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Selectivity rank regionalization of Paeonia lactiflora based on fuzzy method

我国野生芍药Paeonia lactiflora适宜生长区的初步探讨


目的:对野生芍药进行适生性等级区划,为野生芍药的引种、质量定位和适生地选择提供依据,探索基于模糊数学的中药区划新方法。方法:采用模糊数学(fuzzy mathematics)的相似优先比方法,以多伦地区的年均温、年降雨量、年风速、年光照、年湿度等五大环境因子为最优模板,土壤因子作为辅助背景,分析了全国91个县、市的气象数据,并对适生地进行数值等级区划,然后以地理信息系统(GIS)进行野生芍药的适生性地图显示及大地理范围等级区划。结果:野生芍药主要集中在大兴安岭、长白山和秦岭三大地区。结论:野生芍药的分布具有较明显的经、纬度地带倾向性,且呈等级分布,温度、降雨、地形、海拔对野生芍药的生长与分布有着明显的影响;野生芍药可分为三大地理单元等级分布区,最适合地区包括化德、锡林浩特、索伦、张北等5个县;Fuzzy的方法能够较好的运用在野生芍药的区划上,在中药的区划上具有较好的前景。

For optimal adaptive cultivation region selection, we used ecology factors characterized Duolun region as model area to carry out the adaptive habitat division of Paeonia lactiflora. Similar priority comparison of ecology factors in 91 cities were calculated by Fuzzy methods,then,distance of the ecology factors were transferred to spacial model by geography information system (GIS) and modified by soil utilization map of China. The results showed that P. lactiflora were mainly distributed in the Daxing‘an Mountain, Changbaishan and qinling range which were divided into six grades of suitable regions belonging to three geographical distributed units. The most similar areas to Duolun were Huade, Xilinhaote, Suolun and Zhangbei. P. lactiflora‘s distribution and quality are relevant with longitude and latitude, and temperature and rainfall.


全 文 :·研究论文·
我国野生芍药 Paeonialactiflora适宜生长区的
初步探讨
吕金嵘1,2,郭兰萍1,黄璐琦1,梁留科2,孙宇章1,张小波1,2,韩小丽1,3,张洪军2
(1.中国中医科学院 中药研究所,北京 100700;
2.河南大学 环境与规划学院,河南 开封 475001;
3.河南大学 化学化工学院,河南 开封 475001)
[摘要] 目的:对野生芍药进行适生性等级区划,为野生芍药的引种、质量定位和适生地选择提供依据,探索基于模糊数
学的中药区划新方法。方法:采用模糊数学(fuzzymathematics)的相似优先比方法,以多伦地区的年均温、年降雨量、年风速、
年光照、年湿度等五大环境因子为最优模板,土壤因子作为辅助背景,分析了全国91个县、市的气象数据,并对适生地进行数
值等级区划,然后以地理信息系统(GIS)进行野生芍药的适生性地图显示及大地理范围等级区划。结果:野生芍药主要集中
在大兴安岭、长白山和秦岭三大地区。结论:野生芍药的分布具有较明显的经、纬度地带倾向性,且呈等级分布,温度、降雨、地
形、海拔对野生芍药的生长与分布有着明显的影响;野生芍药可分为三大地理单元等级分布区,最适合地区包括化德、锡林浩
特、索伦、张北等5个县;Fuzzy的方法能够较好的运用在野生芍药的区划上,在中药的区划上具有较好的前景。
[关键词] Fuzzy;GIS;RS;适生性等级区划;相似优先比;德尔菲法;野生芍药
[收稿日期] 20081020
[基金项目] 国家自然科学基金项目(30672616,30672617);国家
重点基础研究发展计划(973)项目(2006CB504700);国家科技支撑
计划项目(2006BAI09B02,2006BAI09B03)
[通信作者] 黄璐琦,研究员,博士生导师,主要从事生药学研究.
