基于GIS的蕎麥蘆丁含量生態區劃研究

馮美臣，牛 波，楊武德

（山西農業大學旱作農業工程研究所，山西太谷030801）

蕎麥（Fagopyrum esculentum Moench）又名喬麥、烏麥、花麥、三角麥等，屬非禾本科谷類作物[1]。蕎麥是一種藥糧兼用的雜糧作物，含有多種對人體有益的微量元素以及藥用成分生物類黃酮，尤其富含蘆丁[2]。

蘆?。≧utin）又稱蕓香苷（Rutinoside），是維生素P的主要成分之一，屬于黃酮類衍生物[3-4]，廣泛應用于食品、藥品和化學等工業。近代醫學研究表明，蘆丁具有防治毛細血管脆弱性出血引起的腦出血以及肺出血、胸膜炎、腹膜炎、皮下出血等疾病，也可治療青光眼、高血壓和糖尿病。因此，開展蘆丁含量的區劃研究，建立高蘆丁含量的蕎麥生產基地，對當前蕎麥生產和農民增收具有重要意義。

近年來，國內外許多學者結合現代信息技術對農作物氣候生態區劃進行了大量研究[5-6]，實際應用效果較好。Caldiz等[7]通過評估氣候、土壤和作物類型的特點，結合馬鈴薯產量潛力，利用GIS對阿根廷馬鈴薯進行了生態農業區劃。池再香等[8]利用GIS空間疊置分析方法對貴州西部春薯種植氣候適宜性進行了精細化區劃，大大提高了區劃的精度和準確度。唐紅艷等[9]通過確定興安盟地區玉米種植綜合氣候區劃指標，利用GIS對內蒙古興安盟春玉米種植氣候進行了劃分及分區評述。但是國內外利用現代信息技術對蕎麥進行品質生態區劃種植的研究較少，僅限于傳統方法的栽培區劃。如余優森[10]根據復種蕎麥的熱量指標要求，并對照該地區≥0℃和≥10℃積溫分布情況，對引種的北海道蕎麥進行了氣候區劃。孫志敏等[11-12]選用無霜期作為分區指數，結合≥10℃活動積溫對蕎麥進行了適宜種植氣候區劃研究。

然而基于GIS的蕎麥品質尤其是蘆丁含量的生態區劃研究還未見報道。本研究在甜蕎主產區晉中市進行布點試驗，測定蕎麥籽粒蘆丁含量，通過對蕎麥蘆丁含量及與其相關的生態因子進行分析，建立相關數學模型，并利用GIS對蕎麥蘆丁含量進行生態區劃，以期為山西高蘆丁含量蕎麥生產基地的確定和區域化、規?；N植提供理論和實踐依據。

1 材料和方法

1.1 研究區域自然概況

晉中市位于山西中部，北緯 36°39′～38°06′，東經 111°25′～114°05′，東依太行，西傍汾河，北與省會太原毗鄰。轄有11個縣市71個鄉鎮。全區地形是山區廣闊、平川狹小。氣候特點是：冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨；冬夏溫差較大，夏季降水集中。在晉中范圍內，南北緯度相差不到1.5℃，東西地形差別卻很大，所以區內氣候東西差異明顯，南北變化不大。年平均氣溫9℃左右，1月平均氣溫-7℃左右，7月平均氣溫23℃左右。年平均降水量540 mm左右，降水分布大致是東南多、西北少。

1.2 試驗設計

在晉中市選取有代表性的7個樣本縣，每個縣選擇能反映該縣蕎麥生產水平的5個行政村作為試驗點，利用GPS測定其經緯度和海拔。試驗地為中等肥力的旱地。供試品種為晉蕎1號、日本蕎、大粒蕎3個品種，采用隨機區組設計，3次重復，小區面積10 m2，按當地大田習慣種植。

1.3 氣象資料

本研究所用的氣象資料來自晉中市內的11個氣象站，包括2008—2010年的日最高溫、日最低溫、日均溫、太陽輻射、相對濕度和日照時數等指標。

1.4 地理數據資料

利用CD 91200L數字化儀對晉中市的1∶200 000邊界圖和行政分區圖等進行矢量化，形成晉中市行政區劃圖層、氣象站點圖層、數字高程模型等基礎地理數據資料，并建立GIS數據庫。

1.5 測定項目及數據分析

蕎麥籽粒蘆丁含量采用HPLC（液相色譜儀）進行測定。利用SAS軟件對與蘆丁含量有關的7個縣市的氣象因子進行相關分析。

2 結果與分析

2.1 生態因子對蕎麥蘆丁含量的影響

2.1.1 不同生態區蕎麥蘆丁含量的差異性分析蘆丁是蕎麥特有的一項品質指標。對不同生態區不同蕎麥品種的蘆丁含量數據進行方差分析，結果（表1）表明，蕎麥蘆丁含量在不同品種和不同地域間的差異均達到極顯著水平，說明品種和生態環境對蕎麥蘆丁含量都有重要的影響。

