李鴻杰，呂志鵬，蘇小惠，王瑞君，石 峰

(1．甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天水 741020;2．天水市秦城區(qū)林業(yè)局，甘肅天水 741000)

紅豆杉植物 (Taxus Linn．)起源于古老的第三紀(jì)，在地球上已有250萬年的歷史。聯(lián)合國教科文組織1996年將其列為世界珍稀瀕危植物，為我國1999年第一批公布的一級重點(diǎn)保護(hù)野生植物，目前國內(nèi)產(chǎn)4種1變種，引入1種。甘肅省境內(nèi)以小隴山林區(qū)為主，有自然分布種中國豆杉 (Taxus chinensis)和引進(jìn)栽培的曼地亞紅豆杉 (Taxus media)兩種。近20年來，由于紅豆杉藥用、觀賞等價值的開發(fā)，引起國內(nèi)大范圍的紅豆杉栽培熱，甘肅省內(nèi)自2005年開始有成片栽培，吸引了較多的投資。但由于甘肅境內(nèi)氣候復(fù)雜多樣，盲目栽培極有可能造成大的經(jīng)濟(jì)損失。該文通過甘肅省各地30年 (1971年～2000年)的氣象資料［1］，采用灰色聚類分析法，對中國紅豆杉及曼地亞紅杉進(jìn)行了適應(yīng)性區(qū)劃，得到了適宜栽培區(qū)氣象指標(biāo)，為引種栽培提供指導(dǎo)。

1 研究方法與步驟

1.1 研究方法

聚類分析是農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)劃分析的一種較好方法，如在甜櫻桃生態(tài)區(qū)劃中采用模糊聚類分析法［2］，綜合農(nóng)業(yè)區(qū)劃分中采用多因子系統(tǒng)聚類分析法［3］等。灰色定權(quán)聚類分析法是一種區(qū)分聚類元素在聚類指標(biāo)下所屬類別的灰色決策方法［4］，首先對影響中國紅豆杉和曼地亞紅豆杉生長的環(huán)境因子進(jìn)行篩選、排序并確定其權(quán)重系數(shù)，把已知環(huán)境適宜情況視為白類并確定栽培指標(biāo)范圍，把待劃類地區(qū)的適宜性視為黑類，通過聚類方法在對白類分析的基礎(chǔ)上對黑類進(jìn)行判別。在甘肅省內(nèi)共選擇46個主要縣區(qū)進(jìn)行分析，東南部為暖溫帶、北亞熱帶氣候，從宏觀環(huán)境看，更有可能適宜紅豆杉生長，故布點(diǎn)多。

1.2 研究步驟

1．2．1 指標(biāo)篩選

中國紅豆杉分布于黃河以南暖溫帶、亞熱帶地區(qū)，分布海拔500～1 800m，四川西南部部分地區(qū)達(dá)2 700m［5］。紅豆杉在林隙或稀疏的冠層下生長更好，樹苗在透光率18．5%時生長量最高［6］;紅豆杉多沿江河、溪流或其他小氣候潮濕的地方分布，特別是在森林中［7］;紅豆杉生長地pH在4．36～8．15之間，不同調(diào)查點(diǎn)土壤堿解氮、有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀含量差異大，分別在20～557mg/kg、3．34～457．1mg/kg、0．9～178．3mg/kg、56～519mg/kg之間［8］，秦嶺西段小隴山林區(qū)紅豆杉主要生長在濕潤溫暖、腐殖質(zhì)厚度在10～20cm的石質(zhì)山地。

曼地亞紅豆杉自20世紀(jì)中期引入中國以來，全國許多地區(qū)已有引種栽培，但以暖溫帶、亞熱帶地區(qū)為主。栽培實(shí)踐表明，曼地亞紅豆杉在內(nèi)陸海拔460～2 000m，年最低氣溫不低于-25℃，夏季無明顯酷暑，土壤為中性或酸性、微堿性的地區(qū)均能生長，尤其在海拔500～1800m，氣候溫涼濕潤的亞熱帶山區(qū)生長最佳［8］;曼地亞紅豆杉50%遮陰率生長最好［9］，成年樹以透光率為70%時生長最佳，物質(zhì)的累積達(dá)到最大［10］。

