基于GMPGIS全球變暖情景下人參未來(lái)生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)變化

沈 亮 徐 江 董林林 孟祥霄 張乃嘦 藤原直樹(shù) 李西文

(1 中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所，北京，100700；2 中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院博士后科研流動(dòng)站，北京，100700；3 盛實(shí)百草藥業(yè)有限公司，天津，300301；4 日本國(guó)株式會(huì)社津村生藥研發(fā)部，茨城，300-1192)

基于GMPGIS全球變暖情景下人參未來(lái)生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)變化

沈 亮1,2徐 江1董林林1孟祥霄1張乃嘦3藤原直樹(shù)4李西文1

(1 中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所，北京，100700；2 中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院博士后科研流動(dòng)站，北京，100700；3 盛實(shí)百草藥業(yè)有限公司，天津，300301；4 日本國(guó)株式會(huì)社津村生藥研發(fā)部，茨城，300-1192)

目的：通過(guò)開(kāi)展未來(lái)時(shí)期人參全球潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)分析，為其合理規(guī)劃生產(chǎn)布局提供科學(xué)依據(jù)。方法：采用“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 Medicinal Plant，GMPGIS)，以人參本草文獻(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)人參生態(tài)因子數(shù)值為依據(jù)，對(duì)其在全球范圍內(nèi)的潛在生態(tài)分布區(qū)進(jìn)行分析。結(jié)果：亞洲東部、北美洲中部及東部、歐洲中南部及大洋洲東部地區(qū)是當(dāng)前人參全球范圍內(nèi)的主要適生區(qū)域。隨著全球氣候變暖，在溫室氣體排放相對(duì)較少的A1b模型和排放較多的A2a模型下，2050年人參潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)面積約為9 500×103km2，比當(dāng)前產(chǎn)區(qū)適宜面積增加了7.05%～7.12%，增長(zhǎng)區(qū)域主要分布在亞洲東北部和歐洲北部地區(qū)；2100年人參適宜產(chǎn)區(qū)面積約為10 800×103km2，比當(dāng)前產(chǎn)區(qū)適宜面積增加了22.89%～27.41%，增長(zhǎng)區(qū)域主要分布在歐洲北部及亞洲中部及東部地區(qū)。結(jié)論：氣溫升高有助于人參適宜產(chǎn)區(qū)增加，本研究結(jié)果可為人參生產(chǎn)布局規(guī)劃、引種栽培、規(guī)?；N植提供科學(xué)依據(jù)。

人參；GMPGIS；生態(tài)適宜性；全球變暖；潛在分布

人參為五加科植物人參PanaxginsengC.A.Mey.的干燥根及根莖，享有“百草之王”之美譽(yù)，主要分布在中國(guó)東北、朝鮮、韓國(guó)、日本、俄羅斯東部等地區(qū)，是馳名中外的珍貴藥材[1-2]。因藥用價(jià)值較高，長(zhǎng)期掠奪式采挖，導(dǎo)致野生人參資源已瀕臨枯竭，現(xiàn)已被中國(guó)《國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)野生藥用動(dòng)植物名錄》收錄[3]。目前市場(chǎng)上人參藥材主要來(lái)源于栽培品。隨著我國(guó)可用林地面積的逐漸減少，“平地栽參”模式已經(jīng)成為“伐林栽參”后的主要發(fā)展方向[4]。與國(guó)外農(nóng)田栽參技術(shù)相比，中國(guó)“平地栽參”起步較晚，種植技術(shù)還不成熟，盲目進(jìn)行引種栽培，不僅成活率較低，而且藥材產(chǎn)量及質(zhì)量下降嚴(yán)重，影響臨床療效?！侗静萁?jīng)集注》有言“諸藥所生，皆有境界”，環(huán)境因子改變對(duì)藥材生長(zhǎng)發(fā)育及有效成分積累具有重要影響[5]?，F(xiàn)階段開(kāi)展人參適宜產(chǎn)區(qū)分析，對(duì)促進(jìn)人參種植產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

