基于GIS规划模型的药材种植效益问题研究

来源:用户上传      作者:冯德鸿　党学凤

　　摘要 为综合规划全县中药材种植的土地资源，尽可能地提高种植效益，从县农业局调研搜集了5个镇（福星镇、碧岩镇、首阳镇、宏伟镇、菜子镇）5种中药材（党参、黄芪、黄芩、柴胡、款冬花）的种植面积限额、种植成本、净收益和年均产量、可耕种药材地和可分配的成本等基础数据，建立了地理信息系统的线性规划模型，求解并得到基本可行的县级总体种植方案，并对规划模型和计算结果进行了科学评估。
　　关键词 中药材;种植效益;线性规划;地理信息系统
　　中图分类号 F 326.5;S 127 文献标识码 A
　　文章编号 0517-6611（2020）23-0021-02
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.23.005
　　Research on Benefit of Medicinal Material Planting Based on GIS Planning Model—Taking Longxi County，Dingxi City，Gansu Province as an Example
　　FENG De-hong1，DANG Xue-feng2
　　（1.3S Institute，College of Science，China Three Gorges University，Yichang，Hubei 443002;2.Mathematics Department，College of Science，China Three Gorges University，Yichang，Hubei 443002）
　　Abstract In order to comprehensively plan the land resources for planting Chinese medicinal materials in the county and improve the planting efficiency as much as possible，the basic data such as the planting area limit，planting cost，net income and average annual yield，arable medicinal material land and distributable cost of 5 Chinese medicinal materials （Codonopsis pilosula，Astragalus membranaceus，Scutellaria baicalensis，Bupleurum chinense and Tussilago farfara） in 5 towns （Fuxing Town，Biyan Town，Shouyang Town，Hongwei Town and Caizi Town） were collected from the investigation of the county agriculture bureau，the linear planning model of geographic information system was established，and the basically feasible overall planting scheme at the county level was solved and obtained，the planning model and calculation results were scientifically evaluated.
　　Key words Chinese herbal medicine;Planting benefit;Linear programming;Geographic information system
　　
　　種植中药材，提高种植效率，目前国内对该问题的研究主要包括3方面：①甘肃农业大学以晋小军等[1]为代表的全局产业链结构优化方向，提出上游的中药材种植业、中游的中药材企业加工业以及下游的制药企业，在国家宏观整体调控政策下，优化全局产业结构，提高各自效益。尤其是上游的种植业，提出观点：调整中药材种植结构，种植适宜当地环境，产量高、品质优、经济效益好的中药材，实现资源的合理配置，对促进地方经济的发展有重要意义。②林药种植模式研究方向[2-4]，应用生态学原理和生态经济规律，以社会、经济、生态综合效益为指标，结合系统工程方法和现代科学技术，因地制宜地设计、布局、生产和管理中药农业生产的发展模式。如在树林下种植中草药材的技术与效益研究，提出观点：林药模式也是中草药材的种植模式之一，对杨树人工林下种植药材的林药种植模式的林分选择、药材种类和特性、种植技术和种植效益等进行分析和总结[2]。③从微观角度方向研究[5]，提出掌握生产技术、购买优良种子、种苗，这是成功种植药材的三要素。该研究则是应用运筹学规划建模和GIS技术，从宏观上研究种植域内如何提高中草药材种植效益，主要搜集甘肃省定西市陇西县主要药材品种（如党参、黄芪、黄芩、柴胡、款冬花等）、主要药材种植聚集地（如福星镇、碧岩、首阳镇、宏伟镇、菜子镇等）的中草药材的主要种植数据，为取得最大效益，各地区应该分配土地资源，找出现实可行的种植方案。
　　1 数据准备
　　通过陇西县农业局调研，分别得到各类品种药材的基本种植数据（表1）和陇西县种植药材各镇的种植数据（表2）。
　　2 建立规划模型
