基于地理信息系统的何首乌地理分布与气候关系研究

陈亚，江滨，曾元儿

（广州中医药大学，广东 广州 510405）

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基于地理信息系统的何首乌地理分布与气候关系研究

陈亚*，江滨，曾元儿

（广州中医药大学，广东 广州 510405）

目的：在地理信息系统的支持下，研究何首乌的地理分布与气候因子的关系。方法：建立何首乌分布区数据库，在ArcGIS9.3软件中制作何首乌分布区的县界多边形电子地图，利用空间分析法提取何首乌分布县市的气象数据，利用Kira温暖指数、寒冷指数和徐文铎湿润指数及其他气候因子综合研究何首乌的地理分布与环境气候的关系。结果：7月平均最高温、7月平均气温、无霜期、年平均气温、年降水量、干燥度为何首乌地理分布的主要限制因子。主成分分析表明影响何首乌地理分布的水热指标作用的相对次序是：热量因子、高温条件、干燥度。结论：何首乌喜温暖湿润且阳光充足的环境，耐寒，适应性强。

何首乌；地理信息系统；地理分布；气候因子

何首乌为蓼科多年生缠绕藤本植物，其干燥块根为常用的大宗中药材。制何首乌具有补肝肾，益精血，乌须发，强筋骨，化浊降脂的功能［1］。现代医学表明，何首乌具有增强免疫功能和抗氧化作用，可延缓大脑衰老，提高DNA修复功能，延长寿命，降低胆固醇以及改善脂肪代谢［2］。何首乌在黄河以南、长江南北各省区均有分布，但近年来对野生何首乌掠夺性采挖现象非常严重，导致何首乌野生资源急剧下降，人工栽培势在必行。以往有关何首乌的研究主要集中在化学成分和药理研究等方面，而对何首乌的地理分布与气候因子的关系则未见报道。本文在地理信息系统的支持下，采用国际上比较流行的研究植被－气候相互关系的指标和方法，综合研究了何首乌的地理分布与环境水热状况的关系，为何首乌引种驯化、规范化种植提供依据。

1 材料与方法

1.1 何首乌地理分布资料

何首乌的地理分布资料主要来源于中国数字植物标本馆（CVH，http：//www.cvh.org.cn）等的何首乌标本资料，以及书籍和公开发表的论文报道等，包括《中国中药资源》、《中国植物志》等，在Excel表格中输入及处理，建立何首乌分布区数据库。

1.2 电子地图

中国县界电子地图（1∶400万）由国家测绘局绘制，由国家基础地理信息中心提供。应用ArcGIS 9.3分析软件以中国县界电子地图为基础地图，以何首乌分布县市名或行政代码等关键字段链接何首乌分布区数据库，通过属性选择获得何首乌分布区域的县界多边形电子地图。

1.3 气象数据

原始数据：1961～1990年累年平均气温，1961～1990年累年各月平均气温、1月平均最低温、7月平均最高温，1961～1990年累年平均降水量，全国多年平均干燥度分布图等栅格数据来自于中国科学院科学数据库。

何首乌分布区各县市气象数据提取：借助地理信息系统，利用何首乌分布区域的县界多边形电子地图在ArcGIS 9.3的空间分析模块中通过区域统计的方法提取上述气象数据。

何首乌分布区的累年平均日照时数、无霜期主要来源于 《中国县情大全》、中国气象科学数据共享服务网等提供的数据。

1.4 水热指标的计算方法

Kira的热量指数包括两个含义，即温暖指数和寒冷指数［3-4］，温暖指数（WI）是采用日平均气温高于5℃的总和作为植物生长的热量条件，寒冷指数（CI）是采用日平均气温低于5℃的总和来表示。他们的计算公式分别为：WI＝∑（t1-5），t1为大于5℃的月平均温度；CI＝-∑（5-t2），t2为小于5℃的月平均温度。徐文铎［5］在Kira的热量指数基础上提出了湿润指数（HI）：HI＝P/WI，式中P为年降水量。按文献方法计算 WI、CI、HI［3-5］。

1.5 水热指标的统计分析

何首乌分布区水热指标的统计分析工作在SPSS 13.0中完成，包括最大值、最小值、平均值、标准差等，变异系数＝标准差/平均值×100%，是衡量资料中各观测值变异程度的一个统计量。

1.6 最适分布范围的确定

考虑到计算指标的频数分布接近于正态分布时，确定热量分布的最适范围可采用半峰宽（PWH）公式获得［3］。即 PWHi＝2.354·Si，最适范围为 Xi－0.5PWHi～Xi＋0.5PWHi，其中Xi为 i指标平均值，Si为i指标标准差。

