基于遙感和地理信息系統技術寧夏枸杞適宜性的分布范圍

余意　李靜　張小波

摘要 寧夏枸杞為中藥材枸杞子在《中國藥典》中收錄的唯一藥用基原植物，其主要分布于我國北部的寧夏、甘肅、青海、內蒙、新疆等地，為常用大宗藥材之一。由于需求量大，枸杞子早已供不應求，現大多數枸杞子為引種栽培品，但因各地生態環境、地理條件有諸多差異導致枸杞品質參差不齊，市場流通商品品質混亂。因此本文從文獻、第四次中藥資源普查與中藥資源動態監測工作的基礎上，確定出寧夏枸杞分布區域的海拔、年均溫、年降水、土壤類型、坡向、日照時數6個因子的范圍，并在遙感和地理信息系統（GIS）技術的協助下，結合野外實地調查驗證，最終確定寧夏枸杞適宜分布區域。

關鍵詞 寧夏枸杞；枸杞子；適宜性分布；遙感；3S技術；GIS技術；生態環境；空間分布

Abstract Ningxia wolfberry plant， as the only raw medicinal herbs of Chinese wolfberry， is included in the Pharmacopoeia of People′s Republic of China， which is mainly distributed in the northern part of China， such as Ningxia， Gansu， Qinghai， Inner Mongolia， Xinjiang and other places.It is one of the commonly used medicinal materials.Due to the large demand， wild wolfberry has long been in short supply.Now most wolfberry is introduced and cultivated.However， due to many differences in ecological environment and geographical conditions， the quality of wolfberry is uneven， and the quality of market circulation is chaotic.On the basis of the literature research， the fourth survey of traditional Chinese medicine resources and dynamic monitoring data， this paper screened the range of six factors of the latitude and longitude， altitude， annual mean temperature， annual precipitation， soil type， slope and sunshine time of Ningxia wolfberry distribution area， and under the assistance of the remote sensing and GIS technology， with validation of data in the field investigation， ultimately determined the suitable distribution area of Ningxia wolfberry.

Key Words Ningxia wolfberry； Fructus Lycii； Suitability distribution； Remote sensing； 3S technology； GIS technology； Ecological environment； Spatial distribution

中圖分類號：R282文獻標識碼：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2018.09.052

寧夏枸杞作為我國重要的藥食兩用植物資源，在治療體虛氣弱、勞累過度而導致的精血虧虛方面療效奇佳，是老年人以及亞健康人群的補益上品，其商品形式多樣除作為中藥材外，枸杞保健品、枸杞化妝品等其他形式的商品數不勝數。藥典規定寧夏枸杞（Lycium barbarum L.）為枸杞子的唯一基原植物。《中國植物志》記錄寧夏枸杞集中分布于寧夏、甘肅、青海、內蒙、新疆等地。由于各地氣候、地理因素差異導致雖然同為寧夏枸杞但果實的外形、大小、色澤、藥用效果卻不盡相同。因此在此時開展利用遙感和地理信息系統（GIS）技術對寧夏枸杞適宜性分布范圍的研究，實現寧夏枸杞種植栽培因地制宜，顯得尤為重要。

利用3S技術進行中藥材適宜性分布范圍研究取得不錯的成果，尚雪等[1]結合遙感（RS）和GIS技術，根據川牛膝的生長環境，進行因子權重分析，選取了氣候、土壤、地形、植被4個生態因子進行分析，最終得出川牛膝的適宜性分布區域，為全面調查川牛膝資源的分布與保護提供科學依據。程武學等[2]基于TM影像、數字高程模型（DEM）、氣象、土壤等數據，利用遙感和GIS技術提取影響因子，對川產道地藥材川紅花的適宜性空間分布進行研究。

分析現有文獻可知，雖然3S技術在中藥材適宜性分布的大范圍內應用效果明顯，但還未有應用于枸杞子的適宜性分布范圍研究，對于枸杞子的大多數研究仍然集中于對栽培技術、化學成分、質量控制和藥理等方面。因而我們立題于遙感與GIS技術分析枸杞適宜性分布區域，確立海拔、年均溫、年降水、土壤類型、坡向、日照時數6個生態因子進行空間疊加分析，結合全國范圍土地利用信息和主產區野外實地調查，得到寧夏枸杞的適宜分布區域，對寧夏枸杞資源分布以及科學栽培提供依據。

