基于中國(guó)館藏標(biāo)本數(shù)據(jù)分析全國(guó)植物標(biāo)本采集現(xiàn)狀及采集趨勢(shì)預(yù)測(cè)

姜承勇，余衛(wèi)星，楊婷，簡(jiǎn)進(jìn)龍，左靜，劉博*

1.中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，北京 100081

2.廣西防金花茶國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，廣西 防城港 538000

引言

植物標(biāo)本館是進(jìn)行生物學(xué)研究與教學(xué)、科普和文化教育的重要場(chǎng)所，它不僅收藏管理植物標(biāo)本，更具有植物標(biāo)本構(gòu)成和標(biāo)本標(biāo)簽數(shù)據(jù)的信息集成數(shù)據(jù)庫(kù)的作用。植物標(biāo)本所包含的信息不僅對(duì)于科學(xué)研究具有重要意義，也在公眾健康等很多領(lǐng)域?yàn)檎芾砗蜎Q策提供重要科學(xué)依據(jù)[1,2]。館藏標(biāo)本的人為和自然毀損難以避免，標(biāo)本信息數(shù)字化使得標(biāo)本的形態(tài)、分布等主要信息得到最大限度地永久保存，極大的方便了標(biāo)本信息的共享，可以為科學(xué)研究人員和社會(huì)各界人員提供生物形態(tài)、分布和歷史變遷等多方面信息[3-5]。隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及 IT 技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，標(biāo)本館信息化進(jìn)程得到了極大的推動(dòng)。標(biāo)本數(shù)據(jù)已為全球氣候變化、生物入侵、生物保護(hù)等方面的研究工作提供了寶貴的數(shù)據(jù)資源[6]。

中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館 (Chinese Virtual Herbarium，簡(jiǎn)稱 CVH，網(wǎng)址：www.cvh.ac.cn) 是在科技部“國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)”項(xiàng)目資助下建立的，其宗旨是為用戶提供一個(gè)方便快捷獲取中國(guó)植物標(biāo)本及相關(guān)植物學(xué)信息的電子網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。截至到 2016年，CVH 網(wǎng)站包含數(shù)據(jù)庫(kù) 20 余個(gè)，參與建設(shè)單位達(dá) 75 余家，包括中國(guó)科學(xué)院和地方科學(xué)院及一些大學(xué)標(biāo)本館，基本上包含了我國(guó)主要和重要的標(biāo)本館。資源總量達(dá)到11.5TB，共完成 680 萬(wàn)份植物標(biāo)本 (包括 476 萬(wàn)幅照片) 標(biāo)準(zhǔn)化整理與數(shù)字化表達(dá)，其網(wǎng)上模式標(biāo)本 58000 份，分別占全國(guó)總量的 67% 和 80%[7]，已由平臺(tái)參建單位審核并確認(rèn)為正式發(fā)表的模式標(biāo)本有 15064 份。該館匯集的大量全國(guó)標(biāo)本信息具有極大的科研價(jià)值[6]。

中國(guó)科學(xué)院植物研究所標(biāo)本館 (Herbarium, Institute of Botany，簡(jiǎn)稱 PE，網(wǎng)址：http://pe.ibcas.ac.cn/) 館藏植物標(biāo)本約有 260 余萬(wàn)份，其中包括 18 萬(wàn)號(hào)蕨類植物標(biāo)本，20 萬(wàn)號(hào)苔蘚標(biāo)本。此外還有 8 萬(wàn)號(hào)種子標(biāo)本和 7 萬(wàn)號(hào)植物化石標(biāo)本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，館藏標(biāo)本含蓋了已經(jīng)完成的 80 卷 126 冊(cè)的巨著《中國(guó)植物志》中所記載的全部中國(guó)高等植物中約為 80% 的苔蘚類、95% 的蕨類和 80% 的種子植物[8]；此外，該館還保存著 17000 余份模式標(biāo)本,這些模式標(biāo)本分別涉及到已經(jīng)發(fā)表的 6000 余個(gè)分類群。就館藏標(biāo)本數(shù)目和整體規(guī)模而言，中國(guó)科學(xué)院植物植物研究所植物標(biāo)本館名列亞洲地區(qū)植物標(biāo)本館之首；就館藏種子標(biāo)本的數(shù)目而言，中國(guó)科學(xué)院植物研究所植物標(biāo)本館位居世界第三，在國(guó)內(nèi)外植物分類學(xué)研究領(lǐng)域中，特別是在東亞植物的研究領(lǐng)域中具有舉足輕重的地位[9]。