在秦嶺西段小隴山林區(qū)，紅豆杉分布范圍較廣，其中榆樹林場有連片天然林分，海拔700～2 500m，集中分布區(qū)海拔1 090～1 230m，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫12．9～5．2℃，極端最高氣溫39．2℃，極端低氣溫-23．9℃，≥10℃積溫2 444～3 825℃，年降水量560～800mm，相對濕度68%～78%，無霜期154～218天;在麥積山林區(qū)，有零星中國紅豆杉自然分布，人工栽培的紅豆杉生長健壯，引種的曼地亞紅豆杉生長良好，該區(qū)海波800～2 400m處，年均溫為12～5．6℃，極高39℃，極低-23．5℃，年均降水量440～830mm，相對濕潤度68%，無霜期150～185天。

綜合分析，中國紅豆杉的主要分布區(qū)與曼地亞紅豆杉主要栽培區(qū)范圍接近，環(huán)境要求基本一致。適宜海拔600～2 000m，但由于甘肅境內(nèi)高山突兀，尤其是東南部同一地區(qū)高差大，故不作為聚類分析指標(biāo);雖然光照是紅豆杉生長分布的另一重要因子［11］，但主要為光照強(qiáng)度的影響，可通過營林措施改變，不作為主要分析因素;紅豆杉對土壤的適應(yīng)性較強(qiáng)，如果施以一定的改良措施，土壤因素并不是紅豆杉生存的限制因子。從中國紅豆杉自然分布區(qū)看，甘肅小隴山林區(qū)是最高緯度區(qū)，且有廣泛及連片的分布，同時該區(qū)引種曼地亞紅豆杉近10年，生長良好，因此小隴山林區(qū)可以作為海拔、氣溫、降水量條件的重要參照，結(jié)合國內(nèi)其它紅豆杉分布區(qū)氣象條件，確定中國紅豆杉及曼地亞紅豆杉適宜的年均溫適宜為12℃，下限為6℃;極端最低溫-20℃為適宜，下限為-30℃;年降水量≥600mm為適宜，400mm為下限;年均空氣相對濕度68%左右，無霜期180天左右。

1．2．2 指標(biāo)權(quán)重的確定

指標(biāo)權(quán)重系數(shù) (聚類權(quán))確定采用指標(biāo)排序法則［12］。按各環(huán)境指標(biāo)對紅豆杉栽培影響的重要性程度而由大到小排列指標(biāo)。年均溫反應(yīng)了紅豆杉生長的熱供應(yīng)量，直接決定生長量，排序第一;紅豆杉對空氣濕度的要求較高，排序第二;在自然生長狀態(tài)下，年降水量影響樹體正常的生長，排序第三;紅豆杉雖耐寒，但年極端最低溫直接決定了紅豆杉能否越冬與持續(xù)生存，排序第四;無霜期決定了紅豆杉的生長期，排序第五。以指標(biāo)所占重要性成數(shù) (即倒排序號值)為載荷值(aj)，按公式計(jì)算指標(biāo)貢獻(xiàn)率，即聚類權(quán) (表1)。

表1 指標(biāo)排序及權(quán)重系數(shù)

1．2．3 確定指標(biāo)等級及灰類的白化函數(shù)

按篩選的紅豆杉對環(huán)境因子的適應(yīng)性指標(biāo)，劃分指標(biāo)等級 (灰類)(表2)。

表2 各指標(biāo)值范圍

設(shè)fjk為j指標(biāo)第k個灰類的白化函數(shù)。根據(jù)指標(biāo)范圍畫出相應(yīng)的函數(shù)圖像，見圖1。

圖1 各指標(biāo)的白化函數(shù)圖像

1．2．4 計(jì)算定權(quán)聚類系數(shù)

對甘肅省不同地區(qū)的因子dij(i為地區(qū))查圖1，得到fjk，再利用公式可得第i個地區(qū)屬于k灰類的聚類系數(shù)σik。計(jì)算得到甘肅省主要縣區(qū)不同灰類的判別矩陣，利用公式k*=max{σik}，取各灰類矩陣最大值即為所判別地區(qū)的類型［13］(k類型)。

