基于gis的附子產(chǎn)地適宜性分析

基于gis的附子產(chǎn)地適宜性分析

附子radix參數(shù)：毛科植物的烏加工品。這是《中華人民共和國藥典》2005年版的收集品。附子是我國栽培歷史悠久、加工技術(shù)精湛的常用中藥材,又是著名的出口商品,在國內(nèi)外久負(fù)盛名。附子栽培主產(chǎn)于四川和陜西;河北、江蘇、浙江、安徽、山東、河南、湖北、湖南、云南、甘肅亦有分布和種植。附子的傳統(tǒng)栽培產(chǎn)區(qū)為四川江油,但其引種栽培范圍卻很廣,這些已有引種歷史的地區(qū)在生態(tài)地理角度究竟是否真正適宜附子生產(chǎn)?而在沒有記載的其他地區(qū)是否還有新的適宜區(qū)可以發(fā)展附子種植?這些問題的回答都需要科學(xué)數(shù)據(jù)的支持。所以,進(jìn)行附子產(chǎn)地適宜性研究對其科學(xué)引種栽培和區(qū)劃,合理利用土地資源,發(fā)展優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)附子生產(chǎn)具有十分重要的意義。為了能夠采用定量方式和信息技術(shù)手段更科學(xué)地研究中藥材產(chǎn)地適宜性,項(xiàng)目組在國家主管部門的支持下,以地理信息系統(tǒng)平臺(GIS)為基本平臺,成功開發(fā)了《中藥材產(chǎn)地適宜性分析地理信息系統(tǒng)》(TCMGIS-I)。早期研究中,項(xiàng)目組曾采用點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)值分析方法,以計(jì)算機(jī)為輔助工具,研究了藥材的適宜產(chǎn)地和區(qū)劃;也曾嘗試性地利用了《生物適生地分析系統(tǒng)》開展了柴胡、地黃等藥材的適宜產(chǎn)地分析。本文報(bào)道了運(yùn)用TCMGIS-I系統(tǒng)分析附子在全國的適宜產(chǎn)地的結(jié)果。在充分驗(yàn)證該系統(tǒng)分析過程的科學(xué)性和結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)上,為合理布局發(fā)展附子生產(chǎn)、確定附子區(qū)劃、避免盲目引種、保證附子品質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。1ecd-i的原理和分析流程1.1數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)庫ade系統(tǒng)基于WindowsXP,采用C#開發(fā)。后臺數(shù)據(jù)庫平臺為SQLServer2000,GIS組件為ArcEngine9.0。共用數(shù)據(jù)庫包括:氣象數(shù)據(jù)庫—基于全國氣象站點(diǎn)30年(1971～2000年)地面氣象數(shù)據(jù)計(jì)算所得的按柵格數(shù)據(jù)(1km2)及衍生數(shù)據(jù);土壤數(shù)據(jù)庫—1∶4000000第3次全國土壤普查至亞類的土壤數(shù)據(jù)庫;空間數(shù)據(jù)庫—全國1∶1000000地圖的矢量數(shù)據(jù)庫。矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)和相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)通過ArcGIS的空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE存放于數(shù)據(jù)庫中,其他屬性數(shù)據(jù)通過ADO.NET進(jìn)行存取。適宜產(chǎn)地的基本分析原理為氣候、土壤的相似,即根據(jù)引種地與原產(chǎn)地(道地產(chǎn)地)氣候、土壤的相似程度,劃分為不同級別的適宜產(chǎn)地。相似性分析采用基于單元網(wǎng)格的相似性聚類分析,即將空間劃分為有限數(shù)目、可以進(jìn)行聚類分析的正方形網(wǎng)格(1km2),每個(gè)網(wǎng)格相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)對象,所用空間數(shù)據(jù)、氣候土壤數(shù)據(jù)等存放在相應(yīng)網(wǎng)格的屬性表中,聚類以網(wǎng)格為單位進(jìn)行。1.2質(zhì)量等級的確定確定分析藥材的道地產(chǎn)地作為分析的基點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上確定影響藥材分布的關(guān)鍵性生態(tài)地理因子。格柵數(shù)據(jù)聚類前必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,系統(tǒng)提供了多種傳統(tǒng)經(jīng)典的方法。