通过标本数据评估难以采集的植物类群采集密度及进行相关研究的缺陷

2018-05-20桂略宁李辰昱王康浓黄乔多刘有军安辉覃武全刘博

数据与计算发展前沿 2018年5期

桂略宁，李辰昱，王康浓，黄乔多，刘有军，安辉，覃武全，刘博*

1.中央民族大学生命与环境科学学院，北京 100081

2.广西十万大山国家级自然保护区，广西防城港 538000

引言

中国是世界上陆上国土面积排名第四的国家，仅次于俄罗斯、加拿大、美国。中国不但幅员辽阔，经纬度区域的跨度也很大。最东端在黑龙江和乌苏里江的主航道中心线的相交处 (135°2′30′′E，东九区) ，最西端在帕米尔高原附近 (73°29′59.79′′E，东五区) ，最南端在曾母暗沙 (3°31′00′N′，东经112°17′09′′E，热带) ，最北端在黑龙江省的漠河 (介于东经 121°07′～124°20′、北纬 52°10′～53°33′ 之间，亚寒带)。由于南北的巨大跨度，使中国具有大量的在不同气候条件下生长的植物物种；中国的东西地理格局大体呈现西高东低的形式，因此，跨越了五个时区的中国，呈现出特色各异的生态环境，既有“世界屋脊”的高海拔雪山，也有如五岳般的高山地区，还有广袤的平原地区等等，正是中国拥有各种各样的生态环境，才能存在着许多不同种类的植物。

尽管中国存在有大量种类的植物，但中国也有不少稀有种类的植物。这些植物一般难以采集，有的可能是因为该物种存在于地球的年代过于久远，使它的形状已经不适应目前的气候变化，或难以与进化程度更高的物种竞争资源；有的可能是因为人类活动的过度干扰，使它们难以继续与人类和平共处；还有的可能遭受某种灾害，使该物种全部灭绝。尽管这些稀有物种个体数量少，但它们的作用不可忽视，因为他们也是自然界的一部分，是生态系统的组成环节之一，如果缺失，必然打破生态环境的平衡。因此，关注并维护稀有种群，研究稀有种群的相关内容，就显得极为重要。

1 材料与方法

我们采用了中国标本分布的相关数据库，并结合了中国数字植物标本馆的相关数据。这几项数据包含了国内已知的大部分植物数据，从中可以得到大量且详细的相关数据；数据库的数据都是每隔一段时间就更新的，因此具有很好的时效性和真实性。

生物的采集与保存，是人们获取植物的分布信息的最直接和最有效的方式，通过对标本数据库,尤其是大型标本数据库的分析，不仅有助于人们理解研究区域内生物多样性的地理分布格局,而且也有助于人们分析、评价生物多样性保护和研究的热点地区和采样强度过小的空白区域或边缘化区域。我们对科学工作者收集得到的全国植物标本数据库进行研究，使用了 Access 和 MS Excel 作为数据分析的工具，对数据库中的植物标本信息进行不同方面的分析，并结合了标本所在地的自然地理特征，由此提出进行难以采集的植物类群相关研究的缺陷。

3 数据分析

3.1 植物的物种与标本数

我们根据标本数据库的相关数据，统计了各标本中物种数量较少的植物的属和植物数量。通过数据，我们发现，物种较少的属，其平均每个物种的标本量普遍低于物种较多的属，这可能是由于物种少的植物的数目较低，为了保护环境而减少了采集量，这说明当地植物的数量将影响其标本采集量和采集密度。对难以采集的植物，一方面其发现的困难程度较大，另一方面由于可能它是新进化的物种，或是从很久的时候就流传下来的，进化分支较少的物种，导致其在生存环境中暂时难以和其他高密度物种竞争，使其数量较低，导致了研究者对该植物的采集密度的调整和以及对其研究价值的预估。

此外，季节或采集时间可能影响标本的数量。束祖飞[1]等通过对广东车八岭保护区的植物标本进行整理，发现标本在不同月份的采集量呈非均质性，大多数标本的采集时间集中在 6月、7月、9月和 12月，而有的月份所采集的标本数不到全部标本的 1%。这体现了保护区标本采集工作的常态化程度对标本采集的影响，从而可能影响了该地区的物种资料的收集与整理。有的物种，如短命菊等，不仅生活周期极短，只能存活几星期，甚至对环境要求可能比较严格。若是出现采集量的季节性短缺，可能对发现与保护新物种或极少种群都是不利的。

