三七 [Panax notoginseng (Burkill) F. H. Chen] 是五加科人参属植物,其干燥根及根茎入药,为我国常用名贵中药材,具有消肿定痛、活血化瘀的功效。三七可用于冠心病、心绞痛、跌打损伤等疾病的防治,是云南白药、复方丹参滴丸、血塞通等中成药大品种的主要原料。三七较早的文字记载为《跌损妙方》(约1523年),其中“参三七”的用方达40条^[1]。明代云南彝族医药手抄本《聂苏诺期》(1566年) 称: “刀伤而血流不止,三七煎服或研粉撒伤口”^[2]。三七产地较早的可靠文字记载为明代《医门秘旨》(1575年),载: “三七草,其本出广西,七叶三枝,故此为名”^[3]。明代《本草纲目》对三七产地也有明确记载: “生广西南丹禇州番峒深山中”,认为三七产自广西^[4]。三七又称田七,田七名字来源于两种说法,一种说法认为田州是田七的原产地,清代《归顺州志》(1899年) 曰: “三七……以田州 (今田阳、田东等市县) 产者为最良”^[5],清代《百色厅志》中载: 因三七产自田州,故“俗名为田七”。另一种说法认为田七因古时广西田州府曾是三七的商业集散地而得名,“镇安府 (今靖西、德保、那坡等县) 各属俱出”^[6]。

三七是栽培驯化较早的药用经济植物,人工栽培历史已有400余年^[7],随着社会经济发展与人们生活质量的提高,其需求量逐年剧增。2013年,三七农业产值达130亿元,产量达9 500吨,且市场份额仍在迅猛扩大^[8]。然而三七为典型的生态脆弱型阴生植物,其分布区域较窄^[9],加之连作障碍等问题,三七原产地云南文山州面临种植瓶颈^[10],迫切需要种植新区的引种扩种。三七传统以文山三七质优效佳,其品质的地域差异反映了三七生长发育受气候、土壤等自然生态因素的影响。本文基于三七现有资源分布的调查数据,应用《药用植物全球产地生态适宜性信息系统》 (Geographic Information System for Global Medicinal Plants,GMPGIS) 开展三七全球产地生态适宜性分析,有效指导三七引种扩种,概括了其资源再生现状,并分析了气候及土壤等生态条件对三七品质的影响。该研究对三七资源可持续利用与其全球产业的健康发展具有重要意义。

试验方法与采样点 1 分析软件

GMPGIS是由中国中医科学院中药研究所针对药用植物生长发育特点,自主研发的药用植物最适宜栽培区预测系统。该系统整合了worldclim全球气候数据库、climond全球生物气候学建模数据库以及HWSD全球数据库; 利用该系统的整合数据库进行药用植物采样点的分析提取,获得适宜其生长的各主要气候因子阈值及土壤类型,并据此计算分析得到适宜药用植物生长的范围,最终以可视化地图的方式呈现 (图 1)。

2 试验方法设计

全球生态适宜产区计算分析分为数据标准化、相似性聚类分析及栅格重分类3个部分。

2.1 数据标准化

栅格标准化用于消除不同生态因子量纲不同对计算的影响。本系统采用线性标准化的方式对数据进行处理,利用公式$x'=\frac{x-\min }{\max -\min }\times 100$,将各生态因子数据集标准化为0～100的数据区间,用于进行相似性聚类分析。

2.2 相似性聚类分析

主要用于对每个栅格的欧氏距离进行计算分类。GMPGIS中的相似性聚类分析采用了欧氏距离算法的改进算法,其公式为:

${{d}_{j}}=\sqrt{{{\left( {{x}_{11}}-{{x}_{12}} \right)}^{2}}+{{\left( {{x}_{12}}-{{x}_{22}} \right)}^{2}}+\cdots +{{\left( {{x}_{p1}}-{{x}_{p2}} \right)}^{2}}}={{\left[ \Sigma _{k-1}^{p}{{\left( {{x}_{ki}}-{{x}_{kj}} \right)}^{2}} \right]}^{\frac{1}{2}}},$

本算法是将地图图层中的每个空间栅格作为一个聚类对象,n个标准化后的生态因子数值作为该栅格的聚类条件,每个栅格都是n维空间中一个点。因此,根据栅格间距离大小将不同栅格进行空间最小距离聚类。

