基于地理信息系統(tǒng)的何首烏地理分布與氣候關系研究

陳亞，江濱，曾元兒

（廣州中醫(yī)藥大學，廣東 廣州 510405）

資源

基于地理信息系統(tǒng)的何首烏地理分布與氣候關系研究

陳亞*，江濱，曾元兒

（廣州中醫(yī)藥大學，廣東 廣州 510405）

目的：在地理信息系統(tǒng)的支持下，研究何首烏的地理分布與氣候因子的關系。方法：建立何首烏分布區(qū)數(shù)據(jù)庫，在ArcGIS9.3軟件中制作何首烏分布區(qū)的縣界多邊形電子地圖，利用空間分析法提取何首烏分布縣市的氣象數(shù)據(jù)，利用Kira溫暖指數(shù)、寒冷指數(shù)和徐文鐸濕潤指數(shù)及其他氣候因子綜合研究何首烏的地理分布與環(huán)境氣候的關系。結(jié)果：7月平均最高溫、7月平均氣溫、無霜期、年平均氣溫、年降水量、干燥度為何首烏地理分布的主要限制因子。主成分分析表明影響何首烏地理分布的水熱指標作用的相對次序是：熱量因子、高溫條件、干燥度。結(jié)論：何首烏喜溫暖濕潤且陽光充足的環(huán)境，耐寒，適應性強。

何首烏；地理信息系統(tǒng)；地理分布；氣候因子

何首烏為蓼科多年生纏繞藤本植物，其干燥塊根為常用的大宗中藥材。制何首烏具有補肝腎，益精血，烏須發(fā)，強筋骨，化濁降脂的功能［1］。現(xiàn)代醫(yī)學表明，何首烏具有增強免疫功能和抗氧化作用，可延緩大腦衰老，提高DNA修復功能，延長壽命，降低膽固醇以及改善脂肪代謝［2］。何首烏在黃河以南、長江南北各省區(qū)均有分布，但近年來對野生何首烏掠奪性采挖現(xiàn)象非常嚴重，導致何首烏野生資源急劇下降，人工栽培勢在必行。以往有關何首烏的研究主要集中在化學成分和藥理研究等方面，而對何首烏的地理分布與氣候因子的關系則未見報道。本文在地理信息系統(tǒng)的支持下，采用國際上比較流行的研究植被－氣候相互關系的指標和方法，綜合研究了何首烏的地理分布與環(huán)境水熱狀況的關系，為何首烏引種馴化、規(guī)范化種植提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 何首烏地理分布資料

何首烏的地理分布資料主要來源于中國數(shù)字植物標本館（CVH，http：//www.cvh.org.cn）等的何首烏標本資料，以及書籍和公開發(fā)表的論文報道等，包括《中國中藥資源》、《中國植物志》等，在Excel表格中輸入及處理，建立何首烏分布區(qū)數(shù)據(jù)庫。

1.2 電子地圖

中國縣界電子地圖（1∶400萬）由國家測繪局繪制，由國家基礎地理信息中心提供。應用ArcGIS 9.3分析軟件以中國縣界電子地圖為基礎地圖，以何首烏分布縣市名或行政代碼等關鍵字段鏈接何首烏分布區(qū)數(shù)據(jù)庫，通過屬性選擇獲得何首烏分布區(qū)域的縣界多邊形電子地圖。

1.3 氣象數(shù)據(jù)

原始數(shù)據(jù)：1961～1990年累年平均氣溫，1961～1990年累年各月平均氣溫、1月平均最低溫、7月平均最高溫，1961～1990年累年平均降水量，全國多年平均干燥度分布圖等柵格數(shù)據(jù)來自于中國科學院科學數(shù)據(jù)庫。

何首烏分布區(qū)各縣市氣象數(shù)據(jù)提取：借助地理信息系統(tǒng)，利用何首烏分布區(qū)域的縣界多邊形電子地圖在ArcGIS 9.3的空間分析模塊中通過區(qū)域統(tǒng)計的方法提取上述氣象數(shù)據(jù)。

