紅花玉蘭潛在引種氣候適生區(qū)研究

施曉燈， 馬履一， 段 劼， 桑子陽， 朱仲龍， 姚 娜， 周明明， 賈忠奎

（1．北京林業(yè)大學(xué) 省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083；2.北京林業(yè)大學(xué) 國家能源非糧生物質(zhì)原料研發(fā)中心，北京100083；3.五峰博翎紅花玉蘭科技發(fā)展有限公司，湖北宜昌443400）

木蘭科Magnoliaceae植物在全世界有近11屬246種，主要分布于亞洲東南部溫帶及熱帶、美洲中部等地［1－2］，木蘭屬M(fèi)agnolia是木蘭科中最大的屬，中國是世界上木蘭屬植物最多的國家，被譽(yù)為 “木蘭王國”。從中國西南部省區(qū)到東南部省區(qū)均有木蘭屬樹種分布［3－4］。紅花玉蘭Magnolia wufengensis及其變種多瓣紅花玉蘭Magnolia wufengensisvar.multitepala是在湖北五峰發(fā)現(xiàn)的木蘭科木蘭屬玉蘭亞屬Yulania Subgenus新種［5－6］。其樹形高大，冠型優(yōu)美，花被片數(shù)目、顏色、形狀以及花型等存在豐富的變異?；ū黄瑪?shù)9～46，花色從深紅到粉紅具有7個色系［7］，花被片形狀有卵形、倒卵形、狹倒卵形和長披針形等，花型有荷花型、月季型、菊花型和牡丹型等［7］。紅花玉蘭可作為城市綠化和山地景觀造林樹種，具有極高的觀賞價值和巨大的開發(fā)利用潛力［8］。模糊數(shù)學(xué)是研究和揭示模糊現(xiàn)象的定量處理方法，廣泛應(yīng)用于模糊聚類分析、模糊模式識別、模糊綜合評判、模糊線性規(guī)劃等方面，在決策、土木、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、氣象、風(fēng)險評估等領(lǐng)域［9－15］已有相關(guān)研究成果。模糊相似優(yōu)先比法是模糊數(shù)學(xué)中的重要內(nèi)容，它是以成對的樣品與一個固定樣品同時作比較，以確定哪一個樣品與固定樣品最相似，在所有樹木引種區(qū)劃的數(shù)學(xué)方法中是較為合理的且應(yīng)用較多的方法［16－17］。根據(jù)定義優(yōu)先比的方法不同分為海明距離模糊相似優(yōu)先比法和相對歐氏距離模糊相似優(yōu)先比法［16］等。陸鼎煌等［18］曾采用海明距離（絕對值距離）模糊相似優(yōu)先比法分析了油橄欖Olea europaea在中國的引種區(qū)劃，區(qū)劃結(jié)果與油橄欖實(shí)際調(diào)查引種現(xiàn)狀幾乎吻合。但袁嘉祖等［16］同時在2個生態(tài)環(huán)境相似性分析中指出海明距離模糊相似優(yōu)先比法的不足之處在于分析的數(shù)據(jù)太多，計算繁瑣。而相對歐氏距離模糊相似優(yōu)先比法計算起來相對簡便，結(jié)果與前者基本一致，如果再考慮各個因素的權(quán)重，劃分出的相似性結(jié)果會更可靠［19］。有祥亮等［20］利用相對歐氏距離模糊相似優(yōu)先比法對中國引種栓皮槭Acer campestre進(jìn)行了生態(tài)適生區(qū)劃分，并分別提出了相應(yīng)的栽培措施。同時還有日本甜柿Diospyros kaki［21］， 美國黃松Pinus ponderosa［22］， 梭梭Haloxylon ammodendron［23］等均采用此方法取得了較好的適生區(qū)劃分結(jié)果。為保證紅花玉蘭能夠成功引種到原生地以外區(qū)域，本研究通過應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)原理［9］，采用相對歐氏距離模糊相似優(yōu)先比法分析和劃分紅花玉蘭引種氣候適生區(qū)，為相應(yīng)植物引種提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 氣候因子選擇

查閱影響植物生長發(fā)育的主要?dú)夂蛞蜃樱?4－27］，并依據(jù)紅花玉蘭生長特性對氣候的需求［28］，選取年平均氣溫T1（℃），最熱月平均氣溫T2（℃）， 最冷月平均氣溫T3（℃），極端最高氣溫T4（℃），極端最低氣溫T5（℃）， 年平均降水量T6（mm）， 年平均風(fēng)速T7（m·s－1）， 年平均相對濕度T8（%）， 年日照時數(shù)T9（h）等 9個氣候因子作為模糊相似優(yōu)先比分析的因素。

