基于AHP和GIS的云南省三七生态适宜性精细化区划

詹鹏，韦美膛，许红亮，韩蕊莲*

(1.浙江理工大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310018；2.云南天士力三七药业有限公司，云南 文山 663000；3.天津天士力现代中药资源有限公司，天津 300402；4.天津市中药资源研究所，天津 300402)

三七[Panaxnotoginseng(Burk.)F.H.Chen]又名田七，为五加科人参属植物，我国传统名贵中药材，人工种植历史已达400 a，具有“散瘀止血、消肿定痛、益气活血”的功效。在治疗代谢系统、心脑血管系统、血液系统、神经系统、免疫系统疾病等方面药效确切，有着“金不换”“参中之王”“南国神草”等美誉[1]。三七生长环境较为特殊，不耐酷暑和严寒，喜温暖阴湿的环境。全国95%以上的三七产自云南省，云南省文山州是三七原产地和主产区，三七产业已经成为云南文山等地重要的经济支柱[2]。2016年三七种植面积200 km2，产量达700万kg，产业总产值突破100亿元[3]。

气候剧烈变化、人类活动频繁、连作障碍严重对三七等药用植物的可持续利用造成严峻挑战[4-6]，尚不确定过去的传统产地是否是当前药用植物生长的最适宜区。合理划分药用植物种植适宜区域对于推进药用资源可持续发展、制定相应产业政策和种植规划具有重要意义[4]。从已发表的文献来看，对三七的种植适宜区存在一定分歧。三七种植适宜区过去被认为主要集中于云南省东南部，但是这些结论或是从文献资料出发的定性研究[7-8]，无法确定云南省各州(市)的适宜区；或对气候、土壤等各类环境因子的选取较少，且未划定各个环境因子的权重[9-11]；或研究范围过大[12-13]。云南省作为三七的主产地，针对云南省内的三七适宜分布区精细量化的研究尚不明确。

随着新技术、新方法的不断发展，中药区划研究不断深入，专家集成与模型定量相结合的方法得到普及。层次分析 (AHP) 法能够确定众多因素之间的相对重要性，从而建立一套递阶层次的综合评价指标体系[14]。而地理信息系统(GIS)技术能有效整合空间数据与非空间数据，将气候、海拔等空间环境因子融合并生成为数据层，利用矢量或栅格叠加计算，给决策者提供直观线性且精确量化的结果[15]。因此，课题组利用AHP和GIS技术对云南省各州(市)三七种植适宜区划进行精细化研究，以便为界定三七的资源分布区域和三七的引种栽培选择提供参考，服务于三七的轮作与产业发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

云南省地处中国西南部，地理坐标21°08′32″～29°15′08″N、97°31′39″～106°11′47″E，全境总面积39.4万km2，居全国第8位。云南北接青藏高原，南连云贵高原，地形多样，以高原山地、坡地为主，大部分地区海拔1 000～3 500 m，平均海拔2 000 m左右。同时云南全境有北回归线穿过，又受云贵高原地形和东南、西南季风的综合影响，兼具低纬气候、高原气候等多种气候特点，平均年日照时数2 020.7 h，热量资源充沛，年温差小，日温差大。四季变化小，最热月平均气温19～22 ℃，最冷月平均气温6～8 ℃。各地区降水分布差异大，大部分地区年降水量>1 000 mm。西北部属寒带型气候，长冬无夏，春季和秋季较短；东部和南部属温带型气候，四季如春，易遇雨成冬；南部和西南部属低热河谷区，一部分属于热带地区，长夏无冬[16-17]。三七传统产地位于云南东南部，土壤肥沃，日照丰富，雨量充足，年温差较小，为三七的种植提供了广阔的适宜环境。

1.2 数据来源

国家基础地理信息中心提供的1∶25万云南省基础地理数据、全省市级政区图和SRTM 90 m分辨率的DEM高程数据，土壤分布图，云南省1979—2019年共27个国家气象台站气象记录数据。

