基于主成分聚类分析的中国油茶栽培区划*

黄志伟，曹剑，袁德梽，何莉

(1.重庆三峡职业学院农林科技系，重庆404155；2.重庆中智园林建设工程有限公司，重庆401120)



基于主成分聚类分析的中国油茶栽培区划*

黄志伟1，曹剑1，袁德梽1，何莉2

(1.重庆三峡职业学院农林科技系，重庆404155；2.重庆中智园林建设工程有限公司，重庆401120)

在全国油茶适宜发展的14个省区选取了38个油茶主栽区县和12个国家油茶良种基地，采取主成分分析和聚类分析方法，分析了油茶引种的主要气候限制因子。结果表明，年均温、10-11月均温、无霜期、最冷月均温、≥10℃积温和极端温度是影响油茶引种的重要因素。同时，依据主成分分析结果，将全国油茶50个典型栽培区县划分成4种类型，即北部边缘区(IVA)、中心栽培区(VA1)、西部适宜栽培区(VA2)和南部边缘区(VIA)。

油茶；主成分分析；栽培区划；生态适应性

油茶(CamelliaoleiferaC.Abel.)属山茶科(Theaceae)山茶属(Camellia)植物，是我国特有的木本食用油料植物，因其风味佳、油质好、营养价值高，被誉为“东方橄榄油”、“软黄金”。目前，全国共有14个油茶栽培重点省(市)，涉及642个区县，而国家油茶良种基地确仅有15个[1～2]，主要分布在陕西安康、广西南宁、岑溪、安徽黄山、湖北麻城、湖南浏阳、汨罗、贵州天柱、浙江金华和江西抚州、分宜、峡江等地区，涉及的品种主要有长林、湘林、亚林等品种。《全国油茶产业发展规划(2009-2020年)》(以下简称《规划》)实施以来，全国各油茶栽培区从以上良种基地大量盲目引种油茶，且油茶引种与产业发展同步实施，一些地方油茶后期表现不佳，严重影响了油茶产业健康发展。为此，许多学者在传统栽培引种试验的基础上，从各个方面开展了油茶引种研究[5～6]。左继林等用典型相关分析研究了油茶与气象因子的相关性；王莹、陆魁东等采用GIS技术，分别对广西和湖南油茶气候区适宜度进行了评价；吴明作等应用相似距离理论分析其与适生地的相似距离，并结合积温、日照、无霜期等因子确定了油茶在河南省的气候适宜种植区。以上研究不是试验耗时长、工作量大，就是局限在某一地进行气候区划，对油茶栽培引种指导性意义不大，而将油茶引种将原产地气候和引种区气候利用主成分分析和聚类分析进行分类的研究未见报道。本文利用主成分分析和聚类分析方法，分析了油茶引种的主要气候限制因子，并选取了全国油茶50个主栽区县进行了排序和聚类划分，提出了栽培区区划的一些构想，以期为全国油茶引种提供参考。

1　材料与方法

1.1油茶生境地气候资料的收集与整理

根据《规划》，在全国油茶适宜发展的14个省区选取了38个油茶主栽区县和12个典型的国家油茶良种基地的气象数据作为分析对象。参考韩华柏的研究方法[7]，气象指标选取平均气温、≥10℃积温、无霜期等11个气候指标，所有指标均来自文献和当地气象资料(1971-2000气象数据)，见表1。

表1　国内油茶主要栽培区域气象资料

续表1

序号栽培区域年平均气温/℃最热月平均温度/℃极端最高温/℃最冷月平均温度/℃极端最低温/℃≥10℃积温/℃10-11月均温/℃无霜期/d8-9月降雨量/mm年平均降水量/mm年均日照时数/hP29湖南长沙17.529.041.04.5-8.0545715.8526019114581530P30湖南衡阳17.930.340.04.6-3.0500017.6028516113521600P31江西分宜*18.528.839.98.3-8.3535517.0526922616441700P32江西抚州*17.129.038.03.7-3.0625516.2526022317211635P33江西赣州19.429.4408.2-6.0601218.3030522514611778P34江西九江16.929.339.84.2-12.0560015.5526022715001920P35江西峡江17.028.540.68.5-8.6572316.6527721415921873P36江西宜丰17.129.038.03.7-3.0625516.6026022117211800P37陕西安康*15.724.042.63.5-16.4410013.002632427991811P38四川荣县17.326.738.07.31.0573416.0033130710131240P39四川宜宾17.826.637.97.8-1.7580016.1034040012001100P40云南广南16.722.536.78.6-5.5525016.1530529610571876P41浙江常山17.329.833.06.4-9.2530016.4523827117801899P42浙江富阳16.727.937.22.5-6.4551915.2022928914571690P43浙江金华*17.929.041.25.2-9.6550016.0526321214242062P44浙江开化16.428.841.96.4-11.2512515.6525228618141713P45浙江庆元17.427.037.36.7-13.0473216.9524526817601796P46浙江遂昌16.827.740.15.3-9.9561416.8025119015101755P47重庆城口13.724.438.92.4-13.2420012.3523537012631534P48重庆垫江16.927.340.06.0-1.5540315.5028928811781171P49重庆彭水17.527.744.16.8-3.8572216.203112931227993P50重庆綦江18.629.042.28.1-1.7600015.6034426310751133

