“3S”技术在中药资源可持续利用中的应用

中药资源的分布、产量及质量变异都与地理环境变异有着直接的关系。道地药材作为中药特定种质在特定空间环境下的产物，充分体现了空间环境对中药资源的巨大影响。换言之，中药资源的分布、产量及质量信息都具有空间信息的特征。因此，对空间信息的研究和利用是中药资源保护和利用的关键问题。 空间技术是空间信息分析的关键技术。而遥感(RS)、全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)三者集成的“3s”技术，是空间信息分析的核心技术。遥感是指不直接接触被研究的目标，感测目标的特征信息(一般是电磁波的反射、辐射和发射辐射)，经过传输、处理，从中提取人们感兴趣的信息。 GPS是当今最具优势的空间定位系统，具有全天候、自动化、功能多、抗干扰的特点，它可以解决传统定位方法精度低、工作量大、复位难的问题。地理信息系统当今空间信息管理和分析的最强大的工具。 “3S”技术已发展到成熟应用阶段，在信息获取、信息处理、信息应用方面的突出优势，使得其在国防、交通、农业、矿产、地质等领域得到广泛应用，并在资源监测和保护、灾害预警和监测及环境保护等诸多领域显现出巨大的优势和潜力。目前“3S”技术在中药资源研究和保护中的应用刚刚起步，就已展现出良好的前景。由于植物资源占中药资源的80％以上。笔者以药用植物资源为主，探讨“3s”技术在中药资源可持续利用中的应用。 l“3S"技术在中药资源监测中的应用 1.1 中药资源的实时监测 20世纪80年代我国在全国范围内进行了历时5年的中药资源普查，并在1995年由科学出版社出版了《中国中药资源》和《中国中药区划》等6本著作，这是解放后中药资源研究的最重要的成果之一，也是至今为止全面系统介绍中药资源的最新的研究成果。而近 20年来，国内和国际天然药物市场及资源都发生了惊人的巨变，对中药资源的掠夺式开发，以及生境破坏都造成了中药资源的急剧下降。目前，我国中药资源总体处于家底不清，保护及开发利用依据不足的状态。全面实施中药资源的普查所需的人力、物力和财力极大，而且中药资源的蕴藏量在随时改变，因此，如果按传统方法进行资源调查，即使成本极高的新普查结果也会很快就失去了可靠性。因此，对中药资源及其蕴藏量进行实时监测成为中药资源研究、保护及利用的首要问题。 “3S”技术以其快速、经济、方便等特点，在资源调查及监测方面显示出极大的优势。宁晓波等针对目前我国森林资源清查存在的调查周期长，数据现势性、可比性、可靠性差等问题，在开展贵州省森林资源清查及评价工作中引进了“3S”技术，同传统的森林资源清查方法相比，取得了显著的经济效益和社会效益。李春干等研究了“3S”技术与地面调查相结合进行红树林资源调查的技术方法，有效地解决了传统方法调查中存在的红树林空间位置和分布境界线定位准确性差、面积精度低等问题。李建龙等利用“3S”技术和生态系统分析方法，实现了对新疆阜康县草地农业资源动态变化的准确监测。 “3S"技术在农林牧业等领域资源动态监测方面的应用和推广，为中药资源的动态监测提供了理论方法。值得一提的是多数中药资源在群落中都不是常见种和关键种，相反却常常是非常见种或稀有种，这为“3s”技术在中药资源动态监测中的应用带来了困难。目前，“3S"技术用于在群落中占绝对优势的成片存在的乔木、灌木类中药资源动态监测技术成熟，如杜仲、麻黄、甘草、苦豆草、松树、三尖杉等。而对于林下资源或稀有资源的监测，如黄连、贝母、冬虫夏草、苍术等，则需要结合实地调查摸索新的思路和方法，例如，运用“3s”技术对有标记作用的伴生植物进行监测和分析，结合实地调查进行研究，可能为解决此类稀有种的资源调查提供思路。 1.2 中药资源的长势产量的估测 对栽培中药材长势的监测和产量的估测，是中药资源动态监测的一个重要方面。不少学者应用“3s”技术对作物估产进行了研究，刘洋研究了大豆播种面积及产量的遥感监测，认为利用多种遥感资料进行大豆估产是可行的。