2 结果与分析

2.1 何首乌的地理分布

何首乌分布范围较广，在黄河以南、长江南北各省区均有分布。何首乌资源分布在东经98.50°～121.21°，北纬21.44°～34.40°，东西横跨22个经度，南北跨越13个纬度。在我国的西南地区、华中地区、华南地区、华东等地区广泛分布，包括我国的四川、云南、贵州、重庆、广东、广西、江苏、安徽、江苏、湖北、湖南、河南、江西、陕西、甘肃等省均有记载分布。经统计，何首乌资源的主要分布区涉及到我国的204个县市，如图1中的黑色部分。

图1 何首乌地理分布图

2.2 何首乌分布区水热指标的分析

2.2.1 热量指标 何首乌分布区的各种水热指标见表1。

表1 何首乌分布区水热指标统计

由表1可知，何首乌分布区的热量条件为：年平均气温2.41～22.91℃，最适范围11.95～19.01℃，平均15.48℃；七月平均最高温为15.34～33.08℃，最适范围25.32～32.72℃，平均29.02℃；七月平均气温9.68～28.67℃，最适范围20.37～28.33℃，平均为24.35℃；无霜期160～365 d，最适范围220.74～33.95 d，平均277.35 d；温暖指数14.70～215.78℃·mon，最适范围 90.66～166.53℃·mon，平均128.60℃·mon。

从各热量指标的变异系数看，变异系数较小，其值在25%以下的排序：七月平均最高温＜七月平均气温＜无霜期＜年平均气温，说明它们是何首乌分布的主要限制指标。温暖指数的变异系数为25.06%，说明何首乌对其要求较强，为何首乌分布的次要限制指标。而一月平均气温、一月平均最低温和寒冷指数的变异系数很大，其值在75%以上，说明何首乌对其要求不强，不是何首乌分布的限制指标。

2.2.2 水分指标 由表1可知，何首乌生长环境中年降水量为468.31～1 668.81 mm，最适范围为978.06～1 488.64 mm，平均1 233.35 mm；干燥度平均值为0.85。湿润指数平均值为10.15 mm·℃－1·mon－1。其中年降水量、干燥度的变异系数小于25%，是何首乌分布的主要限制指标。而湿润指数的变异系数为42.46%，说明何首乌对其要求较强，为何首乌分布的次要限制指标。

2.2.3 日照时间 何首乌生长环境中年均日照时数为145.10～2 880.00 h，最适范围为1 210.14～2 227.67 h，平均为 1 718.90 h，变异系数为25.15%，说明何首乌对其要求较强，为何首乌分布的次要限制指标。

从以上何首乌分布区的水热指标分析来看，何首乌生长在温暖潮湿、光照充足的环境，最冷月（一月）平均气温、一月平均最低温等的变异系数很大，说明其对何首乌分布影响小，表明何首乌耐寒，适应性强。

2.3 水热指标的主成分分析

对何首乌分布区的12个水热指标进行主成分分析，得到前3个主分量的负荷量、特征值、信息量和累积信息量，见表2。

表2 水热指标中前3个主分量的负荷量、特征值及信息量

从表2可以看出，第一主分量（PC1）占总信息量的54.88%，第二主分量（PC2）占总信息量的14.495%，第三主分量（PC3）占总信息量的12.117%。前3个主分量的信息量占总信息量的81.493%。在第一主分量（PC1）中，年平均气温、温暖指数等的负荷值较大，且彼此差异不大，因此第一主分量反映的是热量因素；在第二主分量（PC2）中，七月平均气温、七月平均最高温的负荷值较大，以高温期的热量条件为主，因此第二主分量反映的是高温条件；第三主分量以干燥度为主；从总体来看，影响何首乌地理分布的水热指标作用的相对次序是：热量因子、高温条件、干燥度。

3 讨论

地理信息系统（GIS）是以采集、储存、管理、显示、分析和应用整个或部分地球表面与空间和地理分布有关的数据的计算机系统，近年来，GIS在各个领域的开发应用得到了迅猛发展［7］。GIS提供的一系列的空间统计分析功能，可以对资源信息进行处理和分析，挖掘出新的有用的信息和结论。本文借助地理信息系统的空间分析功能，对不易获得的气候空间数据进行分县市提取，提供了一种联系何首乌地理分布与气候空间数据的重要方法，为进一步的统计分析提供了基础。

何首乌为常用的大宗中药材，除药用外，何首乌还广泛用于保健食品和化妆品生产，市场需求量大。何首乌在我国广泛分布，主要分布在陕西南部、甘肃南部、华东、华中、华南及西南地区，野生何首乌生长在海拔200～3 000 m的山谷灌丛、山坡林下、沟边石隙中。近年来由于过度采挖以及生态环境的变化，导致何首乌野生资源急剧下降，人工栽培势在必行。