注：*为国家油茶良种基地所在区县。

1.2分析方法

利用因子分析对影响油茶生长的11类气候因子进行KMO检验，当KMO值大于0.7时，方可采用主成分分析；利用主成分分析将11类气候因子进行分类、简化，得到影响油茶生长的主要气候分量，找出影响油茶生长的主要限制性气候因子。同时，将主成分分析得到的主分量进行数量分类和排序，得到油茶栽培区县的区划分类。所有计算采用SPSS和Excel进行计算。

2　结果与分析

2.1影响油茶生长的主要气候因子

利用主成分分析，将影响油茶生长的11类气候因子进行分类、简化(见表2)。从表2可以看出，前4个主分量的特征根均大于1，累积贡献率达82.39%以上，代表了原始数据的大部分信息。在这4个分量中，对第1主分量影响较大的指标从大到小依次为年均温、10-11月均温、无霜期、最冷月均温、≥10℃积温和极端最低温，与庄瑞林等人的研究结果基本一致[8]，即影响油茶生长发育、完成生命周期的主导因子是温度和热量因子。对第2主分量影响较大的指标从大到小依次为年降雨量、最热月均温和年均日照时数，主要反映栽培地的水分和光照条件，表明降雨量、越夏温度条件和光照是限制油茶引种栽培的重要因素。第3、4主分量主要是极端温度因子和8-9月降雨量的影响，是第2和第3主分量的补充，表明高温缺水也是影响油茶越夏和结果品质的重要因素。

在具体气候指标的选择上，应着重考虑年均温、10-11月均温、降雨量、日照时数等气象指标。同时，作为油茶栽培品种的要求，从极端最高温上考虑了油茶越夏的问题，8-9月的降水量主要考虑油茶生长发育期间的降水量多少，极端最低温则主要考虑油茶幼果越冬的安全气候条件等。因此，在油茶的引种栽培上首先要考虑的是栽培地的热量条件是否能够达到引种油茶的基本要求，其次是水分条件，最后是光照条件。

表2　气候因子前4个主成分相关矩阵的特征向量

2.2油茶栽培样点气候区划

利用上述主成分分析结果，对50个区县气候指标进行分类和排序。50个区县主成分分析(PCA)第一轴和第二轴排序结果的二维平面图如图1所示。PCA前2个排序轴的特征值累积贡献率达到62%，能基本反映事物的基本面貌，所以用第1，2排序轴上的得分值做出的二维散点图能够一定程度上说明光热、水分条件的分布情况。PCA的第一轴基本反映了温度和热量条件的变化趋势，第二轴基本反映了光照和水分条件的变化区域。同时，利用上述11个气候指标采取规格化转换处理后，应用卡方距离，采用离差平方和法进行聚类分析，并结合中国气候区划[9～10]，将所选的50个栽培区县分为4类，分析如下。

2.2.1北部边缘栽培区(IVA)

气候区划属于北亚热带湿润大区，包括大别山与苏北平原北亚热带湿润亚区和长江中下游平原与浙北北亚热带湿润亚区，含安徽黄山、霍山、宁国、潜山、歙县、湖北麻城、陕西安康、重庆城口等8个区县。本区为普通油茶分布的西北部边缘地区，该区年均温13～18℃，年均≥10℃积温一般在4 000～5 300℃，最冷月(1月)均温2～4℃，最热月(7月)均温24～27℃，日照时数800-1 400h。由于云雾多，日照少，对油茶生产有一定影响；宜选择地势开阔或山体的阳坡，土层深厚的地带栽培。

2.2.2中心栽培区(VA1)

气候区划属于中亚热带湿润大区，包括江南山地和湘鄂西山地2个中亚热带湿润亚区，含福建建宁、松溪、湖北赤壁、黄梅、通山、阳新、湖南汨罗、衡阳、浏阳、长沙、江西分宜、抚州、九江、峡江、宜丰、浙江富阳、常山、金华、开化、庆元、遂昌等21个区县，为油茶最适宜栽培区域，与《规划》划分基本一致。该区域年均温16～19℃左右，年均≥10℃积温普遍超过5 100℃，最冷月(1月)均温4～10℃，最热月(7月)均温27～30℃，10-11月均温在16.5℃左右，年平均降水量除个别样点外，均在1 400mm以上，日照1 500-2 100h，本区域的气候条件与庄瑞林等研究成果完全一致[8]。

2.2.3西部适宜栽培区(VA2)

