中国壳斗科植物空间分布及相似性研究

吴晓湲，邱丽氚，柳 涛

(太原师范学院 地理科学学院，山西 晋中 030619)



中国壳斗科植物空间分布及相似性研究

吴晓湲，邱丽氚，柳 涛

(太原师范学院 地理科学学院，山西 晋中 030619)

收集了中国32个省市区壳斗科植物属与种的数据，探讨了中国壳斗科植物空间分布规律，并利用Jaccard相似性系数，来揭示全国各省市区之间的密切关系。研究结果表明：壳斗科植物在中国的分布很广，属与种的分布均由西南至华南、再向北依次减少，其中栎属种的分布遍及全国(除新疆)，其余属种的分布集中分布于气候类型为亚热带和热带的南方地区。从属的相似性系数聚类水平上看，可以将中国壳斗科植物分布划分为3个区：北方少数区、南方丰富区和新疆孤立区；从种的相似性系数聚类水平上看，可以将中国壳斗科植物分布划分为5个区，各分区是地理上相近、气候类型基本一致的地区。

壳斗科；中国；空间分布；Jaccard相似性系数

1　引言

壳斗科(Fagaceae)植物是北半球热带、亚热带及温带森林植被的重要组成成分[1]，是我国森林重要的建群种。全世界壳斗科植物有8属约1047种[2]，而中国壳斗科植物有7属300多种[3]。该植物在森林生态的维护和平衡上起着重要作用，而且具有很高的实用经济价值[4]。

国内外已有大量对壳斗科植物地理分布与起源[3～15]、植物区系[16～19]以及与气候关系[20，21]等方面的研究。其中，刘茂松等人[3]用离差平方和法对壳斗科植物在中国的地理分布规律进行了研究，并得出了中国壳斗科植物的空间分布特点。地理信息系统软件是通过行采集、存储、管理、处理、分析和显示空间物体地理分布以及与之相关的属性，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统[22]。它很大程度上改变了现代地理学的研究方式，也成为一种重要的研究手段之一。而本研究基于全国各省区壳斗科植物属与种的数据，利用地理信息系统软件制作中国壳斗科植物空间分布的专题地图，探讨了中国壳斗科植物属与种的空间分布规律。

还有学者对部分省区的壳斗科植物进行了相似性研究，如左家哺[16]根据Bray-Curtis相异系数公式计算超过50种壳斗科植物的省(区)间的相异系数，对贵州与邻近地区壳斗科植物作了相似性的分析比较。刘彬彬等人[17]采用Sorenson相似性系数比较了浙江壳斗科植物区系与其他省区的差异性。戴波等人[18]通过对福建与其他毗邻地区壳斗科植物共有种的统计得出区系之间的关系。在这些研究中，尚未有人对中国壳斗科植物各省区的相似性系统研究且没有得出全国各省区的亲缘关系。本研究根据Jaccard相似性系数对中国32个省(除香港、澳门)壳斗科植物相似性指数聚类分区，揭示它们之间的亲缘关系，为今后有关中国壳斗科植物的研究提供理论依据。

2　材料与方法

2.1数据

本研究的数据来自中国数字植物标本馆(CVH)网站、中国在线植物志(eFlora)网站、中国树木志、部分省的植物志以及正式发表的论文(来源中国CNKI期刊数据库)对中国壳斗科的属与种的分布地点进行收集，栽培种等不计其中。

2.2方法

采用Jaccard[23]相似性公式：

Sj=c/(a+b-c)。

S为两地之间的相似性系数，c为A地与B地的公共属或公共种，a为A地的所有属数或种数，b为B地的所有属数或种数。数据统计分析与整理采用Excel，并通过SPSS22.0运用组内链接-平均欧式距离方法进行Jaccard相似性系数聚类，分别得出中国壳斗科植物各省之间属、种的聚类结果。

把中国地图扫描配准后，导入ArcGIS10.0作为底图。建立图层，设定中国各省区名称、壳斗科植物属与种的名称以及数量等属性数据，并进行矢量化建立图形数据，制作出对应的专题地图。

