林-药种植模式研究进展

梁嘉瑜, 梁 语*, 马姜明*

(1.珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室(广西师范大学)， 广西 桂林 541006;2.广西漓江流域景观资源保育与可持续利用重点实验室(广西师范大学)， 广西 桂林 541006；3.广西师范大学 可持续发展创新研究院， 广西 桂林 541006)

随着人口数量增长和经济发展，土地资源在当今社会尤为珍贵，为了科学利用土地，人们需要在保护现有林地资源的基础上，探索出能够高效利用森林资源的方法。林下经济就是一种符合可持续发展理念的优良资源利用模式。

林下经济主要是指以林地资源和森林生态环境为依托，通过在林下发展种植业、养殖业、采集业和森林旅游业等相关经济产业的总称[1]。其中，林下种植业是林下经济的关键组成部分。林下种植是指利用现有森林资源的林下空间，种植株高较低、适应弱光环境的植物，从而充分利用森林资源的种植模式。林下种植包括林-粮模式[2]、林-药模式[3]、林-菌模式[4]、林-菜模式[2]等，其中以林下种植经济价值高的中草药的林-药模式为首选。发展林-药种植模式，不仅符合我国林业生态的可持续发展方针策略，也对促进社会经济具有重要意义。林下种植中草药可通过调节林地小气候、改善林地土壤水肥来促进林木生长。相比于纯林，林-药种植模式可提高林分郁闭度，从而使得林内的光照强度、气温和地温相应降低，地表水分蒸发减少，空气湿度提高，雨水对林下地表的冲刷减轻，有效防止林地水肥的流失，为树木生长营造适宜的环境[5]。除此之外，发展林-药种植模式，还在森林资源保护和增加生物多样性方面表现出很大的潜能[6]。林马马[7]发现在毛竹林下套种中草药，可以改善竹林的成竹率和竹笋产量，保护竹林资源，同时也增加生物多样性。因此，相关主管部门可鼓励持有林地的农民通过林-药种植模式来保护森林资源，同时增加农民经济收入，助力乡村振兴。目前，林-药种植的相关研究大多集中在以林下种植中草药的生物量、茎粗等指标来分析林-药种植模式的优势[8]。本文总结林-药种植的常见模式、影响因素等，以及具有药用和经济价值的适用中草药品种和林地资源品种，并提出采用组学的分析手段来研究相关林-药种植模式，找出对产量等经济指标有影响的差异代谢物与关键基因，以期为林业资源的可持续发展和增加经营林木业农民的经济收益提供参考意见。

1 林-药种植模式

1.1 适种中草药品种

林-药模式适用于农民利用现有林地资源，合理地利用林下空间，种植一些耐荫、怕高温、忌强光、有经济价值的中草药品种，利用中草药的药用和经济价值来增加林地经营者的经济收入[9]。林-药模式可以针对不同树种、同树种不同树龄、不同林地地势、不同林地坡向等因素，选择不同种类的药材进行林下种植[3]。常见的林-药模式有乔木林下种植[10]、灌木林间种植[11]、乔灌木结合的林间种植[12]等。吴梦真等[10]研究不同乔木林下种植的中药材万寿菊，发现万寿菊种植在金叶槐林下时，其生物量最高。黄宗安等[13]发现在油茶林下套种桔梗，桔梗鲜品产量提高。张剑斌等[14]将银中杨分别与胡枝子、沙棘2种灌木进行林间种植，结果表明林木的平均胸径均高于银中杨纯林。由于不同林地的光照、热量、水分以及土地肥沃程度均不同，因此在不同的林-药种植模式下，中草药的产量和种植效率存在差异[11]。但总体而言，通过林下套种中药材植物的方式，林木可为林下种植的中草药提供遮蔽，避免强烈阳光对中草药直接照射造成伤害，从而使得林-药模式下的林地可以种植产出优质药材[2]。林下套种中草药的集约化种植，不仅能优化土壤，还可以改善林分结构[7]，保证林木与药材共同健康生长，互利共存。陈慧玲等[15]通过在杨树林下种植药材桔梗、益母草，发现每666.7 m2杨树林可增加一到两千元的收益。因此，林-药种植模式不仅升级了林地生态环境，还可以为农民增加可观的经济收入。

