崔欣萍,閆濱濱,張小波,彭政,2,郭秀芝,孫嘉惠,詹志來,楊洪軍,張燕*,郭蘭萍*
1.中國中醫(yī)科學院 中藥資源中心 道地藥材國家重點實驗室培育基地,北京 100700;2.湖北中醫(yī)藥大學 中藥資源與中藥化學湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430065;3.中國中醫(yī)科學院 中藥研究所,北京 100700
杜仲Eucommia ulmoidesOliv.又名思仙、木棉、思仲、綿綿、石思仙、絲連皮等,是杜仲科杜仲屬僅存的第三紀孑遺植物,為我國特有的珍稀瀕危第二類保護植物[1]。杜仲自古以來都是名貴滋補藥材,藥用價值極高,最早記載于《神農本草經(jīng)》[2]。杜仲味甘,性溫,歸肝、腎經(jīng),干燥樹皮入藥,具有補肝腎、強筋骨、安胎功效,可用于肝腎不足、腰膝酸痛、筋骨無力、頭暈目眩、妊娠漏血、胎動不安[3]。此外,杜仲是我國重要的戰(zhàn)略資源,在食品開發(fā)、制膠工業(yè)、家具用材、城鄉(xiāng)綠化、綠色飼料等方面顯示出巨大的應用價值和開發(fā)潛力[4]。
近年來,杜仲的藥用保健價值及杜仲膠的工業(yè)價值受到社會各界的廣泛關注,需求量逐年攀升。目前,杜仲被列入四大緊缺??厮幉闹籟5]。2016 年,《全國杜仲產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2030 年)》(以下簡稱《規(guī)劃》)正式發(fā)布和實施,標志著我國杜仲產(chǎn)業(yè)發(fā)展進入快車道,這將大力推動杜仲產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展。原國家林業(yè)局根據(jù)我國杜仲產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和潛力,在《規(guī)劃》中提出“2030 年建成5000 萬畝杜仲良 種高效栽培產(chǎn)業(yè)基地”(1 畝≈666.67 m2)的目標[6]。
杜仲屬落葉喬木,生長周期長,種植15~20 年后方可達到藥用采收標準,其產(chǎn)區(qū)空間未得到充分利用。此外,杜仲立地環(huán)境復雜,栽培過程中存在土壤管理措施不完善、栽培地土壤肥力下降等問題,造成土壤資源浪費。建議發(fā)展杜仲生態(tài)種植時,應充分考慮社會、經(jīng)濟、生態(tài)效益,注重農、林、牧、副、漁綜合發(fā)展,結合其產(chǎn)區(qū)本身自然條件,因地制宜開展間作、套作,發(fā)展杜仲林下經(jīng)濟,實現(xiàn)杜仲產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[7]。本文對此進行梳理總結,以期為杜仲生態(tài)種植及產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。
對杜仲自然生境的了解有助于更好地了解其生長特性,為人工栽培奠定基礎。研究人員近年來發(fā)現(xiàn)一批“先鋒植物”[8],杜仲是其中一員。“先鋒植物”表現(xiàn)出三大特點,即喜鈣性、旱生性、巖生性,能夠在嚴重缺乏土壤和水分的石漠化地區(qū)生長,具有極頑強的生命力。由此可見,杜仲對生長環(huán)境有極強的適應性。在自然狀態(tài)下,其生長于海拔300~500 m 的低山、谷地或低坡的疏林里[9]。地理信息系統(tǒng)(GIS)空間分析功能顯示,海拔300~1800 m 均有杜仲分布[10]。適宜杜仲生長的年均溫度在12~18 ℃。目前已報道數(shù)據(jù)顯示,其最低耐受溫度為–30 ℃,最高耐受溫度為40 ℃[11];年均日照強度為130~160 W·m–2;年均相對濕度為60%~80%,年均降水量為1000~1500 mm。杜仲對土壤的選擇性并不高,在瘠薄的紅土或巖石峭壁均能生長,最適宜生長在砂質土壤和含腐殖質較多的土壤和石灰?guī)r山地,土壤pH為4.5~8.0。