隨著全球氣候變暖對(duì)生態(tài)環(huán)境影響越發(fā)明顯，對(duì)各物種的分布范圍影響也不斷增加[6]。世界性公益組織氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)《第四次評(píng)估報(bào)告》(AR4)分析表明，1906—2005年100年的時(shí)間內(nèi)，全球平均氣溫上升了0.74 ℃。隨著全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，溫室氣體大量排放，2100年全球氣溫比1990年將上升1.4～5.8 ℃，與此同時(shí)，其他環(huán)境因子也會(huì)隨之改變[7]。全球氣候變暖可以改變陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，使生物棲息地范圍與分布區(qū)發(fā)生變化，促使植物分布向高海拔和高緯度地區(qū)遷移[8-10]。在全球溫室效應(yīng)不斷加劇情況下，作為傳統(tǒng)名貴中藥材人參的適宜分布地區(qū)變化范圍未見(jiàn)報(bào)道。王瑀等對(duì)我國(guó)適宜人參種植的產(chǎn)區(qū)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明人參適宜產(chǎn)地主要分布在東北地區(qū)吉林、遼寧、黑龍江境內(nèi)、北京與河北的燕山山脈地區(qū)、陜西秦嶺山區(qū)、山西太行山脈等地區(qū)[11]。沈亮等2016年采用GMPGIS對(duì)世界范圍內(nèi)的人參適宜產(chǎn)區(qū)進(jìn)行分析，結(jié)果表明亞洲東部、北美洲東部、歐洲南部及澳洲東南地區(qū)適宜人參生長(zhǎng)[12]。以上研究均表明，從生態(tài)相似性角度，山西長(zhǎng)治地區(qū)是人參生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)，符合《本草綱目》記載“人參生上黨及遼東”，而事實(shí)上由于氣候的變化，目前該地區(qū)已沒(méi)有大規(guī)模的人參種植面積。究其原因是先前研究以當(dāng)前氣候指標(biāo)為條件，通過(guò)產(chǎn)區(qū)預(yù)測(cè)模型對(duì)其在世界范圍內(nèi)的適宜區(qū)域進(jìn)行分析，未涉及全球氣候動(dòng)態(tài)變化對(duì)其生態(tài)適宜性區(qū)域的影響。

本研究依據(jù)“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 Medicinal Plant，GMPGIS)[12]，提取人參主產(chǎn)區(qū)各樣點(diǎn)在全球基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、全球氣候因子數(shù)據(jù)庫(kù)和土壤數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，并結(jié)合全球氣候變化規(guī)律，人參全球潛在生態(tài)適宜區(qū)域進(jìn)行分析，對(duì)未來(lái)100年人參潛在生態(tài)適宜區(qū)域動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)開(kāi)展預(yù)測(cè)?？蔀槿藚⑸a(chǎn)規(guī)劃布局提供科學(xué)理論依據(jù)，對(duì)其他中藥材區(qū)劃和保護(hù)也有借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 人參分布數(shù)據(jù)的收集與處理 本研究在全球范圍內(nèi)分別對(duì)中國(guó)、韓國(guó)、日本、朝鮮及俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)等人參分布區(qū)進(jìn)行選點(diǎn)。通過(guò)實(shí)地調(diào)研、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271個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行人參產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析[13-24]。見(jiàn)表1。

1.2 GMPGIS環(huán)境因子數(shù)據(jù)來(lái)源 GMPGIS是由中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所于2015年自主研發(fā)的藥用植物產(chǎn)地預(yù)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)氣候數(shù)據(jù)主要來(lái)源于WorldClim全球氣候數(shù)據(jù)庫(kù)(WorldClim-global Climate Data)[25]和CliMond全球生物氣候?qū)W建模數(shù)據(jù)庫(kù)(CliMond：Global Climatologies for Bioclimatic Modelling)[26]，土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于全球土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(Harmonized World Soil Database，HWSD)。本研究使用的環(huán)境因子數(shù)據(jù)來(lái)自GMPGIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，各指標(biāo)因子如下表所示。見(jiàn)表2。其中全球氣候因子數(shù)據(jù)來(lái)自2050年和2100年2種溫室氣體排放情景模型A1b(能源需求較低)和A2a(能源需求較高)，且該類(lèi)預(yù)測(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)會(huì)隨著時(shí)間和環(huán)境變化得到逐步更新，能夠較好的預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化[27]。

1.3 GMPGIS分析方法 通過(guò)實(shí)地調(diào)查、世界植物分布數(shù)據(jù)庫(kù)提取及文獻(xiàn)調(diào)研得到人參分析樣點(diǎn)，通過(guò)GPS經(jīng)緯度定位網(wǎng)站(http://www.earthol.com/)，將樣點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)值求出，將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入GMPGIS系統(tǒng)，提取各樣點(diǎn)環(huán)境變量，利用歐氏距離法建立預(yù)測(cè)模型，再根據(jù)模型求出人參全球生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)分布圖。其中人參建模及預(yù)測(cè)分析步驟主要有數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、相似性聚類(lèi)分析、柵格重分類(lèi)及得出人參最大生態(tài)相似度區(qū)域圖[12]。采用SPSS 20.0對(duì)人參生態(tài)因子數(shù)值進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)。

