基于主成分聚類分析的中國(guó)油茶栽培區(qū)劃*

黃志偉，曹劍，袁德梽，何莉

(1.重慶三峽職業(yè)學(xué)院農(nóng)林科技系，重慶404155；2.重慶中智園林建設(shè)工程有限公司，重慶401120)

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基于主成分聚類分析的中國(guó)油茶栽培區(qū)劃*

黃志偉1，曹劍1，袁德梽1，何莉2

(1.重慶三峽職業(yè)學(xué)院農(nóng)林科技系，重慶404155；2.重慶中智園林建設(shè)工程有限公司，重慶401120)

在全國(guó)油茶適宜發(fā)展的14個(gè)省區(qū)選取了38個(gè)油茶主栽區(qū)縣和12個(gè)國(guó)家油茶良種基地，采取主成分分析和聚類分析方法，分析了油茶引種的主要?dú)夂蛳拗埔蜃?。結(jié)果表明，年均溫、10-11月均溫、無(wú)霜期、最冷月均溫、≥10℃積溫和極端溫度是影響油茶引種的重要因素。同時(shí)，依據(jù)主成分分析結(jié)果，將全國(guó)油茶50個(gè)典型栽培區(qū)縣劃分成4種類型，即北部邊緣區(qū)(IVA)、中心栽培區(qū)(VA1)、西部適宜栽培區(qū)(VA2)和南部邊緣區(qū)(VIA)。

油茶；主成分分析；栽培區(qū)劃；生態(tài)適應(yīng)性

油茶(CamelliaoleiferaC.Abel.)屬山茶科(Theaceae)山茶屬(Camellia)植物，是我國(guó)特有的木本食用油料植物，因其風(fēng)味佳、油質(zhì)好、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，被譽(yù)為“東方橄欖油”、“軟黃金”。目前，全國(guó)共有14個(gè)油茶栽培重點(diǎn)省(市)，涉及642個(gè)區(qū)縣，而國(guó)家油茶良種基地確僅有15個(gè)[1～2]，主要分布在陜西安康、廣西南寧、岑溪、安徽黃山、湖北麻城、湖南瀏陽(yáng)、汨羅、貴州天柱、浙江金華和江西撫州、分宜、峽江等地區(qū)，涉及的品種主要有長(zhǎng)林、湘林、亞林等品種?！度珖?guó)油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2009-2020年)》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》)實(shí)施以來(lái)，全國(guó)各油茶栽培區(qū)從以上良種基地大量盲目引種油茶，且油茶引種與產(chǎn)業(yè)發(fā)展同步實(shí)施，一些地方油茶后期表現(xiàn)不佳，嚴(yán)重影響了油茶產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。為此，許多學(xué)者在傳統(tǒng)栽培引種試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從各個(gè)方面開展了油茶引種研究[5～6]。左繼林等用典型相關(guān)分析研究了油茶與氣象因子的相關(guān)性；王瑩、陸魁東等采用GIS技術(shù)，分別對(duì)廣西和湖南油茶氣候區(qū)適宜度進(jìn)行了評(píng)價(jià)；吳明作等應(yīng)用相似距離理論分析其與適生地的相似距離，并結(jié)合積溫、日照、無(wú)霜期等因子確定了油茶在河南省的氣候適宜種植區(qū)。以上研究不是試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、工作量大，就是局限在某一地進(jìn)行氣候區(qū)劃，對(duì)油茶栽培引種指導(dǎo)性意義不大，而將油茶引種將原產(chǎn)地氣候和引種區(qū)氣候利用主成分分析和聚類分析進(jìn)行分類的研究未見報(bào)道。本文利用主成分分析和聚類分析方法，分析了油茶引種的主要?dú)夂蛳拗埔蜃?，并選取了全國(guó)油茶50個(gè)主栽區(qū)縣進(jìn)行了排序和聚類劃分，提出了栽培區(qū)區(qū)劃的一些構(gòu)想，以期為全國(guó)油茶引種提供參考。

