3 結果與分析
3.1科的組成分布
3.1.1科的組成結構
運用恩格勒植物分類系統[6-9],本次調查在長城沿線采集到的植物分布在26個科,其中裸子植物門1科,即麻黃科(Ephedraceae),共1屬1種,被子植物門25科,雙子葉植物綱22科,單子葉植物綱3科。
不小于10個屬的科有藜科(13屬)、菊科(13屬)、豆科(10屬),占總屬數(79屬)的45.6%。
只有1個屬的科有14個,其總種數為17種,含裸子植物麻黃科1屬1種,單子葉植物鳶尾科1屬1種;有2個屬的科有5個,共10屬14種;有3個屬的科有1個,為紫草科3屬3種;有4個屬的科有2個,共8屬8種;有8個屬的科有1個,為禾本科8屬10種;>10屬的科有3個,共36屬55種(表1)。
參考總種數/總屬數、各科種數/屬數比,結合各科屬的數目,把有1個屬且種數少于3種的科劃為單型科;有2—4個屬的科劃為中型科;有不少于8個屬的科劃為大型科。
單型科共14科14屬17種,占其總屬數(79屬)和總種數(107種)分別為17.7%、15.9%。
中型科共8科21屬25種,占其總屬數(79屬)和總種數(107種)分別為26.6%、23.4%。
大型科共4科44屬65種,占其總屬數(79屬)和總種數(107種)分別為55.7%、60.7%。
通過統計,裸子植物門的麻黃科,單子葉植物綱的鳶尾科增加屬于單型科,大型科、中型科幾乎全部分布在雙子葉植物綱。因此,雙子葉植物在科、屬、種方面均占絕對優勢,其次是單子葉植物,裸子植物的比例最小。
3.1.2科的區系分布類型
根據恩格勒植物分類系統和吳征鎰的《世界種子植物科的分布區類型系統》及其修訂,將世界植物科劃分為18個分布區類型,用數字1—18代表不同的分布區類型。其中1—15在中國有分布,16—18是在中國沒有分布的科[10-11]。
本次在長城沿線調查,共發現有26個科,科的分布區類型分屬5個正型及3個變型。5個正型為世界廣布(代碼1)、泛熱帶(代碼2)、東亞(熱帶、亞熱帶)及熱帶南美間斷分布(代碼3)、北溫帶廣布(代碼8)、舊世界溫帶分布(代碼10)。
3個變型為熱帶亞洲-熱帶非洲-熱帶美洲(南美洲)分布(代碼2-2)、北溫帶和南溫帶間斷分布(代碼8-4)、歐亞和南美洲溫帶間斷分布(代碼8-5)。
26科的分布區類型分屬于1型分布共15科;2型分布共3科;2-2型分布共1科,即鳶尾科;3型分布1科,即馬鞭草科;8型分布1科,即百合科;8-4型分布2科;8-5型分布2科;10型分布1科,為檉柳科。
根據26個科的分布區類型,合并變型,則劃分為世界廣布15科,泛熱帶分布4科,東亞(熱帶、亞熱帶)及熱帶南美間斷分布1科,北溫帶廣布5科,舊世界溫帶分布1科。其中裸子植物門的麻黃科為泛熱帶分布類型,單子葉植物禾本科為世界廣布,鳶尾科為泛熱帶分布,百合科為北溫帶廣布。
根據各分布型科數占總科數的百分比(圖1),不考慮世界廣布科數(15科),其中溫帶類型的科數(6科)占總科數的23.1%,熱帶類型的科數(5科)占總科數的19.2%。溫帶類型的科數與熱帶類型的科數比為1.20,故長城沿線的植物科分布區類型主要為溫帶分布類型,這與長城所處地理位置的氣候帶類型一致,與河西走廊所主要分布區系類型一致[12]。
3.2屬的組成分布
3.2.1屬的組成結構
本次長城沿線調查的種子植物分屬于79個屬,其中裸子植物門1屬;被子植物門78屬,雙子葉植物綱67屬,單子葉植物綱11個屬;中國特有屬1個。
單種屬共63個,裸子植物門的麻黃屬為單種屬,被子植物門的單種屬共62屬,單子葉植物綱9個,雙子葉植物綱53個。
1屬2種的共9個,均分布在雙子葉植物綱。1屬3種的共4個,單子葉植物綱2個,雙子葉植物綱2個。1屬4種的共2個,均為雙子葉植物綱。5—10種之間的屬共1個,即蒿屬有6種。
根據各屬的種數,把屬劃分為單種屬、寡種屬(1屬有2—3種)、中等屬(1屬有4—10種)、大型屬(1屬大于10種)。單種屬63個;寡種屬13個,共30種;中等屬3個,共14種;大型屬0個。
