應(yīng)用層次分析法和地理信息系統(tǒng)技術(shù)對四川杜仲適宜栽培區(qū)區(qū)劃1)

王寶川 劉晨 田孟良

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué),成都,611130)

杜仲(Eucommiaulmoides)隸屬于杜仲科(Eucommiaceae)杜仲屬(EucommiaOliver)，是我國特有單科、單屬、單種植物。在植物分類、起源等研究中具有重要作用，目前已被列為國家二級保護植物。杜仲亦是我國特有的名貴中藥材，以干燥樹皮入藥，具有補肝腎、強筋骨的功效，此外，從杜仲中提取的杜仲膠現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器具、電力器材、石油化工、航空航天等領(lǐng)域[1]。為進一步保護和利用杜仲資源，國家林業(yè)局于《全國杜仲產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃2016—2030年》中規(guī)定，四川省將新增杜仲林規(guī)模666.7 hm2。適宜的環(huán)境才能夠促進植物的生長及有效成分的積累，為使新增杜仲林具有更好的藥用經(jīng)濟價值及發(fā)揮其重要的生態(tài)效益，對四川省杜仲栽培適宜性進行評價亟待研究。

國內(nèi)外專家已提出過多種適宜性評價模型或方法，如Maxent模型、CLIMEX模型、GAM模型和AHP法等。Elith et al.[2]認(rèn)為,Maxent模型是預(yù)測能力最好的模型之一，Maxent模型最大的優(yōu)點在于不需要太多的物種分布點，就能得到較準(zhǔn)確的評價結(jié)果，但其缺點是假陰性幾率高(實際物種存在而模型預(yù)測不存在)，而AHP法不需要物種的分布點就能進行適宜性評價，其準(zhǔn)確性也較高[3-4]。前人已通過Maxent模型對貴州省杜仲進行過適宜性評價，但對四川省杜仲進行適宜性評價的研究還未見報道。王洪峰[4]用AHP和PCA法對松嫩草地耐鹽植物進行了適生性評價；林偉[5]用AHP法對吉林中部地區(qū)玉米種植模式進行了綜合評價。本研究根據(jù)四川杜仲的生態(tài)環(huán)境特點，先運用AHP法獲取9個評價因子的權(quán)重，再利用GIS進行空間分析處理，對四川杜仲適宜栽培區(qū)進行劃分與評價，并將實際調(diào)查到的杜仲分布點作為驗證數(shù)據(jù)進行驗證，能進一步地驗證此次劃分的準(zhǔn)確性，最終為四川杜仲的合理開發(fā)利用及種植栽培提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

四川省位于我國西南部，地處北緯26°3′～34°19′，東經(jīng)97°21′～108°12′，總面積48.6萬km2。四川地形較為復(fù)雜，西部海拔較高，以高原、山地為主，東部為盆地和丘陵地貌，海拔為500～2 000 m。四川氣候特征豐富多樣，四川盆地為亞熱帶濕潤氣候，年均氣溫16 ℃以上；川西南地區(qū)以亞熱帶半濕潤氣候為主，年均氣溫12 ℃，無明顯的四季劃分；川西北氣候類型為高原高寒氣候區(qū)，海拔跨度較大，年均氣溫4 ℃，年均降水量小于1 000 mm。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本次調(diào)查研究的范圍為四川全省。數(shù)據(jù)包括四川省高程(DEM)數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m×30 m，數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)；四川省土壤、氣象及土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，空間分辨率均為1 km×1 km；四川省縣級行政邊界矢量數(shù)據(jù)，來源于中國基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)(http：//nfgis.Nsgis.gov.cn/)；杜仲野外分布點的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)由GPS儀進行采集。最后將以上的所有柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一坐標(biāo)及柵格大小(1 km×1 km)。

2.2 研究方法

植物資源的分布情況、生長狀況，尤其像杜仲這類藥用植物，其藥用部分產(chǎn)量的高低及質(zhì)量的好壞與其生長環(huán)境密切相關(guān)[6-9]。本研究選取對其生長發(fā)育影響較大的3類環(huán)境因素，再結(jié)合層次分析法(AHP)確定各因素下各個環(huán)境因子的權(quán)重值，根據(jù)最終加權(quán)得分值的高低，將四川杜仲適宜栽培區(qū)分為最適宜、適宜和不適宜3個等級。其中，最適宜分布區(qū)是最有利于杜仲生長的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)最先考慮在該區(qū)域種植杜仲以及是否適合作為藥用或工業(yè)用途。利用GIS技術(shù)進行空間分析，得到杜仲的適宜性栽培區(qū)域等級圖及其分布面積，最后再將野外實地調(diào)查到的杜仲分布點與劃分的結(jié)果進行比較，能進一步驗證此次四川杜仲適宜栽培區(qū)劃分的準(zhǔn)確性。

