人参产地适宜性研究

“中药材产地适宜性分析地理信息系统”的开发及人参的产地适宜性研究陈士林1魏建和1孙成忠2赵润怀3刘召芹2王继永3王瑀1周应群1，3（1.中国医学科学院药用植物研究所，北京，100094；2.中国测绘科学研究院，北京，100039；3.中国药材集团公司科技研发中心，北京，100094）摘要：依托地理信息系统（GIS）平台，以气温、相对湿度、降水量、日照时数、极端最低温度、极端最高温度的1km2的栅格气候数据库以及1∶400万的土壤数据库，并以1∶100万的基础地理信息数据为基础，利用聚类分析和空间分析技术，建立了《中药材产地适宜性分析地理信息系统》(TCMGIS)。以吉林抚松为道地基点县，分析了人参的全国适宜产地。结果表明人参的适宜产地包括了我国目前人参的主要栽培产区，同时在内蒙和黑龙江交接的大兴安岭地区、北京河北的燕山山脉区、陕西的秦岭山区、山西的太行山区也有与吉林抚松气候土壤相似的、满足人参基本生态条件要求的适宜人参种植的地区。结果对于认识人参的道地产区形成、生态气候特点要求及适宜区的划分具有重要参考价值。关键词：TCMGIS，产地适宜性，人参中药材野生集中分布的区域一般是该药材生长的适宜区。但野生分布区往往生态气候恶劣，或受土地、人力、技术、资金等的限制，随着资源的消耗和破坏，很多药材要野生变家种，进行引种扩种。然而盲目引种、扩种会严重削弱药材的道地性，导致药材品质大幅下降，为此必须进行产地适宜性研究[1]。早期研究中，项目组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[2][4]；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[5][17]。为了更好地利用定量和信息技术分析中药材的适宜产地，项目组在国家主管部门的支持下，以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）[3][6-7][13-16]。人参（PanaxginsengC.A.Meyer）为我国重要名贵中药材。由于人参市场价格较高，很多地方均想引种。如何利用定量和信息技术确定其适宜产地，一直是人参栽培和GAP发展的主要瓶颈之一[1]。我们应用《中药材产地适宜性分析地理信息系统》（TCMGIS）分析了人参在全国的适宜产地，取得了较好的结果。为合理布局发展人参生产、确定人参区划、避免盲目引种，从而保证人参品质提供有效指导。1、《中药材产地适宜性分析地理信息系统》的研究开发1.1开发平台操作系统为WindowsXP；开发语言为MicrosoftVisualStudio.NET2003C＃，C＃为面向对象的快速开发语言，具有比VB更好的面向对象特性，较VC更好的易用性和可理解性；数据库平台采用SQLServer2000；GIS组件为ArcEngine9.0，该组件为ESRI公司提供的用于开发定制桌面应用程序的开发组件，提供了大量的GIS应用接口，利用ArcEngine可以方便构建专业的GIS应用程序。1.2共用数据库1.2.1数据库种类及数据特点①气象数据库：基于全国气象站点30年（1971年-2000年）地面气象数据计算所得的按栅格数据（每km2）及衍生数据,包括7个气象因子：平均温度、相对湿度、降水量、日照时数、极端最低温度、极端最高温度。②土壤数据库：1∶400万第3次全国土壤普查至亚类的土壤数据库。③空间数据库：全国1∶100万地图的矢量数据库，包括经纬度、地形地貌、河流、行政区划界及相应行政区划名称等。1.2.2数据库访问模型所有的矢量数据、栅格数据和属性数据一体化地存放于SQLServer2000数据库中，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。数据访问模型如图1。图1TCMGIS数据访问模型道地药材分析系统应用程序ArcEngine组件数据库ArcSDEADO.NETTSQLServer2000数据库ArcSDE是ESRI公司提供的用于访问存储于关系数据库管理系统(RDBMS)中的海量多用户地理数据库的服务器软件产品。它是ArcGIS中所集成的一部分，基本任务是作为存储在RDBMS中的空间数据的GIS网关。ArcSDE提供了一组服务，用于增强数据管理功能、扩展数据类型。1.3计算分析方法1.3.1分析原理生物引种的基本原则为气候相似，即引种地与原产地（道地产地）气候的相似。根据气候相似性引种能够保证引种中药材的正常生长。但中药材在正常生长获得产量的基础上，还要求引种地生产的药材与道地产区的药材具有相同或相似品质。而环境因子中土壤条件与中药材品质形成有密切关系。根据气候相似和土壤相似原理，以中药材自然分布或长期生产过程中形成的道地产区（县）为基点，采用计算机系统，以GIS为平台，分析全国各个地区与道地产区气候和土壤因子的相似性，根据相似的程度划分等级，就可以确定药材的适宜产地，为该药材的引种和扩种提供理论依据，克服经验型引种的盲目性。1.3.2基于单元网格的相似性聚类分析在两个产地相似程度的比较中，TCMGIS采用基于网格的聚类方法[8]。即利用多维网格数据结构，将空间划分为有限数目的、可以进行聚类分析的正方形网格（1km2）。在网格结构中，每一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。基于单元网格的数据聚类分析具有较好的优点：描述网格单元的数据统计信息存储在相应的单元中，与查询要求无关；有助于实现并行计算和增量更新；聚类速度快。但基于网格的聚类分析质量依赖于网格结构的细度，细度的高低与聚类分析的速度成反比，因此如果细度很大，分析质量会很好，但分析速度会相应降低。1.3.3药材分析流程①建立分析药材的地理生态属性数据库分析药材的属性数据是距离分析的目标值，因此适宜产地分析结果的准确性取决于分析药材属性数据的详尽性和准确性。