近年来，由于对中药材需求量的扩大以及对环境的破坏，很多中药资源的质量以及品种数量已经不能满足市场需求。因此，目前的热点问题就是需要重新对中药资源进行调查。传统的中药资源调查采用的是野外实地调查与药材资源历史资料的系统整理相结合，从而进行综合分析，最后确定中药资源的蕴藏量和产量的方法。这种调查方法受主观因素影响较大，缺乏科学性^[1]。因此，利用新技术对中药资源进行调查研究成为目前面临的首要问题。

近年来，“3S”技术在中药资源研究和保护中的应用逐渐增加，展现出良好的前景^[2]。目前，国内已经有许多专家学者开始利用遥感和地理信息系统（GIS）技术对中药资源进行研究，并取得了一系列优秀成果。陈士林等^[3]利用遥感技术对人参种植区域的人参种植面积进行调查，建立了人参资源遥感调查的技术路线和方法，并通过抽样调查对人参进行了产区面积测算和估产；金云翔等^[4]利用GIS空间分析方法对冬虫夏草的空间分布区域进行了分析，证实了空间分析方法在冬虫夏草资源调查评价上具有一定的可行性，为资源调查等相关研究提供方法支持；蒋舜媛等^[5]以野生宽叶羌活分布区最适宜生长环境因子为依据，结合中药材产地适宜性分析地理信息系统（TCMGIS-I），区划宽叶羌活全国的适宜产地，其结果具有一定的科学性和准确性；陈君等^[6]应用TCMGIS-I，以内蒙古阿拉善盟及新疆北疆野生肉苁蓉分布区的最适宜生长环境因子为依据，分析了肉苁蓉在全国适宜产地，为其科学区划提供参考；张小波等^[7]以野生稀有种药用植物资源遥感监测研究的操作流程和实验为基础，论述了利用遥感技术对野生稀有种中药资源进行监测的原理、方法、内容以及应该遵循的原则和标准；调查显示，已有众多专家学者对冬虫夏草、苍术、银杏、川贝母、人参、沙棘、川芎等多种中药资源进行了适宜性评价，而对道地药材川牛膝适宜性分析较少。

川牛膝是苋科多年生草本植物川牛膝Cyathula officinalis Kuan的干燥根，属传统道地药材，也是常用中药材之一，近年来国内外需求也在逐步增加。由于长期栽培管理粗放、品种退化和自然杂交导致的混杂等因素，川牛膝存在着整体品质下降等问题，有待进一步开发利用。本实验依据四川省中药研究所提供的相关数据和文献资料调查数据，以四川省为例，结合川牛膝生长的环境因子，选取适宜其生长的生态环境指标，采用遥感和GIS技术相结合的方法对川牛膝进行研究，确定其适宜分布区，最后通过GPS野外实测进行验证，能够比较科学地分析川牛膝的分布状况，可为合理开发利用和保护川牛膝资源提供科学依据。同时，可以选择与其生长环境相似的适宜区域，发展规模化人工栽培，为道地药材川牛膝的生产和发展做出贡献。

本研究的主要数据包括：①高程数据（DEM）空间分辨率30 m×30 m，来源于USGS；②气象栅格数据，来源于CERN生态综合数据库及共享平台；③四川省TM、ETM遥感影像，数据来源于中国科学院遥感与数字地球研究所（http://eds.ceode.ac.cn）；④土壤类型数据，来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn）；⑤四川省县级行政矢量边界，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；⑥手持GPS野外实地调研采样数据。

结合道地药材川牛膝对环境因子的要求，首先确定影响川牛膝资源生长的环境因子；其次采用层次分析法确定各环境因子的权重；最后结合遥感和GIS技术进行空间分析，得到道地药材川牛膝的适宜性分布范围分等图和适宜性区域面积^[8]。