目前，林下种植中草药已经有一定的研究基础，涉及的中草药品种有：白芨[16]、金线莲[8]、多花黄精[7]、姜黄[7]、黄花远志[7]、金花茶[17]、草珊瑚[18]、丹参[19]、甘草[20]、黄芩[20]、钩藤[21]等。林下套种中草药后，由于土壤环境的改善，使得林木和中草药两者的品质和产量均有提高，可见林下套种中草药的可行性和生产效益均较高[7,16,22]。尤其是在毛竹林下套种姜黄、多花黄精、黄花远志3种中草药后，毛竹的冬笋产量、春笋根数、成竹率等指标都得到显著优化[7]。黄建辉[17]发现在毛竹林下种植金花茶可以改善竹林林分结构，提高竹林生产力和品质。罗双林[16]发现，在郁闭度0.40～0.59和下坡位的毛竹林下套种白芨，其地下块茎鲜质量最大，产量最高，说明不同的林地环境对林下套种中草药具有一定影响。此外，次生阔叶林下套种的金线莲在鲜质量、干质量、株高、茎粗方面都有一定的增长[8]。卢秀贞[18]、李麒[19]研究在杉木林下套种草珊瑚、在马尾松林下套种丹参的林-药模式，发现林下种植的中草药产量均有提高。李彬彬等[20]研究在花楸林、大扁杏林等经济林下种植甘草、黄芩的生长状态，发现在大扁杏林下种植的甘草生长量最高，而在花楸林下套种黄芩能显著提高花楸的产果量。张军莲等[21]发现，钩藤在郁闭度为0.4～0.6的杜仲林下种植的成活率和产量最高。以上均表明，不同的中草药品种对环境的适应性和影响不同，不同的林地环境也会对林下种植的中草药产量产生影响，因此需要根据具体林地生态环境和中草药品种特性来选择套种品种，合适的林-药种植搭配组合不但能够充分利用林地和光照资源，所套种的植物还可以减少水肥流失，提高林木产量，同时还能产出品质优良的中草药，有效提高林地整体的利用价值和收益[7]。

1.2 适用林地资源品种

目前，较为常见的可进行林-药种植的林地资源主要有杉木林[23]、竹林[24]、马尾松[25]、杨树林[12]等。其中，杉木是南方森林区重要的用材树种，具有生长快、质量优、主干通直和用途广等特点。人工种植的杉木林多为林分密度较大的纯林，林分结构简单，加上不合理的经营措施，其林地地力衰退现象十分严重，生产力大幅下降[26]。郑林森[26]、周进军[23]研究在杉木林下种植多花黄精、天麻等中草药，发现可以提高林下中草药植物的产量和品质，同时改善杉木林林分结构，增加生物多样性。卢秀贞[18]发现草珊瑚在中郁闭度的杉木人工林种植，其生物量提高最为显著，可达到353.39 kg/hm2。

竹林是中国重要的森林资源，其中毛竹占我国竹林总面积的73.8%，现广泛分布于我国热带和亚热带地区，是重要的经济竹林种[24]。目前，我国大多数竹林都面临产量降低、经济效益减弱的困境[27]。毛竹林下土地空间富足，通过人为手段有效利用毛竹林下空间，开展复合经营，能显著提高竹林产量和经济效益[24]。黄云鹏等[28]对比了毛竹林、阔叶树林、杉木林、马尾松林等4种林分下多花黄精的生长情况，发现在毛竹林下种植的多花黄精生长效果最好。陈玉鲁[29]发现在毛竹林下套种防城金花茶，当立竹数为毛竹纯林的66.5%时，最适宜金花茶生长。黄建辉[17]发现在郁闭度为0.7的毛竹林下种植的金花茶生长量最高。李志坚[30]发现在毛竹林下套种金线莲组培苗，成活率为90.3%。