通過統計,裸子植物門的1個屬和單子葉植物綱的9個屬,均為單種屬,單子葉植物綱的其余2屬為寡種屬,中等屬均分布在雙子葉植物綱。故雙子葉植物在科、屬、種方面均占絕對優勢,其次是單子葉植物,裸子植物的比例最小。
3.2.2屬的區系分布類型
3.2.2.1屬的區系分布
根據吳征鎰的《中國種子植物屬的分布區類型》,將中國種子植物屬劃分為15個大分區類型,用數字1—15代表不同的分布區類型[13]。
本次長城沿線共調查出種子植物屬79個,分屬12個正型和9個變型[12-16]。未見熱帶亞洲至熱帶大洋洲(代碼5)、熱帶亞洲至熱帶非洲(代碼6)、熱帶亞洲(印度—馬來西亞)(代碼7)。
根據79個屬的分布區類型,合并變型,共分布在12個正型中(圖2)。世界廣布(代碼1)12屬;熱帶類型10屬,分泛熱帶分布類型(代碼2)8個屬,熱帶亞洲和熱帶美洲間斷分布類型(代碼3)、舊世界熱帶分布(代碼4)各1屬,中國特有屬1個;地中海、西亞至中亞分布(代碼12)16屬;其余屬溫帶類型,共41屬。
熱帶類型占總屬數的12.7%,溫帶類型占總屬數的51.9%,溫帶類型屬數與熱帶類型屬數之比為4.10,故長城沿線植物主要為溫帶分布類型,這與科的主要分布區類型一致,也與該長城區段所在地理位置屬所處緯度帶的大氣候帶型一致。
長城沿線的特有屬較少,只有1屬,即河西菊屬,占中國特有屬(248屬[3])的0.4%,占河西走廊地區特有屬(1屬[12])的100%。說明長城沿線的種子植物在屬的水平上特有化水平很低。
3.2.2.2區系指數
為了能更進一步了解長城沿線的種子植物區系特征,對該地區的植物區系與整個河西走廊地區的植物區系作了一個比較(表2),其中α=0.05,tα=2.306;Li=75;C=166。
根據上表的計算,Fij的平均值c=1.758,標準差s=1.780,f=1.451,a=0.307,b=3.210,則Fij的區間為[0.307,3.210]。
Fij>3.210的分布型有1個,為東亞分布(代碼14),該分布區類型對該區系的性質影響極大,但不是該地區植物屬的主要分布類型,因為分布的數量很少,該地區又屬于西北干旱荒漠區,本身物種就十分匱乏,所以對該地區的區系性質影響很大。
3.210>Fij>1.758的分布型有1個,為中國特有分布(代碼15),該分布區類型對該區系的性質影響較大,這個與長城所處的地理位置有關,該地區的中國特有分布只占全國分布的0.4%,其氣候環境屬于大陸性干旱氣候,植被覆蓋率很低,故中國特有分布類型對該地區的植被類型和植物區系分布,有很大的影響。
1.758>Fij>0.307的分布型有7個,分別為世界廣布(代碼1)、泛熱帶分布(代碼2)、北溫帶分布類型(代碼8)、舊世界溫帶分布(代碼10)、溫帶亞洲分布(代碼11)、地中海區、西亞至中亞分布(代碼12)、中亞分布(代碼13),這與長城所處的大氣候帶基本吻合,該地區在北緯37°—39°,是典型的北溫帶氣候。這些7個植物區系分布類型,在這個地區分布的數量占絕對優勢。泛熱帶分布共8屬,有7屬基本都分布在田間地頭,這與該地區日照時間長,年日照時約在3000小時以上,降雨量小,幾乎所有的耕地均需灌溉,這些因素造成了有一些泛熱帶分布的植物在田間地頭分布,且它們生態適應幅度較廣,或者是由于歷史的原因在這一溫帶地區生存下來,分布物種數量很少,種數比較穩定;麻黃屬為老第三紀熱帶常綠植被干旱變型的殘遺成分,已很好地適應了干旱生境的典范[14-18]。
其他6個植物分布區類型,均與該地區的北溫帶氣候基本一致,且分布的種屬數目很多,種屬數目比較穩定,所以這些分布類型對長城沿線的區系性質影響較小。
Fij<0.450的分布型無,所以這些分布區類型對該區系的性質影響極小。
根據《河西走廊地區植物的區系特征》,沒有發現熱帶亞洲和熱帶美洲間斷分布(代碼3)、舊世界溫帶分布類型(代碼4)、東亞和北美間斷分布類型(代碼9)。但通過本次調查,依據《中國植物志》和《中國種子植物屬的分布區類型》,發現有砂引草屬(1種)為熱帶亞洲和熱帶美洲間斷分布類型、天門冬屬(1種)為舊世界溫帶分布類型、野決明屬(1種)、羅布麻屬(1種)均為東亞和北美間斷分布類型。它們的種屬占有率都很低,不會對該地區的植物區系特征產生影響。