2.3 栅格重分类

主要用于将相似性聚类分析结果[min_dij,max_dij]根据不同需求分为多类。如: 可将相似性聚类分析结果为0的栅格作为最大生态相似度的适宜生长区域,将大于0的栅格作为其他区域。

3 三七采样点选择

三七主产于中国,是三七规模化种植的主要区域,目前越南等国正在开始三七的引种试种。参照野生分布区、主产区和道地产区的选点原则进行三七采样点的选取^[11]。因三七野生样本并无明确记载,且近百年未曾发现野生群体^[12],所以本文仅针对三七在历史上及近年来的栽培主产区及品质较好的云南、广西两大道地产区进行选点。包括了云南省文山州砚山、文山、马关,红河州蒙自、弥勒、开远等县 (市); 广西省百色市靖西等县 (市) 的共计326个采样点,如图 2。

结果与分析 1 三七产地适宜性分析 1.1 三七生态因子阈值范围

依据选取的三七采样点提取GMPGIS中生态因子数据,获得三七主产区的各生态因子阈值。三七是一种喜温暖潮湿的药用植物,生长分布于最冷季均温6.3～12.5 ℃,最热季均温16.8～25.3 ℃,年均温12.2～19.7 ℃,年均相对湿度67.4%～75.7%,年均降水量972～1 632 mm,年均日照134.3～142.0 W·m⁻²的区域。结果表明,三七生长所需年均温较高,最冷季均温需在0 ℃以上; 在水分需求方面,其表现出喜高湿、较高降水环境的特点; 在光照方面,表现为喜阴。适宜三七生长的土壤类型主要为淋溶土、强淋溶土、高活性强酸土、人为土及始成土等。

1.2 三七全球产地生态适宜性分析

根据三七主要生长区域的生态因子阈值,经GMPGIS计算分析获得三七全球最大生态相似度适宜产区分布图(图 3)。由图 3可知,其区域主要集中在北回归线附近,主要分布于亚洲的中国,此外北美洲美国的东海岸,南美洲巴西的东南部,欧洲西海岸的葡萄牙、西班牙、法国,以及地中海北部沿线的意大利等地区也有零星分布。三七主要分布区为中低纬度的亚热带气候带,这一空间分布特征与三七喜温暖的生长习性相一致^[13]。

表 1表明中国是三七栽培最大的潜在拓展国家,其最大生态相似度适宜产区面积为162 317.85 km²,占全球最适宜产区面积的70%以上; 其次为美国,其最适宜产区面积为13 861.08 km²,占全球最适宜产区面积的6.05%; 巴西最适宜产区面积与美国相接近,为13 676.02 km²,占全球最适宜产区面积的5.97%。除此之外,葡萄牙、新西兰、西班牙、意大利、越南5个国家也包含三七主要的最适宜产区,其区域面积均在2 000 km²以上,具有一定的三七栽培潜力。越南是较为值得关注的潜在栽培国家,虽然其最适栽培面积仅排名全球第八位,但其地理位置位于三七最主要的消费市场亚洲。且越南与三七主产区文山州相邻,其区位有利于降低种苗及成品药材的运输成本。随着“中药现代化”等国家战略的推进,如三七能进一步拓展国际市场,国外需求量增加,则可在北美洲、南美洲、大洋洲、欧洲分别将美国、巴西、新西兰、葡萄牙作为其所属大洲的三七供给栽培区。

在中国,三七最适栽培区面积排名前五的省(区)为云南、广西、福建、贵州和湖南 (如图 4a,4b),与现阶段三七主产于云南、广西现状相吻合。云南省最适栽培区面积为132 859.48 km²,占全国最适栽培区面积的81.81%,这一比例与现阶段云南省三七产量占全国三七产量的比例相似,而福建、贵州两省的三七最适宜栽培面积也均在5 000 km²以上,在三七引种扩种方面具有较大的发展潜力,尤其贵州省距离传统三七产区云南、广西两省较近,良好的区位优势使其成为三七引种扩种的理想省份。三七的市级适宜产区面积排名如图 4c所示,文山州的最适栽培区面积最大,此外,曲靖、红河、保山、昆明等排名前十的市 (州) 大都已开始了三七的引种栽培,并形成了三七种植的新区^[14]。

