基于ArcGIS的運(yùn)城市鹽湖區(qū)藥用植物多樣性分析

張孟容，郭敏娜，蔡翠芳

（山西藥科職業(yè)學(xué)院，山西 太原030031）

關(guān)鍵字 ArcGIS；藥用植物多樣性；資源普查

本草文化在我國(guó)有著非常悠久的歷史，藥用植物在其中的作用舉足輕重［1］。山西省藥用植物資源豐富，是許多中藥材的道地產(chǎn)區(qū)，但是對(duì)藥用植物的多樣性分析研究不多［2-5］。藥用植物的多樣性是摸清中藥資源分布與現(xiàn)狀的一個(gè)重要指標(biāo)，尤其在全國(guó)第4次中藥資源普查中，對(duì)野生藥用植物的調(diào)查與分析［6-7］，是對(duì)中藥資源進(jìn)行摸底排查的一項(xiàng)重要工作。資源分布區(qū)域較大，逐一進(jìn)行實(shí)地調(diào)查是不現(xiàn)實(shí)的，因此有效的空間信息數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)普查區(qū)域及樣地的篩選就顯得尤為重要［8］。

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是結(jié)合地理學(xué)、地圖學(xué)、遙感和計(jì)算機(jī)科學(xué)對(duì)一系列空間信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、分析及顯示的技術(shù)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于土地資源、農(nóng)業(yè)資源及生物資源等各個(gè)領(lǐng)域，具有深入挖掘數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)分析，使數(shù)據(jù)可視性的優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用GIS手段來(lái)進(jìn)行典型區(qū)劃分和樣地篩選的前期工作可以使普查效果事半功倍，同時(shí)在數(shù)據(jù)的處理方面也更具有優(yōu)勢(shì)，因此本研究選擇運(yùn)城市鹽湖區(qū)為研究區(qū)，利用ArcGIS進(jìn)行空間數(shù)據(jù)分析，結(jié)合實(shí)地調(diào)查的數(shù)據(jù)對(duì)該地區(qū)藥用植物資源的多樣性進(jìn)行分析研究，以期為該地區(qū)的藥用植物資源的保護(hù)與可持續(xù)利用提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域的地理位置（圖1）位于山西省西南部，地處黃河中游陜、晉、豫三省交接地帶，南依中條山，北靠稷王山，中部地勢(shì)平坦開(kāi)闊，是運(yùn)城盆地的腹地。境內(nèi)山地、平原、階地交替，形成了多樣化的地貌類型。氣候?qū)儆诖箨憸貛Ъ撅L(fēng)氣候，雨熱同季且集中，光熱資源豐富。植物資源也相對(duì)豐富，南部植物資源較北部多［9-10］，縣域的草地和林地也大多集中在南部中條山區(qū)，因此本研究重點(diǎn)研究鹽湖區(qū)南部中條山一帶的植物多樣性概況。該區(qū)域藥用植物資源十分豐富，中藥學(xué)著作《本草圖經(jīng)》中的“解州遠(yuǎn)志”中的解州即為這一區(qū)域，為中藥遠(yuǎn)志的道地產(chǎn)區(qū)。

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

以全國(guó)第4次中藥資源普查的相關(guān)技術(shù)規(guī)范與要求［11-12］，結(jié)合研究區(qū)的地形地貌，利用ArcGIS軟件以土地利用圖（圖2）中的地類圖斑為評(píng)價(jià)單元，將研究區(qū)數(shù)字高程模型圖（圖3）、坡度分級(jí)圖（圖4）、坡向分級(jí)圖（圖5）、降水量分布圖（圖6）、積溫分布圖（圖7）疊加并融合得到研究區(qū)典型植被類型分區(qū)圖（圖8）。共分為三大區(qū)，分別命名為草叢區(qū)、灌叢區(qū)和針葉林區(qū)。

在國(guó)家中藥資源普查信息管理系統(tǒng)中隨機(jī)生成的44個(gè)樣地中選擇位于典型植被類型區(qū)的37個(gè)樣地，每個(gè)典型植被類型區(qū)中分布的樣地?cái)?shù)量及分布如表1和圖1所示。對(duì)每個(gè)樣地進(jìn)行野外調(diào)查，詳細(xì)記錄樣方中所有物種的種類及數(shù)量以及其他相關(guān)信息，形成研究區(qū)采樣點(diǎn)分布圖（圖8）。

表1 植被類型區(qū)樣地明細(xì)表

依據(jù)《中國(guó)植物志》［13］《中藥學(xué)》［14］等專業(yè)工具書(shū)對(duì)采集到的標(biāo)本進(jìn)行藥用植物鑒定，將相應(yīng)品種的信息錄入國(guó)家中藥資源普查信息管理系統(tǒng)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，利用α多樣性指數(shù)和β多樣性指數(shù)來(lái)分析鹽湖區(qū)藥用植物的物種多樣性［15-18］，具體公式如下。

