基于气候和土地利用信息的黔西南地区艾纳香种植适宜性类型分布研究*

郑开颜，张 丹，侯芳洁，由会玲，郑玉光，王 乾

(河北中医学院，石家庄 050000)

0 引言

艾纳香[Blumeabalsamifera(L.)DC.]为菊科艾纳香属植物，多年生木质草本，别名大风艾、家风艾、大毛药、冰片艾[1]。艾纳香在我国少数民族地区有着广泛的应用，是苗族、土家族、壮族等传统的民间中药材。艾纳香的药用历史首载于公元652年孙思邈的《备急千金要方》，其根、叶、嫩枝等均可入药，性温、味苦、无毒； 具有祛湿泻痢、活血散瘀、治筋骨疼痛、跌打损伤等功效，根据现代药理研究证明，艾纳香提取的天然冰片(主要成分左旋龙脑)，具有较强的抗真菌活性，能够抑制霍乱弧菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的生长[2]。其生境分布主要集中在亚热带和热带区域，耐旱不耐寒，在我国的主要分布区域包括海南、贵州、广西、广东、云南、台湾等省份[2]，生长于海拔600～1 000m的林缘、林下、谷地、草地等地带。国外如印度、巴基斯坦、缅甸、泰国、马来西亚、印度尼西亚等东南亚国家亦有分布[3]。

艾纳香在贵州省的分布较为广泛，主要集中在罗甸、望谟、安龙、册亨、兴义、荔波、三都、平塘、榕江、丛江、紫云、镇宁、关岭等南北盘江和红水河沿岸县区[4]。贵州人工种植艾纳香历史较长，早在乾隆年间，贵州罗甸县已有种植艾纳香的记载。20世纪50年代，栽培逐渐扩大，罗甸、望谟两县先后建立了艾片加工厂。艾纳香叶提取的天然冰片，无毒副作用，是多种成药及民族药的组成成分，近年来，市场需求逐步旺盛，贵州这一优势药物资源逐步得到当地政府和群众的重视。

目前，很多学者对艾纳香已经开展了大量的研究工作。牟珍等[5]通过对贵州省北盘江流域艾纳香资源分布的调查，分析了该区域艾纳香的生长环境，为艾纳香的栽培提供了一定的依据。江维克等[6]对贵州红水河地区艾纳香植物资源进行了实地走访和调查，确定了艾纳香的3种生态类型和3种生境特征。胡蕖等[7]依据主导因子原则，采用主分量分析方法，粗略地划分出贵州省艾纳香的适宜生长区域。以上学者富有成效的工作，对贵州省艾纳香的种植具有很强的指导意义。但是，大面积的、较精确的艾纳香气候种植区划工作开展的较少，从目前公开发表的文章来看，只有刘朝英等[8]通过建立贵州省罗甸县艾纳香气候区划指标，对罗甸县各乡镇的艾纳香种植进行了适宜性种植区域划分。

黔西南地区种植艾纳香具有一定的历史经验，是艾纳香的传统种植区域。文章拟以已有的研究为基础，从影响艾纳香生长最关键的气候环境条件入手，深入分析黔西南艾纳香种植的气候影响因子，确定艾纳香种植的气候适宜性指标。然后应用GIS(地理信息技术)、RS(卫星遥感技术)、GPS(全球定位技术)技术(“3S技术”)，通过对黔西南地区进行地理空间分析，将土地利用信息与艾纳香气候适宜性区划叠加，最终得到既满足气候需求，又有耕地、草地等实际可种植及可开发的区域，对黔西南地区艾纳香的种植具有实际的指导意义。

1 研究区概况

黔西南布依族苗族自治州位于贵州省西南部，简称黔西南州，属于典型的岩溶地貌地区，河流切割深，沟谷发育较好，以海拔800m以下的中低山河谷为主，垂直气候明显，水热资源丰富[9]。全州气候宜人，雨热同季，无霜期长，终年温暖湿润。南北盘江及红水河的低热河谷地带终年无霜雪，被誉为贵州省的“天然温室”，适宜于多种粮食作物、经济作物和林木的生长。全州辖兴义、兴仁、安龙、贞丰、普安、晴隆、册亨、望谟8个县市和顶效开发区，共130个乡镇(含8个街道办事处)、2 122个村。东面与黔南布依族苗族自治州罗甸县接壤； 南面与广西隆林、田林、乐业3个县隔江相望； 西面与云南省富源、罗平县和六盘水市的盘县特区毗邻。

