应用层次分析法和地理信息系统技术对四川杜仲适宜栽培区区划1)

王宝川 刘晨 田孟良

(四川农业大学,成都,611130)

杜仲(Eucommiaulmoides)隶属于杜仲科(Eucommiaceae)杜仲属(EucommiaOliver)，是我国特有单科、单属、单种植物。在植物分类、起源等研究中具有重要作用，目前已被列为国家二级保护植物。杜仲亦是我国特有的名贵中药材，以干燥树皮入药，具有补肝肾、强筋骨的功效，此外，从杜仲中提取的杜仲胶现已广泛应用于医疗器具、电力器材、石油化工、航空航天等领域[1]。为进一步保护和利用杜仲资源，国家林业局于《全国杜仲产业发展规划2016—2030年》中规定，四川省将新增杜仲林规模666.7 hm2。适宜的环境才能够促进植物的生长及有效成分的积累，为使新增杜仲林具有更好的药用经济价值及发挥其重要的生态效益，对四川省杜仲栽培适宜性进行评价亟待研究。

国内外专家已提出过多种适宜性评价模型或方法，如Maxent模型、CLIMEX模型、GAM模型和AHP法等。Elith et al.[2]认为,Maxent模型是预测能力最好的模型之一，Maxent模型最大的优点在于不需要太多的物种分布点，就能得到较准确的评价结果，但其缺点是假阴性几率高(实际物种存在而模型预测不存在)，而AHP法不需要物种的分布点就能进行适宜性评价，其准确性也较高[3-4]。前人已通过Maxent模型对贵州省杜仲进行过适宜性评价，但对四川省杜仲进行适宜性评价的研究还未见报道。王洪峰[4]用AHP和PCA法对松嫩草地耐盐植物进行了适生性评价；林伟[5]用AHP法对吉林中部地区玉米种植模式进行了综合评价。本研究根据四川杜仲的生态环境特点，先运用AHP法获取9个评价因子的权重，再利用GIS进行空间分析处理，对四川杜仲适宜栽培区进行划分与评价，并将实际调查到的杜仲分布点作为验证数据进行验证，能进一步地验证此次划分的准确性，最终为四川杜仲的合理开发利用及种植栽培提供科学依据。

1 研究区概况

四川省位于我国西南部，地处北纬26°3′～34°19′，东经97°21′～108°12′，总面积48.6万km2。四川地形较为复杂，西部海拔较高，以高原、山地为主，东部为盆地和丘陵地貌，海拔为500～2 000 m。四川气候特征丰富多样，四川盆地为亚热带湿润气候，年均气温16 ℃以上；川西南地区以亚热带半湿润气候为主，年均气温12 ℃，无明显的四季划分；川西北气候类型为高原高寒气候区，海拔跨度较大，年均气温4 ℃，年均降水量小于1 000 mm。

2 材料与方法

2.1 数据来源

本次调查研究的范围为四川全省。数据包括四川省高程(DEM)数据，空间分辨率为30 m×30 m，数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)；四川省土壤、气象及土地利用现状数据均来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，空间分辨率均为1 km×1 km；四川省县级行政边界矢量数据，来源于中国基础地理信息系统(http：//nfgis.Nsgis.gov.cn/)；杜仲野外分布点的经纬度数据由GPS仪进行采集。最后将以上的所有栅格数据统一坐标及栅格大小(1 km×1 km)。

2.2 研究方法

植物资源的分布情况、生长状况，尤其像杜仲这类药用植物，其药用部分产量的高低及质量的好坏与其生长环境密切相关[6-9]。本研究选取对其生长发育影响较大的3类环境因素，再结合层次分析法(AHP)确定各因素下各个环境因子的权重值，根据最终加权得分值的高低，将四川杜仲适宜栽培区分为最适宜、适宜和不适宜3个等级。其中，最适宜分布区是最有利于杜仲生长的地区，应当最先考虑在该区域种植杜仲以及是否适合作为药用或工业用途。利用GIS技术进行空间分析，得到杜仲的适宜性栽培区域等级图及其分布面积，最后再将野外实地调查到的杜仲分布点与划分的结果进行比较，能进一步验证此次四川杜仲适宜栽培区划分的准确性。