1.3 高品质三七最适栽培区分析

广西田州与云南文山是三七历史上与近年来的道地产区,由于田州三七记载年代久远,且田州是三七的种植区域还是商业集散地尚存争议; 近年来云南省文山州加大三七产业的支持,而且文山具有低纬高海拔的气候条件,有利于三七干物质和有效成分的积累^[14],文山州不论在三七种植规模、产量、外观及内在品质上都优于其他产区^[10]。为获得高品质三七的最适宜栽培区,本文以“文山三七”主产区域作为采样点,分析了其生态适宜性。

由图 5可见,“文山三七”最大生态相似度区域主要分布于文山州境内,此外,红河州的蒙自县和屏边县面积较大,该区域与“文山三七”产地的独特气候条件与土壤类型最为相似,栽培的三七与“文山三七”在品质、产量等方面可能具有较大的相似性。因此广南、文山等10个县 (市) 是高品质三七重要的潜在栽培区域,可作为三七引种扩种优先考虑的区域。

2 三七资源再生

栽培是三七资源再生的主要途径。三七栽培历史悠久,按照时间梯度主要分为3个阶段,1950年以前为三七人工种植的初始时期,其特点为产量极低,产业化程度低,几乎无任何化学农药污染; 20世纪50年代到80年代,随着栽培管理和病害化学防治技术逐步完善,三七产量有所提高,经济价值不断提升; 90年代至今,三七种植体系规范化,并出现无公害三七、有机三七等栽培方向; 新品种研究获得突破,培育出皂苷含量较高的紫色块根三七、抗病能力较强的紫茎三七以及产量相对较高的绿茎三七等品种,三七产量和品质有了极大的提高。但是随着三七的规模化种植,传统栽培中农药残留现象较为严重,且由于三七的忌地性导致可用栽种地稀缺,林下栽培及野生抚育模式有助于突破三七栽培产业发展的瓶颈,保障三七资源再生 (图 6)。

2.1 三七传统栽培

农田栽种三七是我国传统的栽培模式。目前三七栽培技术不断的完善,历经3次技术变革,形成了较为成熟的栽培体系。第一次变革: 由棚高1 m的矮棚转变为棚高为1.7 m的高棚,大大提高了工作效率; 第二次变革: 三七主产区由海拔1 000～1 500 m的低海拔地区向1 500～2 000 m的高海拔地区迁移,增加昼夜温差,提高了三七单位面积的产量; 第三次变 革: 三七的荫棚材料由资源消耗型的树枝、秸秆、山草植物材料转变为资源节约型的遮阳网,有利于三七大规模种植^[15]。三七传统栽培已经形成了一套完整的技术体系,包括选地、整地、搭建遮阴棚等,并且在栽培过程中水肥管理、田间清洁、防止提前倒苗等田间管理措施逐步标准化 (表 2)。目前仍有急需解决的瓶颈问题,如高产优质三七品种选育、连作障碍的攻关等。

随着栽培技术不断优化及大众对三七商品安全性要求的逐步提高,优质无公害及有机三七栽培模式获得发展。云南文山地区已对优质无公害三七中重金属含量、农残量等各项指标制定标准^[16],旨在培育无毒、无害、优质三七,提高三七的可食性、药用性及经济性^[17]。三七栽培过程以选取适宜种植环境为基础,采用遮阳网、地膜覆盖和包衣种子等栽培技术,按照《文山三七综合标准》中的《农药使用准则》进行农药选择、有机肥或三七专用肥选施,栽植优质无公害三七。近年来,有机三七因其安全性和有效性备受市场青睐,是当今质量标准最高的三七,其栽培需选取适宜作物生长的环境,遵循《有机三七基地选址标准操作规程》选取适宜地块,且在栽培过程中杜绝各种化学农药的污染,为加工过程提供良好原材料^[18]。