1 研究背景與方法

1.1 我國地理概況

我國國土遼闊總面積約960萬km2，東西相距約5 000 km，大陸海岸線長達18 000 km，在東西南北四點的經緯度跨越更是巨大，最東端在黑龍江和烏蘇里江的主航道中心線的相交處（135°2′30″E），最西端在帕米爾高原附近（73°29′59.79″E），最南端在立地暗沙（3°31′00″N，東經112°17′09″E），最北端在漠河以北黑龍江主航道的中心線上（53°33′N，124°20′E）。地勢整體上呈現出西高東低的走勢，山地、高原、邱陵約占67%，而盆地和平原約占33%，在我國西部擁有“世界屋脊”青藏高原，世界第一高峰珠穆朗瑪峰，從此往東至內蒙古、新疆地區、黃土高原、四川盆地和云貴高原，共同組成我國的第2階梯，平均海拔多在1 000～2 000 m。而在越過大興安嶺-太行山-巫山-武陵山-雪峰山一線以東后，自北向南分布著東北平原、華北平原、長江中下游平原是我國的第3階梯平均海拔500～1 000 m，再往東是我國大陸架淺海區，平均水深不足200 m，為我國的第4階梯[3-4]。由于我國地處世界最大的大陸歐亞大陸，緊鄰世界最大海洋太平洋，因而我國的氣候深受大陸、大洋影響，冬季會產生由大陸吹向海洋的偏北風，夏季產生由海洋吹向陸地的偏南風。冬季寒冷、干燥、大部地區降水減少、氣溫降低，北方更為突出。夏季時由太平洋和印度洋而來的季風使得氣候溫暖、濕潤、降水普遍增多。主體上我國的溫度帶分為6類。見表1[5]。由于各方面影響，我國年降雨量呈現從東南沿海向西北內陸遞減，各地差異巨大，大致上分為4類。濕潤地區年降水量達到800 mm以上，存在于秦嶺—淮河以南、青藏高原南部、內蒙古東北部、東北三省東部。半濕潤區年降水在800～400 mm，從東北平原、華北平原、黃土高原大部分直至青藏高原東南部。半干旱區分布于內蒙古高原、黃土高原一部分地區、以及青藏高原大部，年降水量小于400 mm。而干旱區存在于新疆、內蒙古高原西部、青藏高原西北部，年降水小于200 mm。某些特殊地區，如塔里木、吐魯番盆地年降水小于100 mm[6]。本文此次將以枸杞子的主要分布區寧夏、甘肅、青海、內蒙、新疆等地為主要研究對象，基于這些區域的分布特征（如主要集中于我國的“第2階梯”，海拔在1 000～2 000 m，氣候條件偏于寒溫帶，年降水量多在200 mm等條件）類比全國范圍內的相似地區，找出枸杞子的適宜性分布區域，為研究寧夏枸杞的適宜性分布區域與科學栽培打下基礎。

1.2 數據來源

全國地區遙感影像數據（包括中國土壤類型空間分布數據）以及來源于中國中醫科學院中藥資源中心；全國各省行政區矢量邊界數據，來源中國中醫科學院中藥資源中心；藥材生長生態因子空間數據，包括高程數字模型（DEM），空間分辨力85.6 m，來源于USGS；氣象柵格數據，包括中國年平均氣溫數據和中國年平均降水數據，來源于CERN生態綜合數據庫及共享平臺；文獻資料來源于中國知網及部分枸杞相關專著。

1.3 研究方法

本研究首先查閱了第四次中藥資源普查與中藥動態監測數據庫以及其他相關的文獻資料文獻，了解了寧夏枸杞適宜的生長環境，并對其的生態因子進行了分析，然后利用遙感和GIS技術進行綜合研究，并獲得最后的結果。本研究主要采用遙感與GIS技術相結合的研究方法，具體研究方法如下：

1）全國土地利用信息提取：1∶10萬比例土地利用是以Landsat TM/ETM遙感影像為主要數據源，通過人工目視解譯生成；然后利用ArcGIS10.2軟件，進行坐標轉換、裁剪等處理，得到全國土地利用信息，最后參考中國科學院土地資源分類系統并兼顧其他分類標準，對土地利用數據進行了重新歸并、分類，分類之后有耕地、林地、草地、建設用地（包括城鄉、工礦、居民用地）、水域、未利用土地6個土地利用類型。