1.2 資料收集與整理

按照全面、詳細(xì)、有代表性的原則，選取全國32個?。ㄊ?、自治區(qū)）196個氣象觀測站點(diǎn)進(jìn)行模糊相似優(yōu)先比排序分析。紅花玉蘭是多年生樹種，生長發(fā)育受到長期氣候影響，因此，選擇的各個氣象觀測站點(diǎn)的資料為1981－2010年30 a的平均值（表1）。固定樣地的氣象數(shù)據(jù)采用紅花玉蘭原生地湖北省五峰土家族自治縣1981-2010年相關(guān)氣象數(shù)據(jù)均值。氣象數(shù)據(jù)大部分來自中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心（http：//data.cma.cn/site/index.html），個別站點(diǎn)數(shù)據(jù)來源于各?。ㄊ小⒆灾螀^(qū)）氣象網(wǎng)站。

表1 全國196個臺站的1981-2010年主要?dú)夂蛞刂礣able 1 Values of the main climatic elements of 196 stations of China （the average value from 1981 to 2010）

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

試驗(yàn)采用相對歐氏距離模糊相似優(yōu)先比法，用Excel 2007和SPSS 22.0軟件對各地氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再依據(jù)分析的結(jié)果，劃分紅花玉蘭引種氣候適生區(qū)。

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表示全國 196個氣象觀測站樣本；T1，T2，…，Tm為9個氣候因子；xi，xj為其中任意2個樣本；x0表示湖北五峰氣象觀測站，即固定樣本。

先對中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心下載的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，去除量綱對數(shù)據(jù)的影響，采用極差正規(guī)化方法。公式如下：

式（1）中：ximax，ximin分別是第m個因子中的極大值和極小值，x′im∈［0， 1］。

根據(jù)層次分析法［29］對因子之間相對重要性標(biāo)度（表2）進(jìn)行打分,然后用求平均及四舍五入的方法構(gòu)造判斷矩陣（表3），求出各因素的權(quán)重值Ws。用歸一后的各氣候因子值x′im數(shù)據(jù)與相對應(yīng)的權(quán)重 Ws相乘， 得到 x″im。 即： x″im=x′im×Ws。

用相對歐氏距離計算被選樣品 xi與固定樣品x0之間的差距（Di0）。

表2 相對重要性標(biāo)度Table 2 Means of relative importance scale

表3 紅花玉蘭氣候因子判斷矩陣Table 3 Estimation matrix of climatic elements of Magnolia wufengensis

計算相似優(yōu)先比（rij）：

式（2）中：rji=1－rij，當(dāng)i=j時，rij=1。另外，令rij=rji=1，其中，i，j為備選樣品，k為固定樣品。

取λ水平截集，計算出全國196個站點(diǎn)與固定樣本的相似順序。即從表3矩陣中的元素，求出每行的最小值組成一列，將此列中的最大值所在的行所對應(yīng)的樣本記為1，即該樣本與固定樣本最相似，然后刪除該行及相對應(yīng)的列，重復(fù)上述過程，再依次求取相似樣品，序號為2，3，4，…，196等。

2 結(jié)果與分析

2.1 確定氣候因子權(quán)重

依據(jù)表3可得出各個氣候因子權(quán)重值（表4），并對表3進(jìn)行一致性檢驗(yàn)得出其最大特征根λmax=9.729 4，一致性指標(biāo)IC=0.091 18，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)IR=1.46，隨機(jī)一致性比率RC=0.062 45＜0.1，表明該矩陣具有令人滿意的一致性，得出的權(quán)重值不需要調(diào)整。

表4 各個氣候因子權(quán)重值Table 4 Weights of each climatic factors

2.2 建立模糊相似優(yōu)先比矩陣

通過式（3）求得模糊相似優(yōu)先比矩陣R，R=［rij］n×n（表 5）。 其中： 元素r（xi，xj）表示xi，xj與固定樣地x0比較時，xi比xj或者xj比xi的優(yōu)越程度，若rij∈［0.5，1.0］，則表示xi比xj優(yōu)先； 若rij∈［0， 0.5］， 則表示xj比xi優(yōu)先。

2.3 劃分適宜區(qū)