评价因子的选取是对道地药材川牛膝进行适宜性评价的关键。中药材的分布主要受到地形地貌、气候、土壤、植被、水文等因素的影响^[9]。本研究将文献资料与已获取的调查信息相结合，研究结合川牛膝的生长特性，选取直接影响川牛膝生长的地形、气候、土壤、植被这4个评价指标作为划分依据。其中，地形因子直接或间接影响着川牛膝的生长发育^[10]，海拔高度、坡向、坡度影响着光、温度、水、土壤肥力的再分配，因此在地形因子中选取适宜高程、适宜坡向、适宜坡度作为二级指标；气候因子作为主要的环境因子影响着中药材的生长发育和品质^[11-12]，其中热量和水分是影响川牛膝生命活动的必要因子，在最适宜温度下，川牛膝正常生长发育，而低于最低温度或者高于最高温度时，其生长就会受阻。同时水分过多或过少都不利于川牛膝的生长。因此在气候因子中选取年均温、1月均温、7月均温、年降水量作为二级指标；土壤为药用植物生长提供营养，影响其代谢产物的形成和积累，是中药材最基本的要素^[13]。川牛膝喜生长在土层深厚、富含腐殖质、湿润、排水良好的土壤上，因此选取适宜的土壤类型作为二级指标；川牛膝喜凉爽、潮湿、阳光充足，同时怕酷热气候，故多生长在林缘或草地中，因此选取适宜川牛膝生长的植被类型作为二级指标。最终建立四川地区川牛膝适宜性分布研究的主要影响因子指标体系。

采用层次分析法确定各个评价因子的权重。按1~9标度表赋值建立判断矩阵依据，比较每一层对上一层因素的影响，每次都取该层的2个元素进行相互比较，全部比较后将结果构成比较矩阵。对计算矩阵的最大特征根对应特征向量和最大特征根进行比较，并对其结果进行一致性检验^[14]。由此得出各评价指标权重（表 1）。

表 1(Table 1)

表 1 四川省川牛膝适宜性分布影响因子权重 Table 1 Weights of each factor for C.officinalis in Sichuan province 准则层 决策层 影响因子 权重 影响因子 权重 地形因子 0.30 适宜高程 0.40 适宜坡向 0.30 适宜坡度 0.30 气候因子 0.40 年降水量 0.25 年均温 0.25 1月均温 0.25 7月均温 0.25 土壤因子 0.15 适宜土壤类型 1.00 植被因子 0.15 适宜植被类型 1.00

表 1 四川省川牛膝适宜性分布影响因子权重 Table 1 Weights of each factor for C.officinalis in Sichuan province

依据影响因子的不同权重进行加权叠加，对川牛膝资源进行适宜性评价。具体适宜性计算公式如下^[15]。

S为道地药材川牛膝的适宜性，n为评价因子的个数，A_i为各评价因子的计算值，B_i为各指标因子的权重

中药材主要分布于山区、丘陵、平原等大陆地貌类型中，海拔高度、坡度、坡向等因素影响着中药材的生长和分布。根据四川省中药研究所提供的道地药材川牛膝生态因子相关数据可得，川牛膝多栽培于海拔1 200~2 400 m，地势以向阳和排灌良好的平地或缓坡为宜。结合相关文献记载^[16-17]，川牛膝在我国主要生长在海拔1 300~2 400 m的地区，在湖南隆回县小沙江1 200 m左右也有川牛膝的分布，因此本研究将适宜川牛膝生长的海拔仍定为1 200~2 400 m。川牛膝一般生长在阳坡，即东南、西南方向，因此适宜性坡向定为东南坡和西南坡。一般情况下，坡度大于18°就不适宜发展种植业，我国政府要求，坡度大于25°的土地不得发展种植业。结合川牛膝适宜生长在排灌良好的平地或缓坡，考虑进行规模化人工栽培方面的影响，川牛膝适宜性坡度定为0~25°。利用ArcGIS10.0的空间分析工具，依据已获取的四川省DEM数据影像图，可以提取出川牛膝生长的适宜高程范围、适宜坡向范围、适宜坡度范围（图 1）。

图 1 四川省川牛膝适宜性评价因子分布图 Fig.1 Distribution plot of C.officinalis suitability evaluation factors in Sichuan province

