基于GMPGIS全球變暖情景下人參未來生態適宜產區變化

沈 亮 徐 江 董林林 孟祥霄 張乃嘦 藤原直樹 李西文

(1 中國中醫科學院中藥研究所，北京，100700；2 中國中醫科學院博士后科研流動站，北京，100700；3 盛實百草藥業有限公司，天津，300301；4 日本國株式會社津村生藥研發部，茨城，300-1192)

基于GMPGIS全球變暖情景下人參未來生態適宜產區變化

沈 亮1,2徐 江1董林林1孟祥霄1張乃嘦3藤原直樹4李西文1

(1 中國中醫科學院中藥研究所，北京，100700；2 中國中醫科學院博士后科研流動站，北京，100700；3 盛實百草藥業有限公司，天津，300301；4 日本國株式會社津村生藥研發部，茨城，300-1192)

目的：通過開展未來時期人參全球潛在生態適宜產區分析，為其合理規劃生產布局提供科學依據。方法：采用“藥用植物全球產地生態適宜性區劃信息系統”(Global Geographic Information System for Medicinal Plant，GMPGIS)，以人參本草文獻記載的道地產區、野生分布區以及當前主產區人參生態因子數值為依據，對其在全球范圍內的潛在生態分布區進行分析。結果：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是當前人參全球范圍內的主要適生區域。隨著全球氣候變暖，在溫室氣體排放相對較少的A1b模型和排放較多的A2a模型下，2050年人參潛在生態適宜產區面積約為9 500×103km2，比當前產區適宜面積增加了7.05%～7.12%，增長區域主要分布在亞洲東北部和歐洲北部地區；2100年人參適宜產區面積約為10 800×103km2，比當前產區適宜面積增加了22.89%～27.41%，增長區域主要分布在歐洲北部及亞洲中部及東部地區。結論：氣溫升高有助于人參適宜產區增加，本研究結果可為人參生產布局規劃、引種栽培、規模化種植提供科學依據。

人參；GMPGIS；生態適宜性；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，主要分布在中國東北、朝鮮、韓國、日本、俄羅斯東部等地區，是馳名中外的珍貴藥材[1-2]。因藥用價值較高，長期掠奪式采挖，導致野生人參資源已瀕臨枯竭，現已被中國《國家重點保護野生藥用動植物名錄》收錄[3]。目前市場上人參藥材主要來源于栽培品。隨著我國可用林地面積的逐漸減少，“平地栽參”模式已經成為“伐林栽參”后的主要發展方向[4]。與國外農田栽參技術相比，中國“平地栽參”起步較晚，種植技術還不成熟，盲目進行引種栽培，不僅成活率較低，而且藥材產量及質量下降嚴重，影響臨床療效。《本草經集注》有言“諸藥所生，皆有境界”，環境因子改變對藥材生長發育及有效成分積累具有重要影響[5]。現階段開展人參適宜產區分析，對促進人參種植產業健康可持續發展具有重要意義。

隨著全球氣候變暖對生態環境影響越發明顯，對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門委員會(IPCC)《第四次評估報告》(AR4)分析表明，1906—2005年100年的時間內，全球平均氣溫上升了0.74 ℃。隨著全球經濟快速發展，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，其他環境因子也會隨之改變[7]。全球氣候變暖可以改變陸地生態系統的結構和功能，使生物棲息地范圍與分布區發生變化，促使植物分布向高海拔和高緯度地區遷移[8-10]。在全球溫室效應不斷加劇情況下，作為傳統名貴中藥材人參的適宜分布地區變化范圍未見報道。王瑀等對我國適宜人參種植的產區進行了分析，結果表明人參適宜產地主要分布在東北地區吉林、遼寧、黑龍江境內、北京與河北的燕山山脈地區、陜西秦嶺山區、山西太行山脈等地區[11]。沈亮等2016年采用GMPGIS對世界范圍內的人參適宜產區進行分析，結果表明亞洲東部、北美洲東部、歐洲南部及澳洲東南地區適宜人參生長[12]。以上研究均表明，從生態相似性角度，山西長治地區是人參生態適宜產區，符合《本草綱目》記載“人參生上黨及遼東”，而事實上由于氣候的變化，目前該地區已沒有大規模的人參種植面積。究其原因是先前研究以當前氣候指標為條件，通過產區預測模型對其在世界范圍內的適宜區域進行分析，未涉及全球氣候動態變化對其生態適宜性區域的影響。

