湖北竹類的氣候區(qū)劃研究

熊德禮 吳志莊 李奇才崔鴻俠 涂繼芳 王綱國

(1 湖北省林業(yè)科學(xué)研究院 湖北 武漢 430079 2 國家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心 浙江 杭州 310012 3 國有赤壁市官塘驛林場(chǎng) 湖北 赤壁 437300)

湖北竹類的氣候區(qū)劃研究

熊德禮1吳志莊2李奇才3崔鴻俠1涂繼芳3王綱國3

(1 湖北省林業(yè)科學(xué)研究院 湖北 武漢 430079 2 國家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心 浙江 杭州 310012 3 國有赤壁市官塘驛林場(chǎng) 湖北 赤壁 437300)

根據(jù)氣候相似性和地域差異性原理，選擇湖北76個(gè)縣(市區(qū))的與竹相關(guān)的16個(gè)氣候因子，進(jìn)行主成分分析和聚類分析，繪制散點(diǎn)圖，從而確定三大區(qū)劃界線，將隸屬于2個(gè)中國竹區(qū)的湖北竹林分為4個(gè)竹區(qū)、8個(gè)亞區(qū)。

湖北；竹類；氣候因子；區(qū)劃

湖北是中國中部的二級(jí)階梯和三級(jí)階梯之間的過渡地帶，隸屬于亞熱帶常綠闊葉林區(qū)域的東部（濕潤）常綠闊葉林亞域，包括北亞熱帶常綠--落葉混交林地帶和中亞熱帶常綠闊葉林北部亞熱帶等2個(gè)地帶。據(jù)調(diào)查[1-3]，湖北鄉(xiāng)土竹14屬65種，以剛竹屬、箬竹屬、慈竹屬為代表；現(xiàn)有竹類21屬171種，竹林13萬hm2，居國內(nèi)第8位。湖北竹類區(qū)系較為復(fù)雜，竹亞科植物東西滲透，南北交匯，聚散生竹區(qū)、混合竹區(qū)和叢生竹（慈竹）區(qū)于一體。湖北竹類的區(qū)劃研究，有助于本地區(qū)的竹產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，也有利于中國的南竹北移和西竹東進(jìn)。

1 竹類自然分布

30多年來，中國竹類的分布區(qū)劃出現(xiàn)了幾種版本[4-10]。各個(gè)版本之間，一級(jí)區(qū)劃的界線互不相同，對(duì)湖北等邊緣產(chǎn)區(qū)、甚至湖南等中心產(chǎn)區(qū)的歸屬有較大出入。主要是：（1）《中國植被》（1980）將湖北整體納入華中亞熱帶散生竹區(qū)；（2）《中國竹譜》（陳守良、賈良智，1986）將恩施州劃入地下莖粗短型竹類自然分布區(qū)，其它地區(qū)歸入地下莖細(xì)長型竹類自然分布區(qū)；（3）梁泰然（1990）將湖北整體劃入降水性竹林帶，其中：恩施州屬于混合竹林區(qū)，其它地區(qū)屬于散生竹林區(qū)；（4）《竹林培育》（熊文愈等，1974）、《竹林培育學(xué)》（周芳純，1998）將十堰、襄樊2市劃入黃河--長江竹區(qū)，其它地區(qū)歸入長江--南嶺竹區(qū)；（5）《中國竹子培育和利用手冊(cè)》（薛紀(jì)如等，2002）將湖北整體納入北方散生竹區(qū)；（6）《中國竹林經(jīng)營學(xué)》（蕭江華，2010）將湖北整體歸入中部亞熱帶混生竹區(qū)。因此，中國混合竹區(qū)的北界和西界問題值得進(jìn)一步研究。

2 材料與方法

影響竹類的生態(tài)因子很多，以溫度和水分為主。溫度是影響竹子生存的主導(dǎo)因子。年均溫、最冷月均溫、極端低溫、極端高溫、≥10℃積溫等因素，不同程度地影響了竹類的出筍和成竹。水分也限制了竹類分布。年降水量小于500mm、平均相對(duì)濕度小于65%的地區(qū)，竹林難以生長；年降水量1 400mm以上、溫暖濕潤的地區(qū)，生長的竹類以叢生竹為主; 而年降水量800～1 400mm的地區(qū)，散生竹生長最旺盛。經(jīng)度、緯度等也可列入竹類區(qū)劃的因素。

