三七连作障碍形成机制及优质生产技术

第1章绪论 中医凝聚着中华民族几千年的健康养生理念及其实践经验，是中华文明的瑰宝。新中国成立以来，我国中医药事业取得显著成就，为提高人民健康水平做出了重要贡献。习近平总书记强调，要遵循中医药发展规律，传承精华，守正创新，加快推进中医药现代化、产业化，坚持中西医并重，推动中医药和西医药相互补充、协调发展，推动中医药事业和产业高质量发展，推动中医药走向世界，充分发挥中医药防病治病的独*优势和作用，为建设健康中国、实现中华民族伟大复兴的中国梦贡献力量。 优质安全是中药材产业高质量发展的关键问题。中药材产业是国家医药产业的重要组成部分，在经济社会发展全局中具有重大意义。近年来，国家中药材产业发展十分迅猛，据不完全统计，2018年全国中药材种植面积约5406万亩。但是中药材面临品质下降、供应短缺两大难题，特别是优质中药材供应短缺。2019年，《中共中央国务院关于促进中医药传承创新发展的意见》也明确提出了“中药材质量良莠不齐”。中药材是中医药发展的物质基础，只有提供高质量的中药材，才能保证临床用药的有效和安全。因此，生产优质安全的中药材成为中医药产业高质量发展的关键问题。 千百年来药材采挖自深山老林，药效高、药力足，但随着药材需求暴涨，野生药材挖掘殆尽，人工农田栽培模式被广泛采用。长期以来，药材驯化、育种、栽培等取得了卓越成就，然而与农作物相比差距甚大，加之浮躁逐利，存在诸多难题：①生物医药和大健康产品原料绿色发展需求日益迫切，参照传统大田农作物集约化栽培模式生产的中药材原料，其品质有效性和安全性受到社会广泛质疑；②中药材连作障碍严重，另辟新地或毁林开荒种植中药材，不仅严重影响生态环境，而且很多地区因连作障碍中药材面临无地可种的严重局面。引起中药材种植系列重大难题的核心原因是药材种植照搬农业高产模式。现代的农作物品种经上千年遗传改造已经适应配套的高产模式。然而，中药材对病虫害抗性、耐肥品种的选育与农作物相比差距甚远，加之追求高产大肥大水，病虫害严重，农药过量及农残超标问题突出。由于药材农田高产栽培，尤其是化肥、膨大素等化学制品的过量使用，高产与药效呈负相关，高产低质普遍存在。因此，遵循中药材生长发育特性，研发适宜中药材生态种植的绿色模式是保障药效、确保中医健康发展的关键。 1.1中药材产业发展现状 我国中药材的种植有着悠久的历史和深厚的基础。尤其在近30年，随着人们生活质量的提高和健康意识的不断增强，国内外对中药材的需求快速上升，全国药材种植面积也快速扩张，在栽培技术、药材品种、生产方式、规模等方面有了长足的进步。目前，人工种植的药材已占常用药材的三分之一以上。根据国家对中药产业的定位，2020年中医药产业体量已达到3万亿～4万亿，且预计每年将以20%左右的增速发展。据第三次中药资源普查统计，我国中药资源共12807种，其中药用植物11146种，药用动物1581种，药用矿物80种。根据《全国道地药材生产基地建设规划（2018—2025年）》，我国常用中药材600多种，其中300多种已实现人工种养。到2025年，仅全国道地药材生产基地总面积就有2500万亩以上。根据各省（自治区、直辖市）“十三五”规划，2020年全国已有规划面积达7478.5万亩，其中云南2020年规划药材种植面积达1000万亩，贵州达700万亩，陕西、湖南和河南达500万亩。据可统计的19省（自治区、直辖市）中药产值，2020年规划达千亿元的省份就包括吉林、河南、安徽、浙江、江西、云南、湖南和广东。中药材种植业的发展，不仅能促进地方经济发展、改善生态环境，还能促进中医药事业可持续发展。　　 1.2中药材生产面临的问题 近年来我国中药材的种植面积有了大幅度的增加，产业规模也迅速扩大，但药材资源的利用率较低，市场对中药材需求的缺口仍然很大。另外，由于种植规模的迅速扩大，加之不合理的栽培管理，中药材生产面临一系列问题。 