基于遙感與GIS技術(shù)的川產(chǎn)道地藥材川貝母適宜區(qū)研究

方清茂　彭文甫　董永波　吳萍　羅冰　王洪蘇　趙軍寧

摘要 本文根據(jù)川產(chǎn)道地藥材暗紫貝母的生長適宜性要求，通過遙感與GIS空間分析、空間數(shù)據(jù)建庫等技術(shù)，提取土地利用信息，結(jié)合暗紫貝母生長的環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行量化和綜合分析，得到川產(chǎn)道地藥材暗紫貝母的適宜分布范圍。結(jié)果表明，四川省紅原、松潘、若爾蓋、九寨溝、茂縣、黑水、理縣、平武、馬爾康等地等地區(qū)為川產(chǎn)道地藥材暗紫貝母的適宜分布區(qū)域，其中紅原、松潘、若爾蓋、茂縣、黑水、馬爾康、九寨溝7個縣是暗紫貝母的主要分布地區(qū)，占適宜區(qū)總面積的45.2%。通過實地暗紫貝母資源調(diào)查得知，本次研究結(jié)果與暗紫貝母在四川省的實際產(chǎn)地基本吻合。研究表明利用GIS與遙感技術(shù)對暗紫貝母適宜區(qū)進(jìn)行研究具有科學(xué)性和可行性，為暗紫貝母種植的區(qū)域布局提供信息支持。

關(guān)鍵詞 遙感;GIS;道地藥材;川貝母;暗紫貝母;生態(tài)環(huán)境;適宜區(qū);種植

Abstract The suitable distribution regions of Fritillaria unibracteata， one of the famous Daodi-herbs produced in Sichuan Province was studied by remote sensing and GIS spatial analysis of the suitable environmental indicators of Fritillaria unibracteata. The results showed that the suitable regions of Fritillaria unibracteata were Hongyuan， Songpan， Ruoergai， Jiuzhaigou， Maoxian， Pingwu， Heishui， Lixian and Maerkang， etc. Hongyuan， Songpan， Ruoergai， Jiuzhaigou， Maoxian， Heishui and Maerkang were the best suitable regions of Fritillaria unibracteata， accounting for 45.2% of the total suitable areas. It was learned from the field investigation of Fritillaria unibracteata that our results coincided with the wild investigation of Fritillaria unibracteata in Sichuan. Remote sensing and GIS technology is a suitable tool for investigation of Fritillaria unibracteata. Our results also provide support for rational planting and monitoring control of other wild herbs.

Keywords Remote sensing（RS）; GIS; Dao di herbs; Fritillariae cirrhosae bulbus; Fritillaria unibracteata; Ecological environment; Suitable regions; Planting

中圖分類號：[R282.2]文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2020.02.016

川貝母是最具代表性的川產(chǎn)道地珍稀瀕危藥材之一[1-2]，同時又是被列入國務(wù)院《野生藥材資源保護(hù)管理條例》的29種國家重點(diǎn)保護(hù)（三級保護(hù)）植物藥材之一[3]，具有清熱潤肺、化痰止咳、散結(jié)消癰之功效[4]。“松貝”是川貝母的優(yōu)質(zhì)商品規(guī)格，而暗紫貝母Fritillaria unibracteata Hsiao et K.C.Hsia.是川貝母藥材“松貝”的主要來源[5]。

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，對中藥材的需求越來越大。川貝母飲片及相關(guān)制劑、藥品臨床應(yīng)用廣泛，目前市場年需求量在60萬千克以上，由于川貝母商品藥材大部分來自于野生資源，而野生川貝母的年產(chǎn)量不到10萬千克，導(dǎo)致貨源短缺，市場價格不斷攀升，優(yōu)質(zhì)的“松貝”價格已超過4 000元/kg。川貝母具有獨(dú)特的潤肺、保護(hù)肺功能的功效，隨著全球候變化的影響，冬季霧霾的加重，對川貝母的需求量必將進(jìn)一步增加。川貝母資源短缺已經(jīng)成為制約我國中成藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個瓶頸。因此，了解川貝母的分布區(qū)域與氣候生態(tài)特征對于發(fā)展川貝母的栽培具有十分重要的指導(dǎo)意義。

