人参品质形成与主导气象因子关联度分析

2024-01-08袁福香马云飞马艳敏

气象灾害防御 2023年4期

高岩袁福香马云飞马艳敏

（1.吉林省气象科学研究所，吉林长春 130062；2.长白山气象与气候变化吉林省重点实验室，吉林长春 130062；3.吉林省农业气象灾害风险评估与防控科技创新中心，吉林长春 130062）

1 引言

人参为五加科人参属多年生草本植物，是吉林省重要的人工栽培药用植物之一，以干燥根、根茎、茎及茎叶入药，在调节免疫力、抗炎、抗肿瘤、降糖保肝等方面有很好的功效[1-3]，具有较高的医用及商业价值[4]。中国的人参种植主要分布在东北三省，尤以长白山产区的人参品质最佳。人参皂苷为药材人参的主要药效成分，是评价药材品质的指标，人参皂苷按苷元基本骨架分为达玛烷型原人参二醇型皂苷（potopanaxadiol，PPD）、原人参三醇型皂苷（protopanaxatriol，PPT）和齐墩果烷型人参皂苷（oleanane type saponins，OTS）[5]。

药用植物的生长发育、器官形成及有效成分的合成积累与生态因子关系密切，其中温度、光照、水分等作为主要的生态因子，通过单一或相互作用影响药用植物的品质[6]。长白山地区独特的生态环境影响着人参品质的形成。马树庆等[7]研究了长白山区人参栽培气候生态适宜性；毕伯钧[8]初步探讨了人参气候生态及适宜栽培地的选择，Zhang Tao 等[9]、高岩等[10]探讨了温度、水分等生态因子对人参品质形成的影响。

本文在已有研究的基础上，选取对人参生长及其质量形成影响较大的温度、光照及水分等因子[11]，通过灰色关联度分析各因子与人参生长及药材品质形成的密切程度，从而判断引起品质形成的主要因素和次要因素，能够反映客观实际中人参生长对气象因子变化的响应，并进行气象条件对人参影响综合效益评估，为深入研究气象条件与人参生长发育及品质形成间的关系，订正人参气象服务指标提供科学支撑。

2 资料与方法

2.1 实验材料

实验用的5 年生人参分别于出苗期、展叶期、花期、绿果期、红果期及采收期取自吉林省抚松县抽水乡正岔沟村（127°04′47″E，42°32′43″N，拔海高度523 m）。田间取样采用5 点取样法，每次随机采集固定田垄的人参10 株。样品经处理后用于生物量及人参皂苷含量的测定。

2.2 数据来源

实验所用气象数据和地理信息数据均由吉林省气象局提供。气象数据为2021 年抚松县区域站观测数据，包括逐日气温、降水、日照时数及相对湿度。地理信息数据包括抚松县25 个区域气象站经纬度和海拔高度，高程数据空间分辨率为1 km×1 km。

2.3 人参根中皂苷含量的测定

人参皂苷含量依文献报道法[11]测定。 PPD 型人参皂苷含量为Rb1、Rc、Rb2、Rd、Rh2、Rb3、Rg3含量之和，PPT 型人参皂苷含量为Rg1、Re、Rf 之和，OTS 型人参皂苷为Ro 含量。测定单体皂苷峰面积，以峰面积为横坐标（x），质量分数为纵坐标（y），得到线性回归方程见表1。

表1 人参单体皂苷的回归方程

3 结果与分析

3.1 实验地气象条件分析

抚松县地处吉林省东南边陲的长白山腹地，松花江上游，127°01′—128°06′E，41°42′—42°49′N。1 月平均气温-11～-15 ℃，最低气温-22 ℃以下；7 月平均气温19～21.7 ℃，最高气温达32 ℃（图1）。从2021 年不同生长时期采样地气象因子数据可以看出（表2），人参整个生长阶段（5 月10 日—10月5 日）采样地最低气温为-2.4 ℃，最高气温达33.5 ℃。平均气温最高日出现在红果期，为26.7 ℃；平均气温最低日在枯萎期，为12.7 ℃。平均日照时数较高的时期是展叶期、绿果期，分别为184.5 h、261.2 h。平均降水量及相对湿度较大的时期是绿果初期。不同时期采样地平均降水量差别较大，整个出苗期降雨量仅38 mm；绿果期平均降水量为239.5 mm，是整个生长时期降水最丰沛的时期。相对湿度在大部分时期都大于等于75%，只有在展叶期和花期分别为49% 和71%。

图1 抚松县年平均气温（a）、年平均降水量（b）、1 月平均气温（c）、1 月最低气温（d）、7 月平均气温（e）、7 月最高气温（f）、年平均相对湿度（g）、海拔高度（h）分布