Tel:(010)640144112955,Email:huangluqi@263.net
  Fuzzy的相似优先比的方法是模糊性度量的一
种形式,常应用在多目标,多因素的多方案技术评价
与优选方案,能够有效的描述不精确的模糊因素,合
理的将定性的语言指标加以定量化,从而可按数学
的方法实现方案的最优排序。由于影响中药材产量
和质量的的生态因子很多,并耦合为一个复杂的系
统,且各生态因子间存在复杂关联,经典数学与统计
数学并不能很好的解决,而运用 Fuzzy能够更精确、
简洁的处理复杂的聚类问题[1],在中药的区划中具
有现实意义。肖小河、濮社班等曾分别尝试将Fuzzy
用于乌头、附子和黄连的生产布局的研究中[23],对
中药的区划做出了有益尝试,但由于当时计算机发
展水平局限,特别是由于地理信息系统 GIS技术在
中药研究中尚未得到应用,无法构建空间模型,造成
整个操作过程技术难度大,研究结果只能表现为文
字描述,无法以空间信息显示,更无法实现应用推
广。本研究首次将Fuzzy法与现代空间分析的核心
技术3S技术用于道地药材芍药的区划,在 Fuzzy计
算的基础上,以GIS为核心进行空间模型构建和区
划,以遥感(RS)获得的土地利用图进行模型修正,
探索中药道地药材区划的新方法。
芍药PaeonialactifloraPal.属毛茛科植物,其野
生品的根是中药赤芍主要药用来源,为《中国药典》
2005年版收载[4]。野生芍药主要分布于内蒙古东
部草原、黑龙江、吉林西部大兴安岭山脉两侧山缘地
带,以及阴山、燕山、太行山山地的灌丛、林缘草甸。
内蒙古多伦县的野生芍药,其干燥根糟皮粉渣,条肥
直,色正,可长达1m,称为“多伦赤芍”,是传统道地
药材,有上百年的采挖历史[5]。近代学者以化学药
理等手段证明了多伦芍药的优质性[67]。近些年的
掠夺性采挖,加之生境的破坏,使多伦赤芍资源面临
枯竭的危险[8],为了挽救濒危的野生芍药资源,保
证优质中药赤芍的持续、稳定供应,有必要进行野生
芍药的适生性等级区划。
鉴于野生芍药化学成分的质量指标体系尚未建
立起来,单纯的依据某种或某几种化学成分的高低
鉴定赤芍质量的好坏,已显偏颇。因此,本研究借助
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于Fuzzy的相似优先比的方法,以赤芍的道地产区
为模板,以典型的环境限制因子为指标,进行在野生
芍药的适生性等级区划。
1 材料
依据1995年版的《中国药材资源地图集》选取
了91个野生芍药可能分布的县、市,作为等级区划
的地区[9]。气候数据来源于中国气象局气象数据
库———基于全国气象站30年(1971—2000年)地面
气象数据资料。
土地利用图为2000年的1∶400万,分辨率为1
km。该资料来源于欧盟联合研究中心(JointRe
searchCentre,JRC),由中国科学院遥感应用研究所
编译。分类用的遥感数据为2000年的 SPOTVGT1
km数据,共分22类,由全国统计数据得到的总体验
证精度为618%。
选取了5个常用并对野生芍药生长具有较大作
用的气候因子:年均温、年降雨量、年风速、年光照、
年湿度作为气候优选的主要指标,同时选取土壤因
子作为调整指标。
2 方法
2.1 德尔菲法确定各项指标的权重 依据选定的
5个主要环境因子,用Excel进行数据汇总,用 SPSS
130进行德尔菲法的权重计算[1011]。操作规程如
下:①成立协调小组,负责建立环境因子指标调查
表;②确定专家资讯组成员,人员涵盖研究、医院、种
植等各个部门,共计25人;③建立专家咨询表及专
家分级量化表;④基于第1轮专家咨询的结果,进行
第2论专家咨询,对指标进行重新评价和筛选;⑤进
行多轮的征询和反馈,确定最后的 5个指标权重。
专家评分统计分析结果:①专家的权威程度均在
05以上;②3次调查,专家积极系数均为100%;③
专家协调系数第 1次为 6714%,第 2次为
8307%,第3次为8954%;④最后生成野生芍药
统计分析表(表1)。
表1 5个因子权重的统计分析结果
因子 平均分
满分率
/%
标准差
/%
协方差
系数
总分
年均温     76183 060 0623 0067 120
年均降雨量   51107 025 1872 0324 225
年平均风速   38349 000 2008 0472 364
年平均太阳辐射 39156 000 1964 0348 335