何首烏分布區(qū)的累年平均日照時數(shù)、無霜期主要來源于 《中國縣情大全》、中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)等提供的數(shù)據(jù)。

1.4 水熱指標的計算方法

Kira的熱量指數(shù)包括兩個含義，即溫暖指數(shù)和寒冷指數(shù)［3-4］，溫暖指數(shù)（WI）是采用日平均氣溫高于5℃的總和作為植物生長的熱量條件，寒冷指數(shù)（CI）是采用日平均氣溫低于5℃的總和來表示。他們的計算公式分別為：WI＝∑（t1-5），t1為大于5℃的月平均溫度；CI＝-∑（5-t2），t2為小于5℃的月平均溫度。徐文鐸［5］在Kira的熱量指數(shù)基礎上提出了濕潤指數(shù)（HI）：HI＝P/WI，式中P為年降水量。按文獻方法計算 WI、CI、HI［3-5］。

1.5 水熱指標的統(tǒng)計分析

何首烏分布區(qū)水熱指標的統(tǒng)計分析工作在SPSS 13.0中完成，包括最大值、最小值、平均值、標準差等，變異系數(shù)＝標準差/平均值×100%，是衡量資料中各觀測值變異程度的一個統(tǒng)計量。

1.6 最適分布范圍的確定

考慮到計算指標的頻數(shù)分布接近于正態(tài)分布時，確定熱量分布的最適范圍可采用半峰寬（PWH）公式獲得［3］。即 PWHi＝2.354·Si，最適范圍為 Xi－0.5PWHi～Xi＋0.5PWHi，其中Xi為 i指標平均值，Si為i指標標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 何首烏的地理分布

何首烏分布范圍較廣，在黃河以南、長江南北各省區(qū)均有分布。何首烏資源分布在東經(jīng)98.50°～121.21°，北緯21.44°～34.40°，東西橫跨22個經(jīng)度，南北跨越13個緯度。在我國的西南地區(qū)、華中地區(qū)、華南地區(qū)、華東等地區(qū)廣泛分布，包括我國的四川、云南、貴州、重慶、廣東、廣西、江蘇、安徽、江蘇、湖北、湖南、河南、江西、陜西、甘肅等省均有記載分布。經(jīng)統(tǒng)計，何首烏資源的主要分布區(qū)涉及到我國的204個縣市，如圖1中的黑色部分。

圖1 何首烏地理分布圖

2.2 何首烏分布區(qū)水熱指標的分析

2.2.1 熱量指標 何首烏分布區(qū)的各種水熱指標見表1。

表1 何首烏分布區(qū)水熱指標統(tǒng)計

由表1可知，何首烏分布區(qū)的熱量條件為：年平均氣溫2.41～22.91℃，最適范圍11.95～19.01℃，平均15.48℃；七月平均最高溫為15.34～33.08℃，最適范圍25.32～32.72℃，平均29.02℃；七月平均氣溫9.68～28.67℃，最適范圍20.37～28.33℃，平均為24.35℃；無霜期160～365 d，最適范圍220.74～33.95 d，平均277.35 d；溫暖指數(shù)14.70～215.78℃·mon，最適范圍 90.66～166.53℃·mon，平均128.60℃·mon。

從各熱量指標的變異系數(shù)看，變異系數(shù)較小，其值在25%以下的排序：七月平均最高溫＜七月平均氣溫＜無霜期＜年平均氣溫，說明它們是何首烏分布的主要限制指標。溫暖指數(shù)的變異系數(shù)為25.06%，說明何首烏對其要求較強，為何首烏分布的次要限制指標。而一月平均氣溫、一月平均最低溫和寒冷指數(shù)的變異系數(shù)很大，其值在75%以上，說明何首烏對其要求不強，不是何首烏分布的限制指標。

2.2.2 水分指標 由表1可知，何首烏生長環(huán)境中年降水量為468.31～1 668.81 mm，最適范圍為978.06～1 488.64 mm，平均1 233.35 mm；干燥度平均值為0.85。濕潤指數(shù)平均值為10.15 mm·℃－1·mon－1。其中年降水量、干燥度的變異系數(shù)小于25%，是何首烏分布的主要限制指標。而濕潤指數(shù)的變異系數(shù)為42.46%，說明何首烏對其要求較強，為何首烏分布的次要限制指標。