在上述4個屬中,天門冬屬、野決明屬、羅布麻屬均在新疆有分布,且分布的種數很少[17],故該地區這3屬存在,與該地區的地理氣候特點基本一致。在多篇關于荒漠植物區系、河西走廊地區植物區系等文獻中未提及,可能是因為其分布種屬很小,未被發現;或者因為采取了不同的分類方法,劃歸到了不同種屬。
砂引草屬只有1種砂引草,在該地區出現,可能是它的生態適應幅度較廣,或者是由于歷史的原因在這一溫帶地區生存下來,但種屬很小;或者是因為不同文獻資料,采取了不同的分類方法,在《中國高等植物》中將其劃入紫丹屬,其在植物區系分布上屬于泛熱帶分布。
3.3種的組成結構
本次長城沿線調查共發現種子植物26科79屬107種,分別占河西走廊[2]地區種子植物的科、屬、種百分比為50.0%、47.6%、32.8%;占甘肅省[2]種子植物的科、屬、種百分比為12.8%、8.5%、2.8%,總體占有水平較低,不會對河西走廊、甘肅省的植物分布區造成影響。
根據恩格勒分類系統,裸子植物1種,占總種數的0.9%,單子葉植物15種,占總種數的14.0%,雙子葉植物91種,占總種數的85.1%,因此長城沿線的種子植物以雙子葉植物為主。
根據植物的生活型分類,可以分為喬木、灌木、一年生草本、二年生草本、多年生草本。長城沿線種子植物中喬木5種,占總種數的4.7%;灌木29種,占總種數的27.1%;一年生草本33種,占總種數的30.8%;二年生草本1種,占總種數的0.9%;多年生草本39種,占總種數的36.4%。總體上看木本植物占總種數31.8%,草本植物占總種數的68.2%,這與該地區屬于西北干旱荒漠區基本吻合,以灌叢和草本為主,同時又受到當地灌溉農業的影響,出現了較多數量的草本。
4 討 論
4.1植物區系特征
明長城沿線種子植物物種相對單一,大型科、中等屬在植物物種的組成上起著重要的作用,是構成該地區植被的主要組建者。單型科、中型科、寡型屬、單種屬大大增強了該地區植物的科屬豐富程度,是植物科屬增加的主要原因;參照《甘肅河西地區維管植物檢索表》,結合實地調查的情況,造成長城沿線的寡型科、中型科、寡型屬、單種屬的主要原因是調查的面積較小,調查范圍成帶狀分布,因此不可能具有很好的調查完整性,且調查的大區域為西北干旱荒漠區,本身物種就相對單一。因此這些小型的科屬對該區域的植物科屬分布有較高的代表性;同時也能說明,大型科、大型屬、中等屬是長城沿線較大區域植被的主要組建者,是組成當地典型荒漠植被類型的重要物種來源。
由于本調查圍繞具體的長城區段做沿線調查,向兩側延伸的距離很短,故不能很好地顯示該區段長城的植物區系起源。同時說明該區段長城的植物區系類型與周邊地區區系有廣泛深刻的聯系。
明長城沿線在地理上屬于典型的西北干旱荒漠區,其生物氣候類型分為暖溫少雨有半年以上旱季類型、暖溫極少雨全年旱季類型、中溫中雨類型、中溫少雨大多月份為旱季類型,野生植被類型整體上呈現為荒漠植被,是典型的溫帶荒漠草原類型。雖然長城的主要修筑意圖是為了防治敵對勢力的軍事打擊,但是該區段長城的位置所占據的地理成分較為卻較為單一。這是由于該地區大區域地理成分單一造成的。從植物分布區類型上看,中國15個大的分布區類型,長城沿線有12個分布區類型,但是有在5個分布類型中,屬的數目少于3個,即熱帶亞洲和熱帶美洲間斷分布(代碼3)、舊世界溫帶分布類型(代碼4)、中國特有分布(代碼15)均為1屬,東亞和北美間斷分布類型(代碼9)、溫帶亞洲分布(代碼11)均為2屬,這也從側面證明了該區段長城所處的地理成分較為單一。