年平均湿度   50831 015 1057 0156 245
  对表1中的平均分进行归一化处理,得到5个
环境因子指标的权重系数比A,A={03,02,015,
015,02},经过本课题组对野生芍药主产区实地调
研,证实了权重确定的准确性。
2.2 Fuzzy法计算相似优先比 模糊相似优先比法
是模糊性度量的一种形式,它以成对的样本与一个
固定的样本作比较,确定哪一个与固定样本更相似,
从而选择与固定样本相似程度较大者[1,12]。具体算
法如下:
设A为论域 U中的有 K个对象组成的集合,
A={a1,a2,…,ak}。令ai,aj(i,j=1,2,…,K),并与对
象a0进行比较,则模糊相似优先关系R为如下映射:
R=(rij)K×K,rij∈[0,1],(i,j=1,2,…,K);
R:A×A→[0,1]
且rij满足以下条件:(1)ri=0(i=1,2,…,K);
(2)rij+rji=1(i≠j,i,j=1,2,…,K)
条件(1)表明ai与自己相比较,无所谓优先,故
ri=0。条件(2)表明如果 ai比 aj的优先程度为 rij,
那么aj比ai的优先程度就为 rji=1-rij。若 rij=1,
表明ai与aj相比,同 a0相似的多。若 rij=05,表明
ai与aj的形似程度相等。因此,称 rij为 ai比 aj同 a0
的模糊相似优先比,称R为模糊相似优先关系。
将年均温、年降雨量、年风速、年光照、年湿度等
5个气候生态因子分别用C1,C2,C3,C4,C5表示,而
土壤因子作为调试因子使用。选取新林、黑河等93
个站,并依次用 B1,B2,B3…,B93,B94表示。以多伦
为固定样本,分别比较新林等93个站与固定样本的
5个气候生态因子中每个生态因子的相似性。相似
性的选择以相似程度大小为基础,以Harming距离来
表示2个样本的差异。并根据德尔菲法对影响野生
芍药的5个气候因子赋予不同的权值(03∶02∶
015∶015∶02),然后利用相似优先比的公式,建立
模糊相关矩阵R1i,R2i,R3i,R4i,R5i(i=1,2,…,91),他
们分别对应于 C1,C2,C3,C4,C5等5个气候生态因
子。建立了R1i,R2i,R3i,R4i,R5i(i=1,2,…,91)后,就
每个矩阵的顺序由大到小的选择λ值,λ∈[0,1],以首
先达到除对角线外全行为1的λ截矩阵所对应的站号
和多伦标准样本最相似,并记以序号“1”,然后删除该
站的影响,亦即删去该行及所对应的列,再降低λ值,
依次求取相似站号,并分别记以序号“2”,“3”,“4”等。
序号表示各站对应的各因素与多伦样本对应因素的相
似距离,序号之和越小,则该站与多伦样本越相似,据
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此划出野生芍药的适生区。基于5个环境因子相似比
的计算,确定最终的相似距离,以及等级的划分。
2.3 区划模型建立及修正 本研究用DPS数据处理
系统进行模糊数学的相似优先比分析和计算。利用
ArcGIS90构建所计算的相似优先比的空间模型。
根据文献的记载,野生芍药多集中生长在海拔
500~1500m的地区,适应的年均温度在 -4~13
℃,适应的年降雨量为300~900mm[1316]。利用这
3个对野生芍药有显著性影响的限制性环境因子来
界定野生芍药的适生界限,并利用 ArcGIS90进行
空间插值,生成了野生芍药的适生性范围。
根据野生芍药自然分布主要土壤类型为:栗钙
土、黑土、草甸土、棕壤等(图1)叠加土地利用图进
行适宜性区划[17]。
图1 野生芍药自然分布区的主要土壤类型
[审图号GS(2009)104]
3 结果与分析
3.1 相似距离的确立 通过计算确定每个地区每
个环境因子与多伦模糊相似优先比距离(海明距
离),累计计算5个环境因子的距离相之和,得出91
个地区与多伦环境因子相似距离表(表2)。
表2 多伦和其他地区生态因子的相似距离
地区 C1 C2 C3 C4 C5 相似距离
新林   49 37 15 69 8 363
图里河  59 19 16 51 12 3395
大兴安岭 33 40 15 57 8 303
黑河   21 38 5 33 7 21
海拉尔  35 9 5 30 8 1915
嫩江   21 27 1 26 6 1695
博克图  28 26 9 29 4 201
