基于GIS的蕎麥蘆丁含量生態(tài)區(qū)劃研究

馮美臣，牛 波，楊武德

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)工程研究所，山西太谷030801）

蕎麥（Fagopyrum esculentum Moench）又名喬麥、烏麥、花麥、三角麥等，屬非禾本科谷類作物[1]。蕎麥?zhǔn)且环N藥糧兼用的雜糧作物，含有多種對(duì)人體有益的微量元素以及藥用成分生物類黃酮，尤其富含蘆丁[2]。

蘆丁（Rutin）又稱蕓香苷（Rutinoside），是維生素P的主要成分之一，屬于黃酮類衍生物[3-4]，廣泛應(yīng)用于食品、藥品和化學(xué)等工業(yè)。近代醫(yī)學(xué)研究表明，蘆丁具有防治毛細(xì)血管脆弱性出血引起的腦出血以及肺出血、胸膜炎、腹膜炎、皮下出血等疾病，也可治療青光眼、高血壓和糖尿病。因此，開展蘆丁含量的區(qū)劃研究，建立高蘆丁含量的蕎麥生產(chǎn)基地，對(duì)當(dāng)前蕎麥生產(chǎn)和農(nóng)民增收具有重要意義。

近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)農(nóng)作物氣候生態(tài)區(qū)劃進(jìn)行了大量研究[5-6]，實(shí)際應(yīng)用效果較好。Caldiz等[7]通過評(píng)估氣候、土壤和作物類型的特點(diǎn)，結(jié)合馬鈴薯產(chǎn)量潛力，利用GIS對(duì)阿根廷馬鈴薯進(jìn)行了生態(tài)農(nóng)業(yè)區(qū)劃。池再香等[8]利用GIS空間疊置分析方法對(duì)貴州西部春薯種植氣候適宜性進(jìn)行了精細(xì)化區(qū)劃，大大提高了區(qū)劃的精度和準(zhǔn)確度。唐紅艷等[9]通過確定興安盟地區(qū)玉米種植綜合氣候區(qū)劃指標(biāo)，利用GIS對(duì)內(nèi)蒙古興安盟春玉米種植氣候進(jìn)行了劃分及分區(qū)評(píng)述。但是國(guó)內(nèi)外利用現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)蕎麥進(jìn)行品質(zhì)生態(tài)區(qū)劃種植的研究較少，僅限于傳統(tǒng)方法的栽培區(qū)劃。如余優(yōu)森[10]根據(jù)復(fù)種蕎麥的熱量指標(biāo)要求，并對(duì)照該地區(qū)≥0℃和≥10℃積溫分布情況，對(duì)引種的北海道蕎麥進(jìn)行了氣候區(qū)劃。孫志敏等[11-12]選用無霜期作為分區(qū)指數(shù)，結(jié)合≥10℃活動(dòng)積溫對(duì)蕎麥進(jìn)行了適宜種植氣候區(qū)劃研究。

然而基于GIS的蕎麥品質(zhì)尤其是蘆丁含量的生態(tài)區(qū)劃研究還未見報(bào)道。本研究在甜蕎主產(chǎn)區(qū)晉中市進(jìn)行布點(diǎn)試驗(yàn)，測(cè)定蕎麥籽粒蘆丁含量，通過對(duì)蕎麥蘆丁含量及與其相關(guān)的生態(tài)因子進(jìn)行分析，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，并利用GIS對(duì)蕎麥蘆丁含量進(jìn)行生態(tài)區(qū)劃，以期為山西高蘆丁含量蕎麥生產(chǎn)基地的確定和區(qū)域化、規(guī)?；N植提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域自然概況

晉中市位于山西中部，北緯 36°39′～38°06′，東經(jīng) 111°25′～114°05′，東依太行，西傍汾河，北與省會(huì)太原毗鄰。轄有11個(gè)縣市71個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。全區(qū)地形是山區(qū)廣闊、平川狹小。氣候特點(diǎn)是：冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨；冬夏溫差較大，夏季降水集中。在晉中范圍內(nèi)，南北緯度相差不到1.5℃，東西地形差別卻很大，所以區(qū)內(nèi)氣候東西差異明顯，南北變化不大。年平均氣溫9℃左右，1月平均氣溫-7℃左右，7月平均氣溫23℃左右。年平均降水量540 mm左右，降水分布大致是東南多、西北少。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在晉中市選取有代表性的7個(gè)樣本縣，每個(gè)縣選擇能反映該縣蕎麥生產(chǎn)水平的5個(gè)行政村作為試驗(yàn)點(diǎn)，利用GPS測(cè)定其經(jīng)緯度和海拔。試驗(yàn)地為中等肥力的旱地。供試品種為晉蕎1號(hào)、日本蕎、大粒蕎3個(gè)品種，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，小區(qū)面積10 m2，按當(dāng)?shù)卮筇锪?xí)慣種植。