1.2.1中药材规模化种植导致连作障碍严重发生 连作障碍是指在同一块土地中连续栽培同科或同种作物时，即使在正常的栽培管理条件下，也会出现生长势变弱、产量降低、品质下降、病虫害加重的现象（张重义和林文雄，2009）。连作障碍是许多作物生长中的常见现象，也是现代集约农业生产中面临的主要问题之一。常见的粮食作物、园艺作物、瓜果蔬菜，包括小麦、玉米、高粱、大豆、西瓜、黄瓜、草莓、马铃薯、花生等均存在连作障碍（Ogweno　and　Yu，2006）。同样果树、咖啡、茶树等的种植中也存在连作障碍问题（Chou　and　Waller，1980；Rice，1984；Caboun，2005；Canals　et　al.，2005）。连作障碍在药用植物栽培中也是常见的现象，如苍术、地黄、人参、三七、太子参、黄连、当归等（张重义和林文雄，2009）。随着药用植物规范化栽培的推进及种植面积不断扩大，连作障碍已经成为药用植物栽培过程中面临的主要技术瓶颈。 随着市场对中药材需求量的不断增加，中药材连年大面积单一种植的问题更加明显，连作障碍已严重影响中药材的产量和品质。目前生产中主要通过农药施用和轮作来缓解连作障碍，但农药的大量使用不但成本高，而且减轻连作障碍效果不明显，反而导致严重的农药残留和重金属超标等药品安全问题。随着市场对中药材需求量的不断增加和新垦地的减少，种植逐渐从道地产区向非道地产区转移，严重影响药材的道地性和原产地保护。因此，深入研究中药材连作障碍的形成机制及缓解技术是确保药用植物安全生产的关键。 传统药材生长于深山老林和荒郊野外，很少见病虫害暴发危害。但由于市场的巨大需求，农民开始大规模地利用农田集中种植中药材。尤其为了追求产量而采用高密度、单一品种大面积种植及大肥大水的管理方式，导致病虫害发生越来越严重。为了防治病虫害，农民不合理地大量使用农药，尤其是一些禁用农药的违规及不科学使用，导致中药材生产中农药残留严重超标，严重影响着中药材的质量。究其原因，中药材种植病虫害高发是由于大面积单一种植导致农田生物多样性降低。 1.2.3盲目追求高产的栽培方式导致药材质量不佳、药效降低 中药材种植多为农民自发种植，缺乏统一管理，也缺乏统一的技术指导。因此，药农在实际种植过程中常利用其他作物的栽培经验来种植中药材，一味追求产量，导致很多中药材虽然长势很好，产量很高，但药效降低。另外，我国中药材的种植较为分散，没有较大的规模，难以形成统一的市场，多数仍然是以家庭为单位的小面积种植。因此，在中药材选种和育苗上，很多都是处于原始和自然收集状态，种苗的质量不佳，直接导致生产的药材质量降低。同时，缺乏统一管理和技术指导，药材繁殖方式多种多样，如利用茎叶、种子、根茎等，这种多样化的无性繁殖方式也是导致中药材质量下降的重要原因。 1.2.4中药材不规范种植导致污染加重、安全性降低　　中药材生产过程中面临着农药污染、重金属污染、环境污染等一系列问题。这些污染严重影响中药材的安全性。农药的使用在给农业和生产者带来巨大利润的同时，也带来很多负面影响。例如，农药的长期广泛使用使作物病虫害的抗药性增强，一些益虫益鸟数量减少，土壤中有益菌群遭到抑制，破坏了自然界的生态平衡。更重要的是农药的残留直接威胁到人类的健康。中药材作为一类经济作物，除一些小品种来源于野生外，其中的大品种和一些野生资源枯竭的品种都是通过种植获得的，所以农药残留问题同样存在。一些地区为提高药材产量，大量使用农药，致使药材农药残留量过高。 中药材农药污染主要来源于以下几种途径。一是药材生产的环境受到污染。药材生长的土壤、水源、大气等的污染是一些高残留性农药污染的主要来源。例如，六六六、滴滴涕在20世纪70年代就被禁用并停止生产，但许多样品中都有检出，这都是药材植株从环境中摄取的。二是药材种植过程中不合理用药及大量滥用农药。三是采收、加工、贮存、运输过程中的污染。