但是從植物科的分布區類型上看,熱帶成分很少,以溫帶成為主導,溫帶成分的科占到了總科數的23.1%,是熱帶成分的1.20倍;從植物屬的分布區類型上看,屬于熱帶成分的10屬,而溫帶成分的41屬,是熱帶成分的4.10倍;從植物的種屬上看,屬于熱帶成分的只有10種,占總種數的9.3%;由于長城所在的較大區域的植物區系與本次調查有些出入,從植物區系指數分析,并結合各類型所占有的屬數來看,對該地區植物區系性質有極大影響的有2個類型,按照重要順序排列為東亞分布>中國特有分布,這個由于該地區植物種類匱乏造成的。但該地區的植物區系主要類型為地中海、西亞至中亞分布>北溫帶分布,因此植物區系分布類型以上述2種類型為主,且因地處西北干旱荒漠區,物種匱乏單一,單屬分布類型和寡屬分布類型較多,故它們對該地區區系的性質將會產生重大的影響。
根據最新的《中國保護植物名錄》,長城沿線一共發現保護植物4種,占總種數的3.7%,分屬4個科,有國家一級保護植物石竹科(Caryophyllaceae)、裸果木屬(Gymnocarpos)、裸果木(Gymnocarpos przewalskii);國家二級保護植物麻黃科(Ephedraceae)、麻黃屬(Ephedra)、木賊麻黃(Ephedra equisetina),蓼科(Polygonaceae)、沙拐棗屬(Calligonum)、沙拐棗(Calligonum mongolicum),藜科(Chenopodiaceae)、梭梭屬(Haloxylon)、梭梭(Haloxylon ammodendron)。
珍稀瀕危植物的保護級別較高,數量較少,這與調查的對象、調查面積以及調查區段的所處地理位置有關。由于長城在很長一段歷史時期內,都有大量的人類擾動,所以植物種類本身就不豐富,且該地區屬于西北干旱荒漠區,物種本身匱乏單一。其次本次調查面積較小,只在長城沿線,沒有涉及更大的區域。再者所有長城區段雖遠離村落,但大多處在農田、退耕還林區域的包圍之中,植物物種數目會受到很大的人為干擾。
綜上所述,河西走廊的明長城沿線種子植物物種相對單一,裸子植物很少,只有1種,單子葉植物種數只占總種數的14.0%,主要屬于雙子葉植物,且木本較少,以草本為主要類群,草本植物占總種數的68.2%;地理成分較為單一,其植物分布區類型以北溫帶分布和地中海、西亞至中亞分布為主導;與周邊地區區系聯系廣泛深刻;特有化程度很低,珍稀瀕危保護植物較少,且保護級別較高。
4.2長城保護
本次長城沿線植物調查的目的,就是要利用生物因素來保護長城。該區段長城是西北干旱區的古代土遺址,而我國西北干旱地區的古代土遺址主要的病害形式有墻基凹進、墻面呈蜂窩狀或片狀剝離、墻體開裂坍塌等,這些病害的形成是風蝕、雨蝕和易溶鹽反復的溶解結晶等綜合作用的結果[19]。根據該地區的氣候特點,該區段長城的主要病害成因為風蝕。
植物對土遺址的作用主要分為兩方面,一方面對其有利,如根系固定土層,可以起到錨固作用;植被覆蓋減少風蝕、雨蝕。不利因素有根系加速土遺址表面風化;植物可能導致風力引起的動荷載傳遞給邊坡,增加邊坡的法向和向下力分量;改變部分遺址面貌。同時考慮,植物蒸騰作用消減土層濕度,使土干裂,增加土層滲透率,增加土的強度;根莖增加地表粗糙度和土層滲透性,導致土層滲透性能增加,降低徑流速度;落葉減少沖蝕,增加雨水下滲的雙重影響[20]。
根據以上的文獻觀點,結合實際調查的情況,提出該地區利用植物保護明長城的基本原則,在河西走廊地區,依據當地的氣候特點和植物分布特征,把利用植物對長城的保護分為3個層次,在距離本體0.5千米開外,采用灌叢和小喬木混交林減少風蝕[21];從0.5千米到本體周邊(約10米),采用灌叢,減少地表徑流對長城的破壞,并起到較好的防風固沙效果[22];在長城本體以及周邊,建立圍欄,選擇長城沿線原有的多年生草本和小灌木,對長城進行保護。建議選擇在科屬分析中占重要組成部分的科、屬,且其分布型最佳應屬于地中海、西亞至中亞分布,同時屬于多年生草本、小灌木來粗選對本體進行保護的可能物種。這些物種所分布的科屬在上文已經有過論述,對選出的物種經過進一步的科學論證、實驗分析,可以最終確定保護該區段長城的植物物種及植被類型。
致謝:感謝蘭州大學馬燕天博士、胡維剛博士等對文章圖件的處理。
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