杜仲對環(huán)境有極強的適應性,分布范圍也比較廣泛。作為我國特有的經(jīng)濟物種,其原產(chǎn)于我國西南諸省山區(qū),天然分布中心在秦嶺以南山地、四川、貴州、湖北、湖南、陜西、甘肅、云南、廣西、廣東、河南、浙江、安徽、江西等地[12]。根據(jù)自然地理特點、其經(jīng)濟性狀和形態(tài)特點上的差異,陳品良等[13]劃分了7 個杜仲主要分布區(qū),分別是秦巴山區(qū),大婁山區(qū),鄂西山區(qū),武陵山區(qū),伏牛山-桐柏山-大別山區(qū),浙、贛、皖交界山區(qū)和南嶺山區(qū)。鄧陽川等[14]通過藥用植物全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性區(qū)劃信息系統(tǒng)(GMPGIS)分析認為,杜仲在中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域包括華東、東南沿海、華中、華南、西南、西藏藏南和臺灣東部等18 個地區(qū)。根據(jù)杜仲野生分布及基于GMPGIS 的生態(tài)適宜性區(qū)域信息,結合杜仲的生物學特性、土地條件、栽培歷史及習慣等,建議規(guī)范化種植基地選在貴州、湖南、四川、湖北、陜西、河南、重慶、甘肅、安徽、江西等地[15]。
隨著杜仲產(chǎn)品的不斷開發(fā),傳統(tǒng)藥用栽培模式已不能滿足市場需求。目前,各地根據(jù)立地條件、栽培目的不同,發(fā)展出主產(chǎn)杜仲皮、果、花、葉4種不同的栽培模式,分為藥用栽培模式、果園化栽培模式、杜仲雄花栽培模式和杜仲葉用栽培模式(表1)。
表1 杜仲現(xiàn)有栽培模式
生態(tài)種植是在“整體、協(xié)調、循環(huán)、再生”原理指導下,結合系統(tǒng)工程方法設計,綜合考慮社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益,充分應用能量多級利用和物質循環(huán)再生,最后實現(xiàn)生態(tài)與經(jīng)濟良性循環(huán)[21]。利用生態(tài)種植原理和技術,對杜仲種植模式進行優(yōu)化,提高其種植的產(chǎn)量和綜合效益,對促進杜仲產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
發(fā)展杜仲復合種植是對傳統(tǒng)杜仲種植模式的優(yōu)化,將杜仲與其他藥用植物或農作物進行間作、套作、混作及立體種植等復合種植,以生態(tài)位原理為實踐基礎,充分利用土地、光、水分、養(yǎng)分等自然資源[22],提高杜仲林下資源利用率,實現(xiàn)一地多用、一地多收。此外,杜仲生長周期長、產(chǎn)業(yè)投入大,開展復合種植可以實現(xiàn)“以短養(yǎng)長”,提高種植經(jīng)濟效益。根據(jù)杜仲的生長特性,可以從以下角度與其他植物開展復合種植。
3.1.1 根據(jù)杜仲的樹齡及樹形大小 杜仲一般2~3年形成樹冠,在幼林期,遮陰度較小[23],可套種一些喜氣候溫和、光照充足、空氣濕潤的中藥材(如丹參、蒼術等[24-25]);在成齡階段,杜仲會長大,形成較為蔭蔽的環(huán)境,可種植一些喜陰的中藥材(如半夏[26]等);對于生長20 年以上的老齡杜仲林來說,林內蔭蔽的環(huán)境能夠為喜濕、喜弱光、怕干旱、怕曝曬的植物(如黃連[27]、重樓[28]等)提供天然的生長條件,可開展林下栽培。