2 数据来源

2.1 地理信息资料

地理信息资料来源于国家基础地理信息中心提供的1： 25万贵州省基础地理信息背景数据，包含省、地市和县、乡四级行政边界，行政点分为县级以上、乡镇级和乡镇级以下行政点，包括铁路交通线路和乡镇级以上级别公路线路，全省等高线(1： 5 000)，江河湖库水系信息。土地利用类型分类采用人机互译模式解读生成，格式为shp格式，数据源基于2015年黔西南ETM遥感图像(分辨率30m)。为保证结果的精准性，以贵州省第二次土地调查的数据作为验证补充数据。

2.2 气候资料

该文采用1960～2014年黔西南地区各县主要气象站点的地面观测资料，相关气象数据从气象观测记录报表中读取及计算。

3 研究方法

3.1 生态环境要求

艾纳香性喜温暖气候，耐干旱，适宜于酸性土壤生长，耐瘠薄，对土壤条件要求不高，疏松、排水良好的土地都能种植。野生艾纳香分布于我国长江流域以南热带、亚热带地区的各省区，常见生于山坡草地或灌木丛中。这些地区气候特点多是热量丰富、无霜、日照时数大，土壤质地为红壤和红黄壤，偏酸性，非常适宜艾纳香生长。相关研究表明，海拔800m以下的环境种植的艾纳香，左旋龙脑含量最高。

3.2 气候适宜性指标的确定

生产实践和研究表明，艾纳香是热带和亚热带植物，制约艾纳香种植的关键因素是当地的气候环境(热量条件)。参考程宗尧等[10]、刘朝英等[8]对艾纳香气候区划指标的研究成果，选择年平均气温、最冷月平均最低气温、最冷月月平均温、日均气温≤0℃最长连续时数和≥10℃活动积温[11]共计5个影响艾纳香种植布局的气候因子作为划分艾纳香种植的气候适宜性类型分布研究指标。同时，在黔西南地区成功种植艾纳香的基础上，实地调查验证，通过专家经验法最终得出黔西南地区艾纳香种植的气候适宜性类型分布等级指标(表1)。由于黔西南地区光热丰富，雨水充沛，各县区降水量、日照等普遍满足艾纳香的生长要求，因此，没有将降雨量因子考虑其中。

表1 黔西南地区艾纳香种植气侯适宜性类型分布等级指标

适宜等级年均温(℃)最冷月均温(℃)年极端最低气温(℃)≥10℃积温(℃)日均气温≤0℃连续时数(h) 最适宜区≥20 0≥10 0≥-0 5≥6500≤24 适宜区19 0～20 09 0～10 0-1 0～-0 56000～650024～48 次适宜区17 5～19 07 0～9 0-2 0～-1 05500～600048～96 不适宜区<17 5<7 0<-2 0<5500<48 注：除年极端最低气温和日均气温≤0℃连续时数指标外，其余引用文献[10]中的指标

3.3 可种植开发区域的地形地类要求

该文为充分利用现有土地资源，响应国家的退耕还林还草政策，将坡度25°以上的山地、森林、河湖水库以及裸露的岩石定义为不可开发利用地。可利用地类型主要包括坡度25°以下的农田和灌草地。

3.4 气象方程建立

黔西南地区地处东经104°35″～106°32″，北纬24°38″～26°11″之间，属亚热带季风湿润气候，山高坡陡，河谷切割较深。由于纬度较低，且跨越的纬度范围较小，因此，纬度方向的热量条件变化基本可以忽略不计。黔西南地区整个地形西高东低，北高南低，由于河谷深切，相对高差悬殊，热量资源在不同高度上差异较大，“十里不同天”的气候特点在不少地方较为明显，构成了不少典型的立体气候区域，垂直方向气温变化差异明显，立体气候显著[12]，温度(T)变化与海拔高度(h)的变化密切相关。根据近55年来黔西南地区各主要气象站点的气温观测资料，建立随海拔高度分布的气候指标回归方程。运用SPSS软件的数据统计分析功能，进行回归分析，最终得到回归方程。应用的曲线模型主要有线性模型、倒数曲线模型、对数曲线模型、二次项曲线模型、幂函数曲线模型等12种模型，通过筛选，挑出显著性最强，判定系数最高的气象指标与海拔高度相关的气象方程，经相关检验各组方程均达到极显著水平[11]。

年平均气温随海拔高度变化的回归方程为T=20.826-0.006h，R=0.962(极显著相关)； 最冷月平均温度随海拔高度变化的回归方程为T=13.468-0.007h+1.18E-006h2，R=0.919(极显著相关)； 极端最低气温平均值随海拔高度变化的回归方程为T=8.856-0.005h+3.6E-007h2，R=0.936(极显著相关)； ≥10℃活动积温随海拔高度变化的回归方程为T=8058.831-3.869h+0.001h2-9.7E-008h3，R=0.973(极显著相关)； 日均气温≤0℃连续时数随海拔高度变化的回归方程为Y=-475.668+1.859h-0.003h2+8.21E-007h3，R=0.932(极显著相关)。

