基于gis的附子产地适宜性分析

基于gis的附子产地适宜性分析

附子radix参数：毛科植物的乌加工品。这是《中华人民共和国药典》2005年版的收集品。附子是我国栽培历史悠久、加工技术精湛的常用中药材,又是著名的出口商品,在国内外久负盛名。附子栽培主产于四川和陕西;河北、江苏、浙江、安徽、山东、河南、湖北、湖南、云南、甘肃亦有分布和种植。附子的传统栽培产区为四川江油,但其引种栽培范围却很广,这些已有引种历史的地区在生态地理角度究竟是否真正适宜附子生产?而在没有记载的其他地区是否还有新的适宜区可以发展附子种植?这些问题的回答都需要科学数据的支持。所以,进行附子产地适宜性研究对其科学引种栽培和区划,合理利用土地资源,发展优质高产附子生产具有十分重要的意义。为了能够采用定量方式和信息技术手段更科学地研究中药材产地适宜性,项目组在国家主管部门的支持下,以地理信息系统平台(GIS)为基本平台,成功开发了《中药材产地适宜性分析地理信息系统》(TCMGIS-I)。早期研究中,项目组曾采用点对点数值分析方法,以计算机为辅助工具,研究了药材的适宜产地和区划;也曾尝试性地利用了《生物适生地分析系统》开展了柴胡、地黄等药材的适宜产地分析。本文报道了运用TCMGIS-I系统分析附子在全国的适宜产地的结果。在充分验证该系统分析过程的科学性和结果可靠性的基础上,为合理布局发展附子生产、确定附子区划、避免盲目引种、保证附子品质提供科学依据。1ecd-i的原理和分析流程1.1数据来源及数据库ade系统基于WindowsXP,采用C#开发。后台数据库平台为SQLServer2000,GIS组件为ArcEngine9.0。共用数据库包括:气象数据库—基于全国气象站点30年(1971～2000年)地面气象数据计算所得的按栅格数据(1km2)及衍生数据;土壤数据库—1∶4000000第3次全国土壤普查至亚类的土壤数据库;空间数据库—全国1∶1000000地图的矢量数据库。矢量数据、栅格数据等空间数据和相应的属性数据通过ArcGIS的空间数据引擎ArcSDE存放于数据库中,其他属性数据通过ADO.NET进行存取。适宜产地的基本分析原理为气候、土壤的相似,即根据引种地与原产地(道地产地)气候、土壤的相似程度,划分为不同级别的适宜产地。相似性分析采用基于单元网格的相似性聚类分析,即将空间划分为有限数目、可以进行聚类分析的正方形网格(1km2),每个网格相当于一个数据对象,所用空间数据、气候土壤数据等存放在相应网格的属性表中,聚类以网格为单位进行。1.2质量等级的确定确定分析药材的道地产地作为分析的基点。在此基础上确定影响药材分布的关键性生态地理因子。格栅数据聚类前必须对数据进行标准化处理,系统提供了多种传统经典的方法。标准化后的数据可以进行距离计算。分别计算日照、气温、降水量等气候及土壤、海拔因子对目标值的距离(相似系数,Si,Similarityindex),根据距离分别将各个指标进行重分类。也可以将气候、土壤因子等各个因子进行综合计算后得出一个综合相似系数SI,这需要根据每种药材对生态因子的要求确定权重。根据相似系数的大小将适宜区划分为适宜区(SI≥90%),次适宜区(90%>SI≥80%),一般适宜区(80%>SI≥70%)。2数据来源和处理乌头喜温暖、湿润、光照充足的气候条件,怕高温、高湿。适于生长条件:平均温度为15.9℃,绝对最高气温36.2℃,绝对最低气温-4.8℃,年日照时数为1327.4h,年降雨量为1179.4mm,相对湿度81%,无霜期323d。野生乌头多生长于海拔800m以上的山区。自然植被为湿性常绿阔叶林,土壤多为山地黄壤或山地红壤。家种乌头多栽培在海拔500～600m的向阳平坝。植被以栽培作物为主,主要品种有水稻、玉米、高粱、小麦、油菜。土壤多为黄壤。海拔较高的丘陵和山地也有种植。根据乌头的生态学特性,本文确定四川江油为附子的道地产区即分析的基点,为了使各生态因子的设定更具代表性和科学性,我们把最低气温提高到-2℃,最高气温定为36℃,其他数据均给出了一定范围,得出乌头生长环境要求的生态因子数据如下:气温:最低不低于-2℃,最高不高于36℃;降雨量:1000～1200mm;海拔:500～1200m;年日照时数1300～1500h;土壤:黄壤。聚类分析前对数据进行标准化处理。采用绝对偏差均值标准化方法:sf=1n(|x1f−mf|+|x2f−mf|+⋯+|xnf−mf|)sf=1n(|x1f-mf|+|x2f-mf|+⋯+|xnf-mf|)其中:mf=1n(x1f+x2f+⋯+xnf)mf=1n(x1f+x2f+⋯+xnf)标准化值:zif=xif−mfsfzif=xif-mfsf栅格聚类分析方法采用加权绝对值距离法,其公式为dij=Σn|xik−xjk|∗wkdij=Σn|xik-xjk|*wk,日照、气温、降雨量、土壤类型、海拔4个因子的权重分设为0.20。