謝春平，劉大偉 ，吳顯坤，薛曉明，南程慧

(1.廣東海洋大學(xué) 濱海農(nóng)業(yè)學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.野生動(dòng)植物物證技術(shù)國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023)

全球氣候變化導(dǎo)致物種適宜生境喪失[1]，使物種的滅絕風(fēng)險(xiǎn)增加，尤其是對(duì)于瀕危物種的影響更大[2]。歷史的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)實(shí)狀況均表明：珍稀瀕危物種需要在人類(lèi)的幫助下才能得到有效的保護(hù)，遷地保護(hù)與引種擴(kuò)繁是其中最主要的措施之一[3]。水杉(Metasequoia glyptostroboides)、鵝掌楸(Liriodendron chinense)和香樟(Cinnamomum camphora)等珍稀瀕危植物已在城市園林綠化中得到廣泛地推廣應(yīng)用，其種群數(shù)量得到了可觀地增長(zhǎng)。因此，在加強(qiáng)就地保護(hù)的基礎(chǔ)上，選擇適宜的地點(diǎn)開(kāi)展行之有效的遷地保護(hù)與引種擴(kuò)繁對(duì)珍稀瀕危植物種群的延續(xù)和物種保存至關(guān)重要[4]。

影響物種分布的因素主要有非生物因素、生物因素以及物種的遷移能力，各種因素在不同空間尺度下發(fā)揮作用不同[5]。在大尺度范圍內(nèi)，氣候因素是決定植被類(lèi)型及其物種分布的最主要因素[6]。所以，科學(xué)合理地對(duì)引種目標(biāo)地氣候與原產(chǎn)地氣候進(jìn)行比較分析是成功引種的第一步。但是，引種目標(biāo)地與原產(chǎn)地的“氣候相似性”問(wèn)題是綜合復(fù)雜的，如兩地的溫?zé)嶂笜?biāo)相同而其降水量差別較大，或兩地的降水量基本一致但分布規(guī)律不同[7]，無(wú)法依據(jù)任何單一標(biāo)準(zhǔn)去評(píng)判。因此，環(huán)境條件的多變性和信息的模糊性，使得對(duì)目標(biāo)引種地氣候適宜性的評(píng)估缺乏綜合直觀的評(píng)判方法和數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)?；疑到y(tǒng)理論已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境和生態(tài)等眾多科學(xué)領(lǐng)域成功地解決了許多實(shí)際問(wèn)題，得到廣泛的應(yīng)用[8-10]；因此將其應(yīng)用在物種適宜引種地的評(píng)估可獲得較佳的效果[11]。

浙江楠(Phoebe chekiangensisC.B.Shang)隸屬于樟科(Lauraceae)楠屬(PhoebeNees)，不僅材質(zhì)優(yōu)良，可作為珍貴高檔家具和建筑材料；還因其樹(shù)形優(yōu)美端莊，可廣泛用于南方的園林綠化，亦可作為丘陵山區(qū)的宜林樹(shù)種[12]。但由于分布范圍狹窄、種群天然更新不良、人為干擾和生境破碎化等各種因素的影響，浙江楠這一珍貴的資源近于枯竭，處于瀕危狀態(tài)，現(xiàn)已被列入國(guó)家Ⅱ級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物[13]，目前僅局限分布于華東地區(qū)的浙江、安徽、江西和福建等少數(shù)地區(qū)。當(dāng)前，對(duì)浙江楠的研究主要集中在資源分布與利用、種群生態(tài)學(xué)、群落生物多樣性、種子生理、造林育種以及致危原因等方面[14]，對(duì)其資源的保護(hù)與利用方面發(fā)揮了積極作用。然而，系統(tǒng)深入地對(duì)浙江楠引種目的地的氣候適宜性的研究仍未見(jiàn)報(bào)道。為踐行習(xí)近平總書(shū)記“綠水青山就是金山銀山”的重要理念，江蘇省政府以發(fā)展材質(zhì)優(yōu)良、效益顯著、前景廣闊的珍貴鄉(xiāng)土樹(shù)種資源為重點(diǎn)，深挖造林潛力，大力推動(dòng)全社會(huì)參與國(guó)土綠化，出臺(tái)了《江蘇省珍貴用材樹(shù)種培育行動(dòng)方案(2016—2020)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《方案》)；同時(shí)，《方案》也明確提出了34 種珍貴造林樹(shù)種在江蘇地區(qū)的推廣栽培，浙江楠名列其中。

