基于3S技术的羌活区划研究Ⅲ.基于生长适宜性和品质适宜性的羌活功能型生产区划研究

孙洪兵　蒋舜媛　孙辉　王红兰　周毅　朱文涛

[摘要]为解决药材生长最适宜生长区域与高品质区域空间分离的问题，建立具有针对性生产指导的区划，该文以羌活药材为例提出综合考虑药材生长适宜性和品质适宜性的中药材功能型生产区划方法。基于前期羌活生长适宜性和品质适宜性区划的研究结果，将羌活生长适宜性空间矢量数据与药材品质适宜性空间矢量数据进行空间加权总和处理，获得羌活生产适宜性空间矢量数据，发现优质高产区域主要分布在道地产区四川省境内；利用研究区域的土地利用现状遥感监测数据进一步对羌活生产适宜区进行功能划分，发现适宜羌活规模化种植和野生林地抚育区主要分布在四川阿坝州和甘孜州境内，与实地调研结果一致。该研究结果将为羌活的道地性研究、野生资源保护、产业化种植和野生林地抚育提供科学的理论依据与技术支持。

[关键词]羌活； 3S； 生长适宜性； 品质适宜性； 生产适宜性； 功能型区划

[Abstract]Based on the research results of suitability evaluation of growth and production quality， a functional production cultivation regionalization with high feasibility and operability to solve the problem of the separation of high quality and high yield were formatted for protection， wild monitoring， and cultivation of this plant by weighted sum of spatial suitability data of ecology and quality， as well as integrated with land use and cover data The results of the study revealed that good quality and high yield area were mainly distributed in the original production areas in Sichuan province and where could carry out monitoring and commercialization cultivation This method is expected to overcome shortage of traditional regionalization methods difficult to distinguish the contribution of ecological factors and quality factors， which provide an innovative theory and methodology for regionalization， and is helpful to practical application of wild resource protection， nature research， monitoring， and commercialization cultivation for Chinese material medica

[Key words]Notopterygium incisum； 3S； growth suitability； quality suitability； production quality； functional regionalization

中药区划主要是研究中药材品質及产量空间属性及其地域系统的空间分异规律，最终综合社会、经济及人为因素进行区域划分，其研究成果可为中药材的生产提供基础数据和技术支撑[1]。由于区域之间中药材所在地的自然生态和人为因素等“立地条件”不同，中药材生长及品质适宜性的空间分异规律或许不同[2]。即植物积累次生代谢产物所需的适宜生境（药材品质适宜性）与其生长发育的适宜生境（植物生长适宜性）可能并不一致，甚至相反，即药材的高产中心有可能与高质中心分离或者偏离[3]。因此，在利用中药材生产区划技术对所谓的“立地条件”进行研究的过程中，不但要体现原植物的生长适宜性，即完成生长适宜性区划，还应从药材品质（次生代谢产物的积累）与区域相关的角度完成药材品质适宜性区划，然后选取适宜的空间叠加分析模型，对二者进行空间叠加，才能获得较为合理的药材生产区划结果。这不是单纯的生态（生境）适宜性区划所能完成的任务。

为解决上述问题，本文以羌活药材为例，在前期羌活生长适宜性[4]和品质适宜性区划研究结果[5]的基础上，通过分析两者空间分异规律，建立更加具有产业化实践指导意义的中药材功能型生产区划的评价体系和方法，以期为羌活的资源保护、野生抚育和产业化种植实践指导，也为其他中药材产业规划提供科学理论和参考依据。

1材料

11样点数据于2013年8月下旬至9月中旬和2014年8月下旬至9月中旬，在四川、甘肃、青海、西藏等省采集野生羌活样品，共设定38个采样点（采样点定位信息经由GPS实地获得，并经ArcGIS100软件进行图层筛选得到32个采样点），每个采样点不少于5株，收集了217份样本[4]。经四川省中医药科学院蒋舜媛研究员和周毅副研究员鉴定为伞形科植物羌活（Notopterygium incisum，凭证标本保存于四川省中医药科学院）。样品按单株阴干、粉碎，过30目筛后测定其有效成分含量。利用超高效液相色谱法（UPLCPDA）测定各样品中羌活醇（notopterol）和异欧前胡素（isoimperatorin）的含量[6]。

12地理及环境数据生态因子数据来源于“中药资源空间信息网格数据库”（http：//wwwtcmresourcescom/）；县级以上行政边界数据下载于国家基础地理信息系统网（http：//nfgisnsdigovcn/），比例尺为1∶400万；2010年中国土地利用现状遥感监测数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//wwwresdccn）。