3本产品在合同区位的适应性分析结果表明3.1道地药材栽培基地适宜种植区域分布情况根据上述目标值及分析方法,采用TCMGIS-I分析后得出的附子适宜产地分布图(图1、图2),图中灰色部分为附子适宜生长区。根据系统分析结果,附子在全国的适宜产区包含四川、陕西、贵州、湖南、湖北、甘肃、云南、广西、江西、安徽等10个省区的336个县市,全国适宜种植附子地区面积总和为294057.69km2。各省区包含的适宜产地县市数及适宜面积情况见表1。从表1、图1和图2可以看出,通过TCMGIS-I系统分析出的附子的适宜产区主要是以四川盆地周围、陕西南部、云贵高原和湘鄂地区为中心,向南最远能够延伸到广西北部和云南地区,向东扩展到江西和安徽西部地区,向北到甘肃南部地区。而且贵州和湖南省的适宜种植区面积都高于道地产区四川省。以上分析结果说明,从生态地理条件的角度来看,附子的道地药材栽培基地可以四川盆地为中心向贵州和湖南、湖北方向扩展。而且在全国接近30万km2的适宜区范围内有选择地建设附子道地药材基地能够满足其对气候土壤的基本要求。3.2mgis-i模型适宜县与附子道地产区四川江油的气候、土壤等因子的综合相似系数分布如图3、4所示。从图3和图4可以看出,采用TCMGIS-I系统分析得出的附子在全国次适宜分布区的面积(相似系数:90%>SI≥80%)和适宜区(相似系数:SI≥90%)的面积大致相等。而且附子的适宜区向东扩展到了广东北部、福建和浙江全境,向西南扩展到云南全境和西藏南部地区,这说明从生态地理相似性角度来看,附子在图3和图4所示的地区具有进行栽培生产的基本自然条件可行性。3.3引种地区的投运为了充分验证TCMGIS-I系统针对附子产地适宜性分析结果的可靠性,作者将应用系统对附子适宜产地分析的结果与第3次全国中药资源普查关于附子分布结果进行对比,结果见图5。从图5可以看出,除了《中国中药区划》标注的附子曾经引种地区河北、山东两个省份没有覆盖外,适宜产地的分析结果覆盖了几乎95%以上的资源调查附子分布的区域,同时还得出了一部分资源调查中没有记载的适宜产地,比如贵州、福建、江西、广西和西藏等省区。这些产区可能有附子的分布(资源普查时没有了解到)。从生态地理角度来看,这些区域将可能是发展附子生产的新区域。系统分析的附子的适宜区位于《中国中药区划》分区系统中的第Ⅳ区(西南北亚热带中亚热带野生家生中药区)中,正好与原来的附子区划相符。通过系统分析结果和第3次中药资源普查数据的对比,使得TCMGIS-I系统分析结果的可靠性得到验证,同时,TCMGIS-I系统通过更加科学的分析手段,预测了附子可能的分布区域,也为下一步附子资源普查范围的确定提供了科学依据。4结论和讨论4.1建立了大量的土壤数据库,内容丰富,说明了资金、信息、条件本文以附子为分析对象,通过采用TCMGIS-I系统,引进GIS作为分析平台。在后台建立了栅格数据(1km2)的气候数据库,包括平均温度,相对湿度,降水量,日照时数,以及极端最低温度,极端最高温度,同时还建立了1∶4000000的土壤数据库。最后分析得出了附子在全国的适宜分布区和次适宜分布区所包含的省区和县市,计算出了适宜分布区的面积,并给出了适宜区的分布图,从而可以使我们能够更直观和快捷地进行中药材的种植区划,也为我们提供了一种量化的评判药材产地适宜性的手段,结束了依靠传统经验和单个气候因子、单个产地分析的低效、准确性差的做法。通过系统分析与资源普查结果的对比,证明了TCMGIS-I系统分析结果的可靠性,这样为中药材引种栽培提供了理论依据。4.2生态环境分析结果通过采用TCMGIS-I系统对附子的产地适宜性进行分析,得出附子在全国的适宜分布区包含四川、陕西、贵州、湖南、湖北、甘肃、云南、广西、江西、安徽等10个省区的336个县市,全国适宜种植附子地区面积总和为294057.69km2。分析结果比第3次全国中药资源普查记载的省份增加了贵州、广西和江西等省。附子的次适宜区面积和适宜区面积大致相等,适宜区中增加广东、福建和西藏等省区,根据以上分析数据得出了附子次适宜产区和适宜产区分布图,这对于附子的种植区划和引种栽培有很高的参考价值。但是,这里需要强调的是,附子产地适宜性数据只是基于生态环境相似性分析得出的,而附子的栽培方法在很大程度上影响附子的生产区选择,因为附子种植区在平坝地区,海拔较低,而附子苓种则多种于山地,海拔较高,而且土壤也与平坝地区有所差异。能够同时满足上述两个条件的地区就会比本文分析的适宜区面积小很多,这说明影响道地药材产地适宜性的因素有很多,还需要综合考虑和逐步加以完善。4.3适宜区与附子道地产区的关系初步判断是导从系统分析得出的附子适宜区的分布图(图1、图2)上,可以看出附子的适宜区域基本上与《中国土壤图》上标示的黄壤(附子适宜生长土壤)的分布区域基本一致,尤其是在成都附近的区域,由于其地理位置与附子道地产区四川江油很近,所以气候条件应该相差不大,但该地区却不在适宜