本研究基于灰色理論系統(tǒng)，將浙江楠目標(biāo)引種地(江蘇13 個(gè)地市)作為一個(gè)灰色系統(tǒng)，以其原產(chǎn)地(浙江杭州)作為參考理想地；并根據(jù)目標(biāo)引種地與原產(chǎn)地的19 個(gè)生物氣候指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度，結(jié)合主成分分析，提出浙江楠在江蘇各地引種的氣候適宜綜合評(píng)價(jià)模型，一方面可為浙江楠在江蘇地區(qū)的引種栽培和開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)，使浙江楠在江蘇地區(qū)的推廣栽培更貼合《方案》要求，符合“適地適樹(shù)”原則；另一方面亦可豐富綠色江蘇建設(shè)的樹(shù)種素材。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

江蘇省位于中國(guó)東部沿海地區(qū)，是長(zhǎng)三角洲的重要組成部分，其地理位置為E116°18′～121°57′，N30°45′～35°20′，陸地面積約10.72 萬(wàn)km2。地形以平原為主，同時(shí)在西南部地區(qū)有少量的丘陵山地，最高峰為北部連云港市的玉女峰(海拔625 m)。江蘇省水系發(fā)達(dá)，長(zhǎng)江、淮河、京杭大運(yùn)河、太湖、石臼湖及各類(lèi)大小湖泊縱橫交錯(cuò)。氣候區(qū)為亞熱帶向溫帶過(guò)渡區(qū)域，表現(xiàn)為四季分明、雨量適中和氣候溫和等。從北至南，氣溫和降水逐漸遞增：年均溫13～16 ℃，最熱月均溫為26～28 ℃，最冷月均溫為-1.0～3.3 ℃；年降水量700～1 200 mm。這種氣候遞變現(xiàn)象，相應(yīng)地也體現(xiàn)在植物的分布規(guī)律上[15]。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

將浙江楠天然分布點(diǎn)及目標(biāo)引種地(江蘇13 個(gè)地市)地理坐標(biāo)輸入DIVA-GIS 7.5 軟件中，并從軟件中提取19 個(gè)生物氣候數(shù)據(jù)。生物氣候數(shù)據(jù)來(lái)自Worldclim (http://www.worldclim.org)，其原理是通過(guò)世界各地氣象站的氣象觀測(cè)記錄，采用空間插值法生成的空間分辨率為2.5′ (約5 km2)的全球氣候數(shù)據(jù)包[16]。生物氣候數(shù)據(jù)包括19 項(xiàng)[17]，如表1 所示。

1.3 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析的基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來(lái)判斷因素間的聯(lián)系是否緊密，曲線越接近，相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)程度就越大，反之就越小；灰色關(guān)聯(lián)度越大，表明與樣本點(diǎn)條件越相似[18]。

(1)數(shù)列的構(gòu)建[19]。以浙江楠在杭州的平均生物氣候數(shù)據(jù)構(gòu)建已知參考數(shù)列：x0=。浙江楠目標(biāo)引種地生物氣候指標(biāo)的被比數(shù)列為：。上述數(shù)列中i，k=1，2，···，n。

(2)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化[20]。由于各生物氣候指標(biāo)的計(jì)量單位不同，指標(biāo)間數(shù)量差異較大，不同量綱之間無(wú)法比較，因此，在進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析時(shí)須對(duì)各定量評(píng)價(jià)值進(jìn)行無(wú)量綱化處理[21]，即：分別代表參考數(shù)列和被比數(shù)列的原始數(shù)據(jù)變換后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、樣本生物氣候數(shù)據(jù)、樣本平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差；具體計(jì)算過(guò)程由PAST 3.0 軟件完成。

(3)參考數(shù)列(x0)與被比數(shù)列(xi)的關(guān)聯(lián)系數(shù)[22]：。式中，分別為Δi(k)的極小值和極大值；ρ為分辨系數(shù)，是為了消弱最大絕對(duì)差因過(guò)大而失真的影響，以提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性而人為給定的系數(shù)，其值范圍為0.1～1.0[23]，本研究參考多數(shù)學(xué)者的做法取0.5[19,21,24]。