1　材料與方法

1.1油茶生境地氣候資料的收集與整理

根據(jù)《規(guī)劃》，在全國(guó)油茶適宜發(fā)展的14個(gè)省區(qū)選取了38個(gè)油茶主栽區(qū)縣和12個(gè)典型的國(guó)家油茶良種基地的氣象數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象。參考韓華柏的研究方法[7]，氣象指標(biāo)選取平均氣溫、≥10℃積溫、無(wú)霜期等11個(gè)氣候指標(biāo)，所有指標(biāo)均來(lái)自文獻(xiàn)和當(dāng)?shù)貧庀筚Y料(1971-2000氣象數(shù)據(jù))，見表1。

表1　國(guó)內(nèi)油茶主要栽培區(qū)域氣象資料

續(xù)表1

序號(hào)栽培區(qū)域年平均氣溫/℃最熱月平均溫度/℃極端最高溫/℃最冷月平均溫度/℃極端最低溫/℃≥10℃積溫/℃10-11月均溫/℃無(wú)霜期/d8-9月降雨量/mm年平均降水量/mm年均日照時(shí)數(shù)/hP29湖南長(zhǎng)沙17.529.041.04.5-8.0545715.8526019114581530P30湖南衡陽(yáng)17.930.340.04.6-3.0500017.6028516113521600P31江西分宜*18.528.839.98.3-8.3535517.0526922616441700P32江西撫州*17.129.038.03.7-3.0625516.2526022317211635P33江西贛州19.429.4408.2-6.0601218.3030522514611778P34江西九江16.929.339.84.2-12.0560015.5526022715001920P35江西峽江17.028.540.68.5-8.6572316.6527721415921873P36江西宜豐17.129.038.03.7-3.0625516.6026022117211800P37陜西安康*15.724.042.63.5-16.4410013.002632427991811P38四川榮縣17.326.738.07.31.0573416.0033130710131240P39四川宜賓17.826.637.97.8-1.7580016.1034040012001100P40云南廣南16.722.536.78.6-5.5525016.1530529610571876P41浙江常山17.329.833.06.4-9.2530016.4523827117801899P42浙江富陽(yáng)16.727.937.22.5-6.4551915.2022928914571690P43浙江金華*17.929.041.25.2-9.6550016.0526321214242062P44浙江開化16.428.841.96.4-11.2512515.6525228618141713P45浙江慶元17.427.037.36.7-13.0473216.9524526817601796P46浙江遂昌16.827.740.15.3-9.9561416.8025119015101755P47重慶城口13.724.438.92.4-13.2420012.3523537012631534P48重慶墊江16.927.340.06.0-1.5540315.5028928811781171P49重慶彭水17.527.744.16.8-3.8572216.203112931227993P50重慶綦江18.629.042.28.1-1.7600015.6034426310751133

注：*為國(guó)家油茶良種基地所在區(qū)縣。

1.2分析方法

利用因子分析對(duì)影響油茶生長(zhǎng)的11類氣候因子進(jìn)行KMO檢驗(yàn)，當(dāng)KMO值大于0.7時(shí)，方可采用主成分分析；利用主成分分析將11類氣候因子進(jìn)行分類、簡(jiǎn)化，得到影響油茶生長(zhǎng)的主要?dú)夂蚍至?，找出影響油茶生長(zhǎng)的主要限制性氣候因子。同時(shí)，將主成分分析得到的主分量進(jìn)行數(shù)量分類和排序，得到油茶栽培區(qū)縣的區(qū)劃分類。所有計(jì)算采用SPSS和Excel進(jìn)行計(jì)算。

2　結(jié)果與分析

2.1影響油茶生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛞蜃?/p>

利用主成分分析，將影響油茶生長(zhǎng)的11類氣候因子進(jìn)行分類、簡(jiǎn)化(見表2)。從表2可以看出，前4個(gè)主分量的特征根均大于1，累積貢獻(xiàn)率達(dá)82.39%以上，代表了原始數(shù)據(jù)的大部分信息。在這4個(gè)分量中，對(duì)第1主分量影響較大的指標(biāo)從大到小依次為年均溫、10-11月均溫、無(wú)霜期、最冷月均溫、≥10℃積溫和極端最低溫，與莊瑞林等人的研究結(jié)果基本一致[8]，即影響油茶生長(zhǎng)發(fā)育、完成生命周期的主導(dǎo)因子是溫度和熱量因子。對(duì)第2主分量影響較大的指標(biāo)從大到小依次為年降雨量、最熱月均溫和年均日照時(shí)數(shù)，主要反映栽培地的水分和光照條件，表明降雨量、越夏溫度條件和光照是限制油茶引種栽培的重要因素。第3、4主分量主要是極端溫度因子和8-9月降雨量的影響，是第2和第3主分量的補(bǔ)充，表明高溫缺水也是影響油茶越夏和結(jié)果品質(zhì)的重要因素。