气候因素是中药材生长发育的基本保障。查阅相关文献报道^[16]，赵华杰针对全国川牛膝资源适宜分布气候范围的研究结果分别是年平均气温14~18 ℃，年降水量约1 000 mm。而本次针对四川省川牛膝资源适宜性分布进行研究，采用四川省中药研究所提供的相关数据，即温度条件为：年均气温约15 ℃，1月平均气温3~8 ℃，7月平均气温25~29 ℃；降水条件为：年降水量约1 200 mm。利用ArcGIS10.0软件，首先对获取的全国年均温栅格影像、全国1月平均气温栅格影像、全国7月平均气温栅格影像以及全国年降水栅格影像进行预处理，最后使用空间分析功能提取出四川省适宜川牛膝生长的适宜年均温范围、适宜1月均温范围、适宜7月均温范围、适宜年降水量范围（图 1）。

不同中药材要求的土壤类型均有较大的差异。通过四川省中药研究所提供的数据以及相关文献报道^[16-17]可得，适宜川牛膝生长的土壤主要为土层深厚、富含有机质、疏松肥沃的山地灰棕壤、平地黄壤及紫色土。利用ArcGIS10.0软件的空间分析功能，从全国土壤类型空间分布数据中提取出四川省适宜川牛膝生长的土壤类型数据的分布范围（图 1）。

通过四川省中药研究所提供的数据以及相关人员进行野外实地采样，得出川牛膝喜凉爽、潮湿、阳光充足的林缘或草地、怕酷热气候。因此，为了更准确地提取出川牛膝资源的生长范围，本研究使用ENVI5.1软件对2010年四川省的遥感影像进行解译，并通过野外调查验证，得到四川省土地利用现状信息。利用ArcGIS10.0软件的空间分析功能，从已经处理好的四川省土地利用图中提取出适宜川牛膝生长的植被信息（图 1）。

根据分析分别得出9个适宜性评价因子的结果，结合GIS的空间分析功能，实现川牛膝资源的适宜性分析评价。依据影响因子的权重，进行加权叠加，最终得到川牛膝适宜性分布范围，得到的评价结果值越大，表明适宜性越好。相反，评价结果值越小，表明适宜性越差。将计算得到的结果采用百分制形式（0~100分），将评价因子等级划分为4级，即最适宜区（90~100分）、适宜区（80~90分）、次适宜区（70~80分）、不适宜区（0~70分）^[5]。通过GIS分析，得到道地药材川牛膝在四川省适宜性分布范围（图 2）。通过对四川省川牛膝资源的适宜性分布区域进行研究，可得到以下结果，川牛膝主要适宜分布在乐山、雅安、泸州、宜宾、攀枝花、凉山彝族自治州、甘孜藏族自治州、阿坝藏族自治州等地。将四川省的行政边界图叠加到川牛膝资源的适宜区分等图上，可以提取出川牛膝资源的适宜性分布面积，见表 2。

图 2 川牛膝适宜区分等图 Fig.2 Integrated classification plot of C.officinalis suitable distribution areas

表 2(Table 2)

表 2 四川省各市川牛膝资源适宜性分布区域 Table 2 Suitable distribution of C.officinalis resources each city, Sichuan Province 区域 最适宜区 适宜区 次适宜区 面积/km2 占该地域总面积/% 面积/km2 占该地域总面积/% 面积/km2 占该地域总面积/% 乐山市 2.11 0.02 2.99 0.02 46.02 0.36 内江市 - - - - 1.67 0.03 凉山彝族自治州 151.36 0.25 213.11 0.35 927.88 1.54 南充市 - - - - 9.68 0.08 宜宾市 6.07 0.05 8.05 0.06 104.15 0.78 巴中市 - - - - 181.32 1.48 广元市 - - - - 465.05 2.85 广安市 - - - - 3.08 0.05 德阳市 - - 0.89 0.01 7.06 0.12 成都市 - - 1.93 0.02 85.25 0.70 攀枝花市 - - 7.03 0.09 66.86 0.90 泸州市 12.68 0.10 49.92 0.41 137.42 1.12 甘孜藏族自治州 - - 8.13 0.01 59.79 0.04 眉山市 - - 0.97 0.01 29.81 0.41 绵阳市 8.98 0.04 4.04 0.02 213.35 1.05 自贡市 - - - - 4.23 0.10 达州市 - - - - 157.89 0.95 阿坝藏族自治州 3.93 0.01 25.85 0.03 152.82 0.18 雅安市 25.70 0.17 33.02 0.22 413.43 2.70 合计 210.83 0.10 355.93 0.09 3 066.76 0.64