1.3 氣象資料

本研究所用的氣象資料來自晉中市內(nèi)的11個(gè)氣象站，包括2008—2010年的日最高溫、日最低溫、日均溫、太陽輻射、相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)等指標(biāo)。

1.4 地理數(shù)據(jù)資料

利用CD 91200L數(shù)字化儀對(duì)晉中市的1∶200 000邊界圖和行政分區(qū)圖等進(jìn)行矢量化，形成晉中市行政區(qū)劃圖層、氣象站點(diǎn)圖層、數(shù)字高程模型等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)資料，并建立GIS數(shù)據(jù)庫。

1.5 測(cè)定項(xiàng)目及數(shù)據(jù)分析

蕎麥籽粒蘆丁含量采用HPLC（液相色譜儀）進(jìn)行測(cè)定。利用SAS軟件對(duì)與蘆丁含量有關(guān)的7個(gè)縣市的氣象因子進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)因子對(duì)蕎麥蘆丁含量的影響

2.1.1 不同生態(tài)區(qū)蕎麥蘆丁含量的差異性分析蘆丁是蕎麥特有的一項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)。對(duì)不同生態(tài)區(qū)不同蕎麥品種的蘆丁含量數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果（表1）表明，蕎麥蘆丁含量在不同品種和不同地域間的差異均達(dá)到極顯著水平，說明品種和生態(tài)環(huán)境對(duì)蕎麥蘆丁含量都有重要的影響。

表1 蕎麥蘆丁含量的方差分析

2.1.2 生態(tài)因子與蕎麥蘆丁含量的關(guān)系 用SAS軟件對(duì)與蘆丁含量有關(guān)的7個(gè)縣市的氣象因子進(jìn)行相關(guān)分析，篩選出16個(gè)氣象因子，分別為 7 月均溫（X1）、8 月均溫（X2）、9 月均溫（X3）、7 月下旬均溫（X4）、8月上旬均溫（X5）、8 月中旬均溫 （X6）、8 月下旬均溫 （X7）、9 月上旬均溫（X8）、7月大于 30℃天數(shù)（X9）、8月大于 30℃天數(shù)（X10）、7 月降水量（X11）、8 月降水量（X12）、9 月降水量（X13）、生育期（≥0℃）總積溫（X14）、生育期總降水量（X15）、生育期日照時(shí)數(shù)（X16），并對(duì)與蕎麥蘆丁含量相關(guān)的16個(gè)生態(tài)因子進(jìn)行多元線性逐步回歸分析，剔除了回歸關(guān)系不顯著的生態(tài)因子，得到蕎麥蘆丁含量與生態(tài)因子的數(shù)學(xué)回歸模型：

式中，Y為蕎麥蘆丁含量（mg/g），X5為8月上旬均溫，X9為7月大于30℃天數(shù)，X12為8月降水量，X16為生育期日照時(shí)數(shù)。

從回歸模型可以看出，蕎麥蘆丁含量與8月上旬均溫、7月大于30℃天數(shù)具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，與8月降水量、生育期日照時(shí)數(shù)具有正相關(guān)性。7月大于30℃天數(shù)的負(fù)相關(guān)性說明日最高溫大于30℃時(shí)，對(duì)蕎麥的生長(zhǎng)有不良影響，同時(shí)影響到蘆丁的積累。8月上旬為蕎麥花期，此期的溫度以18～25℃為宜[13]，過高的溫度會(huì)嚴(yán)重影響蕎麥?zhǔn)芫Y(jié)實(shí)，同時(shí)晝夜溫差較小，不利于干物質(zhì)的積累，對(duì)蘆丁的積累有較大的影響。8月豐富的降水、充足的光照都有利于蕎麥生長(zhǎng)，也利于蘆丁積累。

2.1.3 氣象因子推演 利用溫度、降水和日照時(shí)數(shù)與地理因子海拔（Z1）、經(jīng)度（Z2）、緯度（Z3）進(jìn)行相關(guān)分析，建立回歸模型來推演無資料區(qū)的氣候資源狀況，以彌補(bǔ)信息量的不足。各方程的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到極顯著水平，且均通過0.01的顯著性水平檢驗(yàn)（表2）。

表2 氣象因子回歸模型

根據(jù)Arc GIS中的鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在地理信息，可以得到71個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)高程點(diǎn)的相應(yīng)地理資料，代入各氣象指標(biāo)的回歸方程，可得到相應(yīng)71個(gè)點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)。

