遙感和GIS在四川省中藏藥川西獐牙菜適宜性分布研究中的應(yīng)用

董永波　羅瑤　祝聰　彭文甫　徐新良　方清茂

[摘要]川西獐牙菜是一種珍稀的中藏藥材，目前對于川西獐牙菜的研究主要集中在藥用療效和藥用價(jià)值方面，而基于遙感與GIS適宜性分布研究較少。運(yùn)用遙感和GIS技術(shù)來研究分析四川省川西獐牙菜適宜性分布區(qū)域，為野生資源保護(hù)開發(fā)、人工引種栽培以及調(diào)整四川省中藥產(chǎn)業(yè)布局提供了科學(xué)依據(jù)。該研究在文獻(xiàn)查閱和分析川西獐牙菜分布適宜性的海拔、年降水、年均溫等生態(tài)因子基礎(chǔ)上，基于遙感與GIS 技術(shù)，獲取生態(tài)因子、疊加分析、結(jié)合GPS野外驗(yàn)證數(shù)據(jù)，對四川省川西獐牙菜的適宜性分布區(qū)域進(jìn)行了研究。①川西獐牙菜在四川省適宜分布面積為1 543749 km2，主要分布在德格縣、甘孜縣、道孚縣、康定縣、馬爾康市、金川縣、小金縣、丹巴縣、稻城縣、鄉(xiāng)城縣、新龍縣、阿壩縣、木里縣等縣市，占該區(qū)縣市總面積的725%；②相關(guān)資料以及野外實(shí)地驗(yàn)證調(diào)查發(fā)現(xiàn)，通過GIS得到的川西獐牙菜適宜分布區(qū)域與實(shí)際分布情況基本吻合。研究表明基于遙感與GIS 技術(shù)提取川西獐牙菜適宜分布區(qū)是可行的，可以應(yīng)用到其他道地珍稀中藥材的適宜性分布區(qū)域研究。

[關(guān)鍵詞]川西獐牙菜； 遙感； GIS； 適宜性； 分布區(qū)域； 生態(tài)因子

[Abstract]Swertia mussotii is a kind of rare medicinal materials， the relevant researches are mainly concentrated on its medicinal efficacy and medicinal value till now， researches of adaptive distribution by applying remote sensing and GIS are relatively less This study is to analyze the adaptive distribution of Smussotii in Sichuan province by applying remote sensing and GIS technology， and provide scientific basis for the protection and development of wild resources， artificial cultivation and adjustment of Chinese medicine industrial distribution in Sichuan province Based on literature review and ecological factors such as altitude， annual precipitation and annual average temperature， this study extracted ecological factors， overlay analysis in GIS， as well as combining GPS field validation data by means of remote sensing and GIS， discusses the adaptive distribution of SMF sin Sichuan province ①The area of adaptive distribution of S mussotii in Sichuan province is 1 543749 km2， mainly in Dege county， Ganzi county， Daofu county， Kangding county， Barkam， Jinchuan county， Xiaojin county， Danba county， Daocheng county， Xiangcheng county， Xinlong county， Aba county， Muli county and other counties and cities， accounts for about 725% in total area ② Combining statistical information and field validation， this study found that S mussotii adaptive distribution gained by remote sensing and GIS is in conformity with its actual distribution The study shows that remote sensing and GIS technology are feasible to obtain the S mussotii adaptive distribution， they can further be applied to studies on adaptive distributions of other rare Chinese medicinal herb

[Key words]Swertia mussotii； remote sensing； GIS； suitable； distribution area； ecological factor