表2 采样地各生长时期气象因子

3.2 气象因子对人参品质的影响

3.2.1 气象因子对人参生长的影响

从人参生育期内气象因子对其生长的影响可以看出（图2），在人参生长的不同时期植株生物量变化趋势一致，干、鲜重呈现先降后升的趋势。从苗期至花期平均降水量、日照及相对湿度增加利于植株出苗、展叶、开花。后期气温略有下降，此阶段由于贮藏根营养倒流供给地上部分生长植株，生物量减少，其中鲜重减少0.65 g，干重减少1.01 g。之后进入植株生长旺盛期，在绿果期气温适宜、降水充沛，平均气温为22.1 ℃，平均降水量为239.5 mm，日照时数273.6 h，水热条件良好利于光合作用将营养向地下根输送。从红果期至采收期平均气温较之前降低4.6 ℃，平均降水量减少23.10 mm，平均日照时数增加10.3 h，此时地下根部达整个生育期内最大值，鲜重、干重分别为41.4 g、12.17 g，根部生物量变化稳定，养分累积于越冬芽内贮存越冬养分。

图2 人参出苗期、展叶期、花期、绿果期、红果期、采收期气象条件及生物量变化

3.2.2 人参皂苷含量测定结果

5 年生人参根中PPD 及PPT 型人参皂苷呈波动性变化。PPD 型人参皂苷含量从出苗期到采收期逐渐增加，在展叶期皂苷含量最低，为6.17 mg/g；采收期达最大值12.91 mg/g；其中Rb1、Rb3、Rh2在红果期达最大值，分别为4.05 mg/g、0.64 mg/g、0.66 mg/g。 PPT 型人参皂苷含量在绿果期出现降低，人参皂苷Rg1、Re、Rf 含量较花期分别降低了3.34%、11.18%、0.16%；采收期含量达最大值12.19 mg/g，较展叶期增加了33.72%。 OTS 型人参皂苷Ro 含量呈现先降后升的趋势，采收期达最大值0.54 mg/g，较展叶期增加了35.12%。在人参生长的整个生育期内，不同生长时期人参皂苷含量随人参生物量的增加也呈现平缓的增长趋势，在红果期前后由于阴雨天气空气湿度较大，土壤水分散失较慢且处于人参的采收期，植株地上部分枯萎，代谢活动变缓，植物体内代谢产物转变为储能物质，因此可能导致皂苷含量增幅不明显。

3.2.3 气象因子与人参皂苷含量的灰色关联度分析

人参药材质量的形成与气象因子之间关系密切，但许多因子之间的关系密切程度并不明朗，用灰色关联分析系统中主行为因子与相关行为因子的关系的密切程度，从而判断引起植物发展因素中的主要因素和次要因素，其结论较为科学[12]。以灰色关联度评价各气象因子对人参药效成分量的影响，结果显示出一定的规律。

人参生育期内各气象因子与人参根中皂苷含量的灰色关联度见表3，平均日照时数和降水是影响PPD 型人参皂苷量的主导因子，灰色关联度分别达0.683 和0.637；平均气温、相对湿度及日照时数是影响PPT 型人参皂苷含量的主导因子，灰色关联度分别达0.716、0.748 和0.747；平均气温是影响OTS 型人参皂苷Ro 量的主导因子，灰色关联度达0.719；平均气温、日照时数和降水是影响人参总皂苷的主导因子，灰色关联度分别为0.771、0.781 和0.756。因相对湿度不直接作用于地下根部，因此对根部人参皂苷合成的作用并不明显，不是主导因子。

表3 气象因子与根中人参皂苷灰色关联度

3.2.4 气象条件对人参影响的综合效益评价

气象因子作为外部因素对人参生长及药材品质形成有重要影响[13]。气象条件对人参影响的综合效益评价即为不同气象条件影响下人参总皂苷含量的变化，可以直观反映人参生长和药效成分含量变化对不同生长时期各气象因子的响应，进而指导农事活动。

在人参不同生长时期随着气象条件及植物生理的变化人参根部药效成分的积累也随之变化（图3），从6 月中旬至7 月末即从开花到结果平均气温、降水、日照时数都达到了人参生长过程中的最大值，在绿果期水热条件适宜利于根部皂苷含量的累积。红果期至采收期虽然平均气温、降水、日照及相对湿度较前期有所下降，但皂苷含量还是小幅度增加，这可能是由于9 月为人参的枯萎期，植物体内代谢活动变缓，代谢产物作为储能物质存于植物体内流向越冬芽，少部分用于皂苷合成，因此在9 月末至10 月初适宜采收，此时总皂苷量达最大值26.64 mg/g，人参品质最优。