(4)等權(quán)關(guān)聯(lián)度。該指標(biāo)是對(duì)各性狀關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值，可反映目標(biāo)引種地之間的差異大小；關(guān)聯(lián)度大，表明目標(biāo)引種地與“理想產(chǎn)地”生物氣候環(huán)境的相似程度高，反之則差異大[25-26]。為避免信息過(guò)于分散及便于比較，將目標(biāo)引種地的生物氣候指標(biāo)與原產(chǎn)地相應(yīng)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)取算術(shù)平均值，定義為等權(quán)關(guān)聯(lián)度(δ)，公式為：

1.4 綜合評(píng)價(jià)模型

各生物氣候?qū)ξ锓N分布的影響貢獻(xiàn)率不同，故應(yīng)對(duì)較為重要的生物氣候因子進(jìn)行加權(quán)。一般加權(quán)方法是通過(guò)專(zhuān)家打分，但主觀因素較強(qiáng)。因此，本研究采用主成分分析法，利用特征向量的載荷和各主成分的貢獻(xiàn)率進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建[27]。

(1)主成分分析。本研究以浙江楠在浙江省杭州市內(nèi)的22 個(gè)分布點(diǎn)的19 項(xiàng)生物氣候因子，構(gòu)建19×22 的矩陣進(jìn)行主成分分析，獲得影響浙江楠天然分布的主導(dǎo)生物氣候因子。

(2)綜合評(píng)價(jià)模型。利用主成分的特征向量(X)，構(gòu)建主成分與關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的線性方程。特征向量(X)的載荷越大，說(shuō)明其重要性越高。本研究取累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)90%之前的n個(gè)主成分軸內(nèi)的4 個(gè)最大特征向量值構(gòu)建方程；再結(jié)合主成分各軸的方差貢獻(xiàn)率構(gòu)建浙江楠在目標(biāo)引種地的綜合評(píng)價(jià)模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 等權(quán)關(guān)聯(lián)度

通過(guò)表1 原始數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的絕對(duì)差值計(jì)算、關(guān)聯(lián)系數(shù)和等權(quán)關(guān)聯(lián)度等步驟，最終獲得浙江楠在江蘇各目標(biāo)引種城市的關(guān)聯(lián)系數(shù)和等權(quán)關(guān)聯(lián)度。由表2 可知：目標(biāo)引種地各城市與“理想產(chǎn)地”之間的等權(quán)關(guān)聯(lián)系數(shù)平均值為0.696，其范圍值0.523～0.834。綜合參考不同學(xué)者的研究觀點(diǎn)[23,28-29]，本研究根據(jù)等權(quán)關(guān)聯(lián)度的結(jié)果，以平均值為界線，大致可將13 個(gè)目標(biāo)引種地城市劃分為3 類(lèi)：I 類(lèi)為高適宜區(qū)，包括常州(0.834)、無(wú)錫(0.797)和蘇州(0.777)，為典型的江蘇南部地區(qū)；II 類(lèi)為中度適宜區(qū)，包括泰州(0.763)、南通(0.759)、揚(yáng)州(0.711)、鎮(zhèn)江(0.702)和南京(0.697)，可概括為江蘇中部地區(qū)；III 類(lèi)為低適宜區(qū)，包括鹽城(0.691)、淮安(0.648)、宿遷(0.579)、連云港(0.563)和徐州(0.523)，為江蘇北部地區(qū)。I 類(lèi)地區(qū)和II 類(lèi)地區(qū)為淮河以南的城市，其地理位置在中國(guó)亞熱帶北線的以南地區(qū)，這一劃分結(jié)果與杭州氣候特征為亞熱帶的屬性吻合。

2.2 主成分分析

由表3 可知：前4 個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為40.15%、27.07%、18.67 和6.41%，前4 個(gè)累計(jì)貢獻(xiàn)率已超90%；因此前4 個(gè)主成分足以代表浙江楠原產(chǎn)地的主要生物氣候信息。第1 主成分的貢獻(xiàn)率最大，其中Bio1 (年均溫)和Bio11 (最冷季均溫)的負(fù)載值均為0.33，Bio3 (晝夜溫差與年溫差比值)和Bio15 (降水變化方差)的負(fù)載值為0.32，這4 個(gè)值在第1 主成分中占有最重要的位置；由此可知：溫度是影響第1 主成分的主要因素。在第2 主成分中，Bio19 (最冷季均降水)、Bio17 (最干季降水)、Bio14 (最干月降水)和Bio12(年均降水)的載荷分別為0.38、0.37、0.33 和0.32，可知水分在該軸中的影響較大。尤其是冬季和夏季降水的影響，說(shuō)明浙江楠在原產(chǎn)地生長(zhǎng)對(duì)水分有一定的要求。第3 主成分中較為重要的生物氣候指標(biāo)是Bio4 (溫度變化方差)、Bio5 (極端高溫)、Bio7 (年溫度變化較差)和Bio10 (最熱季均溫)，可看出高溫對(duì)浙江楠也有一定的影響。