2.1 材料收集

收集全省76個(gè)縣（市區(qū)）的地理資料和10年氣象資料(《湖北省氣象年鑒》，1995-2004)。共16個(gè)因子，即：年平均氣溫(℃)(x1)，極端最低氣溫(℃)(x2)，極端最高氣溫(℃)(x3)，1月平均氣溫(℃)(x4)，7月平均氣溫(℃)(x5)，≥10℃積溫(℃)(x6)，4～10月日照時(shí)數(shù)(h)(x7)，年日照時(shí)數(shù)(h)(x8)，4～10月降水量(mm)(x9)，年降水量(mm)(x10)，雨季降水量占全年降水量的百分比(%)(x11)，年蒸發(fā)量(mm)(x12)，平均相對(duì)濕度(%)(x13)，無霜期天數(shù)(d)(x14)，經(jīng)度(°)(x15)，緯度(°)(x16)。

2.2 數(shù)據(jù)分析原理

2.2.1 主成分分析

2.2.2 聚類分析

篩選判別因子，根據(jù)各因子對(duì)主成分的影響力選擇主導(dǎo)因子，建立得分函數(shù)：yi=aix1+bix2+…nixn（i為入選的主成分?jǐn)?shù)，a、b…n為因子負(fù)荷量）。將各縣（市區(qū)）標(biāo)準(zhǔn)化后的n個(gè)指標(biāo)代入得分函數(shù)中，求出yi值。在坐標(biāo)系上找出對(duì)應(yīng)點(diǎn)，進(jìn)行樣本散點(diǎn)分析，通過R型最短距離聚類，結(jié)合湖北竹類的地理分布規(guī)律進(jìn)行區(qū)劃。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用SAS9.0軟件處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 主成分分析

表1 各主成分的特征根、不同值、累計(jì)貢獻(xiàn)率Tab1 Result of Principal Component Analysis

對(duì)76個(gè)縣（市區(qū)）16個(gè)因子作R型主成分分析，前4個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)83.25%，已能綜合反映入選因子的絕大部分信息（如表1）。各因子在4個(gè)主成分中所占份額通過因子負(fù)荷量來表達(dá)（如表2）。由表2可以看出：

（1）對(duì)前4個(gè)主成分影響最大的因子是年降水量（x10），因子負(fù)荷量平方和為0.96780，該因子對(duì)第2主成分的負(fù)荷量為0.94797。4～10月降水量（x9）因子負(fù)荷量平方和為0.939 80，對(duì)第2主分量的負(fù)荷量為0.934 26，遠(yuǎn)超過其它因子對(duì)于第2主成分的影響。因此，第2主成分是反應(yīng)濕度的主要指標(biāo)。

（2）對(duì)前4個(gè)主成分影響較大的因子依次為：≥10℃積溫（x6），年蒸發(fā)量（x12），7月平均氣溫（x5），年平均氣溫（x1）和1月平均氣溫（x4），各因子負(fù)荷量平方和分別為0.959 10，0.959 10，0.949 77，0.938 20和0.927 79，對(duì)第1主成分的負(fù)荷量分別為0.866 21,0.866 21,0.912 91，0.766 79和0.269 37。而極端最高氣溫（x3）、4～10月日照時(shí)數(shù)（x7）和年日照時(shí)數(shù)（x8）對(duì)第1主成分的負(fù)荷量分別為0.622 21，0.770 44和0.744 47，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它因子對(duì)第1主成分的影響。因此，第1主成分是反應(yīng)熱度的主要指標(biāo)。

（3）第3主成分體現(xiàn)的是綜合指標(biāo)。對(duì)第3主成分的影響較大的是無霜期（x14），極端最低氣溫（x2）和1月平均氣溫（x4），因子負(fù)荷量依分別為0.887 04，0.873 17和0.778 88。

（4）第4主成分為體現(xiàn)熱度的副指標(biāo)。對(duì)第4主成分影響較大的是相對(duì)濕度（x13）、年蒸發(fā)量（x12）、≥10℃積溫（x6）、7月平均氣溫（x5）、1月平均氣溫（x4）和年平均氣溫（x1）。

因此，主成分分析較客觀地反映了各因子間的相關(guān)性，以及對(duì)竹類的影響。根據(jù)表1，前2個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到67.59%，數(shù)據(jù)分析時(shí)可用它們來代表所有主成分的信息量。