3.1.2 根據(jù)杜仲不同產(chǎn)區(qū)的環(huán)境特性 杜仲對環(huán)境的適應性強,分布地區(qū)廣泛,在杜仲產(chǎn)區(qū)引種道地藥材或適宜在產(chǎn)區(qū)環(huán)境下生長的藥材。例如,在氣溫較低的北方杜仲園引種耐寒的藥材;在溫暖濕潤的南方引種淫羊藿等;在山區(qū)開展復合種植模式(辛夷+厚樸+杜仲)可避免水土流失,保證土地得以長期覆蓋,維護森林生態(tài)環(huán)境[29]。
3.1.3 根據(jù)杜仲與其他植物間的化感作用 植物化感作用(allelopathy)是指一種由植物產(chǎn)生并以揮發(fā)、淋溶、分泌和分解等方式向環(huán)境釋放化學物質而影響臨近伴生植物生長發(fā)育的現(xiàn)象[30]。這種作用有相生相克的兩面性,既有互助有益的一面,也有抑制的一面[31]。杜仲林下引入其他植物產(chǎn)生的物種競爭效應會刺激化感物質的產(chǎn)生和釋放[32]。杜仲作為木本植物,生長周期長,受到園林內其他植物影響產(chǎn)生的化感物質更多,相較于單純草本植物之間的化感影響可能更加豐富和強烈[33]。因此,從植物化感作用角度來看,杜仲園區(qū)內開展生態(tài)復合種植對植物品種要求更加嚴格。若選擇植物類型不合理,受化感作用影響可能抑制作物生長。田楠等[34-35]選擇杜仲等12 種樹木枯落葉分解小麥和玉米種子發(fā)芽和幼苗生長的化感效應,結果顯示,杜仲對小麥發(fā)芽和生長起到高濃度促進、低濃度抑制的作用;對玉米來說,杜仲枯落葉對玉米的綜合化感效應在各濃度下均表現(xiàn)為抑制作用,不建議杜仲與玉米進行間作。相較于作物,中藥材生態(tài)種植不僅關注安全和產(chǎn)量,更重要的是關注其對中藥材有效成分(次生代謝產(chǎn)物)的影響[36]。開展杜仲復合種植需要在今后加強系統(tǒng)中化感作用的研究,優(yōu)化其生產(chǎn)實踐中的復合種植模式。
采收加工是杜仲生態(tài)種植過程中的重要環(huán)節(jié)。杜仲皮多在春末夏初采收為宜,此時植物生長活躍,其體內汁液營養(yǎng)充分,皮部容易從木質部剝離下來。同時,剝離后的部位容易形成愈傷組織,再生新皮,且此時皮部有效成分含量也高。通過探究杜仲有效成分(如綠原酸、松脂醇二葡萄糖苷等)的含量或表型特征確定杜仲皮的最佳采收時間為4—6 月[37-38],杜仲葉的采收集中在4月或7—8月[39-41]。與《中華人民共和國藥典》2020 年版規(guī)定的“4—6 月剝取樹皮;夏、秋兩季枝葉茂盛時采收葉片”[3]相符。杜仲雄花花期較短,大約1~2 周,通過對不同時期杜仲雄花的形態(tài)特性及對總黃酮、綠原酸和活性成分總量進行比較,發(fā)現(xiàn)盛花期杜仲雄花的品質較好且產(chǎn)量高,采收時要把握好這段時期。
杜仲皮生長緩慢,周期長,一般要10 年以上才能利用。傳統(tǒng)的采收方式主要靠砍樹剝皮,使資源受到極大破壞,砍樹剝皮與林業(yè)、生態(tài)環(huán)境保護產(chǎn)生了矛盾,因此提倡剝皮再生技術[42]。剝皮一般選擇雨后陰天為佳,選擇生長旺盛、枝葉繁茂、無病蟲害的植株剝皮,剝皮方法主要分為環(huán)剝再生法和側剝再生法[43-44]。杜仲葉和杜仲雄花采收時一般采用摘取法或割取法。目前,已有中藥材開始采用機械采收,如采用切割式采葉機械作業(yè)進行大面積銀杏葉的采收。建議借鑒已實現(xiàn)機械化采收的植物品種,推進杜仲的機械化采收進程,提高效率。