中藥材一直是中國中醫(yī)藥學(xué)發(fā)展的重要物質(zhì)存在，不論是在應(yīng)用非常廣泛的古代社會(huì)還是西藥學(xué)和中醫(yī)藥學(xué)舉頭并進(jìn)的當(dāng)今社會(huì)，一直引領(lǐng)和支撐著中國中醫(yī)藥學(xué)不斷地向更高的領(lǐng)域發(fā)展，造福一代又一代的華夏兒女。隨著社會(huì)快速發(fā)展，中醫(yī)藥學(xué)以及民族醫(yī)藥學(xué)也得到快速發(fā)展，使得中藥材資源的需求量不斷增大，導(dǎo)致眾多野生珍貴中藥材資源數(shù)量的銳減，同時(shí)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)也遭到嚴(yán)重破壞，直接影響到中藥材資源的儲(chǔ)量，使得中藥材的需求量、產(chǎn)量以及品種質(zhì)量等之間的比例嚴(yán)重失衡。人工引種栽培就成為當(dāng)前解決這一問題的重要途徑。但缺乏科學(xué)合理的規(guī)劃，盲目引種栽培不僅會(huì)造成人力、物力資源的極大浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致中藥材道地性削弱、藥材質(zhì)量下降，影響其療效[1]。近幾年隨著地理信息系統(tǒng)（geography information systems，GIS）、遙感技術(shù)（remote sensing，RS）以及全球定位系統(tǒng)（global positioning systems，GPS）三大空間技術(shù)（簡稱3S技術(shù)）的快速發(fā)展[2]，其廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其中在對道地珍貴中藥材資源適宜性分布研究提供了重要的技術(shù)手段。endprint

當(dāng)前，國內(nèi)已有多位學(xué)者借助于遙感和 GIS 技術(shù)對道地珍貴中藥材資源適宜性分布和動(dòng)態(tài)監(jiān)測進(jìn)行了研究，并取得較好的成果。王璃等[3]運(yùn)用中藥材產(chǎn)地適宜性分析地理信息系統(tǒng)（TCMGISI）對暗紫貝母的適宜產(chǎn)地進(jìn)行分析，得出全國不同級別的暗紫貝母適宜產(chǎn)地，對于暗紫貝母適宜分布區(qū)的劃分及引種栽培技術(shù)具有很高的參考價(jià)值。王繼永等[4]運(yùn)用中藥材產(chǎn)地適宜性分析地理信息系統(tǒng) （TCMGISI），分析了烏拉爾甘草在全國的適宜分布范圍，對于尋找烏拉爾甘草潛在生態(tài)適宜區(qū)提供了依據(jù)。索風(fēng)梅等[1]在道地中藥材適宜性方面，利用 GIS 對道地藥材氣候、土壤等生態(tài)因子進(jìn)行了研究，這對于今后道地珍貴藥材產(chǎn)地適宜性研究的廣泛應(yīng)用具有重大的意義。陳士林等[5]利用 “3S”技術(shù)建立的中藥材資源分級遙感監(jiān)測體系和中藥資源產(chǎn)地適宜性因子區(qū)劃，對于加強(qiáng)中藥材資源普查和動(dòng)態(tài)監(jiān)測具有重要的意義。孫宇章等[6]針對瀕危的江蘇茅山野生蒼術(shù)資源應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行調(diào)查，對于野生茅山蒼術(shù)資源調(diào)查保護(hù)具有重要意義。尚雪等[7]利用遙感和GIS技術(shù)，結(jié)合川牛膝生長的環(huán)境因子，采用層次分析法和空間分析法，從地形、氣候、土壤、植被 4 個(gè)方面的生態(tài)因子對川牛膝適宜性分布進(jìn)行研究，得到了四川省川牛膝適宜區(qū)分級圖，為川牛膝資源資源的分布、保護(hù)以及合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前已有人參、蒼術(shù)、三七、甘草、冬蟲夏草、肉蓯蓉、暗紫貝母、烏拉爾甘草、西洋參、波菱瓜、浙貝母、羌活、小木通、豬苓等多種中藥材資源應(yīng)用 GIS 技術(shù)進(jìn)行適宜性評價(jià)研究，對于川西獐牙菜資源的研究主要集中在化學(xué)成分、馴化栽培、藥用療效、藥用價(jià)值及生物學(xué)特征等方面，而川西獐牙菜適宜性分布研究較少。