本研究依據“藥用植物全球產地生態適宜性區劃信息系統”(Global Geographic Information System for Medicinal Plant，GMPGIS)[12]，提取人參主產區各樣點在全球基礎地理信息數據庫、全球氣候因子數據庫和土壤數據庫的數據，并結合全球氣候變化規律，人參全球潛在生態適宜區域進行分析，對未來100年人參潛在生態適宜區域動態變化趨勢開展預測。可為人參生產規劃布局提供科學理論依據，對其他中藥材區劃和保護也有借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 人參分布數據的收集與處理 本研究在全球范圍內分別對中國、韓國、日本、朝鮮及俄羅斯遠東地區等人參分布區進行選點。通過實地調研、查閱相關文獻及網站，選擇人參藥材道地產區、主產區及野生分布區的271個樣點進行人參產地生態適宜性分析[13-24]。見表1。

1.2 GMPGIS環境因子數據來源 GMPGIS是由中國中醫科學院中藥研究所于2015年自主研發的藥用植物產地預測系統。該系統氣候數據主要來源于WorldClim全球氣候數據庫(WorldClim-global Climate Data)[25]和CliMond全球生物氣候學建模數據庫(CliMond：Global Climatologies for Bioclimatic Modelling)[26]，土壤數據來源于全球土壤數據庫(Harmonized World Soil Database，HWSD)。本研究使用的環境因子數據來自GMPGIS系統數據庫，各指標因子如下表所示。見表2。其中全球氣候因子數據來自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)，且該類預測的環境數據會隨著時間和環境變化得到逐步更新，能夠較好的預測未來氣候變化[27]。

1.3 GMPGIS分析方法 通過實地調查、世界植物分布數據庫提取及文獻調研得到人參分析樣點，通過GPS經緯度定位網站(http://www.earthol.com/)，將樣點經緯度坐標值求出，將該數據導入GMPGIS系統，提取各樣點環境變量，利用歐氏距離法建立預測模型，再根據模型求出人參全球生態適宜產區分布圖。其中人參建模及預測分析步驟主要有數據標準化、相似性聚類分析、柵格重分類及得出人參最大生態相似度區域圖[12]。采用SPSS 20.0對人參生態因子數值進行單因素方差分析(ANOVA)。

表1 人參全球范圍內選點位置及數量

表2 環境變量

2 結果

2.1 GMPGIS生態因子值分析 基于人參全球分布區樣點信息，在A1b和A2a模型下，經GMPGIS分析得到2050年及2100年人參主要生長區域生態因子值。見表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前產區氣候因子相比差異有統計學意義。研究得出適宜人參生長的土壤類型有暗色土、始成土、沖擊土、潛育土、有機土、淋溶土等。

2.2 2050年氣候變暖情況下人參最大生態相似度區域變化 人參2050年最大生態相似度區域全球分布。見圖1、圖2。由圖可知：人參全球最大生態相似度區域(生態相似度99.9%～100%)主要分布在亞洲的中國、日本、韓國、朝鮮、土耳其等國；歐洲的俄羅斯、法國、意大利、烏克蘭、塞爾維亞等國，北美洲的美國、加拿大等國。見圖3。考慮2050年氣候變暖，于A1b模型時，人參最大生態相似度潛在適宜區域有擴大趨勢，其全球適宜面積約為9 578.55×103km2，占全球面積的7.12%，比當前人參適宜產區面積增加了11.09%。見表4。其擴大范圍主要分布在亞洲的中國北部地區和歐洲的波蘭、法國、德國等國家；其次北美洲美國地區適宜區域略有擴大，主要為美國西海岸地區。于A2a模型時，人參最大生態相似度區域其潛在區域擴大范圍較A1b模型時略有減小，其全球適宜面積約為9 486.00×103km2，占全球面積的7.05%，比當前人參適宜產區面積增加了10.02%(表4)，其擴大范圍主要分布在中國大興安嶺地區和歐洲適宜產區北部，其次為北美洲美國西部地區，其潛在區域縮小范圍主要存在于中國北部與美國西部地區。由圖3所知：2種模型下各國家的適宜產區面積較為相似，其中美國、加拿大、中國、俄羅斯、法國等國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相似度區域變化 人參2100年最大生態相似度區域全球分布圖如圖4、圖5所示。由圖可知：于A1b模型下，2100年人參最大生態相似度潛在區域有進一步擴大趨勢，其全球適宜面積約為10 595.47×103km2，占全球面積的7.87%，比當前人參適宜產區面積增加了22.89%。見表4。亞洲地區擴大范圍主要位于中國西部與中部地區，歐洲適宜產區擴大范圍主要分布在法國、德國、波蘭、立陶宛等地，北美洲擴大范圍主要位于美國西部與加拿大東南部地區。于A2a模型時，人參最大生態相似度潛在區域擴大范圍較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%。見表4。比當前人參適宜產區面積增加了27.41%，其擴大范圍主要分布在亞洲的中國北部地區和歐洲的北部地區，北美洲的美國西部地區、加拿大南部地區。由圖6所知：2種模型下各國家適宜產區面積差異較為明顯，A2a模型下的加拿大、中國、俄羅斯及德國等地面積顯著大于A1b模型，其中美國、加拿大、中國、俄羅斯等國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年人參生態因子數值范圍(n=271)