　　规划模型的基本前提条件是：①正常的自然条件下，即在常态自然状态下研究该问题，不受人为主观、极端恶劣自然灾害（如疾病、地震、虫灾等）因素的影响;②表1和表2中数据可以充分体现陇西县药材种植情况。 　　变量设置：设在福星镇种植党参、黄芪、黄芩、柴胡、款冬花的面积分别为X11、X12、X13、X14、X15;在碧岩镇种植5种中药材的面积分别为X21、X22、X23、X24、X25;在首阳镇种植5种中药材的面积分别为X31、X32、X33、X34、X35;在宏伟镇种植5种中药材的面积分别为X41、X42、X43、X44、X45;在菜子镇种植5种中药材的面积分别为X51、X52、X53、X54、X55。
　　目标函数：
　　MAX Z =124 094.94（X11+X21+X31+X41+X51）+58 721.22（X12+X22+X32+X42+X52）+54 822.57（X13+X23+X33+X43+X53）+110 393.94（X14+X24+X34+X44+X54）+106 987.45（X15+X25+X35+X45+X55）
　　约束条件如下：
　　土地资源约束：
　　X11+X12+X13+X14+X15≤6 666.67
　　X21+X22+X23+X24+X25≤2 000.00
　　X31+X32+X33+X34+X35≤5 200.00
　　X41+X42+X43+X44+X45≤1 866.67
　　X51+X52+X53+X54+X55≤3 466.67
　　成本约束：
　　60 899.97X11+54 899.97X12+56 399.97X13+36 899.98X14+58 499.97X15≤410 000 000
　　60 899.97X21+54 899.97X22+56 399.97X23+36 899.98X24+58 499.97X25≤12 000 000
　　60 899.97X31+54 899.97X32+56 399.97X33+36 899.98X34+58 499.97X35≤275 000 000
　　60 899.97X41+54 899.97X42+56 399.97X43+36 899.98X44+58 499.97X45≤69 000 000
　　60 899.97X51+54 899.97X52+56 399.97X53+36 899.98X54+58 499.97X55≤195 600 000
　　種植面积约束（各品种药材种植面积约束）：
　　X11+X21+X31+X41+X51≤5 666.67
　　X12+X22+X32+X42+X52≤5 166.67
　　X13+X23+X33+X43+X53≤3 333.34
　　X14+X24+X34+X44+X54≤1 666.67
　　X15+X25+X35+X45+X55≤1 500.00
　　非负约束：
　　Xij≥0;i=1，2，…，5; j=1，2，…，5。
　　3 模型求解与评估
　　因为模型是确定型的线性规划模型，求解算法是表上作业的单纯形法[6]，所以为了求解方便可用Lingo规划软件[7]，或规划模型求解的专用软件包WinQSB[8]，
　　或 Office Excel加载宏规划求解[9]得到模型的满意可行解。求解结果如表3所示。
　　因此要合理地利用有限的资源条件使得陇西县药材种植效益最大化，需要在福星镇种植党参5 666.67 hm2，款冬花1 000.00 hm2;在碧岩镇种植黄芪157.56 hm2、黄芩59.40 hm2;在首阳镇种植黄芪5 009.10 hm2;在宏伟镇种植黄芩165.52 hm2、柴胡1 616.92 hm2;在菜子镇种植黄芩2 916.92 hm2、柴胡49.74 hm2、款冬花500.00 hm2。应用ArcGIS地理信息系统分析软件[10]，可直观到陇西县药材总体种植方案（图1）。
　　 规划模型的优点：①模型是在有限的约束条件下建立的，与实际情况比较贴近，能够较好地反映出现实情况;②该模型数据是陇西县药材种植实际数据，具有很好的真实性，所以模型的结果能为陇西县药材种植提供一定的科学依据，具有很好的现实意义;③模型用Lingo软件计算求解，使得计建立的，但是影响陇西县药材种植的因素有很多，不能每种因素都考虑进去，所以相对于现实还是有差距;②模型求解结果只是为陇西县药材种植提供总体上的科学的种植方案，至于具体到各乡镇来决定具体详细的药材种植方案，还不能完全依靠该模型来规划，所以具有一定的局限性。
　　4 小结
　　该研究应用GIS线性规划建模技术，从宏观角度研究种植域内如何规划种植区域内的土地资源，提高中草药材种植效益，可供农业主管部门参考决策。由于所建模型是确定型的线性规划模型，所以对气候天气外界环境的变化可能造成的干扰等因素没考虑进去，依靠模型求解得到的总体种植方案刚性有余，柔性不足，还有待于继续从随机规划（如模糊规划等）方向进行深入研究。
　　参考文献
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　　[6] 胡运权.运筹学基础及应用[M].6版.北京：高等教育出版社，2014：12-44.
　　[7] 徐家旺，刘彬，姜波，等.实用管理运筹学[M].2版.北京：清华大学出版社，2009：44-48.
　　[8] 焦宝聪，陈兰平.运筹学的思想方法及应用[M].北京：北京大学出版社，2008：54-57.
　　[9] 刘满凤.数据、模型与决策——基于Excel的应用与求解[M].北京：清华大学出版社，2015：36-41.
　　[10] 牟乃夏，刘文宝，王海银，等.ArcGIS10地理信息系统教程——从初学到精通[M].北京：测绘出版社，2012：203-216.
　　算结果的可信度较高。
　　规划模型的缺点：①该模型是在给定的有限约束条件下
　　作者简介 冯德鸿（1969—），男，湖北宜昌人，副教授，硕士，从事遥感影像与GIS空间数据分析、GIS系统仿真研究。
　　鸣 谢 感谢甘肃省定西市陇西县农业局的资助。
　　收稿日期 2020-05-15;修回日期 2020-07-01
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