表 2 四川省各市川牛膝资源适宜性分布区域 Table 2 Suitable distribution of C.officinalis resources each city, Sichuan Province

其中，最适宜区包括乐山、雅安、凉山彝族自治州、宜宾、泸州、绵阳、阿坝藏族自治州7个市、州，适宜性总面积为210.83 km²，占最适宜区总面积的0.1%；适宜区包括乐山、雅安、宜宾、凉山彝族自治州、泸州、甘孜藏族自治州等12个市、州，适宜性总面积为355.93 km²，占适宜区总面积的0.09%；次适宜区包括乐山、雅安、凉山彝族自治州、宜宾、眉山等19个市、州，次适宜性总面积为3 066.76 km²，占次适宜区总面积的0.64%。在最适宜区中，凉山彝族自治州最适宜性分布面积最大，约为151.36 km²，占该州总面积的0.25%，乐山市的最适宜性分布面积最小，约为2.11 km²，占该市总面积的0.02%；在适宜区中，凉山彝族自治州的适宜性分布面积最大，约为213.11 km²，占该州总面积的0.35%，德阳市的适宜性分布面积最小，约为0.89 km²，占该市总面积的0.01%。在次适宜区中，凉山彝族自治州的适宜性分布面积最大，约为927.88 km²，占该州总面积1.54%，内江市的适宜性分布面积最小，约为1.67 km²，占该市总面积的0.03%。根据分析，凉山州的适宜性面积最大，在川牛膝的培育中可以发展规模化人工栽培。

依据相关文献资料记载^[18-21]以及结合全国第3次药材资源普查结果显示，川牛膝主要分布在雅安市的天全县、宝兴县、荥经县、芦山县、石棉县、汉源县，乐山市的峨眉山市、金口河区、峨边彝族自治县，眉山市的洪雅县，凉山彝族自治州的甘洛县、越西县、喜德县、冕宁县、德昌县，攀枝花市的盐边县。本次系统分析川牛膝适宜区范围包含了上述所记载的所有县市，由此得出通过GIS分析的结果与川牛膝实际分布地区相符合。

野外样方数据采集也是建立本研究的重要环节，本次调查主要对四川省部分地区进行实地考察。本次川牛膝资源的适宜性分布主要采集了30个样地（图 3），其中有26个样地是川牛膝资源分布较为集中的地方，利用手持GPS进行精确定位和数据采集。通过GIS OFFICE将野外测量所采集到的数据文件导入ArcGIS10.0中，发现所选取的区域与通过ArcGIS软件分析所得的适宜分布范围结果基本吻合，进一步说明利用GIS对数据进行分析的合理性。

图 3 川牛膝野外调查图 Fig.3 Site distribution for fields survey on C.officinalis

道地药材川牛膝用途广泛，在我国有较长的民间药用和临床应用历史，经济价值较高。但由于近年来种质存在不同程度的混杂，药品质量参差不齐，有必要建立最佳生产适宜区，保证药材的品质^[16-17]。因此，本实验应用遥感与GIS技术，研究川牛膝资源的适宜分布范围，结果表明，通过分析得到的结果与野外验证得到的结果基本吻合，具有较高的精度，该方法具有可行性，可以为中药材适宜性分布研究提供依据，因此可用于类似中药材的分析。通过分析，可以看出川牛膝的分布区主要是凉爽、潮湿、阳光充足的地方，具有区域性。因此，进行规模化人工栽培基地选择时，首先要考虑川牛膝生长的地形、气候、土壤、植被等条件，据此选择适宜种植区。其次还需考虑其他非环境因素如：社会因素、经济因素以及社会经济发展的相互作用对其生长的影响，从而进行比较全面的评价，进而确定最佳种植区，以获得较好的经济和社会效益^[7]。

与此同时，遥感影像的分类精度也会影响到研究结果的精度，因此如果采用更高分辨率的遥感影像数据，便可以进一步提高分类精度，使得研究结果更精确。本研究仅仅是对川牛膝的分布适宜区进行提取和分等。应用3S技术，对川牛膝的种植面积和产量的动态监测仍是需要重点研究的问题。