基于3S技術的羌活區劃研究Ⅲ.基于生長適宜性和品質適宜性的羌活功能型生產區劃研究

孫洪兵　蔣舜媛　孫輝　王紅蘭　周毅　朱文濤

[摘要]為解決藥材生長最適宜生長區域與高品質區域空間分離的問題，建立具有針對性生產指導的區劃，該文以羌活藥材為例提出綜合考慮藥材生長適宜性和品質適宜性的中藥材功能型生產區劃方法。基于前期羌活生長適宜性和品質適宜性區劃的研究結果，將羌活生長適宜性空間矢量數據與藥材品質適宜性空間矢量數據進行空間加權總和處理，獲得羌活生產適宜性空間矢量數據，發現優質高產區域主要分布在道地產區四川省境內；利用研究區域的土地利用現狀遙感監測數據進一步對羌活生產適宜區進行功能劃分，發現適宜羌活規模化種植和野生林地撫育區主要分布在四川阿壩州和甘孜州境內，與實地調研結果一致。該研究結果將為羌活的道地性研究、野生資源保護、產業化種植和野生林地撫育提供科學的理論依據與技術支持。

[關鍵詞]羌活； 3S； 生長適宜性； 品質適宜性； 生產適宜性； 功能型區劃

[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

中藥區劃主要是研究中藥材品質及產量空間屬性及其地域系統的空間分異規律，最終綜合社會、經濟及人為因素進行區域劃分，其研究成果可為中藥材的生產提供基礎數據和技術支撐[1]。由于區域之間中藥材所在地的自然生態和人為因素等“立地條件”不同，中藥材生長及品質適宜性的空間分異規律或許不同[2]。即植物積累次生代謝產物所需的適宜生境（藥材品質適宜性）與其生長發育的適宜生境（植物生長適宜性）可能并不一致，甚至相反，即藥材的高產中心有可能與高質中心分離或者偏離[3]。因此，在利用中藥材生產區劃技術對所謂的“立地條件”進行研究的過程中，不但要體現原植物的生長適宜性，即完成生長適宜性區劃，還應從藥材品質（次生代謝產物的積累）與區域相關的角度完成藥材品質適宜性區劃，然后選取適宜的空間疊加分析模型，對二者進行空間疊加，才能獲得較為合理的藥材生產區劃結果。這不是單純的生態（生境）適宜性區劃所能完成的任務。

為解決上述問題，本文以羌活藥材為例，在前期羌活生長適宜性[4]和品質適宜性區劃研究結果[5]的基礎上，通過分析兩者空間分異規律，建立更加具有產業化實踐指導意義的中藥材功能型生產區劃的評價體系和方法，以期為羌活的資源保護、野生撫育和產業化種植實踐指導，也為其他中藥材產業規劃提供科學理論和參考依據。

1材料

11樣點數據于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、甘肅、青海、西藏等省采集野生羌活樣品，共設定38個采樣點（采樣點定位信息經由GPS實地獲得，并經ArcGIS100軟件進行圖層篩選得到32個采樣點），每個采樣點不少于5株，收集了217份樣本[4]。經四川省中醫藥科學院蔣舜媛研究員和周毅副研究員鑒定為傘形科植物羌活（Notopterygium incisum，憑證標本保存于四川省中醫藥科學院）。樣品按單株陰干、粉碎，過30目篩后測定其有效成分含量。利用超高效液相色譜法（UPLCPDA）測定各樣品中羌活醇（notopterol）和異歐前胡素（isoimperatorin）的含量[6]。

12地理及環境數據生態因子數據來源于“中藥資源空間信息網格數據庫”（http：//wwwtcmresourcescom/）；縣級以上行政邊界數據下載于國家基礎地理信息系統網（http：//nfgisnsdigovcn/），比例尺為1∶400萬；2010年中國土地利用現狀遙感監測數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http：//wwwresdccn）。

2方法

21羌活生產適宜性劃分及分析基于前期羌活生長適宜性和品質適宜性區劃的研究結果[4]，將羌活生長適宜性和品質適宜性空間分布矢量數據進行空間關聯性分析，分析兩者空間分異規律，在此基礎上選取適宜的疊加模型，獲得綜合藥材品質與生長適宜性的羌活生產適宜性空間分布數據，并進行區劃分析。