川西獐牙菜 Swertia mussotii Franch屬龍膽科獐牙菜屬植物，主要分布于我國的西藏、青海西南部、四川西北部和云南德欽，生于山坡、河谷、林下、灌叢、水邊等[8]。是一種珍稀的野生高原植物，也是一種常見的藏藥，為藏醫(yī)傳統(tǒng)使用的藏藥，屬于藏藥中“蒂達(dá)”類，漢語名為藏茵陳[9]，川西獐牙菜為其中較為常用的品種之一，是藏茵陳中的上品[10]，藏茵陳（蒂達(dá)）在藏醫(yī)中具有上千年的藥用歷史，藏醫(yī)學(xué)最具代表性之一的藥物，《晶珠本草》[11]中記載川西獐牙菜具有清肝利膽、利尿、止血、續(xù)筋骨等功效，廣泛應(yīng)用于急性黃疸型肝炎、病毒性肝炎、膽囊炎、尿道感染、跌打損傷、痢疾、水腫、流感等疾病的治療。研究表明，川西獐牙菜中富含三萜類、苦味素類、黃酮類和酮類[1214]，這些成分中的齊墩果酸、芒果苷、環(huán)烯醚萜苷類對降酶、利膽、鎮(zhèn)痛等有很好的功效。近年來，川西獐牙菜的藥用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值不斷提升，其需求量日益增加，資源趨于枯竭，地域分布亦日益狹窄[15]。

本研究以四川省為例，以遙感影像、DEM、年均溫、年均降水、土壤、植被等數(shù)據(jù)為信息源，基于ArcGIS103軟件的空間分析功能，對川西獐牙菜適宜性生態(tài)因子進(jìn)行提取和疊加分析，結(jié)合GPS野外驗(yàn)證，確定四川省川西獐牙菜適宜性分布區(qū)，為四川省川西獐牙菜資源開發(fā)、利用以及野生資源保護(hù)提供科學(xué)的依據(jù)。

1材料

11研究區(qū)概況

四川省位于中國的西南地區(qū)，地處長江上游流域，介于北緯26°03′—34°19′N，東經(jīng)92°21′—108°12′E，南北寬921 km，東西長1 075 km，面積486×104 km2，居全國第5位，僅次于新疆、西藏、內(nèi)蒙古和青海。北連陜西、甘肅、青海，南接云南、貴州，東鄰重慶，西銜西藏。全省地形復(fù)雜地貌多樣，以山地為主要特色，呈西高東低的特點(diǎn)。具有山地、丘陵、平原和高原4種地貌類型，分別占全省面積的742%，103%，82%，73%。西部為高原、山地，海拔多在3 000 m以上；東部為盆地、平原、丘陵，海拔多在500～2 000 m。該區(qū)域主要為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候、亞熱帶半濕潤季風(fēng)氣候和高山高原高寒氣候，年降水量在500～1 200 mm，年平均溫度在4～18 ℃，植被類型主要是亞熱帶常綠闊葉林，其森林面積為1714 km2，森林覆蓋率達(dá)到353%。四川省是我國中藥材種植面積最廣的省份，藥用植物資源的蘊(yùn)藏量較大，是我國最具特色的中藏藥材人工種植基地和種子繁育基地。

12數(shù)據(jù)來源

本研究的數(shù)據(jù)主要有：①中國土壤類型空間分布數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//wwwresdccn）；②中國高程數(shù)據(jù)（DEM）空間分辨率為30×30 m，來源于USGS；③四川省遙感影像，采用軌道號為R36～R42，P127～P134的Landsat 8 OLI/TIRS衛(wèi)星遙感影像，來源于中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所（http：//eds.ceode.ac.cn）；④中國氣象（包括年平均氣溫、年平均降水量和≥0 ℃積溫等）柵格數(shù)據(jù)，來源于CERN生態(tài)綜合數(shù)據(jù)庫及共享平臺(tái)；⑤四川省縣級行政矢量邊界數(shù)據(jù)，來源于四川省測繪地理信息局；⑥野外采集驗(yàn)證數(shù)據(jù)，來源于手持GPS野外實(shí)地調(diào)查采樣；⑦四川省中藏藥生態(tài)因子數(shù)據(jù)，來源于四川省中醫(yī)藥研究院。

