CN106780083A - 一种基于gis的药用植物三叶木通生态特征指标的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GIS的药用植物三叶木通生态特征指标的建立方法，该方法基于野外调查数据、国内外现有文献、书籍和药用植物标本数据库资源等所有可查资料，建立最为全面的三叶木通空间数据库，在现有资料的基础上分析、整合三叶木通物候期和生育期，以三叶木通不同生育期为研究时间时段，结合GIS空间分析和多种数理统计分析等方法深入分析三叶木通的地理分布与气候、土壤和地形等生态环境特征，确定三叶木通生态因子指标体系和影响三叶木通生长的显著气候因子。而可以实现植物的生境适宜空间制图，有利于野生植物的有效地保护和管理、野生植物适宜生境划分、人工培育技术发展以及野生植物潜在价值利用等多个方面的深入探讨。

Description

一种基于GIS的药用植物三叶木通生态特征指标的建立方法

技术领域

本发明涉及植物生态环境指标领域，具体涉及一种基于GIS的药用植物三叶木通生态特征指标的建立方法。

背景技术

三叶木通(Akebia trifoliate)是多年生野生藤本药用植物，是国家规定的正品合法药用木通，已被认定为国家重点保护和开发的五大类珍稀中药材之一。

目前，野生药用三叶木通资源难以满足市场需求，导致被大量滥挖滥采，野生资源遭到很大程度的破坏，许多优良性状基因流失，对其可持续利用和开发利用潜在的生存空间已势在必行。药材植物的生长发育或形成积累与周围的自然环境有着极为密切的关系，生态环境中气候、土壤以及地形等要素是影响药用植物化学成分的主要因素。因此，三叶木通生态环境适生指标的确定，对于三叶木通野生药用资源潜在生存空间的开发利用和人工栽培选址与科学引种具有重要的理论价值和现实指导意义。

三叶木通主要分布于中国中部以南区域，影响三叶木通地理分布的主要气候因素是光温水，以往研究主要基于某局部小范围分布点的定性描述，气候要素特征的描述中，主要用主观认定的如年平均气温、降水量等少数的几个气候因子来定性或定量描述，而气候因子涉及到的方面远不止这这些，且不同因子具有不同的生物学意义，再一缺陷是很少考虑三叶木通不同生理周期的气候需求；三叶木通适生环境的土壤理化性质特征以及地形的海拔高度、坡向等特征研究中，主要局限在小范围的采样点，结论也表现为定性分析，缺乏系统、全局性、科学的定量结论。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于GIS的药用植物三叶木通生态特征指标的建立方法，通过分析三叶木通适生环境的生态指标体系，确定影响其生长的关键生态变量。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于GIS的药用植物三叶木通生态特征指标的建立方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)数据采集：信息采样，利用GIS技术进行数据源整合，获得三叶木通地理分布空间数据及制图；建立三叶木通空间数据库；

2)整合三叶木通空间数据库、现有三叶木通生态环境数据和物候数据，分析获得三叶木通生育期数据；确定影响药材植物三叶木通在不同物候期内需要的生态环境因子；

3)以三叶木通生育期数据和采样点的环境信息作为分析基础，获得三叶木通分布点在不同生育期各生态因子的统计数据；

4)通过统计和计算，获得影响生态分布指标的最佳参数，生态分布指标包括气候特征指标、土壤理性化指标和地形指标。

进一步的，所述影响生态分布的指标包括气候指标、土壤理性化指标和地形指标。

进一步的，步骤1)中，所述信息采样包括通过野外调研考察获得三叶木通野外生存环境的地理信息；通过文献信息收集获得现有文献资料记载的三叶木通的已记载分布范围，通过数字植物标本平台获取三叶木通地理分布。

进一步的，步骤3)中，包括选取生物学意义的若干气候因子；根据三叶木通地理分布制图和物候数据，在步骤4)中对气候因子进行统计和计算，具体为数理统计确定气候因子的统计量，计算获得参数；

所述统计量包括最小值、最大值、标准差，平均值、分位数、变异系数；通过核密度方法、分位数法叠加平均值、中位数做出气候指标的统计图，计算获得包括气候因子的最小值、最大值；

根据半峰宽法、十分位数法相结合确定所述气候指标的最适范围参数：十分位取80％的统计量和半锋宽方法分别确定气候指标的最适范围；

根据因子分析法，由主成分分析法的特征根、方差贡献率和变异系数等大小，从若干气候指标中确定3个主因子，同时每个主因子的显著气象变量及其权重；所述主因子包括热量因子、湿润因子和光照因子；通过方差最大法对所有因子载荷矩阵进行正交旋转，得到不同因子的载荷系数。

