長(zhǎng)白山地區(qū)園參地空間及地形分布特征研究

丁寧,樸東范,朱衛(wèi)紅,裴洪淑

(1.延邊大學(xué)長(zhǎng)白山生物資源與功能分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 延吉 133000；2.延邊大學(xué)理學(xué)院 地理系，吉林 延吉 133000； 3.韓國(guó)高麗大學(xué)生命學(xué)院，韓國(guó) 首爾 136-713)

人參(Panaxginseng)作為一種珍貴的中藥材，按其生長(zhǎng)環(huán)境的不同，可以分為野生人參和園參，其中園參以其種植面積大、產(chǎn)量高、生長(zhǎng)周期較短的特點(diǎn)，成為我國(guó)主要的人參產(chǎn)品[1].資料[2]顯示，我國(guó)是世界上人參生產(chǎn)大國(guó)，同時(shí)人參也是我國(guó)出口額最大的中藥材品種之一.長(zhǎng)白山地區(qū)因其獨(dú)特的自然環(huán)境成為我國(guó)人參的主要產(chǎn)地，其產(chǎn)量約占全國(guó)的85%.近年來(lái)，人參不僅用于單純的藥物，而且還用于化工、美容、食品、飲料等廣泛的領(lǐng)域.目前國(guó)內(nèi)與國(guó)際市場(chǎng)對(duì)人參及人參產(chǎn)品的需求量都在逐年增長(zhǎng)[3],因此我國(guó)人參市場(chǎng)出現(xiàn)了供不應(yīng)求的現(xiàn)象；此外由于國(guó)內(nèi)多地對(duì)人參的引種并未得到合理的指導(dǎo)，導(dǎo)致人參的質(zhì)量也開始下降.丁海國(guó)等[1]通過(guò)對(duì)2000—2010年TM影像分析表明，在2000—2010年間長(zhǎng)白山地區(qū)6個(gè)縣市的園參地面積逐年下降，且下降幅度呈增加的趨勢(shì)；徐萬(wàn)玲等[4]以敦化市為例對(duì)長(zhǎng)白山地區(qū)園參地的土壤環(huán)境質(zhì)量及其重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明該研究區(qū)的園參地為輕微生態(tài)危害，土壤肥力達(dá)到中等以上水平，土壤環(huán)境基本符合無(wú)公害人參生產(chǎn)的要求；孫明晨[5]以集安市為例對(duì)人參用地的綜合效益進(jìn)行了分析.本文以Landsat 8 OIL影像、GPS采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)、長(zhǎng)白山地區(qū)30 m分辨率DEM影像圖及行政圖、各縣市氣象數(shù)據(jù)及相關(guān)文獻(xiàn)資料作為數(shù)據(jù)源，研究了長(zhǎng)白山地區(qū)園參地的空間和地形分布特征，并探討了促使其空間分布特征形成的自然與人文的驅(qū)動(dòng)機(jī)制.

1 研究區(qū)概況

本文研究的長(zhǎng)白山地區(qū)主要包括吉林省的敦化、安圖、汪清、琿春、和龍、撫松、靖宇、長(zhǎng)白8個(gè)縣(市)，該區(qū)域處于吉林省東南部，位于126°30′～130°18′E，40°37′～44°30′N之間，總面積為50 369.62 km2(圖1).該區(qū)處于長(zhǎng)白山山脈地段，主要地貌類型為山嶺、山地、盆地和谷地等，其中山嶺海拔在1 000 m以上，山地海拔大部分在500～1 000 m范圍內(nèi),僅少部分超過(guò)1 000 m.該區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷而干燥，夏季溫暖而濕潤(rùn)；年均氣溫為3～7 ℃，7月平均氣溫在10 ℃左右，1月平均氣溫在-20 ℃左右，年日照時(shí)數(shù)約為2 300 h，年降水量為700～1 400 mm[6];區(qū)內(nèi)植物資源十分豐富，主要由紅松(Pinuskoraiensis)闊葉林、針闊混合林、針葉林、岳樺(Betulaermanii)林、草甸等組成[7].