表1 人參全球范圍內(nèi)選點(diǎn)位置及數(shù)量

表2 環(huán)境變量

2 結(jié)果

2.1 GMPGIS生態(tài)因子值分析 基于人參全球分布區(qū)樣點(diǎn)信息，在A1b和A2a模型下，經(jīng)GMPGIS分析得到2050年及2100年人參主要生長(zhǎng)區(qū)域生態(tài)因子值。見(jiàn)表3。由圖可知：除降水因子外，2050年及2100年的其他氣候因子與當(dāng)前產(chǎn)區(qū)氣候因子相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。研究得出適宜人參生長(zhǎng)的土壤類(lèi)型有暗色土、始成土、沖擊土、潛育土、有機(jī)土、淋溶土等。

2.2 2050年氣候變暖情況下人參最大生態(tài)相似度區(qū)域變化 人參2050年最大生態(tài)相似度區(qū)域全球分布。見(jiàn)圖1、圖2。由圖可知：人參全球最大生態(tài)相似度區(qū)域(生態(tài)相似度99.9%～100%)主要分布在亞洲的中國(guó)、日本、韓國(guó)、朝鮮、土耳其等國(guó)；歐洲的俄羅斯、法國(guó)、意大利、烏克蘭、塞爾維亞等國(guó)，北美洲的美國(guó)、加拿大等國(guó)。見(jiàn)圖3?？紤]2050年氣候變暖，于A1b模型時(shí)，人參最大生態(tài)相似度潛在適宜區(qū)域有擴(kuò)大趨勢(shì)，其全球適宜面積約為9 578.55×103km2，占全球面積的7.12%，比當(dāng)前人參適宜產(chǎn)區(qū)面積增加了11.09%。見(jiàn)表4。其擴(kuò)大范圍主要分布在亞洲的中國(guó)北部地區(qū)和歐洲的波蘭、法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家；其次北美洲美國(guó)地區(qū)適宜區(qū)域略有擴(kuò)大，主要為美國(guó)西海岸地區(qū)。于A2a模型時(shí)，人參最大生態(tài)相似度區(qū)域其潛在區(qū)域擴(kuò)大范圍較A1b模型時(shí)略有減小，其全球適宜面積約為9 486.00×103km2，占全球面積的7.05%，比當(dāng)前人參適宜產(chǎn)區(qū)面積增加了10.02%(表4)，其擴(kuò)大范圍主要分布在中國(guó)大興安嶺地區(qū)和歐洲適宜產(chǎn)區(qū)北部，其次為北美洲美國(guó)西部地區(qū)，其潛在區(qū)域縮小范圍主要存在于中國(guó)北部與美國(guó)西部地區(qū)。由圖3所知：2種模型下各國(guó)家的適宜產(chǎn)區(qū)面積較為相似，其中美國(guó)、加拿大、中國(guó)、俄羅斯、法國(guó)等國(guó)家適宜人參栽培面積較大，其面積均大于500×103km2。

2.3 2100年氣候變暖情況下人參最大生態(tài)相似度區(qū)域變化 人參2100年最大生態(tài)相似度區(qū)域全球分布圖如圖4、圖5所示。由圖可知：于A1b模型下，2100年人參最大生態(tài)相似度潛在區(qū)域有進(jìn)一步擴(kuò)大趨勢(shì)，其全球適宜面積約為10 595.47×103km2，占全球面積的7.87%，比當(dāng)前人參適宜產(chǎn)區(qū)面積增加了22.89%。見(jiàn)表4。亞洲地區(qū)擴(kuò)大范圍主要位于中國(guó)西部與中部地區(qū)，歐洲適宜產(chǎn)區(qū)擴(kuò)大范圍主要分布在法國(guó)、德國(guó)、波蘭、立陶宛等地，北美洲擴(kuò)大范圍主要位于美國(guó)西部與加拿大東南部地區(qū)。于A2a模型時(shí)，人參最大生態(tài)相似度潛在區(qū)域擴(kuò)大范圍較A1b模型略有增加，其全球適宜面積約為10 985.41×103km2，占全球面積的8.16%。見(jiàn)表4。比當(dāng)前人參適宜產(chǎn)區(qū)面積增加了27.41%，其擴(kuò)大范圍主要分布在亞洲的中國(guó)北部地區(qū)和歐洲的北部地區(qū)，北美洲的美國(guó)西部地區(qū)、加拿大南部地區(qū)。由圖6所知：2種模型下各國(guó)家適宜產(chǎn)區(qū)面積差異較為明顯，A2a模型下的加拿大、中國(guó)、俄羅斯及德國(guó)等地面積顯著大于A1b模型，其中美國(guó)、加拿大、中國(guó)、俄羅斯等國(guó)家適宜人參栽培面積較大，其面積均大于800×103km2。