以艾纳香种植气候适宜性类型分布研究等级指标为依据，通过指标回归方程可推算出艾纳香种植相应气候指标的海拔高度范围，在综合评价黔西南地区艾纳香种植气候生态适宜性时，采用集优法，即5项气候指标都满足的海拔高度范围区域为艾纳香的适宜种植区[13-15]。根据气候适宜性类型分布等级指标划分为黔西南地区艾纳香种植的气候生态最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜域。通过GIS对黔东南地区的DEM高程模型进行空间分析，得出黔西南地区册亨、望谟等6个各县区均有适合艾纳香种植的区域。

3.5 专题图制作

运用ArcGIS三维分析工具，以黔西南地区DEM栅格数据为基础，提取坡度变率和海拔变率两个指标，得到黔西南地区海拔图(图1)和坡度图(图2)。

对黔西南地区美国陆地资源卫星的ETM遥感图像(分辨率为30m)，进行4、3、2波段标准假彩色合成，运用RS和GIS软件，对遥感图像进行预处理和图形增强[16]，得到黔西南地区ETM标准假彩色遥感图(图3)。并以此为基础数据，建立遥感解译标志，开展土地利用类型的监督分类，通过室内人机交互的图像辩读、解译、分析，提取耕地、灌草地、林地、裸岩地、建筑用地和水体等遥感信息，得到初步的土地利用类型图。再进一步进行聚类分析和去除分析，最终得到黔西南土地利用现状图。通过野外随机GPS布点调查、黔西南植被分布图以及第二次土地资源调查数据的比对验证，分类精度达到93%以上。

以ArcGIS软件中的ArcMAP模块为数据运算平台，将黔西南地区艾纳香气候生态适宜性区域、坡度、土地利用类型等栅格数据进行空间分类叠加，通过数据的逻辑运算，对栅格数据进行叠加、裁剪、提取和合并[17]，剔除不可种植艾纳香的地形和土地利用类型，最终得到黔西南地区艾纳香种植较为精准的最适宜、适宜、次适宜和不适宜区域(图5)。

图1 海拔高度图 图2 坡度图

图3 ETM遥感图 图4 土地利用现状图

图5 黔西南艾纳香种植气候生态适宜性类型分布图

4 结果及分析

黔西南地区艾纳香的可种植区域主要集中在南盘江和北盘江流域沿岸海拔较低的中低山河谷地区，通过ArcGIS的栅格数据查询功能，可得到艾纳香气候生态适宜种植区域在各县区的具体分布面积。具体结果如下。

4.1 最适宜种植区

最适宜种植区面积共计8 310hm2。主要分布在海拔521m以下的北盘江、南盘江和桑郎河流域的低热河谷地带，该区光照降水资源丰富，热量充足，包括望谟县、贞丰县、册亨县和安龙县。其中望谟县的分布面积最大，集中在县域西部沿北盘江一带，东部沿桑朗河一带，以及桑郎镇、大观乡、蔗香镇至望谟县城一线区域； 贞丰县艾纳香最适宜种植区主要分布在县域东部，沿北盘江沿线集中分布； 册亨县最适宜种植区分布相对零散，主要分布在紫胶场、八波镇、百口乡、坝赖镇沿南盘江一带分布，冗渡镇附近有零星分布； 安龙县分布在坡脚乡沿南盘江的南部河谷地区。

4.2 适宜种植区

适宜种植区面积共计5 864hm2，分布在沿南盘江河谷、北盘江、红水河河谷地带海拔在521～583m的区域，分布区域包括了册亨、晴隆、望谟、贞丰、安龙和兴仁6个县区，适宜种植区一般情况下都是紧邻艾纳香最适宜种植区分布。大面积的分布区域主要集中在望谟县的大观乡、纳夜镇和昂武乡； 贞丰县的庆平乡、连环乡和鲁贡镇沿北盘江零星分布； 册亨县的弼佑乡、达央乡和丫他镇坡地农田地带。

4.3 次适宜种植区

次适宜种植区面积共计3 738hm2，分布在海拔583～747m的区域。包括望谟县的石屯镇、打尖乡、纳夜镇、大观乡附近区域； 贞丰县的白层镇、鲁荣乡、鲁贡镇附近区域； 册亨县主要分布在巧马镇和秧坝镇附近； 晴隆、兴仁、安龙县北盘江、南盘江沿岸有零星分布。

4.4 不适宜种植区

除以上3类种植适宜区面积外，其他地区均属于不适宜种植区。主要分为两种情况：一是不适宜种植区的热量条件没有达到艾纳香的气候适宜性分布类型等级指标； 二是在适宜种植区内土地利用类型不符合要求，河湖水系、森林、建设用地、严重石漠化地区、坡度>25°的山地均被剔除在外。

