中國(guó)殼斗科植物空間分布及相似性研究

吳曉湲，邱麗氚，柳 濤

(太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院，山西 晉中 030619)

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中國(guó)殼斗科植物空間分布及相似性研究

吳曉湲，邱麗氚，柳 濤

(太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院，山西 晉中 030619)

收集了中國(guó)32個(gè)省市區(qū)殼斗科植物屬與種的數(shù)據(jù)，探討了中國(guó)殼斗科植物空間分布規(guī)律，并利用Jaccard相似性系數(shù)，來(lái)揭示全國(guó)各省市區(qū)之間的密切關(guān)系。研究結(jié)果表明：殼斗科植物在中國(guó)的分布很廣，屬與種的分布均由西南至華南、再向北依次減少，其中櫟屬種的分布遍及全國(guó)(除新疆)，其余屬種的分布集中分布于氣候類型為亞熱帶和熱帶的南方地區(qū)。從屬的相似性系數(shù)聚類水平上看，可以將中國(guó)殼斗科植物分布劃分為3個(gè)區(qū)：北方少數(shù)區(qū)、南方豐富區(qū)和新疆孤立區(qū)；從種的相似性系數(shù)聚類水平上看，可以將中國(guó)殼斗科植物分布劃分為5個(gè)區(qū)，各分區(qū)是地理上相近、氣候類型基本一致的地區(qū)。

殼斗科；中國(guó)；空間分布；Jaccard相似性系數(shù)

1　引言

殼斗科(Fagaceae)植物是北半球熱帶、亞熱帶及溫帶森林植被的重要組成成分[1]，是我國(guó)森林重要的建群種。全世界殼斗科植物有8屬約1047種[2]，而中國(guó)殼斗科植物有7屬300多種[3]。該植物在森林生態(tài)的維護(hù)和平衡上起著重要作用，而且具有很高的實(shí)用經(jīng)濟(jì)價(jià)值[4]。

國(guó)內(nèi)外已有大量對(duì)殼斗科植物地理分布與起源[3～15]、植物區(qū)系[16～19]以及與氣候關(guān)系[20，21]等方面的研究。其中，劉茂松等人[3]用離差平方和法對(duì)殼斗科植物在中國(guó)的地理分布規(guī)律進(jìn)行了研究，并得出了中國(guó)殼斗科植物的空間分布特點(diǎn)。地理信息系統(tǒng)軟件是通過(guò)行采集、存儲(chǔ)、管理、處理、分析和顯示空間物體地理分布以及與之相關(guān)的屬性，為地理研究和地理決策服務(wù)的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)[22]。它很大程度上改變了現(xiàn)代地理學(xué)的研究方式，也成為一種重要的研究手段之一。而本研究基于全國(guó)各省區(qū)殼斗科植物屬與種的數(shù)據(jù)，利用地理信息系統(tǒng)軟件制作中國(guó)殼斗科植物空間分布的專題地圖，探討了中國(guó)殼斗科植物屬與種的空間分布規(guī)律。

還有學(xué)者對(duì)部分省區(qū)的殼斗科植物進(jìn)行了相似性研究，如左家哺[16]根據(jù)Bray-Curtis相異系數(shù)公式計(jì)算超過(guò)50種殼斗科植物的省(區(qū))間的相異系數(shù)，對(duì)貴州與鄰近地區(qū)殼斗科植物作了相似性的分析比較。劉彬彬等人[17]采用Sorenson相似性系數(shù)比較了浙江殼斗科植物區(qū)系與其他省區(qū)的差異性。戴波等人[18]通過(guò)對(duì)福建與其他毗鄰地區(qū)殼斗科植物共有種的統(tǒng)計(jì)得出區(qū)系之間的關(guān)系。在這些研究中，尚未有人對(duì)中國(guó)殼斗科植物各省區(qū)的相似性系統(tǒng)研究且沒(méi)有得出全國(guó)各省區(qū)的親緣關(guān)系。本研究根據(jù)Jaccard相似性系數(shù)對(duì)中國(guó)32個(gè)省(除香港、澳門)殼斗科植物相似性指數(shù)聚類分區(qū)，揭示它們之間的親緣關(guān)系，為今后有關(guān)中國(guó)殼斗科植物的研究提供理論依據(jù)。