2方法

21生態(tài)因子確定

查閱相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)地調(diào)查確定川西獐牙菜的適宜生態(tài)因子。

22四川省土地利用信息提取

利用ENVI 51軟件對四川省遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理和信息提取，得到四川省土地利用類型現(xiàn)狀圖。

23生態(tài)因子信息提取

利用ArcGIS 103軟件的空間分析功能分別對每個(gè)單因子進(jìn)行適宜性范圍提取，得到在單個(gè)生態(tài)因子限制下的川西獐牙菜適宜分布圖層，再對所有單因子適宜分布圖層進(jìn)行疊加，得到四川省川西獐牙菜在的適宜分布區(qū)。

24GPS野外驗(yàn)證調(diào)查

選取好野外驗(yàn)證區(qū)域和路線，采用手持GPS打點(diǎn)，記錄海拔高度及坐標(biāo)信息，得到野外驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

25適宜區(qū)面積測算endprint

利用ArcGIS 103軟件的空間分析功能，測算四川省川西獐牙菜適宜分布區(qū)的面積。技術(shù)路線見圖1。

3結(jié)果與分析

31土地利用類型信息提取

本研究采用監(jiān)督分類的方法對四川省遙感影像進(jìn)行解譯。首先對遙感影像進(jìn)行自定義坐標(biāo)系、幾何校正、圖像融合、鑲嵌以及裁剪等預(yù)處理；其次對遙感影像進(jìn)行圖像比度增強(qiáng)、空間變換等圖像增強(qiáng)處理；最后，采用監(jiān)督分類的方法對遙感影像進(jìn)行分類，經(jīng)過精度驗(yàn)證以及分類后處理，得到四川省土地利用類型格局圖，見圖2。

從圖2中可以看到林地和草地占了整個(gè)四川省總面積的絕大部分，約占6972%，其次是耕地約占2469%，最后是建設(shè)用地、水域和未利用地共約占516%。林地和草地主要分布在四川省北部、西北部、西部、中部和西南部，耕地主要集中分布在成都平原及周邊低山丘陵地區(qū)，有極少數(shù)零星分布在四川省南部和中西部；建設(shè)用地主要分布四川省中部的成都平原和河谷平緩地區(qū)；水域和未利用地主要分布北部和西北部。

32獲取適宜性評價(jià)因子

通過查閱文獻(xiàn)資料和實(shí)地調(diào)查，了解限制四川省川西獐牙菜生長的每一個(gè)生態(tài)因子的范圍值，分別進(jìn)行分析提取，得到單因子限制下適宜區(qū)圖層。

321適宜海拔信息提取川西獐牙菜主要分布海拔高度為2 300～3 900 m的地區(qū)，四川省川西獐牙菜在海拔高度為1 900～3 900 m均有分布[1617]。其主要分布在海拔3 000 m以上的山坡河谷。綜合四川省中藥研究院提供的數(shù)據(jù)，因此本研究確定四川省川西獐牙菜的適宜海拔范圍為1 900～3 900 m。通過ArcGIS 103軟件的空間分析功能從全國數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)上裁剪出四川省數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，提取出符合四川省川西獐牙菜生長條件的海拔高度范圍，見圖3。

322適宜年均溫信息提取川西獐牙菜屬于耐寒高原植物，能在低溫極低溫環(huán)境條件下生長，其主要分布在年均溫為72～168 ℃的地區(qū)[1819]。分布在四川省的年均溫為08～10 ℃，年日照時(shí)數(shù)為2 147～2 913 h[16]。綜合四川省中藥研究院提供的年均溫?cái)?shù)據(jù)，確定四川省川西獐牙菜適宜年均溫范圍為0～10 ℃。通過ArcGIS 103軟件的空間分析功能從全國年均溫柵格數(shù)據(jù)上裁剪出四川省年均溫柵格數(shù)據(jù)，提取出符合四川省川西獐牙菜生長條件的年均溫范圍，見圖4。

