基于AHP和GIS的云南省三七生態(tài)適宜性精細化區(qū)劃

詹鵬，韋美膛，許紅亮，韓蕊蓮*

(1.浙江理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.云南天士力三七藥業(yè)有限公司，云南 文山 663000；3.天津天士力現(xiàn)代中藥資源有限公司，天津 300402；4.天津市中藥資源研究所，天津 300402)

三七[Panaxnotoginseng(Burk.)F.H.Chen]又名田七，為五加科人參屬植物，我國傳統(tǒng)名貴中藥材，人工種植歷史已達400 a，具有“散瘀止血、消腫定痛、益氣活血”的功效。在治療代謝系統(tǒng)、心腦血管系統(tǒng)、血液系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)疾病等方面藥效確切，有著“金不換”“參中之王”“南國神草”等美譽[1]。三七生長環(huán)境較為特殊，不耐酷暑和嚴寒，喜溫暖陰濕的環(huán)境。全國95%以上的三七產(chǎn)自云南省，云南省文山州是三七原產(chǎn)地和主產(chǎn)區(qū)，三七產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為云南文山等地重要的經(jīng)濟支柱[2]。2016年三七種植面積200 km2，產(chǎn)量達700萬kg，產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值突破100億元[3]。

氣候劇烈變化、人類活動頻繁、連作障礙嚴重對三七等藥用植物的可持續(xù)利用造成嚴峻挑戰(zhàn)[4-6]，尚不確定過去的傳統(tǒng)產(chǎn)地是否是當前藥用植物生長的最適宜區(qū)。合理劃分藥用植物種植適宜區(qū)域?qū)τ谕七M藥用資源可持續(xù)發(fā)展、制定相應(yīng)產(chǎn)業(yè)政策和種植規(guī)劃具有重要意義[4]。從已發(fā)表的文獻來看，對三七的種植適宜區(qū)存在一定分歧。三七種植適宜區(qū)過去被認為主要集中于云南省東南部，但是這些結(jié)論或是從文獻資料出發(fā)的定性研究[7-8]，無法確定云南省各州(市)的適宜區(qū)；或?qū)夂颉⑼寥赖雀黝惌h(huán)境因子的選取較少，且未劃定各個環(huán)境因子的權(quán)重[9-11]；或研究范圍過大[12-13]。云南省作為三七的主產(chǎn)地，針對云南省內(nèi)的三七適宜分布區(qū)精細量化的研究尚不明確。

隨著新技術(shù)、新方法的不斷發(fā)展，中藥區(qū)劃研究不斷深入，專家集成與模型定量相結(jié)合的方法得到普及。層次分析 (AHP) 法能夠確定眾多因素之間的相對重要性，從而建立一套遞階層次的綜合評價指標體系[14]。而地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)能有效整合空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)，將氣候、海拔等空間環(huán)境因子融合并生成為數(shù)據(jù)層，利用矢量或柵格疊加計算，給決策者提供直觀線性且精確量化的結(jié)果[15]。因此，課題組利用AHP和GIS技術(shù)對云南省各州(市)三七種植適宜區(qū)劃進行精細化研究，以便為界定三七的資源分布區(qū)域和三七的引種栽培選擇提供參考，服務(wù)于三七的輪作與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

云南省地處中國西南部，地理坐標21°08′32″～29°15′08″N、97°31′39″～106°11′47″E，全境總面積39.4萬km2，居全國第8位。云南北接青藏高原，南連云貴高原，地形多樣，以高原山地、坡地為主，大部分地區(qū)海拔1 000～3 500 m，平均海拔2 000 m左右。同時云南全境有北回歸線穿過，又受云貴高原地形和東南、西南季風的綜合影響，兼具低緯氣候、高原氣候等多種氣候特點，平均年日照時數(shù)2 020.7 h，熱量資源充沛，年溫差小，日溫差大。四季變化小，最熱月平均氣溫19～22 ℃，最冷月平均氣溫6～8 ℃。各地區(qū)降水分布差異大，大部分地區(qū)年降水量>1 000 mm。西北部屬寒帶型氣候，長冬無夏，春季和秋季較短；東部和南部屬溫帶型氣候，四季如春，易遇雨成冬；南部和西南部屬低熱河谷區(qū)，一部分屬于熱帶地區(qū)，長夏無冬[16-17]。三七傳統(tǒng)產(chǎn)地位于云南東南部，土壤肥沃，日照豐富，雨量充足，年溫差較小，為三七的種植提供了廣闊的適宜環(huán)境。

1.2 數(shù)據(jù)來源

國家基礎(chǔ)地理信息中心提供的1∶25萬云南省基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、全省市級政區(qū)圖和SRTM 90 m分辨率的DEM高程數(shù)據(jù)，土壤分布圖，云南省1979—2019年共27個國家氣象臺站氣象記錄數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

