基于ArcGIS的运城市盐湖区药用植物多样性分析

张孟容，郭敏娜，蔡翠芳

（山西药科职业学院，山西 太原030031）

关键字 ArcGIS；药用植物多样性；资源普查

本草文化在我国有着非常悠久的历史，药用植物在其中的作用举足轻重［1］。山西省药用植物资源丰富，是许多中药材的道地产区，但是对药用植物的多样性分析研究不多［2-5］。药用植物的多样性是摸清中药资源分布与现状的一个重要指标，尤其在全国第4次中药资源普查中，对野生药用植物的调查与分析［6-7］，是对中药资源进行摸底排查的一项重要工作。资源分布区域较大，逐一进行实地调查是不现实的，因此有效的空间信息数据处理系统对普查区域及样地的筛选就显得尤为重要［8］。

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是结合地理学、地图学、遥感和计算机科学对一系列空间信息数据进行采集、处理、分析及显示的技术系统，广泛应用于土地资源、农业资源及生物资源等各个领域，具有深入挖掘数据并进行相关分析，使数据可视性的优点。运用GIS手段来进行典型区划分和样地筛选的前期工作可以使普查效果事半功倍，同时在数据的处理方面也更具有优势，因此本研究选择运城市盐湖区为研究区，利用ArcGIS进行空间数据分析，结合实地调查的数据对该地区药用植物资源的多样性进行分析研究，以期为该地区的药用植物资源的保护与可持续利用提供一定的科学依据。

1 研究区概况

研究区域的地理位置（图1）位于山西省西南部，地处黄河中游陕、晋、豫三省交接地带，南依中条山，北靠稷王山，中部地势平坦开阔，是运城盆地的腹地。境内山地、平原、阶地交替，形成了多样化的地貌类型。气候属于大陆温带季风气候，雨热同季且集中，光热资源丰富。植物资源也相对丰富，南部植物资源较北部多［9-10］，县域的草地和林地也大多集中在南部中条山区，因此本研究重点研究盐湖区南部中条山一带的植物多样性概况。该区域药用植物资源十分丰富，中药学著作《本草图经》中的“解州远志”中的解州即为这一区域，为中药远志的道地产区。

2 研究方法与数据处理

以全国第4次中药资源普查的相关技术规范与要求［11-12］，结合研究区的地形地貌，利用ArcGIS软件以土地利用图（图2）中的地类图斑为评价单元，将研究区数字高程模型图（图3）、坡度分级图（图4）、坡向分级图（图5）、降水量分布图（图6）、积温分布图（图7）叠加并融合得到研究区典型植被类型分区图（图8）。共分为三大区，分别命名为草丛区、灌丛区和针叶林区。

在国家中药资源普查信息管理系统中随机生成的44个样地中选择位于典型植被类型区的37个样地，每个典型植被类型区中分布的样地数量及分布如表1和图1所示。对每个样地进行野外调查，详细记录样方中所有物种的种类及数量以及其他相关信息，形成研究区采样点分布图（图8）。

表1 植被类型区样地明细表

依据《中国植物志》［13］《中药学》［14］等专业工具书对采集到的标本进行药用植物鉴定，将相应品种的信息录入国家中药资源普查信息管理系统并进行数据分析，利用α多样性指数和β多样性指数来分析盐湖区药用植物的物种多样性［15-18］，具体公式如下。

（1）物种丰富度指数（species richness，简称S）为群落中出现的物种数目；

（2）植被群落多样性指数（α多样性指数）：

（3）群落相似性指数（β多样性指数）：

式中S代表物种数目，N表示群落中所有中的个体总数，Ni表示第i个物种的个体数目，Pi表示第i个物种的相对多度，Pi=Ni/N，a、b是两样本各自的物种数目，c是两样本公共的物种数目。

各物种的个体数用出现在样方中的均值计算，运用PCH′指数多样性统计分析软件对数据进行处理。

3 结果与分析

3.1 药用植物科属多样性分析

经调查，采集盐湖区野生药用植物共计73科194属235种，其中被子植物69科190属231种，裸子植物2科2属2种，蕨类植物2科2属2种。结果见表2。

3.1.1 药用植物科种多样性 大于10种的大科有菊科、豆科、唇形科、蔷薇科、百合科共5科92种；6～10种的中等科有毛茛科、锦葵科、茜草科、旋花科共4科27种；2～5种的寡种科有蓼科、茄科、石竹科、葫芦科、桔梗科等27科79种；只有1种的单种科有37科37种。在采集药用植物中含1种的单种科占比50.68%，所含种数占比15.47%；含2～5种的寡种科占比36.99%，所含种数占比33.62%；含6～10种的中等科占比5.48%，所含种数占比11.49%；含10种以上的大科占比6.85%，所含种数占比39.15%。结果见图9。