1.3 数据处理

首先利用Excel软件统计与筛选温度、年降水量等各种生态因子，随后导入ArcGIS 10.4软件中，并对相关数据进行空间化处理。通过克里金插值法，生成每个评价指标的空间分布图层，同时基本评价单元确定为30 m×30 m网格栅格单元，将相同空间参考信息的数据在ArcGIS 10.4软件中进行叠加分析[19]。

2 结果与分析

2.1 种植现状

三七在云南省的种植已有数百年的历史，清乾隆年间的《开化府志》(1785年)便曾记载到“开化三七，在市出售，畅销全国”，而开化府则隶属今天的云南省文山市。2014年6月进行了一次云南省三七种植资源普查，结果显示，云南省三七种植规模最大的州(市)依次为文山、红河、曲靖、昆明、玉溪，分别占全省种植面积的37.00%、33.04%、15.07%、7.42%和3.63%，合计占全省种植总面积的96.16%。怒江、迪庆和昭通尚无三七种植，三七种植适宜性较低[18]。产量方面，以文山州为例，年度产量波动幅度较大。特别是2013年以来，三七产量伴随着种植面积大起大落(图1)，2019年三七产量2万t，只有2015年产量的2/3。产量波动大既有需求端市场因素的原因，也有供给端三七种植区域的划定不明，不便于三七的轮作及规模生产的原因。因此，确定适宜三七种植区域成为当下云南三七产业发展迫切需要解决的问题。

图1 2010—2018年文山州三七种植面积的变化(资料来源：文山州三七和中医药发展中心、云南文山州人民政府官网)

2.2 生境需求

通过查阅文献和相关资料[20-31]明确影响三七生长生态环境因子及其范围值。

2.3 区划指标选取与分级

综合三七各项生态环境因子指标的研究成果，确定气温、年降雨量、年日照时数、土壤质地、海拔等评价指标。各要素指标的适宜性选取、分级见表1。

2.4 评价指标权重判定

三七生长受地形、气候、土壤等多种生态因子影响，各种生态因子对三七生长的影响程度不易判断。本研究采用AHP法[32]，依据对文山州三七研究院相关三七研究专家的问卷调查，并结合文献资料，构建目标层、准则层、决策层3个分析层次，再经过建立层次结构模型、构建判断矩阵、层次单排序、一致性检验、层次总排序等一系列统计与分析后，得出气候、地形、土壤3个层次10个三七评价指标的权重值(表2)[33-34]。测得生态指标总排序一致性值0.070 9(<0.1)，具有令人满意的一致性。

表1 云南省三七种植适宜性评价指标分类

表2 云南省三七生态适宜性区划评价指标权重值

2.5 适宜性评价

采用综合因子加权评价模型，对各个三七评价因子的权重值加权叠加，采用Delphi法对各个评价因子进行4分制评分，对适宜性等级进行划分，最后用ArcGIS软件进行加权叠加分析，确定云南三七种植栽培的适宜分布范围，并得到适宜性综合评价图[19]。

计算公式：

公式：Z是某单元适宜综合得分值；n是评价因子总数；i代表不同评价因子；Xi是相应评价因子的权重值；Yi是相应评价因子的得分值。

结合评价结果、文献资料与实际情况后划分出云南省三七种植生态适宜性不同等级，分为4类，见表3。

表3 云南省三七生态适宜性评价分级与赋分

2.6 适宜区分析与面积计算

根据ArcGIS的空间表达能力，得到各环境因子的适宜性区划图(图2)。结合不同环境因子的权重，通过ArcGIS中栅格计算器对不同因子的图层加权叠加分析，得到其综合适宜性得分，最后综合各环境因子生成云南省三七生态适宜性分布(图3)。利用ArcGIS的ARC Toolbox面积制表工具对各州(市)的三七适宜区面积进行测算，具体结果如图4所示。