2方法

21羌活生产适宜性划分及分析基于前期羌活生长适宜性和品质适宜性区划的研究结果[4]，将羌活生长适宜性和品质适宜性空间分布矢量数据进行空间关联性分析，分析两者空间分异规律，在此基础上选取适宜的叠加模型，获得综合药材品质与生长适宜性的羌活生产适宜性空间分布数据，并进行区划分析。

22羌活功能型区划构建及分析借助ArcGIS强大数据处理平台，从2010年中国土地利用现状遥感监测数据中提取研究区域农用耕地遥感监测数据和林地遥感监测数据，经重分类后，以此为掩膜分别对羌活生产适宜性空间分布矢量数据进行空间数据提取，建立羌活规模化人工种植区划和羌活野生林地抚育区域。最后利用ArcGIS中重分类处理方法对各适宜分布区面积进行分省统计。

3结果与分析

31羌活品质及生长适宜性空间差异性分析借助ArcGIS数据处理平台的Spatial Analyst多元分析（multivariate）中的波段集统计（band collection statistics）模块，选用计算协方差和相关矩阵选项，利用式（1）公式求取羌活生长适宜性图层和品质适宜性图层之间的协方差。

Covij=Nk=1（Zij-μi）（Zij-μj）N-1（1）

式中，Z为像元值；μ为图层平均值；N为像元的数量；k为特定像元；i代指羌活生长适宜性图层；j代指羌活品质适宜性图层。

此基础上利用式（2）将羌活生长适宜性图层和品质适宜性图层间的协方差与标准差乘积进行空间运算，空间相关系数Corrij为0449 5，呈正相关。表明羌活生长适宜性与品质适宜性空间分布数据从整体上来讲在空间变化趋势上具有一定的相似性。

Corrij=Covijδiδj（2）

按羌活生长适宜性与品质适宜性空间分布数据的属性值（value）分别提取（利用ArcGIS Spatial Analyst中提取分析模块的按属性提取功能）各自的“高、中、低”区（采用自然间断点分级法划分）空间矢量数据，并两两做空间相关分析，分析结果表明各区段的空间相关性极低（几乎为零），也就是说羌活植物积累次生代谢产物所需的适宜生境（药材品质适宜性）与其生长发育的适宜生境（植物生长适宜性）存在空间差异性，即羌活药材的高产中心与高质中心分离或者偏离，因此进行羌活生产区划研究不能单纯以生长适宜性或者简单叠加品质适宜性后的数据进行分析和评价，需要综合考虑羌活的生长适宜性与品质适宜性的各自比重，建立综合药材产量和品质最大化的羌活生产区划。

32羌活生产适宜性区划模型构建及适宜性分析目前，常见的空间叠加分析方法主要有加权叠加（weighted overlay）、加权总和（weighted sum）以及模糊叠加（fuzzy overlay）这3种，每种方法都有不同的基本前提和假设。模糊叠加以集合论为基础，分析时将数据值重分类或变换到相同等级，变换后的值可用于定义隶属于指定集合的可能性。由于模糊叠加法中变换后的值表示隶属可能性，因此输入栅格不需要进行加权，将转换后的数据进行简单的栅格运算处理（常用的算子有取平均值、最大值、最小值、加减、乘除、交集以及并集等）。叠加后的数值表示隶属于羌活生长适宜性或品质适宜性的可能性[7]，因此模糊叠加模型的叠加值不能用于羌活生产适宜性分析。

相对而言，加权叠加法与加权总和法随着分析假设有利因素的增多，其最终输出栅格中生成的值越高，因此这些值较高位置将确定为最佳位置，较适用于进行生产适宜性模型构建。加权叠加（weighted overlay）使用常用测量比例来叠加多个栅格数据，并根據各栅格数据的重要性分配权重，分配给各输入栅格的权重之和必须等于100%，将图层乘以相应的倍数，然后将每个像元生成的值相加。而加权总和（weighted sum）是通过将栅格各自乘以指定的权重并合计在一起来叠加多个栅格。与“加权叠加”分析有所不同，其使用的权重不同，而且这些值不会按照定义的等级重新安排。因此，模型中所输入值的属性分辨率将保持不变。这2种工具主要区别如下：加权总和工具不能将重分类值重设为评估等级，因此可保持其分辨率。加权总和工具允许使用浮点型和整型值作为输入，而加权叠加工具只接受整型栅格作为输入。加权叠加工具最常用于适宜性建模，并且可用于确保遵循正确的方法。加权总和工具在需要保持模型分辨率，或需要浮点型输出或小数权重时很有用。加权总和可将每个输入栅格的指定字段值与指定权重相乘。然后将所有输入栅格相加来创建输出栅格。因为羌活生长适宜性和品质适宜性空间矢量数据为浮点型数据，而且叠加结果需要保持模型的分辨率，以便于进行产地适宜性分析，不宜在数据运算中将变量进行重分类作为评估等级。因此，最终选取加权总和模型（weighted sum）进行羌活生产适宜性区划研究。