2　材料與方法

2.1數(shù)據(jù)

本研究的數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館(CVH)網(wǎng)站、中國(guó)在線植物志(eFlora)網(wǎng)站、中國(guó)樹木志、部分省的植物志以及正式發(fā)表的論文(來(lái)源中國(guó)CNKI期刊數(shù)據(jù)庫(kù))對(duì)中國(guó)殼斗科的屬與種的分布地點(diǎn)進(jìn)行收集，栽培種等不計(jì)其中。

2.2方法

采用Jaccard[23]相似性公式：

Sj=c/(a+b-c)。

S為兩地之間的相似性系數(shù)，c為A地與B地的公共屬或公共種，a為A地的所有屬數(shù)或種數(shù)，b為B地的所有屬數(shù)或種數(shù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與整理采用Excel，并通過(guò)SPSS22.0運(yùn)用組內(nèi)鏈接-平均歐式距離方法進(jìn)行Jaccard相似性系數(shù)聚類，分別得出中國(guó)殼斗科植物各省之間屬、種的聚類結(jié)果。

把中國(guó)地圖掃描配準(zhǔn)后，導(dǎo)入ArcGIS10.0作為底圖。建立圖層，設(shè)定中國(guó)各省區(qū)名稱、殼斗科植物屬與種的名稱以及數(shù)量等屬性數(shù)據(jù)，并進(jìn)行矢量化建立圖形數(shù)據(jù)，制作出對(duì)應(yīng)的專題地圖。

3　結(jié)果與分析

3.1屬的空間分布

從屬的空間分布來(lái)看，中國(guó)殼斗科植物屬的分布很廣(圖1)，遍布全國(guó)31個(gè)省市區(qū)(除新疆外)，屬數(shù)由南向北依次減少，跨越了中國(guó)由北向南的溫帶、亞熱帶、熱帶。

從屬的數(shù)量分布來(lái)看，中國(guó)殼斗科植物屬數(shù)在1～7之間，差異雖不大，但空間分布仍不平衡，如東北地區(qū)的黑龍江、吉林等省區(qū)只含1屬，而西南地區(qū)的云南(7屬)等、華南地區(qū)的廣西(6屬)等省區(qū)所含屬數(shù)較多，主要分布在氣候類型為熱帶與熱帶的地區(qū)，這里氣溫較高，降水量豐富，為殼斗科植物生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件。

圖1　中國(guó)殼斗科植物屬性分布

從屬的豐富度來(lái)看，豐富度最高的省區(qū)是云南，達(dá)7屬；其次為浙江、安徽、福建等12省區(qū)豐富度較高，為6屬；屬的豐富度最少的省區(qū)有新疆(0屬)、黑龍江等10個(gè)省區(qū)(1屬)。

中國(guó)殼斗科植物有櫟屬(Quercus)、栗屬(Castanea)、青岡屬(Cyclobalanopsis)、柯屬(Lithocarpus)、水青岡屬(Fagus)、錐屬(Castanopsis)、三棱櫟屬(TrigonobalanusForman)7屬[24]。

從各屬分布范圍來(lái)看，櫟屬分布最廣泛(圖2a)，遍布全國(guó)各省區(qū)(除新疆外)；三棱櫟屬分布范圍最小(圖2b)，只分布于云南，為中國(guó)殼斗科植物的特有屬；栗屬、青岡屬、柯屬、水青岡屬、錐屬5屬在中國(guó)南、北方均有分布(圖2c、d、e、f、g)，但主要分布于氣候類型為亞熱帶與熱帶的南方地區(qū)，南方的水、熱條件良好適合于殼斗科植物的生長(zhǎng)。