標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行距離計(jì)算。分別計(jì)算日照、氣溫、降水量等氣候及土壤、海拔因子對目標(biāo)值的距離(相似系數(shù),Si,Similarityindex),根據(jù)距離分別將各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行重分類。也可以將氣候、土壤因子等各個(gè)因子進(jìn)行綜合計(jì)算后得出一個(gè)綜合相似系數(shù)SI,這需要根據(jù)每種藥材對生態(tài)因子的要求確定權(quán)重。根據(jù)相似系數(shù)的大小將適宜區(qū)劃分為適宜區(qū)(SI≥90%),次適宜區(qū)(90%>SI≥80%),一般適宜區(qū)(80%>SI≥70%)。2數(shù)據(jù)來源和處理烏頭喜溫暖、濕潤、光照充足的氣候條件,怕高溫、高濕。適于生長條件:平均溫度為15.9℃,絕對最高氣溫36.2℃,絕對最低氣溫-4.8℃,年日照時(shí)數(shù)為1327.4h,年降雨量為1179.4mm,相對濕度81%,無霜期323d。野生烏頭多生長于海拔800m以上的山區(qū)。自然植被為濕性常綠闊葉林,土壤多為山地黃壤或山地紅壤。家種烏頭多栽培在海拔500～600m的向陽平壩。植被以栽培作物為主,主要品種有水稻、玉米、高粱、小麥、油菜。土壤多為黃壤。海拔較高的丘陵和山地也有種植。根據(jù)烏頭的生態(tài)學(xué)特性,本文確定四川江油為附子的道地產(chǎn)區(qū)即分析的基點(diǎn),為了使各生態(tài)因子的設(shè)定更具代表性和科學(xué)性,我們把最低氣溫提高到-2℃,最高氣溫定為36℃,其他數(shù)據(jù)均給出了一定范圍,得出烏頭生長環(huán)境要求的生態(tài)因子數(shù)據(jù)如下:氣溫:最低不低于-2℃,最高不高于36℃;降雨量:1000～1200mm;海拔:500～1200m;年日照時(shí)數(shù)1300～1500h;土壤:黃壤。聚類分析前對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。采用絕對偏差均值標(biāo)準(zhǔn)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)標(biāo)準(zhǔn)化值:zif=xif?mfsfzif=xif-mfsf柵格聚類分析方法采用加權(quán)絕對值距離法,其公式為dij=Σn|xik?xjk|?wkdij=Σn|xik-xjk|*wk,日照、氣溫、降雨量、土壤類型、海拔4個(gè)因子的權(quán)重分設(shè)為0.20。3本產(chǎn)品在合同區(qū)位的適應(yīng)性分析結(jié)果表明3.1道地藥材栽培基地適宜種植區(qū)域分布情況根據(jù)上述目標(biāo)值及分析方法,采用TCMGIS-I分析后得出的附子適宜產(chǎn)地分布圖(圖1、圖2),圖中灰色部分為附子適宜生長區(qū)。根據(jù)系統(tǒng)分析結(jié)果,附子在全國的適宜產(chǎn)區(qū)包含四川、陜西、貴州、湖南、湖北、甘肅、云南、廣西、江西、安徽等10個(gè)省區(qū)的336個(gè)縣市,全國適宜種植附子地區(qū)面積總和為294057.69km2。各省區(qū)包含的適宜產(chǎn)地縣市數(shù)及適宜面積情況見表1。從表1、圖1和圖2可以看出,通過TCMGIS-I系統(tǒng)分析出的附子的適宜產(chǎn)區(qū)主要是以四川盆地周圍、陜西南部、云貴高原和湘鄂地區(qū)為中心,向南最遠(yuǎn)能夠延伸到廣西北部和云南地區(qū),向東擴(kuò)展到江西和安徽西部地區(qū),向北到甘肅南部地區(qū)。而且貴州和湖南省的適宜種植區(qū)面積都高于道地產(chǎn)區(qū)四川省。以上分析結(jié)果說明,從生態(tài)地理?xiàng)l件的角度來看,附子的道地藥材栽培基地可以四川盆地為中心向貴州和湖南、湖北方向擴(kuò)展。而且在全國接近30萬km2的適宜區(qū)范圍內(nèi)有選擇地建設(shè)附子道地藥材基地能夠滿足其對氣候土壤的基本要求。3.2mgis-i模型適宜縣與附子道地產(chǎn)區(qū)四川江油的氣候、土壤等因子的綜合相似系數(shù)分布如圖3、4所示。從圖3和圖4可以看出,采用TCMGIS-I系統(tǒng)分析得出的附子在全國次適宜分布區(qū)的面積(相似系數(shù):90%>SI≥80%)和適宜區(qū)(相似系數(shù):SI≥90%)的面積大致相等。而且附子的適宜區(qū)向東擴(kuò)展到了廣東北部、福建和浙江全境,向西南擴(kuò)展到云南全境和西藏南部地區(qū),這說明從生態(tài)地理相似性角度來看,附子在圖3和圖4所示的地區(qū)具有進(jìn)行栽培生產(chǎn)的基本自然條件可行性。