例如，用农药、化肥的包装袋来包装药材，运输农药、化肥的车辆未经彻底清洁就运输药材；为防止生虫变质，用农药对库存药材进行熏蒸；药材炮制过程中辅料引入污染等。目前，很多剧毒农药已被我国相关部门明确禁用，即使是一些没有禁用的农药，在使用剂量上相关部门也给予了明确的规定，尤其是对于无公害作物的农药使用量的规定更加严格。但即便如此，在一些病虫害防治技术较为落后的地方，农药的使用剂量仍然难以控制。同时，很多农民为了提高经济效益，常常私自加大农药的使用剂量，严重违背了中药材生产的标准限定，导致出现农药残留超标、药性降低的现象。中药材农药残留污染问题非常普遍，但只被消费者和出口商所重视，而在作为主要污染途径的种植环节却未得到真正重视。 重金属，尤其以铅（Pb）、镉（Cd）、砷①（As）、汞（Hg）、铜（Cu）对人体的危害*大，会造成神经系统、消化系统、造血系统、肝肾功能的损伤，影响细胞的正常代谢。因此，2015版《中华人民共和国药典》规定重金属的检测必须包括Pb、Hg、Cd、As和Cu等。郭兰萍等以《中医药——中药材重金属限量》ISO国际标准为依据，分析了中药材中Pb、As、Cd、Hg四种重金属元素的污染情况，发现超标率分别为3.46%、4.03%、2.91%和1.41%。重金属元素一旦进入人体，由于其半衰期较长，在人体内的含量不断增加后，会诱发各种疾病。因此，重金属的污染不仅影响中药材的入药安全性和中药材本身的治疗效果，且已成为制约中药材走向国际市场的首要问题。 1.3中药材连作障碍形成的原因 1.3.1中药材连作障碍形成的生态学成因 1.中药材单一化大面积种植导致农田生物多样性降低，病虫危害加剧 农业生产的特点是以少数栽培植物及牲畜种类取代了自然状态下的生物多样性，而单一种植模式更使这种简单化达到极致。人为造就的农田耕作系统只能依靠人为的持续干预才能维持其生产力。农业现代化的发展历程，也就是逐步背离自然生态规律的过程。在绝大多数情况下，为了提高产量，只能一味增加农用化学物质的投入。这种生产方式已使人类付出了沉重的社会与生态代价。破坏性的生产方式不仅造成了多种作物病虫草害的频繁暴发，也导致了盐碱化、土壤侵蚀、水资源污染等严重的环境问题。因此，现代农业生态系统的不稳定性也就在所难免。植被多样性是自然景观中的重要组成部分，其生态功能在农作物保护方面发挥着极其重要的作用。因此，以牺牲植被多样性为代价的作物单一种植模式中，病虫草害日益恶化也就是顺理成章的事情。在全世界的农田中，一年生作物农田种植面积占全球农田的91%，其中大多数是小麦、水稻、玉米、棉花和大豆单一种植。这种耕作系统在面对病虫害暴发时抵抗力较弱，暴露了单一农田耕作系统的脆弱。 农作物病害是农业生产上重要的生物灾害，是制约农业可持续发展的主要因素之一。据联合国粮食及农业组织估计，世界粮食生产因植物病害造成的年损失约占总产量的10%。近年来，由于全球性气候反常，在人口数量增加，而耕地面积逐年递减和水资源有限的情况下，为满足人类的粮食需求，少数高产、高抗品种的大面积单一化种植，导致了农业生物多样性的严重降低；同时，野生近缘种的遗传资源也随着改良品种的大面积种植和农业生产模式的改变而逐渐丧失，农业生态系统变得更加脆弱，病害暴发的周期缩短，从而加大了农药的使用量，使得农业生态环境进一步恶化；同时加大了对病原菌群体的定向选择压力，使得稀有小种迅速上升为优势小种，导致了品种抗性“丧失”，主要病害流行周期越来越短，次要病害纷纷上升为主要病害，造成更加严重的经济损失。例如，美国大面积推广Ｔ型胞质雄性不育系配制的杂交种，造成了1970年玉米小斑病的大流行，产量损失15%，造成数亿美元的损失；欧洲大面积推广种植大麦品种‘Plugs　Intensive’，导致含毒性基因的小种迅速上升为优势小种，造成大麦白粉病的流行；澳大利亚推广小麦品种‘Eureka’，造成小麦秆锈病的大流行。因此，农业生物多样性的过度丧失已经成为农业可持续发展所面临的主要矛盾和难题