評價指標(biāo)的選?。褐参镔Y源的生長及分布情況是地形地貌、氣候、土壤、植被、水文等多種環(huán)境因素相互作用的結(jié)果[6]。評價指標(biāo)的選取是對杜仲進行適宜性評價的重要部分，本研究共選取主要影響杜仲生長發(fā)育的地形、氣候和土壤因素作為一級指標(biāo)，包括坡度、坡向、海拔、年均降水量、年均氣溫、年均≥10 ℃積溫、土壤類型、土壤質(zhì)地和土地利用情況共計9個二級評價指標(biāo)。

高程(海拔)的高低影響著土壤的理化性質(zhì)，從而間接影響植物的生長發(fā)育、產(chǎn)量及質(zhì)量，地形中的坡度和坡向也是影響植物生長和分布的重要生態(tài)環(huán)境因子[7]。根據(jù)文獻記載和中國數(shù)字植物標(biāo)本館(http://www.cvh.ac.cn/class)記錄的杜仲標(biāo)本信息，表明杜仲可生長于海拔10～2 500 m的地方[8-10]，而四川杜仲主要分布在海拔500～1 500 m的區(qū)域，雖然在海拔2 350 m的地方也有分布，但其生長速率較慢[11]，綜合以上考慮，本研究將適合杜仲生長海拔定為300～1 800 m。據(jù)相關(guān)文獻資料顯示[12-13]，杜仲一般生長在陽光充足的地區(qū)，從四川所處的地理位置及太陽照射的實際情況來看，即選擇坡向朝南的地方，將適合杜仲生長的坡向定為南坡、東南坡和西南坡較為科學(xué)。杜仲對坡度的要求不高，坡度較小的坡地一般用于發(fā)展種植業(yè)，我國森林法規(guī)定，>25°的坡地應(yīng)當(dāng)種樹、種草[14]，但是過大的坡度不利于杜仲藥材的收割。綜合考慮進行規(guī)?；斯ぴ耘嗪筒徽加梅N植業(yè)用地的情況下，杜仲適生坡度定為15°～30°。

氣候因素是植物正常生長發(fā)育的基本保障。杜仲引種栽培成活率較高，在我國杜仲北至吉林省南至廣東省都基本引種成功，但吉林引種的杜仲生長速度小于四川、湖南等省；從陜西引種到寧夏的杜仲成活率可達85%，但在氣溫達到36 ℃，地溫達到70 ℃時會灼傷杜仲根部，影響其正常生長；而廣東省由于氣溫高、降水量大，導(dǎo)致杜仲病蟲害發(fā)生嚴(yán)重，杜仲生長受到一定的影響[15-17]。根據(jù)專家建議和文獻報道[8，10，16，18]，選擇年均氣溫15 ℃，年均降水量1 200 mm，全年≥10 ℃積溫4 000 ℃作為四川杜仲進行適宜性劃分的限制條件較合理。

通過前人調(diào)查研究以及相關(guān)文獻報道[19-20]，適宜杜仲生長的土壤主要為土層深厚、富含有機質(zhì)、透氣透水性強的棕壤土、黃壤土和紫色土等土壤類型。土壤質(zhì)地反映的是土壤中不同大小的土壤礦物顆粒的組合狀況，對植物生長發(fā)育十分重要。土壤顆粒粗細(xì)不同，對土壤供肥、供水、熱量狀況、空氣狀況等均有重要的影響。砂粒土的保水作用很差，透氣性好；粉粒通透性較差，保水性一般；黏粒土透氣性極差，保水能力很強[20]。土地利用類型是一種間接表現(xiàn)土壤特征的指標(biāo)，杜仲最適合在林地中生長，因此，將土地利用類型中的林地作為評價因子較合適，土地利用情況主要受自然、經(jīng)濟和社會因素的影響，將土地利用類型歸為土壤因素下的二級指標(biāo)，可排除大量已用于房屋、道路建設(shè)的土地，能更好的劃分出杜仲適宜分布范圍及相應(yīng)面積，因此，將土地利用類型歸為土壤因素的下級指標(biāo)進行評價。

評價指標(biāo)權(quán)重值確定：植物的生長發(fā)育受到溫度、降水量、土壤等多種環(huán)境因素的影響，各個因素對植物生長發(fā)育的影響程度很難判斷。層次分析法(AHP)是一種定性與定量相結(jié)合的分析方法，本研究采用AHP法，通過向杜仲相關(guān)研究領(lǐng)域的10個課題組專家進行問卷調(diào)查，經(jīng)過統(tǒng)計和篩選以后，得到各評價指標(biāo)的權(quán)重值(表1)，所有數(shù)據(jù)均通過一致性檢驗，為本次決策提供科學(xué)依據(jù)[21-22]。