圖2　中國(guó)殼斗科植物各屬分布

從各屬分布省區(qū)數(shù)量來(lái)看，除三棱櫟屬外，其他6屬所占全國(guó)總省區(qū)均達(dá)到50%以上。

3.2屬的相似性分析

根據(jù)各省區(qū)屬的相似性指數(shù)進(jìn)行聚類分析，得出結(jié)果(圖3)，平均歐式距離取值為5，作為劃分殼斗科植物屬分區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)比較合理，可以劃分為3區(qū)(圖4)。

圖3屬相似性系數(shù)的聚類

圖4　中國(guó)殼斗科植物屬級(jí)分區(qū)

屬-Ⅰ區(qū)：內(nèi)蒙、寧夏、河北、北京、天津、山東、青海、吉林、黑龍江、遼寧、山西11個(gè)省區(qū)的關(guān)系密切。該區(qū)含0-2屬，各省區(qū)空間分布均為典型的北方地區(qū)，氣候類型上表現(xiàn)出了較高的一致性，主要是中溫帶與暖溫帶，故稱北方少數(shù)區(qū)。

屬-Ⅱ區(qū)：新疆沒(méi)有殼斗科植物的天然分布，為單獨(dú)孤立的一區(qū)。

屬-Ⅲ區(qū)：海南、西藏、重慶、廣西、四川、貴州、浙江、湖南、廣東、江西、湖北、安徽、福建、臺(tái)灣、云南、江蘇、上海、甘肅、河南、陜西20個(gè)省區(qū)的關(guān)系密切。該區(qū)含4-7屬，各個(gè)省區(qū)在空間分布上主要為南方地區(qū)，氣候以亞熱帶和熱帶為主，故稱南方豐富區(qū)。

3.3種的空間分布

從種的數(shù)量空間分布來(lái)看，中國(guó)殼斗科植物種數(shù)在0～138種之間(圖5)，空間分布極不平衡，南方地區(qū)種的數(shù)量明顯多于北方地區(qū)。從種的豐富度來(lái)看，豐富度最高的省區(qū)有西南地區(qū)的云南和華南地區(qū)的廣西、廣東，并以該三省區(qū)為中心依次向北呈放射狀逐步減少，可見(jiàn)該三省區(qū)是中國(guó)殼斗科植物的現(xiàn)代分布中心，且豐富度最高，說(shuō)明三省區(qū)也是多樣化中心。同時(shí)，殼斗科種的分布集中于亞熱帶和熱帶的西南、華南地區(qū)，因此，殼斗科植物的最適生長(zhǎng)在熱帶與亞熱帶地區(qū)。華中地區(qū)、華東地區(qū)與青藏地區(qū)的西藏省區(qū)種的數(shù)量較多，其為亞熱帶地區(qū)，也適合殼斗植物的生長(zhǎng)。華北地區(qū)種的數(shù)量較少，該地區(qū)為溫帶地區(qū)，溫度低于亞熱帶地區(qū)，限制了殼斗科植物的生長(zhǎng)。東北地區(qū)、西北地區(qū)、內(nèi)蒙古地區(qū)和青藏地區(qū)的青海殼斗科種數(shù)量最少，這些地區(qū)緯度較高，氣溫較低，更加不利于殼斗科植物的生長(zhǎng)。華中地區(qū)、華東地區(qū)與青藏地區(qū)的西藏與西南地區(qū)的云南、華南地區(qū)的廣西、廣東相近，殼斗科植物種的數(shù)量較云南、廣西、廣東少，東北地區(qū)、西北地區(qū)、內(nèi)蒙古地區(qū)和青藏地區(qū)的青海與云南、廣西、廣東的距離較遠(yuǎn)，殼斗科植物種的數(shù)量更少，這說(shuō)明距離分布中心越近，殼斗科植物種的數(shù)量越多，距離分布中心越遠(yuǎn)，殼斗科植物種的數(shù)量越少，殼斗科植物種的數(shù)量從分布中心由南向北。