2.3 綜合評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

根據(jù)表3 前4 個(gè)主成分，取各主成分中的前4 個(gè)特征向量值，構(gòu)建主成分與等權(quán)關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的線性模型，即：Y1=0.33k1+0.32k3+0.33k11+0.32k15，Y2=0.32k12+0.33k14+0.37k17+0.38k19，Y3=0.36k4+0.43k5+0.41k7+0.39k10，Y4=0.58k8+0.24k9+0.38k14+0.28k17。由于每1 個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率不均等，因此各目標(biāo)引種城市的氣候適宜綜合評(píng)價(jià)模型應(yīng)考慮各主成分的貢獻(xiàn)率，故綜合評(píng)價(jià)模型方程為λ=0.401 5Y1+0.270 7Y2+0.186 7Y3+0.064 1Y4。利用該線性模型對(duì)擬引種的13 個(gè)城市進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其結(jié)果與排序見(jiàn)表4。由表4 可知：Ⅰ類(lèi)高適宜區(qū)(λ≥1.100)包括常州(1.182)、無(wú)錫(1.170)和蘇州(1.156)這3 個(gè)江蘇南部城市；Ⅱ類(lèi)中適宜區(qū)(0.900≤λ＜1.100)包括南通(1.055)、泰州(1.050)、南京 (1.009)、鎮(zhèn)江 (0.961)和揚(yáng)州(0.957)；Ⅲ類(lèi)低適宜區(qū)(λ＜0.900)則仍是江蘇北部的城市，包括鹽城(0.875)、淮安(0.790)、宿遷(0.721)、連云港(0.696)和徐州(0.669)。因此，綜合評(píng)價(jià)排序的結(jié)果與等權(quán)關(guān)聯(lián)度的結(jié)果在整體表現(xiàn)上基本一致。

結(jié)合等權(quán)關(guān)聯(lián)度和綜合評(píng)價(jià)模型的結(jié)果均表明：江蘇南部地區(qū)是浙江楠在江蘇引種較為適宜的地區(qū)。浙江楠在江蘇引種的適宜程度如圖1所示。

表2 江蘇目標(biāo)城市生物氣候指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)和等權(quán)關(guān)聯(lián)度Tab.2 Grey correlation and equal-weight correlation degree of each bioclimate in different cities of Jiangsu Province

表3 浙江楠天然分布區(qū)生物氣候指標(biāo)主成分分析Tab.3 Principal component analysis on bioclimate of natural distribution area for P.chekiangensis

3 討論

氣候?qū)ξ锓N的影響是一個(gè)綜合與長(zhǎng)期的過(guò)程，尤其是溫度和水分的影響，它們既可以影響植物光合、呼吸和蒸騰等代謝過(guò)程，也可以影響有機(jī)物的合成和運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程，最終影響植物的生長(zhǎng)與分布[30]。主成分分析的結(jié)果表明：影響浙江楠在原產(chǎn)地天然分布的最關(guān)鍵性因子是溫度。同時(shí)，等權(quán)關(guān)聯(lián)和綜合評(píng)價(jià)模型的結(jié)果均支持在江蘇南部地區(qū)引種浙江楠的適宜性高于江蘇中部和北部地區(qū)。在氣候大格局下，溫度是限制浙江楠向北分布的重要因素。因此，需關(guān)注最冷月均溫及極端低溫等因素對(duì)目標(biāo)引種地的影響。研究表明：浙江楠苗木在南京地區(qū)冬季多數(shù)會(huì)受到一定程度的輕微凍害[31]，這主要是因?yàn)檎憬M(jìn)入苗木硬化期時(shí)間較晚，導(dǎo)致部分來(lái)不及完全木質(zhì)化的苗木遭受寒潮的襲擊。為了避免苗木發(fā)生凍害，在初秋時(shí)節(jié)應(yīng)避免肥料的施用，同時(shí)通過(guò)控制土壤水分促使浙江楠苗木木質(zhì)化[32]。因此，在氣候指標(biāo)的指導(dǎo)下，應(yīng)加強(qiáng)浙江楠苗木在引種地的生理生態(tài)與適應(yīng)性研究。