本文通過對(duì)中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館和中國(guó)科學(xué)院植物研究所標(biāo)本館的植物標(biāo)本與物種信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)標(biāo)本信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得了異名鑒定錯(cuò)誤情況、采集強(qiáng)度情況等信息，為更合理地安排今后的標(biāo)本采集工作提供參考。

1 方法

1.1 標(biāo)本數(shù)據(jù)與軟件來源

植物標(biāo)本數(shù)據(jù)來源于 CVH 中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館標(biāo)本資源共享平臺(tái) (http://www.cvh.ac.cn/) 和中國(guó)科學(xué)院植物研究所植物標(biāo)本館 (http://www.nhpe.org/) 提供的館藏標(biāo)本信息，詳細(xì)記載了每個(gè)植物標(biāo)本的采集信息，包含采集日期、采集地區(qū) (省、縣、小地名)、科、屬、命名人、學(xué)名、中文名、經(jīng)緯度、生境等信息，保存為 access 文件；采集植物標(biāo)本空間分布使用 DIVA-GIS 軟件[10,11]，該軟件和所使用的世界行政區(qū)域地圖從 DIVA-GIS 網(wǎng)站下載，下載地址為 http://www.diva-gis.org/，樣點(diǎn)空間分布地圖數(shù)據(jù)來源于 DIVA-GIS 提供的網(wǎng)站，下載網(wǎng)址為 http://diva-gis.org/gdata。

1.2 標(biāo)本數(shù)據(jù)核對(duì)

將所得標(biāo)本數(shù)據(jù)整合，發(fā)送至 Taxonomic Name Resolution Service (TNRS)[12]，網(wǎng)上地址為 http://tnrs.iplantcollaborative.org/，其數(shù)據(jù)源來源于 Tropicos，Global Compositae Checklist，USDA Plants，NCBI Taxonomy，將兩大數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)本科名、學(xué)名上傳，進(jìn)行核對(duì)[13]。根據(jù)其核對(duì)結(jié)果，根據(jù)匹配結(jié)果評(píng)分，將低匹配程度 (Over score＜0.9) 的定為命名拼寫或印刷錯(cuò)誤，并更根據(jù)其提供的 Accepted name，對(duì)標(biāo)本名進(jìn)行更正，將錯(cuò)誤命名的數(shù)據(jù)更改正確，部分標(biāo)本科名和學(xué)名 Over score=0，視該部分標(biāo)本不存在，最后進(jìn)行重新匯總。

將兩大數(shù)據(jù)庫(kù)中的植物標(biāo)本進(jìn)行預(yù)處理之后，分別對(duì)相關(guān)植物的科名和學(xué)名進(jìn)行核對(duì)，借助 Microsoft Access 與我國(guó)已記載植物科名進(jìn)行匹配。經(jīng)統(tǒng)計(jì)兩個(gè)標(biāo)本館所有植物標(biāo)本科名共計(jì) 481 個(gè)，經(jīng)過 TNRS 核對(duì)，其中 Overrall score=0 的標(biāo)本有 47 個(gè)，表明這部分科名在該系統(tǒng)數(shù)據(jù)源中無(wú)匹配項(xiàng)，Overrall Score＜0.90 的標(biāo)本共計(jì) 97 個(gè)，該部分中在 TNRS 系統(tǒng)中均有匹配項(xiàng)，但匹配程度不高。經(jīng)過核查發(fā)現(xiàn)大部分匹配程度低的植物科名均由于拼寫錯(cuò)誤或者印刷錯(cuò)誤所致，根據(jù)其提供的 Accepted name，我們對(duì)這部分科名進(jìn)行了訂正。在以上基礎(chǔ)上，將標(biāo)本庫(kù)里植物科名與我國(guó)已命名植物科名 444 項(xiàng)進(jìn)行匹配分析，共獲得匹配結(jié)果 302 項(xiàng)，表明目前我國(guó)采集標(biāo)本已基本覆蓋當(dāng)前大部分已命名植物，但仍然有部分植物缺少相關(guān)標(biāo)本，提示該部分植物的保護(hù)工作尚存在不足，有待以后進(jìn)一步挖掘。