扎兰屯  9 29 10 23 5 1445
北安   18 30 11 40 10 2105
克山   8 32 7 31 5 155
3.2 等级的划分 根据总的相似距离将所有地区
从低到高进行排序。91个地区相似程度为795~
5585,本研究以10为数量级进行等级划分总共分
成6个等级(表3),分别用希腊数字Ⅰ~Ⅵ表示,数
值越小等级越高,与多伦越相似。
表3 多伦和其他地区的相似等级
相似等级 No. 地区 相似距离
Ⅰ 26 内蒙古化德   795
  42 内蒙古锡林浩特 810
Ⅱ 22 吉林白城    1150
  17 黑龙江泰来   1150
Ⅲ 7 内蒙古博克图  2010
  14 内蒙古富锦   2075
Ⅳ 3 内蒙古大兴安岭 3030
  30 山西兴县    3055
Ⅴ 75 北京密云    4015
  36 山西阳城    4110
Ⅵ 89 陕西镇安    5115
  88 陕西佛坪    5240
3.3 分区 根据表3,将91个县、市平均划分为6
大野生芍药等级分布区(图2,3),并结合土壤类型
图进行分析。
图2 野生芍药适生性等级分布和经度倾向性
  Ⅰ最适宜区:包括内蒙古、河北等地4个市县。
该区与多伦的相似程度最高,主要位于多伦附近内
蒙古的3个地区及靠近多伦的张北。该区属温带大
陆性季风气候,海拔较高,降雨量多在400mm,年日
照时数多在3000h左右,太阳辐射较强,土壤多为
黑钙土、棕壤土、栗钙土和高山灰色森林土。
Ⅱ适宜区:包括内蒙古、吉林、黑龙江、河北等
19个市县。该区主要分布于大兴安岭北坡的内蒙
古地带,黑龙江的大小兴安岭坡麓地带,吉林长白山
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图3 野生芍药三大地理范围等级分布
西北麓地带以及坝下、坝上交界的河北围场。该区
面积比较大,分布广,多属温带大陆性季风气候和寒
温带湿润季风气候区,年均温较低,降雨量相对丰
沛,土壤多为腐殖质土、黑土、棕壤土、暗棕壤土、黑
钙土和高山灰色森林土,是我国野生芍药的主要分
布区。
Ⅲ较适宜区:包括内蒙古等 7个省的 31个市
县。该区基本处于小兴安岭和长白山交界、长白山
西北麓内蒙古高原坝下与坝上交界、贺兰山系、祁连
山东坡地区。在区划范围中,该区面积最大,分布最
广,多为寒温带季风性湿润气候区或温带季风性干
旱气候,雨量整体较多,土壤多为漂灰土、白浆土、黑
土、棕壤土、暗棕壤土、栗壤土或黑钙土,且基本处于
Ⅱ区的外围带,是我国最大的野生芍药自然分布区。
Ⅳ一般适宜区:包括吉林等 6个省的 22个市
县。该区主要位于吉林长白山坡麓地带及内蒙古、
黑龙江、河北、陕西、甘肃的零星地区。该区经纬度
跨度很大,多位于农耕区和高山坡麓带或者洪积扇
缘的交错地带,气候条件比较复杂,土壤类型多样,
海拔走极端,环境条件不非常适合野生芍药的生长,
但是因为人类活动较少,受到的干预较小,野生芍药
反而有一定的存量。
Ⅴ不太适宜区:包括辽宁等 6个省的 10个市
县。该区大多位于大兴安岭和长白山之间交界的平
原地带,为农耕区,野生芍药的生长环境遭到了破
坏,分布已经很稀少。北京、山西、陕西、甘肃也有零
星分布。该区为温带季风大陆性气候,年温差较大,
土壤类型多样,但因处在人类剧烈的活动或高海拔
贫瘠的地区,野生芍药的分布已经很少。
Ⅵ相对不适宜区:包括陕西的9个地区。该区
主要位于汉中盆地,降雨较多,气候湿润,野生芍药
分布于一定海拔高度的带状区。该区为暖温带季风
性湿润气候,年降雨量多在800~1000mm,年均温
多在14℃左右,土壤多为黄棕壤和黄潮土,显酸性。
该区在汉唐时期却是我国野生芍药的重要分布区之
一[8]。
3.4 五大地理单元等级分区 依据图3,91个地区
中70%的点集中在大兴安岭、长白山和小兴安岭、
秦岭南坡等三大地理单元区,呈现出一定的等级集
中分布,并根据相似优先比距离多伦的远近,对相近
的地区进行了合并处理:大兴安岭地区与多伦最为
接近,野生芍药质量与多伦亦最接近,包括6个分区
中的Ⅰ和Ⅱ大部分区域,共同合并为Ⅰ;长白山和小
兴安岭较接近,野生芍药质量与多伦亦较接近,包含
了6个分区中Ⅲ和Ⅳ的大部分地区,共同合并为Ⅱ;
秦岭南坡与多伦距离相对较远,野生芍药质量与多
伦亦较远,包括Ⅴ和Ⅵ的大多数地区,共同合并为
Ⅲ;除此外的黄色部分为野生芍药的可生长区,但这