22羌活功能型區劃構建及分析借助ArcGIS強大數據處理平臺，從2010年中國土地利用現狀遙感監測數據中提取研究區域農用耕地遙感監測數據和林地遙感監測數據，經重分類后，以此為掩膜分別對羌活生產適宜性空間分布矢量數據進行空間數據提取，建立羌活規模化人工種植區劃和羌活野生林地撫育區域。最后利用ArcGIS中重分類處理方法對各適宜分布區面積進行分省統計。

3結果與分析

31羌活品質及生長適宜性空間差異性分析借助ArcGIS數據處理平臺的Spatial Analyst多元分析（multivariate）中的波段集統計（band collection statistics）模塊，選用計算協方差和相關矩陣選項，利用式（1）公式求取羌活生長適宜性圖層和品質適宜性圖層之間的協方差。

Covij=Nk=1（Zij-μi）（Zij-μj）N-1（1）

式中，Z為像元值；μ為圖層平均值；N為像元的數量；k為特定像元；i代指羌活生長適宜性圖層；j代指羌活品質適宜性圖層。

此基礎上利用式（2）將羌活生長適宜性圖層和品質適宜性圖層間的協方差與標準差乘積進行空間運算，空間相關系數Corrij為0449 5，呈正相關。表明羌活生長適宜性與品質適宜性空間分布數據從整體上來講在空間變化趨勢上具有一定的相似性。

Corrij=Covijδiδj（2）

按羌活生長適宜性與品質適宜性空間分布數據的屬性值（value）分別提取（利用ArcGIS Spatial Analyst中提取分析模塊的按屬性提取功能）各自的“高、中、低”區（采用自然間斷點分級法劃分）空間矢量數據，并兩兩做空間相關分析，分析結果表明各區段的空間相關性極低（幾乎為零），也就是說羌活植物積累次生代謝產物所需的適宜生境（藥材品質適宜性）與其生長發育的適宜生境（植物生長適宜性）存在空間差異性，即羌活藥材的高產中心與高質中心分離或者偏離，因此進行羌活生產區劃研究不能單純以生長適宜性或者簡單疊加品質適宜性后的數據進行分析和評價，需要綜合考慮羌活的生長適宜性與品質適宜性的各自比重，建立綜合藥材產量和品質最大化的羌活生產區劃。

32羌活生產適宜性區劃模型構建及適宜性分析目前，常見的空間疊加分析方法主要有加權疊加（weighted overlay）、加權總和（weighted sum）以及模糊疊加（fuzzy overlay）這3種，每種方法都有不同的基本前提和假設。模糊疊加以集合論為基礎，分析時將數據值重分類或變換到相同等級，變換后的值可用于定義隸屬于指定集合的可能性。由于模糊疊加法中變換后的值表示隸屬可能性，因此輸入柵格不需要進行加權，將轉換后的數據進行簡單的柵格運算處理（常用的算子有取平均值、最大值、最小值、加減、乘除、交集以及并集等）。疊加后的數值表示隸屬于羌活生長適宜性或品質適宜性的可能性[7]，因此模糊疊加模型的疊加值不能用于羌活生產適宜性分析。

相對而言，加權疊加法與加權總和法隨著分析假設有利因素的增多，其最終輸出柵格中生成的值越高，因此這些值較高位置將確定為最佳位置，較適用于進行生產適宜性模型構建。加權疊加（weighted overlay）使用常用測量比例來疊加多個柵格數據，并根據各柵格數據的重要性分配權重，分配給各輸入柵格的權重之和必須等于100%，將圖層乘以相應的倍數，然后將每個像元生成的值相加。而加權總和（weighted sum）是通過將柵格各自乘以指定的權重并合計在一起來疊加多個柵格。與“加權疊加”分析有所不同，其使用的權重不同，而且這些值不會按照定義的等級重新安排。因此，模型中所輸入值的屬性分辨率將保持不變。這2種工具主要區別如下：加權總和工具不能將重分類值重設為評估等級，因此可保持其分辨率。加權總和工具允許使用浮點型和整型值作為輸入，而加權疊加工具只接受整型柵格作為輸入。加權疊加工具最常用于適宜性建模，并且可用于確保遵循正確的方法。加權總和工具在需要保持模型分辨率，或需要浮點型輸出或小數權重時很有用。加權總和可將每個輸入柵格的指定字段值與指定權重相乘。然后將所有輸入柵格相加來創建輸出柵格。因為羌活生長適宜性和品質適宜性空間矢量數據為浮點型數據，而且疊加結果需要保持模型的分辨率，以便于進行產地適宜性分析，不宜在數據運算中將變量進行重分類作為評估等級。因此，最終選取加權總和模型（weighted sum）進行羌活生產適宜性區劃研究。