圖5　中國(guó)殼斗科植物種數(shù)分布

櫟屬種的分布很廣，但集中分布于南方地區(qū)(圖6a)，分布中心在西南地區(qū)的云南、四川、貴州三省區(qū)，并以該3省區(qū)為中心向四周逐漸減少；分布在北方的櫟屬種的數(shù)量很少，主要是適應(yīng)性強(qiáng)的種類，如栓皮櫟(Q.variabilis)、麻櫟(Q.acutissima)、枹櫟(Q.serrata)等；只分布于北方的種類，如蒙古櫟(Q.mongolica)、河北櫟(Q.hopeiensis)、遼東櫟(Q.wutaishanica)等；北方的櫟屬種類也主要分布于陜西、甘肅、河南、山東等地。

三棱櫟(Formanodendrondoichangensis)為三棱櫟屬的單種只分布于西南地區(qū)的云南(圖6b)，成為中國(guó)殼斗科植物的特有種。

青岡屬、柯屬和錐屬種的分布中心均在云南、廣西、廣東三省區(qū)(圖6c、d、e)，并以該3省區(qū)為中心依次向北逐漸減少，且該屬的種類分布于南方地區(qū)各省區(qū)與北方地區(qū)的西藏。

栗屬的種只有2種，即茅栗(C.seguinii)、錐栗(C.henryi)。山西、河南、甘肅三省區(qū)含1種為茅栗，含2種的省區(qū)分布于中國(guó)北方地區(qū)的陜西、西藏和南方地區(qū)的絕大多數(shù)省區(qū)(圖6f)。

水青岡屬的種有4種，即米心水青岡(F.engleriana)、臺(tái)灣水青岡(F.hayatae)、水青岡(F.longipertiolata)、光葉水青岡(F.lucida)。其中四川、湖南、浙江三省區(qū)分布最多，明顯多于四周圍地區(qū)。該屬的種類分布于南方絕大多數(shù)省區(qū)和北方地區(qū)的陜西、甘肅、西藏。

3.4種的相似性分析

根據(jù)各省區(qū)種的相似性指數(shù)進(jìn)行聚類，得出結(jié)果(圖7)，平均歐式距離取值約為13，作為劃分殼斗科植物種分區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)比較合理，可以劃分為5區(qū)(圖8)。

種-Ⅰ區(qū)：青海、寧夏、黑龍江、內(nèi)蒙。

種-Ⅱ區(qū)：吉林、北京、遼寧、天津、河北、山西、山東。該區(qū)主要為華北地區(qū)，氣候類型上具有較高的相似性，共同特點(diǎn)是以暖溫帶季風(fēng)性落葉闊葉林和森林草原氣候?yàn)橹?，四季分明，氣候較溫和。

種-Ⅲ區(qū)：西藏、新疆、海南。其中西藏，主要為青藏區(qū)，地貌為青藏高原，并且由于各種山脈的阻隔，只與云南、四川、貴州有聯(lián)系；海南與大陸的隔離，與廣東、廣西、福建有聯(lián)系。

圖6　中國(guó)殼斗科植物各屬種數(shù)分布

圖7　種相似性系數(shù)的聚類

圖8　中國(guó)殼斗科植物種級(jí)分區(qū)

種-Ⅳ區(qū)：江蘇、安徽、陜西、甘肅、河南、上海。該區(qū)明顯在氣候類型上，具有暖溫帶向亞熱帶明顯地過(guò)渡性，同時(shí)從該區(qū)以南，緯度越低的區(qū)域，屬數(shù)與種數(shù)在不斷增加，因此稱種-Ⅳ區(qū)為過(guò)渡性增長(zhǎng)區(qū)。

種-Ⅴ區(qū)：廣東、廣西、江西、湖南、福建、臺(tái)灣、浙江、湖北、重慶、四川、貴州、云南。該區(qū)以亞熱帶和熱帶氣候?yàn)橹?，植物物種豐富，各省密切程度雖小，但省區(qū)之間聯(lián)系廣泛，具有水平分布上互相交匯，垂直分布上過(guò)渡的特點(diǎn)。