马尾松是广西分布面积最大的造林树种，具有耐性强、生长迅速、分布范围广、经济价值高的优点，成熟马尾松林下适合耐阴植物生长[19,25]。目前已报道在马尾松林下种植的植物品种包括五指毛桃[25]、金花茶[31]、丹参[19]等。马尾松林下二年生五指毛桃的株高、基径、根长、最大根径和生物量等生理指标均进入速生期，植株迅速生长[25]；在马尾松郁闭度为0.4～0.7时，丹参的产量最高[19]；在郁闭度为0.6的马尾松林下种植的金花茶生长最好[31]。

杨树是我国一种分布广泛的速用材树种，和上述几种森林资源一样，也具有生长迅速、产量高的优势。此外，相较于其他树种，杨树林下立地条件较好，行间距大、冬季落叶等特性为其林下种植提供了优厚的前提条件，杨树林下种植的开发潜力巨大[15]。贾晓光[32]研究4种不同的杨树人工林，发现杨树林下套种三七后，林地内土壤的含水量较好，土壤全氮、全磷含量最高，能够有效保持水土。陈群领[33]发现在速生杨林下种植芍药后，林分的平均胸径增加。

综上所述，适合开展林-药种植的森林资源品种，应该具有林下空间富足并具有一定的遮荫效果等特点；适合在林下土地上种植的植物品种，应具有喜荫、喜湿、适应低光照的特点，两者有效结合方可使林-药种植模式取得较好的效果。

2 林-药种植的影响因素

2.1 环境因素

林分密度是影响林分经营的重要环境因素之一，影响着林下植被生长所必需的光照、水分、温度、湿度、养分等其他环境因素[34-35]，因此林分密度会影响林下植被的生长、株高、植物的平均胸径和生物量积累[36]。刘月等[37]发现随着林分密度的增加，胡桃楸胸径、树高的增长逐渐减慢。高平珍等[35]研究立竹密度对毛竹林下套种的苦参和决明器官生物量积累及其分配的影响，结果发现，当立竹密度增高时，苦参和决明幼苗株高、地径和生物量等指标会降低。此外，林分密度还影响林木遮蔽地面的程度，即林分郁闭度。王邦富等[38]对种植在郁闭度不同的杉木林下的竹柏进行研究，发现郁闭度为0.3～0.5和0.5～0.7的杉木林下竹柏生长情况最优。由于不同间隔程度的森林对太阳光的遮挡程度不同，导致林下植物受到的光照程度也存在差异，在众多的环境因素当中，光照对植物的生长影响较大。何碧珠等[39]发现随光照强度增强，栽培的金线莲株高和茎粗增加。付晓芳等[40]研究不同光照强度对枇杷林下三叶青的影响，发现当光照强度增加时，三叶青的块根产量和块根中总黄酮含量随之增加。Zhang等[41]将生长在不同间隔杨树下的百合草分为高光、中光和低光3种光照类型，研究其光合特性、生理状况和生物量，发现百合草在低光照环境下的光合活性和叶绿素含量更高。林地内土壤养分也会影响植物的存活和生长。罗也等[42]研究土壤化学性质对乔木林下种植的人参存活比例的影响，发现土壤中的氮、磷、钾含量对林下人参的保存率有直接影响，最主要的因素是全磷含量。不同林分组成的林地，林下植被结构亦有所不同。张长顺等[43]发现由80%毛竹林和20%硬木林所组成的森林，其林下植物多样性最高(显著高于纯杉木林)，且土壤理化性质和生物性质也更好。以上多项研究结果均说明，环境因素是林-药种植模式的主要影响因子，适宜的林分密度、光照强度，良好的水土环境可以促进林木和中草药的生长发育，种植效果更好。