3.2 聚類分析

從表2可看出，16個(gè)因子按負(fù)荷量平方和的大小可排序?yàn)?年降水量(x10)(0.967 80)、≥10℃積溫(x6)(0.959 10)、年蒸發(fā)量(x12)(0.959 10)、7月平均氣溫(x5)(0.949 77)、4-10月降水量(x9)(0.939 80)、年平均氣溫(x1)(0.938 20)、1月平均氣溫(x4)(0.927 79)、經(jīng)度(x15)(0.923 80)、年日照時(shí)數(shù)(x8)(0.882 13)、無霜期天數(shù)(x14)(0.879 85)、緯度(x16)(0.863 01)、4-6月日照時(shí)數(shù)(x7)(0.836 78)、極端最低氣溫(x2)(0.830 67)、相對(duì)濕度(x13)(0.791 89)、極端最高氣溫(x3)(0.433 40)和雨季降水量(x11)(0.237 39)。其中，x10、x9是反映水分因子的指標(biāo)，x6、x12、x5、x1、x4是反映溫度因子的指標(biāo)，而x15是綜合指標(biāo)。該結(jié)果很好地反映了水、熱是影響竹類分布的主導(dǎo)因子。因此，可以將因子負(fù)荷量平方和0.90作為判別指標(biāo)，選用前8個(gè)因子作為判別函數(shù)的入選因子。

表 2 各因子負(fù)荷量表Tab2 Inventory of Factor Loadings

圖1 竹類區(qū)劃的散點(diǎn)圖Fig1 Scatter Plot for Bambusoideae Division

3.3 散點(diǎn)圖的繪制與分析

將8個(gè)入選因子，用它們?cè)谇?個(gè)主成分中的因子負(fù)荷量作為系數(shù)，建立得分函數(shù)。

表3 散點(diǎn)圖中的縣市代號(hào)Tab.3 County Code in Scatter Plot

將76個(gè)縣（市區(qū)）的8個(gè)入選因子經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)代入得分函數(shù)，計(jì)算相應(yīng)的Y1和Y2值。以Y1為橫坐標(biāo)（熱度主指標(biāo)），以Y2為縱坐標(biāo)（濕度主指標(biāo)），繪制散點(diǎn)圖，如圖1。圖1從熱度和濕度2方面直觀地反映了各縣（市區(qū)）的相互關(guān)系，散點(diǎn)的群聚性很好地反映了各縣市區(qū)間的氣候相似性，而散點(diǎn)的分散性表明了各類群間的氣候差異性。

經(jīng)檢驗(yàn)，建立的得分函數(shù)有較滿意的判別效果，對(duì)76個(gè)縣（市區(qū)）的聚類結(jié)果進(jìn)行回判，回判準(zhǔn)確率達(dá)92.21%。因此，得分函數(shù)有效性較高，可用于樣本聚類時(shí)的選擇指標(biāo)。

3.4 一級(jí)區(qū)劃界線的確定

圖1在方位上表現(xiàn)為：下北上南，左西右東。其中:

（1）北界(Y2=-7.5)：西起神農(nóng)架南坡，向東經(jīng)沮河、漳河、蠻河、滾河流域的上游，北上至桐柏山區(qū)的玉皇頂。此界以北(Y2＜-7.5的樣點(diǎn))，屬于中國黃河--長江散生竹區(qū)，在湖北分為鄂西北散生竹區(qū)和神農(nóng)架高山竹區(qū)；此界以南(Y2≥-7.5的樣點(diǎn))，屬于中國混合竹區(qū)或叢生竹區(qū)，在湖北全為混合竹區(qū)，無典型叢生竹區(qū)。即：此界為散生竹區(qū)與混合竹區(qū)在華中地區(qū)的南北方向上的分水嶺。

（2）西界(Y1=0)：西起神農(nóng)架南坡，向東經(jīng)沮河流域上游，沿漳河流域，南下松滋。此界以西(Y1＜0, Y2≥-7.5的樣點(diǎn))，屬于長江--南嶺混合竹區(qū)的叢生竹(慈竹) 自然分布區(qū)；此界以東(Y1≥0, Y2≥-7.5的樣點(diǎn))，屬于長江--南嶺混合竹區(qū)的叢生竹(慈竹)零星分布區(qū)。即：此界為慈竹林區(qū)在華中地區(qū)的東西方向上的分水嶺。

（3）東南界(Y2=5.2或Y1=10):東起大別山南坡，經(jīng)舉水流域南下武漢，向西經(jīng)洪湖進(jìn)入洞庭湖區(qū)；西起神農(nóng)架南坡，經(jīng)沮河流域的上游向東，沿漳河流域，南下松滋，經(jīng)公安、石首進(jìn)入洞庭湖區(qū)，并與東界會(huì)合。此界以南(Y2≥5.2或Y1≥10的樣點(diǎn))，屬于中國毛竹適宜區(qū)，湖北的這26個(gè)縣（市區(qū)）是毛竹最可能形成產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)地區(qū)；此界以北(Y2＜5.2且Y1＜10的樣點(diǎn))，屬于中國毛竹較適宜區(qū)或零星分布區(qū)，湖北的這50個(gè)縣（市區(qū)）是毛竹北移的攻關(guān)地區(qū)。即：此界為中國毛竹適宜區(qū)與較適宜區(qū)、零星分布區(qū)在華中地區(qū)的南北方向上的分水嶺。