由加权总和的叠加结果可知，羌活生产适宜性高度区段主要分布在四川省阿坝州境内，西藏的昌都地区及甘肃省的甘南地区有零星分布；中度适宜区段主要分布在四川省阿坝州以及甘孜州境内，以甘孜州为主；低度适宜区主要分布在青海省东部地区、甘肃陇南地区、西藏昌都等地区以及三省（川、青和藏）交界处（图1）。

33羌活功能型区划研究中药材生产区划研究的目的是为中药材的生产做科学性指导，目前中药材生产方式主要有人工栽培和野生抚育（仿野生栽培）2种形式。为建立更具指导性、科学性和实用性的中药材生产区划，需要按照其所需的土地利用类型进行功能性划分。以羌活为例，其野生种群的生境主要是亚高山针叶林上沿、林线、林窗、树线交错带及高山灌丛草地，生境特征主要是林地（前期羌活生理生态的相关研究也表明羌活是森林成分而非草地成分），因此野生抚育区域应该以林地为主，灌丛草地因为及生境脆弱和难以到达性而难以成为野生抚育的区域；羌活人工栽培主要是在高寒山区耕地上进行，高寒区域因生态保护而严禁垦殖林地和草地，因此人工栽培区域的土地利用方式主要是耕地。以此为依据，羌活的生产区划按功能性可划分为适宜羌活野生抚育的林地生产区划和适宜人工栽培的耕地生产区划。

羌活功能型区划构建中首先借助ArcGIS平台按属性值从2010年土地利用遥感检测矢量数据中分别提取耕地和林地分布数据，并进行重分类，导出SHP格式矢量数据，然后按此掩膜提取生产适宜性分布数据；采用自然间断点分级法（Jenks）进行等级划分，分别建立适合羌活规模化人工种植的高寒区域的农用耕地（图2a）和野生抚育的高寒林地区划分布图（图2b）。

由图2a中可知，适宜羌活生产的农耕用地分为3个区段：高适宜区段、中适宜区段和低适宜区段。高适宜区主要分布在四川阿坝州和甘孜州，该区域因为环境的空间异质性高而且高海拔适宜区域的耕地面积相对较大，因而有一定面积的适宜耕地；中适宜区分布在甘肃省陇南地区、青海省东部地区以及两省交界处，该区域尽管海拔普遍较甘孜阿坝低但因为纬度偏北而且耕地面积较大，因而有较大面积的适宜耕地（甘肃省和青海省）；低适宜区分布在西藏昌都地区以及与青海省交界处，这部分面积较小，一是因为海拔高、寒旱问题严重、土壤质量不高，二是因为该区域以草地为主而耕地面积非常有限。

适合羌活野生抚育林地（图2b）也大致划分为3个区段：高适宜区段、中适宜区段和低适宜区段。高适宜区段主要分布在四川阿坝州境内；中适宜区段分布在青海以及四川甘孜州境内；低适宜区段主要分布在甘肃省陇南地区和西藏省的昌都地区。

利用ArcGIS空间统计功能对其分布区域进行县域统计（表1），结合图2可知，四川省、西藏省和云南省适合羌活野生抚育种植区划（林地）面积高于规模化人工种植区划（耕地）面积。据考查[8]，该区域多为羌活N incisum的历史产区，种质资源较佳，因此可在该区域大力扶持羌活野生抚育种植，以保障药材质量，并提高当地农民收入。甘肃省和青海省适宜羌活种植的耕地面积较为宽广，交通相对便利，可合理扶持羌活规模化人工种植。