圖1 長(zhǎng)白山地區(qū)研究范圍

2 數(shù)據(jù)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

Landsat 8 OIL遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey，USGS)網(wǎng)站，其空間分辨率為30 m，在ENVI 4.7及ArcGIS 10.0中對(duì)下載的7景Landsat 8 OIL影像(2013年)進(jìn)行幾何校正、數(shù)據(jù)鑲嵌與裁剪以及彩色合成等遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，得到研究區(qū)的全色遙感影像圖；行政區(qū)劃數(shù)據(jù)以吉林省行政區(qū)劃圖為基礎(chǔ)，配準(zhǔn)數(shù)字化得到；將2013年6月—9月野外考察得到的100個(gè)GPS采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)(包括樣點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔高度)導(dǎo)入到ArcGIS 10.0中與研究區(qū)行政區(qū)劃圖進(jìn)行疊加(圖2)以設(shè)定投影坐標(biāo)系，并將生成的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)圖層與遙感影像疊加(圖3)；研究采用的DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)網(wǎng)站，空間分辨率為30 m，在ArcGIS 10.0中基于DEM數(shù)據(jù)提取研究區(qū)坡度、坡向2個(gè)地形因子；氣象數(shù)據(jù)來(lái)自延邊州氣象局及中國(guó)氣象中心數(shù)據(jù)共享平臺(tái),各縣市地形因素?cái)?shù)據(jù)來(lái)自相關(guān)文獻(xiàn)資料.

圖2 采樣點(diǎn)行政區(qū)域分布圖

圖3 采樣點(diǎn)影像分布圖

2.2 研究方法

2.2.1目視解譯 衛(wèi)星遙感影像的目視解譯是利用圖像的影像特征(色調(diào)或色彩,即波譜特征)和空間特征(形狀、大小、陰影、紋理、圖形、位置和布局)與多種非遙感信息資料相組合,運(yùn)用生物地學(xué)相關(guān)規(guī)律,將各種目標(biāo)地物識(shí)別出來(lái),并進(jìn)行定性和定量分析,以獲得所需要的各種地面信息[8].由于目視解譯所需的設(shè)備少，簡(jiǎn)單方便，可以隨時(shí)從遙感圖像中獲取許多專題信息，而且判讀精度高，因此它是目前遙感影像判讀的常用方法.

2.2.2平均和變異分析法 平均和變異分析法是利用平均指標(biāo)和變異指標(biāo)分析地理數(shù)據(jù)的一般水平及差異的方法.本文利用平均指標(biāo)來(lái)反映園參地分布的海拔、坡度、坡向的一般情況，以此獲得園參種植的最佳地形條件，其計(jì)算公式[9]為

式中：xi(i=1,2,…，m)為第i組的組中值，如果第i組的下限值為ai、 上限值為bi,則xi=ai+(bi-ai)/2;fi為第i組的頻數(shù)，即出現(xiàn)在第i組的地理數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；m為分組個(gè)數(shù).

本文選取變異系數(shù)作為變異指標(biāo)，它是用來(lái)衡量地理要素在時(shí)間與空間上的相對(duì)變化(波動(dòng))程度的統(tǒng)計(jì)量，其計(jì)算公式為

3 結(jié)果與分析

3.1 園參地的空間分布特征

基于100個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.0中將其與研究區(qū)的遙感影像進(jìn)行疊加，利用不同的波段組合獲取園參地的遙感信息判讀依據(jù)(表1)，其中Landsat 8影像的6、5、2波段組合可以區(qū)分裸地和作物耕地，而5、6、2波段的組合可以使植被呈現(xiàn)不同的顏色.利用人工目視解譯對(duì)研究區(qū)的園參地進(jìn)行矢量化，并以研究區(qū)8個(gè)縣市為單元?jiǎng)?chuàng)建園參地面積分布表(表2).