4　討論

4.1殼斗科植物的分布規(guī)律與氣候因子的關(guān)系

殼斗科植物在中國(guó)的分布很廣泛，倪健等人[21]利用Holdridge的生命地帶分類系統(tǒng)中各指標(biāo)分析了中國(guó)殼斗科植物種38個(gè)優(yōu)勢(shì)種的分布與氣候的關(guān)系。本研究利用殼斗科植物屬與種的空間分布規(guī)律得出，青岡屬、栗屬、水青岡屬、柯屬、錐屬種的分布集中分布于亞熱帶與熱帶的南方地區(qū)。只有櫟屬種的分布遍及全國(guó)(除新疆)，但分布在溫帶成分的北方地區(qū)較少，也集中分布于南方地區(qū)，而三棱櫟屬只分布于亞熱帶季風(fēng)雨林氣候和熱帶雨林氣候的西南地區(qū)的云南。這說(shuō)明殼斗科植物的空間分布與氣候類型有著密切關(guān)系。

4.2屬、種的空間分布與相似性比較

屬數(shù)在0、1-2、4-7的空間分布省區(qū)與屬的相似性聚類分區(qū)即屬-Ⅰ區(qū)、屬-Ⅱ區(qū)、屬-Ⅲ區(qū)完全對(duì)應(yīng)一致。種數(shù)在0-3的空間分布省區(qū)(除新疆)與種的相似性聚類分區(qū)的種-Ⅰ區(qū)完全對(duì)應(yīng)一致，種數(shù)在4-15的空間分布省區(qū)與種的相似性聚類分區(qū)的種-Ⅱ區(qū)完全對(duì)應(yīng)一致，種數(shù)在16-35的空間分布省區(qū)(除西藏)與種的相似性聚類分區(qū)的種-Ⅳ區(qū)，種在35-138之間的省區(qū)(除海南)與種的相似性聚類分區(qū)的種-Ⅴ區(qū)完全對(duì)應(yīng)一致。這說(shuō)明，相似性聚類結(jié)果和屬數(shù)、種數(shù)相近的省區(qū)有著密切的聯(lián)系。

屬的空間分布規(guī)律與種的空間分布規(guī)律基本一致，即數(shù)量由南向北依次減少，且集中分布于南方地區(qū)，這說(shuō)明，氣候條件很大程度上決定了殼斗科植物的空間分布。

通過(guò)Jaccard相似性系數(shù)比較，可知，屬的相似性系數(shù)>種的相似性系數(shù)。這說(shuō)明，在各省區(qū)間殼斗科植物相似性比較中，分類級(jí)別越高,其相似性就越大。這一點(diǎn)與種子植物區(qū)系相似性研究相一致[23]。

從屬級(jí)Jaccard相似性系數(shù)中可以看出，各省區(qū)所含屬數(shù)越豐富，省區(qū)間的相似性系數(shù)越大，關(guān)系越密切。從種級(jí)Jaccard相似性系數(shù)中可以看出，各省區(qū)所含種數(shù)越豐富，省區(qū)間的相似性系數(shù)越小，關(guān)系越疏遠(yuǎn)。這說(shuō)明，種數(shù)豐富的省區(qū)，種分化程度較大，差異明顯。

從聚類分區(qū)結(jié)果中可以看出，種級(jí)分區(qū)(5區(qū))多于屬級(jí)分區(qū)(3區(qū))，且種級(jí)分區(qū)歸屬于屬級(jí)分區(qū)。屬數(shù)在0-7之間，種在0-138之間，屬數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于種數(shù)，各省區(qū)所含種數(shù)的情況比所含屬數(shù)復(fù)雜，因此種級(jí)分區(qū)要多于屬級(jí)分區(qū)。