2 結(jié)果與分析

2．1 聚類系數(shù)及判定結(jié)果

計(jì)算得到36個縣區(qū)的聚類系數(shù)矩陣 (表3)。由判別矩陣得各地區(qū)所屬灰類。

表3 不同地區(qū)的聚類系數(shù)

13 成縣 0．991 7 0．762 0 0．616 2 1 36 慶陽0．825 2 0．942 9 0．845 0 2 14 康縣 0．969 4 0．746 5 0．600 8 1 37 合水0．841 4 0．925 6 0．826 6 2 15 徽縣 0．997 2 0．729 0 0．593 7 1 38 正寧0．849 3 0．901 9 0．822 3 2 16 兩當(dāng) 0．991 7 0．777 7 0．643 0 1 39 涇川0．882 7 0．937 3 0．785 9 2 17 酒泉 0．530 0 0．655 3 0．957 4 3 40 鎮(zhèn)原0．842 1 0．938 1 0．840 5 2 18 敦煌 0．561 1 0．667 2 0．898 1 3 41 崇信0．872 5 0．933 9 0．812 1 2 19 瑪曲 0．746 5 0．882 5 0．922 5 3 42 渭源0．751 2 0．863 1 0．920 2 3 20 通渭 0．720 7 0．843 4 0．933 5 3 43 榆中0．689 7 0．826 1 0．968 1 3 21 漳縣 0．777 1 0．893 0 0．906 8 3 44 靜寧0．745 3 0．889 4 0．934 4 3 22 舟曲 0．906 6 0．688 9 0．676 5 1 45 華池0．774 1 0．932 2 0．889 9 2 23 迭部 0．818 0 0．830 8 0．862 0 3 46 環(huán)縣0．759 0 0．914 8 0．892 8 2

由表3知，中國紅豆杉與曼地亞紅豆杉生長適宜區(qū)為隴東南地區(qū)的秦州、麥積、秦安、武都、文縣、成縣、康縣、徽縣、兩當(dāng)、舟曲;基本適宜區(qū)為以隴東南地區(qū)為主的宕昌、隴西、甘谷、武山、清水、張家川、禮縣、西和、平?jīng)?、莊浪、西峰、慶陽、合水、正寧、涇川、崇信、鎮(zhèn)原、華池、環(huán)縣;其他地區(qū)均為不適宜區(qū)。栽培區(qū)劃圖見圖2。

圖2 甘肅紅豆杉栽培區(qū)劃

2.2 紅豆杉適宜區(qū)氣象因子分析

甘肅省紅豆杉栽培適宜、基本適宜區(qū)的主要?dú)庀笠蜃右姳?。

紅豆杉適宜栽培區(qū)年平均溫度在12．14℃，年平均相對濕度67．8%，年平均降水量551．14mm，年平均日照1 804．09小時，平均無霜期210．4天，4月份均溫13．42℃，年絕對低溫≥-18．9℃，4月極低溫≥-6．9℃，年絕對最高溫≤38．6℃;站點(diǎn)海拔930～1 400m。

基本適宜栽培區(qū)年平均溫度9．11℃，年平均相對濕度66．11%，年平均降水量499．03mm，年日照平均時間2 224．64小時，平均無霜期168．32天，4月份均溫10．62℃，年絕對低溫≥-25．5℃，4月極低溫≥ -13．3℃，年絕對最高溫≤38．6℃;站點(diǎn)海拔1 028．8 ～1753．2m。

適宜區(qū)與基本適宜區(qū)主要?dú)庀笠蜃臃从吵?，紅豆杉喜溫暖濕潤、較耐低溫的特點(diǎn)。

表4 甘肅紅豆杉適宜栽培區(qū)的氣象因子

3 結(jié)論及討論

(1)通過選擇與中國紅豆杉及曼地亞紅豆杉生長關(guān)系密切的年均溫、空氣相對濕度、年降水量、年絕對最低溫、無霜期等5個氣象因子為指標(biāo)，采用定權(quán)灰色聚類分析方法得出:秦州、麥積、秦安、武都、文縣、成縣、康縣、徽縣、兩當(dāng)、舟曲等地為適宜區(qū)，位于隴東南暖溫帶、北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū);宕昌、隴西、甘谷、武山、清水、張家川、禮縣、西和、平?jīng)?、莊浪、西峰、慶陽、合水、正寧、涇川、崇信、鎮(zhèn)原、華池、環(huán)縣等地為基本適宜區(qū)，主要為隴東南暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)。