（1）物種豐富度指數(shù)（species richness，簡(jiǎn)稱S）為群落中出現(xiàn)的物種數(shù)目；

（2）植被群落多樣性指數(shù)（α多樣性指數(shù)）：

（3）群落相似性指數(shù)（β多樣性指數(shù)）：

式中S代表物種數(shù)目，N表示群落中所有中的個(gè)體總數(shù)，Ni表示第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)目，Pi表示第i個(gè)物種的相對(duì)多度，Pi=Ni/N，a、b是兩樣本各自的物種數(shù)目，c是兩樣本公共的物種數(shù)目。

各物種的個(gè)體數(shù)用出現(xiàn)在樣方中的均值計(jì)算，運(yùn)用PCH′指數(shù)多樣性統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 藥用植物科屬多樣性分析

經(jīng)調(diào)查，采集鹽湖區(qū)野生藥用植物共計(jì)73科194屬235種，其中被子植物69科190屬231種，裸子植物2科2屬2種，蕨類植物2科2屬2種。結(jié)果見(jiàn)表2。

3.1.1 藥用植物科種多樣性 大于10種的大科有菊科、豆科、唇形科、薔薇科、百合科共5科92種；6～10種的中等科有毛茛科、錦葵科、茜草科、旋花科共4科27種；2～5種的寡種科有蓼科、茄科、石竹科、葫蘆科、桔梗科等27科79種；只有1種的單種科有37科37種。在采集藥用植物中含1種的單種科占比50.68%，所含種數(shù)占比15.47%；含2～5種的寡種科占比36.99%，所含種數(shù)占比33.62%；含6～10種的中等科占比5.48%，所含種數(shù)占比11.49%；含10種以上的大科占比6.85%，所含種數(shù)占比39.15%。結(jié)果見(jiàn)圖9。

表2 鹽湖區(qū)藥用植物資源統(tǒng)計(jì)表

3.1.2 藥用植物屬種多樣性 研究區(qū)共含屬194種，依據(jù)不同屬所含種數(shù)的區(qū)別，含1種的屬有百合屬、半夏屬、薄荷屬、檉柳屬、地榆屬共164屬164種；含2種的屬有車前屬、珍珠菜屬、委陵菜屬、黃芩屬共20屬40種；含3種的屬有大戟屬、何首烏屬、黃耆屬、鐵線蓮屬等9屬27種；含4種的屬只有拉拉藤屬1屬。其中含1種的屬占有明顯優(yōu)勢(shì)，占比84.54%，所含種數(shù)占比69.79%；含2種的屬占比10.31%，所含種數(shù)占比17.02%；含3種的屬占比4.64%，所含種數(shù)占比11.49%；含4種的屬占比0.52%，所含種數(shù)占比1.70%。

圖9 研究區(qū)不同科及所含種數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

3.1.3 不同植被類型區(qū)藥用植物種類組成 鹽湖區(qū)草叢區(qū)藥用植物共計(jì)46科78屬84種，分別占鹽湖區(qū)藥用植物總數(shù)的63.01%、40.21%和35.74%；灌叢區(qū)藥用植物共計(jì)48科97屬108種，在鹽湖區(qū)的占比分別為65.75%、50.00%和45.96%；針葉林區(qū)藥用植物資源最為豐富，共計(jì)54科129屬150種，在鹽湖區(qū)藥用植物種占比分別為73.97%、66.49%和63.83%。結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鹽湖區(qū)各植被類型區(qū)藥用植物統(tǒng)計(jì)

研究區(qū)的典型植被類型區(qū)的藥用植物物種數(shù)量為草叢區(qū)＜灌叢區(qū)＜針葉林區(qū)，呈現(xiàn)依次遞增的趨勢(shì)，各物種相應(yīng)的科、屬也呈現(xiàn)相應(yīng)的趨勢(shì)。

3.2 藥用植物物種多樣性指數(shù)分析

3.2.1 各區(qū)物種豐富度指數(shù)（S）物種豐富度指數(shù)（S）為群落中豐度大于0的物種數(shù)之和，值越大表明群落中物種種類越豐富。由于劃分各典型植被類型區(qū)立地條件和植被類型的不同，因此也使各區(qū)物種豐富度有所差異。草叢區(qū)的物種豐富度指數(shù)（S）為84；灌叢區(qū)的物種豐富度指數(shù)（S）為108；針葉林區(qū)的物種豐富度指數(shù)（S）為150；可以看出隨著物種數(shù)量由草叢區(qū)到灌叢區(qū)再到針葉林區(qū)出現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，因此物種豐富度指數(shù)（S）表現(xiàn)為針葉林區(qū)＞灌叢區(qū)＞草叢區(qū)。結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 研究區(qū)不同區(qū)域物種豐富度指數(shù)（S）統(tǒng)計(jì)圖