4讨论

本文通过生长适宜性与品质适宜性的空间叠加，构建中药材功能型生产区划的评价体系及方法，具有实践的针对性、结果的定量化、与总体规划耦合等优点，特别是对于那些道地性明显与产量适宜区域分离的中药材品种。如地黄、白前、中华栝楼、罗汉果和川贝母[9]等，很多中药材生产与农作物的生产不同，中药材质量主要体现在药效，其表现形式是某些活性次生代谢产物的含量高低，适宜生长并不表明能够同时促进次生产物的合成代谢旺盛，很多情况下恰恰相反，某些不利的环境条件才是一些次生产物（如一些萜类、挥发油、单宁类物质等）

合成的必要条件[3]。同时，作为栽培，也不能只考虑药材质量而忽视经济可行性，即在保证质量的前提下需要一定的经济产量，具有比较经济效益，才能实现产业化栽培，因此需要在生长适宜性方面进行平衡。一般而言，在区划实际中应充分考虑药材生长的次适宜区，这些区域药材有一定的生物产量和药材产量，如果同时具有促进特定活性成分次生产物形成的胁迫因子，则是产业化栽培的潜在区域。

应当看到，所有基于统计学的區划方法都是经验方法，而不是从植物代谢等机制方面去研究药材的区划问题，在一定空间范围内，取样调查的样点数据和样本数据越多，区划的准确性也就越高。因此，区划成果只是源于已有数据的统计模型，而不是源于机制模型，再完美的统计模型也只是对野生抚育、栽培产业化的一个方向性的指引，它的功能在于明确区划范围内开展工作的可靠性比较高，而不是表明实践中必然如此，这也是中药材区划与农作物区划不一样的地方。在实际应用中，对于中药材区划结果，首先是对区划范围不同等级适宜区域进行验证和试验示范，然后才能大规模推广应用，以避免对中药材次生产物代谢机制、中药材药理药效机制、道地性形成机制研究不足，仅仅依靠统计模型建立的区划可能带来的产业化栽培中的中药材质量和经济风险。

将药材生长适宜性因子、药材道地性因子、药材质量控制特征因子、土地利用方式因子等诸多因素结合，从地统计学角度可明确界定适宜的野生资源分布区域、野生种群保护区域、药材生产质量保证区域、野生抚育区域等，在此基础上形成一个结合实际和功能需求的完整区划，传统区划方法难以将这些具体的空间实际和现实需求相互结合并定量实现。这种综合考虑多因素的功能性生产区划理论和方法，可为中药材战略资源保护和可持续利用的理论构建提供新思路，也对中药材的生产实践具有重要的指导意义。

通过以羌活为例建立的功能型区划分析方法，有效的解决因药材植物积累次生代谢产物所需的适宜生境（药材品质适宜性）与其生长发育的适宜生境（植物生长适宜性）生长适宜性与品质适宜性空间分离问题，而导致的生产区划难以兼顾药材产量及品质的问题。通过对羌活的功能型生产区划研究表明，羌活的生长适宜性和品质适宜性整体上具有一点的吻合性，但是就其高品质区段和生长高密度区段来说，在空间上存在较明显偏离。综合来看，羌活的药材品质及生长适宜性最优区段主要分布在道地产区的四川省阿坝州及甘孜州境内，与文献描述的传统产区较为一致，因此四川省较适宜开展羌活开展规模化人工种植和野生抚育的区段。

[注]本文地图插图审图号：GS（2017）2128号。

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[4]孙洪兵， 孙辉， 蒋舜媛， 等 基于3G技术的羌活区划研究I 基于MaxEnt和ArcGIS的羌活生长适宜性分析及评价[J]. 中国中药杂志， 2015， 40（5）： 853

[5]孙洪兵，蒋舜媛，孙辉， 等基于3S技术的羌活区划研究Ⅱ.基于协同克里金插值的羌活品质适宜性分析及评价价[J] 中国中药杂志， 2017， 42（13）：2633

[6]蒋舜媛， 孙洪兵， 孙辉， 等 羌活药材商品规格与质量等级的对应分析[J] 中国中药杂志， 2016， 41（5）： 793

[7]黄波， 徐冠华， 阎守邕 GIS中空间模糊叠加模型的设计[J]. 测绘学报，1996， 25 （1）： 53

[8]单锋， 袁媛， 郝近大， 等 独活、羌活的本草源流考[J] 中国中药杂志， 2014， 39（17）： 3399

[9]蒋舜媛， 孙洪兵， 秦纪洪， 等 基于生长适宜性和品质适宜性的川贝母功能型生产区划研究[J] 中国中药杂志， 2016， 41（17）： 3194

[责任编辑吕冬梅]