3　结果与分析

3.1属的空间分布

从属的空间分布来看，中国壳斗科植物属的分布很广(图1)，遍布全国31个省市区(除新疆外)，属数由南向北依次减少，跨越了中国由北向南的温带、亚热带、热带。

从属的数量分布来看，中国壳斗科植物属数在1～7之间，差异虽不大，但空间分布仍不平衡，如东北地区的黑龙江、吉林等省区只含1属，而西南地区的云南(7属)等、华南地区的广西(6属)等省区所含属数较多，主要分布在气候类型为热带与热带的地区，这里气温较高，降水量丰富，为壳斗科植物生长创造了良好的环境条件。

图1　中国壳斗科植物属性分布

从属的丰富度来看，丰富度最高的省区是云南，达7属；其次为浙江、安徽、福建等12省区丰富度较高，为6属；属的丰富度最少的省区有新疆(0属)、黑龙江等10个省区(1属)。

中国壳斗科植物有栎属(Quercus)、栗属(Castanea)、青冈属(Cyclobalanopsis)、柯属(Lithocarpus)、水青冈属(Fagus)、锥属(Castanopsis)、三棱栎属(TrigonobalanusForman)7属[24]。

从各属分布范围来看，栎属分布最广泛(图2a)，遍布全国各省区(除新疆外)；三棱栎属分布范围最小(图2b)，只分布于云南，为中国壳斗科植物的特有属；栗属、青冈属、柯属、水青冈属、锥属5属在中国南、北方均有分布(图2c、d、e、f、g)，但主要分布于气候类型为亚热带与热带的南方地区，南方的水、热条件良好适合于壳斗科植物的生长。

图2　中国壳斗科植物各属分布

从各属分布省区数量来看，除三棱栎属外，其他6属所占全国总省区均达到50%以上。

3.2属的相似性分析

根据各省区属的相似性指数进行聚类分析，得出结果(图3)，平均欧式距离取值为5，作为划分壳斗科植物属分区的标准比较合理，可以划分为3区(图4)。

图3属相似性系数的聚类

图4　中国壳斗科植物属级分区

属-Ⅰ区：内蒙、宁夏、河北、北京、天津、山东、青海、吉林、黑龙江、辽宁、山西11个省区的关系密切。该区含0-2属，各省区空间分布均为典型的北方地区，气候类型上表现出了较高的一致性，主要是中温带与暖温带，故称北方少数区。

属-Ⅱ区：新疆没有壳斗科植物的天然分布，为单独孤立的一区。

属-Ⅲ区：海南、西藏、重庆、广西、四川、贵州、浙江、湖南、广东、江西、湖北、安徽、福建、台湾、云南、江苏、上海、甘肃、河南、陕西20个省区的关系密切。该区含4-7属，各个省区在空间分布上主要为南方地区，气候以亚热带和热带为主，故称南方丰富区。

3.3种的空间分布

从种的数量空间分布来看，中国壳斗科植物种数在0～138种之间(图5)，空间分布极不平衡，南方地区种的数量明显多于北方地区。从种的丰富度来看，丰富度最高的省区有西南地区的云南和华南地区的广西、广东，并以该三省区为中心依次向北呈放射状逐步减少，可见该三省区是中国壳斗科植物的现代分布中心，且丰富度最高，说明三省区也是多样化中心。同时，壳斗科种的分布集中于亚热带和热带的西南、华南地区，因此，壳斗科植物的最适生长在热带与亚热带地区。华中地区、华东地区与青藏地区的西藏省区种的数量较多，其为亚热带地区，也适合壳斗植物的生长。华北地区种的数量较少，该地区为温带地区，温度低于亚热带地区，限制了壳斗科植物的生长。东北地区、西北地区、内蒙古地区和青藏地区的青海壳斗科种数量最少，这些地区纬度较高，气温较低，更加不利于壳斗科植物的生长。华中地区、华东地区与青藏地区的西藏与西南地区的云南、华南地区的广西、广东相近，壳斗科植物种的数量较云南、广西、广东少，东北地区、西北地区、内蒙古地区和青藏地区的青海与云南、广西、广东的距离较远，壳斗科植物种的数量更少，这说明距离分布中心越近，壳斗科植物种的数量越多，距离分布中心越远，壳斗科植物种的数量越少，壳斗科植物种的数量从分布中心由南向北。