表2 盐湖区药用植物资源统计表

3.1.2 药用植物属种多样性 研究区共含属194种，依据不同属所含种数的区别，含1种的属有百合属、半夏属、薄荷属、柽柳属、地榆属共164属164种；含2种的属有车前属、珍珠菜属、委陵菜属、黄芩属共20属40种；含3种的属有大戟属、何首乌属、黄耆属、铁线莲属等9属27种；含4种的属只有拉拉藤属1属。其中含1种的属占有明显优势，占比84.54%，所含种数占比69.79%；含2种的属占比10.31%，所含种数占比17.02%；含3种的属占比4.64%，所含种数占比11.49%；含4种的属占比0.52%，所含种数占比1.70%。

图9 研究区不同科及所含种数统计图

3.1.3 不同植被类型区药用植物种类组成 盐湖区草丛区药用植物共计46科78属84种，分别占盐湖区药用植物总数的63.01%、40.21%和35.74%；灌丛区药用植物共计48科97属108种，在盐湖区的占比分别为65.75%、50.00%和45.96%；针叶林区药用植物资源最为丰富，共计54科129属150种，在盐湖区药用植物种占比分别为73.97%、66.49%和63.83%。结果见表3。

表3 盐湖区各植被类型区药用植物统计

研究区的典型植被类型区的药用植物物种数量为草丛区＜灌丛区＜针叶林区，呈现依次递增的趋势，各物种相应的科、属也呈现相应的趋势。

3.2 药用植物物种多样性指数分析

3.2.1 各区物种丰富度指数（S）物种丰富度指数（S）为群落中丰度大于0的物种数之和，值越大表明群落中物种种类越丰富。由于划分各典型植被类型区立地条件和植被类型的不同，因此也使各区物种丰富度有所差异。草丛区的物种丰富度指数（S）为84；灌丛区的物种丰富度指数（S）为108；针叶林区的物种丰富度指数（S）为150；可以看出随着物种数量由草丛区到灌丛区再到针叶林区出现不断增加的趋势，因此物种丰富度指数（S）表现为针叶林区＞灌丛区＞草丛区。结果见图11。

图11 研究区不同区域物种丰富度指数（S）统计图

3.2.2 各区多样性指数Shannon多样性指数（H′）同时考虑了物种丰富度以及均匀度，表示随机在该区域选择的物种的不确定性，其值越大，表示物种的多样性也就越大。Pielou均匀度指数（E）是群落实际的Shannon指数与具有相同物种丰富度的群落中能够获得的最大Shannon指数的比值，当二者相等时，均匀度指数值为1，也就是物种分布最均匀。其值越大说明物种分布越均匀。Simpson优势度指数（C）代表了在群落中两个随机选择的个体属于同一物种的概率，当群落物种丰富度越高，这种概率就越低，其值越小物种丰富度就越高。Margalef丰富度指数（DMG）指一个群落或环境中物种数目的多寡，反映群落物种丰富度。即Shannon多样性指数（H′）、Pielou均匀度指数（E）和Margalef丰富度指数（DMG）与物种的多样性呈现正相关，而Simpson优势度指数（C）与物种的多样性呈现负相关。

表4 不同区域多样性指数统计表

由表4可以看出，药用植物的Shannon多样性指数（H′）、Pielou均匀度指数（E）、Simpson优势度指数（C）和Margalef丰富度指数（DMG）均显示物种的多样性呈现草丛区＜灌丛区＜针叶林区的趋势。

3.2.3 各区群落相似性系数 根据Jaccard相似度指数（Cj）和Sorensen相似度指数（Cs）公式，表示的是两个区域之间共有种的变化，共有种越多，相似系数就越大，两个区域之间就越相似。

表5 不同区域群落Jaccard相似度指数（Cj）统计表

表6 不同区域群落Sorensen相似度指数（Cs）统计表

由表5和表6可以看出，3个区域之间相似度系数都不高，但草丛区与灌丛区相似度系数最大，灌丛区与针叶林区相似度系数次之，草丛区与针叶林区相似度系数最小。相似度系数的这种变化表明了不同的药用植物有不同的适宜生长环境。

4 讨论

综合以上分析结果，可以得出运城市盐湖区的药用植物以单种科、寡种科、含1种的属居多，药用植物资源相对丰富，植物多样性分布呈现草丛区＜灌丛区＜针叶林区的趋势。其中典型植被类型区以针叶林区药用植物物种含量最多，药用植物物种的丰富性也最高。其主要原因可能为草丛区的范围内大部分为退耕还林区，以人工恢复为主、自然恢复为辅的还林模式使药用植物物种资源较其他区域略为匮乏［19］。而针叶林区则因为运城市政府的相关封山措施，对野生药用植物的保护程度较好，且盐湖区最高海拔仅为1485 m，据相关研究表明，植物群落多样性的垂直分布在海拔1000～1400 m左右达到峰值［20-21］，因此本研究区药用植物资源的多样性分析符合研究预测。

本研究也存在许多不足，例如对典型植被研究分区的命名是沿用了全国第4次中药资源普查系统中的分区名称，两套分区原则不同，且在研究过程中发现在植被分布的典型区域中应更加详细描述群落的植被特征，今后会在这一方面更加深入研究，以期能够更好地为药用植物资源的多样性分析提供更多的理论依据。