甘肃省位于中国西北内陆,处黄土高原、青藏高原、内蒙古高原交汇处,地理坐标为北纬32°31'~42°57',东经92°13'~108°46'。省内东西蜿蜒1600多km²,纵横45.37万km²,地形复杂多样,海拔560~5800 m,地势自西南向东北倾斜,山地、高原、沙漠、河谷、戈壁交错分布;有阿尔金斯山、祁连山、小陇山、六盘山、子午岭和秦岭等^{[ 16]}。全省大致分6个区域,即陇南山地、陇中黄土高原、甘南高原、河西走廊、祁连山地、河西走廊以北地带。甘肃深居内陆,远离海洋,属温带季风气候,具有亚热带、暖温带、温带等多种气候类型。年均温由祁连山0℃向北递升至8℃,东南白龙江流域达15℃;1月最冷,月均温由北部的-12℃向东南至白龙江流域的3℃;7月最热,月均温由北向东南从15℃升至25℃。从东南到西北包括北亚热带湿润区、半湿润区、高寒区、干旱区和半干旱区5种气候类型^{[ 11, 12, 13, 14]}。陇东、陇南和甘南高原年降水量500 mm以上,陇中黄土高原区降水量300~500 mm;河西地区降水量<200 mm,河西走廊北部降水量<50 mm。降水量集中在夏季(6-8月),占全年降水量的50%~70%。多样的地形和复杂的气候造就甘肃省丰富的植被类型和植物物种多样性。

所研究植物分布信息主要来自文献资料、标本查阅及实地调查( 图1)。于2009-2011年进行植物种资料的采集和整理。

图1

Fig.1

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	图1 数据采集流程图Fig.1 Workflow of data collection flow chart

文献资料:主要为《甘肃植物志》(第一、二卷)^{[ 26]}、《中国植物志》^{[ 27]}、《中国沙漠植物志》^{[ 28]}、《黄土高原植物志》^{[ 29]}、《子午岭木本植物志》^{[ 30]}、《崆峒山植物志》^{[ 31]}、《小陇山高等植物》^{[ 32]}、《甘南树木图志》^{[ 33]}、《甘肃中草药资源志》^{[ 34]}等植物志书。

标本查阅:对兰州大学、西北师范大学、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所、甘肃农业大学等的植物标本馆所存甘肃省维管植物标本进行查阅和系统整理。

野外调查:对文县、武都、康县,天水,肃南,肃北等植物分布热点地进行野外实地调查。

将以上三方面所得植物物种分布县域信息录入到Excel表中。由于各种资料来源受历史时期和水平限制,有的物种只给出模糊分布地,有的是同种异名,有的则是异种同名;故对分布地不清物种,通过咨询权威专家,确定其分布地。同时,利用《中国植物志》^{[ 27]},对植物拉丁名进行检查和校正,再以植物拉丁名为准,用环境保护部南京环境科学研究所提供的《中国野生维管植物数据库》对物种中文种名进行覆盖。并对照文献资料,反复检查数据,对遗漏部分进行修补,删除重复录入物种。在此基础上,建立甘肃省野生维管植物数据库。

由于甘肃省共有87个县域行政单位,为方便录入,本着城市化程度高,地域相邻,面积相对较小区域合并原则。将兰州市五市区合为1个县域行政单位,天水两市区合并为1个行政单位;白银平川区在1982年前属靖远县,且其城市化程度高,处靖远县行政区域中,故将其与靖远县合并为1个县域单位^{[ 35]}。

在建立的甘肃省野生维管植物数据库基础上,汇总各县域的各类植物物种数据;利用甘肃省各县域矢量图,在ArcGIS Desktop 9.3地理信息平台上,以县域名称为主键,与汇总好的植物物种数据进行联合后进行植物物种数据空间显示和分析。

1.3.1 物种丰富度分布

物种丰富度指数即物种数目的简化。将甘肃省野生维管植物按维管、蕨类、裸子、单子叶、双子叶、中国特有种植物进行物种丰富度分析。

1.3.2 物种分化强度和物种密度

物种分化强度代表植物区系的分化强度,用表征属和科水平的种数/属数和属数/科数的比值表示^{[ 36]}。在研究植物物种丰富度与分化强度关系时,考虑到面积对物种丰富度的影响,通过某县域的物种数S除以该县域的面积A的自然对数来计算该县域的物种密度,即物种密度(species density)= S/ln A^{[ 37]}。

1.3.3 物种种域分布

物种分布区是一个物种或种上分类单元在地球表面所占据的地理区域,在地图上表现为沿分布区边界的一条或几条封闭曲线或者散布于一定地理范围的点集^{[ 1]},本研究中为利于各县域间物种数比较,将某植物种分布区所包含的县域个数,定义为该物种种域数,按公式(1)计算每个县域的平均物种种域数。