圖1 A1b能源利用模型下2050年人參最大生態相似度區域預測圖(n=271)[審圖號：GS(2016)1766號]

圖2 A2a能源利用模型下2050年人參最大生態相似度區域預測圖(n=271)[審圖號：GS(2016)1766號]

圖3 A1b和A2a模型下2050年不同國家人參適生區變化

圖4 A1b能源利用模型下2100年人參最大生態相似度區域預測圖(n=271)[審圖號：GS(2016)1766號]

圖5 A2a能源利用模型下2100年人參最大生態相似度區域預測圖(n=271)[審圖號：GS(2016)1766號]

3 討論

隨著可用林地資源的不斷減少，平地栽參模式已經成為伐林栽參后的主要發展方向。由于農田和撂荒地等平地面積廣闊，各地區環境因子差異巨大，開展栽培選地已成為平地栽參種植產業發展的重要環節。沈亮等基于GMPGIS系統得出了當前時期全球范圍內適宜人參生長的地區主要包括亞洲東北部、歐洲南部及北美洲東部地區，在此基礎上，又制定了農田栽參選地標準[12]，其研究結果可以較好的指導農田栽參產業的發展。隨著全球氣候不斷變暖，生物棲息地范圍與分布區也將發生變化，物種分布向高海拔和高緯度地區遷移的現象已在全球范圍被觀測證實[9-10]，人參是世界上需求量較大的物種，開展人參未來潛在適宜產區分析具有重要意義。本研究在沈亮等人研究基礎上，依據2050年和2100年2種溫室氣體排放情景模型的數據，預測了未來人參生態適宜產區。結果表明人參生態適宜產區主要分布在亞洲東北部、歐洲南部及北美洲東部地區，這些適宜區域對未來人參平地規模化種植、引種栽培及未來資源保護提供科學依據。同時本研究預測區域覆蓋了目前已知人參主要分布區[13-24,28]，這進一步說明GMPGIS模型預測結果的準確性，在未來產區種植區劃中具有較好指導作用。

圖6 A1b和A2a模型下2100年不同國家人參適生區變化

表4 基于GMPGIS不同時間下人參全球生態適宜產區的預測面積及比例

注:%代表預測產區占全球土壤面積的比例(×103km2)

通過GMPGIS分析，本研究首次預測了未來人參適生區域向北移動的變化趨勢。與當前人參適宜產區面積相比，2100年人參適宜產區增長了22.89%～27.41%[12]。人參適宜生境范圍由當前適宜區域逐步向歐洲北部、亞洲東北部興安嶺等北部地區移動。據前期調查得知，隨著氣候變暖，興安嶺地區近年來已開展人參栽培種植，并且長勢良好，這也證明了本研究預測結果的可靠性。氣溫升高導致人參適宜產區北移，說明低溫可能是限制人參適宜產區變化的重要因子，這與徐克章得出溫度是影響人參光合作用的重要因子結論較為相似[29]。因此，人參在栽培種植過程中，合理調節溫度變化幅度，可以有效促進人參生長發育。另外，溫度上升易導致人參根腐病、銹腐病等病蟲害的頻繁發生[30]，未來人參種植產業發展中需要注意加強防治，培育抗病蟲害新品種是未來人參栽培產業發展重點。

人參是連作障礙比較嚴重的藥用植物，其種植后的老參地通常需要30年左右時間進行修復才能再度進行栽培利用。本研究得出氣候變暖可以增加人參生態適宜產區面積，研究結果有利于未來人參的栽培選地。除氣候因素外，影響物種分布的因素還有很多。如未來幾十年間物種進化而帶來的其對環境因子適應性改變、人參病蟲害種類變化、人類活動范圍及排放的溫室氣體變化等因素均對物種分布產生一定影響，其他影響人參產區分布的因素在后續研究中還需進一步進行深入分析。

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(2017-04-10收稿 責任編輯：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

國家中藥標準化項目(編號：ZYBZH-Y-TJ-43)；中國博士后基金項目(編號：2017M611130)

沈亮，博士，助理研究員，從事藥用植物栽培與產區適宜性分析研究，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