2.2 三七林下栽培

三七林下种植是目前逐步发展的栽培新模式。三七多生长于海拔1 500～2 900 m的山坡林地和灌木丛中。大理州南涧县无量山2 400 m海拔地区已成功进行了三七育苗引种的试验与推广。林下栽培三七可利用树木或遮荫棚进行光调节,林中土壤病原菌含量少,且林中低温、适水等自然条件有助于三七的生长发育(表 2)。云南大理永平县的林下三七种植,出苗率达60%。Jiang等^[19]在海拔约60 m的梧州市旺甫 镇鹤垌村马尾松林地进行三七林下种植试验,结果表明,其质量指标均达到《中国药典》规定,有害物质、重金属限量和农药残留量均符合《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准 (WM/T2-2004)》。2014年初,云南在文山三七道地产区马关县的古林箐镇,建立了1 000亩林下三七种植基地,在减少人工干预的基础上,通过一年多的栽培试验,2015年种子点播存苗率为14%、撒播存苗率为23%,2016年二年七出苗率36%。三七林下栽培模式可有效缓解传统种植模式下连作障碍导致土地紧缺,提供高品质三七药材,促进多元立体三七栽培模式发展^[20,22]。

2.3 野生抚育

中药材野生抚育是根据动植物药材生长特性及生态环境条件的要求,在其原生或相似的环境中,人为或者自然增加某种群数量,使其资源量达到为人们采集利用并能继续保持群落平衡的一种药材生产方式^[21]。Yan等^[23]对云南三七野生近缘种种质资源进行考察,发现部分三七野生近缘种已濒临灭绝。三七野生抚育是以保持生态群落平衡为前提,以增强三七野生资源量为目标的生产方式,包括: 封禁、人工补种、人工管理、仿野生栽培等。野生抚育需保证栽培环境是分布着目标作物的原生环境或相类似的天然环境,在其基础之上进行野生三七的保护或人工栽培获得仿野生三七,以增加种群密度 (表 2)。野生抚育可提供高品质的道地野生型三七,促进三七产业多样化的可持续发展,利用有效的条件节约用地。

3 三七品质生态学研究

外界环境因子尤其气候条件是影响品质变异的关键因素^[24],不同的产地及水、土、光、热等环境因子,会使得同一物种在生理、生化以及形态上表现出差异,从而影响药材的品质 (表 3)。

3.1 产地与三七品质

云南省是三七传统优质道地产区。学者对道地与非道地产区三七资源品质进行了比较,发现云南产三七皂苷含量比广西高^[25]。Xiao等^[26]对三七文山、马关、砚山、丘北种植区10个群体33个表型性状进行观测,表明三七居群间和居群内多型性明显,表型上存在丰富变异; 马关种植区平均变异系数较小,而砚山种植区变异较大; 根部性状及生物量性状变异相对较大。Qiao等^[27]探讨异地种植三七的可行性,产于云南红河泸西与弥勒的三七,其剪口、主根等的皂苷指纹图谱相似度高,含量均高于文山产三七; 揭示选择适宜环境,加强管理,三七的异地种植是可行的。Zheng等^[28]对三七的文山、砚山、马关、靖西传统产地和昆明、曲靖、红河、玉溪等新产地的经纬度、海拔、土壤类型、地貌以及植株农艺性状指标进行测量和统计分析,结果表明三七传统产区的西部和北部中低山斜坡及缓丘红壤地适合种植三七,其中红河石屏牛街、昆明石林圭山等可作为商品三七的重点引种发展区域。

3.2 气候与三七品质 3.2.1 光与三七品质

光质 光质对三七生长、光合特性及有效成分有显著影响。其中红光利于三七的株高生长,青、黄、紫、蓝光利于三七地下部分生物量积累,蓝、黄光利于三七光合作用,青光利于人参皂苷Rd的积累,黄、青光利于单株三七有效成分总量的增加^[29]。

光强 三七为多年生宿根性喜阴草本植物,光强是影响三七皂苷含量的主导生态因子,三七的生长、产量及病虫害与荫棚的透光率有密切关系。Kuang等^[30]研究了不同透光率对三七生长及皂苷含量的影响,结果显示10% 的透光率是三七生产最佳光照强度,透光率为1.1% 时,各器官生物量显著降低。Cui等^[31]考察了三七在地膜覆盖栽培条件下不同透光率对三七种苗生长的影响,结果表明荫棚透光度以7%～12% 为宜,而透光度为30% 时三七的产量和质量都受到明显影响,植株生长不正常甚至死亡。