由加權總和的疊加結果可知，羌活生產適宜性高度區段主要分布在四川省阿壩州境內，西藏的昌都地區及甘肅省的甘南地區有零星分布；中度適宜區段主要分布在四川省阿壩州以及甘孜州境內，以甘孜州為主；低度適宜區主要分布在青海省東部地區、甘肅隴南地區、西藏昌都等地區以及三省（川、青和藏）交界處（圖1）。

33羌活功能型區劃研究中藥材生產區劃研究的目的是為中藥材的生產做科學性指導，目前中藥材生產方式主要有人工栽培和野生撫育（仿野生栽培）2種形式。為建立更具指導性、科學性和實用性的中藥材生產區劃，需要按照其所需的土地利用類型進行功能性劃分。以羌活為例，其野生種群的生境主要是亞高山針葉林上沿、林線、林窗、樹線交錯帶及高山灌叢草地，生境特征主要是林地（前期羌活生理生態的相關研究也表明羌活是森林成分而非草地成分），因此野生撫育區域應該以林地為主，灌叢草地因為及生境脆弱和難以到達性而難以成為野生撫育的區域；羌活人工栽培主要是在高寒山區耕地上進行，高寒區域因生態保護而嚴禁墾殖林地和草地，因此人工栽培區域的土地利用方式主要是耕地。以此為依據，羌活的生產區劃按功能性可劃分為適宜羌活野生撫育的林地生產區劃和適宜人工栽培的耕地生產區劃。

羌活功能型區劃構建中首先借助ArcGIS平臺按屬性值從2010年土地利用遙感檢測矢量數據中分別提取耕地和林地分布數據，并進行重分類，導出SHP格式矢量數據，然后按此掩膜提取生產適宜性分布數據；采用自然間斷點分級法（Jenks）進行等級劃分，分別建立適合羌活規模化人工種植的高寒區域的農用耕地（圖2a）和野生撫育的高寒林地區劃分布圖（圖2b）。

由圖2a中可知，適宜羌活生產的農耕用地分為3個區段：高適宜區段、中適宜區段和低適宜區段。高適宜區主要分布在四川阿壩州和甘孜州，該區域因為環境的空間異質性高而且高海拔適宜區域的耕地面積相對較大，因而有一定面積的適宜耕地；中適宜區分布在甘肅省隴南地區、青海省東部地區以及兩省交界處，該區域盡管海拔普遍較甘孜阿壩低但因為緯度偏北而且耕地面積較大，因而有較大面積的適宜耕地（甘肅省和青海省）；低適宜區分布在西藏昌都地區以及與青海省交界處，這部分面積較小，一是因為海拔高、寒旱問題嚴重、土壤質量不高，二是因為該區域以草地為主而耕地面積非常有限。

適合羌活野生撫育林地（圖2b）也大致劃分為3個區段：高適宜區段、中適宜區段和低適宜區段。高適宜區段主要分布在四川阿壩州境內；中適宜區段分布在青海以及四川甘孜州境內；低適宜區段主要分布在甘肅省隴南地區和西藏省的昌都地區。

利用ArcGIS空間統計功能對其分布區域進行縣域統計（表1），結合圖2可知，四川省、西藏省和云南省適合羌活野生撫育種植區劃（林地）面積高于規模化人工種植區劃（耕地）面積。據考查[8]，該區域多為羌活N incisum的歷史產區，種質資源較佳，因此可在該區域大力扶持羌活野生撫育種植，以保障藥材質量，并提高當地農民收入。甘肅省和青海省適宜羌活種植的耕地面積較為寬廣，交通相對便利，可合理扶持羌活規模化人工種植。

4討論

本文通過生長適宜性與品質適宜性的空間疊加，構建中藥材功能型生產區劃的評價體系及方法，具有實踐的針對性、結果的定量化、與總體規劃耦合等優點，特別是對于那些道地性明顯與產量適宜區域分離的中藥材品種。如地黃、白前、中華栝樓、羅漢果和川貝母[9]等，很多中藥材生產與農作物的生產不同，中藥材質量主要體現在藥效，其表現形式是某些活性次生代謝產物的含量高低，適宜生長并不表明能夠同時促進次生產物的合成代謝旺盛，很多情況下恰恰相反，某些不利的環境條件才是一些次生產物（如一些萜類、揮發油、單寧類物質等）