在具體氣候指標(biāo)的選擇上，應(yīng)著重考慮年均溫、10-11月均溫、降雨量、日照時(shí)數(shù)等氣象指標(biāo)。同時(shí)，作為油茶栽培品種的要求，從極端最高溫上考慮了油茶越夏的問(wèn)題，8-9月的降水量主要考慮油茶生長(zhǎng)發(fā)育期間的降水量多少，極端最低溫則主要考慮油茶幼果越冬的安全氣候條件等。因此，在油茶的引種栽培上首先要考慮的是栽培地的熱量條件是否能夠達(dá)到引種油茶的基本要求，其次是水分條件，最后是光照條件。

表2　氣候因子前4個(gè)主成分相關(guān)矩陣的特征向量

2.2油茶栽培樣點(diǎn)氣候區(qū)劃

利用上述主成分分析結(jié)果，對(duì)50個(gè)區(qū)縣氣候指標(biāo)進(jìn)行分類和排序。50個(gè)區(qū)縣主成分分析(PCA)第一軸和第二軸排序結(jié)果的二維平面圖如圖1所示。PCA前2個(gè)排序軸的特征值累積貢獻(xiàn)率達(dá)到62%，能基本反映事物的基本面貌，所以用第1，2排序軸上的得分值做出的二維散點(diǎn)圖能夠一定程度上說(shuō)明光熱、水分條件的分布情況。PCA的第一軸基本反映了溫度和熱量條件的變化趨勢(shì)，第二軸基本反映了光照和水分條件的變化區(qū)域。同時(shí)，利用上述11個(gè)氣候指標(biāo)采取規(guī)格化轉(zhuǎn)換處理后，應(yīng)用卡方距離，采用離差平方和法進(jìn)行聚類分析，并結(jié)合中國(guó)氣候區(qū)劃[9～10]，將所選的50個(gè)栽培區(qū)縣分為4類，分析如下。

2.2.1北部邊緣栽培區(qū)(IVA)

氣候區(qū)劃屬于北亞熱帶濕潤(rùn)大區(qū)，包括大別山與蘇北平原北亞熱帶濕潤(rùn)亞區(qū)和長(zhǎng)江中下游平原與浙北北亞熱帶濕潤(rùn)亞區(qū)，含安徽黃山、霍山、寧國(guó)、潛山、歙縣、湖北麻城、陜西安康、重慶城口等8個(gè)區(qū)縣。本區(qū)為普通油茶分布的西北部邊緣地區(qū)，該區(qū)年均溫13～18℃，年均≥10℃積溫一般在4 000～5 300℃，最冷月(1月)均溫2～4℃，最熱月(7月)均溫24～27℃，日照時(shí)數(shù)800-1 400h。由于云霧多，日照少，對(duì)油茶生產(chǎn)有一定影響；宜選擇地勢(shì)開闊或山體的陽(yáng)坡，土層深厚的地帶栽培。

2.2.2中心栽培區(qū)(VA1)

氣候區(qū)劃屬于中亞熱帶濕潤(rùn)大區(qū)，包括江南山地和湘鄂西山地2個(gè)中亞熱帶濕潤(rùn)亞區(qū)，含福建建寧、松溪、湖北赤壁、黃梅、通山、陽(yáng)新、湖南汨羅、衡陽(yáng)、瀏陽(yáng)、長(zhǎng)沙、江西分宜、撫州、九江、峽江、宜豐、浙江富陽(yáng)、常山、金華、開化、慶元、遂昌等21個(gè)區(qū)縣，為油茶最適宜栽培區(qū)域，與《規(guī)劃》劃分基本一致。該區(qū)域年均溫16～19℃左右，年均≥10℃積溫普遍超過(guò)5 100℃，最冷月(1月)均溫4～10℃，最熱月(7月)均溫27～30℃，10-11月均溫在16.5℃左右，年平均降水量除個(gè)別樣點(diǎn)外，均在1 400mm以上，日照1 500-2 100h，本區(qū)域的氣候條件與莊瑞林等研究成果完全一致[8]。