评价指标的选取：植物资源的生长及分布情况是地形地貌、气候、土壤、植被、水文等多种环境因素相互作用的结果[6]。评价指标的选取是对杜仲进行适宜性评价的重要部分，本研究共选取主要影响杜仲生长发育的地形、气候和土壤因素作为一级指标，包括坡度、坡向、海拔、年均降水量、年均气温、年均≥10 ℃积温、土壤类型、土壤质地和土地利用情况共计9个二级评价指标。

高程(海拔)的高低影响着土壤的理化性质，从而间接影响植物的生长发育、产量及质量，地形中的坡度和坡向也是影响植物生长和分布的重要生态环境因子[7]。根据文献记载和中国数字植物标本馆(http://www.cvh.ac.cn/class)记录的杜仲标本信息，表明杜仲可生长于海拔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的区域，虽然在海拔2 350 m的地方也有分布，但其生长速率较慢[11]，综合以上考虑，本研究将适合杜仲生长海拔定为300～1 800 m。据相关文献资料显示[12-13]，杜仲一般生长在阳光充足的地区，从四川所处的地理位置及太阳照射的实际情况来看，即选择坡向朝南的地方，将适合杜仲生长的坡向定为南坡、东南坡和西南坡较为科学。杜仲对坡度的要求不高，坡度较小的坡地一般用于发展种植业，我国森林法规定，>25°的坡地应当种树、种草[14]，但是过大的坡度不利于杜仲药材的收割。综合考虑进行规模化人工栽培和不占用种植业用地的情况下，杜仲适生坡度定为15°～30°。

气候因素是植物正常生长发育的基本保障。杜仲引种栽培成活率较高，在我国杜仲北至吉林省南至广东省都基本引种成功，但吉林引种的杜仲生长速度小于四川、湖南等省；从陕西引种到宁夏的杜仲成活率可达85%，但在气温达到36 ℃，地温达到70 ℃时会灼伤杜仲根部，影响其正常生长；而广东省由于气温高、降水量大，导致杜仲病虫害发生严重，杜仲生长受到一定的影响[15-17]。根据专家建议和文献报道[8，10，16，18]，选择年均气温15 ℃，年均降水量1 200 mm，全年≥10 ℃积温4 000 ℃作为四川杜仲进行适宜性划分的限制条件较合理。

通过前人调查研究以及相关文献报道[19-20]，适宜杜仲生长的土壤主要为土层深厚、富含有机质、透气透水性强的棕壤土、黄壤土和紫色土等土壤类型。土壤质地反映的是土壤中不同大小的土壤矿物颗粒的组合状况，对植物生长发育十分重要。土壤颗粒粗细不同，对土壤供肥、供水、热量状况、空气状况等均有重要的影响。砂粒土的保水作用很差，透气性好；粉粒通透性较差，保水性一般；黏粒土透气性极差，保水能力很强[20]。土地利用类型是一种间接表现土壤特征的指标，杜仲最适合在林地中生长，因此，将土地利用类型中的林地作为评价因子较合适，土地利用情况主要受自然、经济和社会因素的影响，将土地利用类型归为土壤因素下的二级指标，可排除大量已用于房屋、道路建设的土地，能更好的划分出杜仲适宜分布范围及相应面积，因此，将土地利用类型归为土壤因素的下级指标进行评价。

评价指标权重值确定：植物的生长发育受到温度、降水量、土壤等多种环境因素的影响，各个因素对植物生长发育的影响程度很难判断。层次分析法(AHP)是一种定性与定量相结合的分析方法，本研究采用AHP法，通过向杜仲相关研究领域的10个课题组专家进行问卷调查，经过统计和筛选以后，得到各评价指标的权重值(表1)，所有数据均通过一致性检验，为本次决策提供科学依据[21-22]。

