基于AHP和GIS的云南省三七生態適宜性精細化區劃

詹鵬，韋美膛，許紅亮，韓蕊蓮*

(1.浙江理工大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310018；2.云南天士力三七藥業有限公司，云南 文山 663000；3.天津天士力現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、心腦血管系統、血液系統、神經系統、免疫系統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]。三七生長環境較為特殊，不耐酷暑和嚴寒，喜溫暖陰濕的環境。全國95%以上的三七產自云南省，云南省文山州是三七原產地和主產區，三七產業已經成為云南文山等地重要的經濟支柱[2]。2016年三七種植面積200 km2，產量達700萬kg，產業總產值突破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利用造成嚴峻挑戰[4-6]，尚不確定過去的傳統產地是否是當前藥用植物生長的最適宜區。合理劃分藥用植物種植適宜區域對于推進藥用資源可持續發展、制定相應產業政策和種植規劃具有重要意義[4]。從已發表的文獻來看，對三七的種植適宜區存在一定分歧。三七種植適宜區過去被認為主要集中于云南省東南部，但是這些結論或是從文獻資料出發的定性研究[7-8]，無法確定云南省各州(市)的適宜區；或對氣候、土壤等各類環境因子的選取較少，且未劃定各個環境因子的權重[9-11]；或研究范圍過大[12-13]。云南省作為三七的主產地，針對云南省內的三七適宜分布區精細量化的研究尚不明確。

隨著新技術、新方法的不斷發展，中藥區劃研究不斷深入，專家集成與模型定量相結合的方法得到普及。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(GIS)技術能有效整合空間數據與非空間數據，將氣候、海拔等空間環境因子融合并生成為數據層，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果[15]。因此，課題組利用AHP和GIS技術對云南省各州(市)三七種植適宜區劃進行精細化研究，以便為界定三七的資源分布區域和三七的引種栽培選擇提供參考，服務于三七的輪作與產業發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

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 ℃。各地區降水分布差異大，大部分地區年降水量>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，一部分屬于熱帶地區，長夏無冬[16-17]。三七傳統產地位于云南東南部，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境。

1.2 數據來源

國家基礎地理信息中心提供的1∶25萬云南省基礎地理數據、全省市級政區圖和SRTM 90 m分辨率的DEM高程數據，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據。

1.3 數據處理

首先利用Excel軟件統計與篩選溫度、年降水量等各種生態因子，隨后導入ArcGIS 10.4軟件中，并對相關數據進行空間化處理。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網格柵格單元，將相同空間參考信息的數據在ArcGIS 10.4軟件中進行疊加分析[19]。

2 結果與分析

2.1 種植現狀

三七在云南省的種植已有數百年的歷史，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，結果顯示，云南省三七種植規模最大的州(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]。產量方面，以文山州為例，年度產量波動幅度較大。特別是2013年以來，三七產量伴隨著種植面積大起大落(圖1)，2019年三七產量2萬t，只有2015年產量的2/3。產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域的劃定不明，不便于三七的輪作及規模生產的原因。因此，確定適宜三七種植區域成為當下云南三七產業發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：文山州三七和中醫藥發展中心、云南文山州人民政府官網)

2.2 生境需求

通過查閱文獻和相關資料[20-31]明確影響三七生長生態環境因子及其范圍值。

2.3 區劃指標選取與分級

綜合三七各項生態環境因子指標的研究成果，確定氣溫、年降雨量、年日照時數、土壤質地、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 評價指標權重判定

三七生長受地形、氣候、土壤等多種生態因子影響，各種生態因子對三七生長的影響程度不易判斷。本研究采用AHP法[32]，依據對文山州三七研究院相關三七研究專家的問卷調查，并結合文獻資料，構建目標層、準則層、決策層3個分析層次，再經過建立層次結構模型、構建判斷矩陣、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重值(表2)[33-34]。測得生態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 云南省三七生態適宜性區劃評價指標權重值

2.5 適宜性評價

采用綜合因子加權評價模型，對各個三七評價因子的權重值加權疊加，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；i代表不同評價因子；Xi是相應評價因子的權重值；Yi是相應評價因子的得分值。

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

表3 云南省三七生態適宜性評價分級與賦分

2.6 適宜區分析與面積計算

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

2.7 生態適宜性區域分布

2.7.1 最適宜區

結合圖2～4可知，云南省三七最適宜種植區主要分布在東南部，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、普洱等部分地區也發現有最適宜區分布。這些地區氣候溫和，年平均氣溫16.5～17.5 ℃，日照時間長，可為今后當地規模生產三七提供參考。

2.7.2 適宜區

三七適宜種植區分布較廣，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。適宜區面積總計1 979 583.07 km2，是云南省三七生態適宜性分布中面積最大的一類區域。這一區域年降雨量在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，部分地區終年無霜。土壤pH多在5.5左右，部分地區在6.5～7.0。該類地形變化差異較大，部分地區海拔可達3 000 m以上，總體在1 500～1 700 m，四季溫差小，能滿足三七發芽、開花受精的條件。種植適宜區面積雖廣，但是部分環境條件存在限制，可利用技術手段優化遮光、排水等設施，通過人工干預加以改善。

圖2 云南省三七各生態因子適宜性分布

圖3 云南省三七種植生態適宜性分布

圖4 云南省各州(市)三七適宜區面積

2.7.3 次適宜區

三七次適宜種植區主要分布于云南省中部偏北和南部的部分地區，包括怒江、大理、麗江、楚雄、昆明、曲靖、普洱、西雙版納等地。次適宜區總面積1 252 675.66 km2，占云南省總面積的27.12%。該類區域南北差異較大，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積累。北部土壤偏堿性，而南部則偏酸性。該類地區種植三七時可根據實際情況，對水分、光照、pH等進行干預調整，結合成本和需求開展種植。

3 討論

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

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

必須指出的是，本研究僅選擇10個因子對云南省三七生態適宜性進行區劃，而經濟和交通條件等因素也會對三七種植區域的分布產生影響。因此，為了進一步優化三七的適應種植區域，提高經濟效益，選取更全面、更詳盡的數據對開展后續的研究有著積極的意義。