基于遥感和GIS的四川省姜资源适宜性分布范围研究＊

张冬梅，罗艳玫，彭文甫＊＊

（1.四川师范大学地理与资源科学学院 成都 610068；2.四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室 成都 610068）

中国医药是中国的三大国粹之一，中药材是中华民族历经5000年流传下来的文化的瑰宝，也是我国一项极具国际竞争力的产业，纵观古今，中药一直引领着中国中医药学向着更高的领域发展，使中华医药在世界医药平台独树一帜，熠熠生辉。但是近年来随着需求量的增加、产量的减少、中药药材质量的下降使得中药材的供需极不平衡，采用人工引种栽培就成为解决这一问题的主要途径。但是由于缺少科学合理的规划与指导，在进行种植时盲目引种栽培，这样的做法不仅造成了人力、物力资源的浪费，也导致了药材质量的下降，影响其疗效[1]。

中药资源调查，中药资源数据库的建立都为合理开发利用中药资源提供了基础，也是确保中药资源可持续利用的中药根据。传统的中药资源调查是在查询药材资源历史资料与野外实地调查的之后，进行系统的整理分析，确定每一种中药材的产量、产地以及总的蕴藏量。但这种方法受主观因素影响大，缺乏科学指导。因此，在进行中药资源调查的过程中，采取一些新技术、新手段，来建立中药资源数据库、中药资源蕴藏量等体系，可以制定出更为科学合理的资源保护与开发利用措施，可以提高效率，更为科学、准确地获取资源调查的相关数据[2]。

遥感（RS），就是遥远地感知，它根据不同物体的电磁波特性不同的原理，探测地表物体对电磁波的反射和其反射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。和传统的野外实地调查相比，遥感技术获取信息的途径多、时效性强[2]；GIS 技术是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进行分析和处理，目前GIS 技术在森林火灾[3]、水文地质[4]、民居选址[5]水土流失动态监测[6]、土地测绘[7]等方面均有广泛的应用。近年来，“年来，（GIS、RS、GPS）技术集成应用在探究中药材适宜性的研究中越来越常见，与其他研究方法相比具有识别快、计算准确等优势，前景良好。陈士林开发了TCGIS 系统来对210种中药材的产地适宜性进行区划和分析[8]，李芬等在利用GIS中的空间分析方法对冬虫夏草资源的适宜性空间分布进行了研究的基础上，采用野外实地调查采样并入户调查相结合，建立使用空间分析方法的对中药适宜区分布进行区域划分[9]，刘珍等以云南楚雄彝药资源生境恢复为例，利用GIS图谱法进行生境恢复研究的途径，并建立了生境恢复评价指标体系[10]，尚雪等利用遥感与地理信息系统技术对川产道地药材羌活的适宜性空间分布进行研究，对四川省羌活资源的利用与开发提供了科学指导，也为四川省其他道地中药材的调查与开发提供了科学指导[11]。不同的药材在生长过程中呈现不同的光谱信息，GIS 与RS 集成应用可以完成地面药材信息的自动识别，如通过遥感影像可以识别出地面成片栽培的药材种类，获取药材的生长面积，并且可以根据不同时期的遥感影像的不同特点可以对药材的生长进行动态监测，GPS技术可以进行精准定位，对识别与检测的数据进行验证。将“3S”可以技术应用于中药资源调查和动态监测、产量估测及趋势预测等领域，与传统调查方法相比有着不可比拟的优势。因此，在未来进行中药的资源调查过程中，“3S”在技术可以广泛应用[12]。

姜系姜科植物姜Zingiber officinale Rosc.的根茎，是一种广泛应用的药食两用植物。《药典》记载：“生姜味辛，性微温，归肺、脾、胃经，主要用于解表散寒、化痰、止咳、止呕、解鱼蟹毒等”[13]。目前，关于姜资源的栽培技术有多位学者进行了研究[14-16]，但是关于其适宜性分布范围还未有详细研究。随着生态环境的破坏，现在市场上绝大部分姜均采用的人工培养，农田种植，据记载，四川省的郫县、乐山、键为、沐川、内江、威远、遂宁、三台、西昌等地均有大面积种植，四川省常年种植面积达20 000 hm2，在农民增收和人民生活中具有重要的作用和地位。但目前姜资源栽培中存在的主要问题是：生姜不宜连作，生姜连作后造成地力衰退，土壤病虫害加剧，生长受抑，产量降低，品质下降而产生连作障碍[17]。因此，采用科学的方法探究姜资源的适宜性分布具有极大的现实意义。