2.2 土壤微生物

森林土壤中存在多种类型的微生物，植物与微生物的相互作用会引起微生物群落结构和功能产生一定的变化，此类变化可能是由微生物与植物竞争养分、双方所产生的分泌物和微生物的物理特性等所形成[4,44]。Li等[27]研究竹林在4种管理条件下，土壤细菌组成和生化性质变化，发现短期内的覆盖有利于改善土壤中碳、氮、磷的含量和细菌群落的发育，而长期覆盖与短期覆盖作用相反。覆盖时间长短对竹林的影响说明，人为地对毛竹林进行适当程度的覆盖集约经营可有助于提高毛竹产量[45]。王波等[46]研究毛竹覆盖对土壤的影响，也发现长期覆盖对土壤的负面影响比较强，并给出可以隔年覆盖的生产建议。因此，采取人为手段对毛竹林进行科学的集约经营能在一定程度上改善土壤环境。Zhang等[47]研究毛竹-七叶一枝花(BP)、毛竹-铁线莲(BT)和毛竹-白芨(BB)这3种套种模式中的土壤化学性质和细菌群落，发现在毛竹林中引入中草药能显著提高土壤有机碳含量，同时显著降低土壤pH和速效钾含量。王楠等[48]发现天然林(包含多个树种，例如白桦、麻栎、漆树、千金榆、华山松等)下种植重楼和珠子参的根际土壤中有机碳、全氮、全磷含量有显著增加。林-药复合种植可改变土壤中的细菌群落结构，而土壤pH、有机碳(SOC)和速效磷(AP)等指标与细菌群落呈显著相关。苏海兰等[49]发现种植七叶一枝花的竹林林地根际土壤中芽胞杆菌的数量和多样性均比非根际土壤高。彭晓邦[50-51]对比商洛核桃林-丹参套种与丹参单作的土壤微生物数量，发现林-药种植模式的土壤微生物数量显著高于丹参单作，其中细菌数量占比最高；他还对比了商洛核桃林-桔梗套种与桔梗单作的土壤微生物数量，得到相似的结果。以上多项研究结果均表明，林-药种植对林地的土壤环境和土壤微生物结构有良好影响，对生态环境和植物均有益处。

3 创新林-药种植模式研究方法

在乡村振兴战略与生态文明建设背景下，开发有效路径来均衡农户增收与森林资源保育的关系是亟待解决的问题，林下经济成为可选的优良路径之一。但是，林-药种植模式的研究也存在一定难度和尚未解决的生物学问题。比如，对林-药种植模式进行研究时，在取样上需要严格控制采样时间间隔长短和连续性；进行林-药种植的林地一般面积广阔，存在植物所接受的光照不均一而导致生长不同和取样难控制单一变量的情况；常见的林下种植植物品种(多花黄精、人参等)的相关研究中，涉及高通量大数据组学层面的研究较少，研究基础较为薄弱。

如今，生物科学研究已进入生物信息学和大数据时代，运用基因组学、代谢组学和转录组学等组学分析手段，可系统高通量地获取植物体内的代谢物质和基因转录信息，并通过得到的大量相关数据阐明基因与代谢物和代谢途径之间的关系。代谢组学和转录组学在植物的基础研究上应用广泛，但运用组学分析技术对林下种植的中草药开展相关研究相对较少，因此，可通过相关组学方法来研究林-药种植模式下植物发生的各项变化，解决取样难控制、生长过程中的变量难控制等难题，并高效筛选对产量品质等经济指标有影响的差异代谢物与关键基因，以进一步研究林-药种植的优化模式和改良措施。

3.1 代谢组学

代谢组学可以对生物体组织或细胞在生命活动中产生的小分子代谢物质进行定性和定量分析，主要反映生物体在代谢水平上的变化[52-53]。广义上的代谢物应包括所有参与生物体内生命活动的分子。植物代谢物主要分为2大类：初生代谢物和次生代谢物。初生代谢物是指通过初级代谢活动产生的、自身生长和繁殖所必需的物质，例如氨基酸、核苷酸等；次生代谢物是由次生代谢活动产生的、生长发育过程中非必需的小分子有机化合物[52,54]。目前比较常见的初生和次生代谢物分别有氨基酸、核苷酸和酚酸、黄酮等[55]。代谢组学可通过高通量分析代谢物，从生物样品中检测和筛选出具有生物学意义和显著差异的代谢物，并在此基础上研究生物的代谢途径和相关分子机制[56-57]。