2）生態因子提取：根據相關資料文獻，確定出寧夏枸杞的適宜生長的生態因子，并提取包括海拔、年均溫、年降水、坡向、土壤類型、日照時數、年積溫等信息；

3）GIS的空間分析：利用GIS的空間分析技術，分別提取出這7個生態因子的適宜分布范圍，將其進行空間疊加分析，得到寧夏枸杞適宜分布區域；

4）野外驗證：在相關資料、數據以及野外實地調查驗證的支持下，得到寧夏枸杞在全國范圍內的適宜分布區域和面積。

2 適宜生態因子提取和區劃結果

2.1 提取適宜的海拔 在分析文獻后，提取寧夏枸杞生長區域海拔，如郝向峰等[7]對寧夏枸杞在寧夏自治區的海拔分布進行分析時，認為寧夏枸杞適宜生長在海拔1 100～1 200 m的范圍內。吳秀玲等[8]在研究水分調控對寧夏枸杞光合特性及產量的影響時介紹寧夏枸杞適宜生長海拔為1 730 m。齊國亮等[9]在分析影響寧夏枸杞果實多糖含量的氣象因子時介紹了寧夏枸杞的海拔分布于1 110 m、1 806 m、2 988 m。曾凡琳等[10]在分析寧夏枸杞有效成分與氣候因子相關性時對寧夏、甘肅、河北、新疆所分布的寧夏枸杞進行海拔的測量，結果范圍在400～1 600 m之間。文懷秀等[11]則專門研究了青海產野生寧夏枸杞的相關內容，分析了青海省13個縣的分布海拔在1 800～3 200 m。綜合上述數據，將寧夏枸杞的海拔分布范圍定為400～3 200 m之間。基于全國DEM數據應用ArcGis提取海拔在400～3 200 m的區域，結果見圖1。

2.2 提取適宜年均溫 分析全國范圍內的寧夏枸杞生長地區年均溫指標結果如下，張俊華等[12]在對藥用植物寧夏枸杞的土壤細菌群落演替特征進行研究時，對其年均溫指標進行測量發現其穩定在9.5 ℃左右。曾凡琳等[10]在進行寧夏枸杞有效成分與氣候因子相關性分析時，對寧夏、甘肅、河北、新疆4地8個市縣的年均溫進行測量，得到15.8 ℃、15.7 ℃、16 ℃、15.3 ℃、15 ℃、14.8 ℃、15.4 ℃、14.6 ℃的一組數據。王有科等[13]對寧夏枸杞生態環境中的年均溫進行測量得到4～10 ℃的溫度范圍。林楠等[18]對不同產地枸杞進行分析時測量寧夏、甘肅、青海3個省份的年均溫，將其年均溫范圍定為4.5～11 ℃之間。綜合上述數據，將寧夏枸杞分布地區的年均溫范圍定在4.5～16 ℃。基于全國DEM數據應用ArcGis提取年均溫在4.5～16 ℃的區域見圖2。

2.3 提取適宜年降水量 寧夏枸杞的生長能力強勁，在缺水的荒漠也可正常生長，分布范圍廣泛，田間、路旁、山地、沙漠等都可生長，依據其生長特性，觀察篩選出其年降水量大多集中于200 mm以下的地區，這些地區多是我國干旱與半干旱的地區。如齊國亮等[14]對寧夏枸杞果實生長情況的研究中，獲悉寧夏枸杞分布于年降水量為180～200 mm的區域。馬力文等[15]對寧夏當地影響枸杞子生長的氣候因子進行統計，將年降水量確定在100～170 mm之間。曾凡琳等[10]則認為枸杞子在160～550 mm的年降水范圍內都可存活。錢金娥等對于河北壩上寧夏枸杞的研究中發現寧夏枸杞在雨水較為豐富的河北也可栽培，當地的年降水量為350～400 mm[16]。青海省的某些年降水量不足50 mm的地方仍然有寧夏枸杞分布[17-18]。綜合上述數據，將寧夏枸杞分布地區的年降水量范圍定在50～550 mm。基于全國DEM數據應用ArcGis提取年降水量在50～550 mm的區域見圖3。

2.4 提取適宜含沙量土壤 枸杞適宜生長在沙壤土的特性決定其治理荒漠化的功能，也就道出其可以分布在寧夏、青海等荒漠化地區的原因，另一方面由于寧夏枸杞是少有的耐鹽堿植物，只要鹽堿度不超過其耐受范圍，寧夏枸杞都可以正常生長，這對于國家治理鹽堿地大有益處，鹽堿化地區農作物及一般綠色植物無法生長，土地貧瘠度更高長期如此，在該區域寸草不生，還會引發更嚴重的荒漠化，而這一惡性循環的過程有望被枸杞這一類耐鹽堿植物解決，使鹽堿地乃至沙地得到重新利用。在分析相關文獻與數據后得出在栽培區域中沙壤土是最為適宜寧夏枸杞生長的土壤，其含沙量在80%左右[19-20]。以此為依據基于全國DEM數據應用ArcGis提取含沙量在75%～85%的土壤。見圖4。