表1 園參地遙感信息判讀依據(jù)

表2 研究區(qū)園參地面積分布值

由表2可知：研究區(qū)園參地分布面積從大到小的排序?yàn)椋簱崴?靖宇>長(zhǎng)白>安圖>敦化>汪清>琿春>和龍，總面積為9 620.01 hm2.其中面積在2 000 hm2以上的是同屬于白山市的撫松、靖宇兩縣，兩者的面積約占總面積的50%.延邊州5個(gè)縣市的園參地面積占總面積的34.6%，其中只有安圖的園參地面積超過(guò)1 000 hm2，汪清、琿春、和龍3個(gè)縣市的園參地面積基本相近.

3.2 園參地的地形分布特征

借助ArcGIS 10.0軟件柵格數(shù)據(jù)的空間分析功能，從研究區(qū)DEM中提取坡度、坡向2個(gè)地形因子，將采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入疊加后得到園參地的坡度、坡向分布圖(圖4和圖5).在Excel中分別對(duì)園參地分布的高程、坡度、坡向3個(gè)地形因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理生成圖表，分析園參種植的最適地形特征，然后利用平均和變異分析法分別計(jì)算園參地分布的高程、坡度、坡向的平均值和變異系數(shù)，結(jié)果見圖6—圖8和表3.

圖4 樣點(diǎn)坡度分布圖

圖5 樣點(diǎn)坡向分布圖

從圖6—圖8中可知，園參種植的最適海拔高度范圍為600～800 m,最適坡度范圍為0～8°，最適坡向?yàn)閿?shù)值在247.5～292.5范圍的西坡，即園參種植的最適地形為坡段緩和的西坡山地.

圖6 園參地高程值統(tǒng)計(jì)圖

圖7 園參地坡度值統(tǒng)計(jì)圖

圖8 園參地坡向值統(tǒng)計(jì)圖

由表3可知，研究區(qū)園參地分布的3個(gè)地形因子的平均值為：高程624 m,坡度9.5°，坡向?yàn)槟掀?三者的變異系數(shù)均在15%左右，這說(shuō)明樣本數(shù)據(jù)的相對(duì)波動(dòng)程度較小，各縣市基于地形因子的分布規(guī)律具有相似性.

表3 園參地各地形因子平均變異值

3.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析

園參地空間分布特征的自然驅(qū)動(dòng)因子包括地形、氣候、土壤、植被等，人文驅(qū)動(dòng)因子包括栽培歷史、土地利用、政府政策、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及人口分布等，本文分別選取自然因素中的地形與氣候兩個(gè)主要因子，以及人文因素中栽培歷史和政府政策兩個(gè)主要因子作為園參地空間分布特征形成的驅(qū)動(dòng)機(jī)制.

3.3.1自然因素1)地形因素.由表4可知，山地面積的大小依次為敦化>琿春>汪清>撫松>和龍>靖宇>安圖，但由于最適宜種植園參地的海拔為600～800 m，因此從海拔上看，敦化、撫松、靖宇、安圖4個(gè)縣市為最佳種植區(qū)，其中敦化的山地因大部分呈坡陡谷深，且石礫含量較多[11]，適于種植園參的區(qū)域不多；因此從地形上看，適于種植園參的地區(qū)應(yīng)為撫松、靖宇、安圖.琿春、汪清、和龍3個(gè)縣市的山地面積雖然較大，但由于其平均海拔都在園參種植的最適海拔范圍外，因此適于園參種植的山地面積不多.

