A岩溶生态环境条件下石生和树生铁皮石斛生长的对比研究

-1-第一章引言1.1研究依据、目的及意义根据岩溶分布统计，地球表面岩溶面积约占地球陆地总面积的15%左右，我国可溶岩地层分布高达344万km2，约占国土总面积的三分之一[1]。其中裸露岩溶石山区约90.7万km2，浅覆盖岩溶区约115.3万km2，埋藏岩溶面积138.3万km2[2]。我国岩溶区以西南部地区岩溶面积昀大，主要分布在以贵州为中心的滇黔桂湘鄂川渝地区，面积约55万km2，占全国岩溶面积的15.97%[3]。以贵州高原为中心连带成片，形成西南岩溶区，区域面积达115万km2，岩溶面积约占61%；其中贵州省为西南岩溶区的核心，地处亚热带，太阳辐射能量高，降雨充沛，水热匹配，有利于植物生长。但同时也因历史原因，植被遭受破坏，水土流失严重，石漠化发展趋势明显，大片丘陵“沦落”为荒山秃岭[4]。脆弱的岩溶生境是当今国际地学研究热点，继“地质、气候、水文与岩溶形成”和“岩溶作用与碳循环”之后，我国学者袁道先院士等又提出并实施“全球岩溶生态对比”[5]，其核心问题是阐明岩溶生态系统的运行规律，促进西南岩溶脆弱生态治理及我国西部大开发的可持续发展。随着封山育林、退耕还林的进行，岩溶区生态环境有所改善，但西南岩溶地区石漠化仍然比较严重。为了完善石漠化治理，在岩溶区迫切需要发展一些既能增加农民经济收入，又能保护生态环境的经济物种。通过对岩溶地区经济物种的调查认识到，铁皮石斛是一种在岩溶地区有野生分布的珍贵中药材植物，并且能生长在岩石表面或树干上，非常适合于岩溶区土少的特点[6]。然而由于过度采挖造成野生铁皮石斛濒临灭绝。铁皮石斛（DendrobiumcandidumWall.exLindl.）又名黑节草，为兰科（Orchidaceac）石斛属（Dendrobium）多年生草本植物。在民间具有[救命仙草]的美誉。唐开元年间的道家经典《道藏》曾把铁皮石斛列为中华九大仙草之首。其多糖具有独特的药用价值，尤其是制作成铁皮枫斗药用价值更高[7]。由于近几年对铁皮石斛枫斗类药材功效的发掘和推广，加上人们保健意识的增强、生活水平的提高，铁皮枫斗的市场需求剧增，供求矛盾增大;再者，枫斗原植物铁皮石斛来源紧张，加工又有一定的要求，市场价格较高，2004年国际价格每公斤为2500-3600美元[8]。我国铁皮石斛资源丰富多年来一直以野生为主。1957年全国干、鲜石斛年收购量约700吨，主产区广西等西南地区占据2/3以上的产量；60--70年代，石斛的收购量逐年增加；1974年高达1000吨。云南野生资源较为丰富，因交通不便，运输路线长，开发利用不足。贵州、四川、广西等省区因长期开发利用和生长环境发生变化，野生资源明显下降。20世纪末，市场需求量将已超过2000吨[9]。按市价鲜铁皮石斛500元/kg，就是10多个亿的市-2-场，西南岩溶地区是主产区，作出了高达2/3的贡献，就是7-8亿的规模，对于经济条件相对落后的西南岩溶地区来说，是一项非常有意义的工作。尤其是针对西南地区各省区的岩溶区，大力发展原位生态环境条件下人工大棚种植铁皮石斛，有巨大的发展空间，人工大棚种植铁皮石斛不仅仅是提高岩溶区农民的经济收入和有效保护野生资源，而且还能带来较好的生态环境效益和社会经济效益，具有十分显著的现实意义。人工栽培铁皮石斛既能满足市场对铁皮石斛的需求，同时也能对野生铁皮石斛日益匮乏的自然资源起到有效地保护和缓解的作用，为社会创造更多的经济效益和社会生态价值，可作为西南岩溶地区生态农业产业结构调整的一条有效途径。因此用人工大棚种植铁皮石斛来代替野生铁皮石斛的研究在我国逐渐引起人们的关注。本文通过对岩溶生态环境条件下石生和树生铁皮石斛生长的对比研究，旨在能为有效保护有限野生资源，也能为人工大棚种植提供理论指导和技术支撑。本文选择贵州茂兰喀斯特原始森林自然保护区的三个点作为研究对象，翁昂乡己陇地处森林腹地，森林繁茂，古树参天；永康乡尧兰地处森林的边际过渡区，以乔木灌木为主；茂兰镇瑶庆是中度的石漠化地区，以灌木和草从为主。