有益效果：本发明提供的一种基于GIS的药用植物三叶木通生态特征指标的建立方法，该方法基于野外调查数据、国内外现有文献、书籍和药用植物标本数据库资源等所有可查资料，建立最为全面的三叶木通空间数据库，在现有资料的基础上分析、整合三叶木通物候期和生育期，以三叶木通不同生育期为研究时间时段，结合GIS空间分析和多种数理统计分析等方法深入分析三叶木通的地理分布与气候、土壤和地形等生态环境特征，确定三叶木通生态因子指标体系和影响三叶木通生长的显著气候因子。这套基于全面的研究资料(第一手资料和第二手资料)、系统科学分析方法获取的三叶木通生态定量化指标和研究结论，填补完善了三叶木通生境生态指标定量化体系，研究结果可为进一步挖掘三叶木通潜在的生存空间提供了很重要的科学依据，也为三叶木通野生资源的保护、科学引种及栽培选址提供了重要的理论价值和现实指导意义。这套生态指标体系确定的研究方法具有普适性，因为野生药用植物多分布于山区，不易或者无法实现随时随地科学记录，难以科学地测定划分其适宜生长的各个生态环境因子的环境指标适宜范围，因此，该系统方法也为研究其他野生植物的生态环境指标的确定提供了研究思路，进而可以实现植物的生境适宜空间制图，有利于野生植物的有效地保护和管理、野生植物适宜生境划分、人工培育技术发展以及野生植物潜在价值利用等多个方面的深入探讨。

附图说明

图1为三叶木通生态指标确定的发明技术流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于GIS的药用植物三叶木通生态特征指标的建立方法，该方法包括以下步骤：

1)数据采集：信息采样，利用GIS技术进行数据源整合，获得三叶木通地理分布制图；建立三叶木通空间数据库；

具体的，所述信息采样包括通过野外调研考察获得三叶木通野外生存环境的地理信息；通过文献信息收集获得现有文献资料记载的三叶木通的已记载分布范围，通过数字植物标本平台获取三叶木通地理分布。这里的数字植物平台包括中国数字植物标本馆等官方平台，文献信息的收集包括查阅著作及文献资料，收集中国范围内所有含有三叶木通分布点的调查数据，包括详细经纬度位置、海拔、坡度、坡向等信息，建立最为全面的三叶木通空间数据库，利用GIS技术进行三叶木通地里分布制图；

2)拟合三叶木通空间数据库、现有的三叶木通生态环境数据和物候数据，获得三叶木通生育期分析数据；确定影响药材植物三叶木通在不同物候期内需要的生态环境因子；影响生态分布的指标包括气候指标、土壤理性化指标和地形指标。

3)以三叶木通生育期分析数据和采样点的环境信息作为分析基础，获得三叶木通分布点各生态因子的统计数据；选取生物学意义的若干气候因子；根据三叶木通地理分布制图和物候数据，包括气候特征、

以气候特征指标为例：以生育期为时间段，研究三叶木通气候特征：选取有生物学意义的25个气候因子，根据野生三叶木通地理分布点和气象常规站和加密站1970-2015年的观测日数据，整理并计算25个气候因子数据。其中25个气候因子包括年平均气温、最冷月平均气温、最热月平均气温、极端最低气温、极端最高气温、稳定通过≥10℃活动积温、稳定通过≥10℃有效积温、年降水量、年日照时数、年相对湿度、生长季降水量、生长季日照时数、生长季相对湿度、开花期平均气温、开花期降水量、开花期日照时数、开花期相对湿度、坐果期平均气温、坐果期降水量、坐果期日照时数和坐果期相对湿度等21个单一气候指标，以及温暖指数、生物学温度、可能蒸散率、湿润指数等4个综合指标。

4)通过统计和计算，获得影响生态分布指标的最佳参数：对气候因子进行统计和计算，具体为数理统计确定气候因子的统计量，计算获得参数；所述统计量包括最小值、最大值、标准差，平均值、分位数、变异系数；通过核密度方法、分位数法叠加平均值、中位数做出气候指标的统计图，计算获得包括气候因子的最小值、最大值等参数；

根据半峰宽法、十分位数法相结合确定三叶木通生长气候指标的最适范围参数：十分位取80％的统计量和半锋宽方法分别确定气候指标的最适范围，为了保证最适范围精度，将最适范围下限取二者的最大值，最适范围上限取二者的最小值。由此计算25个气候指标的最佳范围参数。