根據(jù)表5紅花玉蘭模糊相似優(yōu)先比矩陣采用λ水平截集的計算結(jié)果，將各臺站按序號值從小到大進(jìn)行排列（表6），表中序號值的大小基本反映了全國196個氣象觀測站綜合氣候生態(tài)條件與紅花玉蘭原產(chǎn)地五峰相似程度的大小：序號越小，表示相似程度越高；序號越大，表示相似程度越低。根據(jù)引種的氣候相似性原理，將中國引種的紅花玉蘭的氣候適生區(qū)大致劃分如表6所示，詳細(xì)氣候因子劃分范圍見表7。

2.3.1 適宜區(qū) 該區(qū)序號值最靠前，且相對歐氏距離值均小于等于0.02，與紅花玉蘭原產(chǎn)地五峰氣候條件最相似（表8），主要包括：①華東、華中地區(qū)：從地域上看，該區(qū)包含地點(diǎn)分別屬于黃淮平原、長江中下游平原、江南丘陵、浙閩丘陵西北部。該區(qū)主要以亞熱帶溫濕季風(fēng)氣候?yàn)橹?，地處濕潤區(qū)，與原產(chǎn)地湖北五峰有非常相似的水熱條件，四季分明，降水豐富，冬季氣溫較溫和，夏季氣溫偏高，雨熱同期，降水量多集中在夏季，容易形成高溫高濕的環(huán)境，造成圃地內(nèi)澇，發(fā)生病蟲害，其中紅花玉蘭主要病害是葉片表面蓋滿煤污狀黑霉的煤污病和從根莖部開始腐爛的根腐病，主要蟲害是刺吸性害蟲，如紅蜘蛛Tetranychus cinnbarinus，斑潛蠅Liriomyza，粉蚧Pseudococcus等。因此在引種栽植紅花玉蘭時應(yīng)選擇適宜的立地條件，若在低洼地段應(yīng)做高床，夏季及時做好圃地清理及排水工作。發(fā)生煤污病需噴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～0.5%波爾多液進(jìn)行防治，根腐病可采用500倍多菌靈噴灑，連續(xù)打藥2～3次，基本上可控制病情發(fā)展，刺吸類害蟲用氧化樂果500～1 000倍液噴霧。②華南、西南地區(qū)：從地域上看，該區(qū)包含地點(diǎn)分別屬于四川盆地東南部、云貴高原東北部、浙閩丘陵東南部和兩廣丘陵北部。主要以亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹鳎靥帩駶檯^(qū)，氣候溫和，濕度較大，例如四川萬源，云南昆明、大理等地四季如春，但是需要注意一些地區(qū)降雨季節(jié)分配不均，夏秋季引種容易遭受較長期的干旱，紅花玉蘭較難成活，因此這些地區(qū)引種栽植紅花玉蘭時，遇到較大旱情需要及時增加灌溉等抗旱措施。

表5 紅花玉蘭模糊相似優(yōu)先比矩陣Table 5 Fuzzy similitude priority ratio matrix of Magnolia wufengensis

表6 各站點(diǎn)引種紅花玉蘭適應(yīng)性排序Table 6 Order of stations of China according to the suitability of ordinal numbers

表6 （續(xù)）Table 6 Continued

表7 各類適生區(qū)氣候因子對比Table 7 Comparison of climate factor types for each suitability county （city）

表8 紅花玉蘭引種適宜區(qū)Table 8 Suitable area for the introduction of Magnolia wufengensis