5 结 论

根据艾纳香种植气候适宜性类型分布图的结果，黔西南地区海拔747m以下区域是艾纳香种植的气候生态适宜区，该区域现实中也是黔西南地区人工种植艾纳香的主要生产分布区，经实地验证和文献资料显示，目前黔西南地区主要的人工种植栽培艾纳香的区域均在气候适宜性类型分布的区域内。该文把热量因子反演到海拔高度，把黔西南地区温度随海拔高度变化规律进行了量化。将土地利用信息叠加到艾纳香种植气候生态适宜性类型分布区域后，可以客观反映出黔西南地区艾纳香可种植区域，对黔西南地区艾纳香种植产业发展和选址提供了较为科学和可实际操作的依据。

目前，关于贵州省相关地区艾纳香种植适宜性的研究较少，而且划分出的种植适宜区域地理范围广，没有考虑生态环境保护的现实要求，划分区域较为笼统。该文在充分应用GIS的基础上，把GIS(地理信息技术)、RS(卫星遥感技术)、GPS(全球定位技术)相结合，根据黔西南地区土地利用现状，较为精准地划分出了黔西南地区艾纳香种植的气候适宜性类型的分布区域，并且适宜区具备可开发利用性，贴近实际，操作性强。地理信息数据精确到了乡(镇)一级行政区域，运用GIS的栅格数据计算功能，可精确统计出艾纳香可种植区域面积，因此，该文成果较以往其他学者的艾纳香种植适宜性研究更为精细，更具有科学的指导意义。

黔西南地区影响艾纳香种植的所有因素中，气候环境条件是最重要的因素，因此，该文主要考虑艾纳香种植的生态气候条件，选择影响艾纳香生长的重要气候因子作为适宜性类型分布等级指标。黔西南地区艾纳香的种植还受品种、土壤类型、土壤肥力状况、栽培技术措施等因素影响。关于这些方面的综合研究，有待今后不断补充、修正和完善。

[1] 曾建国. 天然冰片的研究进展.中国药物经济学, 2011，(2)： 82～89

[2] 师琴丽. 贵州优势苗药艾纳香及其产品.中国民族医药学会.2003全国苗医药学术研讨会特辑.中国民族医药学会， 2003：3

[3] 官玲亮， 庞玉新，王丹，等.中国民族特色药材艾纳香研究进展.植物遗传资源学报, 2012，13(4)： 695～698

[4] 庞玉新， 谢小丽，陈振夏，等.艾纳香本草考证.贵州农业科学, 2014，42(6)： 10～13

[5] 牟珍， 杨贤友，吴红梅，等.北盘江流域等地艾纳香植物资源调查研究.时珍国医国药, 2017，28(4)： 981～983

[6] 江维克， 周涛，何平，等.贵州红水河地区艾纳香植物资源调查及其保护策略.贵州农业科学, 2010，38(8)： 1～4

[7] 胡蕖， 周家维.贵州省艾纳香植物资源现状及适生区区划初步研究.贵州林业科技, 1999，(1)： 44～48

[8] 刘朝英， 谭清波，顾欣.罗甸县艾纳香种植气候适宜性区划.贵州气象, 2013，37(4)： 38～40

[9] 李腹广， 杨玲，李婧.黔西南州气候生产力时空分布特征及对气候变化响应研究.贵州气象, 2014，38(4)： 43～46

[10]程宗尧， 朱成松，张定邦，等.贵州省南亚热带作物资源及区划.贵阳：贵州人民出版社， 1993: 95

[11]王旭， 谭伟，穆彪.基于RS与GIS的黔西南地区火龙果种植气候区划研究.山地农业生物学报, 2010，29(6)： 514～518

[12]李腹广， 王芬，赵玉金.黔西南气候资源与农业生产.广西气象， 2006，(S3)： 42～44,62

[13]袁雷， 刘依兰.基于GIS和气候—土地利用信息的西藏青稞种植适宜性区划.中国农学通报, 2017，33(17)： 92～97

[14]张山清， 普宗朝，吉春容，等.气候变化对新疆酿酒葡萄种植气候区划的影响.中国农业资源与区划, 2016，37(9)： 125～134

[15]王志录， 吴文辉，吴巧娟，等.甘肃陇南党参生态气候适生种植区划.中国农业资源与区划, 2006，(3)： 32～35

[16]杨昕， 汤国安，邓凤东，等.遥感数字图像处理实验教程.北京：科学出版社. 2010： 122～130

[17]汤国安， 杨昕.地理信息系统空间分析实验教程.北京：科学出版社. 2010： 113～144