来物种等。人为因素使得植物的生存环境呈现出片段化，对植物的基因交流和扩散影响巨大，是造成植物濒危的重要原因。此外由于人类活动而导致的土地沙漠化、水土流失、酸雨、温室效应等也加剧了植物的濒危，甚至灭绝。内部因素包括植物的遗传能力减弱、繁殖能力减弱、对环境的适应能力差等，这些是导致植物濒危的重要原因。遗传能力减弱即在环境的种种影响下造成某种植物的基因受损或者发生基因突变、基因频率的变化，最后导致不能受精的现象。繁殖能力减弱是指由于人类活动的影响，使得植物的生存环境片段化，长期的基因交流困难，最终出现生殖隔离，进而导致植物种群数量减少。

2.2 千层塔的濒危机制

导致千层塔濒危的因素主要有四个方面，即千层塔的生长繁殖特征；千层塔的生态学特征；自然灾害和人类活动。

2.2.1 千层塔的生长繁殖特征是重要原因千层塔的生长繁殖特征是导致其濒危的重要原因。自然界的千层塔大多是孢子繁殖，孢子繁殖阶段中配子体的成熟所需时间长，导致千层塔的生长周期长，在生长过程千层塔又会受到降雨量、阳光、温度、土壤环境、pH等因素的影响，因此导致其成长过程中有较多的不确定性。其次，孢子体的根需要和土壤中特定的真菌共生，只有形成了菌根才能生长，如果真菌的生存环境受到影响，则千层塔的生长繁殖不能正常进行。这说明了千层塔的繁殖过程对生态环境条件的要求较为严格，自身的繁殖过程也限制了其资源的再生，导致千层塔的濒危。

2.2.2 千层塔的生态学特征与其濒危机制千层塔主要分布在长江流域以南、东北、云南、贵州及两广地区。在中国，除西北地区部分省份，千层塔群落适应于天然常绿阔叶林、针阔混交林、南亚热带常绿阔叶林，性喜阴湿，适应于海拔300～2 800 m。其生长范围狭小，再加上对海拔的要求，性喜阴湿使得其生存和发展的空间再度缩小。

2.2.3 自然灾害与千层塔濒危机制近十几年来，中国经济快速发展很多是以牺牲环境为代价，环境持续恶化，自然灾害频发，导致千层塔的生存环境日益缩小。如在分布区的森林火灾、洪涝灾害、地震、暴风雨等的发生，对千层塔的危害较严重；加上全球气候变暖等因素，导致了千层塔濒危。

2.2.4 人类活动与千层塔濒危机制生物多样性以空前水平丧失的最根本原因在于人类活动，而影响生物多样性的因素往往是多种因素的综合。人类对自然资源和环境的不合理开发和利用，具体表现在滥伐、滥采、滥垦等方面，对自然环境生态系统造成严重破坏，对物种的过度开发导致生物多样性減少；外来物种的引入和疾病的传播，可耕地、森林、草原面积日益减少，物种锐减，土壤退化，水资源枯竭等一系列后果，导致千层塔生存环境丧失及呈现出片段化，使千层塔间的基因交流困难，最终出现生殖隔离，进而导致植物种群数量减少；又因大量原始森林遭受到严重的破坏，千层塔的原来生存地带变成了灌丛、草丛，林下有机质丰富的腐殖质土壤消失，意味着适合千层塔生存的基质消失，这必将对其生长繁殖产生较大的影响。

千层塔中的主要成分石杉碱甲、黄酮苷等，具有特殊药效。有效成分黄酮类化合物具有增强免疫力、抗菌、抗氧化等功能，石杉碱甲更是一种高效可逆的胆碱抑制剂，其药理作用表现在可以增强学习记忆力，保护大脑缺氧损伤、血管性痴呆。目前千层塔的临床应用病状有重症肌无力，老年性记忆衰退，缺血损伤。由于千层塔的特殊功能使得其供应的缺口越来越大，缺口大引起了该药材资源价格的暴涨，又加速了千层塔自然资源的迅速消耗[19]。千层塔植株矮小，且生长周期长，野生资源有限；人类活动如对森林资源的大面积破坏，森林火灾的发生等更加加剧了千层塔资源的濒危。