4.3中國(guó)殼斗科植物的區(qū)域劃分

從屬級(jí)和種級(jí)相似性系數(shù)聚類的水平上看，將中國(guó)殼斗科植物空間分布分別劃分為3個(gè)區(qū)、5個(gè)區(qū)；分區(qū)中各省區(qū)之間由于存在相近的地理位置和相似的氣候類型，表現(xiàn)出了共性。如種-Ⅰ區(qū)、種-Ⅱ區(qū)中的各省區(qū)空間分布上不僅鄰近，且公共種主要為具有典型性溫帶成分的遼東櫟(Q.wutaishanica)、蒙古櫟(Q.mongolica)等樹種。種-Ⅲ區(qū)的新疆、西藏、海南等地理位置均較特殊導(dǎo)致形成一些特有樹種，如西藏的石柯(L.pasania)、西藏石櫟(L.xizangensis)、假西藏石櫟(Li.pseudoxizangen)、墨脫青岡(C.motuoensi)等，海南的海南青岡(C.litorali)、吊羅山青岡(C.tiaoloshanic)等，造成與中國(guó)其他省區(qū)極不相似的主要原因。種-Ⅳ區(qū)在空間分布上具有連接南北具有交匯過(guò)渡的特點(diǎn)，且殼斗科植物在該區(qū)的分布也具有共有性溫帶與熱帶成分的組合，如栓皮櫟(Q.variabilis)、槲樹(Q.dentata)、槲櫟(Q.aliena)、青岡(C.glauca)、小葉青岡(C.myrsinifolia)、水青岡(F.longipertiolata)、米心水青岡(F.englerian)、柯(L.glaber)等樹種。種-Ⅴ區(qū)各省區(qū)集中都分布于亞熱帶與熱帶的南方地區(qū)，各省區(qū)所含種較豐富導(dǎo)致在相似性系數(shù)明顯小于種-Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ區(qū)，因此各省區(qū)的地理狀況對(duì)殼斗科植物分布的影響顯而易見(jiàn)。

4.4創(chuàng)新之處

本研究利用地理信息系統(tǒng)軟件制作了中國(guó)殼斗科植物空間分布的專題地圖，首次探討了全國(guó)殼斗科植物屬與種的空間分布規(guī)律，并首次對(duì)全國(guó)各省殼斗科植物相似性進(jìn)行了聚類分析和劃分區(qū)域，這對(duì)中國(guó)植物區(qū)系的分區(qū)、古地理歷史變化有著重要的意義。

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Study on the Spatial Distribution and Similarity Coefficient of Fagaceae in China

Wu Xiaoyuan,Qiu Lichuan,Liu Tao

(SchoolofGeographicalSciences,TaiyuanNormalUniversity,Jinzhong,Shanxi030619,China)

This paper explored the spatial distribution of Fagaceae flora in Chinaby collectingthe data of genus and species of Fagaceae flora from 32 provinces in China, and used the Jaccard similarity coefficient to reveal the close relationship among provinces and regions all over the country. The results showed that the distribution of Fagaceae flora was very widein China, with distribution of genus and species reducing gradually from southwest to South Chinaand then to north in which the genus quercus was widespread throughout the country (except Xinjiang).The rest of genus and species was centrally distributed in southern China region of which climate belongs to subtropical and tropicaltypes. From the level of dendrogram of similarity coefficient of genus, China's distribution of Fagaceae flora can be divided into three areas: the northern minority region, southern rich region and Xinjiang isolated region. From the level of dendrogram of similarity coefficient of species, China's distribution of Fagaceae flora could be divided into five areas,each areas was geographically close and basically consistent with climate type.

Fagaceae;China;spatial distribution;Jaccard similarity coefficient

2016-06-20

吳曉湲(1990—)，太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院碩士研究生。

邱麗氚(1964—)，教授，碩士導(dǎo)師，主要從事植物地理學(xué)、環(huán)境、GIS等方向的研究。

S718

A

1674-9944(2016)15-0014-07