2.2.3西部適宜栽培區(qū)(VA2)

氣候區(qū)劃屬于中亞熱帶濕潤(rùn)大區(qū)，包括四川盆地中亞熱帶濕潤(rùn)亞區(qū)、貴州高原山地中亞熱帶濕潤(rùn)亞區(qū)和滇西山地滇中高原中亞熱帶濕潤(rùn)亞區(qū)，含廣西龍勝、三江、貴州天柱、冊(cè)亨、從江、云南廣南、四川榮縣、宜賓、重慶墊江、彭水、綦江等11個(gè)區(qū)縣。本區(qū)主要是盆地和低山、丘陵等地形，地形起伏較大，年均溫15～20℃，最冷月(1月)平均氣溫在4～9℃，最熱月(7月)均溫25～29℃，極端高溫超過(guò)39℃，10-11月均溫16.2℃，≥10℃積溫4 500～6 000℃，多數(shù)區(qū)域日照時(shí)數(shù)小于1 300h，夏季高溫、光照不足是影響本區(qū)油茶生長(zhǎng)的主要因素。

2.2.4南部邊緣區(qū)(VIA)

氣候區(qū)劃屬于南亞熱帶濕潤(rùn)大區(qū)，包括滇中南山地南亞熱帶濕潤(rùn)亞區(qū)、滇西南山地南亞熱帶濕潤(rùn)亞區(qū)、閩粵桂低山平原南亞熱帶濕潤(rùn)亞區(qū)，含福建大田、上杭、廣西岑溪、南寧、融水、陽(yáng)朔、廣東陽(yáng)山、蕉嶺、連平、江西贛州等10個(gè)區(qū)縣，是油茶南線較適宜栽培區(qū)。本區(qū)年均溫多在19℃以上,1月均溫10℃，7月均溫28℃，年均≥10℃積溫多數(shù)超過(guò)6 500℃。根據(jù)小地形氣候條件，選擇合適的區(qū)域是本區(qū)油茶栽培的關(guān)鍵。

圖1　全國(guó)油茶50個(gè)樣本PCA排序

3　結(jié)論與討論

3.1結(jié)論

(1)采取主成分分析法對(duì)全國(guó)油茶主栽區(qū)域11個(gè)氣候指標(biāo)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)溫度和熱量因子是影響油茶引種的最關(guān)鍵因素，其中尤以年均溫、10-11月均溫、無(wú)霜期影響最為顯著。這也對(duì)當(dāng)前全國(guó)一些地區(qū)油茶引種存在的前期生長(zhǎng)好，后期成花少、結(jié)果差、種子含油率低等引種失敗的情況作出了合理的解釋。同樣，光照因子和水分條件作為影響油茶生長(zhǎng)的第2主分量因素，前者主要還是影響油茶開花授粉，后者主要是影響油茶成活率和生長(zhǎng)率，與胡娟娟[11]、楊偉波[12]等人有關(guān)光強(qiáng)對(duì)油茶生長(zhǎng)情況的研究結(jié)果基本一致，也間接說(shuō)明了應(yīng)用主成分分析，判斷油茶引種的生態(tài)適應(yīng)性是可行的。

(2)在對(duì)氣候因子進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用主成分和聚類分析方法對(duì)全國(guó)50個(gè)油茶種植區(qū)縣進(jìn)行了區(qū)劃，結(jié)合全國(guó)氣候區(qū)劃大區(qū)分類，分成4種類型，包括北部邊緣栽培區(qū)(IVA)、中心栽培區(qū)(VA1)、西部適宜栽培區(qū)(VA2)和南部邊緣區(qū)(VIA)，引種栽培時(shí)可借鑒區(qū)劃結(jié)果，同區(qū)引種成功率更高。同時(shí)，從50個(gè)典型栽培區(qū)縣的分布類型發(fā)現(xiàn)，與莊瑞林傳統(tǒng)油茶北帶、中帶、南帶的區(qū)劃比較[8]，各帶的劃分范圍均有一定的變化，這與近幾十年全球氣候變暖、區(qū)域降雨量波動(dòng)有一定的影響。