1 研究区概况

四川省位于中国西南腹地，介于东经97°21′-108°33′和北纬26°03′-34°19′之间，地处长江上游，辖区面积48.6 万平方公里，居中国第5 位，东西长1075 公里，南北宽921 公里。与7 个省（区、市）接壤，北连陕西、甘肃、青海，南接云南、贵州，东邻重庆，西衔西藏。四川位于中国大陆地势的第1 级阶梯及第2 级阶梯之间，即青藏高原和长江中下游平原的过渡带，区域内海拔高度差异大，呈现出明显的西高东低。西部为高原、山地，海拔多在3000 m 以上；东部为盆地、丘陵，海拔多在500-2000 m 之间。四川地貌复杂，具有山地、丘陵、平原和高原4 种地貌类型，山地面积最大，占全省面积的74.2%。四川省地形如图1 所示。四川省年降水量在500-1200 mm，年平均温度在4-18℃，植被类型主要是亚热带常绿阔叶林。按照气候类型可分为三大气候区，分别是四川盆地中亚热带湿润气候区，即四川盆地及周围山地；川西南山地亚热带半湿润气候区；川西北高山高原高寒气候区。四川省地貌类型多样，地势复杂，气候多样，孕育了丰富的中药资源，拥有宝贵的优良动植物种资源库和基因资源库，有“中医之乡，中药之库”的美誉[18]。据了解，全国中药资源普查曾开展过3次，据1983年-1987年进行的第3次全国中药资源普查显示，全国中药资源共计12 807种，四川省具有4 353 种。四川省中药材种类丰富，储量巨大并且有很强的道地性。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究数据及来源：①2015 中国土地利用现状遥感监测数据（数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心http://www.resdc.cn）；②四川省行政区矢量边界数据，来源于四川师范大学西南土地资源与评价教育部重点实验室；③药材生长生态因子空间数据（包括年均温、年降水、月均温数据数据，来源于CERN 生态综合数据库及共享平台；数字高程，空间分辨率为30x30 m，来源于USGS；四川省土壤类型空间分布数据，数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn））；④GPS野外采样数据。

图1 四川省地形图

2.2 研究方法

2.2.1 文献方法

在确定各个范围的适宜区与最适宜区的时候，生态因子的选取对结果起到很重要的作用，确定各个因子的取值范围是精确找到中草药适宜区的关键。结合四川省中医药研究院提供的数据与相关文献的查阅，本文将以地形因子（海拔、坡向、坡度）、气候因子（年均温、月均温、年降水）、土壤因子、植被因子四个方面进行姜药材适宜区分布的探究。其中，地形因子中以海拔、坡向、坡度作为二级指标；气候因子以8 月均温、9 月均温、年降水量作为二级因子；土壤因子以适宜土壤类型作为二级指标。根据四川省中医药研究院提供的数据以及自己查阅相关文献，查阅适宜姜生长的各个生态因子的取值范围。

2.2.2 遥感与GIS方法

通过下载的LUCC2015 数据，利用四川省矢量图裁剪出四川省土地利用现状图，将四川省土地利用类型分为耕地、林地、草地、建设用地、水域、未利用土地六类，最后通过ArcGIS 软件提取出四川省耕地；通过ArcGIS 软件的Raster calculator 工具找出姜对各个生态因子的适宜区，其中，海拔、坡度、坡向通过四川省DEM 提取，年均温、降水量、月均温通过四川省气象数据提取，土壤信息通过四川省土壤数据提取，再通过Raster calculator 工具对每个生态因子的适宜区与最适宜区图层分别进行叠加，分别得到姜生长的适宜区与最适宜区，最后通过ArcGIS 软件的Tabulate Area 工具对适宜区与最适宜区的面积进行计算，得到各个县区的适宜区与最适宜区面积。