3.5 竹類區(qū)劃的結(jié)果

湖北混合竹區(qū)地域廣闊，覆蓋了61個(gè)縣(市區(qū))，應(yīng)按照竹林類型及竹種的優(yōu)勢(shì)程度作進(jìn)一步劃分，栽培較廣、抗凍性較強(qiáng)的毛竹、孝順竹和慈竹等竹種可作為二級(jí)區(qū)劃的代表竹種。結(jié)合地形特征和竹類分布規(guī)律，將隸屬于2個(gè)中國竹區(qū)的湖北竹林區(qū)劃為4個(gè)竹區(qū)、8個(gè)亞區(qū)，見表4、圖2。

圖2 湖北竹類的氣候區(qū)劃Fig.2 Climate Divisions of Hubei Bambusoideae

表4 湖北竹類的氣候區(qū)劃Tab.4 Climate Divisions of Hubei Bambusoideae

4 小結(jié)

（1）用主成分分析和聚類分析方法進(jìn)行竹類氣候分區(qū)，是可行的。建立的得分函數(shù)有較好的判別效果，回判準(zhǔn)確率達(dá)到92.21%，區(qū)劃結(jié)果與竹林實(shí)際基本吻合。方差分析和多重比較（s檢驗(yàn)）表明，各區(qū)間的氣候特征差異較大，各區(qū)內(nèi)則相對(duì)一致。

（2）將隸屬于2個(gè)中國竹區(qū)的湖北竹林區(qū)劃為4個(gè)竹區(qū)、8個(gè)亞區(qū)，可為本地區(qū)的竹產(chǎn)業(yè)布局提供了科技支撐，促進(jìn)了竹林的結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化升級(jí)。

（3）散點(diǎn)圖清楚地顯示了湖北竹類區(qū)劃的三大界線，較好地解決了中國混合竹區(qū)在湖北的北界（中國散生竹區(qū)的南界）和西界（鄂西南慈竹區(qū)的東界）問題。

（4）本次進(jìn)行湖北竹類的氣候區(qū)劃，與《竹林培育學(xué)》（周芳純，1998）中的竹類區(qū)劃相近，與中國竹類區(qū)劃的其它版本有不同程度的差異。

[1]熊德禮等.湖北省竹類種質(zhì)資源調(diào)查[J].世界竹藤通訊，2004(4): 11-16.

[2]熊德禮等.湖北省竹類資源特點(diǎn)研究[J].世界竹藤通訊，2005(1): 17-20.

[3]陳雙田，熊德禮等.湖北毛竹適宜氣候區(qū)分區(qū)研究[J].西南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2008,28(1): 29-33

[4]中國植被編輯委員會(huì).中國植被[M].北京:科學(xué)出版社，1980.

[5]梁泰然.中國竹林類型與地理分布特征[J].竹子研究匯刊，1990,9(4): 1-16.

[6]陳守良,賈良智.中國竹譜[M].北京:科學(xué)出版社,1988.

[7]南京林產(chǎn)工業(yè)學(xué)院竹類研究室.竹林培育[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社，1974.

[8]周芳純.竹林培育學(xué)[M].北京:中國林業(yè)出版社,1998.

[9]輝朝茂,楊宇明.中國竹子培育和利用手冊(cè)[M].北京: 中國林業(yè)出版社,2002.

[10]蕭江華.中國竹林經(jīng)營學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

A Study of Climate Zoning forBambusoideaein Hubei

Xiong Deli1**Wu Zhizhuang2, Li Qicai3Cui Hongxia1, Tu Jifang3, Wang Gangguo3
(1 Hubei Academy of Forestry, Wuhan 430079, China 2 China National Bamboo Research and Development Center, Hangzhou 310012 3 Guantangyi State-owned Forest Farm, Chibi county, Chibi 437300, China)

According to theories of climatic similarities and geographical differences, 16 climatic factors associated withBambusoideaewere selected from 76 counties in Hubei Province. By means of principal component analysis and cluster analysis, scatter plots were drawn to identify three zoning boundaries and divide bamboo forest in Hubei,which covers 2 forest regions in China, into 4 bamboo zones and 8 sub-zones.

Hubei,Bambusoideae, climatic factor, zoning

湖北省科技攻關(guān)計(jì)劃（2006AA201C18）；國家“十一五”科技支撐計(jì)劃（2006BAD03A16）；中央財(cái)政林業(yè)科技推廣示范跨區(qū)域重點(diǎn)推廣示范項(xiàng)目”（2010TK37）。

熊德禮(1967-),男,碩士,副研究員,主要從事竹類研究。