红花玉兰潜在引种气候适生区研究

施晓灯， 马履一， 段 劼， 桑子阳， 朱仲龙， 姚 娜， 周明明， 贾忠奎

（1．北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京100083；2.北京林业大学 国家能源非粮生物质原料研发中心，北京100083；3.五峰博翎红花玉兰科技发展有限公司，湖北宜昌443400）

木兰科Magnoliaceae植物在全世界有近11属246种，主要分布于亚洲东南部温带及热带、美洲中部等地［1－2］，木兰属Magnolia是木兰科中最大的属，中国是世界上木兰属植物最多的国家，被誉为 “木兰王国”。从中国西南部省区到东南部省区均有木兰属树种分布［3－4］。红花玉兰Magnolia wufengensis及其变种多瓣红花玉兰Magnolia wufengensisvar.multitepala是在湖北五峰发现的木兰科木兰属玉兰亚属Yulania Subgenus新种［5－6］。其树形高大，冠型优美，花被片数目、颜色、形状以及花型等存在丰富的变异。花被片数9～46，花色从深红到粉红具有7个色系［7］，花被片形状有卵形、倒卵形、狭倒卵形和长披针形等，花型有荷花型、月季型、菊花型和牡丹型等［7］。红花玉兰可作为城市绿化和山地景观造林树种，具有极高的观赏价值和巨大的开发利用潜力［8］。模糊数学是研究和揭示模糊现象的定量处理方法，广泛应用于模糊聚类分析、模糊模式识别、模糊综合评判、模糊线性规划等方面，在决策、土木、农业、林业、气象、风险评估等领域［9－15］已有相关研究成果。模糊相似优先比法是模糊数学中的重要内容，它是以成对的样品与一个固定样品同时作比较，以确定哪一个样品与固定样品最相似，在所有树木引种区划的数学方法中是较为合理的且应用较多的方法［16－17］。根据定义优先比的方法不同分为海明距离模糊相似优先比法和相对欧氏距离模糊相似优先比法［16］等。陆鼎煌等［18］曾采用海明距离（绝对值距离）模糊相似优先比法分析了油橄榄Olea europaea在中国的引种区划，区划结果与油橄榄实际调查引种现状几乎吻合。但袁嘉祖等［16］同时在2个生态环境相似性分析中指出海明距离模糊相似优先比法的不足之处在于分析的数据太多，计算繁琐。而相对欧氏距离模糊相似优先比法计算起来相对简便，结果与前者基本一致，如果再考虑各个因素的权重，划分出的相似性结果会更可靠［19］。有祥亮等［20］利用相对欧氏距离模糊相似优先比法对中国引种栓皮槭Acer campestre进行了生态适生区划分，并分别提出了相应的栽培措施。同时还有日本甜柿Diospyros kaki［21］， 美国黄松Pinus ponderosa［22］， 梭梭Haloxylon ammodendron［23］等均采用此方法取得了较好的适生区划分结果。为保证红花玉兰能够成功引种到原生地以外区域，本研究通过应用模糊数学原理［9］，采用相对欧氏距离模糊相似优先比法分析和划分红花玉兰引种气候适生区，为相应植物引种提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 气候因子选择

查阅影响植物生长发育的主要气候因子［24－27］，并依据红花玉兰生长特性对气候的需求［28］，选取年平均气温T1（℃），最热月平均气温T2（℃）， 最冷月平均气温T3（℃），极端最高气温T4（℃），极端最低气温T5（℃）， 年平均降水量T6（mm）， 年平均风速T7（m·s－1）， 年平均相对湿度T8（%）， 年日照时数T9（h）等 9个气候因子作为模糊相似优先比分析的因素。

1.2 资料收集与整理

按照全面、详细、有代表性的原则，选取全国32个省（市、自治区）196个气象观测站点进行模糊相似优先比排序分析。红花玉兰是多年生树种，生长发育受到长期气候影响，因此，选择的各个气象观测站点的资料为1981－2010年30 a的平均值（表1）。固定样地的气象数据采用红花玉兰原生地湖北省五峰土家族自治县1981-2010年相关气象数据均值。气象数据大部分来自中国气象局气象数据中心（http：//data.cma.cn/site/index.html），个别站点数据来源于各省（市、自治区）气象网站。

表1 全国196个台站的1981-2010年主要气候要素值Table 1 Values of the main climatic elements of 196 stations of China （the average value from 1981 to 2010）