對(duì)共計(jì) 56188 個(gè)標(biāo)本的學(xué)名的核對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，其中未成功匹配標(biāo)本 110 項(xiàng) (Overrall score=0)，匹配程度較低標(biāo)本 9132 項(xiàng) (Overrall score＜0.9)，絕大部分提供有相應(yīng)的正確命名，并進(jìn)行了更正，所占比率接近 2.2%。反映館藏植物標(biāo)本數(shù)據(jù)庫(kù)中植物名錄入的準(zhǔn)確度較差，存在一定的錯(cuò)誤，這也成為了當(dāng)前數(shù)字動(dòng)植物標(biāo)本所存在的共性問題。

2 統(tǒng)計(jì)分析

CVH 中 1163159 個(gè)數(shù)據(jù)樣本和 PE 中 1087822 進(jìn)行核對(duì)后，采用 Microsoft Access 對(duì)相同植物名和采集信息進(jìn)行合并，然后按照各種植物采集年份、采集地理位置以及采集人信息分類進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，借助 Statistic 17.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，使得數(shù)字化標(biāo)本信息轉(zhuǎn)化為直觀的統(tǒng)計(jì)圖。

2.1 植物標(biāo)本采集進(jìn)程

為分析我國(guó)植物標(biāo)本的采集規(guī)律，以預(yù)測(cè)潛在性標(biāo)本采集的可能，我們借助標(biāo)本庫(kù)采集日期信息，進(jìn)行階段性分析，最早在十四世紀(jì)就有 4 個(gè)標(biāo)本采集信息記錄，此后陸續(xù)有記載 (圖 1)。直到 19 世紀(jì)才出現(xiàn)大規(guī)模的植物標(biāo)本采集浪潮，到達(dá) 30年代達(dá)到第一個(gè)采集高峰，十年之間采集標(biāo)本 311986 件，占標(biāo)本庫(kù)總標(biāo)本數(shù)的 14.4%。其后的十年由于國(guó)家內(nèi)憂外患，戰(zhàn)亂不斷，《中國(guó)植物志》的編寫工作被暫停，植物標(biāo)本采集的進(jìn)程也大大延緩。直到上世紀(jì) 50年代達(dá)到第二個(gè)采集高峰，僅僅十年內(nèi)采集植物標(biāo)本數(shù)高達(dá) 824568 件，占總數(shù)的 38.2%。在這一時(shí)期我國(guó)剛剛解放，全國(guó)的科學(xué)研究逐漸恢復(fù)，植物調(diào)查采集研究的工作進(jìn)展較快[14]。這以后植物標(biāo)本的采集數(shù)量平穩(wěn)回落，直到二十一世紀(jì)，新記載的植物標(biāo)本的采集已經(jīng)十分罕見，一方面大部分易采集的植物標(biāo)本采集殆盡，其次《中國(guó)植物志》編寫于 2004年竣工，全國(guó)大范圍的植物標(biāo)本采集工作也宣告結(jié)束。

圖1 自14世紀(jì)以來植物標(biāo)本采集時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.1 The trend of plant specimen collection time since the 14th century

為進(jìn)一步分析近幾十年來我國(guó)植物標(biāo)本的采集情況，以預(yù)測(cè)可能的采集趨勢(shì)和采集空缺，在原有基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化了自 2000年之后植物標(biāo)本的年度采集數(shù)量 (圖 2)。柱狀圖較直觀反映了近幾十年的采集情況，雖然植物標(biāo)本采集數(shù)量逐年回落，但結(jié)合我國(guó)植物命，仍有相當(dāng)一大部分植物未登記標(biāo)本，因此猜測(cè)盡管今后的采集難度越來越大，但仍有較大的采集可能，主要集中在上述為未匹配上的 142 個(gè)科，當(dāng)然，由于受到時(shí)效性的限制，該分析存在一定的偏差。

2.2 植物標(biāo)本采集團(tuán)隊(duì)