2.2.3 日照時間 何首烏生長環(huán)境中年均日照時數(shù)為145.10～2 880.00 h，最適范圍為1 210.14～2 227.67 h，平均為 1 718.90 h，變異系數(shù)為25.15%，說明何首烏對其要求較強，為何首烏分布的次要限制指標。

從以上何首烏分布區(qū)的水熱指標分析來看，何首烏生長在溫暖潮濕、光照充足的環(huán)境，最冷月（一月）平均氣溫、一月平均最低溫等的變異系數(shù)很大，說明其對何首烏分布影響小，表明何首烏耐寒，適應性強。

2.3 水熱指標的主成分分析

對何首烏分布區(qū)的12個水熱指標進行主成分分析，得到前3個主分量的負荷量、特征值、信息量和累積信息量，見表2。

表2 水熱指標中前3個主分量的負荷量、特征值及信息量

從表2可以看出，第一主分量（PC1）占總信息量的54.88%，第二主分量（PC2）占總信息量的14.495%，第三主分量（PC3）占總信息量的12.117%。前3個主分量的信息量占總信息量的81.493%。在第一主分量（PC1）中，年平均氣溫、溫暖指數(shù)等的負荷值較大，且彼此差異不大，因此第一主分量反映的是熱量因素；在第二主分量（PC2）中，七月平均氣溫、七月平均最高溫的負荷值較大，以高溫期的熱量條件為主，因此第二主分量反映的是高溫條件；第三主分量以干燥度為主；從總體來看，影響何首烏地理分布的水熱指標作用的相對次序是：熱量因子、高溫條件、干燥度。

3 討論

地理信息系統(tǒng)（GIS）是以采集、儲存、管理、顯示、分析和應用整個或部分地球表面與空間和地理分布有關的數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)，近年來，GIS在各個領域的開發(fā)應用得到了迅猛發(fā)展［7］。GIS提供的一系列的空間統(tǒng)計分析功能，可以對資源信息進行處理和分析，挖掘出新的有用的信息和結(jié)論。本文借助地理信息系統(tǒng)的空間分析功能，對不易獲得的氣候空間數(shù)據(jù)進行分縣市提取，提供了一種聯(lián)系何首烏地理分布與氣候空間數(shù)據(jù)的重要方法，為進一步的統(tǒng)計分析提供了基礎。

何首烏為常用的大宗中藥材，除藥用外，何首烏還廣泛用于保健食品和化妝品生產(chǎn)，市場需求量大。何首烏在我國廣泛分布，主要分布在陜西南部、甘肅南部、華東、華中、華南及西南地區(qū)，野生何首烏生長在海拔200～3 000 m的山谷灌叢、山坡林下、溝邊石隙中。近年來由于過度采挖以及生態(tài)環(huán)境的變化，導致何首烏野生資源急劇下降，人工栽培勢在必行。

何首烏分布區(qū)溫暖濕潤，光照充足。日本學者吉良龍夫（Kira）［8］根據(jù)溫暖指數(shù)將世界劃分為7個帶，根據(jù)其劃分標準，何首烏分布區(qū)主體為暖溫帶和亞熱帶。中國學者徐文鐸［5］利用濕潤指數(shù)劃分濕潤、半濕潤、半干旱和干旱等4類氣候條件，根據(jù)其劃分標準，何首烏分布區(qū)屬于濕潤和半濕潤區(qū)。結(jié)合何首烏的年均日照時數(shù)以及寒冷指數(shù)、一月平均氣溫等非限制指標以及干燥度等限制指標的分析表明，何首烏喜溫暖濕潤且陽光充足的氣候，耐寒，不耐旱。

影響植物地理分布的氣候因子很多，分析并確定對植物地理分布影響大而起主導作用的主導因子，無疑是探討植物地理分布與氣候條件關系的重要內(nèi)容之一。主成分分析的方法目前已成為研究植物分布與氣候關系中確定氣候主導因子的有效手段，并得到廣泛應用［9］。本文研究表明，熱量因子、高溫條件、干燥度對何首烏的地理分布起主導作用，按作用大小的排序是：熱量因子＞高溫條件＞干燥度。