1.3 数据处理与分析方法

试验采用相对欧氏距离模糊相似优先比法，用Excel 2007和SPSS 22.0软件对各地气候数据进行分析，再依据分析的结果，划分红花玉兰引种气候适生区。

x={x1，x2，…， xn，x0}，n=1， 2，…，196;T={T1，T2，…，Tm}， m=1，2， …，9;xi={xi1，xi2，…，xim}， i=1， 2， …， n;xj={xj1， xj2， …， xjm}， j=1， 2， …， n。 其中： x1， x2， …， xn表示全国 196个气象观测站样本；T1，T2，…，Tm为9个气候因子；xi，xj为其中任意2个样本；x0表示湖北五峰气象观测站，即固定样本。

先对中国气象局气象数据中心下载的数据进行标准化处理，去除量纲对数据的影响，采用极差正规化方法。公式如下：

式（1）中：ximax，ximin分别是第m个因子中的极大值和极小值，x′im∈［0， 1］。

根据层次分析法［29］对因子之间相对重要性标度（表2）进行打分,然后用求平均及四舍五入的方法构造判断矩阵（表3），求出各因素的权重值Ws。用归一后的各气候因子值x′im数据与相对应的权重 Ws相乘， 得到 x″im。 即： x″im=x′im×Ws。

用相对欧氏距离计算被选样品 xi与固定样品x0之间的差距（Di0）。

表2 相对重要性标度Table 2 Means of relative importance scale

表3 红花玉兰气候因子判断矩阵Table 3 Estimation matrix of climatic elements of Magnolia wufengensis

计算相似优先比（rij）：

式（2）中：rji=1－rij，当i=j时，rij=1。另外，令rij=rji=1，其中，i，j为备选样品，k为固定样品。

取λ水平截集，计算出全国196个站点与固定样本的相似顺序。即从表3矩阵中的元素，求出每行的最小值组成一列，将此列中的最大值所在的行所对应的样本记为1，即该样本与固定样本最相似，然后删除该行及相对应的列，重复上述过程，再依次求取相似样品，序号为2，3，4，…，196等。

2 结果与分析

2.1 确定气候因子权重

依据表3可得出各个气候因子权重值（表4），并对表3进行一致性检验得出其最大特征根λmax=9.729 4，一致性指标IC=0.091 18，平均随机一致性指标IR=1.46，随机一致性比率RC=0.062 45＜0.1，表明该矩阵具有令人满意的一致性，得出的权重值不需要调整。

表4 各个气候因子权重值Table 4 Weights of each climatic factors

2.2 建立模糊相似优先比矩阵

通过式（3）求得模糊相似优先比矩阵R，R=［rij］n×n（表 5）。 其中： 元素r（xi，xj）表示xi，xj与固定样地x0比较时，xi比xj或者xj比xi的优越程度，若rij∈［0.5，1.0］，则表示xi比xj优先； 若rij∈［0， 0.5］， 则表示xj比xi优先。

2.3 划分适宜区

根据表5红花玉兰模糊相似优先比矩阵采用λ水平截集的计算结果，将各台站按序号值从小到大进行排列（表6），表中序号值的大小基本反映了全国196个气象观测站综合气候生态条件与红花玉兰原产地五峰相似程度的大小：序号越小，表示相似程度越高；序号越大，表示相似程度越低。根据引种的气候相似性原理，将中国引种的红花玉兰的气候适生区大致划分如表6所示，详细气候因子划分范围见表7。

2.3.1 适宜区 该区序号值最靠前，且相对欧氏距离值均小于等于0.02，与红花玉兰原产地五峰气候条件最相似（表8），主要包括：①华东、华中地区：从地域上看，该区包含地点分别属于黄淮平原、长江中下游平原、江南丘陵、浙闽丘陵西北部。该区主要以亚热带温湿季风气候为主，地处湿润区，与原产地湖北五峰有非常相似的水热条件，四季分明，降水丰富，冬季气温较温和，夏季气温偏高，雨热同期，降水量多集中在夏季，容易形成高温高湿的环境，造成圃地内涝，发生病虫害，其中红花玉兰主要病害是叶片表面盖满煤污状黑霉的煤污病和从根茎部开始腐烂的根腐病，主要虫害是刺吸性害虫，如红蜘蛛Tetranychus cinnbarinus，斑潜蝇Liriomyza，粉蚧Pseudococcus等。因此在引种栽植红花玉兰时应选择适宜的立地条件，若在低洼地段应做高床，夏季及时做好圃地清理及排水工作。发生煤污病需喷质量分数为0.3%～0.5%波尔多液进行防治，根腐病可采用500倍多菌灵喷洒，连续打药2～3次，基本上可控制病情发展，刺吸类害虫用氧化乐果500～1 000倍液喷雾。②华南、西南地区：从地域上看，该区包含地点分别属于四川盆地东南部、云贵高原东北部、浙闽丘陵东南部和两广丘陵北部。主要以亚热带季风气候为主，地处湿润区，气候温和，湿度较大，例如四川万源，云南昆明、大理等地四季如春，但是需要注意一些地区降雨季节分配不均，夏秋季引种容易遭受较长期的干旱，红花玉兰较难成活，因此这些地区引种栽植红花玉兰时，遇到较大旱情需要及时增加灌溉等抗旱措施。