中國(guó)是世界植物學(xué)史上植物資源被采集時(shí)間最早、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、采集國(guó)來源最廣、采集人員最復(fù)雜、采集成果最多的國(guó)家[15]，僅 1640～1898年的近 260年，歐美國(guó)家來華采集植物的就有 334 人[16]，除國(guó)外少數(shù)采集人的工作外，我國(guó)基本上沒有做過有關(guān)的具體考證，至今沒有比較完整的采集歷史記錄[17]。據(jù)相關(guān)記載，我國(guó)采集植物標(biāo)本的第一人為北京大學(xué)的鐘觀光教授，但采集時(shí)間已無(wú)從考證[18]。

我們對(duì) 226 萬(wàn)個(gè)館藏植物標(biāo)本的命名人信息進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，共統(tǒng)計(jì)得到 16132 個(gè)相關(guān)命名人，其中包括第一命名人和重新修正的第二命名人。表 1 統(tǒng)計(jì)了排名前十位了館藏植物標(biāo)本命名人，命名植物數(shù)量最多的為林奈 (Linn.)，命名植物達(dá)到 54265 種，而中國(guó)學(xué)者并不在此之列，由此可見，我國(guó)從事植物分類學(xué)研究相對(duì)較為滯后。

圖2 21 世紀(jì)植物標(biāo)本采集量逐年變化Fig.2 Changes of plant specimen collection in the 21st century

3 DIVA-GIS 分析植物標(biāo)本采集地域狀況

植物標(biāo)本的空間信息記載著該植物的采集地，兩大標(biāo)本庫(kù)植物標(biāo)本覆蓋全國(guó) 5882 個(gè)縣級(jí)區(qū)域，隸屬于全國(guó) 33 個(gè)行政省。澳門特別行政區(qū)無(wú)植物標(biāo)本采集的記載，香港特別行政區(qū)僅記載 8 個(gè)植物標(biāo)本，在其他 32 各省級(jí)單位 (包括臺(tái)灣) 植物標(biāo)本采集強(qiáng)度均有明顯差異 (圖 3)?？傮w來看主要集中在人口地理分布線 (漠河-騰沖線) 以下的區(qū)域。而廣大的西北地區(qū)據(jù)國(guó)家環(huán)保局統(tǒng)計(jì)，有 72 種珍稀易危植物，占全國(guó)保護(hù)植物的 18.5%[19]，但標(biāo)本采集強(qiáng)度并不大，從植物多樣性保護(hù)的角度看，該地域植物標(biāo)本急需采集和保存。標(biāo)本館每年都有大量的新標(biāo)本入庫(kù)，標(biāo)本信息的錄入工作一直在進(jìn)行[20]。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，采集植物 384 個(gè)科，56188 個(gè)種，涵蓋了我國(guó)已鑒別的 302 個(gè)科，其中采集植物標(biāo)本最多的科為薔薇科 (150152 種)，占植物標(biāo)本總數(shù)的 6.95%，其次為菊科 (130114 種)，占總數(shù)的6.02%。而采集植物最多的種類為槭樹科的青榨槭 (6966 種)，其次為樟科的山倉(cāng)子 (6839 種)。云南省由于部分位于熱帶，以及其獨(dú)特的地形地貌，使得大部分植物在歷史更迭中得以保留，植物標(biāo)本的采集量也穩(wěn)居全國(guó)第一，成為我國(guó)生態(tài)熱點(diǎn)地區(qū)之一，其次為四川省。根據(jù)植物標(biāo)本在各省的采集情況，我們將統(tǒng)計(jì)后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?DIVA-GIS 上，根據(jù)采集地的經(jīng)緯度形成點(diǎn)狀分布，其分布密度即代表該地區(qū)的采集強(qiáng)度 (圖 4)。該空間地理圖無(wú)法反映出各個(gè)采集地點(diǎn)采集植物標(biāo)本物種數(shù)和采集頻度，僅反映了該地區(qū)是否涉足和標(biāo)本是否有采集記錄。為此，我們進(jìn)一步對(duì)各個(gè)省級(jí)單位植物標(biāo)本的代表性進(jìn)行了研究，統(tǒng)計(jì)了各省植物標(biāo)本被廣泛采集的五個(gè)科 (表 2)，并分析了各省代表性植物標(biāo)本。其中有 14 個(gè)省代表性植物為薔薇科 (Rosaceae)，有 12 個(gè)省代表植物為菊科 (Compositae)，廣西省、海南省、臺(tái)灣省代表植物為大戟科 (Euphorbiaceae) 植物，廣東省為茜草科 (Rubiaceae) 植物，香港省代表植物為衛(wèi)矛科 (Celastraceae) 植物，寧夏回族自治區(qū)為禾本科 (Gramineae) 植物，上海市為蓼科 (Polygonaceae) 植物。并列出了其他采集量較多的四個(gè)科，植物的生長(zhǎng)受到當(dāng)?shù)貧夂?、土壤以及地形的限制，因此各省的代表植物在一定程度上反?yīng)了該地區(qū)的氣候面貌。但我們發(fā)現(xiàn)菊科和薔薇科植物在各個(gè)省份均有廣泛分布，表明這兩種植物適應(yīng)性較強(qiáng)，同時(shí)其在進(jìn)化水平上的豐度也高于其他植物。