何首乌分布区温暖湿润，光照充足。日本学者吉良龙夫（Kira）［8］根据温暖指数将世界划分为7个带，根据其划分标准，何首乌分布区主体为暖温带和亚热带。中国学者徐文铎［5］利用湿润指数划分湿润、半湿润、半干旱和干旱等4类气候条件，根据其划分标准，何首乌分布区属于湿润和半湿润区。结合何首乌的年均日照时数以及寒冷指数、一月平均气温等非限制指标以及干燥度等限制指标的分析表明，何首乌喜温暖湿润且阳光充足的气候，耐寒，不耐旱。

影响植物地理分布的气候因子很多，分析并确定对植物地理分布影响大而起主导作用的主导因子，无疑是探讨植物地理分布与气候条件关系的重要内容之一。主成分分析的方法目前已成为研究植物分布与气候关系中确定气候主导因子的有效手段，并得到广泛应用［9］。本文研究表明，热量因子、高温条件、干燥度对何首乌的地理分布起主导作用，按作用大小的排序是：热量因子＞高温条件＞干燥度。

由于没有掌握何首乌分布区精确的地理位置数据，本文在对何首乌分布区的水热指标进行分析时，是以何首乌分布县市的气象数据作为基础进行的，因此在分析结果上可能存在偏差，此种情况有待于在以后的研究中加以完善。

［1］国家药典委员会.中国药典［S］.一部.北京：中国医药科技出版社，2010：165.

［2］谢岚.何首乌及二苯乙烯苷的研究进展［J］.天津药学，2010，22（3）：71-73.

［3］Kira T.A New Classification of Climate Eastern Asia as the Basis for Agricultural Geography［C］.Horticultural Institute，Kyoto University，1945：13-17.

［4］Kira T.Forest ecosystemof east and southeast Asia global prospective［J］.Ecological Research，1991，6：85-200.

［5］徐文铎.东北地带性植被建群种及常见种的分布与水热条件关系的初步研究［J］.植物学报，1983，25（3）：264-274.

［6］于宪远.何首乌的生长特性和栽培要点［J］.上海蔬菜，2009，（2）：46.

［7］汤国安，杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程［M］.北京：科学出版社，2006：1.

［8］武吉华，张绅.植物地理学［M］.第三版.北京：高等教育出版社，1995：185.

［9］郝佳波，司马永康，徐亮.云南拟单性木兰的地理分布与气候因子的关系［J］.西部林业科学，2007，36（2）：106-109.

2011-01-19）

《产业结构调整指导目录（2011年本）》将从2011年6月1日起施行

《产业结构调整指导目录（2011年本）》已经正式发布，自2011年6月1日起施行。《目录（2011年本）》维持2005年本分类不变，仍分为鼓励类、限制类和淘汰类。不属于上述三类，但符合国家法律、法规和政策规定的，为允许类，允许类不列入目录。

国家发展和改革委员会2010年启动了《目录（2011年本）》的修订工作，并就中药产业结构调整指导目录内容征求了中国中药协会意见。中国中药协会所提的部分意见：鼓励濒危稀缺药用动植物人工繁育技术开发和产业化发展以及代用品开发与生产；鼓励传统中成药品种的二次开发与生产；限制原料含濒危、紧缺动植物药材、且尚未规模化种植或养殖的产品生产能力扩大项目，被国家发展和改革委员会予以吸收采纳。

Analysis on Relationship between Geographical Distribution of Polygonum Multiflorum Thunb.and Climatic Factors by Using GIS

CHEN Ya，JIANG Bin，ZENG Yuan-er
（Guangzhou University of Chinese Medicine，Guangzhou 510405，China）

Objective：To analyze the relationship between geographical distribution ofPolygonum multiflorumThunb.and hydro-thermal factors by using GIS.Methods：Database of the geographical distribution ofPolygonum multiflorumThunb.was established with Excel and linked with the digital polygon maps.Climate data was extracted from the Geodataset by spatial analysis，the relationship between geographical distribution and hydro-thermal factors was analyzed with Kira’Swarmth index and coldness index，Xu’S humidity index and other climate index.Results：Average temperature in July，average maximum temperature in July，annual average temperature，annual average precipitation，average frostless period，penman’s aridity index were the main limited factors to the geographical distribution ofPolygonum multiflorumThunb.The principal component analysis shows that relative effects of climate indexes on the distribution were in the order of thermal factor＞thermal factor in hotnessmonth＞aridity.Conclusion：Polygonum multiflorumThunb.is a plantwith a preference for warmth，moisture and enough sunshine hours.

Polygonum multiflorumThunb；Geographic information system；Geographical distribution；Climatic factors

*陈亚，E-mail：soarchy2005＠163.com