根据因子分析法，由主成分分析法的特征根、方差贡献率和变异系数等大小，从若干气候指标中确定3个主因子，同时确定每个主因子中高载荷变量的气候因子；所述主因子包括热量因子、湿润因子和光照因子；通过方差最大法对所有因子载荷矩阵进行正交旋转，得到不同因子的载荷系数；

这3个主因子的特征根和方差贡献率分别为6.0538和37.84％，4.7487和29.68％，3.3822和21.14％，所有特征根都大于1，说明前3个主因子在影响三叶木通分布的气候变量中起着支配作用。3个主因子的贡献率累计达到了88.66％，信息损失仅有11.34％左右，可信度较高。第一主因子中因子载荷量较大的变量依次为≥10℃活动积温、温暖指数、生物学温度和年平均气温，这些都是反映三叶木通分布热量条件的变量，可称为“热量因子”。第二主因子中因子载荷量较大的变量分别是蒸散率、湿润指数、年降雨量、生长季降雨量和相对湿度，可称为“湿润因子”；第三主因子中因子载荷量较大的变量分别是年日照时数、生长季日照时数和极端最低气温。日照时数与极端低温之间呈显著相关，日照时数越短，极端最低气温越低。因日照时数是起决定性作用，可将之称为“光照因子”。本文采用方差最大法(Varimax法)对因子载荷矩阵进行正交旋转，得到不同因子的载荷系数。

对于土壤理性化指标和地形指标，根据数理统计、十分位数法和核密度方法，确定野生三叶木通地理分布点土壤理化性质3个指标(土壤类型、土层厚度、土壤PH值)和地形3个指标(海拔高度、坡度和坡向)的最值范围和最佳范围参数，对全国三叶木通适生环境中的土壤、地形要素的需求进行定量评价，以回答道地药材品质好的土壤、地形要素需求。

本发明从宏观全局出发，精细至其生育期，利用GIS技术，针对三叶木通产区的气候、土壤和地形要素阐述三叶木通生态环境需求，在研究植物不同生育期的基础上，以关键生育期(如开花期和结果期)为时间段，建立三叶木通生态指标体系及确定关键的气候变量，此研究为挖掘药材三叶木通的潜在分布空间提供理论依据，进而为引种种植与精细化栽培提供参考。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于GIS的药用植物三叶木通生态特征指标的建立方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)数据采集：信息采样，利用GIS技术进行数据源整合，获得三叶木通地理分布空间数据及制图；建立三叶木通空间数据库；

2)整合三叶木通空间数据库、现有三叶木通生态环境数据和物候数据，分析获得三叶木通生育期数据；确定影响药材植物三叶木通在不同物候期内需要的生态环境因子；

3)以三叶木通生育期数据和采样点的环境信息作为分析基础，获得三叶木通分布点在不同生育期各生态因子的统计数据；

4)通过统计和计算，获得影响生态分布指标的最佳参数，生态分布指标包括气候特征指标、土壤理性化指标和地形指标。

2.如权利要求1所述的一种基于GIS的药用植物三叶木通生态特征指标的建立方法，其特征在于，所述影响生态分布的指标包括气候指标、土壤理性化指标和地形指标。

3.如权利要求2所述的一种基于GIS的药用植物三叶木通生态特征指标的建立方法，其特征在于，步骤1)中，所述信息采样包括通过野外调研考察获得三叶木通野外生存环境的地理信息；通过文献信息收集获得现有文献资料记载的三叶木通的已记载分布范围，通过数字植物标本平台获取三叶木通地理分布。

4.如权利要求2所述的一种基于GIS的药用植物三叶木通生态特征指标的建立方法，其特征在于，步骤3)中，包括选取生物学意义的若干气候因子；根据三叶木通地理分布制图和物候数据，在步骤4)中对气候因子进行统计和计算，具体为数理统计确定气候因子的统计量，计算获得参数；

所述统计量包括最小值、最大值、标准差，平均值、分位数、变异系数；通过核密度方法、分位数法叠加平均值、中位数做出气候指标的统计图，计算获得包括气候因子的最小值、最大值；

根据半峰宽法、十分位数法相结合确定所述气候指标的最适范围参数：十分位取80％的统计量和半锋宽方法分别确定气候指标的最适范围；

根据因子分析法，由主成分分析法的特征根、方差贡献率和变异系数等大小，从若干气候指标中确定3个主因子，同时每个主因子的显著气象变量及其权重；所述主因子包括热量因子、湿润因子和光照因子；通过方差最大法对所有因子载荷矩阵进行正交旋转，得到不同因子的载荷系数。