属性数据库主要包括了如下内容：分析药材名称、药材名称、基源植物、道地产地、经纬度、海拔、生长温度范围、最适生长温度范围、冬季安全越冬温度、夏季高温限、日照时数、光照范围、土类、降雨量范围等。其中分析道地产地基点确定最为关键，必须根据本草记载的沿革、产地间药材品质比较结果、药材生产分布实际情况等综合确定，具体至县或乡一级。②数据的标准化处理聚类分析前对空间数据、气候土壤数据进行标准化处理[9]。系统提供了传统习惯所用的各种方法，如：总和标准化、标准差标准化、极大值标准化、极差标准化及绝对偏差均值标准化等方法。其中绝对偏差均值标准化方法如下：![endif]其中：标准化值为：③距离（相似度）计算标准化后的数据可以进行距离计算。TCMGIS按照统计学的原理也提供了多种可供选择的方法，如：绝对值距离、欧氏距离、明科夫斯基（Minkowski）距离法。上述3种距离可以统一为明科夫斯基距离公式：上式中当q=1时为绝对值距离，当q=2时为欧氏距离。④数据重分类分别计算气温、降水量、土壤、海拔等气候及土壤因子对目标值的距离，根据距离分别将各个指标进行重分类。将气温界定为二值属性，分为2类，即满足要求的值为10，不满足要求的值为1，其他3种指标分为10类，并根据距离的远近设置权值，距离越小权值越大。⑤权重确定应用TCMGIS进行产地距离聚类时，可以分别得出基于气候、土壤因子等单因子的各个格栅与目标格栅的相似系数（Si，Similarityindex）。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，TCMGIS允许分析人员根据不同药材生长发育对气候、土壤因子要求的特殊性，给以气候、土壤等因子以不同权重。根据计算出的相似系数大小就可以确定不同级别的适宜产地。根据相似系数的大小将以适宜区划分为适宜区（SI≥90%），次适宜区（90%SI≥80%），一般区（80%SI≥70%）。⑥栅格计算将进行过重分类的各个因子图层进行叠加分析，得出综合性相似系数（SI，栅格新值），计算公式如下：SI＝TSi×W1＋PSi×W2＋SSi×W3＋ASi×W4其中：TSi—气温相似系数PSi—降水量相似系数SSi—土壤类型相似系数ASi—海拔相似系数W—权重2.人参生态属性及分析方法我国人参主要分布于东北地区东部的山林地带，即长白山脉和小兴安岭东南部。栽培人参主要分于东北地区的东南部至东北部，栽培带南起辽宁岫岩、凤城，北至黑龙江伊春一带，主产吉林抚松、集安、靖宇、长白县[10]。其生长环境要求的气候因子数据如下：气温：最低温度不能低于-40℃，最高温度不能高于36℃；降雨量：500－1000mm海拔：500－1000m；土壤：暗棕壤。栅格聚类分析方法采用加权绝对值距离法，其公式为，气温、海拔、降雨量、土壤类型四个因子的权重分设为0.25。3.人参适宜产地分析结果3.1根据上述目标值及分析方法，采用TCMGIS分析后得出了人参的最适宜产地（表1，图1、图2，图中灰色区域为最适宜产区）共251个县市，其中适宜区面积较大的29个县市列于表1。表1以抚松县为基点采用TCMGIS分析得的人参最适宜产地适宜县所在省县市代码县面积适宜区面积km2适宜区面积比例%敦化市吉林22240313125.27300.355.6汪清县2224249994.77203.472.1蛟河市2202817127.55178.872.7桦甸市2202827172.35112.071.3浑江市2206016195.74533.473.2安图县2224268248.04302.952.2和龙县2224235495.74248.677.3柳河县2205243644.82559.670.2集安市2205823522.42552.672.5龙井市2224053527.82499.670.9通化县2205213151.02482.178.8抚松县2206216737.12362.735.1靖宇县2206223348.52232.366.7长白朝鲜族自治县2206232692.31178.543.8嫩江县黑龙江23262218713.17295.639.0海林县23102210017.96343.763.3林口县2310258284.76243.275.4尚志市23210210173.76026.059.2穆棱县2310237161.95859.981.8宁安县2310218018.55772.972.0铁力市2307817622.64898.364.3鹤岗市2304015437.84384.380.6宝清县23082711677.24374.837.5德都县23262310044.94053.840.4嘉荫县2307228024.04017.150.1宽甸满族自治县辽宁2106246546.03965.760.6新宾满族自治县2104224779.03828.180.1本溪满族自治县2105213593.42631.573.2扎鲁特旗内蒙古15232718856.73982.821.1……………其余221个县市略图1人参在全国的适宜产地分析结果图2人参最适宜区在全国的位置3.2适宜产地与道地产区的相似系数上述适宜县与人参道地产区抚松的气候、土壤等因子的综合相似系数SI分布如图3、4所示。图3人参适宜县相似系数分布图图4不同相似系数的人参适宜县在全国位置图3.3系统分析结果与普查数据的对比分析应用TCMGIS对人参适宜产地分析的结果，与人参全国中药资源普查结果进行对比，结果见图5。资源普查的结果基本均包括在通过气候、土壤相似性分析所得出的结果中，另外适宜性分析还得出了一部分与抚松生态气候条件相似的可以发展人参生产的新的可能区域。结果对指导人参生产的合理布局具有重要意义。图5人参适宜产地TCMGIS分析结果与资源普查结果对比图4.小结与讨论4.1中药材产地适宜性分析的计算机化确定一个新的地区是否适宜于某种药材生产的发展，最可靠和有效的方法就是通过较长时期的实地引种试验研究，但因需要花费大量人力、物力及多年长达几个生长周期的观察而在实践中难以大规模开展。为了有选