2.7 生态适宜性区域分布

2.7.1 最适宜区

结合图2～4可知，云南省三七最适宜种植区主要分布在东南部，总计面积452 846.14 km2。主要包括文山州(229 280.22 km2)丘北县、砚山县、广南县、文山市、马关县、习西畴县、麻栗坡县，红河州(133 842.48 km2)弥勒县、开元县、建水县、蒙自市、个旧市、屏边县、河口县、金平县、元阳县。这些地区海拔多在1 000 m以上，地形起伏大，排涝能力较强，年日照时数在2 000 h以上，为三七光合作用提供了最适宜的条件，非常适宜三七有效成分的积累。同时在西部的临沧、保山、大理、普洱等部分地区也发现有最适宜区分布。这些地区气候温和，年平均气温16.5～17.5 ℃，日照时间长，可为今后当地规模生产三七提供参考。

2.7.2 适宜区

三七适宜种植区分布较广，包括云南中南部的普洱(299 478.91 km2)、大理(257 274.42 km2)、楚雄(244 811.26 km2)、红河(138 600.27 km2)等地区。适宜区面积总计1 979 583.07 km2，是云南省三七生态适宜性分布中面积最大的一类区域。这一区域年降雨量在900～1 100 m；年平均气温为14～16 ℃;大理、楚雄的年日照时数较长，为2 300 h以上，临沧、保山、普洱等地较短，为2 200 h左右；≥10 ℃年积温为5 600～7 000 ℃·d；大理、保山积温较低，而南部临沧、普洱、玉溪等地的年积温较高，接近7 000 ℃·d；霜期较短，部分地区终年无霜。土壤pH多在5.5左右，部分地区在6.5～7.0。该类地形变化差异较大，部分地区海拔可达3 000 m以上，总体在1 500～1 700 m，四季温差小，能满足三七发芽、开花受精的条件。种植适宜区面积虽广，但是部分环境条件存在限制，可利用技术手段优化遮光、排水等设施，通过人工干预加以改善。

图2 云南省三七各生态因子适宜性分布

图3 云南省三七种植生态适宜性分布

图4 云南省各州(市)三七适宜区面积

2.7.3 次适宜区

三七次适宜种植区主要分布于云南省中部偏北和南部的部分地区，包括怒江、大理、丽江、楚雄、昆明、曲靖、普洱、西双版纳等地。次适宜区总面积1 252 675.66 km2，占云南省总面积的27.12%。该类区域南北差异较大，北部年降水量较少，在900～1 000 mm，南部较多，在1 300 mm左右，容易存在或旱或涝的情况，不易为三七生长提供适宜的水分。北部≥10 ℃年积温较低，在4 000～5 600 ℃·d，南部则较高，可达7 000 ℃·d。年日照时数北部多在2 300 h以上，而南部仅2 000 h左右。最热月平均气温北部一般只有15～17 ℃，南部则可达20 ℃。最冷月平均气温北部接近0 ℃，而南部则相对适宜，多在6 ℃以上，过高或过低的温度都不适宜三七生长和物质积累。北部土壤偏碱性，而南部则偏酸性。该类地区种植三七时可根据实际情况，对水分、光照、pH等进行干预调整，结合成本和需求开展种植。

3 讨论

本研究应用AHP法确定土壤、气候、地形3大类环境条件中的10个生态因子的权重，采用GIS技术，结合Delphi法，对10个因子的栅格图层加权叠加，按照综合评价得分将云南省三七种植生态适宜性区域划分为最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区。与定性分析或仅选用气候因子进行区划判定相比，本研究兼顾考虑了三七生长特性和统计指标发生概率计算权重，使得结果更为精确客观。

本研究对三七最适宜区的划定，进一步证明了三七种植适宜区集中于云南省的东南部，文山、红河是三七种植的最佳地区。这一结果也与2014年云南省三七种植资源普查结果基本吻合。云南省西部的临沧、保山、大理、普洱等地的部分地区自然条件适宜，未来可作为潜在的三七新兴产地。另外，精细归纳了云南省各州(市)的三七适宜种植情况，可为当地政府和企业种植三七提供参考。

必须指出的是，本研究仅选择10个因子对云南省三七生态适宜性进行区划，而经济和交通条件等因素也会对三七种植区域的分布产生影响。因此，为了进一步优化三七的适应种植区域，提高经济效益，选取更全面、更详尽的数据对开展后续的研究有着积极的意义。