由于沒有掌握何首烏分布區(qū)精確的地理位置數(shù)據(jù)，本文在對何首烏分布區(qū)的水熱指標進行分析時，是以何首烏分布縣市的氣象數(shù)據(jù)作為基礎進行的，因此在分析結(jié)果上可能存在偏差，此種情況有待于在以后的研究中加以完善。

［1］國家藥典委員會.中國藥典［S］.一部.北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2010：165.

［2］謝嵐.何首烏及二苯乙烯苷的研究進展［J］.天津藥學，2010，22（3）：71-73.

［3］Kira T.A New Classification of Climate Eastern Asia as the Basis for Agricultural Geography［C］.Horticultural Institute，Kyoto University，1945：13-17.

［4］Kira T.Forest ecosystemof east and southeast Asia global prospective［J］.Ecological Research，1991，6：85-200.

［5］徐文鐸.東北地帶性植被建群種及常見種的分布與水熱條件關系的初步研究［J］.植物學報，1983，25（3）：264-274.

［6］于憲遠.何首烏的生長特性和栽培要點［J］.上海蔬菜，2009，（2）：46.

［7］湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程［M］.北京：科學出版社，2006：1.

［8］武吉華，張紳.植物地理學［M］.第三版.北京：高等教育出版社，1995：185.

［9］郝佳波，司馬永康，徐亮.云南擬單性木蘭的地理分布與氣候因子的關系［J］.西部林業(yè)科學，2007，36（2）：106-109.

2011-01-19）

《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄（2011年本）》將從2011年6月1日起施行

《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄（2011年本）》已經(jīng)正式發(fā)布，自2011年6月1日起施行。《目錄（2011年本）》維持2005年本分類不變，仍分為鼓勵類、限制類和淘汰類。不屬于上述三類，但符合國家法律、法規(guī)和政策規(guī)定的，為允許類，允許類不列入目錄。

國家發(fā)展和改革委員會2010年啟動了《目錄（2011年本）》的修訂工作，并就中藥產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄內(nèi)容征求了中國中藥協(xié)會意見。中國中藥協(xié)會所提的部分意見：鼓勵瀕危稀缺藥用動植物人工繁育技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展以及代用品開發(fā)與生產(chǎn)；鼓勵傳統(tǒng)中成藥品種的二次開發(fā)與生產(chǎn)；限制原料含瀕危、緊缺動植物藥材、且尚未規(guī)模化種植或養(yǎng)殖的產(chǎn)品生產(chǎn)能力擴大項目，被國家發(fā)展和改革委員會予以吸收采納。

Analysis on Relationship between Geographical Distribution of Polygonum Multiflorum Thunb.and Climatic Factors by Using GIS

CHEN Ya，JIANG Bin，ZENG Yuan-er
（Guangzhou University of Chinese Medicine，Guangzhou 510405，China）

Objective：To analyze the relationship between geographical distribution ofPolygonum multiflorumThunb.and hydro-thermal factors by using GIS.Methods：Database of the geographical distribution ofPolygonum multiflorumThunb.was established with Excel and linked with the digital polygon maps.Climate data was extracted from the Geodataset by spatial analysis，the relationship between geographical distribution and hydro-thermal factors was analyzed with Kira’Swarmth index and coldness index，Xu’S humidity index and other climate index.Results：Average temperature in July，average maximum temperature in July，annual average temperature，annual average precipitation，average frostless period，penman’s aridity index were the main limited factors to the geographical distribution ofPolygonum multiflorumThunb.The principal component analysis shows that relative effects of climate indexes on the distribution were in the order of thermal factor＞thermal factor in hotnessmonth＞aridity.Conclusion：Polygonum multiflorumThunb.is a plantwith a preference for warmth，moisture and enough sunshine hours.

Polygonum multiflorumThunb；Geographic information system；Geographical distribution；Climatic factors

*陳亞，E-mail：soarchy2005＠163.com