董光+巫明焱+何蘭+陳佳麗

[摘要]川紅花是中國傳統(tǒng)的活血化瘀中藥材。該研究以四川省為例，結(jié)合川紅花生長的生態(tài)環(huán)境指標(biāo)，基于TM影像、數(shù)字高程模型（DEM）、氣象、土壤等數(shù)據(jù)，利用遙感和GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)提取林地、草地、海拔、氣溫、降水、土壤等影響因子，從而對川產(chǎn)道地藥材川紅花的適宜性空間分布進(jìn)行研究，并結(jié)合野外實(shí)測進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：川紅花資源主要集中在四川東部和東北部地區(qū)，適宜性區(qū)域約為6 27714 km2，其中，達(dá)州市的適宜區(qū)的面積達(dá)1 14345 km2，占全省適宜區(qū)的1822%。從各區(qū)縣看，達(dá)川區(qū)適宜性區(qū)域達(dá)到50715 km2，占全縣土地面積的179%。另外，納溪區(qū)、青神縣、江安縣等12個(gè)區(qū)縣的適宜區(qū)面積超過100 km2，且占各縣土地面積的10%以上。通過遙感和GIS技術(shù)分析的結(jié)果與川紅花的實(shí)際分布地區(qū)基本相符，說明利用3S技術(shù)研究川紅花的適宜性分布是可行的，可以為中草藥資源的監(jiān)測保護(hù)以及合理開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]川紅花； 3S技術(shù)； 適宜性； 生態(tài)環(huán)境因子； 空間分布

Study on suitable distribution areas of Sichuan safflower in Sichuan

province based on 3S technologies

CHENG Wuxue1，2， DONG Guang1，2， WU Mingyan1，2， HE Lan1，2， CHEN Jiali1，2

（1 The Institute Geography and Resources Science， Sichuan Normal University， Chengdu 610068， China；

2 Key Laboratory of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest， Ministry of Education， Sichuan Normal

University， Chengdu 610068， China）

[Abstract]Sichuan safflower （Carthamus tinctorius） is a traditional Chinese medicine for promoting blood circulation and removing blood stasis In this paper， taking Sichuan province as an example， based on TM image， digital elevation model （DEM）， meteorology， soil and other data， and using remote sensing and GIS technology to extract grassland， elevation， temperature and precipitation， soil and other influencing factors， the spatial distribution of the suitability of safflower was studied， and the field investigation was carried out The results indicate that Sichuan safflower resources are mainly concentrated in the eastern and northeastern parts of Sichuan， and the suitable distribution area is about 6 27714 km2 The area of suitable area of Dazhou is 1 14345 km2， which is suitable for the province area of 1822% From the county point of view， the suitable area of Dachuan is about 50715 km2， and accounting for 179% of county In addition， Naxi， Qingshen， Jiangan and other 12 counties of the suitable area of more than 100 km2， and accounted for more than 10% of the county The results of remote sensing and GIS analysis are in accordance with the real area of Sichuan safflower resources It is feasible to find out the area suitable for the growth of Sichuan safflower by 3S technologies It can provide a scientific basis for the monitoring and development of Chinese herbal resources

[Key words]Sichuan safflower； 3S technologies； suitability； ecological environment factors； spatial distribution

中醫(yī)藥在我國有著悠久的歷史，幾千年來，中華民族利用中草藥預(yù)防和治療各類疾病及保健，為民族的繁衍昌盛做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，為世界民族醫(yī)藥學(xué)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。但是近年來，社會(huì)對中藥材的需求量逐漸擴(kuò)大，過渡采挖等不合理利用現(xiàn)象日益嚴(yán)重，加之環(huán)境破壞以及大量施用化學(xué)肥料和農(nóng)藥，致使很多中藥資源的品種數(shù)量以及質(zhì)量已經(jīng)不能滿足市場需求。因此，對中藥材資源進(jìn)行及時(shí)有效地調(diào)查研究成為了現(xiàn)代中藥學(xué)的熱點(diǎn)問題。