2.2.3 野外验证方法

通过软件分析等到姜的适宜区以及适宜区的面积之后，通过手持GPS 进行精准定位，验证研究结果的准确性。

技术路线如图2所示。

3 结果与分析

3.1 地形因子

地形因子包括海拔、坡度、坡向等。生姜喜阴湿、温暖、弱光的环境。根据四川省中医药研究院提供的相关信息可知姜主要分布在平地丘陵地区。

3.1.1 海拔的提取

通过四川省中医药研究院提供的数据，并且查阅相关文献与资料，得知姜一般生活在海拔1 600 m 以下的丘陵，平坝地区，具有明显的区域性和地带性，其最适宜的海拔为600 m 以下的丘陵地区，通过ArcGIS 10.3 软件空间分析工具，通过四川省DEM，提取出海拔1600 m 以下的地区和海拔600 m 以下的地区（图3）。姜生长的海拔最适宜区和次适宜区主要分布在东部地区，按照地形来看，属于四川平原地区。

3.1.2 坡向的提取

姜的原始形态生姜（Zingiber officinale）起源于热带雨林地区，根系不发达，对水分需求量高，生长过程中易遭受干旱胁迫，生产中常采用遮光栽培缓解水分胁迫对生姜的不良影响[19]。张永征等通过实验分析证明了干旱和强光对生姜的生长均具有抑制作用，而干旱对生姜的影响大于强光的影响[20]。因此，种植生姜应选在阴湿、弱光的地区。利用四川省DEM 提取出阴坡，即东北和西北，得到适宜姜生长的坡向信息。

3.1.3 坡度的提取

姜资源对坡度没有明显的适宜性范围，但是根据我国政府要求，坡度大于25°以上地区不允许发展种植业，因此提取出25°以下的地区作为姜资源生长的适宜性坡度范围（图5）。

3.2 气候因子的选取

3.2.1 年均温的选择

图2 技术路线

图3 适宜区与最适宜区海拔

图4 阴坡

图5 坡度

《中华本草》记载，姜宜于地势略带倾斜，阳光充足，排水良好的砂质壤土。生姜的生长分为4个阶段，分别为：①发育期；②幼苗期；③旺盛生长期；④根茎休眠期。其中第一、第二次分叶，叶片简健壮成长，使其保持很强的同化能力，正是根茎快速膨大时期的状龄功能叶，对提高生姜产量具有重要意义。该时期为每年的立秋之后，即每年的8 月上旬到10 月上旬。因此，8月和9月的温度和降水对生姜根茎的生长具有很大的影响。根据四川省中医药研究院提供的数据，8、9 月月均温18℃以上为生长的最适宜温度。因此，通过ArcGis 提取出8 月、9 月月均温均大于18℃的区域，如图6 所示。年温度不必像生长旺季那么高，但是生姜作为一种喜温暖的生物，年均温也不低，本文选取年均温为14℃-16℃的区域为适宜区，年均温16℃-21℃的区为最适宜区。通过ArcGIS 叠加分析，将8、9月月均温大于18℃的地区作为第一图层，将年均温为14 区-16℃与16℃-21℃的区域作为第二图层。得到姜生长的温度适宜区与最适宜区（图7）。

图6 8、9月月均温

图7 年均温适宜区与最适宜区

图8 降水量适宜区与最适宜区

3.2.2 年降水量的选择

生姜是一种喜湿的植物，生长过程中需要进行大量的灌溉。张永征[20]通过实验证明了干旱对生姜的生长具有极大的抑制作用。根据四川省中医药研究院所提供的数据，适宜的降水量范围为900-1300 mm，年降水量1 103 mm 为姜生长的最适宜降水范围。本文选取年降水900-1 000 mm、1 200-1 300 mm 为生姜生长的适宜降水，年将适量1 000 mm-1 200 mm 为生姜生长的最适宜降水。通过ArcGIS 软件进行分别提取，得到生姜生长的降水适宜区与最适宜区（图8）。

3.3 土壤因子的选取

3.3.1 耕地的提取

生姜的生长主要是进行人工栽培，野生的数量稀少。市面上流转的姜均为人工栽培，因此需要提取出适宜土地范围。通过LUCC2015裁剪出四川省土地利用现状。四川省土地利用类型分为6 类，分别为建设用地、林地、耕地、草地、水域、未利用土地。并通过四川省土地利用现状图为基础可提取出每类土地利用类型的面积。其中草地、林地、耕地（包括水田和旱地）占整个四川省比例较大，分别约为35.66%、34.07%、24.69%，另外建设用地、水域和未利用地占面积相对较少，共约5.16%。根据四川省中医药研究院所提供的数据以及查阅文献资料得知，姜主要是采取人工种植的方式进行栽培，从四川省土地利用现状图中提取出耕地、水田及旱地等可以种植姜的土地（图9）。