2.2 晉中市蕎麥蘆丁含量生態(tài)區(qū)劃及評(píng)述

將氣象數(shù)據(jù)代入方程（1），得到各點(diǎn)的蘆丁含量數(shù)據(jù)，在Arc Map中，利用Inverse Distance Weighted插值法及殘差修正后，得到蕎麥蘆丁含量區(qū)劃圖（圖1）。

2.2.1 高蘆丁含量區(qū) 圖1中的深色區(qū)域?yàn)楦呤w麥蘆丁含量區(qū)，蘆丁含量大于280 mg/g。該區(qū)

面積占全區(qū)的10.8%，約1 764 001 hm2，包括和順縣的馬坊鄉(xiāng)、橫嶺鄉(xiāng)；壽陽縣的長(zhǎng)嶺鄉(xiāng)、白云鄉(xiāng)、羊頭崖鄉(xiāng)；榆次的黃彩鄉(xiāng)、石圪塔鄉(xiāng)等；太谷的王公鄉(xiāng)和侯城鄉(xiāng)、窯子口鄉(xiāng)、滸泊鄉(xiāng)的部分區(qū)域；平遙的盂山鄉(xiāng)和千莊鄉(xiāng)部分地區(qū)。該區(qū)的氣候特征為8月上旬均溫小于21.5℃，7月大于30℃天數(shù)低于4 d，8月降水量大于90 mm，生育期日照時(shí)數(shù)高于900 h。

2.2.2 中蘆丁含量區(qū) 圖1中的淺色區(qū)域?yàn)橹惺w麥蘆丁含量區(qū)，蘆丁含量介于180～280 mg/g之間。該區(qū)面積占全區(qū)的52.6%，約8 634 741 hm2，主要包括靈石全區(qū)；介休、平遙、祁縣、太谷的東部地區(qū)；榆次和壽陽的西北大部分地區(qū)；昔陽、和順、左權(quán)縣西部地區(qū)；榆社西北部分地區(qū)。該區(qū)氣候條件主要表現(xiàn)為8月上旬平均溫度21.5～23℃，7月大于30℃天數(shù)為4～12 d，8月份降水量為60～90 mm，生育期日照時(shí)數(shù)為850～900 h。

2.2.3 低蘆丁含量區(qū) 圖1中的白色區(qū)域?yàn)榈褪w麥蘆丁含量區(qū)，蘆丁含量小于180 mg/g，該區(qū)面積占全區(qū)的36.6%，約6 005 254 hm2，主要包括太谷、祁縣、平遙西部；介休北部；榆社大部分地區(qū)；昔陽、和順、左權(quán)的東部地區(qū)。該區(qū)氣候條件主要表現(xiàn)為8月上旬平均溫度大于23℃，7月大于30℃天數(shù)多于12 d，8月降水量小于60 mm，生育期日照時(shí)數(shù)低于850 h，不適合種植蕎麥。

3 結(jié)論與討論

蕎麥蘆丁含量在不同品種和不同地區(qū)具有顯著性差異，說明品種和生態(tài)環(huán)境均對(duì)蘆丁含量有重要影響。綜合來看，影響蘆丁含量的各生態(tài)因子中氣候是最重要、最活躍的因子。本研究區(qū)劃主要以溫度、降水和日照時(shí)數(shù)等氣候生態(tài)因子為指標(biāo)進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蘆丁含量與8月上旬平均溫度、7月大于30℃天數(shù)具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，與8月份降水量、生育期日照時(shí)數(shù)具有正相關(guān)性。

通過對(duì)氣象資料和蘆丁含量的統(tǒng)計(jì)分析，利用GIS進(jìn)行了蘆丁含量的生態(tài)區(qū)劃，分區(qū)結(jié)果與實(shí)際狀況基本符合。根據(jù)本研究結(jié)果，高蘆丁含量區(qū)主要在晉中的北中部地區(qū)，即和順縣的西部、壽陽縣的南部、太谷縣和榆次市的東部地區(qū)。這部分地區(qū)海拔多在1 200～1 600 m之間，生育期總積溫小于2100℃、生育期總降水大于270mm，生育期日照時(shí)數(shù)大于900 h，是氣候涼爽、降水豐富、日照充足地區(qū)，非常適合蕎麥的生長(zhǎng)，有利于蘆丁含量的積累。

有研究表明，影響蕎麥蘆丁含量的因子還有很多，比如播種量和播種期、灌溉、肥料配比[14-15]、病蟲害防治等耕作管理措施，而本研究?jī)H從生態(tài)因子出發(fā)進(jìn)行區(qū)劃分析，使得模擬模型與生產(chǎn)實(shí)踐還存在一定差距，今后仍需不斷完善模型，提高模型的實(shí)用性。

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