探索中藥材生長的最適宜性區(qū)域，可通過研究其野生分布區(qū)的地理生態(tài)環(huán)境得出結(jié)果。傳統(tǒng)的中藥資源調(diào)查采用的是外業(yè)調(diào)查與內(nèi)業(yè)整理相結(jié)合，進(jìn)行綜合分析，最后確定每種中藥資源的蘊(yùn)藏量和產(chǎn)量的方法。這種調(diào)查方法受主觀因素影響較大，缺乏科學(xué)性，所需的人力、物力、財(cái)力等調(diào)查成本極高，并且由于中藥資源的蘊(yùn)藏量隨時(shí)在發(fā)生變化，普查成果會(huì)很快失去可靠性。因此，創(chuàng)新技術(shù)與方法開展中藥資源普查、儲(chǔ)量估算和動(dòng)態(tài)監(jiān)測，已成為中藥資源調(diào)查和保護(hù)的首要問題[23]。中藥材資源的分布、產(chǎn)量及質(zhì)量都與地理環(huán)境有著直接的關(guān)系。道地藥材作為中藥特定種質(zhì)在特定空間環(huán)境下的產(chǎn)物，充分體現(xiàn)了空間環(huán)境對中藥資源的巨大影響。換言之，中藥資源的分布、產(chǎn)量及質(zhì)量信息都具有空間信息的特征。因此，對空間信息分析和利用是中藥資源調(diào)查研究的關(guān)鍵問題[3]。

“3S”技術(shù)是地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）三大空間科學(xué)技術(shù)的簡稱[4]。以其快速、經(jīng)濟(jì)、方便等特點(diǎn)，在資源調(diào)查及監(jiān)測方面顯示出極大的優(yōu)勢，其在農(nóng)、林、牧、漁業(yè)等領(lǐng)域資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測方面的應(yīng)用和推廣，為中藥資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測提供切實(shí)可行的理論方法。目前，雖然“3S”技術(shù)在中藥資源研究和保護(hù)中的應(yīng)用剛剛起步，但已展現(xiàn)出了良好的前景[34]。國內(nèi)已有許多的專家學(xué)者利用3S技術(shù)對中藥資源進(jìn)行了研究，取得了一些成果。

孫宇章等[5]利用遙感技術(shù)對稀有野生茅山蒼術(shù)進(jìn)行調(diào)查研究，首先對影響其生長的主要因子進(jìn)行篩選和分類，然后對對江蘇茅山地區(qū)的TM影像進(jìn)行反演，結(jié)合野外實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，建立野外數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)和茅山蒼術(shù)生境數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系，對蒼術(shù)的生長環(huán)境進(jìn)行分級，從而估算出茅山蒼術(shù)資源量。陳士林等[6]運(yùn)用遙感技術(shù)以人參的栽培品種為對象，建立了人參資源遙感調(diào)查的技術(shù)路線和方法，并通過抽樣調(diào)查對研究區(qū)進(jìn)行了人參種植面積測算和估產(chǎn)，精度可達(dá)90%以上。鄭小華等[7]運(yùn)用GIS技術(shù)及模糊綜合評判理論對陜南秦巴山區(qū)進(jìn)行中藥氣候資源評價(jià)及區(qū)劃，篩選影響中藥品質(zhì)的氣候因子，確定中藥氣候資源評價(jià)指標(biāo)模型，并利用GIS空間疊加和分析功能對適宜度進(jìn)行分級，從而得到陜南中藥種植氣候生態(tài)區(qū)劃圖。嚴(yán)輝等[8]利用GIS對冬蟲夏草資源的適宜性空間分布進(jìn)行了研究，通過對主產(chǎn)地野外GPS采點(diǎn)調(diào)查確定影響明黨參生長的生態(tài)因子的屬性數(shù)值范圍，并利用中藥材產(chǎn)地適宜性分析地理信息系統(tǒng)（TCMGIS）對明黨參文獻(xiàn)記載的分布區(qū)進(jìn)行了驗(yàn)證，找出了新的適宜區(qū)。劉珍等[9]根據(jù)彝族藥材的生態(tài)環(huán)境條件，運(yùn)用GIS技術(shù)提取各生態(tài)環(huán)境因子并進(jìn)行空間疊加，得到理論生態(tài)環(huán)境適宜區(qū)，然后結(jié)合土地利用現(xiàn)狀和GIS的分析功能得到直觀的種植布局圖，為當(dāng)?shù)匾退幏N植布局提供依據(jù)。張優(yōu)等[10]根據(jù)豬苓的生態(tài)環(huán)境條件，利用GIS技術(shù)提取影響其生長的各生態(tài)環(huán)境因子，并進(jìn)行空間疊加，得到理論上生態(tài)環(huán)境適宜區(qū)，然后結(jié)合土地利用現(xiàn)狀和GIS的分析功能得到直觀的豬苓的適宜性分布圖，并通過實(shí)地調(diào)查進(jìn)行驗(yàn)證，為全面調(diào)查豬苓資源的分布與合理開發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。調(diào)查顯示，已有冬蟲夏草、黃芩、蒼術(shù)、豬苓、人參等多種中草藥資源進(jìn)行了適宜性評價(jià)，而對于川紅花的適宜性分析研究較少。

