基于GMPGIS全球变暖情景下人参未来生态适宜产区变化

沈 亮 徐 江 董林林 孟祥霄 张乃嘦 藤原直树 李西文

(1 中国中医科学院中药研究所，北京，100700；2 中国中医科学院博士后科研流动站，北京，100700；3 盛实百草药业有限公司，天津，300301；4 日本国株式会社津村生药研发部，茨城，300-1192)

基于GMPGIS全球变暖情景下人参未来生态适宜产区变化

沈 亮1,2徐 江1董林林1孟祥霄1张乃嘦3藤原直树4李西文1

(1 中国中医科学院中药研究所，北京，100700；2 中国中医科学院博士后科研流动站，北京，100700；3 盛实百草药业有限公司，天津，300301；4 日本国株式会社津村生药研发部，茨城，300-1192)

目的：通过开展未来时期人参全球潜在生态适宜产区分析，为其合理规划生产布局提供科学依据。方法：采用“药用植物全球产地生态适宜性区划信息系统”(Global Geographic Information System for Medicinal Plant，GMPGIS)，以人参本草文献记载的道地产区、野生分布区以及当前主产区人参生态因子数值为依据，对其在全球范围内的潜在生态分布区进行分析。结果：亚洲东部、北美洲中部及东部、欧洲中南部及大洋洲东部地区是当前人参全球范围内的主要适生区域。随着全球气候变暖，在温室气体排放相对较少的A1b模型和排放较多的A2a模型下，2050年人参潜在生态适宜产区面积约为9 500×103km2，比当前产区适宜面积增加了7.05%～7.12%，增长区域主要分布在亚洲东北部和欧洲北部地区；2100年人参适宜产区面积约为10 800×103km2，比当前产区适宜面积增加了22.89%～27.41%，增长区域主要分布在欧洲北部及亚洲中部及东部地区。结论：气温升高有助于人参适宜产区增加，本研究结果可为人参生产布局规划、引种栽培、规模化种植提供科学依据。

人参；GMPGIS；生态适宜性；全球变暖；潜在分布

人参为五加科植物人参PanaxginsengC.A.Mey.的干燥根及根茎，享有“百草之王”之美誉，主要分布在中国东北、朝鲜、韩国、日本、俄罗斯东部等地区，是驰名中外的珍贵药材[1-2]。因药用价值较高，长期掠夺式采挖，导致野生人参资源已濒临枯竭，现已被中国《国家重点保护野生药用动植物名录》收录[3]。目前市场上人参药材主要来源于栽培品。随着我国可用林地面积的逐渐减少，“平地栽参”模式已经成为“伐林栽参”后的主要发展方向[4]。与国外农田栽参技术相比，中国“平地栽参”起步较晚，种植技术还不成熟，盲目进行引种栽培，不仅成活率较低，而且药材产量及质量下降严重，影响临床疗效。《本草经集注》有言“诸药所生，皆有境界”，环境因子改变对药材生长发育及有效成分积累具有重要影响[5]。现阶段开展人参适宜产区分析，对促进人参种植产业健康可持续发展具有重要意义。

随着全球气候变暖对生态环境影响越发明显，对各物种的分布范围影响也不断增加[6]。世界性公益组织气候变化专门委员会(IPCC)《第四次评估报告》(AR4)分析表明，1906—2005年100年的时间内，全球平均气温上升了0.74 ℃。随着全球经济快速发展，温室气体大量排放，2100年全球气温比1990年将上升1.4～5.8 ℃，与此同时，其他环境因子也会随之改变[7]。全球气候变暖可以改变陆地生态系统的结构和功能，使生物栖息地范围与分布区发生变化，促使植物分布向高海拔和高纬度地区迁移[8-10]。在全球温室效应不断加剧情况下，作为传统名贵中药材人参的适宜分布地区变化范围未见报道。王瑀等对我国适宜人参种植的产区进行了分析，结果表明人参适宜产地主要分布在东北地区吉林、辽宁、黑龙江境内、北京与河北的燕山山脉地区、陕西秦岭山区、山西太行山脉等地区[11]。沈亮等2016年采用GMPGIS对世界范围内的人参适宜产区进行分析，结果表明亚洲东部、北美洲东部、欧洲南部及澳洲东南地区适宜人参生长[12]。以上研究均表明，从生态相似性角度，山西长治地区是人参生态适宜产区，符合《本草纲目》记载“人参生上党及辽东”，而事实上由于气候的变化，目前该地区已没有大规模的人参种植面积。究其原因是先前研究以当前气候指标为条件，通过产区预测模型对其在世界范围内的适宜区域进行分析，未涉及全球气候动态变化对其生态适宜性区域的影响。