2.3.2 次適宜區(qū) 該區(qū)序號值排在適宜區(qū)之后，且歐氏距離為0.02～0.04，主要是適宜區(qū)向四周擴(kuò)散的區(qū)域，綜合氣候條件與紅花玉蘭原產(chǎn)地五峰有一定差異（表9）。主要包括：①華南地區(qū)、西南區(qū)。從地域上看，該區(qū)包含地點(diǎn)分別屬于四川盆地西北部、云貴高原西南部，兩廣丘陵以南，雷州半島，海南島和臺灣島。該區(qū)以亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?，部分高海拔地區(qū)為山地氣候，地跨濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)。與適宜區(qū)相比，西南山區(qū)海拔較高，氣候變化幅度較大，引種紅花玉蘭需要栽植在海拔較低的區(qū)域，同時在個別干熱河谷，區(qū)域內(nèi)光熱資源豐富，氣候炎熱少雨，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)十分脆弱，寒、旱、風(fēng)、蟲、草、火等自然災(zāi)害特別突出，需要注意這些地區(qū)不適宜引種紅花玉蘭。華南地區(qū)夏季相對適宜區(qū)更加高溫高濕，太陽輻射更強(qiáng)，雨熱同期時間更長，臺風(fēng)、洪澇災(zāi)害頻發(fā)。這些地區(qū)引種紅花玉蘭需要注意地形地勢的選擇，遠(yuǎn)離洪澇頻發(fā)區(qū)域，發(fā)生病蟲害應(yīng)及時進(jìn)行治理，以防蔓延，出現(xiàn)內(nèi)澇及時疏通清理，減少引種紅花玉蘭的死亡。②華東、華北、東北地區(qū)。從地域上看，該區(qū)包含地點(diǎn)分別屬于晉冀魯山地丘陵地帶，華北平原以及遼東半島，以暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹鳎靥幇霛駶檯^(qū)。該區(qū)光照充足，冬季寒冷干燥，風(fēng)速較大，夏季高溫炎熱，年平均降水量偏少，最冷月均溫較低，苗齡低于3～4 a的紅花玉蘭無法自然越冬，因此，在引種此類苗齡紅花玉蘭時冬季需要采取適當(dāng)?shù)姆篮胧?，保護(hù)紅花玉蘭安全越冬。目前，園林綠化方面應(yīng)用比較成熟的防寒措施有搭建防風(fēng)障和使用保溫棉進(jìn)行樹木包裹并覆土。夏季高日照會引起紅花玉蘭葉片日灼等傷害，需要搭建遮陽網(wǎng)，同時注意高溫干旱會引起紅花玉蘭苗木生長不適等狀況，需及時進(jìn)行人工灌溉。③西北地區(qū)。從地域上看，該區(qū)包含地點(diǎn)分別屬于黃土高原中部，青藏高原東南部地區(qū)。該區(qū)以溫帶季風(fēng)性氣候?yàn)橹?，地處半濕潤區(qū)，水、熱條件基本能滿足紅花玉蘭生長需求，但是最冷月均溫較低，3～4年生紅花玉蘭無法自然越冬，需要對紅花玉蘭進(jìn)行越冬保護(hù)，如搭建防風(fēng)障，使用保溫棉進(jìn)行苗木包裹并覆土等，還要做好灌溉設(shè)施配套和管理，充分利用好水資源，常年對紅花玉蘭進(jìn)行人工灌溉。同時在引進(jìn)紅花玉蘭不同品種時，盡量挑選抗旱、抗寒性強(qiáng)的品種。

表9 紅花玉蘭引種次適宜區(qū)Table 9 Sub-suitable area for the introduction of Magnolia wufengensis

2.3.3 不適宜區(qū) 該區(qū)序號排在最后，且相對歐氏距離大于0.04，綜合氣候條件與紅花玉蘭原產(chǎn)地五峰具有較大差異（表10）。主要包括：①東北地區(qū)。該區(qū)從地域上看屬于東北平原，主要以溫帶季風(fēng)性氣候?yàn)橹?，地跨濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)。該區(qū)光照充足，但是最冷月均溫遠(yuǎn)低于紅花玉蘭原產(chǎn)地五峰，冬春低溫干旱時間過長，不適宜紅花玉蘭生長。②西北地區(qū)。該區(qū)從地域上看屬于黃土高原西北部，青藏高原西北部，新疆，內(nèi)蒙古等地，主要以溫帶大陸性氣候?yàn)橹?，地跨半干旱區(qū)和旱區(qū)。該區(qū)光照條件豐富，冬季寒冷干燥，夏季高溫，但是水、熱條件較差，最冷月均溫遠(yuǎn)低于紅花玉蘭原產(chǎn)地，風(fēng)、旱、雪、凍災(zāi)害頻發(fā)，土地荒漠化嚴(yán)重，大部分是干旱地區(qū)，因此，在該區(qū)不適合引種紅花玉蘭。

表10 紅花玉蘭引種不適宜區(qū)Table 10 Un-suitable area for the introduction of Magnolia wufengensis

3 結(jié)論

紅花玉蘭在中國引種的適宜區(qū)包括黃淮平原、長江中下游平原、江南丘陵、浙閩丘陵、四川盆地東南部、云貴高原東北部和兩廣丘陵北部。該區(qū)受亞熱帶季風(fēng)影響，夏季溫度偏高，雨熱同期，降水量多集中在夏季，容易形成圃地內(nèi)澇和病蟲害，因此該區(qū)引種紅花玉蘭在夏季要及時做好圃地清理、病蟲害防治及排水工作。目前，生產(chǎn)上已經(jīng)在上述引種適宜區(qū)中的安徽滁州，江蘇常州、南京，上海，河南南陽，湖南婁底，廣西柳州，貴州貴陽和云南昆明等地進(jìn)行了小范圍引種并且生長表現(xiàn)良好。建議這些地區(qū)可以擴(kuò)大引種。