本研究以四川省為例，根據(jù)川紅花的生態(tài)環(huán)境條件，利用3S技術(shù)，以遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于ArcGIS的空間分析功能，對川紅花資源適宜性生態(tài)環(huán)境及空間分布進(jìn)行分析和提取，結(jié)合GPS野外實(shí)地調(diào)查采樣，對其適宜分布區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，能夠比較科學(xué)的分析川紅花的分布狀況，可為合理開發(fā)利用和保護(hù)川紅花資源提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，可以選擇與其生長環(huán)境相似的區(qū)域，發(fā)展規(guī)?；斯ぴ耘?，為道地藥材川紅花的生產(chǎn)和發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1研究區(qū)概況

四川省位于中國西南腹地，地處長江上游，介于97°21′—108°33′E，26°03′—34°19′N，東西長約1 075 km，南北寬約921 km，總面積486×104 km2左右。全省地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地勢由西北向東呈階梯狀下降，西部為川西高原，中部為成都平原，東部為川東平行嶺谷和川中丘陵。氣候類型隨地貌劃分為寒溫帶、溫帶、南亞熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫16～20 ℃，年均降水量600～1 000 mm。四川省素有“中醫(yī)之鄉(xiāng)，中藥之庫”的美譽(yù)，是中國最大的中藥材產(chǎn)地，本次主要選取四川省為研究區(qū)域，對道地藥材川紅花進(jìn)行適宜性空間分布研究。

2方法

本次研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要有：①四川省遙感影像，來源于Landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星（行號(hào) 36～42，列號(hào) 127～134），成像時(shí)間為2016年8—10月，影像質(zhì)量良好，空間分辨率為30 m×30 m；②四川省氣象（包括年均溫、年降水量、≥10 ℃積溫等）柵格數(shù)據(jù)，是由中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心對各氣象站點(diǎn)1995—2016年的月降水、月均溫等數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算和插值所得；③四川省土壤類型數(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）；④四川省縣級行政矢量邊界，來源于四川省地理信息測繪局；⑤數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，空間分辨率30 m×30 m，來源于USGS；⑥手持GPS野外實(shí)地調(diào)研采樣數(shù)據(jù)。

本研究擬采用遙感與GIS技術(shù)相結(jié)合的研究方法，具體包括：①使用軟件ENVI51，運(yùn)用監(jiān)督分類的方法，對四川省的TM影像進(jìn)行圖像處理和信息提取，得到四川省土地利用現(xiàn)狀圖；②查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，同時(shí)結(jié)合野外調(diào)查所得數(shù)據(jù)，確定適宜川紅花生長的生態(tài)環(huán)境因子；③利用ArcGIS 104軟件的空間分析工具對各個(gè)影響因子進(jìn)行提取分析，得出每個(gè)因子的適宜性空間分布圖，然后將提取出的各因子的適宜性區(qū)域進(jìn)行疊加，得到川紅花資源在四川省的適宜性分布區(qū)域圖；④野外實(shí)地調(diào)查研究與驗(yàn)證。具體技術(shù)路線見圖1。

3結(jié)果與分析

31從遙感圖像獲取土地利用數(shù)據(jù)

本研究利用監(jiān)督分類對2016年的四川省遙感影像進(jìn)行解譯。首先對遙感影像進(jìn)行數(shù)字圖像預(yù)處理，包括輻射校正、幾何校正、圖像融合、拼接和裁剪等；其次對遙感影像進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，包括對比度增強(qiáng)、主成分分析及空間變換等；然后用監(jiān)督分類方法進(jìn)行遙感影像分類，選擇感興趣區(qū)，確定分類算法，得到2016年四川省土地利用現(xiàn)狀，見圖2。

32基于 GIS 的生態(tài)環(huán)境因子分析

通過查閱資料和實(shí)地勘察，了解影響川紅花生

長的每一個(gè)生態(tài)環(huán)境因子的閾值，進(jìn)而進(jìn)行提取分析，得出單一因子影響下的川紅花的適宜性分布區(qū)域，為疊加分析打下基礎(chǔ)。其表達(dá)式為Si=P[XMax，XMin]，式中，Si為單一因子適宜性分布區(qū)，i為任一生態(tài)環(huán)境因子，P為提取分析方法，XMin為單一因子閾值最小值XMax為單一因子閾值最大值。