遙感技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的采集地球數(shù)據(jù)及其變化信息的重要綜合性技術(shù)手段，而地理信息系統(tǒng)的優(yōu)勢在于它獨(dú)特的地理空間分析能力和強(qiáng)大的可視化表達(dá)手段等，在世界范圍內(nèi)以及我國眾多科研機(jī)構(gòu)和領(lǐng)域中遙感和GIS技術(shù)都得到廣泛應(yīng)用[6]。如果單純依靠傳統(tǒng)的地面實地調(diào)查方式來研究中藥材分布，實施起來難度和工作量都會非常大，而遙感在中藥材資源領(lǐng)域的應(yīng)用具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，可以大面積同步觀測并提供最佳獲取信息的方式[7]。傳統(tǒng)的地面調(diào)查必須在大量的人力，物力等基礎(chǔ)上，用幾年，幾十年甚至更長的時間才能獲得大范圍地區(qū)動態(tài)變化數(shù)據(jù)，而空間遙感探測，可以在短時間內(nèi)對同一地區(qū)進(jìn)行重復(fù)探測，具有人力不可比擬的時效性[8]。將地理信息系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于中藥資源適宜分布范圍研究，即通過把與中藥材生長環(huán)境相關(guān)的各個環(huán)境因子分別量化成單元公里網(wǎng)格即柵格數(shù)據(jù)，并進(jìn)行量化和綜合分析，能科學(xué)、快速、準(zhǔn)確地分析出各個環(huán)境因子作用下中藥材的適宜分布范圍，根據(jù)對環(huán)境因子的依賴程度確定中藥資源的適宜范圍并使之可視化，同時也能準(zhǔn)確的計算出適宜范圍所包含的縣區(qū)及面積，與傳統(tǒng)資源調(diào)查比較具有不可比擬的優(yōu)勢性[9-10]。當(dāng)今社會已經(jīng)進(jìn)入信息時代，GIS和遙感等先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用于道地藥材適宜產(chǎn)地乃至整個中藥資源領(lǐng)域的研究中，包括對中藥資源的分布調(diào)查、動態(tài)監(jiān)測和區(qū)劃管理等方面[11-12]。

川貝母歷來以采挖野生資源為主，因此對其野生資源的分布研究具有很大困難。目前利用遙感和GIS等技術(shù)對傳統(tǒng)中藥材分布的研究中大多集中在蒼術(shù)、茱萸、當(dāng)歸等種類方面[6-7，13-16]，鮮有對川貝母分布區(qū)的研究。本次研究主要針對川貝母的主流品種暗紫貝母，擬采用遙感、GIS和空間數(shù)據(jù)建庫等技術(shù)，通過遙感影像解譯、GIS空間分析，提供川產(chǎn)道地藥材暗紫貝母適宜分布區(qū)研究的解決方案，為有效監(jiān)測野生暗紫貝母的分布、數(shù)量、合理化種植等提供信息支持，并為其他野生中藥材遙感監(jiān)測提供參考。

1 研究區(qū)概況

暗紫貝母是典型的川產(chǎn)道地藥材，分布區(qū)域狹窄，生態(tài)環(huán)境特殊，藥材具有典型的“懷中抱月”形態(tài)特征。暗紫貝母適宜生長區(qū)為我國高海拔地區(qū)，主要是青藏高原東南緣的四川省西北部及青海省南部、甘肅省西南部。在青藏高原其他地區(qū)，如四川省甘孜州、西藏自治區(qū)、云南省等均沒有分布。分布區(qū)域?qū)俅箨懜咴詺夂颍募練鉁責(zé)o明顯差別，冬季嚴(yán)寒漫長，夏季涼寒濕潤，年平均氣溫0.8～4.3 ℃。暗紫貝母在四川省主要分布于若爾蓋高原和川西高山峽谷東段，海拔3 200～4 500 m的草甸和灌叢中，其中以若爾蓋高原區(qū)所產(chǎn)質(zhì)量為優(yōu)[17]。根據(jù)暗紫貝母生長適宜性要求，本次研究區(qū)域包括四川省阿壩藏族自治州的馬爾康市、金川縣、小金縣、阿壩縣、若爾蓋縣、紅原縣、壤塘縣、汶川縣、理縣、茂縣、松潘縣、九寨溝縣、黑水縣等縣市地區(qū)。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理 本次研究數(shù)據(jù)及來源：2013年四川省的Landsat TM/ETM+遙感影像，數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中科院地理所數(shù)據(jù)中心;四川省行政區(qū)矢量邊界，數(shù)據(jù)來源于來源于四川師范大學(xué)西南土地資源與評價教育部重點(diǎn)實驗室;川產(chǎn)道地藥材生長生態(tài)因子空間數(shù)據(jù)，包括高程數(shù)字模型（DEM），來源于USGS;氣象柵格數(shù)據(jù)，來源于CERN生態(tài)綜合數(shù)據(jù)庫及共享平臺。數(shù)據(jù)處理：應(yīng)用ENVI4.8軟件，對遙感影像進(jìn)行幾何糾正、輻射定標(biāo)、大氣糾正、拼接與剪裁，得到四川省遙感數(shù)據(jù);利用人機(jī)交互解譯與野外調(diào)查結(jié)合的方法，提取四川省土地利用數(shù)據(jù);通過重采樣，分別將DEM和氣象柵格數(shù)據(jù)的分辨率轉(zhuǎn)化為85.6 m。