本研究依据“药用植物全球产地生态适宜性区划信息系统”(Global Geographic Information System for Medicinal Plant，GMPGIS)[12]，提取人参主产区各样点在全球基础地理信息数据库、全球气候因子数据库和土壤数据库的数据，并结合全球气候变化规律，人参全球潜在生态适宜区域进行分析，对未来100年人参潜在生态适宜区域动态变化趋势开展预测。可为人参生产规划布局提供科学理论依据，对其他中药材区划和保护也有借鉴意义。

1 材料与方法

1.1 人参分布数据的收集与处理 本研究在全球范围内分别对中国、韩国、日本、朝鲜及俄罗斯远东地区等人参分布区进行选点。通过实地调研、查阅相关文献及网站，选择人参药材道地产区、主产区及野生分布区的271个样点进行人参产地生态适宜性分析[13-24]。见表1。

1.2 GMPGIS环境因子数据来源 GMPGIS是由中国中医科学院中药研究所于2015年自主研发的药用植物产地预测系统。该系统气候数据主要来源于WorldClim全球气候数据库(WorldClim-global Climate Data)[25]和CliMond全球生物气候学建模数据库(CliMond：Global Climatologies for Bioclimatic Modelling)[26]，土壤数据来源于全球土壤数据库(Harmonized World Soil Database，HWSD)。本研究使用的环境因子数据来自GMPGIS系统数据库，各指标因子如下表所示。见表2。其中全球气候因子数据来自2050年和2100年2种温室气体排放情景模型A1b(能源需求较低)和A2a(能源需求较高)，且该类预测的环境数据会随着时间和环境变化得到逐步更新，能够较好的预测未来气候变化[27]。

1.3 GMPGIS分析方法 通过实地调查、世界植物分布数据库提取及文献调研得到人参分析样点，通过GPS经纬度定位网站(http://www.earthol.com/)，将样点经纬度坐标值求出，将该数据导入GMPGIS系统，提取各样点环境变量，利用欧氏距离法建立预测模型，再根据模型求出人参全球生态适宜产区分布图。其中人参建模及预测分析步骤主要有数据标准化、相似性聚类分析、栅格重分类及得出人参最大生态相似度区域图[12]。采用SPSS 20.0对人参生态因子数值进行单因素方差分析(ANOVA)。

表1 人参全球范围内选点位置及数量

表2 环境变量

2 结果

2.1 GMPGIS生态因子值分析 基于人参全球分布区样点信息，在A1b和A2a模型下，经GMPGIS分析得到2050年及2100年人参主要生长区域生态因子值。见表3。由图可知：除降水因子外，2050年及2100年的其他气候因子与当前产区气候因子相比差异有统计学意义。研究得出适宜人参生长的土壤类型有暗色土、始成土、冲击土、潜育土、有机土、淋溶土等。

2.2 2050年气候变暖情况下人参最大生态相似度区域变化 人参2050年最大生态相似度区域全球分布。见图1、图2。由图可知：人参全球最大生态相似度区域(生态相似度99.9%～100%)主要分布在亚洲的中国、日本、韩国、朝鲜、土耳其等国；欧洲的俄罗斯、法国、意大利、乌克兰、塞尔维亚等国，北美洲的美国、加拿大等国。见图3。考虑2050年气候变暖，于A1b模型时，人参最大生态相似度潜在适宜区域有扩大趋势，其全球适宜面积约为9 578.55×103km2，占全球面积的7.12%，比当前人参适宜产区面积增加了11.09%。见表4。其扩大范围主要分布在亚洲的中国北部地区和欧洲的波兰、法国、德国等国家；其次北美洲美国地区适宜区域略有扩大，主要为美国西海岸地区。于A2a模型时，人参最大生态相似度区域其潜在区域扩大范围较A1b模型时略有减小，其全球适宜面积约为9 486.00×103km2，占全球面积的7.05%，比当前人参适宜产区面积增加了10.02%(表4)，其扩大范围主要分布在中国大兴安岭地区和欧洲适宜产区北部，其次为北美洲美国西部地区，其潜在区域缩小范围主要存在于中国北部与美国西部地区。由图3所知：2种模型下各国家的适宜产区面积较为相似，其中美国、加拿大、中国、俄罗斯、法国等国家适宜人参栽培面积较大，其面积均大于500×103km2。

2.3 2100年气候变暖情况下人参最大生态相似度区域变化 人参2100年最大生态相似度区域全球分布图如图4、图5所示。由图可知：于A1b模型下，2100年人参最大生态相似度潜在区域有进一步扩大趋势，其全球适宜面积约为10 595.47×103km2，占全球面积的7.87%，比当前人参适宜产区面积增加了22.89%。见表4。亚洲地区扩大范围主要位于中国西部与中部地区，欧洲适宜产区扩大范围主要分布在法国、德国、波兰、立陶宛等地，北美洲扩大范围主要位于美国西部与加拿大东南部地区。于A2a模型时，人参最大生态相似度潜在区域扩大范围较A1b模型略有增加，其全球适宜面积约为10 985.41×103km2，占全球面积的8.16%。见表4。比当前人参适宜产区面积增加了27.41%，其扩大范围主要分布在亚洲的中国北部地区和欧洲的北部地区，北美洲的美国西部地区、加拿大南部地区。由图6所知：2种模型下各国家适宜产区面积差异较为明显，A2a模型下的加拿大、中国、俄罗斯及德国等地面积显著大于A1b模型，其中美国、加拿大、中国、俄罗斯等国家适宜人参栽培面积较大，其面积均大于800×103km2。