321從DEM中提取高程適宜區(qū)根據(jù)四川省中藥研究所提供的數(shù)據(jù)以及國內(nèi)相關(guān)研究[12]的統(tǒng)計(jì)資料和調(diào)查研究可知，川紅花主要分布在海拔為200～900 m的地區(qū)，具有較為明顯的地帶性和區(qū)域性，其最適宜區(qū)的海拔為400 m。從四川省DEM數(shù)據(jù)中提取出適宜川紅花資源生長的高程范圍，見圖3，即為適宜川紅花生長的高程分布區(qū)域。

322從年降水柵格數(shù)據(jù)提取年降水量適宜區(qū)通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[1213]，發(fā)現(xiàn)川紅花生長的

地區(qū)氣候溫暖，降水量不會(huì)過多，從而獲取川紅花適宜生長在年降水量為321～1 042 mm的地區(qū)。而結(jié)合野外調(diào)查信息分析，在年降水量約為1 342 mm的地區(qū)也適宜川紅花生長，只是分布較少，因此本次研究提取適宜川紅花生長的年降水量閾值定為321～1 342 mm。提取出適宜川紅花資源生長的年降水量分布區(qū)域，見圖4，即為適宜川紅花生長的年降水量范圍。

323從年均溫柵格數(shù)據(jù)提取年均溫適宜區(qū)根據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究的統(tǒng)計(jì)資料和調(diào)查研究[1214]，再結(jié)合四川省中藥研究所提供的數(shù)據(jù)，可以得出：川紅花生長的適宜年均氣溫為81～174 ℃，其中最適宜區(qū)年均氣溫172 ℃。因此本次研究提取適宜川紅花資源生長的年均氣溫閾值為81～174 ℃，提取出適宜川紅花資源生長的年均溫分布范圍，見圖5，即為適宜川紅花生長的年均溫區(qū)域。

324從≥10 ℃積溫柵格數(shù)據(jù)提取積溫適宜區(qū)結(jié)合國內(nèi)相關(guān)研究[12，14]以及四川省中藥研究所提供的數(shù)據(jù)可知，適宜川紅花資源生長的積溫為6324～5 8809 ℃，無霜期約為304 d。所以本次研究中提取適宜區(qū)的積溫閾值為6324～5 8809 ℃，提取適宜川紅花資源生長的≥10 ℃積溫分布區(qū)域，見圖6，即為適宜川紅花生長的積溫區(qū)域。

325從土壤類型分布數(shù)據(jù)提取土壤適宜區(qū)川紅花對土壤的要求不嚴(yán)格，適應(yīng)性強(qiáng)，在沙礫土、沙壤土，黏土均能生長，但以土壤層較厚、排水良好、肥力中上等、中性或弱堿性的沙質(zhì)壤土或黏質(zhì)壤土為最高產(chǎn)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[1215]顯示，適宜于川紅花生長的土壤類型主要有黃壤、黃棕壤、棕壤、褐土、潮土、紫色土等，從四川省土壤類型分布數(shù)據(jù)中將上述土壤分布區(qū)域提取出來，其范圍見圖7。

326林地信息的提取通過野外實(shí)地采樣，將實(shí)地?cái)?shù)據(jù)和相關(guān)研究文獻(xiàn)資料[14]結(jié)合得出，川紅花通常生長在林地、灌叢以及草叢中。為了更準(zhǔn)確地提取川紅花資源的生長范圍，在四川省土地利用格局圖上將林地和草地分布區(qū)域提取出來，見圖8。

33川紅花適宜區(qū)分布范圍

根據(jù)以上分析分別得到了適宜川紅花生長的海拔、年降水量、年均溫、積溫、土壤類型以及林地草地的分布區(qū)域，再使用多柵格圖層的復(fù)合疊加分析找出川紅花的適宜性分布區(qū)域，相關(guān)模型的方程表示為：S=f（Sr，Sh，St，Sa，Sl，Sw），式中，S為川紅花資源的適宜性分布區(qū)，f為疊加規(guī)則，Sr為年均降水量，Sh為高程值，St為年均溫，Sa為積溫，Sl為土壤類型，Sw為林地草地。最終得出川紅花在四川省的適宜性空間分布圖，見圖9。