323適宜年均降水信息提取川西獐牙菜是喜濕植物，在含水量豐富的土壤中分布密度大植株長勢好，一般分布在含水量豐富的河谷、沙灘和溝渠兩旁，年均降水量在420～650 mm，相對濕度為42%～75%，分布在四川省川西獐牙菜年均降水為5567～6513 mm，相對濕度為69%～100%[16]。綜合四川省中醫(yī)藥研究院提供的年均降水?dāng)?shù)據(jù)，確定川西獐牙菜適宜年均降水量為5567～6513 mm。通過ArcGIS 103軟件從全國年均降水量柵格數(shù)據(jù)上裁剪出四川省年均降水量柵格數(shù)據(jù)，提取出符合四川省川西獐牙菜生長條件的年均降水量范圍，見圖5。

324適宜積溫信息提取川西獐牙菜多分布于高原地區(qū)，高海拔和獨(dú)特的地形造就了川西獐牙菜優(yōu)良的藥用價(jià)值。高原地區(qū)光照充足，太陽輻射強(qiáng)烈，日照時(shí)數(shù)長，常年累計(jì)的熱量充足，很適宜川西獐牙菜發(fā)育生長[16]。根據(jù)四川省中藥研究院提供的≥0 ℃的積溫?cái)?shù)據(jù)，確定四川省川西獐牙菜≥0 ℃的積溫為800～2 500 ℃。通過ArcGIS 103軟件的空間分析功能從全國≥0 ℃積溫柵格數(shù)據(jù)上裁剪出四川省≥0 ℃積溫柵格數(shù)據(jù)，提取出符合四川省川西獐牙菜生長條件的≥0 ℃積溫范圍，見圖6。

325適宜土壤信息提取川西獐牙菜主要生長于中性或偏堿性的山地，棕壤、暗棕壤、黑氈土、草氈土、薄草氈土、褐土、灰褐土和山地草甸土或河灘沙地，四川省川西獐牙菜分布的土壤類型為棕壤、褐土、暗棕壤等[16，19]。這些土壤有機(jī)質(zhì)含量高，含水量為12%～30%，透氣性較好，更有利于生長，藥性也能得到極大的保留。運(yùn)用ArcGIS 103軟件的空間分析功能從全國1∶100萬中國土壤類型空間分布數(shù)據(jù)上裁剪出四川省土壤類型數(shù)據(jù)，提取出符合四川省川西獐牙菜生長條件的土壤類型，見圖7。

326適宜林地、草地信息提取川西獐牙菜屬喜光植物，分布密度較小，主要生長于山坡、河谷、林下、灌叢、河谷溪流兩旁的草叢及山坡草地，有時(shí)可呈小片集中分布[1617]。從四川省土地利用現(xiàn)狀圖中提取出四川省林地、草地信息，見圖8。

327適宜坡度信息提取川西獐牙菜的居群主要分布于寬闊谷地、河灘砂地、河邊草坪、農(nóng)田水渠邊、山坡草甸及河邊的灌叢，少數(shù)生長高山[16]。在0～25°的坡度分布數(shù)量較多，25°以上的坡度也有極少分布。綜合四川省中藥研究院提供的川西獐牙菜生長坡度參數(shù)及野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，本次研究將四川省川西獐牙菜的適宜坡度范圍定為0～25°。利用ArcGIS 103軟件從全國數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)上裁剪出四川省DEM柵格數(shù)據(jù)，通過Slope工具提取出符合四川省川西獐牙菜生長條件的坡度范圍，見圖9。

33適宜分布區(qū)提取

根據(jù)以上生態(tài)因子提取分析，分別得到適宜川西獐牙菜生長條件的海拔范圍、年均溫范圍、年均降水范圍、≥0 ℃積溫范圍、土壤類型、林地草地信息、坡度范圍7個(gè)單因子信息。利用ArcGIS 103軟件的空間分析功能，對以上7個(gè)單因子圖層進(jìn)行疊加分析，得到四川省川西獐牙菜資源的適宜性分布區(qū)圖，見圖10。