P̅ = ∑n=1SPnS(1)

式中, P̅为某县域所有物种的种域数平均值, P_n为第 n个物种的种域数, S为某县域物种数, n为该县域的某个物种( n=1,2,……, S)。

1.3.4 物种相似度及其分区

借鉴植物群落相似性指数Jaccard^{[ 38]}计算公式,用Jaccard系数计算不同县域之间的物种相似度。具体计算时,将两县域之间物种相似度>0.45且公共边相邻的县域合并,如此循环直至合并完毕,以对甘肃省野生维管植物的分布进行分区。

S= ca+b-c(2)

式中, a表示A县的维管植物物种数, b表示B县的维管植物物种数, c为A县与B县共有维管植物物种数, S为两县之间的物种相似度。

甘肃省维管植物构成结果显示,双子叶植物构成甘肃维管植物主体,其科、属、种分别占甘肃省总维管植物科、属、种的68.5%,73.4%和77.5%;其次是单子叶植物,其科、属、种分别占甘肃省总维管植物科、属、种的11.0%,18.3%和15.5%;而裸子和蕨类植物的科、属、种仅占甘肃省总维管植物科、属、种的1.0%~3.2%和6.1%~17.3%;中国特有植物的科、属、种分别占甘肃省总维管植物科、属、种的63.5%,47.3%和42.3%( 表1)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 甘肃省野生维管植物构成 Table 1 The composition of vascular plants in Gansu Province No. 项目 Item 维管植物 Vascular plants 蕨类植物 Dteridophyte 裸子植物 Gymnosperm 双子叶植物 Dicotyledons 单子叶植物 Monocotyledons 中国特有种 China only 科Families 219 38 (17.3%) 7 (3.2%) 150 (68.5%) 24 (11.0%) 139 (63.5%) 属Genera 1216 83 (6.8%) 18 (1.5%) 893 (73.4%) 222 (18.3%) 575 (47.3%) 种Species 5207 317 (6.1%) 53 (1.0%) 4036 (77.5%) 801 (15.5%) 2204 (42.3%) Note: The data in brackets are percentage of each category in respective total plants (%). 注:括号内数据为各类植物占甘肃省总科、属、种植物的比例(%)。

表1 甘肃省野生维管植物构成 Table 1 The composition of vascular plants in Gansu Province No.

甘肃省总维管植物约占全国的14.0%,各县域分布极不均匀,主要集中分布在天水,陇南各县( 图2a)。按物种丰富度进行排序,甘肃省维管植物可划分为5个等级:位于甘肃东南部的文县、武都、天水市区、迭部、徽县、舟曲和卓尼7县区值最高,包含物种数1694~2558;位于甘肃东部的两当、成县、礼县和康县等20县次之,包含物种数943~1419;民乐县、碌曲县、临潭县等20县区中等,包含物种数591~825;康乐县、庆城、永登、正宁、临泽等18县区较低,包含物种数424~574;临夏市、临夏县、临洮、康乐等14县区的植物物种数仅为240~371。甘肃省被子植物(单子叶和双子叶)分布较丰富,其中单子叶和双子叶植物分别占全国的12.1%和14.5%( 图2b和2c);其物种丰富度分布格局与维管植物总数的分布格局类似。被子植物中的单子叶和双子叶丰富度最高区域基本为文县、武都区、天水市区、迭部县等,物种数分别为190~344和710~1960;其次是舟曲县、两当县、武山县、崆峒区及河西地区的肃州区、瓜州县、山丹县、玉门市等县市区,分别为45~164和388~1440;位于甘肃省中部的康乐、庄浪、崇信、静宁、临洮、渭源等县最低,分别为20~42和205~500。

图2

Fig.2

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	图2 甘肃省野生维管植物丰富度分布格局Fig.2 Distribution patterns of the richness of vascular plants in Gansu Province

甘肃省蕨类和裸子植物较丰富,分别占全国的14.2%和16.8%( 图2d和 图2e)。不同地区间蕨类植物差异很大,按其丰富度高低依次为,陇南地区的文县、康县、武都3县最高,物种数为221~243;甘肃省东部、南部的天水市区、徽县、两当县等12县区的蕨类植物物种丰富度次之,物种数为66~99;甘肃东部和中部地区的清水县、迭部县、漳县等13县区中等,包含物种数为31~53;河西南部和甘肃中部的古浪县、玛曲县、民乐县等32县区物种丰富值较低,物种数为11~23;中部及东北部的皋兰县、合水县、正宁县等23县区物种丰富度最低,物种数为3~7。裸子植物丰富度大小依次为,陇南市的迭部县、文县、武都区等丰富度最高,物种数为30~38;其次为甘肃中部和南部的成县、合作市、天水市区、徽县等16县区,其植物物种数为16~25;河西的肃北县、阿克塞县、甘州区、古浪县等22县,其植物物种数为10~15;民勤县、华池县、静宁县、灵台县、嘉峪关市、山丹县、金昌市、高台县、兰州市区等24县区(市)的植物物种丰富度较低,物种数为5~9;临夏市、安定区、和政县、临夏县等14县市区的植物丰富度最低,其物种数均低于4。