代谢组学手段在中药材植物研究上的应用已较为成熟和广泛，可对不同生长期、不同环境下的植物化学成分进行定量定性分析，与此同时，还可结合其他不同的技术展开深入研究。杨琳琳等[58]通过LC-MS技术提取不同采收期黄芩叶的化学成分，发现黄芩叶中差异代谢物的相对含量随生长时期不同而发生变化，并存在一定规律(在黄芩叶生长发育过程中相似化学成分的变化有相似的趋势)。韩正洲等[59]采用基于UPLC-Q-TOF/MS技术的代谢组学方法研究种植方式不同的野菊花整体化学轮廓，通过色谱定量分析主要差异成分，以此作为评价野菊花品质的一个参考标准。Bai等[60]利用液相色谱-质谱法和代谢组学分析，鉴定来自中国甘肃省不同地区甘草不同部位的生物活性成分，最后成功注释16种潜在的主根生物标志物。李瑞姿[61]通过代谢组学手段，对不同金线莲代谢组样品进行非靶向分析，发现不同栽培阶段金线莲的代谢差异成分主要是黄酮和酯类化合物，以及其他部分潜在的功能成分，例如赤芝酮。Yan等[62]通过1H核磁共振、气相色谱-质谱和UHPLC-Q-Orbitrap质谱等手段，在酸枣仁和毛叶枣中检测到多种差异代谢物并进行初步标注，结果表明2种植物在化学模式上存在显著的物种差异。由此可见，运用代谢组学技术可在高通量水平分析不同植物的差异代谢物，也可运用于分析林-药种植的不同物种和不同环境下植物的生物活性成分。

进行代谢组学分析可以获得大量数据，对此类数据分析常用的方法有主成分分析(PCA)[52]、偏最小二乘法(PLS)[63]、偏最小二乘法-判别分析(PLS-DA)[64]和人工神经元网络(ANN)[65]等。王伟东等[66]利用偏最小二乘法构建多元回归模型，比较分析后发现，在所有模型中，开花期的模型可用来预测冬小麦植株中花青素的最佳生育时期。除了应用于预测植物的生长时期，代谢组学的这些分析方法更多被用于区分植物的差异代谢物。例如，周改莲等[63]研究4个采收月份广西莪术植物中检测所得的差异性化合物，通过主成分聚类分析和偏最小二乘判别分析等方法区分和鉴别差异性化合物，鉴定了广西莪术的挥发性成分在不同采收月份的变化趋势。邱连建等[67]应用UPLC法测定金银花、山银花及川银花中10种化学成分的质量分数，结合主成分分析发现，可以通过2个主成分反映不同忍冬科药材主要的质量特征，建立可用于忍冬科不同药材样品区分的可信模型。李璐等[68]研究不同产地胖大海中氨基酸的含量，结合主成分分析和偏最小二乘法判别分析，发现其中7种氨基酸因产地不同而存在差异，可用于区分不同产地的胖大海。马留纯等[69]采用HPLC法，以乙酰紫草素为参照，建立了不同来源新疆紫草样品的指纹图谱，并进行聚类分析、主成分分析等一系列分析，筛选出影响药材质量的差异标志物。利用代谢组学技术分析植物的代谢物，得到数据后通过相关模型，运用上述数据分析方法，可以准确、快速地得到植物代谢物的主要成分和差异代谢物，为林下所种植的中草药在主要成分和品质差异方面的研究提供生物信息数据，以推断植物在分子层面上的差异，为开展进一步的研究奠定基础。

3.2 转录组学

相比于在基因组大小上的差异，不同物种在基因数量上的差异相对较小[70]。转录组学是一门在整体水平上研究基因转录情况及转录调控规律的学科[71]。植物转录组学研究植物细胞转录出的所有RNA[72]。转录组学研究主要基于RNA测序技术(RNA-seq)，此技术可通过高通量数据揭示组织或细胞中基因的全部表达情况、测定转录水平上的SNP、SSR等遗传多态性标记、检测未知基因、差异表达基因等，可从转录水平上研究基因转录差异和挖掘遗传标记[73]。