表3 A1b和A2a能源利用模型下2050和2100年人参生态因子数值范围(n=271)

图1 A1b能源利用模型下2050年人参最大生态相似度区域预测图(n=271)[审图号：GS(2016)1766号]

图2 A2a能源利用模型下2050年人参最大生态相似度区域预测图(n=271)[审图号：GS(2016)1766号]

图3 A1b和A2a模型下2050年不同国家人参适生区变化

图4 A1b能源利用模型下2100年人参最大生态相似度区域预测图(n=271)[审图号：GS(2016)1766号]

图5 A2a能源利用模型下2100年人参最大生态相似度区域预测图(n=271)[审图号：GS(2016)1766号]

3 讨论

随着可用林地资源的不断减少，平地栽参模式已经成为伐林栽参后的主要发展方向。由于农田和撂荒地等平地面积广阔，各地区环境因子差异巨大，开展栽培选地已成为平地栽参种植产业发展的重要环节。沈亮等基于GMPGIS系统得出了当前时期全球范围内适宜人参生长的地区主要包括亚洲东北部、欧洲南部及北美洲东部地区，在此基础上，又制定了农田栽参选地标准[12]，其研究结果可以较好的指导农田栽参产业的发展。随着全球气候不断变暖，生物栖息地范围与分布区也将发生变化，物种分布向高海拔和高纬度地区迁移的现象已在全球范围被观测证实[9-10]，人参是世界上需求量较大的物种，开展人参未来潜在适宜产区分析具有重要意义。本研究在沈亮等人研究基础上，依据2050年和2100年2种温室气体排放情景模型的数据，预测了未来人参生态适宜产区。结果表明人参生态适宜产区主要分布在亚洲东北部、欧洲南部及北美洲东部地区，这些适宜区域对未来人参平地规模化种植、引种栽培及未来资源保护提供科学依据。同时本研究预测区域覆盖了目前已知人参主要分布区[13-24,28]，这进一步说明GMPGIS模型预测结果的准确性，在未来产区种植区划中具有较好指导作用。

图6 A1b和A2a模型下2100年不同国家人参适生区变化

表4 基于GMPGIS不同时间下人参全球生态适宜产区的预测面积及比例

注:%代表预测产区占全球土壤面积的比例(×103km2)

通过GMPGIS分析，本研究首次预测了未来人参适生区域向北移动的变化趋势。与当前人参适宜产区面积相比，2100年人参适宜产区增长了22.89%～27.41%[12]。人参适宜生境范围由当前适宜区域逐步向欧洲北部、亚洲东北部兴安岭等北部地区移动。据前期调查得知，随着气候变暖，兴安岭地区近年来已开展人参栽培种植，并且长势良好，这也证明了本研究预测结果的可靠性。气温升高导致人参适宜产区北移，说明低温可能是限制人参适宜产区变化的重要因子，这与徐克章得出温度是影响人参光合作用的重要因子结论较为相似[29]。因此，人参在栽培种植过程中，合理调节温度变化幅度，可以有效促进人参生长发育。另外，温度上升易导致人参根腐病、锈腐病等病虫害的频繁发生[30]，未来人参种植产业发展中需要注意加强防治，培育抗病虫害新品种是未来人参栽培产业发展重点。

人参是连作障碍比较严重的药用植物，其种植后的老参地通常需要30年左右时间进行修复才能再度进行栽培利用。本研究得出气候变暖可以增加人参生态适宜产区面积，研究结果有利于未来人参的栽培选地。除气候因素外，影响物种分布的因素还有很多。如未来几十年间物种进化而带来的其对环境因子适应性改变、人参病虫害种类变化、人类活动范围及排放的温室气体变化等因素均对物种分布产生一定影响，其他影响人参产区分布的因素在后续研究中还需进一步进行深入分析。

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(2017-04-10收稿 责任编辑：徐颖)

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

国家中药标准化项目(编号：ZYBZH-Y-TJ-43)；中国博士后基金项目(编号：2017M611130)

沈亮，博士，助理研究员，从事药用植物栽培与产区适宜性分析研究，E-mail：shenliang08@126.com

李西文，博士，副研究员，主要从事药用植物栽培与鉴定研究，Tel：(010)57203877，E-mail：xwli@icmm.ac.cn

[R282.2]

A

10.3969/j.issn.1673-7202.2017.05.003