紅花玉蘭在中國引種的次適宜區(qū)包括四川盆地西北部、云貴高原西南部、兩廣丘陵以南、雷州半島、海南島和臺灣島、晉冀魯山地丘陵地帶、華北平原、遼東半島、黃土高原中部及青藏高原東南部地區(qū)。該區(qū)南部臺風(fēng)、洪澇等自然災(zāi)害較多，引種紅花玉蘭需要注意地形地勢的選擇。北部地區(qū)持續(xù)低溫時間較長且極端氣溫較低，栽植苗齡為3～4年生及以下的紅花玉蘭易受凍害，應(yīng)進(jìn)行越冬防寒，西北部還需常年進(jìn)行灌溉。目前，生產(chǎn)上已經(jīng)在上述引種次適宜區(qū)的遼寧丹東、甘肅天水、河北石家莊、天津薊縣、北京海淀、山東臨沂等地也進(jìn)行了小范圍引種紅花玉蘭。在夏季這些地區(qū)容易干旱導(dǎo)致紅花玉蘭生長不良，所以應(yīng)增加灌溉，在冬季發(fā)現(xiàn)這些地區(qū)紅花玉蘭若不采取保護(hù)措施會發(fā)生生理干旱導(dǎo)致枯稍，因此，冬季應(yīng)對紅花玉蘭進(jìn)行防寒。

紅花玉蘭在中國引種的不適宜區(qū)包括東北平原、黃土高原西北部、青藏高原西北部、新疆和內(nèi)蒙古等地。目前，陜西西安進(jìn)行了紅花玉蘭少量引種，但是此地屬于紅花玉蘭引種不適宜區(qū)，若需種植必須采取保護(hù)地栽培。

4 討論

湖北、湖南、河南、浙江、福建、江西、安徽、云南、貴州、四川等省為紅花玉蘭的引種適宜區(qū)。這些地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，水熱條件較好，寒害凍害風(fēng)險低，影響紅花玉蘭生長的極端氣候因子較少，非常適合紅花玉蘭的生長。該區(qū)天然分布木蘭屬樹種占到全國種的93.9%［30］，而且這些地區(qū)的木蘭屬樹種與變異最為豐富［31］，其中云南（10屬69種）、四川（5屬24種）、廣西（7屬36種）、廣東（5屬27種）等地是木蘭屬樹種的現(xiàn)代分布中心［32－33］，說明該區(qū)劃結(jié)果可靠，可為紅花玉蘭的大范圍引種提供科學(xué)依據(jù)。

紅花玉蘭的半致死溫度為－15℃，但是在適宜區(qū)中的江蘇沐陽、徐州、泗洪，安徽亳州，河南駐馬店等地極端氣溫低于－15℃，如果單從極端最低氣溫角度考慮，這些地區(qū)是不適宜引種紅花玉蘭的。因此像這樣的站點(diǎn)在引種紅花玉蘭時必須挑選適當(dāng)?shù)钠贩N，充分考慮引種地小氣候條件，針對限制因子采取相對應(yīng)的栽培措施。

在植物潛在引種氣候適生區(qū)區(qū)劃研究中，指標(biāo)體系的選擇構(gòu)建、指標(biāo)權(quán)重確定對區(qū)劃結(jié)果的可靠性有直接影響。在構(gòu)建區(qū)劃指標(biāo)體系中，本研究綜合考慮了紅花玉蘭生長過程中所有可能限制紅花玉蘭分布的氣候因子，并在指標(biāo)權(quán)重方面，考慮到各個因子對紅花玉蘭生長發(fā)育所起的作用（即權(quán)重）是不同的，因此，采用專家打分法和層次分析法相結(jié)合的方法確定權(quán)重，避免了以往單純依賴專家主觀打分帶來的局限性，更加注重內(nèi)在邏輯性，使權(quán)重確定更加具有科學(xué)合理性。本研究僅分析了植物引種氣候相似性原理中的氣候因素，但是引種紅花玉蘭能否成功是其遺傳基因和環(huán)境共同作用的結(jié)果，此過程不僅受氣候因子的影響，當(dāng)?shù)氐牡匦?、海拔、土壤條件以及其他非生物因素等都可能影響其成活和生長［21］，例如胡建忠［24］在植物引種栽培試驗(yàn)研究方法中所提到的風(fēng)土馴化理論就考慮了不只氣候——“風(fēng)”這一個因素，還有 “土”，即指土壤也影響著植物引種的成功。

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