杜仲采收后需要經(jīng)過產(chǎn)地初加工,以保證產(chǎn)品質量,便于保存、運輸、再加工[45]。采收后應首先刮去粗皮,除去霉變、蟲蛀及非應用部分,以及石塊、泥沙、灰屑等雜質。干燥是杜仲采后加工的重要環(huán)節(jié),直接影響產(chǎn)品質量及后續(xù)的深加工效果。目前,生產(chǎn)中采用的干燥方法主要有自然晾曬、烘房烘干、微波干燥、紅外干燥等,若想得到較高品質或高附加值的產(chǎn)品也可采用真空冷凍干燥、真空脈動干燥等技術[46-47]。
循環(huán)模式是在生態(tài)系統(tǒng)層次提煉出的,根據(jù)中藥材及其非藥用部位在生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動和物質循環(huán)規(guī)律,構建物質及能量良性循環(huán)的中藥材生態(tài)種植體系,使系統(tǒng)中的物質資源多次循環(huán)利用,從而提高能量的轉換率和資源利用率,保證生產(chǎn)體系的高效循環(huán)和有效產(chǎn)出[48]。
杜仲被譽為“植物黃金”[5],其皮、葉、花、果、種子均可利用。杜仲多產(chǎn)業(yè)綜合開發(fā)是實現(xiàn)杜仲資源利用最大化的必要環(huán)節(jié)。
在醫(yī)療方面,杜仲以干燥樹皮和葉入藥[3]。近年來,為了擴大杜仲藥用資源,研究人員相繼開展了杜仲雄花、種子等部位的藥理研究,已從杜仲皮、葉、花和果實中提取獲得木脂素類、環(huán)烯醚萜類、黃酮類等上百種化學成分[49-50],具有抗氧化、緩解疲勞、抗骨質疏松、提高免疫力、降血壓、降血糖、調血脂、保護心腦血管等多種藥理作用[51-53]。在養(yǎng)殖方面,自2012 年6 月起,杜仲(樹皮)和杜仲葉被收入《飼料原料目錄》,可用于加工制作飼料[54]。將杜仲及其提取物添加到家禽、家畜的飼料中,不僅能預防疾病的發(fā)生、減少預防用藥、增加食用安全性,還能提高食用品質、增強口感[55-57]。在食品保健方面,2020 年4 月,國家衛(wèi)生健康委員會公布了《關于征求將黨參等9 種物質作為按照傳統(tǒng)既是食品又是中藥材物質管理意見的函》(國衛(wèi)辦食品函〔2018〕278 號)[58],杜仲葉作為9 種物質之一被列入其中?;诖?,杜仲可作為食品加工原料,也可制成多種保健食品[59-61]。在工業(yè)方面,杜仲的果、葉、皮和種子中均含有豐富的杜仲膠。杜仲是世界上除了三葉橡膠以外唯一具有巨大開發(fā)前景的優(yōu)質天然橡膠資源[62],可應用于汽車工業(yè)、高鐵、通訊、醫(yī)療、電力、水利、建筑、運動競技等領域[5]。此外,在生態(tài)綠化方面,杜仲樹形高大,觀賞及涵養(yǎng)水土的效果俱佳,是公園綠化、生態(tài)改良的優(yōu)選樹種[5]。
從資源經(jīng)濟學角度看,中藥廢棄物是某種物質和能量的載體,是一種可轉化的、有待開發(fā)的資源。中藥廢棄物的資源化利用既是中藥資源化學研究思想的具體體現(xiàn),又是中藥資源領域實現(xiàn)資源節(jié)約、循環(huán)利用、提升利用效率的重要內容之一。以杜仲種植為出發(fā)點,遵循“減量化、再利用、資源化”原則[63],統(tǒng)籌兼顧,因地制宜,使林、藥、牧、副、漁各產(chǎn)業(yè)有機結合,實現(xiàn)杜仲資源的多途徑、多層次利用是今后杜仲產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢[64]。
杜仲資源廢棄物產(chǎn)業(yè)鏈較長,依據(jù)其產(chǎn)生的不同階段可大致分為1)種植過程中產(chǎn)生的廢棄物,包括因間苗、疏枝、疏果產(chǎn)生的廢棄植株、枝條葉、花、果等;2)產(chǎn)地初加工產(chǎn)生的廢棄物,包括因去除非藥用或非應用部位產(chǎn)生的大量廢棄栓皮、果核、木心等;3)產(chǎn)業(yè)深加工過程中產(chǎn)生的廢棄物,包括產(chǎn)生的藥渣及其他液態(tài)、氣態(tài)廢棄物[65]。