表3 A1b和A2a能源利用模型下2050和2100年人參生態(tài)因子數(shù)值范圍(n=271)

圖1 A1b能源利用模型下2050年人參最大生態(tài)相似度區(qū)域預(yù)測(cè)圖(n=271)[審圖號(hào)：GS(2016)1766號(hào)]

圖2 A2a能源利用模型下2050年人參最大生態(tài)相似度區(qū)域預(yù)測(cè)圖(n=271)[審圖號(hào)：GS(2016)1766號(hào)]

圖3 A1b和A2a模型下2050年不同國(guó)家人參適生區(qū)變化

圖4 A1b能源利用模型下2100年人參最大生態(tài)相似度區(qū)域預(yù)測(cè)圖(n=271)[審圖號(hào)：GS(2016)1766號(hào)]

圖5 A2a能源利用模型下2100年人參最大生態(tài)相似度區(qū)域預(yù)測(cè)圖(n=271)[審圖號(hào)：GS(2016)1766號(hào)]

3 討論

隨著可用林地資源的不斷減少，平地栽參模式已經(jīng)成為伐林栽參后的主要發(fā)展方向。由于農(nóng)田和撂荒地等平地面積廣闊，各地區(qū)環(huán)境因子差異巨大，開(kāi)展栽培選地已成為平地栽參種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。沈亮等基于GMPGIS系統(tǒng)得出了當(dāng)前時(shí)期全球范圍內(nèi)適宜人參生長(zhǎng)的地區(qū)主要包括亞洲東北部、歐洲南部及北美洲東部地區(qū)，在此基礎(chǔ)上，又制定了農(nóng)田栽參選地標(biāo)準(zhǔn)[12]，其研究結(jié)果可以較好的指導(dǎo)農(nóng)田栽參產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著全球氣候不斷變暖，生物棲息地范圍與分布區(qū)也將發(fā)生變化，物種分布向高海拔和高緯度地區(qū)遷移的現(xiàn)象已在全球范圍被觀測(cè)證實(shí)[9-10]，人參是世界上需求量較大的物種，開(kāi)展人參未來(lái)潛在適宜產(chǎn)區(qū)分析具有重要意義。本研究在沈亮等人研究基礎(chǔ)上，依據(jù)2050年和2100年2種溫室氣體排放情景模型的數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)了未來(lái)人參生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)。結(jié)果表明人參生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)主要分布在亞洲東北部、歐洲南部及北美洲東部地區(qū)，這些適宜區(qū)域?qū)ξ磥?lái)人參平地規(guī)模化種植、引種栽培及未來(lái)資源保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)本研究預(yù)測(cè)區(qū)域覆蓋了目前已知人參主要分布區(qū)[13-24,28]，這進(jìn)一步說(shuō)明GMPGIS模型預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在未來(lái)產(chǎn)區(qū)種植區(qū)劃中具有較好指導(dǎo)作用。

圖6 A1b和A2a模型下2100年不同國(guó)家人參適生區(qū)變化

表4 基于GMPGIS不同時(shí)間下人參全球生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)的預(yù)測(cè)面積及比例

注:%代表預(yù)測(cè)產(chǎn)區(qū)占全球土壤面積的比例(×103km2)