3.3.2 土壤信息的提取

据《本草纲目》[21]（1590 年）对生姜原植物的记载：“姜宜原隰沙地。四月取母姜种之。五月生苗如初生嫩芦，而叶稍阔似竹叶，对生，叶亦辛香。”可知生姜原植物适合生长在含沙多的土壤中。同时，据《中华本草》记载，姜宜于地势略带倾斜，排良好的砂质壤土中。因此，种植基地应选择地势较高且土壤中营养成分含量高的地方，同时要具备浇灌方便、物资充足等条件。生产实践表明，砂壤土上种植生姜能够有效提高其产量与质量，因而在土地的选择上要着重考虑[22]。根据在生态环境中心所下载的中国土壤类型空间分布数据，利用四川省的矢量图，通过ArcGIS 进行裁剪，得到四川省的土壤类型分布图。再用GIS空间分析工具提取出适宜种植生姜的紫色土、水稻土、红壤、黄壤等土类，通过ArcGIS软件得到土壤的适宜区（图10）。

3.4 姜种植适宜区与最适宜区的获取

图9 耕地

图10 适宜土壤

据记载，统计历代本草记载的姜道地产区，按现代行政区划划分，姜的传统优质产地集中在四川（杨朴、犍为、汉州、蜀汉、涪州等地）、湖北（荆州、襄、均州等地）、浙江（临海、章安、温州、台州、三街开化等地）及安徽（池州、宁国等地）四省[23]。《药物出产辨》（1931年）对各地所产姜进行了详细的品质比较“姜：以四川为最，白肉。广东六步次之，黄肉。钦廉、北海、广西均有出，又次之，均黄肉。安南东京亦次之，白肉[24]。”历代医典均记载四川省的姜品质是比较高的，其中以乐山市的犍为县与沐川县质量为最佳，同时，姜在全国各地均有广泛种植，据记载，目前种植姜面积较大的地域有山东、云南、安徽、四川、贵州、河南、湖北、浙江、江西、陕西等省份，其中四川键为、沐川、荣县、宜宾，贵州兴义、兴仁、安顺、长顺，云南文山，陕西汉中、城固，浙江临海等地主要种植姜[25]。

图11 适宜区与最适宜区

表1 适宜区与最适宜区面积

通过GIS软件对各个因子进行叠加分析，首先，将得到的四川省耕地、适宜土壤类型、8、9 月适宜均温、坡度、坡向等图层依次叠加，得到符合满足以上条件的图层3，将图层3 与最适宜降水量图层、最适宜年均温图层、最适宜海拔图层叠加，得到最适宜姜资源生长最适宜图层4。将图层3与适宜降水量图层、适宜年均温图层、适宜海拔图层依次进行叠加得到图层5；图层5 中减去最适宜区图层4，得到姜生长的适宜区图层。所得适宜区与最适宜区分布如图11所示。

3.5 适宜区与最适宜区面积计算与分析

利用ARC Toolbox 面积制表工具对姜的适宜区面积与最适宜区面积进行测算，得到适宜和最适宜种植姜的市区面积，具体结果如表1所示。

从表1 可以看出，全省适宜区面积为为23 489 km2，共包含124 个县区，其中有12 个县区的适宜区面积大于500 km2，占总适宜区面积的35.271%，三台县、中江县、南部县等三个县区适宜区面积在800 km2以上，有61个县区适宜区面积在100 km2以下，占适宜区总面积9.32%，布拖、金阳、甘洛、金河口区等四个县均只有1 km2的面积适宜种植姜，所占该区域面积很小。南充、达州、绵阳、泸州四个市适宜区面积均大于2 000 km2，甘孜州、阿坝州、雅安市、自贡市、内江市适宜区面积较小，均小于10 km2。