3.2.2 各區(qū)多樣性指數(shù)Shannon多樣性指數(shù)（H′）同時(shí)考慮了物種豐富度以及均勻度，表示隨機(jī)在該區(qū)域選擇的物種的不確定性，其值越大，表示物種的多樣性也就越大。Pielou均勻度指數(shù)（E）是群落實(shí)際的Shannon指數(shù)與具有相同物種豐富度的群落中能夠獲得的最大Shannon指數(shù)的比值，當(dāng)二者相等時(shí)，均勻度指數(shù)值為1，也就是物種分布最均勻。其值越大說(shuō)明物種分布越均勻。Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（C）代表了在群落中兩個(gè)隨機(jī)選擇的個(gè)體屬于同一物種的概率，當(dāng)群落物種豐富度越高，這種概率就越低，其值越小物種豐富度就越高。Margalef豐富度指數(shù)（DMG）指一個(gè)群落或環(huán)境中物種數(shù)目的多寡，反映群落物種豐富度。即Shannon多樣性指數(shù)（H′）、Pielou均勻度指數(shù)（E）和Margalef豐富度指數(shù)（DMG）與物種的多樣性呈現(xiàn)正相關(guān)，而Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（C）與物種的多樣性呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

表4 不同區(qū)域多樣性指數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由表4可以看出，藥用植物的Shannon多樣性指數(shù)（H′）、Pielou均勻度指數(shù)（E）、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（C）和Margalef豐富度指數(shù)（DMG）均顯示物種的多樣性呈現(xiàn)草叢區(qū)＜灌叢區(qū)＜針葉林區(qū)的趨勢(shì)。

3.2.3 各區(qū)群落相似性系數(shù) 根據(jù)Jaccard相似度指數(shù)（Cj）和Sorensen相似度指數(shù)（Cs）公式，表示的是兩個(gè)區(qū)域之間共有種的變化，共有種越多，相似系數(shù)就越大，兩個(gè)區(qū)域之間就越相似。

表5 不同區(qū)域群落Jaccard相似度指數(shù)（Cj）統(tǒng)計(jì)表

表6 不同區(qū)域群落Sorensen相似度指數(shù)（Cs）統(tǒng)計(jì)表

由表5和表6可以看出，3個(gè)區(qū)域之間相似度系數(shù)都不高，但草叢區(qū)與灌叢區(qū)相似度系數(shù)最大，灌叢區(qū)與針葉林區(qū)相似度系數(shù)次之，草叢區(qū)與針葉林區(qū)相似度系數(shù)最小。相似度系數(shù)的這種變化表明了不同的藥用植物有不同的適宜生長(zhǎng)環(huán)境。

4 討論

綜合以上分析結(jié)果，可以得出運(yùn)城市鹽湖區(qū)的藥用植物以單種科、寡種科、含1種的屬居多，藥用植物資源相對(duì)豐富，植物多樣性分布呈現(xiàn)草叢區(qū)＜灌叢區(qū)＜針葉林區(qū)的趨勢(shì)。其中典型植被類型區(qū)以針葉林區(qū)藥用植物物種含量最多，藥用植物物種的豐富性也最高。其主要原因可能為草叢區(qū)的范圍內(nèi)大部分為退耕還林區(qū)，以人工恢復(fù)為主、自然恢復(fù)為輔的還林模式使藥用植物物種資源較其他區(qū)域略為匱乏［19］。而針葉林區(qū)則因?yàn)檫\(yùn)城市政府的相關(guān)封山措施，對(duì)野生藥用植物的保護(hù)程度較好，且鹽湖區(qū)最高海拔僅為1485 m，據(jù)相關(guān)研究表明，植物群落多樣性的垂直分布在海拔1000～1400 m左右達(dá)到峰值［20-21］，因此本研究區(qū)藥用植物資源的多樣性分析符合研究預(yù)測(cè)。

本研究也存在許多不足，例如對(duì)典型植被研究分區(qū)的命名是沿用了全國(guó)第4次中藥資源普查系統(tǒng)中的分區(qū)名稱，兩套分區(qū)原則不同，且在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在植被分布的典型區(qū)域中應(yīng)更加詳細(xì)描述群落的植被特征，今后會(huì)在這一方面更加深入研究，以期能夠更好地為藥用植物資源的多樣性分析提供更多的理論依據(jù)。