李建龙等利用在天山北坡不同草地类型上观测的草地可食产量，环境与遥感资料等，使用“3s”集成系统进行了多重相关分析和遥感估产技术的深入研究，建立了遥感估产模型，并在实际估产中加以应用，结果发现大面积草地可食牧草遥感估产精度达到75．8％以上。这些研究为中药资源的估产研究提供了了很好的参考，对中药资源，尤其是栽培中药材的产量估计，可全面借鉴作物估产的模式和方法。 2“3S”技术在中药资源的生态研究中的应用 2.1 植物信息提取及植被分类植物信息提取和植被分类是中药资源生态研究的基础。借鉴植被及农作物研究的经验，运用RS和GPS提取中药材遥感信息，可以研究中药材的长势、生物量等，对于野生中药材，还可以研究其所处群落的植被类型甚至伴生植物。如董谢琼等利用遥感技术得到云南曲靖市的春季作物假彩色分布图和可参与后续运算的定量分布数据，对解决云南高原山区的春季作物遥感信息提取很有效。王秀珍等开展了不同氮素营养水平的水稻田间试验，采用单变量线性与非线性拟合模型和逐步回归分析，获得作为高光谱估算地上鲜生物量的最佳模型。刁淑娟等利用图像的空间信息、光谱信息以及地形数据对植被进行分类，其精度达到90％，与最大似然分类方法所得结果相比较，其分类精度提高了10％。 2.2 中药资源的土壤水分监测 土壤水分监测是遥感的常规工作之一，不少学者结合精确农业，利用遥感技术对作物土壤水分含量进行监测，结果证明遥感对大面积农田土壤水分宏观动态监测方便、快捷、精度高。李建龙等利用RS和GIS，初步建立了典型试验区遥感信息与土壤含水量之间的遥感光谱相关监测模型，并同地面实测土壤水分进行了精度校正，结果表明，其模型监测O~20土层含水量的精度达到90％以上，实际监测土壤水分精度达到72．3％；在遥感监测20~50 cm土层土壤含水量中，利用遥感模型监测土壤水分精度达到80％以上，实际遥感监测精度达到60％左右，其结果可有效指导干旱半干旱农业区春耕时间和动态监测大面积土壤墒情。王晓云等对土壤水分卫星遥感监测结果的分析能力进行了探讨，并提出了一批具有一定物理意义和应用价值的遥感模式。李亚春等介绍了土壤水分热红外遥感监测的热惯量模式及国外在这一方面所取得的主要成果，阐述我国利用热惯量模式监测土壤水分的应用性试验的现状，以及在模式研究方面所取得的进展。总之，将日趋完善的“3s”技术用于中药资源，尤其是用于栽培中药材土壤水分监测，建立卫星图像资料接收系统和快速处理分析及传输系统，将会提高大面积栽培中药材土壤水分监测和控制的能力。 2.3 中药资源的土壤养分监测 养分缺乏是影响作物生长的最主要限制因子之一，及时准确监测或诊断出作物养分状况，对提高作物水肥管理水平和水肥利用效率，减少过度施肥带来的环境污染和指导节水农业生产具有重要意义。近年来，“3S”技术用于农田养分监测的研究层出不穷。唐延林等研究表明不同供氮水平的水稻冠层和叶片光谱差异明显，其光谱反射率随供氮水平的提高在可见光范围降低，在近红外区域增高。程一松等研究了不同氮素养分胁迫下冬小麦的不同生育期光谱的特征，结果表明孕穗期是利用高光谱遥感进行作物长势和养分诊断研究的最佳时期。张霞等利用北京小汤山地区获取的航空高光谱遥感图像，提取出43条小麦图像光谱与地面叶片全氮含量数据相对应，运用红边、光谱吸收特征分析方法和逐步回归算法，选择和设计了叶片全氮反演的特征波段和特征参数，并进行了全氮含量填图，实验结果表明全氮含量填图的值域和分布与地面调查和测量结果一致。聂艳等探讨了土壤肥料专家系统的设计思路，并在滨湖平原验证具有良好的经济效益和社会效益。 土壤数据采集仪器价格昂贵，性能较差，不能分析一些缓效态营养元素的含量。随着高分辨率卫星的出现(1～3 m)，遥感光谱信息与土壤性质、作物营养关系的研究和应用将得到进一步地深化和推广。