3.2討論

本文僅僅圍繞氣候條件對(duì)油茶栽培區(qū)進(jìn)行了區(qū)劃，在實(shí)際栽培中，由于地形地貌、土壤立地條件等引起的氣候差異，導(dǎo)致油茶生產(chǎn)栽培種的區(qū)劃更為復(fù)雜。因此，在油茶栽培過(guò)程中，建議以年均溫、10-11月均溫為主導(dǎo)因素，以光照和水熱條件為輔助因子，綜合考慮地形地貌、土壤等因素，分析小環(huán)境的差異性，進(jìn)行引種栽培。同時(shí)，本文的研究方法也可進(jìn)一步綜合運(yùn)用到更為精細(xì)化的油茶栽培區(qū)劃研究中，為油茶栽培、引種提供更為精細(xì)化的參考指導(dǎo)。

[1]國(guó)家林業(yè)局.關(guān)于公布第一批國(guó)家重點(diǎn)林木良種基地的通知(林場(chǎng)發(fā)[2009]11號(hào))[Z].2009-01-14.

[2]國(guó)家林業(yè)局.關(guān)于公布第二批國(guó)家重點(diǎn)林木良種基地的通知(林場(chǎng)發(fā)[2012]25號(hào))[Z].2012-02-07.

[3]左繼林，徐林初，李江，等.贛無(wú)1油茶優(yōu)良無(wú)性系經(jīng)濟(jì)性狀與氣象因子的典型相關(guān)分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(7):43-49，69.

[4]陸魁東，宋忠華，杜東升，等.湖南油茶GIS精細(xì)化氣候區(qū)劃研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，27(8):362-365.

[5]王瑩，蘇永秀，李政.廣西西北部油茶種植氣候適宜度評(píng)價(jià)[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，29(13):24-30.

[6]吳明作，王翠云，陳景玲，等.河南省油茶氣候適宜性研究[J].河南科學(xué)，2007，25(2):251-254.

[7]韓華柏,羅成榮,牛益川,等.四川核桃栽培適宜性區(qū)劃研究[J].西部林業(yè)科學(xué),2012,41(3):1-7.

[8]莊瑞林，周啟人，姚小華.中國(guó)油茶(第2版)[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2008.

[9]中國(guó)科學(xué)院自然區(qū)劃工作委員會(huì).中國(guó)氣候區(qū)劃(第1版)[M].北京:科學(xué)出版社，1959.

[10]鄭景云，尹云鶴，李炳元.中國(guó)氣候區(qū)劃新方案[J].地理學(xué)報(bào)，2010，65(1)：3-13.

[11]胡娟娟.水分對(duì)油茶生長(zhǎng)及生理生化特性的影響[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[12]楊偉波，付登強(qiáng)，李艷，等.不同光強(qiáng)下義安油茶幼苗生長(zhǎng)和葉綠素?zé)晒馓匦苑治鯷J].熱帶作物學(xué)報(bào)，2012，33(4):651-654.

Cultural Regionalization of Camellia oleifera C.Abel.based on Principal Component Analysis and Cluster Analysis

HUANG Zhi-wei1，CAO Jian1，YUAN De-zhi1,HE Li2

(1.Department of agriculture and forestry，Chongqing Three Gorges Vocational College，Chongqing 404155，P.R.China；2.Chongqing Zhongzhi Garden Construction Engineering Co.,Ltd.,Chongqing 401120，P.R.China)

Effects of the main climate factors on the introduction ofCamelliaoleiferaC.Abel.were studied by the principal component analysis and the cluster analysis based upon 38 main planting counties and 12 national bases of improved varieties from 14 provinces.The results showed that the annual average temperature,average temperature from October to November,frostless seasons，≥10℃ accumulated temperature and the extreme temperature are main factors in the introduction ofCamelliaoleiferaC.Abel..Meanwhile,according to different climatic conditions,50 planting areas could be divided into 4 types,namely the northern fringe area(IVA),the central area (VA1),the western area (VA2)and the southern fringe area(VIA).

CamelliaoleiferaC.Abel.;Principal Component Analysis ( PCA );cultural regionalization;ecological adaptation

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.03.028

2015-07-31

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“油茶生態(tài)高效栽培模式研究”(KJ131902)。

黃志偉(1978-)，男，工程師，碩士，從事生態(tài)學(xué)和生態(tài)規(guī)劃等方面的研究。E-mial：hzwandcj@163.com

S 794.4

A

1672-8246(2016)03-0155-06