從圖中可以看出，川紅花資源的適宜性區(qū)域主要集中于四川省東部、東北部以及成都平原周邊低山丘陵地區(qū)，主要分布在達(dá)州、廣元、眉山、樂山、自貢、宜賓、瀘州等市，具體分布情況見表1，2。四川

省川紅花的適宜性分布區(qū)域總面積約為6 27714 km2，其中達(dá)州市的適宜區(qū)的面積達(dá)1 14345 km2，占全省適宜區(qū)的1822%。從各區(qū)縣來看，達(dá)川區(qū)適宜性區(qū)域達(dá)50715 km2，占全縣土地面積的179%，另外納溪區(qū)、青神縣、江安縣等12個(gè)區(qū)縣的適宜區(qū)面積超過100 km2，且占各縣土地面積的10%以上。

34野外實(shí)測與驗(yàn)證

野外采樣驗(yàn)證是本次研究的重要步驟，根據(jù)數(shù)據(jù)源的時(shí)相特征、結(jié)果及反饋，結(jié)合已有的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，選取驗(yàn)證采樣地點(diǎn)，對四川省東部和東北部低山丘陵地區(qū)進(jìn)行實(shí)地考察。

本次野外實(shí)測工作通過手持GPS精確定位，采集樣地48個(gè)，樣點(diǎn)分布見圖10。利用GISOFFICE將GPS記錄的點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS 軟件中，與基于遙感和GIS空間分析的疊加結(jié)果對比，可以發(fā)現(xiàn)，采樣點(diǎn)（驗(yàn)證點(diǎn)）所在區(qū)域與本研究得出的適宜性分布區(qū)域相吻合。結(jié)合野外實(shí)測調(diào)研結(jié)果與查閱藥用植物產(chǎn)地的相關(guān)文獻(xiàn)資料[14]，可以得出結(jié)論，通過遙感與GIS技術(shù)分析得出的適宜性空間分布區(qū)域與川紅花資源的實(shí)際分布地區(qū)是一致的，利用遙感

與GIS技術(shù)進(jìn)行中藥資源適應(yīng)性空間分布具有很高的可行性和科學(xué)性。

4結(jié)論與討論

本研究探討了中草藥植物適宜性分布研究的方法和技術(shù)路線，利用遙感與GIS技術(shù)，提取出了川產(chǎn)道地藥材川紅花的適宜性分布區(qū)域，通過野外實(shí)地的采樣點(diǎn)對其進(jìn)行驗(yàn)證，研究所得適宜性空間分布區(qū)域與實(shí)際情況基本一致。說明基于遙感和GIS技術(shù)的川紅花資源適宜性分布研究是具有可行性和科學(xué)性的，可以為中藥材適宜性分布研究提供可靠的方法和技術(shù)。

通過研究得出的適宜性分布區(qū)域，可以為發(fā)展規(guī)?；斯ぴ耘嗵峁┮欢ǖ目茖W(xué)依據(jù)。在本次研究中，還發(fā)現(xiàn)了新的適宜川紅花生長的區(qū)域，且適宜區(qū)面積較大，而在此前的文獻(xiàn)資料中鮮有記錄，如廣元市的昭化區(qū)等。新的適宜產(chǎn)區(qū)的發(fā)現(xiàn)，可以為四川省中藥材種植業(yè)的合理化發(fā)展提供科學(xué)的依據(jù)。

本研究是通過分析影響川紅花生長的各生態(tài)環(huán)境因子來實(shí)現(xiàn)的，受數(shù)據(jù)的分辨率與精度的影響，只能在較大尺度范圍內(nèi)對中藥材資源進(jìn)行適宜性空間分布研究。若要深入至小尺度范圍，就必須提升氣象、土壤等柵格數(shù)據(jù)的分辨率，提高遙感影像的分類精度，從而使結(jié)果更為精細(xì)化和準(zhǔn)確化。另外，有限的時(shí)間成本和資金成本制約著野外驗(yàn)證點(diǎn)的范圍和分布密度，驗(yàn)證的精確性還有待提高。隨著遙感影像分辨率的提高和分類方法的改進(jìn)，以及我國的土壤和氣候數(shù)據(jù)庫的日益完善，中藥材產(chǎn)地適宜性分析會(huì)更加合理和科學(xué)。

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[責(zé)任編輯呂冬梅]