通過(guò)GMPGIS分析，本研究首次預(yù)測(cè)了未來(lái)人參適生區(qū)域向北移動(dòng)的變化趨勢(shì)。與當(dāng)前人參適宜產(chǎn)區(qū)面積相比，2100年人參適宜產(chǎn)區(qū)增長(zhǎng)了22.89%～27.41%[12]。人參適宜生境范圍由當(dāng)前適宜區(qū)域逐步向歐洲北部、亞洲東北部興安嶺等北部地區(qū)移動(dòng)。據(jù)前期調(diào)查得知，隨著氣候變暖，興安嶺地區(qū)近年來(lái)已開(kāi)展人參栽培種植，并且長(zhǎng)勢(shì)良好，這也證明了本研究預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性。氣溫升高導(dǎo)致人參適宜產(chǎn)區(qū)北移，說(shuō)明低溫可能是限制人參適宜產(chǎn)區(qū)變化的重要因子，這與徐克章得出溫度是影響人參光合作用的重要因子結(jié)論較為相似[29]。因此，人參在栽培種植過(guò)程中，合理調(diào)節(jié)溫度變化幅度，可以有效促進(jìn)人參生長(zhǎng)發(fā)育。另外，溫度上升易導(dǎo)致人參根腐病、銹腐病等病蟲(chóng)害的頻繁發(fā)生[30]，未來(lái)人參種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展中需要注意加強(qiáng)防治，培育抗病蟲(chóng)害新品種是未來(lái)人參栽培產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)。

人參是連作障礙比較嚴(yán)重的藥用植物，其種植后的老參地通常需要30年左右時(shí)間進(jìn)行修復(fù)才能再度進(jìn)行栽培利用。本研究得出氣候變暖可以增加人參生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)面積，研究結(jié)果有利于未來(lái)人參的栽培選地。除氣候因素外，影響物種分布的因素還有很多。如未來(lái)幾十年間物種進(jìn)化而帶來(lái)的其對(duì)環(huán)境因子適應(yīng)性改變、人參病蟲(chóng)害種類(lèi)變化、人類(lèi)活動(dòng)范圍及排放的溫室氣體變化等因素均對(duì)物種分布產(chǎn)生一定影響，其他影響人參產(chǎn)區(qū)分布的因素在后續(xù)研究中還需進(jìn)一步進(jìn)行深入分析。

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(2017-04-10收稿 責(zé)任編輯：徐穎)

A Research on the Ecological Suitability of Panax Ginseng Based on GMPGIS Under Global Warming in the Future

Shen Liang1,2，Xu Jiang1，Dong Linlin1，Meng Xiangxiao1，Zhang Naiwu3，Naoki Fujihara4，Li Xiwen1

(1InstituteofChineseMateriaMedica，ChinaAcademyofChineseMedicalSciences，Beijing100700，China; 2Post-DoctoralResearchCenter，ChinaAcademyofChineseMedicalSciences，Beijing100700，China; 3ChinaMedicoCorporation，Tianjin300301，China; 4BotanicalRawMaterialsDivision，Tsumura&CO，Ibaraki300-1192，Japan)

Objective:Through the development of potential geographical distribution of producing area in the global range of ginseng，we aim to provide scientific basis for rational planning，production and layout planting of cultivation.Methods:The potential distribution of P.ginseng in the world were predicted using GMPGIS according the site data from both the traditional producing regions recorded in past dynasties medicinal works and the popular production regions in the world.Results:East Asia，the Middle east of North America，the South central of Europe and part of Australia are the main suitable areas for growth of P.ginseng.As the global climate changes，with greenhouse gases under the A1b and A2a emissions scenario，by 2050，the potential distribution of P.ginseng will have a tendency to expend(9500×103km2)，7.05%～7.12% larger than that predicted by current potential distribution area，and the potential distribution will have an increase area in 2100(10 800×103km2)，22.89%～27.41% larger than that predicted by current potential distribution area.The increase area are in north of Europe，middle and east of Asia.Conclusion:Rising temperatures will help increases suitable region of ginseng in the world.Use of GMPGIS to select the optimum production regions provides a new scientific basis for introduction，cultivation，tending，and cultivation for P.ginseng.

Panax ginseng; GMPGIS; Ecological suitability; Global warming; Potential distribution

國(guó)家中藥標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目(編號(hào)：ZYBZH-Y-TJ-43)；中國(guó)博士后基金項(xiàng)目(編號(hào)：2017M611130)

沈亮，博士，助理研究員，從事藥用植物栽培與產(chǎn)區(qū)適宜性分析研究，E-mail：shenliang08@126.com

李西文，博士，副研究員，主要從事藥用植物栽培與鑒定研究，Tel：(010)57203877，E-mail：xwli@icmm.ac.cn

[R282.2]

A

10.3969/j.issn.1673-7202.2017.05.003