表1 十大植物命名人及命名植物數(shù)Table 1 The number of namer and named plants of top 10 plants

圖3 各省植物標(biāo)本采集強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistics of plant specimen collection intensity of each province

圖4 DIVA-GIS 作圖植物標(biāo)本采集的空間分布Fig.4 Spatial distribution of plant specimen collection by DIVA-GIS

表2 各省植物采集強(qiáng)度較大的科名統(tǒng)計(jì)Table 2 Family name statistics with strong plant collection intensity in each province

4 總結(jié)

標(biāo)本數(shù)字化可以為植物學(xué)研究以及其它研究提供客觀、全面和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，也可避免由于標(biāo)本的損毀而導(dǎo)致的生境、生態(tài)學(xué)、地理學(xué)等方面的信息的丟失。據(jù)記載，目前我國(guó)數(shù)字標(biāo)本館數(shù)目高達(dá) 318 個(gè)，植物標(biāo)本的數(shù)字化管理給植物工作者的研究帶來了便利的同時(shí)，由于植物信息的錄入和鑒別錯(cuò)誤也帶來了研究上的麻煩，為此進(jìn)行植物標(biāo)本館標(biāo)本信息的核對(duì)和統(tǒng)計(jì)分析可以有效避免以上矛盾。

兩大植物標(biāo)本館的標(biāo)本共計(jì) 216 萬(wàn)余份植物標(biāo)本，采集時(shí)間記錄跨越八個(gè)世紀(jì)，標(biāo)本數(shù)據(jù)的遺失以及信息的不完整性是植物標(biāo)本信息化儲(chǔ)存的主要擔(dān)憂。根據(jù)所提供的信息，除了部分標(biāo)本采集年份缺失，還包括命名人的缺失、生境的缺失以及采集人信息的缺失，并存在嚴(yán)重的標(biāo)本命名的錯(cuò)誤問題，這些問題更加肯定了對(duì)數(shù)字化標(biāo)本進(jìn)行修正和統(tǒng)計(jì)的必要性。統(tǒng)計(jì)結(jié)果同時(shí)反映出另一個(gè)重要問題，截至到目前，我國(guó)仍然存在 142 個(gè)科的植物已命名植物無(wú)采集信息，而類似于青藏高原、新疆等地區(qū)仍有大部分區(qū)域沒有任何植物標(biāo)本采集的記錄，在這些地區(qū)由于地廣人稀，存在著大量特有和極危植物，急需引起廣大研究者的關(guān)注。

隨著城市現(xiàn)代化的推進(jìn)，人類對(duì)自然界的干預(yù)越來越大，道路、水壩、采礦、開墾等對(duì)自然植被的破壞是巨大的，尤其是一些經(jīng)濟(jì)植物的大面積種植，極大地破壞了原有的自然植被，標(biāo)本信息成為研究這些地區(qū)植物與生態(tài)環(huán)境的寶貴數(shù)據(jù)資源。隨著城市化的不斷發(fā)展，很多地區(qū)的野生植被將會(huì)消失，植物標(biāo)本將是今后研究這些地區(qū)植物變遷的重要資料。因此，在采集自然保護(hù)區(qū)中植物標(biāo)本的同時(shí)，加強(qiáng)城鎮(zhèn)周圍植物標(biāo)本的采集很有必要。植物標(biāo)本的采集功在當(dāng)代，利在千秋，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)研究將起到重大促進(jìn)作用，對(duì)科研和經(jīng)濟(jì)建設(shè)都有重要的價(jià)值。