甘肃省中国特有植物种约占全国的10.8%( 图2f),按其植物种丰富度大小依次为,文县、迭部县、武都区、舟曲县等6县区最高,植物物种数为764~1148;徽县、宕昌县、两当县等7县市次之,植物物种数为445~677;漳县、崆峒区、武山县、西和县、碌曲县、天祝县、夏河县等19县区,植物物种数为278~392;临夏市、康乐县、榆中县、合水县、兰州市区、靖远县、镇原县等26县市区较低,植物物种数为126~241;瓜州县、民勤县、临洮县、玉门市、金塔县等23县市区最低,其植物物种数为51~122。

甘肃省野生维管植物科、属分化强度的地理分布格局与其物种丰富度的分布格局大致相同( 图3和 图2)。其中,科分化强度分布格局大致为处于多山地带东南部和河西南部的肃北、天水、阿克塞、文县、肃南、天祝、迭部、古浪、武都区等12县区最高,其值为3.9~4.6;与此相邻的漳县、崆峒区、礼县、安西、舟曲等20县区次之,其值为3.4~3.9;民勤、安定区、宕昌、凉州区,甘州区、玛曲县等19县区,其值处于3.0~3.4;永昌、康乐、西峰区、永登、环县、合水、华亭17县区值为2.7~3.0;白银市区、景泰县、会宁县等13县区最低,其值为2.3~2.7( 图3)。而属的分化强度分布格局与科的类似,亦为迭部、卓尼、文县、天祝、舟曲等16县最高,其值为2.6~3.1,徽县、安西、宕昌、两当、肃州区等16县区次之,其值处于2.3~2.6;礼县、金塔、临夏市、临泽,漳县等为2.1~2.3;清水、张家川、秦安、甘谷、宁县、永登,安定区等 15县区的为1.9~2.1;镇原、庆城、庄浪、泾川、崇信、临洮、静宁等19县区最低,其值为1.7~1.9。

图3

Fig.3

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	图3 甘肃省野生维管植物分化强度Fig.3 Flora differentiation of vascular plants in Gansu Province

甘肃省野生维管植物物种密度和分化强度之间的相关性结果显示,属和科的分化强度均与其物种密度呈极显著正相关关系( P<0.01),其相关系数分别为0.702和0.781( 图4)。

图4

Fig.4

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	图4 甘肃省野生维管植物物种分化强度与物种密度的关系Fig.4 The relationship between flora differentiation and species density in Gansu Province

甘肃省野生维管植物的种域分布( 图5a)大致与其物种丰富度分布( 图2)相反。在物种丰富度分布较低的广河、陇西、通渭、皋兰、积石山等10县,物种数为240~295,其种域数值为52.9~63.1;永靖、渭源、临洮县、临夏县、镇原县等14县的物种数为326~504,其种域数为41.2~51.3;华池,靖远,正宁,永昌,庆城、康乐等20县的物种数为494~673,其种域数为32.8~39.4;敦煌市、甘州区、民勤、岷县、肃州等28县的种域数为23.9~31.6,其物种数为630~1150;成县、徽县、卓尼、天水市区,舟曲等9县区的种域数仅为14.9~23.1,而其物种数高达1191~2558。

图5

Fig.5

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	图5 甘肃省维管植物的种域分布(a)和分区划分(b)Fig.5 Patterns of flora differentiation range size (a) and plant regionalization map (b) in Gansu Province

依据不同县域之间维管植物物种的相似系数大小,并结合其地理位置分布,将甘肃省野生维管植物物种分布划分为以下9区( 图5b):1)陇东黄土高原区,包括庆阳市各县及除静宁和庄浪县外的平凉市所有县;2)陇中黄土高原区,包括会宁、静宁、庄浪和定西市大部分区域,以及兰州市和临夏州部分地区;3)甘南高原区,包括甘南州的玛曲、碌曲、合作和夏河4县市;4)甘南高原与陇南山地过渡区,包括卓尼、舟曲、迭部和宕昌4县;5)陇南山地区,包括文县、武都和徽县3县;6)天水秦岭区,包括天水市区、西和、成县、徽县和两当;7)秦岭北麓区,包括张家川、秦安县、清水县、甘谷、武山、漳县、礼县;8)河西地区,包括酒泉市、嘉峪关市、张掖市、武威市所有县区和永登县;9)白银荒漠区,包括白银、景泰、皋兰、靖远。