全省最适宜区面积为14 633 km2，共包含68 个县区，其中安岳县、仁寿县、资中县、宜宾县等4个县区面积均在800 km2以上，占最适宜区面积的28.68%，有35个县区的最适宜区面积在100 km2以下，攀枝花市、雅安市、凉山州、甘孜州、达州市、巴中市、阿坝州最适宜区面积均为0，南充市，宜宾市，达州市三市的适宜区与最适宜区面积总和均很大，适宜大面积种植姜。通过查阅资料及进一步分析可知，乐山犍为县与沐川县是种植姜的最适宜区，其中犍为县最适宜区面积为38 km2、适宜区面积为479 km2，沐川县最适宜区面积为44 km2，适宜区面积为323 km2，两个县的最适宜区面积均不是很大，但是适宜区面积大，查阅相关资料可知，两个县均属于乐山市，乐山市气候温和，雨量丰沛，水热同季，无霜期长，年平均霜日只有5-10 d，年平均气温在16.5-18℃之间。属于亚热带季风气候。在整个四川省范围内，乐山市的综合自然环境最适宜姜的生长。

姜生长对生态环境的要求比较严苛，在研究姜生长的适宜区过程中，每个因子都是进行单独叠加，没有同时考虑因子之间的相互影响，在进行分析时，同时也应该考虑不同因子的相互作用对适宜区范围的影响。

3.6 野外实测与验证

野外样方数据采集也是建立本研究的重要环节，本次姜资源的适宜性分析主要采集了22 个样地，其中，在最适宜区犍为县和沐川县打点最多，其他点位分散打在各个适宜区，具体点位分布见表2。通过手持GPS 野外打点，精准定位，查证该区域是否真的生长有姜药材之后，将打点数据通过软件GIS office 导出，再将数据导入GIS 软件，与适宜区结果进行对比，对比发现，野外打点共22 个，其中有19 个点位确实有姜的种植，野外打点所选取的区域与通过GIS 与遥感所得姜适宜去分布范围的结果基本吻合，说明利用遥感与GIS 软件来寻找姜的适宜区分布的方法是可取的。

4 讨论与结论

通过分析，可知姜主要分布在川南、川东及川西部分地区，川西高原地区海拔高，温度低，降水少，不适宜姜的种植，在川南以及川东部分地势平坦，年均温度高且降水丰富的地区比较适宜姜的生长。南充市和达州市适宜区面积最广，均在3 000 km2以上，甘孜州与阿坝州适宜区面积均为0，凉山州仍有少部分地区是适宜姜母体的生长。宜宾市、资阳市、内江市3个市最适宜区面积最广，宜宾市最适宜区面积最广，为2 552 km2。总的来看，适宜区与最适宜区总面积可达38 678 km2，约占四川省总面积的7.96%，通过本研究可知，除了相关文献所记载的广泛种植姜的地区，如宜宾，内江，乐山犍为，沐川等地，还发现了许多是资料没有记载，但是适合姜生长的地区，这些区域适宜区域在今后姜的种植栽培地点选取过程中，具有很大的参考意义。

表2 姜野外调查GPS打点数据

将得到的姜适宜区分布范围与第3次全国中药普查得到的姜的分布范围进行比较，发现结果与本研究基本吻合。说明运用GIS技术与遥感技术、文献、野外查验等结合来探索姜生长的适宜区的方法是可行的。通过查阅查阅文献可以获得姜的生长的环境因子范围，结合四川省中医药研究院所提供的数据相，确定各个生态因子的取值范围；GIS 与遥感技术能够准确提取各个生态因子的适宜性区域并且能将这些区域进行叠加，找到满足每个生态因子是区域范围，相较于传统手段而言，GIS 技术具有极大的优势，不仅识别准确，计算速度快，而且很大程度的节约人力物力，使中药资源的探究更加的科学、快速；最后通过野外验证，进一步检验研究结果的准确性。

多种研究方法集成，有助于提高姜的适宜区范围的精确性。在研究过程中，由于遥感图像的精度值、土地分类的准确性、GIS 软件存在的误差等方面的因素可能造成计算结果的准确性，因此，计算结果的精确性还有一定的提升范围。除了本研究的方法之外，也有许多学者采用了不同的方法对不同中草药适宜区进行了定位。由此可见，在技术手段、研究方法还不是特别精确明了的情况下，采用多种方法的集成，有助于提高不同中草药的适宜区范围的精确性。在方法的探索过程中，不断提高研究区域的精度，也使中药材道地的研究更加具有科学性。