三个样地分别处于石漠化演替的不同阶段，为治理石漠化的不同演替阶段提供理论依据.本文通过对岩溶生态环境条件下生长的石生与树生铁皮石斛生境因子的测量分析，包括温度、湿度、光照强度、生境基质元素的监测和分析，推测其生长情况；对其生理因子，包括微观结构、光合作用、体内元素、稳定同位素（δ13C）、过氧化酶、多糖含量的测定和分析，判断其生境状况。通过生境因子和生理因子的相互推断与验证，从中探索出更适合于铁皮石斛生长的生境因子，并寻找出行之有效的生理因子指标。在此研究的基础上，对人工大棚铁皮石斛的生境进行调控，以达到昀佳效果，并与石生和树生铁皮石斛相比较。经过对铁皮石斛的组织培养实验，选择合适的培养基与培养条件，并探索了人工大棚的种植与管理，为有效保护有限野生资源，为下一步建立系列的铁皮石斛评价体系奠定理论基础。为今后发展大面积的人工种植提供理论指导和技术支撑。为改善和提高岩溶地区居民生活与经济条件作出应有的贡献。1.2研究区自然概况茂兰喀斯特森林位于贵州省南部荔波县境内，黔桂交界处，地处云贵高原向广西丘陵盆地过渡的斜坡地带，地理坐标为东经107°52′10-108°05′40，北纬25°09′20-25°20′50，总面积为2万hm2.林区出露的岩石为纯质石灰岩和白云岩，成土性能较差，属裸露型喀斯特地貌茂兰植被类型主要是常绿落叶阔叶混交林森林覆盖率为91%，区内土壤以黑色石灰土为主，土层浅薄不连续，岩石渗透性强，土体中持水量较低，地表水缺乏，临时性干旱出现频繁，土壤富钙和富盐基化，pH6.0-8.0，有机质含量高，该区年均温18.3℃，有效积温5767.9℃；全年，降水量1752.5mm；年均相对湿度83%；全年日照时数12721.8h，日照百分率29%，属中亚热带季风湿润气候[10]。-3-本文选择贵州茂兰喀斯特原始森林自然保护区的三个样地己陇、尧兰、瑶庆作为研究对象。相距大约80公里，中间也没有大的山脉影响，从大的尺度上来讲，属于同一气候类型，亚热带湿润气候。其具体差异主要表现在小生境上。图1-1采样地点分布示意图翁昂乡己陇地处森林腹地，森林繁茂，古树参天；出露地层为下石炭统[11]。岩溶地貌发育，森林覆盖率高达81.59％，以阔叶落叶或阔叶常绿林为主，树种资源昀为丰富，为茂兰喀斯特森林自然保护区的中心[12]。黄色石灰土由石灰岩、白云岩风化发育而成，多为粘土或重壤土，因含钙丰富，土壤多成中性或微碱性，也有表土为酸性，心土层为中性或碱性的，一般有机质和全氮含量比同地区地带性土壤为高，肥力较高，表层可达5-10％左右。石漠化仅占17.97％，保护区维持着稳定的生态平衡，展现出别具一格的“下有石林，上有森林”的喀斯特秀丽风光。表1-1样地乡镇石漠化状况（%）乡(镇)名非喀斯特无石漠化石漠化翁昂乡15.2542.8617.97永康乡4.0924.9430.37茂兰镇19.6815.538.66永康乡尧兰地处森林的边际过渡区，以乔木灌木为主；出露地层为中三叠至下二叠统。自然土以黄色石灰土为主，黄壤的成土母质为砂页岩，砂岩，页岩，泥岩及第四纪红色粘土。自然土以酸性为主，土层深厚，是由钙质砂岩发育而成的硅铝质黄壤，钙镁钾元素淋-4-失，有脱硅富铝现象，pH5-6，盐基不饱和，质地较粘重，剖面层次分明[13]。有机质含量平均5.8％，森林覆盖率35.23％[14]，（见表1-1）石漠化已达30.37％。茂兰镇瑶庆是中度的石漠化地区，几乎没有成片森林，以灌木和草从为主。森林覆盖率17.15％，石漠化高达38.66％。出露地层为中石炭统至下石炭统。地貌受地质构造和岩性双重控制，多为峰从洼地，槽谷等溶蚀地貌。大部分是黄色石灰土类，成土母岩母质为碳酸盐岩，砂岩，页岩和炭质岩，河流冲积物，坡积物和残积物。煤矿资源十分丰富。人工大棚种植铁皮石斛的样地位于茂兰镇瑶庆。与野生环境的差异就在于人工对环境条件的改善，搭棚用遮荫网遮住控制光照强度，棚内人工喷水以控制温湿度。