目前，RNA-seq技术已成功应用于动物、植物、微生物等各类生物研究中。李舒欣[74]通过转录组分析和KEGG分析，找出调控二马牙型与长脖型人参(林下参品种之一)不同植株形态的差异基因，这些基因主要通过调控淀粉和蔗糖代谢通路和植物激素信号转导通路来影响2种人参的表型。范航[75]研究园参和林下参的转录组学数据，筛选出两者萜类代谢的差异通路，并检测相应萜类化合物的含量，分析2种人参中的萜类代谢网络。此外，转录组学技术在茶树抗逆性[76]、铁皮石斛功能基因[77-78]、牧草分子标记[79]、多花黄精与长梗黄精[80]代谢途径分析等研究中做出了一定贡献。Su等[81]研究在氮、磷和钾缺乏条件下茶树的基因表达变化，共鉴定出9 103个差异表达基因，其中包括有可能调控茶树中儿茶素、L-茶氨酸和咖啡因生物合成途径的基因。Wang等[82]研究传统中药滇黄精的休眠机制，基于转录组学共鉴定出95 462个差异表达基因，通过聚类和主成分分析，发现3种滇黄精幼芽(休眠芽、生态芽和非休眠芽)在休眠阶段的生理状态和基因表达水平的不同。He等[83]研究铁皮石斛植株叶和茎的多糖含量，并对2种组织类型进行深入转录组测序，最后得到基因和基因亚型表达的信息，发现DoSWEET4和DoSUT1基因有调控铁皮石斛叶和茎的多糖积累功能。Du等[84]通过RNA-seq技术鉴定毛萼木属植物的3个二萜合酶基因(IeCPS3、IeKS1和IEKS1)，这些基因影响毛萼木属植物赤霉素的生物合成和二萜类化合物的代谢。Zhang等[85]利用单分子实时(SMRT)测序技术获得罗布麻全长转录组，为进一步探索罗布麻抵御逆境的分子机制和药用功能提供依据。Chen等[86]综合研究白芨假鳞茎的转录组和代谢组，结果发现参与相关代谢的基因可能导致2个品种间多糖和黄酮含量上的差异，为遗传和代谢工程优化生物资源利用和作物改良提供依据。

转录是基因表达过程的中间媒介，而代谢水平则反映表型和功能的变化。结合代谢组和转录组的数据，能实现对差异基因和差异代谢物进行共表达分析，探究基因和代谢物、代谢过程之间的联系，可更系统地锁定差异代谢途径、找出基因表达过程中的关键基因及结构基因[71,87]，从而进一步了解生命活动的分子机制，探索潜在的生物学意义。因此，转录组和代谢组的研究方法可用于林-药种植模式的相关研究，为林-药种植模式的优化以及对套种的中草药进行更深层面的基因调控和代谢组分分析等问题提供扎实的研究基础。

4 结语

林-药种植是发展林下经济的一种有力途径，通过林下套种中草药，既可促进林木保育、增加林业资源利用率，又可增加经济效益。人为地对树林采取一些管理手段(例如：轮作、施加含某种元素化肥、改变光照强度等)，可以改善树林与林下植物、土壤微生物之间的相互作用，改善生长状况。发展林-药种植模式可以根据现有林地资源的具体情况，例如林木种植年限、树高、茂密程度等，综合评估林下种植的中草药可接受到的光照程度、空气湿度、土壤肥力等因素，选择合适的林-药种植品种。此外，还可通过代谢组、转录组等新兴组学技术来研究关键基因与差异代谢物、代谢通路之间的关联，提供优化林-药种植模式的措施。通过发展林下种植中草药、套种中草药可以改善森林的环境与生长情况，增加作物产量，保护森林和土地资源，以实现林业的可持续发展。