首先利用Excel軟件統(tǒng)計與篩選溫度、年降水量等各種生態(tài)因子，隨后導(dǎo)入ArcGIS 10.4軟件中，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行空間化處理。通過克里金插值法，生成每個評價指標的空間分布圖層，同時基本評價單元確定為30 m×30 m網(wǎng)格柵格單元，將相同空間參考信息的數(shù)據(jù)在ArcGIS 10.4軟件中進行疊加分析[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植現(xiàn)狀

三七在云南省的種植已有數(shù)百年的歷史，清乾隆年間的《開化府志》(1785年)便曾記載到“開化三七，在市出售，暢銷全國”，而開化府則隸屬今天的云南省文山市。2014年6月進行了一次云南省三七種植資源普查，結(jié)果顯示，云南省三七種植規(guī)模最大的州(市)依次為文山、紅河、曲靖、昆明、玉溪，分別占全省種植面積的37.00%、33.04%、15.07%、7.42%和3.63%，合計占全省種植總面積的96.16%。怒江、迪慶和昭通尚無三七種植，三七種植適宜性較低[18]。產(chǎn)量方面，以文山州為例，年度產(chǎn)量波動幅度較大。特別是2013年以來，三七產(chǎn)量伴隨著種植面積大起大落(圖1)，2019年三七產(chǎn)量2萬t，只有2015年產(chǎn)量的2/3。產(chǎn)量波動大既有需求端市場因素的原因，也有供給端三七種植區(qū)域的劃定不明，不便于三七的輪作及規(guī)模生產(chǎn)的原因。因此，確定適宜三七種植區(qū)域成為當下云南三七產(chǎn)業(yè)發(fā)展迫切需要解決的問題。

圖1 2010—2018年文山州三七種植面積的變化(資料來源：文山州三七和中醫(yī)藥發(fā)展中心、云南文山州人民政府官網(wǎng))

2.2 生境需求

通過查閱文獻和相關(guān)資料[20-31]明確影響三七生長生態(tài)環(huán)境因子及其范圍值。

2.3 區(qū)劃指標選取與分級

綜合三七各項生態(tài)環(huán)境因子指標的研究成果，確定氣溫、年降雨量、年日照時數(shù)、土壤質(zhì)地、海拔等評價指標。各要素指標的適宜性選取、分級見表1。

2.4 評價指標權(quán)重判定

三七生長受地形、氣候、土壤等多種生態(tài)因子影響，各種生態(tài)因子對三七生長的影響程度不易判斷。本研究采用AHP法[32]，依據(jù)對文山州三七研究院相關(guān)三七研究專家的問卷調(diào)查，并結(jié)合文獻資料，構(gòu)建目標層、準則層、決策層3個分析層次，再經(jīng)過建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)建判斷矩陣、層次單排序、一致性檢驗、層次總排序等一系列統(tǒng)計與分析后，得出氣候、地形、土壤3個層次10個三七評價指標的權(quán)重值(表2)[33-34]。測得生態(tài)指標總排序一致性值0.070 9(<0.1)，具有令人滿意的一致性。

表1 云南省三七種植適宜性評價指標分類

表2 云南省三七生態(tài)適宜性區(qū)劃評價指標權(quán)重值

2.5 適宜性評價

采用綜合因子加權(quán)評價模型，對各個三七評價因子的權(quán)重值加權(quán)疊加，采用Delphi法對各個評價因子進行4分制評分，對適宜性等級進行劃分，最后用ArcGIS軟件進行加權(quán)疊加分析，確定云南三七種植栽培的適宜分布范圍，并得到適宜性綜合評價圖[19]。

計算公式：

公式：Z是某單元適宜綜合得分值；n是評價因子總數(shù)；i代表不同評價因子；Xi是相應(yīng)評價因子的權(quán)重值；Yi是相應(yīng)評價因子的得分值。

結(jié)合評價結(jié)果、文獻資料與實際情況后劃分出云南省三七種植生態(tài)適宜性不同等級，分為4類，見表3。

表3 云南省三七生態(tài)適宜性評價分級與賦分

2.6 適宜區(qū)分析與面積計算

根據(jù)ArcGIS的空間表達能力，得到各環(huán)境因子的適宜性區(qū)劃圖(圖2)。結(jié)合不同環(huán)境因子的權(quán)重，通過ArcGIS中柵格計算器對不同因子的圖層加權(quán)疊加分析，得到其綜合適宜性得分，最后綜合各環(huán)境因子生成云南省三七生態(tài)適宜性分布(圖3)。利用ArcGIS的ARC Toolbox面積制表工具對各州(市)的三七適宜區(qū)面積進行測算，具體結(jié)果如圖4所示。

2.7 生態(tài)適宜性區(qū)域分布

2.7.1 最適宜區(qū)