气候区划属于中亚热带湿润大区，包括四川盆地中亚热带湿润亚区、贵州高原山地中亚热带湿润亚区和滇西山地滇中高原中亚热带湿润亚区，含广西龙胜、三江、贵州天柱、册亨、从江、云南广南、四川荣县、宜宾、重庆垫江、彭水、綦江等11个区县。本区主要是盆地和低山、丘陵等地形，地形起伏较大，年均温15～20℃，最冷月(1月)平均气温在4～9℃，最热月(7月)均温25～29℃，极端高温超过39℃，10-11月均温16.2℃，≥10℃积温4 500～6 000℃，多数区域日照时数小于1 300h，夏季高温、光照不足是影响本区油茶生长的主要因素。

2.2.4南部边缘区(VIA)

气候区划属于南亚热带湿润大区，包括滇中南山地南亚热带湿润亚区、滇西南山地南亚热带湿润亚区、闽粤桂低山平原南亚热带湿润亚区，含福建大田、上杭、广西岑溪、南宁、融水、阳朔、广东阳山、蕉岭、连平、江西赣州等10个区县，是油茶南线较适宜栽培区。本区年均温多在19℃以上,1月均温10℃，7月均温28℃，年均≥10℃积温多数超过6 500℃。根据小地形气候条件，选择合适的区域是本区油茶栽培的关键。

图1　全国油茶50个样本PCA排序

3　结论与讨论

3.1结论

(1)采取主成分分析法对全国油茶主栽区域11个气候指标进行了分析，发现温度和热量因子是影响油茶引种的最关键因素，其中尤以年均温、10-11月均温、无霜期影响最为显著。这也对当前全国一些地区油茶引种存在的前期生长好，后期成花少、结果差、种子含油率低等引种失败的情况作出了合理的解释。同样，光照因子和水分条件作为影响油茶生长的第2主分量因素，前者主要还是影响油茶开花授粉，后者主要是影响油茶成活率和生长率，与胡娟娟[11]、杨伟波[12]等人有关光强对油茶生长情况的研究结果基本一致，也间接说明了应用主成分分析，判断油茶引种的生态适应性是可行的。

(2)在对气候因子进行分析的基础上，采用主成分和聚类分析方法对全国50个油茶种植区县进行了区划，结合全国气候区划大区分类，分成4种类型，包括北部边缘栽培区(IVA)、中心栽培区(VA1)、西部适宜栽培区(VA2)和南部边缘区(VIA)，引种栽培时可借鉴区划结果，同区引种成功率更高。同时，从50个典型栽培区县的分布类型发现，与庄瑞林传统油茶北带、中带、南带的区划比较[8]，各带的划分范围均有一定的变化，这与近几十年全球气候变暖、区域降雨量波动有一定的影响。

3.2讨论

本文仅仅围绕气候条件对油茶栽培区进行了区划，在实际栽培中，由于地形地貌、土壤立地条件等引起的气候差异，导致油茶生产栽培种的区划更为复杂。因此，在油茶栽培过程中，建议以年均温、10-11月均温为主导因素，以光照和水热条件为辅助因子，综合考虑地形地貌、土壤等因素，分析小环境的差异性，进行引种栽培。同时，本文的研究方法也可进一步综合运用到更为精细化的油茶栽培区划研究中，为油茶栽培、引种提供更为精细化的参考指导。

[1]国家林业局.关于公布第一批国家重点林木良种基地的通知(林场发[2009]11号)[Z].2009-01-14.

[2]国家林业局.关于公布第二批国家重点林木良种基地的通知(林场发[2012]25号)[Z].2012-02-07.

[3]左继林，徐林初，李江，等.赣无1油茶优良无性系经济性状与气象因子的典型相关分析[J].中南林业科技大学学报，2010，30(7):43-49，69.

[4]陆魁东，宋忠华，杜东升，等.湖南油茶GIS精细化气候区划研究[J].中国农学通报，2011，27(8):362-365.

[5]王莹，苏永秀，李政.广西西北部油茶种植气候适宜度评价[J].中国农学通报，2013，29(13):24-30.

[6]吴明作，王翠云，陈景玲，等.河南省油茶气候适宜性研究[J].河南科学，2007，25(2):251-254.

[7]韩华柏,罗成荣,牛益川,等.四川核桃栽培适宜性区划研究[J].西部林业科学,2012,41(3):1-7.

[8]庄瑞林，周启人，姚小华.中国油茶(第2版)[M].北京：中国林业出版社，2008.

[9]中国科学院自然区划工作委员会.中国气候区划(第1版)[M].北京:科学出版社，1959.

[10]郑景云，尹云鹤，李炳元.中国气候区划新方案[J].地理学报，2010，65(1)：3-13.

[11]胡娟娟.水分对油茶生长及生理生化特性的影响[D].合肥：安徽农业大学，2012.

[12]杨伟波，付登强，李艳，等.不同光强下义安油茶幼苗生长和叶绿素荧光特性分析[J].热带作物学报，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

重庆市教委科学技术研究项目“油茶生态高效栽培模式研究”(KJ131902)。

黄志伟(1978-)，男，工程师，硕士，从事生态学和生态规划等方面的研究。E-mial：hzwandcj@163.com

S 794.4

A

1672-8246(2016)03-0155-06