2)氣候因素.人參為陰性植物，適宜于涼爽濕潤(rùn)的氣候.由表5可知：撫松、靖宇、長(zhǎng)白3個(gè)縣的年均氣溫都較低，降水量充沛(690～800 mm)，年日照時(shí)數(shù)在2 380 h左右，這為人參生長(zhǎng)提供了適宜的生長(zhǎng)環(huán)境.延邊州的5個(gè)縣市中，園參地分布面積最大的安圖縣的年均氣溫雖然也較低，但其年均降水量和年日照時(shí)數(shù)都低于撫松、靖宇和長(zhǎng)白，這導(dǎo)致其園參地分布面積減少；其余4個(gè)縣市的氣溫相對(duì)較高、降水量較低，年日照時(shí)數(shù)只有汪清接近2 380 h，這種氣候因素導(dǎo)致這4個(gè)縣市的園參種植面積相對(duì)較少.

表4 研究區(qū)地形因素值

表5 研究區(qū)各縣市氣候因子值

3.3.2人文因素 1)栽培歷史.人參的栽培歷史對(duì)園參地空間分布特征的影響主要表現(xiàn)在栽培技術(shù)與人參文化兩個(gè)方面.資料[12]顯示，撫松縣的種植歷史已有440多年，當(dāng)?shù)貐⑥r(nóng)在長(zhǎng)期的栽種過(guò)程中積累了大量種植經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，并已經(jīng)形成了本區(qū)特有的人參文化，成為國(guó)內(nèi)最早的人參貿(mào)易集散地.另外，靖宇縣和長(zhǎng)白縣的園參種植史也分別已有300年和100余年，也形成了較濃厚的人參文化，而延邊州5個(gè)縣市的人參栽培史都基本在四五十年左右，無(wú)論在栽培技術(shù)和人參文化上都遠(yuǎn)不及撫松、靖宇、長(zhǎng)白3個(gè)縣.

2)政府政策.目前，撫松、靖宇、長(zhǎng)白3個(gè)縣的人參品質(zhì)和單產(chǎn)已達(dá)到世界先進(jìn)水平，但這3個(gè)縣的政府仍然致力于繼續(xù)推進(jìn)人參產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，例如：撫松縣政府在全面實(shí)施《撫松縣人參產(chǎn)業(yè)“十一五”規(guī)劃》的同時(shí)，還規(guī)劃了“撫松人參產(chǎn)業(yè)二次創(chuàng)業(yè)工程”，以此不斷規(guī)范人參栽培，加大人參產(chǎn)品的高科技研發(fā)，打造人參品牌，挖掘人參文化；靖宇縣在政府的帶領(lǐng)下建立了標(biāo)準(zhǔn)化栽培基地，并舉辦了12期的鄉(xiāng)鎮(zhèn)科技培訓(xùn)班；長(zhǎng)白縣通過(guò)對(duì)人參生產(chǎn)基地、業(yè)戶、人參加工企業(yè)及參業(yè)用地資源等方面的全面整合，有效地推進(jìn)了綠色有機(jī)人參標(biāo)準(zhǔn)化示范地的建立工作.相比之下，盡管延邊州5個(gè)縣市近些年對(duì)人參產(chǎn)業(yè)的發(fā)展出臺(tái)了一些政策和規(guī)劃，但與撫松、靖宇、長(zhǎng)白3個(gè)縣相比仍具有一定差距.

4 結(jié)論

本文基于3S技術(shù)及目視解譯和平均變異分析法研究了長(zhǎng)白山地區(qū)園參地的空間與地形分布特征，并分析了地形、氣候、栽培歷史和政府政策4個(gè)因子對(duì)研究區(qū)園參地空間分布特征的作用機(jī)制.所得結(jié)論主要包括了園參地在不同波段組合下的遙感信息特征、研究區(qū)各縣市園參地分布面積的大小、園參種植的最適海拔范圍、坡度范圍和坡向值等.本文的不足在于基于園參地遙感信息特征所解譯的園參地并未得到實(shí)地考察的驗(yàn)證，對(duì)園參地空間分布特征的驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究，只進(jìn)行了簡(jiǎn)單說(shuō)明，未使用相關(guān)分析法進(jìn)行詳細(xì)的作用機(jī)制分析.

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