是建立在对石生和树生铁皮石斛生境的基础上进行控制的，并与石生和树生铁皮石斛对比研究。铁皮石斛生长于岩石表面的环境条件，简称：石生生境铁皮石斛生长于树皮表面的环境条件，简称：树生生境铁皮石斛生长于人工大棚的环境条件，简称：棚生生境（相关图片见版图）本文中所用的代码注释：S——石生生境，T——树生生境，D——棚生生境，01——翁昂己陇02——永康尧兰，03——茂兰瑶庆，Pn——光合速率-6-第二章铁皮石斛生物学特征2.1铁皮石斛研究现状铁皮石斛（DendrobiumcandidumWall.exLindl.）属于石斛属，石斛属（DendrobiumSw．）为兰科（Orchidaceae）昀大属之一，共有1500多种，广泛分布于亚洲、欧洲及大洋洲等热带及亚热带地区。我国约有70多种，药用有39种。主要分布于西南、华东及华南地区。在我国传统医学中，石斛为常用贵重药材，石斛之名，昀早见于《山海经》，药用始载于1500年前的《神农本草经》，列为上品，称其“主伤中，除痹，下气，补五脏，虚劳羸瘦，强阴。久服厚肠胃，轻身，延年。生山谷、水旁石上”。其后，历代诸家本草均予录述。自宋代开始，石斛的临床应用逐渐扩大，除广泛应用于肾阴虚诸症外，还广泛用于胃中有热诸症的治疗。据《木草纲目》记载：石斛“强阴益精，久服厚肠胃，补内绝不足，平胃气长肌肉，益智除惊，轻身延年”。铁皮石斛在民间具有[救命仙草]的美誉。唐开元年间的道家经典《道藏》曾把铁皮石斛列为中华九大仙草之首[1]。几十年来，中外学者对石斛属植物的化学成分和药理作用进行了大量的研究，发现石斛属植物中化学成分多种多样，其主要有效成分为石斛类多糖，石斛多糖为免疫增强剂，另外还有酚类、菲类、芪类、笏酮类、倍半萜类、甾体类及香豆素等[2]。现代药理研究证明石斛具有抗衰老、抗肿瘤、降低血糖等作用，在治疗胃肠道疾病、白内障、关节炎、血栓闭塞性脉管炎及慢性咽炎等疾病方面有很好的疗效[3]。2.1.1.铁皮石斛药理作用石斛类药材按中医不同的习惯用法可分为金钗石斛、黄草石斛、鲜石斛及枫斗（铁皮石斛）四类[4]枫斗是用石斛属的一些细茎类型，并富含粘液植物的茎经过烘焙，使之软化，除去叶鞘，搓成条形或卷曲成紧密及疏松团状、弹簧状等。后者状似耳环，故又称耳环石斛或耳环枫斗。在我国华东、华南的一些大城市，特别在香港、台湾，以及日本、欧美、东南亚一带普遍认为铁皮枫斗是一种高档保健饮品。2004年市场价格较高，国际价格每公斤为2500-3600美元。目前，上海及一些大城市的癌症患者常应用[5]。对胃肠道的作用：传统医学认为，石斛具有益胃生津的作用《神农本草经》[6]（马继兴《神农本草经辑注》转记）记载：“……久服厚肠胃，轻身，延年，长肌肉，逐皮肤邪热，痹气，定志除惊……”。《本草衍义》[7]中记载：“治胃中虚热”。现代药理研究也证明，石斛对于消化系统疾病有治疗作用。以往研究表明，不同品种的石斛对动物胃肠道-7-有不同的功能，徐国钧等[8]观察了浸膏对豚鼠离体肠管活动的影响，结果表明，金钗石斛、细叶石斛、重唇石斛对肠管有兴奋作用，使收缩幅度增加。用浸膏灌胃对家兔进行观察，铁皮石斛能对抗阿托品对唾液分泌的抑制作用，与西洋参有协同作用，合用后还能促进正常家兔的唾液分泌[9]。石斛对人的胃酸分泌也有明显的促进作用，石斛能使血中胃泌素浓度升高，胃泌素刺激壁细胞，使胃酸分泌增加，提高消化能力，加强食欲[10]。抗衰老和增强机体免疫力：家兔实验表明[11]，石斛能显著提高超氧化歧化酶（SOD）水平，从而起到降低乳过氧化物酶（LPOD）的作用，延长衰老期，并增强机体免疫能力。抗肿瘤作用：抗肿瘤作用的主要物质基础是菲类和联苄类物质。韩国学者[12]曾报道金钗石斛的乙酸乙酯提取物对肿瘤细胞株A2549（人体肺癌细胞）、SK2OV23（人体卵巢腺癌细胞）和HL260（人体早幼粒细胞白血病）有显著的细胞毒性作用。治疗白内障作用：用铁皮石斛水煎剂给大鼠灌胃，其晶状体中醛糖还原酶没有明显升高，石斛对大鼠半乳糖性白内障不仅有延缓作用，也有一定