由于紅豆杉喜濕潤環(huán)境，適宜區(qū)的秦州、麥積區(qū)、秦安縣、武都、文縣等地在生長季干旱年份還需有人工補(bǔ)水條件;2012年3月下旬至4月初，天水麥積區(qū)出現(xiàn)-2～-4℃倒春寒及晚霜，個別地段出現(xiàn)曼地亞紅豆杉一年生枝凍枯現(xiàn)象。因此，春季返低溫也是栽培中要關(guān)注的一個因素。甘肅適宜區(qū)主要為梁峁溝壑地帶，海拔、坡向、坡位變化而引起環(huán)境條件的變化大，要注重栽培地的選擇，中國紅豆杉天然分布及曼地亞紅豆杉人工栽培情況顯示，山區(qū)以中下坡林下、林緣或河邊地最為理想?；具m宜區(qū)年降水量、空氣濕度較小，尤其是4月極低溫極可能造成樹體嚴(yán)重受害，可選擇小氣候條件較好的小地塊栽培，同時要適時人工補(bǔ)水。

(2)通過最適宜栽培區(qū)的氣象資料分析，可為中國紅豆杉及曼地亞紅豆杉人工栽培可行性論證提供一定的指導(dǎo)，即年均溫≥12．14℃，年平均相對濕度≥67．8%，年平均降水量≥551．14mm，年平均日照1 804．09小時左右，平均無霜期≥210．4天，年絕對低溫≥-18．9℃，年絕對最高溫≤38．6℃。

(3)資料顯示，中國紅豆杉與曼地亞紅豆杉適宜海拔大致為600～2 000m，由于海拔變化是對環(huán)境因子的再分配，因此，海拔范圍難于界定，參照本研究中的地區(qū)海拔，溫帶季風(fēng)氣候區(qū)海拔在1 400～1 600 m以下為宜，亞熱帶地區(qū)海拔可適當(dāng)提高。

［1］甘肅省氣象檔案館整編小組．甘肅省 (1971-2000)氣象資料匯編．蘭州:甘肅科學(xué)技術(shù)出版社，2002

［2］魏國芹，孫玉剛，安淼，等．山東省甜櫻桃生態(tài)區(qū)劃的模糊聚類分析．中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2011，32(6):71～74

［3］王洪鈞，曹洪淮．應(yīng)用多因子系統(tǒng)聚類分析法劃分沈陽市綜合農(nóng)業(yè)區(qū)．農(nóng)業(yè)區(qū)劃，1987，(3):31～35

［4］鄧聚龍．灰色預(yù)測與決策．武昌:華中工學(xué)院出版社，1986:97～105

［5］檀麗萍，陳振峰．中國紅豆杉資源．西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，21(6):113～117

［6］張茂欽，李達(dá)孝，左顯東，等．云南紅豆杉人工栽培及其生態(tài)生物學(xué)特性研究．林業(yè)科技通訊，1996，(3):8～12

［7］竇文煥，趙一慶，竇春蕊．陜西紅豆杉植物資源及其發(fā)利用策略．陜西林業(yè)科技，1995，(4):31～35

［8］張宗勤，劉志明．紅豆杉．陜西:西北農(nóng)業(yè)科技大學(xué)出版社，2010:74～78

［9］周文杰，蘆站根．曼地亞紅豆杉生物學(xué)特性研究．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35(8):2266～2267

［10］鮑思偉，談鋒．不同光強(qiáng)對曼地亞紅豆杉生長及生理代謝的影響．防護(hù)林科技，2009，(2):6～8

［11］彭少麟，王昌偉，李鳴光，等．影響紅豆杉生長的主要生態(tài)因子．中山大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2006，45(3):65～68

［12］席萬鵬，王有科．扁桃在甘肅適宜栽培區(qū)的灰色區(qū)劃研究．西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，21(1):94～96，114

［13］江希鈿，邱學(xué)清．灰色聚類在林木生長適宜性氣候評價上的應(yīng)用．中國林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，1989，(1):23～28