2.2 研究方法 中藥資源的分布、產(chǎn)量及質(zhì)量都與地理環(huán)境變化有直接關(guān)系，不同環(huán)境因子作用下的同一種藥材，它的藥性、產(chǎn)量、質(zhì)量都會有很大的差別[9]，因此本次研究首先查閱川產(chǎn)道地藥材生態(tài)與環(huán)境文獻(xiàn)及歷史數(shù)據(jù)，了解影響其生長的環(huán)境因子，并進(jìn)行分類和分析，然后利用遙感圖像和地理背景數(shù)據(jù)及其相關(guān)關(guān)系進(jìn)行綜合研究，獲得最終結(jié)果。具體研究方法如下：1）川產(chǎn)道地藥材暗紫貝母生長環(huán)境因子篩選和分類;2）獲取川產(chǎn)道地藥材遙感監(jiān)測需要的地理遙感數(shù)據(jù);3）建立遙感數(shù)據(jù)和地理背景數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系;4）確定川產(chǎn)道地藥材暗紫貝母的分布范圍;5）川產(chǎn)道地藥材暗紫貝母分布面積測算。

具體技術(shù)方法如下。見圖1。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用分類 本研究擬采用監(jiān)督分類得到近期四川省土地利用信息。首先對遙感影像進(jìn)行影像增強(qiáng)和變換等預(yù)處理;其次采用基于像元光譜信息的統(tǒng)計分類的監(jiān)督分類法進(jìn)行遙感圖像的分類，主要包括2個階段：一是樣本ROI選取過程，二是執(zhí)行監(jiān)督分類過程;然后通過分類算法將四川省土地利用劃分為耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)、荒漠和其他等類型;最后經(jīng)過精度檢驗得到最終分類結(jié)果見圖2。

3.2 生態(tài)環(huán)境因子疊加分析

3.2.1 提取適宜高程 在GIS軟件支持下，根據(jù)適宜暗紫貝母的生長適宜性要求，利用ArcToolbox工具從DEM數(shù)據(jù)上提取其高程范圍。據(jù)資料[17-18]顯示，暗紫貝母多生于海拔3 200～4 500 m的高山灌叢草甸如金露梅灌叢、窄葉鮮卑花灌叢、珠芽蓼草甸等生態(tài)環(huán)境，最適宜區(qū)為海拔3 600～4 300 m的四川西北部高原地區(qū)。為保證研究結(jié)果的可擴(kuò)展性，本次研究將高程范圍控制在3 200～4 500 m范圍內(nèi)，從研究區(qū)DEM數(shù)字高程模型上提取符合范圍的高程。見圖3。

3.2.2 提取適宜年平均氣溫 在GIS軟件支持下，首先從四川省年均溫柵格數(shù)據(jù)中裁剪出整個適宜區(qū)的年均溫柵格影像圖，然后根據(jù)適宜暗紫貝母生長的適宜性要求，從適宜區(qū)柵格影像上提取出符合適宜暗紫貝母生長的年平均氣溫范圍。資料顯示，暗紫貝母適宜區(qū)的氣候，7月最高氣溫低于30 ℃，年均氣溫為3 ℃，極端最高氣溫為25.6 ℃，極端最低氣溫為-25.8 ℃，無霜期100 d[17]。從四川省年均溫柵格影像圖上提取符合條件的年均溫影像。見圖4。

3.2.3 提取適宜年降水量 根據(jù)獲得的資料[12]及野外實地調(diào)查研究顯示，暗紫貝母多見于稀疏灌木林和林緣半陰處，喜溫暖、濕潤的中低山地，年降水量為700 mm，相對濕度67%。結(jié)合這一適宜性要求提取出暗紫貝母生長的適宜區(qū)年降水量信息，提取方法與提取年平均氣溫及高程數(shù)據(jù)相同。見圖5。

3.2.4 提取暗紫貝母適宜區(qū)分布范圍 道地藥材的生長是多種生態(tài)環(huán)境因子共同相互作用的結(jié)果，因此必須要綜合考慮各因子對其生長的影響，將以上得到的生態(tài)環(huán)境因子做疊加并進(jìn)行進(jìn)一步分析。首先將提取得到的高程、年均溫和降水圖層依次疊加，然后進(jìn)行空間分析，提取暗紫貝母適宜區(qū)范圍，最后對得到暗紫貝母生長的適宜范圍進(jìn)行可視化表達(dá)。見圖6?？芍?，暗紫貝母的適宜區(qū)主要為四川青藏高原東南緣的亞寒帶干燥氣候區(qū)，在阿壩藏族自治州若爾蓋、紅原、松潘、九寨溝、茂縣、黑水、理縣、平武、馬爾康等地均有分布。