從浙江楠原產(chǎn)地杭州的氣候指標(biāo)來(lái)看，年均溫和年降水量分別約為16 ℃和1 500 mm，具有熱量充沛和雨水豐富的亞熱帶氣候特征。與其臨近的江蘇南部城市蘇州、無(wú)錫和常州雖然年降水量有所減少，但年均溫等其他氣候因子均較為接近，因此在等權(quán)關(guān)聯(lián)和綜合評(píng)價(jià)模型的結(jié)果均支持上述3 個(gè)城市與“理想產(chǎn)地”具有較為相似的氣候特征。百年浙江楠古樹(shù)在蘇州的發(fā)現(xiàn)也證實(shí)了江蘇南部對(duì)浙江楠的引種具有較強(qiáng)的適宜性[12]。往北的南京、鎮(zhèn)江、揚(yáng)州、泰州和南通等5 個(gè)城市均在淮河以南地區(qū)，恰好是中國(guó)亞熱帶的北線，氣候特征大體上表現(xiàn)為最冷月的月均溫度在0～2 ℃，帶內(nèi)大多數(shù)地區(qū)的年降水量為750～1 300 mm[33]。該區(qū)域已是亞熱帶的北緣，受溫度影響浙江楠已有凍害的情況出現(xiàn)，故該區(qū)域?yàn)橹械冗m宜引種區(qū)。再往江蘇北部，鹽城、淮安、徐州、連云港和宿遷等5 個(gè)城市在氣候帶上已屬中國(guó)暖溫帶的南部地區(qū)，其年均溫和年降水量等水熱條件均不如前2 個(gè)區(qū)域，且極端低溫和最冷月均溫等也較為嚴(yán)酷，因此該區(qū)域可劃分為浙江楠引種的低適宜區(qū)。

不同學(xué)者對(duì)物種的引種適生區(qū)評(píng)估提出了許多模型，如層次分析法[34]、隸屬函數(shù)法[35]和長(zhǎng)期引種試驗(yàn)[36]等。雖然也可以獲得較好的研究結(jié)果，但均存在主觀評(píng)判、數(shù)據(jù)量大、樣本需服從某個(gè)典型的概率分布、時(shí)間長(zhǎng)和工作量大等問(wèn)題。本研究在灰色系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，建立“理想產(chǎn)地”，然后通過(guò)比較得到關(guān)聯(lián)度值，并結(jié)合主成分分析構(gòu)建了綜合評(píng)價(jià)模型，最終獲得目標(biāo)引種地的適宜性結(jié)果。這種方法采用了客觀的生物氣候指標(biāo)，避免了人為評(píng)判的主觀性，其分析結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)狀相吻合，說(shuō)明灰色系統(tǒng)理論與主成分分析方法相結(jié)合的評(píng)價(jià)模型適用于引種目的地適宜性評(píng)價(jià)。

表4 目標(biāo)引種地綜合評(píng)價(jià)模型Tab.4 Comprehensive evaluation model of target introduced cities

圖1 浙江楠在江蘇目標(biāo)引種地的適宜度Fig.1 Suitability area for P.chekiangensis in target introduced cities of Jiangsu Province

4 結(jié)論

利用灰色關(guān)聯(lián)度和主成分關(guān)鍵特征向量值構(gòu)建的引種適宜性綜合評(píng)價(jià)模型可將浙江楠在江蘇各地市的適宜性劃分為三類(lèi)。I 類(lèi)為高適宜引種區(qū)，包括常州、無(wú)錫和蘇州；II 類(lèi)為中適宜引種區(qū)，包括南京、鎮(zhèn)江、揚(yáng)州、泰州和南通；III 類(lèi)為低適宜引種區(qū)，包括鹽城、淮安、徐州、連云港和宿遷。浙江楠在江蘇適宜區(qū)的劃分結(jié)果可為該物種在本區(qū)域的推廣種植提供有價(jià)值的科學(xué)參考。