3 千层塔的保护对策

3.1 就地保护

就地保护是近年来生物学研究的重点，是指在原来的生存环境中对濒危物种进行保护，也就是保护自然生态系统和自然生态环境中受到威胁的动植物种类，这是一种最为有效的保护措施。要保护千层塔就要注意其生存自然环境的保护和生态系统的保护，对于生存环境受到损害的要恢复到原来的最适合生境所需要的条件。就地保护是千层塔保护对策中最有效的方式，可以通过就地保护来促进野生种群的自我恢复，进而扩大种群的数量。在对千层塔就地保护时应注意以下几点。第一，必须消除人类活动对濒危千层塔生存环境的破坏，不能乱砍乱伐，尤其是对千层塔的分布区域，需要加强监管力度。对于大量挖掘千层塔作为盈利手段的行为，应该通过相关法律来进行约束，在保护区内建立保护监管制度，在千层塔分布的旅游区内，需要加强对游客的管理，要主动进行将珍稀濒危植物保护工作宣传，引导大众对濒危植物的关注；第二，由于生态环境破坏而导致千层塔处于濒危的地区，则应该停止对生态环境的破坏行为；第三，在千层塔的主要分布区建立多个自然保护区，这些自然保护区的建立为千层塔的就地保护创造了良好的条件；第四，人为适当地干扰以改善群落环境，增加种群竞争力，促进种群的更新。例如科学种植毛竹，毛竹的生长有利于千层塔的繁殖，毛竹下的温度、湿度、阳光等生态条件适合千层塔生长发育。

3.2 迁地保护

有些物种因为种种原因（日益增长的人为干扰，自然灾害频发等）无法进行就地保护或者现阶段该物种残余的种群很小，面临的灭绝威胁很大，这时需要对其进行迁地保护。迁地保护有利于进一步开展对千层塔的种群动态、致濒机制、种群的生存能力等各项研究，将就地保护和迁地保护两者相结合，并做好相应的宣传工作，加强公众对濒危物种的保护意识。千层塔生存空间相对狭小，大部分千层塔均生长于毛竹林下；另外千层塔的分布地呈现出片段化。面对上述情况，有必要对千层塔进行迁地保护。迁地保护时对千层塔的生长、发育、繁殖等方面进行研究，从而为保护野生千层塔提供依据。通过迁地保护培育出的千层塔繁殖后代补充自然环境中的种群数量。

3.3 加强对千层塔的科学研究

面对日益严峻的情形，仅仅是就地保护和迁地保护是不够的，必须积极开展植物致濒机制和生态学相关方面的研究，加强对濒危植物的繁殖技术研究、利用科学技术进行人工模拟实验。例如，南京植物园提出了植物迁地保护模式并建立了省级迁地保护重点实验室；西双版纳热带植物园对濒危植物遗传多样性进行研究等，千层塔的保护同样可以借鉴上述模式，同时通过创新研究其自身的保护方式。

3.3.1 建立离体保存基因库离体保存基因库的研究兴起于1970年，该技术是利用千层塔种子、根、花粉、叶等器官来贮藏资源。野生千层塔保存基因库可长期保存以满足将来研究的需要。人工控制的条件下对种子的保存，可以延长种子的衰老过程，进而延长了种子的寿命。当面对巨大的自然灾害，人类的过度开发和利用时，避免了整个物种的灭绝。当前超低温保存法正在研究中，相信在不久以后这项技术将会更加成熟，对离体保存基因库发挥重要的作用。

3.3.2 加强对千层塔人工繁殖的探索在自然环境中千层塔大多数是通过孢子繁殖，孢子的萌发周期长，生长缓慢。自然环境中的千层塔数量往往不能满足市场的需求，因此必须积极探索千层塔的人工繁殖方法，将组织培养技术、扦插生根技术广泛应用于千层塔的人工培育，解除其濒危现状。中国在人工繁殖千层塔方面的研究虽然已经取得了不少成果，但是应用于实践大面积的培育千层塔还有一定的障碍，还需要加强对千层塔人工繁殖的探索，这是今后发展的重点。

3.4 强化保护力度

千层塔的分布点一般为偏僻的高海拔地带，由于各种条件的限制，导致很少会采取主动保护措施。因此急需对千层塔进行定期监测，加强保护力度。同时要尽快完善保护区管理人员所需的设施设备，调动更多的管护人员。

参考文献：

[1] 江苏新医学院.中药大词典（上册）[M].上海：上海科技出版社，1986.

[2] 郭斌，徐玲玲，刘春朝，等.千层塔的研究进展[J].中国中药杂志，2009，34（16）：2018-2022.

[3] 刘铁微.石杉碱甲的药理作用与临床研究进展[J].中药材，2001， 24（10）：775-776.

[4] 周永其，邓湘辛.石杉碱甲对氧自由基的影响[J].中国野生植物资源，2004，23（2）：44-45.

[5] 张敬彩.中药千层塔中生物碱成分的色谱分离方法研究[D].辽宁大连：大连理工大学，2013.

[6] 覃大吉，杨永康，向极钎，等.恩施州千层塔野生资源研究[J].湖北农业科学，2010，49（4）：904-907.

[7] 张君诚，邢建宏，宋育红，等.药用植物蛇足石杉研究新进展[J].中国野生植物资源，2008，27（2）：1-5.

[8] 吴荭，庄平.中国蛇足石杉资源调查与评估[J].自然资源学报，2005，20（1）：59-67.

[9] 王志安，徐建中，俞旭平.生态环境因子对千层塔生长发育的影响研究[J].中国中药杂志，2008，33（15）：1814-1816.