3.3引種地區(qū)的投運(yùn)為了充分驗(yàn)證TCMGIS-I系統(tǒng)針對附子產(chǎn)地適宜性分析結(jié)果的可靠性,作者將應(yīng)用系統(tǒng)對附子適宜產(chǎn)地分析的結(jié)果與第3次全國中藥資源普查關(guān)于附子分布結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果見圖5。從圖5可以看出,除了《中國中藥區(qū)劃》標(biāo)注的附子曾經(jīng)引種地區(qū)河北、山東兩個(gè)省份沒有覆蓋外,適宜產(chǎn)地的分析結(jié)果覆蓋了幾乎95%以上的資源調(diào)查附子分布的區(qū)域,同時(shí)還得出了一部分資源調(diào)查中沒有記載的適宜產(chǎn)地,比如貴州、福建、江西、廣西和西藏等省區(qū)。這些產(chǎn)區(qū)可能有附子的分布(資源普查時(shí)沒有了解到)。從生態(tài)地理角度來看,這些區(qū)域?qū)⒖赡苁前l(fā)展附子生產(chǎn)的新區(qū)域。系統(tǒng)分析的附子的適宜區(qū)位于《中國中藥區(qū)劃》分區(qū)系統(tǒng)中的第Ⅳ區(qū)(西南北亞熱帶中亞熱帶野生家生中藥區(qū))中,正好與原來的附子區(qū)劃相符。通過系統(tǒng)分析結(jié)果和第3次中藥資源普查數(shù)據(jù)的對比,使得TCMGIS-I系統(tǒng)分析結(jié)果的可靠性得到驗(yàn)證,同時(shí),TCMGIS-I系統(tǒng)通過更加科學(xué)的分析手段,預(yù)測了附子可能的分布區(qū)域,也為下一步附子資源普查范圍的確定提供了科學(xué)依據(jù)。4結(jié)論和討論4.1建立了大量的土壤數(shù)據(jù)庫,內(nèi)容豐富,說明了資金、信息、條件本文以附子為分析對象,通過采用TCMGIS-I系統(tǒng),引進(jìn)GIS作為分析平臺。在后臺建立了柵格數(shù)據(jù)(1km2)的氣候數(shù)據(jù)庫,包括平均溫度,相對濕度,降水量,日照時(shí)數(shù),以及極端最低溫度,極端最高溫度,同時(shí)還建立了1∶4000000的土壤數(shù)據(jù)庫。最后分析得出了附子在全國的適宜分布區(qū)和次適宜分布區(qū)所包含的省區(qū)和縣市,計(jì)算出了適宜分布區(qū)的面積,并給出了適宜區(qū)的分布圖,從而可以使我們能夠更直觀和快捷地進(jìn)行中藥材的種植區(qū)劃,也為我們提供了一種量化的評判藥材產(chǎn)地適宜性的手段,結(jié)束了依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和單個(gè)氣候因子、單個(gè)產(chǎn)地分析的低效、準(zhǔn)確性差的做法。通過系統(tǒng)分析與資源普查結(jié)果的對比,證明了TCMGIS-I系統(tǒng)分析結(jié)果的可靠性,這樣為中藥材引種栽培提供了理論依據(jù)。4.2生態(tài)環(huán)境分析結(jié)果通過采用TCMGIS-I系統(tǒng)對附子的產(chǎn)地適宜性進(jìn)行分析,得出附子在全國的適宜分布區(qū)包含四川、陜西、貴州、湖南、湖北、甘肅、云南、廣西、江西、安徽等10個(gè)省區(qū)的336個(gè)縣市,全國適宜種植附子地區(qū)面積總和為294057.69km2。分析結(jié)果比第3次全國中藥資源普查記載的省份增加了貴州、廣西和江西等省。附子的次適宜區(qū)面積和適宜區(qū)面積大致相等,適宜區(qū)中增加廣東、福建和西藏等省區(qū),根據(jù)以上分析數(shù)據(jù)得出了附子次適宜產(chǎn)區(qū)和適宜產(chǎn)區(qū)分布圖,這對于附子的種植區(qū)劃和引種栽培有很高的參考價(jià)值。但是,這里需要強(qiáng)調(diào)的是,附子產(chǎn)地適宜性數(shù)據(jù)只是基于生態(tài)環(huán)境相似性分析得出的,而附子的栽培方法在很大程度上影響附子的生產(chǎn)區(qū)選擇,因?yàn)楦阶臃N植區(qū)在平壩地區(qū),海拔較低,而附子苓種則多種于山地,海拔較高,而且土壤也與平壩地區(qū)有所差異。能夠同時(shí)滿足上述兩個(gè)條件的地區(qū)就會比本文分析的適宜區(qū)面積小很多,這說明影響道地藥材產(chǎn)地適宜性的因素有很多,還需要綜合考慮和逐步加以完善。4.3適宜區(qū)與附子道地產(chǎn)區(qū)的關(guān)系初步判斷是導(dǎo)從系統(tǒng)分析得出的附子適宜區(qū)的分布圖(圖1、圖2)上,可以看出附子的適宜區(qū)域基本上與《中國土壤圖》上標(biāo)示的黃壤(附子適宜生長土壤)的分布區(qū)域基本一致,尤其是在成都附近的區(qū)域,由于其地理位置與附子道地產(chǎn)區(qū)四川江油很近,所以氣候條件應(yīng)該相差不大,但該地區(qū)卻不在適宜