表1 四川省杜仲适宜性分布评价指标权重值

评价标准：将每个环境因子的权重值进行加权叠加，根据加权值的大小对杜仲资源进行适宜性评价。计算公式如下[6，23-24]。

式中：F为杜仲最终得分情况，根据F值的范围，利用ArcGIS将相应图层叠加，得到对应范围的分布图；n为评价因子的个数；Xi为评价因素的权重值；Yi为评价因子的权重值；i代表准则层/决策层的不同因素/因子，取值为1、2、3、…、n。

根据最终得分情况来划分杜仲适宜分布等级，1级得分为0.9分≤F≤1.0分，即最适宜栽培区域；2级得分为0.7分≤F<0.9分，即适宜栽培区域；3级得分为0≤F<0.7分，即不适宜栽培区[23]。

结果验证点的选择：野外实地调查能进一步验证适宜性分析的准确性，但四川省面积较大，且杜仲资源储量较低，难以大面积实地调查，只能采取抽样调查的方式对某些地域进行实地调查。本研究选择四川省杜仲种植面积最大的广元部分地区(旺苍县、苍溪县、剑阁县、朝天区)进行实地调查，采用中国中医科学院提供的软件系统对调查区格网化(1 km×1 km)处理，该系统以自然随机的方式在调查区选取200个样地(1 km×1 km)作为调查样地(实际调查161个，其余样地由于各种原因不适宜调查)，统计样地内杜仲的株树、单株高度及病虫害发生状况。

3 结果与分析

3.1 地形因素

根据已获取的四川省高程(DEM)数据栅格影像图，分辨率为30 m×30 m，再利用ArcGIS10.4软件进行重采样，将四川省高程栅格影像分辨率转换为1 km×1 km，最后提取出适合杜仲生长的适生高程范围、适生坡向范围、适生坡度范围(图1)，空间分辨率均为1 km×1 km。在地形因素中，满足适生高程1 200 m的区域主要集中在四川盆地及川东北地区，川西的阿坝羌族自治州、凉山彝族自治州及甘孜藏族自治州等区域几乎没有适合杜仲生长的海拔区域。

3.2 气候因素

利用ArcGIS10.4的空间分析功能，对空间分辨率为1 km×1 km的四川省年均气温栅格影像、四川省年降水量栅格影像、四川省≥10 ℃年积温栅格影像进行分析处理，提取满足条件的适生年均气温范围、适生年均降水量范围和适生全年≥10 ℃积温范围(图2)，空间分辨率均为1 km×1 km。在气候因素中，四川省全年≥10 ℃积温是限制杜仲生长的最主要因子，同样作为限制因子的四川省年均降水量此时的限制作用却不太明显。

3.3 土壤因素

土地利用情况能准确的反映当前土地的使用情况，林地不仅最适合杜仲生长，且不影响耕地、草地等的正常使用，因此，将林地作为四川杜仲适生土地类型(图3)。从全国土壤类型空间分布数据中提取出适合四川杜仲生长的土壤类型范围、土壤质地范围(图3)，空间分辨率为1 km×1 km。尽管成都平原土壤类型及土壤质地都很适合杜仲生长，但本区域土地利用类型并不适合种植杜仲。将土地利用类型作为土壤因素下的二级指标进行评价，能够让四川省杜仲栽培区的划分更准确。