光照 光照显著影响三七生长发育,光照时数是影响三七皂苷含量的主导生态因子之一。Jin等^[32]比较了云南文山与广西靖西的气象条件差异,表明文山三七产区的日照时数可达2 015.8 h,日照百分率达46%,明显高于广西三七产区。文山具有低纬高海拔的特点,即日照时数长、气温较低、温度变化平稳、降雨适中等气象条件,有利于三七的生长和有效成分及干物质积累。

3.2.2 热与三七品质

温度是影响三七生长发育、地理分布与品质优劣的必要因素。Feng等^[33]开展了三七有效成分与生态因子的相关性分析,结果表明年温差是影响三七总皂苷的关键因子。年温差11 ℃左右是优质三七产出的适宜气温条件^[34]。

3.2.3 水与三七品质

湿度是影响三七生长的一个重要外部因素。研究表明1月降水量是影响三七总 皂苷的关键因子,降水较多的环境对总皂苷、多糖 和三七素的累积有抑制作用,但利于黄酮的累积^[35]。三七的栽培和生长需要高湿度环境。植株的生根生长要求保持25%～40% 的土壤水分,园内相对湿度达到70%～80%。大棚内湿度保持在80%～95% 的高湿度状态^[36]。

3.3 土壤与三七品质 3.3.1 土壤理化性质与三七品质

不同类型的土壤地质背景种植的三七具有不同的品质特征。火山岩形成的土壤种植的三七总皂苷的含量最高,碳酸盐岩形成的红壤种植的三七总皂苷含量最低,碎屑岩和碳酸盐岩形成的混合型土壤种植的三七总皂苷含量居中。高钾的火山岩类和高稀土的碳酸盐岩类土壤地质背景是形成不同品质特征三七的根本原因,钾和稀土是形成三七不同品质特征的重要元素^[37]。道地三七最适合的土壤类型是中性偏酸性的壤质黏土,对低盐基饱和度的土壤较适应,可作为其道地性的特征之一,中偏酸性土壤种植的三七总皂苷含量高,而碱性土壤种植的三七总皂苷含量低,酸白泥土和粘重土不适合种植三七^{[38, 39]}。

3.3.2 土壤养分肥力与三七品质

N、P、K肥的合理施用是提高三七内在质量的有效措施。Yang等^[40]研究三七不同间隔种植年限土壤中微量元素动态变化规律,结果表明连作不能引起土壤中微量元素养分亏缺,但其造成的土壤微量元素养分比例失衡是产生连作障碍的原因之一。Liu等^[41]对文山州三七种植区不同间隔年限土壤理化性质进行调研,结果表明新土和间隔7年的土壤有效微量元素含量大致相等,三七合理轮作和间隔适当年限能减缓土壤养分比例失调,利于三七的生长。Liu等^[42]分析了三七种植区的土壤肥力特征,认为三七种植区土壤肥力属较高水平,土壤有机质、全磷、有效磷、有效钾、全氮以及碱解氮含量较高; 除有效硼含量偏低外,其他微量元素含量处于中上水平。

3.3.3 土壤有害元素与三七品质

由于地壳原始分化作用和含砷矿开采等原因,三七种植区土壤普遍存在砷等重金属背景值超标与污染,威胁三七的正常生长及品质。Lin等^[43]调查了三七种植区土壤重金属污染状况。结果表明,三七具有较强的Cd富集能力及Cd、Cu转运能力; 三七主根中Cd、Cr、Cu对人体的健康风险与土壤中相应的重金属浓度呈线性正相关。Zhu等^[44]研究了三七土壤中主要污染物积 累以及土壤酶活性和微生物功能多样性,结果表明,随着三七种植年限增加,土壤中重金属Cu、Cr累积量增加,有机氯农药五氯硝基苯及毒死蜱在土壤中也有残留,As、Ni对土壤微生物活性及多样性起主要抑制作用。Zhu等^[45]考察了外源土壤Cd胁迫对三七富集及其药效成分的影响,推算三七GAP种植土壤Cd的安全限量浓度,结果表明,随着土壤Cd浓度的 增加,三七不同部位Cd量均有明显增加,其富集能力为茎 > 根 > 花 > 叶; 三七主要药效成分在土壤Cd为30 mg·kg⁻¹时,含量明显降低。根据中药中重金属Cd的行业限量标准 (0.3 mg·kg⁻¹),由土壤−三七Cd浓度拟合曲线计算出土壤Cd浓度安全限量为0.6 mg·kg⁻¹。Zu等^[46]研究了文山三七种植土壤As空间分布特征及理化性质对三七As含量的影响。研究结果表明壤质黏土、低pH值和阳离子交换量有利于降低三七As含量,三七种植过程中应避免施用含As有机肥和磷肥。Chen等^[47]利用磷 (P) 与As具有相似的结构和理化性质及在土壤中的拮抗效应,控制土壤As危害,降低三七As污染。结果表明三七根部吸收P和As的点位相同; 添加外源P处理可降低三七各部位三价砷和五价砷含量,并降低根对As的吸收富集系数; 其中茎的三价砷的含量均高于五价砷。