34野外實(shí)地調(diào)查與驗(yàn)證

野外實(shí)地調(diào)查與驗(yàn)證是中藥材適宜性研究不可缺少的環(huán)節(jié)，也是驗(yàn)證與實(shí)際分布情況是否一致的重要途徑。本次野外實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證選在四川省的阿壩州地區(qū)，共采集了22個(gè)樣方數(shù)據(jù)，其中有16個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)是川西獐牙菜分布較為集中的區(qū)域，見表1。海拔均在2 000 m以上，利用手持GPS打點(diǎn)定位記錄海拔高度、地理坐標(biāo)的以及拍照記錄周邊環(huán)境。將采集的點(diǎn)位數(shù)據(jù)通過GPS自帶軟件GIS Office導(dǎo)入ArcGIS 103軟件中進(jìn)行空間疊加分析，疊加結(jié)果表明選取的驗(yàn)證區(qū)域與運(yùn)用GIS技術(shù)分析得出的區(qū)域具有較高的一致性。endprint

35面積估算

通過對四川省川西獐牙菜適宜性分布區(qū)域分析，結(jié)果表明：四川省川西獐牙菜資源主要分布在四川西北部的德格縣、甘孜縣、道孚縣、康定縣、馬爾康市、金川縣、小金縣、丹巴縣、稻城縣、鄉(xiāng)城縣、新龍縣、阿壩縣、雅江縣、木里縣等地。利用ArcGIS 103軟件的空間分析功能，將四川省行政矢量邊界圖層和川西獐牙菜適宜分布區(qū)圖層進(jìn)行疊加，提取出四川省川西獐牙菜適宜生長區(qū)面積為1 543749 km2，占分布縣市總面積的725%，見表2。

4結(jié)論與討論

本研究在有關(guān)學(xué)者應(yīng)用遙感和GIS技術(shù)對中藥材資源適宜性研究的基礎(chǔ)上，采用多因子疊加分析的方法，得到并分析了四川省川西獐牙菜資源適宜性分布區(qū)，其適宜分布區(qū)面積為1 543749 km2，占分布縣市總面積的725%?，F(xiàn)有的研究資料顯示野生川西獐牙菜資源主要分布在四川西北部的石渠縣、德格縣、甘孜縣、道孚縣、康定縣、馬爾康市、金川縣、小金縣、丹巴縣、稻城縣、鄉(xiāng)城縣、新龍縣、阿壩縣、雅江縣等[17]。本次基于遙感與GIS技術(shù)研究分析的結(jié)果與現(xiàn)有研究結(jié)果基本一致，說明遙感和GIS技術(shù)在四川省川西獐牙菜資源適宜性分布研究中的應(yīng)用具有可行性，可以應(yīng)用于其他地區(qū)川西獐牙菜資源和其他中藥材資源的適宜性分布研究。

由于生態(tài)因子閾值的確定存在一定的不確定性，本文僅就7個(gè)生態(tài)因子，對川西獐牙菜適宜分布區(qū)進(jìn)行研究，分析結(jié)果與實(shí)際分布情況存在一定偏差。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)四川省川西獐牙菜存在潛在的適宜分布區(qū)。四川省川西獐牙菜除了傳統(tǒng)的分布區(qū)外還存在新的適宜分布區(qū)，阿壩州的若爾蓋縣、九寨溝縣、松潘縣和涼山州的木里縣等地分布面積就有275061 km2，占四川省川西獐牙菜適宜分布區(qū)總面積的1782%。這些新適宜分布區(qū)的發(fā)現(xiàn)不僅增加了四川省川西獐牙菜的適宜分布范圍，還能改變當(dāng)?shù)刂兴幉姆N植的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

今后研究的重點(diǎn)、難點(diǎn)是多生態(tài)因子的結(jié)合分析、生態(tài)因子閾值的確定和數(shù)據(jù)精度、分辨率的提高。隨著氣候因子數(shù)據(jù)庫、土壤數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫等各項(xiàng)國家基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的日益完善，中藥材產(chǎn)地適宜性分析將更加科學(xué)合理[20]。

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[責(zé)任編輯呂冬梅]endprint