表1 四川省杜仲適宜性分布評價指標(biāo)權(quán)重值

評價標(biāo)準(zhǔn)：將每個環(huán)境因子的權(quán)重值進行加權(quán)疊加，根據(jù)加權(quán)值的大小對杜仲資源進行適宜性評價。計算公式如下[6，23-24]。

式中：F為杜仲最終得分情況，根據(jù)F值的范圍，利用ArcGIS將相應(yīng)圖層疊加，得到對應(yīng)范圍的分布圖；n為評價因子的個數(shù)；Xi為評價因素的權(quán)重值；Yi為評價因子的權(quán)重值；i代表準(zhǔn)則層/決策層的不同因素/因子，取值為1、2、3、…、n。

根據(jù)最終得分情況來劃分杜仲適宜分布等級，1級得分為0.9分≤F≤1.0分，即最適宜栽培區(qū)域；2級得分為0.7分≤F<0.9分，即適宜栽培區(qū)域；3級得分為0≤F<0.7分，即不適宜栽培區(qū)[23]。

結(jié)果驗證點的選擇：野外實地調(diào)查能進一步驗證適宜性分析的準(zhǔn)確性，但四川省面積較大，且杜仲資源儲量較低，難以大面積實地調(diào)查，只能采取抽樣調(diào)查的方式對某些地域進行實地調(diào)查。本研究選擇四川省杜仲種植面積最大的廣元部分地區(qū)(旺蒼縣、蒼溪縣、劍閣縣、朝天區(qū))進行實地調(diào)查，采用中國中醫(yī)科學(xué)院提供的軟件系統(tǒng)對調(diào)查區(qū)格網(wǎng)化(1 km×1 km)處理，該系統(tǒng)以自然隨機的方式在調(diào)查區(qū)選取200個樣地(1 km×1 km)作為調(diào)查樣地(實際調(diào)查161個，其余樣地由于各種原因不適宜調(diào)查)，統(tǒng)計樣地內(nèi)杜仲的株樹、單株高度及病蟲害發(fā)生狀況。

3 結(jié)果與分析

3.1 地形因素

根據(jù)已獲取的四川省高程(DEM)數(shù)據(jù)柵格影像圖，分辨率為30 m×30 m，再利用ArcGIS10.4軟件進行重采樣，將四川省高程柵格影像分辨率轉(zhuǎn)換為1 km×1 km，最后提取出適合杜仲生長的適生高程范圍、適生坡向范圍、適生坡度范圍(圖1)，空間分辨率均為1 km×1 km。在地形因素中，滿足適生高程1 200 m的區(qū)域主要集中在四川盆地及川東北地區(qū)，川西的阿壩羌族自治州、涼山彝族自治州及甘孜藏族自治州等區(qū)域幾乎沒有適合杜仲生長的海拔區(qū)域。

3.2 氣候因素

利用ArcGIS10.4的空間分析功能，對空間分辨率為1 km×1 km的四川省年均氣溫柵格影像、四川省年降水量柵格影像、四川省≥10 ℃年積溫柵格影像進行分析處理，提取滿足條件的適生年均氣溫范圍、適生年均降水量范圍和適生全年≥10 ℃積溫范圍(圖2)，空間分辨率均為1 km×1 km。在氣候因素中，四川省全年≥10 ℃積溫是限制杜仲生長的最主要因子，同樣作為限制因子的四川省年均降水量此時的限制作用卻不太明顯。

3.3 土壤因素

土地利用情況能準(zhǔn)確的反映當(dāng)前土地的使用情況，林地不僅最適合杜仲生長，且不影響耕地、草地等的正常使用，因此，將林地作為四川杜仲適生土地類型(圖3)。從全國土壤類型空間分布數(shù)據(jù)中提取出適合四川杜仲生長的土壤類型范圍、土壤質(zhì)地范圍(圖3)，空間分辨率為1 km×1 km。盡管成都平原土壤類型及土壤質(zhì)地都很適合杜仲生長，但本區(qū)域土地利用類型并不適合種植杜仲。將土地利用類型作為土壤因素下的二級指標(biāo)進行評價，能夠讓四川省杜仲栽培區(qū)的劃分更準(zhǔn)確。