表5 红花玉兰模糊相似优先比矩阵Table 5 Fuzzy similitude priority ratio matrix of Magnolia wufengensis

表6 各站点引种红花玉兰适应性排序Table 6 Order of stations of China according to the suitability of ordinal numbers

表6 （续）Table 6 Continued

表7 各类适生区气候因子对比Table 7 Comparison of climate factor types for each suitability county （city）

表8 红花玉兰引种适宜区Table 8 Suitable area for the introduction of Magnolia wufengensis

2.3.2 次适宜区 该区序号值排在适宜区之后，且欧氏距离为0.02～0.04，主要是适宜区向四周扩散的区域，综合气候条件与红花玉兰原产地五峰有一定差异（表9）。主要包括：①华南地区、西南区。从地域上看，该区包含地点分别属于四川盆地西北部、云贵高原西南部，两广丘陵以南，雷州半岛，海南岛和台湾岛。该区以亚热带季风气候为主，部分高海拔地区为山地气候，地跨湿润区、半湿润区。与适宜区相比，西南山区海拔较高，气候变化幅度较大，引种红花玉兰需要栽植在海拔较低的区域，同时在个别干热河谷，区域内光热资源丰富，气候炎热少雨，水土流失严重，生态十分脆弱，寒、旱、风、虫、草、火等自然灾害特别突出，需要注意这些地区不适宜引种红花玉兰。华南地区夏季相对适宜区更加高温高湿，太阳辐射更强，雨热同期时间更长，台风、洪涝灾害频发。这些地区引种红花玉兰需要注意地形地势的选择，远离洪涝频发区域，发生病虫害应及时进行治理，以防蔓延，出现内涝及时疏通清理，减少引种红花玉兰的死亡。②华东、华北、东北地区。从地域上看，该区包含地点分别属于晋冀鲁山地丘陵地带，华北平原以及辽东半岛，以暖温带大陆性季风气候为主，地处半湿润区。该区光照充足，冬季寒冷干燥，风速较大，夏季高温炎热，年平均降水量偏少，最冷月均温较低，苗龄低于3～4 a的红花玉兰无法自然越冬，因此，在引种此类苗龄红花玉兰时冬季需要采取适当的防寒措施，保护红花玉兰安全越冬。目前，园林绿化方面应用比较成熟的防寒措施有搭建防风障和使用保温棉进行树木包裹并覆土。夏季高日照会引起红花玉兰叶片日灼等伤害，需要搭建遮阳网，同时注意高温干旱会引起红花玉兰苗木生长不适等状况，需及时进行人工灌溉。③西北地区。从地域上看，该区包含地点分别属于黄土高原中部，青藏高原东南部地区。该区以温带季风性气候为主，地处半湿润区，水、热条件基本能满足红花玉兰生长需求，但是最冷月均温较低，3～4年生红花玉兰无法自然越冬，需要对红花玉兰进行越冬保护，如搭建防风障，使用保温棉进行苗木包裹并覆土等，还要做好灌溉设施配套和管理，充分利用好水资源，常年对红花玉兰进行人工灌溉。同时在引进红花玉兰不同品种时，尽量挑选抗旱、抗寒性强的品种。

表9 红花玉兰引种次适宜区Table 9 Sub-suitable area for the introduction of Magnolia wufengensis

2.3.3 不适宜区 该区序号排在最后，且相对欧氏距离大于0.04，综合气候条件与红花玉兰原产地五峰具有较大差异（表10）。主要包括：①东北地区。该区从地域上看属于东北平原，主要以温带季风性气候为主，地跨湿润区、半湿润区。该区光照充足，但是最冷月均温远低于红花玉兰原产地五峰，冬春低温干旱时间过长，不适宜红花玉兰生长。②西北地区。该区从地域上看属于黄土高原西北部，青藏高原西北部，新疆，内蒙古等地，主要以温带大陆性气候为主，地跨半干旱区和旱区。该区光照条件丰富，冬季寒冷干燥，夏季高温，但是水、热条件较差，最冷月均温远低于红花玉兰原产地，风、旱、雪、冻灾害频发，土地荒漠化严重，大部分是干旱地区，因此，在该区不适合引种红花玉兰。