图5　中国壳斗科植物种数分布

栎属种的分布很广，但集中分布于南方地区(图6a)，分布中心在西南地区的云南、四川、贵州三省区，并以该3省区为中心向四周逐渐减少；分布在北方的栎属种的数量很少，主要是适应性强的种类，如栓皮栎(Q.variabilis)、麻栎(Q.acutissima)、枹栎(Q.serrata)等；只分布于北方的种类，如蒙古栎(Q.mongolica)、河北栎(Q.hopeiensis)、辽东栎(Q.wutaishanica)等；北方的栎属种类也主要分布于陕西、甘肃、河南、山东等地。

三棱栎(Formanodendrondoichangensis)为三棱栎属的单种只分布于西南地区的云南(图6b)，成为中国壳斗科植物的特有种。

青冈属、柯属和锥属种的分布中心均在云南、广西、广东三省区(图6c、d、e)，并以该3省区为中心依次向北逐渐减少，且该属的种类分布于南方地区各省区与北方地区的西藏。

栗属的种只有2种，即茅栗(C.seguinii)、锥栗(C.henryi)。山西、河南、甘肃三省区含1种为茅栗，含2种的省区分布于中国北方地区的陕西、西藏和南方地区的绝大多数省区(图6f)。

水青冈属的种有4种，即米心水青冈(F.engleriana)、台湾水青冈(F.hayatae)、水青冈(F.longipertiolata)、光叶水青冈(F.lucida)。其中四川、湖南、浙江三省区分布最多，明显多于四周围地区。该属的种类分布于南方绝大多数省区和北方地区的陕西、甘肃、西藏。

3.4种的相似性分析

根据各省区种的相似性指数进行聚类，得出结果(图7)，平均欧式距离取值约为13，作为划分壳斗科植物种分区的标准比较合理，可以划分为5区(图8)。

种-Ⅰ区：青海、宁夏、黑龙江、内蒙。

种-Ⅱ区：吉林、北京、辽宁、天津、河北、山西、山东。该区主要为华北地区，气候类型上具有较高的相似性，共同特点是以暖温带季风性落叶阔叶林和森林草原气候为主，四季分明，气候较温和。

种-Ⅲ区：西藏、新疆、海南。其中西藏，主要为青藏区，地貌为青藏高原，并且由于各种山脉的阻隔，只与云南、四川、贵州有联系；海南与大陆的隔离，与广东、广西、福建有联系。

图6　中国壳斗科植物各属种数分布

图7　种相似性系数的聚类

图8　中国壳斗科植物种级分区

种-Ⅳ区：江苏、安徽、陕西、甘肃、河南、上海。该区明显在气候类型上，具有暖温带向亚热带明显地过渡性，同时从该区以南，纬度越低的区域，属数与种数在不断增加，因此称种-Ⅳ区为过渡性增长区。

种-Ⅴ区：广东、广西、江西、湖南、福建、台湾、浙江、湖北、重庆、四川、贵州、云南。该区以亚热带和热带气候为主，植物物种丰富，各省密切程度虽小，但省区之间联系广泛，具有水平分布上互相交汇，垂直分布上过渡的特点。

4　讨论

4.1壳斗科植物的分布规律与气候因子的关系

壳斗科植物在中国的分布很广泛，倪健等人[21]利用Holdridge的生命地带分类系统中各指标分析了中国壳斗科植物种38个优势种的分布与气候的关系。本研究利用壳斗科植物属与种的空间分布规律得出，青冈属、栗属、水青冈属、柯属、锥属种的分布集中分布于亚热带与热带的南方地区。只有栎属种的分布遍及全国(除新疆)，但分布在温带成分的北方地区较少，也集中分布于南方地区，而三棱栎属只分布于亚热带季风雨林气候和热带雨林气候的西南地区的云南。这说明壳斗科植物的空间分布与气候类型有着密切关系。