针对目前我国土壤养分管理和施肥技术的现状，从与土壤肥力、施肥、作物有关的因素着手，采用“3s”等技术手段，以精准农业的理念为指导，在中药材栽培种植中进行合理施肥，具有很好的实用性和推广价值。 2.4 中药资源病虫害监测不同类型的中药资源往往感染不同的病虫害，而不同的病虫害所引起中药资源受损症状不同，有的病虫害导致中药资源反射光谱的显著变化，有的则导致中药资源大量失叶、减产。因此，对不同病虫害的遥感监测方法不同。利用遥感技术可及早预测诸如小麦黑锈病、马铃薯晚疫病、玉米大斑病、水稻白叶枯病及各种虫害。路桂珍研究发现，根据健康植物与受害植物在近红外波段反射率的明显不同，可利用红外遥感图像上的色调变化来判读健康植物和受害植物及其受害程度，并能比肉眼早期发现，从而达到大面积监测并防治病虫害的目的。杨存建等探讨了“3s”技术在森林病虫害监测管理中的应用模式，以及整个系统的集成。 利用“3s”技术及时掌握中药资源发生病虫害情况，在中药资源病虫害还没有发生严重危害与大面积蔓延的情况下及时采取防治措施，将病虫害及时消灭，从而可以降低损失，提高产量。从长远角度看，利用“3s”技术监测中药资源病虫害前景广阔。 3“3S"技术在中药资源区划及道地药材研究中的应用 3.1 中药资源区划 区划是对有空间特性的事物的最直观的分类和管理过程，“3S”技术作为空间分析的核心技术，与生俱来就与区划分不开。尤其是GIS，以其强大的空间信息分析和管理能力，在资源区划、气候区划、农业区划、灾害区划等诸多方面显示出巨大的优势。例如黄淑娥等根据气候、地形和土地利用等因素，采用“3s”技术和气候区划方法，对江西省安县脐橙适宜种植区进行综合气候区划，使农业气候区划朝气候规划的方向发展。刘洪江等对东川区泥石流信息系统进行了系统分析，在此基础上利用“3S”技术，建立了东川区泥石流信息系统，最后讨论了该系统在泥石流危险度区划及灾害趋势分析中的应用。王平根据当前自然灾害区划的特点以及已有的模糊聚类分析方法存在有局限性，指出应在“3S”技术支持下发展新的、基于空间邻域分析的区划方法。 通过GIS利用大量存在的空间信息及相应的模型对中药资源进行区划，克服了传统凭经验区划的主观性。同时，配合GPS和RS，还可以及时地进行信息更新，使区划结果更科学更有现实意义。 3.2 道地药材研究 中药道地药材是指源于特定环境的优质中药材，特定生境是道地药材形成的必要条件。因此，揭示生态环境在道地药材形成中的贡献及作用机理，是阐明道地药材成因的关键。当前，道地药材的生态学研究迫切需要理论和方法上的更新和突破。作者利用GIS对苍术道地产区生境特征进行筛选，提取出苍术道地药材原产地生境特征为年均温高于15℃，冷月平均最低温度为(－2～－1)℃，热月平均最高温度平均在32℃左右，极端低温(－17～－15)℃，旱季约为1～2个月，年降水量1000。1160 mln。发现苍术道地产区气候具有高温、旱季短、雨量充足的特点。 道地药材的形成体现了复杂系统的自组织特征，生态环境对道地药材形成的影响是非线性的，对于不同的道地药材，环境因素与遗传因素呈现出不同程度的交互作用，这使得道地药材的生态学研究复杂而艰难。“3S"技术的引入。无疑为道地药材生态学的研究提供了崭新的技术、思路和平台，也必将使道地药材生态学的研究取得前所未有的成果。 4小结 我国正在推进和加速资源与信息的网络共享的建设，中药资源是其中极具特色的一个分支。以“3S”集成技术系统和国家中药资源及环境数据库为基础，在Rs，GPS技术支持下，对中药资源及环境数据库进行定期的准同步更新，并在 GIs技术的支持下，建立反馈和综合协调机制，可以充分提高对资源与环境的宏观调控能力，为社会提供全方位的中药资源及环境信息，为中药资源的合理开发和利用提供科学依据，这一切对中药资源的可持续利用具有深远的意义。

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