研究人員針對上述過程產(chǎn)生的廢棄物開展了大量研究,將其轉化成資源性產(chǎn)品。一方面,杜仲的非藥用部位及藥渣中含有豐富的粗質纖維、蛋白質及多種微量元素,將其進行簡單的加工處理就可制成各類優(yōu)質肥料、食用菌培養(yǎng)基、飼料添加劑或營養(yǎng)補充劑[66]。黃文豪等[67]將修剪下來的杜仲枝葉作為食用菌培養(yǎng)基,成功培育出口感鮮美、營養(yǎng)成分豐富的香菇;張昌偉等[68]利用杜仲葉渣進行固態(tài)發(fā)酵,成功制備出有機肥料,且毒性試驗證明杜仲葉渣制備的有機肥不僅無毒,還能提高種子的發(fā)芽率;在杜仲葉渣中添加棉籽殼、麩皮等輔料后,平菇菌絲生長旺盛,子實體品質、產(chǎn)量與純棉籽殼生產(chǎn)的平菇品質、產(chǎn)量接近,完全可以作為平菇生產(chǎn)原料[69]。另一方面,袁琳等[70]提出林業(yè)產(chǎn)生的木屑、樹皮,中藥加工產(chǎn)生的藥渣、廢枝葉等都可以作為廢棄植物纖維資源進行開發(fā),杜仲枝、葉及藥渣含有大量纖維素,并且杜仲與其他造紙原料相比具有纖維氣孔多、易于漂白等優(yōu)點,是制漿造紙工業(yè)的理想原料;陳昌洲等[71]以杜仲枝葉為原料發(fā)明出一種制備高白度紙漿的方法,已申請專利。此外,利用現(xiàn)代生物技術將杜仲副產(chǎn)品轉化為高附加值資源性物質也是一種新的開發(fā)角度。李銀環(huán)等[72]從杜仲廢棄的綠色葉片、嫩枝、種子和杜仲皮中提取得到杜仲精油,并利用其中間產(chǎn)物結合杜仲栽培中產(chǎn)生的廢棄生物質制備出具有保健作用的活性炭,實現(xiàn)了杜仲高效增值循環(huán)利用。
綜上所述,杜仲資源全產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的不同類型廢棄物及副產(chǎn)物具有開發(fā)利用價值。未來,應基于循環(huán)經(jīng)濟理論,開闊思路,運用適宜技術繼續(xù)開發(fā)杜仲健康產(chǎn)品,推動我國杜仲產(chǎn)業(yè)副產(chǎn)品資源化事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
在杜仲生態(tài)種植過程中,種子來源多基于少數(shù)幾個品種,大面積種源單一,遺傳背景狹窄,遺傳變異流失。目前,我國95%以上面積的杜仲林采用傳統(tǒng)藥用林栽培模式[73]。此外,我國杜仲良種利用率低,種苗質量良莠不齊,生長分化嚴重,生產(chǎn)力不高,這與杜仲產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展形成極大反差[74]。因此,加快杜仲生物育種,選育優(yōu)質、高產(chǎn)、抗逆性強、適應性廣的杜仲良種迫在眉睫。當前,杜仲已選育出“華仲1~5號”“秦仲1~4號”等優(yōu)質、高產(chǎn)、速生的藥用良種,針對杜仲雄花開發(fā)的“華仲11號”,適合果園化開發(fā)及工業(yè)用膠的品種“華仲6~10號”“大果1 號”。另外,多種分子生物技術也陸續(xù)應用到杜仲的良種選育研究中。利用性別相關分子標記鑒別杜仲幼苗時期雌雄性別,合理布置栽培苗區(qū),解決杜仲雌雄異株、自然狀態(tài)下難以受精產(chǎn)生后代的問題[75];通過功能基因驗證闡釋杜仲各活性成分的生物合成途徑[76-77]。