4.2属、种的空间分布与相似性比较

属数在0、1-2、4-7的空间分布省区与属的相似性聚类分区即属-Ⅰ区、属-Ⅱ区、属-Ⅲ区完全对应一致。种数在0-3的空间分布省区(除新疆)与种的相似性聚类分区的种-Ⅰ区完全对应一致，种数在4-15的空间分布省区与种的相似性聚类分区的种-Ⅱ区完全对应一致，种数在16-35的空间分布省区(除西藏)与种的相似性聚类分区的种-Ⅳ区，种在35-138之间的省区(除海南)与种的相似性聚类分区的种-Ⅴ区完全对应一致。这说明，相似性聚类结果和属数、种数相近的省区有着密切的联系。

属的空间分布规律与种的空间分布规律基本一致，即数量由南向北依次减少，且集中分布于南方地区，这说明，气候条件很大程度上决定了壳斗科植物的空间分布。

通过Jaccard相似性系数比较，可知，属的相似性系数>种的相似性系数。这说明，在各省区间壳斗科植物相似性比较中，分类级别越高,其相似性就越大。这一点与种子植物区系相似性研究相一致[23]。

从属级Jaccard相似性系数中可以看出，各省区所含属数越丰富，省区间的相似性系数越大，关系越密切。从种级Jaccard相似性系数中可以看出，各省区所含种数越丰富，省区间的相似性系数越小，关系越疏远。这说明，种数丰富的省区，种分化程度较大，差异明显。

从聚类分区结果中可以看出，种级分区(5区)多于属级分区(3区)，且种级分区归属于属级分区。属数在0-7之间，种在0-138之间，属数远远小于种数，各省区所含种数的情况比所含属数复杂，因此种级分区要多于属级分区。

4.3中国壳斗科植物的区域划分

从属级和种级相似性系数聚类的水平上看，将中国壳斗科植物空间分布分别划分为3个区、5个区；分区中各省区之间由于存在相近的地理位置和相似的气候类型，表现出了共性。如种-Ⅰ区、种-Ⅱ区中的各省区空间分布上不仅邻近，且公共种主要为具有典型性温带成分的辽东栎(Q.wutaishanica)、蒙古栎(Q.mongolica)等树种。种-Ⅲ区的新疆、西藏、海南等地理位置均较特殊导致形成一些特有树种，如西藏的石柯(L.pasania)、西藏石栎(L.xizangensis)、假西藏石栎(Li.pseudoxizangen)、墨脱青冈(C.motuoensi)等，海南的海南青冈(C.litorali)、吊罗山青冈(C.tiaoloshanic)等，造成与中国其他省区极不相似的主要原因。种-Ⅳ区在空间分布上具有连接南北具有交汇过渡的特点，且壳斗科植物在该区的分布也具有共有性温带与热带成分的组合，如栓皮栎(Q.variabilis)、槲树(Q.dentata)、槲栎(Q.aliena)、青冈(C.glauca)、小叶青冈(C.myrsinifolia)、水青冈(F.longipertiolata)、米心水青冈(F.englerian)、柯(L.glaber)等树种。种-Ⅴ区各省区集中都分布于亚热带与热带的南方地区，各省区所含种较丰富导致在相似性系数明显小于种-Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ区，因此各省区的地理状况对壳斗科植物分布的影响显而易见。

4.4创新之处

本研究利用地理信息系统软件制作了中国壳斗科植物空间分布的专题地图，首次探讨了全国壳斗科植物属与种的空间分布规律，并首次对全国各省壳斗科植物相似性进行了聚类分析和划分区域，这对中国植物区系的分区、古地理历史变化有着重要的意义。

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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

吴晓湲(1990—)，太原师范学院地理科学学院硕士研究生。

邱丽氚(1964—)，教授，硕士导师，主要从事植物地理学、环境、GIS等方向的研究。

S718

A

1674-9944(2016)15-0014-07