2.5 提取適宜坡向 枸杞雖喜冷涼氣候，耐寒力很強，但對于光照的需求很強。光照不足時枸杞植株發育不良，結果也會變少，因此枸杞生長地區坡向的選擇與此息息相關，如枸杞生長于西高東低的坡上，太陽光照射時間長，光合作用充足，長勢更佳。通過郝向峰和張興文[21]的研究中提取枸杞子生長坡向信息為從西南向東北傾斜。而高業新等[22]、錢金娥等[16]對于坡度得出相同的結論則充分地證明了這一觀點。因此我們將枸杞子的適生坡向定為由西南向東北傾斜。基于全國DEM數據應用ArcGis提取坡向為由西南向東北傾斜的地區。見圖5。

2.6 提取適宜日照時數 對于植物來說光合作用是生長發育不可或缺的步驟，而日照時數是判斷植物光合作用情況的一大因素，因此分析不同地區寧夏枸杞的日照時數，對寧夏枸杞的栽培應用至關重要。馬力文等[15]獲取寧夏地區日照時數值為1 640 h。曾凡琳等[10]對寧夏、甘肅、河北、新疆四地的日照時數進行統計，結果分布在2 500～3 000 h。王振宇[20]分析不同地域寧夏枸杞時，記錄寧夏與遼寧日照時數分別為3 000 h與2 000 h。王有科等[23]，林楠等[24]對寧夏枸杞日照時數進行提取分布范圍在2 700～3 300 h。綜合上述數據，將寧夏枸杞的日照時數范圍定為400～3 200 m之間。基于全國DEM數據應用ArcGis提取日照時數在1 640～3 300 h的區域，結果見圖6。

2.5 寧夏枸杞適宜性分布范圍提取

依據ArcGIS10.2軟件進行空間分析，分別提取出適宜的海拔、適宜年均溫、適宜年降水量、適宜土壤類型、適宜坡向、適宜日照時數6個生態因子，將這6個生態因子制作為單獨圖層，再將6個圖層進行疊加，得出枸杞子在全國范圍內分布區域預測結果。見圖7。

2.6 野外調查驗證

在中國中醫科學院中藥資源中心提供的全國范圍內寧夏枸杞分布數據基礎上，結合寧夏枸杞主要栽培區域的野外實測數據來驗證分布信息的合理性與科學性。本次調查區域主要分布在寧夏、甘肅、青海、新疆、內蒙古地區見圖7，平均每省選擇2個以上縣，每縣選3個以上樣地進行觀測，收集經緯度、土壤、年均溫、年積溫、日照時數等相關指標，并利用Arcgis10.2軟件，分析利用實測指標與通過提取生態因子建立的寧夏枸杞適宜分布區的重合程度，驗證由遙感與GIS進行中藥材資源適宜性分布研究的準確性與可行性。得出適宜枸杞子分布區域與實際采樣點比較圖。見圖8。

2 討論

通過上述生態因子的提取與疊加計算最終推出枸杞子適宜分布區域，從圖8可以看出枸杞子的分布區域主要在我國西北部。作為枸杞子道地產區的寧夏其適宜分布區域集中在中衛、吳忠、銀川地區。內蒙古適宜分布的區域為鄂爾多斯、阿拉善盟等地。同時在新疆的大部分地區都較為適合生長枸杞，尤其是塔城及烏魯木齊等地。青海海西蒙古族藏族自治州與德令哈有適宜性分布的區域。但從圖上顯示的結果來看，具有悠久枸杞種植歷史的甘肅反而適宜性不高。圖中對于河北的生態適宜性反應結果不明顯，此外發現在陜西的榆林枸杞子的適宜性較高。

本文利用3S技術進行中藥材適宜性分布范圍預測的研究，為枸杞的科學種植與區劃栽培給出指導性意見，通過將枸杞子的適宜性分布結果與野外調查的結果的進行比較，可以看出在利用生態因子計算得出的適宜性分布結果圖中所有分布地區在野外調查中都采集到了對應的枸杞子樣本，由此可見利用遙感與GIS技術得出的適宜性分布結果較為可信并且認為陜西榆林的枸杞子適宜性分布率較高，對枸杞子的分布區域有指導與規劃的作用。但對于適宜性高低的驗證還需進一步考察，例如在甘肅所顯示的適宜性分布概率較低，這與歷史上記載的甘肅當地有悠久的枸杞種植歷史相沖突。想要深入探索適宜性分布概率預測的準確性還需對各地采收樣品的質量進行檢測得出較為科學的結果。

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（2018-03-28收稿 責任編輯：楊覺雄）