表1 蕎麥蘆丁含量的方差分析

2.1.2 生態因子與蕎麥蘆丁含量的關系 用SAS軟件對與蘆丁含量有關的7個縣市的氣象因子進行相關分析，篩選出16個氣象因子，分別為 7 月均溫（X1）、8 月均溫（X2）、9 月均溫（X3）、7 月下旬均溫（X4）、8月上旬均溫（X5）、8 月中旬均溫 （X6）、8 月下旬均溫 （X7）、9 月上旬均溫（X8）、7月大于 30℃天數（X9）、8月大于 30℃天數（X10）、7 月降水量（X11）、8 月降水量（X12）、9 月降水量（X13）、生育期（≥0℃）總積溫（X14）、生育期總降水量（X15）、生育期日照時數（X16），并對與蕎麥蘆丁含量相關的16個生態因子進行多元線性逐步回歸分析，剔除了回歸關系不顯著的生態因子，得到蕎麥蘆丁含量與生態因子的數學回歸模型：

式中，Y為蕎麥蘆丁含量（mg/g），X5為8月上旬均溫，X9為7月大于30℃天數，X12為8月降水量，X16為生育期日照時數。

從回歸模型可以看出，蕎麥蘆丁含量與8月上旬均溫、7月大于30℃天數具有負相關關系，與8月降水量、生育期日照時數具有正相關性。7月大于30℃天數的負相關性說明日最高溫大于30℃時，對蕎麥的生長有不良影響，同時影響到蘆丁的積累。8月上旬為蕎麥花期，此期的溫度以18～25℃為宜[13]，過高的溫度會嚴重影響蕎麥受精結實，同時晝夜溫差較小，不利于干物質的積累，對蘆丁的積累有較大的影響。8月豐富的降水、充足的光照都有利于蕎麥生長，也利于蘆丁積累。

2.1.3 氣象因子推演 利用溫度、降水和日照時數與地理因子海拔（Z1）、經度（Z2）、緯度（Z3）進行相關分析，建立回歸模型來推演無資料區的氣候資源狀況，以彌補信息量的不足。各方程的相關系數都達到極顯著水平，且均通過0.01的顯著性水平檢驗（表2）。

表2 氣象因子回歸模型

根據Arc GIS中的鄉鎮所在地理信息，可以得到71個鄉鎮高程點的相應地理資料，代入各氣象指標的回歸方程，可得到相應71個點的氣象數據。

2.2 晉中市蕎麥蘆丁含量生態區劃及評述

將氣象數據代入方程（1），得到各點的蘆丁含量數據，在Arc Map中，利用Inverse Distance Weighted插值法及殘差修正后，得到蕎麥蘆丁含量區劃圖（圖1）。

2.2.1 高蘆丁含量區 圖1中的深色區域為高蕎麥蘆丁含量區，蘆丁含量大于280 mg/g。該區

面積占全區的10.8%，約1 764 001 hm2，包括和順縣的馬坊鄉、橫嶺鄉；壽陽縣的長嶺鄉、白云鄉、羊頭崖鄉；榆次的黃彩鄉、石圪塔鄉等；太谷的王公鄉和侯城鄉、窯子口鄉、滸泊鄉的部分區域；平遙的盂山鄉和千莊鄉部分地區。該區的氣候特征為8月上旬均溫小于21.5℃，7月大于30℃天數低于4 d，8月降水量大于90 mm，生育期日照時數高于900 h。

2.2.2 中蘆丁含量區 圖1中的淺色區域為中蕎麥蘆丁含量區，蘆丁含量介于180～280 mg/g之間。該區面積占全區的52.6%，約8 634 741 hm2，主要包括靈石全區；介休、平遙、祁縣、太谷的東部地區；榆次和壽陽的西北大部分地區；昔陽、和順、左權縣西部地區；榆社西北部分地區。該區氣候條件主要表現為8月上旬平均溫度21.5～23℃，7月大于30℃天數為4～12 d，8月份降水量為60～90 mm，生育期日照時數為850～900 h。

2.2.3 低蘆丁含量區 圖1中的白色區域為低蕎麥蘆丁含量區，蘆丁含量小于180 mg/g，該區面積占全區的36.6%，約6 005 254 hm2，主要包括太谷、祁縣、平遙西部；介休北部；榆社大部分地區；昔陽、和順、左權的東部地區。該區氣候條件主要表現為8月上旬平均溫度大于23℃，7月大于30℃天數多于12 d，8月降水量小于60 mm，生育期日照時數低于850 h，不適合種植蕎麥。

3 結論與討論

蕎麥蘆丁含量在不同品種和不同地區具有顯著性差異，說明品種和生態環境均對蘆丁含量有重要影響。綜合來看，影響蘆丁含量的各生態因子中氣候是最重要、最活躍的因子。本研究區劃主要以溫度、降水和日照時數等氣候生態因子為指標進行分析。結果發現，蘆丁含量與8月上旬平均溫度、7月大于30℃天數具有負相關關系，與8月份降水量、生育期日照時數具有正相關性。

通過對氣象資料和蘆丁含量的統計分析，利用GIS進行了蘆丁含量的生態區劃，分區結果與實際狀況基本符合。根據本研究結果，高蘆丁含量區主要在晉中的北中部地區，即和順縣的西部、壽陽縣的南部、太谷縣和榆次市的東部地區。這部分地區海拔多在1 200～1 600 m之間，生育期總積溫小于2100℃、生育期總降水大于270mm，生育期日照時數大于900 h，是氣候涼爽、降水豐富、日照充足地區，非常適合蕎麥的生長，有利于蘆丁含量的積累。

有研究表明，影響蕎麥蘆丁含量的因子還有很多，比如播種量和播種期、灌溉、肥料配比[14-15]、病蟲害防治等耕作管理措施，而本研究僅從生態因子出發進行區劃分析，使得模擬模型與生產實踐還存在一定差距，今后仍需不斷完善模型，提高模型的實用性。

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