3.4 ArcGIS叠加分析

将得到的9个适宜杜仲生长的评价因子的栅格数据的权重值加权叠加得到最终得分值F，根据得分情况进行等级的划分，共分为最适宜(0.9分≤F≤1.0分)、适宜(0.7分≤F<0.9分)和不适宜(0≤F<0.7分)3个等级。再运用ArcGIS的空间叠加分析功能，根据得分情况进行叠加分析最终得到杜仲适宜栽培分布范围(图4)。将四川省市级行政边界shp图进行叠加分析，结合ArcGIS栅格计算器的运算功能得到杜仲在四川省各个市的适宜分布面积(表2)。通过对四川省杜仲资源的适宜性栽培区域进行研究，可得到以下结果，四川省21个市级行政区均有适宜杜仲生长分布的区域，而最适宜杜仲生长的区域分布在四川省的16个市、州，包括广元市、绵阳市、达州市、巴中市、泸州市、雅安市、乐山市、宜宾市、成都市、凉山彝族自治州、眉山市、德阳市、阿坝羌族自治州、广安市、甘孜藏族自治州和攀枝花市。杜仲最适宜和适宜栽培区域的面积分别为6 714、43 618 km2，其中广元市杜仲资源最适宜分布面积最大，达1 208 km2，其次绵阳、达州和巴中市也有较大面积的杜仲生长最适区。杜仲适宜生长栽培区中广元市面积最大，达6 496 km2，其次是绵阳市、达州市、巴中市和泸州市。综合分析，广元、达州、绵阳较适宜杜仲规模化种植，其中广元作为杜仲药材的道地产区，最应当加大杜仲的种植力度。

表2 杜仲在四川省市级行政区适宜性分布面积统计

3.5 结果验证

按照2.2中的调查方法进行调查，在杜仲资源相对丰富的旺苍县及邻近的剑阁县、苍溪县和朝天区选取161个样地(格网)进行实地调查(图5)。161个样地中有13样地(表3)有杜仲资源的分布，将这些分布点的经纬度信息导入地图中，发现剑阁县、朝天区各有2个样地发现有杜仲分布，旺苍县有9个样地有杜仲资源分布，苍溪县未发现有杜仲资源的分布。13个有杜仲资源分布的样地中仅有1个样地分布在不适宜栽培区。此次野外验证结果也进一步说明利用AHP和GIS技术对杜仲资源进行适宜性分布研究具有一定的科学性。

表3 实地调查中有杜仲资源分布的样地情况

4 结论与讨论

本研究对四川省杜仲资源进行适宜性划分，共分为最适宜栽培区、适宜栽培区和不适宜栽培区3个等级。杜仲资源最适宜栽培区主要分布在广元市、达州市、绵阳市等降水量较丰富的四川盆地边缘地区，杜仲资源最适宜栽培区面积达6 714 km2；杜仲适宜栽培区范围较广，包括资阳市、自贡市、南充市等。此次运用AHP和GIS技术对杜仲资源的适宜性栽培区域进行了划分，实地调查结果中所发现的野生杜仲所在样点基本都分布在所划分的杜仲适宜分布区，表明运用AHP和GIS技术在植物资源的适宜性划分中具有可行性，可为其他植物资源适宜性划分提供参考。

AHP法不需要物种分布点就能进行适宜性评价，且结果准确性很高[4，21]，但是AHP法也有不足之处，一是因为该法有一定的主观因素，对参与权重打分的专家学术水平要求较高，二是该方法对参评因子个数有要求，一般认为参评因子不大于9个时，权重结果才比较可靠[25]。而本研究只用了9个与杜仲生长发育密切相关的环境因子作为参评因子，同时所选的专家(课题组)都从事与杜仲相关的研究多年，能保证参评因子权重值的可靠性。

影响杜仲生长的生态环境因子很多，但是本研究为了保证AHP法的准确性仅选择了9个评价因子进行分析，在今后的适宜性分析中，特别是将杜仲作为药材进行种植时，加入更多评价因子，如土壤重金属含量、道路交通情况等都应该作为评价因子进行叠加分析，能使评价结果更加科学、合理。

本研究为了验证此次等级划分的准确性，用自然随机的方法选择样地并进行实地调查，能够排除人为主观因素的干扰。在调查的161样地，共发现13个样地有杜仲分布，其中有杜仲分布的12个样地均位于所划分的适宜栽培区，不仅说明杜仲资源储量较少，也说明了该验证方法较为可靠。