建議今后將現(xiàn)代分子生物技術與傳統(tǒng)育種技術更加成熟地結合,并根據(jù)不同育種目標,選育出具有廣闊市場前景的優(yōu)良品種,如選育有效成分含量高的藥用杜仲;培育杜仲膠含量較高的膠用杜仲,并優(yōu)化杜仲膠的采收加工工藝;培養(yǎng)主干高大的綠化用杜仲;根據(jù)飼料生產(chǎn)的要求,選育能夠優(yōu)化口感、提高家畜產(chǎn)量的飼料用杜仲。此外,不同地區(qū)可以根據(jù)自身環(huán)境特性選育抗性品種,一些海拔較高的地區(qū)可選抗寒能力較強的品種,鹽堿地可選抗鹽堿品種。在此過程中要注意知識產(chǎn)權保護。建議政府及相關企業(yè)支持杜仲良種選育研究,對符合條件的杜仲資源培育給予造林和撫育補貼、工程造林項目資金補助。
杜仲生長緩慢,生產(chǎn)周期長,整個種植過程面臨許多技術難題。如何根據(jù)種植目標產(chǎn)品,通過有效的人工栽培管理措施保障其產(chǎn)量尤為關鍵。建議今后開展杜仲栽培區(qū)土壤地力狀況及病、蟲、草害發(fā)生情況調查,了解栽培人員在種植管理中有關杜仲品種選用、間套作模式、種植管理方法、株行距、修剪、肥料使用、排灌水、病蟲害綜合防治、杜仲藥材產(chǎn)量及杜仲膠含量等情況,為杜仲人工栽培提供研究基礎。針對杜仲主產(chǎn)區(qū)的生態(tài)條件、土壤肥力狀況及養(yǎng)分供應情況,明確杜仲生長發(fā)育、養(yǎng)分吸收及品質形成規(guī)律,制定養(yǎng)分調控措施和肥料限量指標;研究杜仲病、蟲、草害發(fā)生發(fā)展規(guī)律,根據(jù)杜仲生長規(guī)律及病、蟲、草害發(fā)生發(fā)展規(guī)律確定合理的綜合防治措施,通過選育抗性品種培育壯苗、科學施肥、加強田間管理等措施,綜合利用農業(yè)、物理及生物防治,將有害生物控制在允許范圍內。
在開展杜仲生態(tài)種植過程中,要開展不同種植模式對杜仲及其配套藥用植物生長、產(chǎn)量、品質、病蟲害防治的影響,并對不同模式下產(chǎn)生的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益進行評價,挖掘其生態(tài)種植模式背后的生態(tài)機制和科學問題,為其他品種提供可參考案例。
雖然,目前以杜仲為原材料開發(fā)的功能性產(chǎn)品品種眾多,應用范圍也較廣,但總體而言,杜仲的開發(fā)利用還處于初級階段,產(chǎn)品研發(fā)還未成規(guī)模,產(chǎn)品質量不高,綜合資源利用率偏低,市場反應也并不突出。對此建議:1)根據(jù)市場需求進行產(chǎn)品開發(fā),推進杜仲產(chǎn)品品牌建設,積極引導、支持企業(yè)做好市場開拓和品牌建設工作,加快自主品牌發(fā)展,不斷提升產(chǎn)業(yè)整體競爭力,打造一批在國內外享有盛譽的杜仲產(chǎn)品品牌;2)充分發(fā)揮國家林業(yè)和草原局杜仲工程技術研究中心的作用,將科研開發(fā)研究和企業(yè)生產(chǎn)活動相結合,保障國家政策資金運轉合理、有序、合法[78];3)建立杜仲生態(tài)種植示范區(qū),同時,加大對人才的引進和培養(yǎng),各研究團隊之間開展學術技術交流與合作,互相借鑒,共同攻克技術難題[79]。之后,通過技術培訓、開展對比試驗和田間調查,評價實施效果,構建“政府+科研+推廣+企業(yè)+農戶”推廣模式并進行示范應用,形成政府、科研機構、高校、企業(yè)、金融機構等主體在內的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略聯(lián)盟及相互之間的良性互動,實現(xiàn)杜仲產(chǎn)業(yè)資源合理配置、有效集成和充分利用[80]。