暗紫貝母分布面積估算。利用ArcToolbox工具對生成的暗紫貝母適宜區(qū)進(jìn)行面積測算得到暗紫貝母適宜分布面積及其所占百分比。見表1。松潘、紅原、阿壩和壤塘4個縣暗紫貝母適宜種植面積較大，分別約為1 472 km2、1 290 km2、2 512 km2、1 353 km2，占各縣總面積的11.26%、9.86%、19.21%、10.35%。適宜種植面積在美姑縣綿竹市所占比例最少，約10 km2，僅占暗紫貝母總適宜區(qū)分布面積的0.08%。通過進(jìn)一步分析可知，松潘、紅原、阿壩和壤塘均屬高原地區(qū)的阿壩藏族自治州，該區(qū)海拔高，為氣候寒冷，長冬無夏，日照充足的大陸高原性氣候氣候，可以得知暗紫貝母分布區(qū)域?qū)τ谏L環(huán)境因子要求嚴(yán)苛，在川貝母分布研究中綜合因子是不能忽視的重要影響因素。

3.2.5 提取暗紫貝母最適宜區(qū)分布范圍 道地藥材的生長是多種生態(tài)環(huán)境因子共同相互作用的結(jié)果，因此必須要綜合考慮各因子對其生長的影響，將以上得到的以海拔為主，加上其他最適宜生態(tài)環(huán)境因子做疊加并進(jìn)行進(jìn)一步分析。提取暗紫貝母最適宜區(qū)范圍，最后對得到暗紫貝母生長的最適宜范圍進(jìn)行可視化表達(dá)。見圖7?？芍?，暗紫貝母的最適宜區(qū)主要為四川青藏高原東南緣的亞寒帶干燥氣候區(qū)，在阿壩藏族自治州若爾蓋、紅原、松潘、九寨溝、茂縣、黑水、理縣、馬爾康等地為暗紫貝母的最適宜分布區(qū)，占適宜區(qū)總面積的45.2%。見表2。

4 結(jié)論

本次研究通過遙感和GIS技術(shù)對中藥材原生地因子，主要包括氣溫、海拔、降水及其他影響因子，采用疊加及綜合分析對川產(chǎn)道地藥材暗紫貝母進(jìn)行研究，得到暗紫貝母的適宜區(qū)分布范圍。將暗紫貝母最終產(chǎn)地適宜區(qū)分析結(jié)果與實際資源調(diào)查進(jìn)行對比，結(jié)果表明，本次研究得到的川貝母適宜區(qū)分布范圍基本與其實際資源分布區(qū)域相吻合，說明利用遙感與GIS技術(shù)對道地藥材甚至全國中藥材資源的分布監(jiān)測和普查是一種可行的科學(xué)的方法。與王瑀等[13]應(yīng)用GIS技術(shù)所獲得全國暗紫貝母適宜產(chǎn)地面積比較，本研究所得的四川省暗紫貝母適宜區(qū)面積較小，主要是采取的分析方法不同所致。本研究過程也獲得了甘孜州康定市、甘孜縣等地的暗紫貝母適宜區(qū)面積，但是在實際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，四川省暗紫貝母的分布主要在阿壩州東北部，在四川省甘孜州與西藏自治區(qū)實際上沒有暗紫貝母分布，因此，本次研究沒有列出數(shù)據(jù)分析所得到的暗紫貝母在甘孜州的分布面積。

與傳統(tǒng)的調(diào)查手段和方法而言，遙感和GIS技術(shù)擁有人力所不能比擬的優(yōu)勢，可以節(jié)約集約利用各種社會和經(jīng)濟(jì)資源，可以使中藥材資源的調(diào)查、監(jiān)測和保護(hù)更加準(zhǔn)確、快速。本次研究我們僅選取了暗紫貝母一種藥材的原植物進(jìn)行分析，可以得到較為準(zhǔn)確的分析結(jié)果，但是遙感圖像的獲取、遙感圖像的分類精度以及影響因子的柵格影像的準(zhǔn)確性，都會影響到最終分析結(jié)果。因此，在實際中藥材生產(chǎn)過程中，應(yīng)以產(chǎn)地的特殊生態(tài)環(huán)境與氣候為標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)中藥材的生產(chǎn)布局。

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（2020-01-09收稿 責(zé)任編輯：王明）