些地区多为平原丘陵等利于耕作的地区,受到人为
的影响比较大,野生芍药已经很少,共同合并为Ⅳ;
黄色部分外的中国其他地区为野生芍药的不适宜生
长区,合并为Ⅴ。基于此,在上述6个分区的基础
上,将野生芍药的生长区划分为5大等级分布的地
理单元(图4)。
图4 修正后的野生芍药适生性等级分布图
[审图号GS(2009)104]
4 讨论
野生芍药属多年生广生态幅植物,对环境因子
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的极端变化具有很强的耐受性,从气象因子与地表
植被生长的相关性[18]、文献的记载[17]、地带性分布
规律[8]及作者的调查采样,均提示年平均温度、
水分等环境因子在长时间尺度均值对野生芍药的影
响明显。本研究发现,野生芍药适生性呈地带性分
布规律,提示地理环境,特别是降水和温度对野生
芍药的生长有明显的影响。同时发现,野生芍药主
要分布于具有一定海拔高度的东北、华北的北部、
秦岭、祁连山及阴山的丘陵、山地、高原区域,提
示了海拔高度、地形、坡度、坡向等地理因子对野
生芍药的分布具有一定的影响。区划结果可以大体
反映野生芍药在6个等级区域内或3个大地理单元
内引种的适宜性程度,基本符合野生芍药自然分布
状况。表明模糊数学方法结合GIS技术能够很好的
应用在中药材,尤其是质量指标体系尚未建立起来
的中药材上,且操作简单,结果比较准确,具有较
好的发展前景。
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LVJinrong1,2,GUOLanping1,HUANGLuqi1,LIANGliuke2,SUNYuzhang1,ZHANGXiaobo1,2,
HANXiaoli1,3,ZHANGHongjun2
(1.InstituteofChineseMateriaMedica,ChinaAcademyofChineseMedicinalSciences,Beijing100700,China;
2.TheColegeofEnviromentandPlanningHenanUniversity,Kaifeng475001,China;
3.ColegeofChemistryandChemicalEngineering,HenanUniversity,Kaifeng475001,China)
[Abstract] Foroptimaladaptivecultivationregionselection,weusedecologyfactorscharacterizedDuolunregionasmodelarea
tocaryouttheadaptivehabitatdivisionofPaeonialactiflora.Similarprioritycomparisonofecologyfactorsin91citieswerecalculated
byFuzzymethods,then,distanceoftheecologyfactorsweretransferedtospacialmodelbygeographyinformationsystem(GIS)and
modifiedbysoilutilizationmapofChina.TheresultsshowedthatP.lactifloraweremainlydistributedintheDaxing'anMountain,
Changbaishanandqinlingrangewhichweredividedintosixgradesofsuitableregionsbelongingtothreegeographicaldistributedunits.
ThemostsimilarareastoDuolunwereHuade,Xilinhaote,SuolunandZhangbei.P.lactiflora'sdistributionandqualityarerelevant
withlongitudeandlatitude,andtemperatureandrainfal.
[Keywords] Paeonialactiflora;division;Fuzzy;GIS;Delphimethod [责任编辑 吕冬梅]
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