讨论

GMPGIS集近50年的1 km × 1 km全球气候栅 格数据及全球土壤数据,对药用植物生长习性具有针对性强、数据库全面、气候数据观测时间长、栅格数据精度高的特点; 在应用上具有操作简单、计算时间短、可根据需求对计算条件优化的优势,能用于指导三七的引种、扩种与生产区划。文中所选326个样点的气候因子数值较为全面的反映了适宜三七生长的主要气候因子阈值,在后续研究中可引入Zhou等^[48]建立的基于遥感技术的三七资源调查方法,对现阶段三七资源状况进行普查,为三七样点选择提供更确切的依据。本研究得到的三七最大生态相似度适宜产区对于引种扩种选址具有重要指导意义,分析结果表明,国内最适栽培区主要集中于云南东南部、广西西北部、贵州西南部,这与现阶段三七的主要栽培区域地理位置相近,符合近年来三七引种扩种趋势,且与Wei等^[49]使用TCMGIS-І系统进行的三七产地适宜性区划结果较为相似,验证了本系统预测结果的准确性; 在三七全球最佳栽培区域方面,中国、美国、巴西最适栽培区面积在全球排名居前,其中中国最适栽培区面积占比最大,亚洲是三七消费的主力市场,中国作为亚洲国家相比其他适宜栽培国家具有明显的区位优势,因此中国仍是未来数年三七全球栽培的主要国家; 随着“一带一路”与“中药现代化”国家战略的实施与推进,三七在国际市场的开拓,可根据本研究中的最大生态相似度主要国家,综合考虑地理位置、劳动力价格、农业生产水平等自然社会和经济因素,对三七的全球栽培区域进行调整与规划。

绿色无公害种植是保障三七资源再生及其产业可持续发展的有效策略。针对三七产业中农残含量高、连作障碍严重的问题,抗逆优质三七品种的种植可有效减少农药的使用量。三七的系统选育和杂交育种是主要的传统育种模式,该模式育种周期长,受环境影响较大,运用分子生物技术可加快三七育种进程^[50]。基于三七样本转录组测序^[51]获得目标基因,筛选与品质、抗逆、抗病害等性状密切连锁的位点,运用分子标记辅助育种培育高品质的三七新品种^{[52, 53]}。在栽培模式方面,应发展三七野生抚育、林下栽培的仿野生模式,大力发展优质无公害三七。

三七是中国特有的珍稀药用植物,其资源品质与生态关系密切,生长环境受地域、气候、土壤等影响。原产地云南省文山州为道地产区,文山三七质优效佳。目前除传统产区外,在昆明、曲靖、红河等地也开拓了三七新产区。从气候因子而言,黄、青光利于三七总皂苷增加,青、黄、紫、蓝光利于根生物量积累; 10% 的透光率是三七生长最佳光照强度。降水多不利于皂苷累积。土壤环境方面,火山岩形成的中性偏酸性的壤质黏土种植出的三七总皂苷含量高; 三七种植区土壤肥力属较高水平,但土壤As、Cd、Cr污染较严重; 添加外源磷素可降低三七三价砷和五价砷含量,并降低根对砷的吸收富集系数。未来应深入研究并阐明各种生态因子产生作用的分子机制,为分子育种与定向选育奠定基础。资源品质与生态相关性研究为三七全球生产适宜种植区布局及保障品质与产量提供重要科学依据。