結(jié)合圖2～4可知，云南省三七最適宜種植區(qū)主要分布在東南部，總計面積452 846.14 km2。主要包括文山州(229 280.22 km2)丘北縣、硯山縣、廣南縣、文山市、馬關(guān)縣、習西疇縣、麻栗坡縣，紅河州(133 842.48 km2)彌勒縣、開元縣、建水縣、蒙自市、個舊市、屏邊縣、河口縣、金平縣、元陽縣。這些地區(qū)海拔多在1 000 m以上，地形起伏大，排澇能力較強，年日照時數(shù)在2 000 h以上，為三七光合作用提供了最適宜的條件，非常適宜三七有效成分的積累。同時在西部的臨滄、保山、大理、普洱等部分地區(qū)也發(fā)現(xiàn)有最適宜區(qū)分布。這些地區(qū)氣候溫和，年平均氣溫16.5～17.5 ℃，日照時間長，可為今后當?shù)匾?guī)模生產(chǎn)三七提供參考。

2.7.2 適宜區(qū)

三七適宜種植區(qū)分布較廣，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)、紅河(138 600.27 km2)等地區(qū)。適宜區(qū)面積總計1 979 583.07 km2，是云南省三七生態(tài)適宜性分布中面積最大的一類區(qū)域。這一區(qū)域年降雨量在900～1 100 m；年平均氣溫為14～16 ℃;大理、楚雄的年日照時數(shù)較長，為2 300 h以上，臨滄、保山、普洱等地較短，為2 200 h左右；≥10 ℃年積溫為5 600～7 000 ℃·d；大理、保山積溫較低，而南部臨滄、普洱、玉溪等地的年積溫較高，接近7 000 ℃·d；霜期較短，部分地區(qū)終年無霜。土壤pH多在5.5左右，部分地區(qū)在6.5～7.0。該類地形變化差異較大，部分地區(qū)海拔可達3 000 m以上，總體在1 500～1 700 m，四季溫差小，能滿足三七發(fā)芽、開花受精的條件。種植適宜區(qū)面積雖廣，但是部分環(huán)境條件存在限制，可利用技術(shù)手段優(yōu)化遮光、排水等設(shè)施，通過人工干預(yù)加以改善。

圖2 云南省三七各生態(tài)因子適宜性分布

圖3 云南省三七種植生態(tài)適宜性分布

圖4 云南省各州(市)三七適宜區(qū)面積

2.7.3 次適宜區(qū)

三七次適宜種植區(qū)主要分布于云南省中部偏北和南部的部分地區(qū)，包括怒江、大理、麗江、楚雄、昆明、曲靖、普洱、西雙版納等地。次適宜區(qū)總面積1 252 675.66 km2，占云南省總面積的27.12%。該類區(qū)域南北差異較大，北部年降水量較少，在900～1 000 mm，南部較多，在1 300 mm左右，容易存在或旱或澇的情況，不易為三七生長提供適宜的水分。北部≥10 ℃年積溫較低，在4 000～5 600 ℃·d，南部則較高，可達7 000 ℃·d。年日照時數(shù)北部多在2 300 h以上，而南部僅2 000 h左右。最熱月平均氣溫北部一般只有15～17 ℃，南部則可達20 ℃。最冷月平均氣溫北部接近0 ℃，而南部則相對適宜，多在6 ℃以上，過高或過低的溫度都不適宜三七生長和物質(zhì)積累。北部土壤偏堿性，而南部則偏酸性。該類地區(qū)種植三七時可根據(jù)實際情況，對水分、光照、pH等進行干預(yù)調(diào)整，結(jié)合成本和需求開展種植。

3 討論

本研究應(yīng)用AHP法確定土壤、氣候、地形3大類環(huán)境條件中的10個生態(tài)因子的權(quán)重，采用GIS技術(shù)，結(jié)合Delphi法，對10個因子的柵格圖層加權(quán)疊加，按照綜合評價得分將云南省三七種植生態(tài)適宜性區(qū)域劃分為最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)。與定性分析或僅選用氣候因子進行區(qū)劃判定相比，本研究兼顧考慮了三七生長特性和統(tǒng)計指標發(fā)生概率計算權(quán)重，使得結(jié)果更為精確客觀。

本研究對三七最適宜區(qū)的劃定，進一步證明了三七種植適宜區(qū)集中于云南省的東南部，文山、紅河是三七種植的最佳地區(qū)。這一結(jié)果也與2014年云南省三七種植資源普查結(jié)果基本吻合。云南省西部的臨滄、保山、大理、普洱等地的部分地區(qū)自然條件適宜，未來可作為潛在的三七新興產(chǎn)地。另外，精細歸納了云南省各州(市)的三七適宜種植情況，可為當?shù)卣推髽I(yè)種植三七提供參考。

必須指出的是，本研究僅選擇10個因子對云南省三七生態(tài)適宜性進行區(qū)劃，而經(jīng)濟和交通條件等因素也會對三七種植區(qū)域的分布產(chǎn)生影響。因此，為了進一步優(yōu)化三七的適應(yīng)種植區(qū)域，提高經(jīng)濟效益，選取更全面、更詳盡的數(shù)據(jù)對開展后續(xù)的研究有著積極的意義。