3.4 ArcGIS疊加分析

將得到的9個適宜杜仲生長的評價因子的柵格數(shù)據(jù)的權(quán)重值加權(quán)疊加得到最終得分值F，根據(jù)得分情況進行等級的劃分，共分為最適宜(0.9分≤F≤1.0分)、適宜(0.7分≤F<0.9分)和不適宜(0≤F<0.7分)3個等級。再運用ArcGIS的空間疊加分析功能，根據(jù)得分情況進行疊加分析最終得到杜仲適宜栽培分布范圍(圖4)。將四川省市級行政邊界shp圖進行疊加分析，結(jié)合ArcGIS柵格計算器的運算功能得到杜仲在四川省各個市的適宜分布面積(表2)。通過對四川省杜仲資源的適宜性栽培區(qū)域進行研究，可得到以下結(jié)果，四川省21個市級行政區(qū)均有適宜杜仲生長分布的區(qū)域，而最適宜杜仲生長的區(qū)域分布在四川省的16個市、州，包括廣元市、綿陽市、達州市、巴中市、瀘州市、雅安市、樂山市、宜賓市、成都市、涼山彝族自治州、眉山市、德陽市、阿壩羌族自治州、廣安市、甘孜藏族自治州和攀枝花市。杜仲最適宜和適宜栽培區(qū)域的面積分別為6 714、43 618 km2，其中廣元市杜仲資源最適宜分布面積最大，達1 208 km2，其次綿陽、達州和巴中市也有較大面積的杜仲生長最適區(qū)。杜仲適宜生長栽培區(qū)中廣元市面積最大，達6 496 km2，其次是綿陽市、達州市、巴中市和瀘州市。綜合分析，廣元、達州、綿陽較適宜杜仲規(guī)?；N植，其中廣元作為杜仲藥材的道地產(chǎn)區(qū)，最應(yīng)當(dāng)加大杜仲的種植力度。

表2 杜仲在四川省市級行政區(qū)適宜性分布面積統(tǒng)計

3.5 結(jié)果驗證

按照2.2中的調(diào)查方法進行調(diào)查，在杜仲資源相對豐富的旺蒼縣及鄰近的劍閣縣、蒼溪縣和朝天區(qū)選取161個樣地(格網(wǎng))進行實地調(diào)查(圖5)。161個樣地中有13樣地(表3)有杜仲資源的分布，將這些分布點的經(jīng)緯度信息導(dǎo)入地圖中，發(fā)現(xiàn)劍閣縣、朝天區(qū)各有2個樣地發(fā)現(xiàn)有杜仲分布，旺蒼縣有9個樣地有杜仲資源分布，蒼溪縣未發(fā)現(xiàn)有杜仲資源的分布。13個有杜仲資源分布的樣地中僅有1個樣地分布在不適宜栽培區(qū)。此次野外驗證結(jié)果也進一步說明利用AHP和GIS技術(shù)對杜仲資源進行適宜性分布研究具有一定的科學(xué)性。

表3 實地調(diào)查中有杜仲資源分布的樣地情況

4 結(jié)論與討論

本研究對四川省杜仲資源進行適宜性劃分，共分為最適宜栽培區(qū)、適宜栽培區(qū)和不適宜栽培區(qū)3個等級。杜仲資源最適宜栽培區(qū)主要分布在廣元市、達州市、綿陽市等降水量較豐富的四川盆地邊緣地區(qū)，杜仲資源最適宜栽培區(qū)面積達6 714 km2；杜仲適宜栽培區(qū)范圍較廣，包括資陽市、自貢市、南充市等。此次運用AHP和GIS技術(shù)對杜仲資源的適宜性栽培區(qū)域進行了劃分，實地調(diào)查結(jié)果中所發(fā)現(xiàn)的野生杜仲所在樣點基本都分布在所劃分的杜仲適宜分布區(qū)，表明運用AHP和GIS技術(shù)在植物資源的適宜性劃分中具有可行性，可為其他植物資源適宜性劃分提供參考。

AHP法不需要物種分布點就能進行適宜性評價，且結(jié)果準(zhǔn)確性很高[4，21]，但是AHP法也有不足之處，一是因為該法有一定的主觀因素，對參與權(quán)重打分的專家學(xué)術(shù)水平要求較高，二是該方法對參評因子個數(shù)有要求，一般認(rèn)為參評因子不大于9個時，權(quán)重結(jié)果才比較可靠[25]。而本研究只用了9個與杜仲生長發(fā)育密切相關(guān)的環(huán)境因子作為參評因子，同時所選的專家(課題組)都從事與杜仲相關(guān)的研究多年，能保證參評因子權(quán)重值的可靠性。

影響杜仲生長的生態(tài)環(huán)境因子很多，但是本研究為了保證AHP法的準(zhǔn)確性僅選擇了9個評價因子進行分析，在今后的適宜性分析中，特別是將杜仲作為藥材進行種植時，加入更多評價因子，如土壤重金屬含量、道路交通情況等都應(yīng)該作為評價因子進行疊加分析，能使評價結(jié)果更加科學(xué)、合理。

本研究為了驗證此次等級劃分的準(zhǔn)確性，用自然隨機的方法選擇樣地并進行實地調(diào)查，能夠排除人為主觀因素的干擾。在調(diào)查的161樣地，共發(fā)現(xiàn)13個樣地有杜仲分布，其中有杜仲分布的12個樣地均位于所劃分的適宜栽培區(qū)，不僅說明杜仲資源儲量較少，也說明了該驗證方法較為可靠。