表10 红花玉兰引种不适宜区Table 10 Un-suitable area for the introduction of Magnolia wufengensis

3 结论

红花玉兰在中国引种的适宜区包括黄淮平原、长江中下游平原、江南丘陵、浙闽丘陵、四川盆地东南部、云贵高原东北部和两广丘陵北部。该区受亚热带季风影响，夏季温度偏高，雨热同期，降水量多集中在夏季，容易形成圃地内涝和病虫害，因此该区引种红花玉兰在夏季要及时做好圃地清理、病虫害防治及排水工作。目前，生产上已经在上述引种适宜区中的安徽滁州，江苏常州、南京，上海，河南南阳，湖南娄底，广西柳州，贵州贵阳和云南昆明等地进行了小范围引种并且生长表现良好。建议这些地区可以扩大引种。

红花玉兰在中国引种的次适宜区包括四川盆地西北部、云贵高原西南部、两广丘陵以南、雷州半岛、海南岛和台湾岛、晋冀鲁山地丘陵地带、华北平原、辽东半岛、黄土高原中部及青藏高原东南部地区。该区南部台风、洪涝等自然灾害较多，引种红花玉兰需要注意地形地势的选择。北部地区持续低温时间较长且极端气温较低，栽植苗龄为3～4年生及以下的红花玉兰易受冻害，应进行越冬防寒，西北部还需常年进行灌溉。目前，生产上已经在上述引种次适宜区的辽宁丹东、甘肃天水、河北石家庄、天津蓟县、北京海淀、山东临沂等地也进行了小范围引种红花玉兰。在夏季这些地区容易干旱导致红花玉兰生长不良，所以应增加灌溉，在冬季发现这些地区红花玉兰若不采取保护措施会发生生理干旱导致枯稍，因此，冬季应对红花玉兰进行防寒。

红花玉兰在中国引种的不适宜区包括东北平原、黄土高原西北部、青藏高原西北部、新疆和内蒙古等地。目前，陕西西安进行了红花玉兰少量引种，但是此地属于红花玉兰引种不适宜区，若需种植必须采取保护地栽培。

4 讨论

湖北、湖南、河南、浙江、福建、江西、安徽、云南、贵州、四川等省为红花玉兰的引种适宜区。这些地区属于亚热带季风气候，水热条件较好，寒害冻害风险低，影响红花玉兰生长的极端气候因子较少，非常适合红花玉兰的生长。该区天然分布木兰属树种占到全国种的93.9%［30］，而且这些地区的木兰属树种与变异最为丰富［31］，其中云南（10属69种）、四川（5属24种）、广西（7属36种）、广东（5属27种）等地是木兰属树种的现代分布中心［32－33］，说明该区划结果可靠，可为红花玉兰的大范围引种提供科学依据。

红花玉兰的半致死温度为－15℃，但是在适宜区中的江苏沐阳、徐州、泗洪，安徽亳州，河南驻马店等地极端气温低于－15℃，如果单从极端最低气温角度考虑，这些地区是不适宜引种红花玉兰的。因此像这样的站点在引种红花玉兰时必须挑选适当的品种，充分考虑引种地小气候条件，针对限制因子采取相对应的栽培措施。

在植物潜在引种气候适生区区划研究中，指标体系的选择构建、指标权重确定对区划结果的可靠性有直接影响。在构建区划指标体系中，本研究综合考虑了红花玉兰生长过程中所有可能限制红花玉兰分布的气候因子，并在指标权重方面，考虑到各个因子对红花玉兰生长发育所起的作用（即权重）是不同的，因此，采用专家打分法和层次分析法相结合的方法确定权重，避免了以往单纯依赖专家主观打分带来的局限性，更加注重内在逻辑性，使权重确定更加具有科学合理性。本研究仅分析了植物引种气候相似性原理中的气候因素，但是引种红花玉兰能否成功是其遗传基因和环境共同作用的结果，此过程不仅受气候因子的影响，当地的地形、海拔、土壤条件以及其他非生物因素等都可能影响其成活和生长［21］，例如胡建忠［24］在植物引种栽培试验研究方法中所提到的风土驯化理论就考虑了不只气候——“风”这一个因素，还有 “土”，即指土壤也影响着植物引种的成功。

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