合成的必要條件[3]。同時，作為栽培，也不能只考慮藥材質量而忽視經濟可行性，即在保證質量的前提下需要一定的經濟產量，具有比較經濟效益，才能實現產業化栽培，因此需要在生長適宜性方面進行平衡。一般而言，在區劃實際中應充分考慮藥材生長的次適宜區，這些區域藥材有一定的生物產量和藥材產量，如果同時具有促進特定活性成分次生產物形成的脅迫因子，則是產業化栽培的潛在區域。

應當看到，所有基于統計學的區劃方法都是經驗方法，而不是從植物代謝等機制方面去研究藥材的區劃問題，在一定空間范圍內，取樣調查的樣點數據和樣本數據越多，區劃的準確性也就越高。因此，區劃成果只是源于已有數據的統計模型，而不是源于機制模型，再完美的統計模型也只是對野生撫育、栽培產業化的一個方向性的指引，它的功能在于明確區劃范圍內開展工作的可靠性比較高，而不是表明實踐中必然如此，這也是中藥材區劃與農作物區劃不一樣的地方。在實際應用中，對于中藥材區劃結果，首先是對區劃范圍不同等級適宜區域進行驗證和試驗示范，然后才能大規模推廣應用，以避免對中藥材次生產物代謝機制、中藥材藥理藥效機制、道地性形成機制研究不足，僅僅依靠統計模型建立的區劃可能帶來的產業化栽培中的中藥材質量和經濟風險。

將藥材生長適宜性因子、藥材道地性因子、藥材質量控制特征因子、土地利用方式因子等諸多因素結合，從地統計學角度可明確界定適宜的野生資源分布區域、野生種群保護區域、藥材生產質量保證區域、野生撫育區域等，在此基礎上形成一個結合實際和功能需求的完整區劃，傳統區劃方法難以將這些具體的空間實際和現實需求相互結合并定量實現。這種綜合考慮多因素的功能性生產區劃理論和方法，可為中藥材戰略資源保護和可持續利用的理論構建提供新思路，也對中藥材的生產實踐具有重要的指導意義。

通過以羌活為例建立的功能型區劃分析方法，有效的解決因藥材植物積累次生代謝產物所需的適宜生境（藥材品質適宜性）與其生長發育的適宜生境（植物生長適宜性）生長適宜性與品質適宜性空間分離問題，而導致的生產區劃難以兼顧藥材產量及品質的問題。通過對羌活的功能型生產區劃研究表明，羌活的生長適宜性和品質適宜性整體上具有一點的吻合性，但是就其高品質區段和生長高密度區段來說，在空間上存在較明顯偏離。綜合來看，羌活的藥材品質及生長適宜性最優區段主要分布在道地產區的四川省阿壩州及甘孜州境內，與文獻描述的傳統產區較為一致，因此四川省較適宜開展羌活開展規模化人工種植和野生撫育的區段。

[注]本文地圖插圖審圖號：GS（2017）2128號。

[參考文獻]

[1]黃璐琦 中藥區劃專題編者按[J] 中國中藥雜志，2016，41（17）： 3113

[2]銀玲， 彭月， 劉榮， 等 產地生態環境要素與中藥品質相關性研究[J] 中藥與臨床， 2012， 3（6）： 9

[3]黃璐琦， 郭蘭萍 環境脅迫下次生代謝產物的積累及道地藥材的形成[J] 中國中藥雜志， 2007， 33（4）： 277

[4]孫洪兵， 孫輝， 蔣舜媛， 等 基于3G技術的羌活區劃研究I 基于MaxEnt和ArcGIS的羌活生長適宜性分析及評價[J]. 中國中藥雜志， 2015， 40（5）： 853

[5]孫洪兵，蔣舜媛，孫輝， 等基于3S技術的羌活區劃研究Ⅱ.基于協同克里金插值的羌活品質適宜性分析及評價價[J] 中國中藥雜志， 2017， 42（13）：2633

[6]蔣舜媛， 孫洪兵， 孫輝， 等 羌活藥材商品規格與質量等級的對應分析[J] 中國中藥雜志， 2016， 41（5）： 793

[7]黃波， 徐冠華， 閻守邕 GIS中空間模糊疊加模型的設計[J]. 測繪學報，1996， 25 （1）： 53

[8]單鋒， 袁媛， 郝近大， 等 獨活、羌活的本草源流考[J] 中國中藥雜志， 2014， 39（17）： 3399

[9]蔣舜媛， 孫洪兵， 秦紀洪， 等 基于生長適宜性和品質適宜性的川貝母功能型生產區劃研究[J] 中國中藥雜志， 2016， 41（17）： 3194

[責任編輯呂冬梅]