3.2 中国标本的采集密度与空间分布

我们对中国植物的 10537440 个采集标本进行分析，以研究中国植物标本的保存的空间分布。由于同省的各城市地理与自然环境的区别有的十分相似，有的差别巨大，更不必说不同省的城市之间的相互比较，且缺少以城市为单位的采集数据较少，难以分析。因此文章以省为单位，对各省的采集标本进行了归类比较。由于各省面积不尽相同，因此加上了采集密度这一指标，即各省在单位面积内采集到的标本数 (表 1)。

图 1 体现了各省采集标本的数量值，从图中可以看出，云南、四川的采集量明显高于其他地区，这可能是由于它们地形多样，降水较充足，所以是植物生长的优良场所。野外研究者多数钟意于在植物密集、物种丰富的地区进行标本采集，因为这样才可以有较大几率发现新物种，也有利于研究植物的生长与防护治理，因此如云南、四川等生态环境良好的地区，总采集量和采集密度都较高于其他地区。

从采样密度的分布频率来看 (图 2)，可以看出，不同的密度范围的频率显著不同，由此可以看出，不同省份的采集密度呈现非均质性，这可能是与当地的植物生长环境、当地相关政策、历史研究程度等有关。

3.3 中国濒危植物统计及其分析

表1 中国各省标本数及采集密度Table 1 Number of specimens and collection density in various provinces provinces in China

图1 各省采集标本数量图Fig.1 Number of specimens collected by provinces

图2 采样密度分布频率图Fig.2 Acquisition density distribution frequency map

我们在中国数字标本植物馆中查阅分析了中国珍稀濒危植物名录，并获得了以下数据。

在中国珍稀濒危植物中，共计有 6487 种，中国特有物种 4257 种。

国家Ⅰ级保护植物共有 205 种，其中 IUCN：CR (濒危级别为极危) 有 55 种，IUCN：EN (濒危级别为濒危) 有 78 种，IUCN：EW (濒危级别为野外灭绝) 有 1 种，IUCN：NT (濒危级别为近危) 有 15 种，IUCN：VU (濒危级别为易危) 有 56 种；国家Ⅰ级保护植物中中国特有物种有 75 种，其中 IUCN：CR (濒危级别为极危) 有 34 种，IUCN：EN (濒危级别为濒危) 有 28 种，IUCN：EW (濒危级别为野外灭绝) 有 1 种，IUCN：NT (濒危级别为近危) 有 2 种，IUCN：VU (濒危级别为易危) 有 10 种。

国家Ⅱ级保护植物共有 809 种，其中 IUCN：CR (濒危级别为极危) 有 88 种，IUCN：EN (濒危级别为濒危) 有 227 种，IUCN：RE (濒危级别为地区灭绝) 有 1 种，IUCN：EX (濒危级别为灭绝) 有 6 种，IUCN：NT (濒危级别为近危) 有 203 种，IUCN：VU (濒危级别为易危) 有 284 种；国家Ⅱ级保护植物中中国特有物种有 409 种，其中 IUCN：CR (濒危级别为极危) 有 69 种，IUCN：EN (濒危级别为濒危) 有 227 种，IUCN：EX (濒危级别为灭绝) 有 6 种，IUCN：NT (濒危级别为近危) 有 82 种，IUCNVU (濒危级别为易危) 有 131 种。

未列入国家级保护的珍稀植物共有 5473 种，其中 IUCN：CR (濒危级别为极危) 有 438 种，IUCN：EN (濒危级别为濒危) 有 982 种，IUCN：RE (濒危级别为地区灭绝) 有 13 种，IUCN：EW (濒危级别为野外灭绝) 有 8 种，IUCN：EX (濒危级别为灭绝) 有 21 种，IUCN：NT (濒危级别为近危) 有 2486 种，IUCN：VU (濒危级别为易危) 有 1525 种；未列入国家级保护的珍稀植物中中国特有物种有 3773 种，其中 IUCN：CR (濒危级别为极危) 有 354 种，IUCN：EN (濒危级别为濒危) 有 697 种，IUCN：EW (濒危级别为野外灭绝) 有 8 种，IUCN：EX (濒危级别为灭绝) 有 21 种，IUCN：NT (濒危级别为近危) 有 1680 种，IUCN：VU (濒危级别为易危) 有 1014 种。

从上述数据，可以看出中国是需要进行植物重点保护的国家。中国有 27268 种被子植物[3]和 202 种裸子植物[4]，共 27470 种植物，其中珍稀植物有 6487 种，占比 23.6%。中国的特有珍稀植物约占其所有珍稀植物物种的 2/3，其中属于 CR、EN 级别的中国特有珍稀植物有 448 种，占中国特有珍稀植物的 10.5%，占据比例极大。此外，该调查发现，中国有 27 种植物已经灭绝，野外灭绝的有 9 种，这 36 种植物都属于中国特有珍稀植物；地区灭绝有 14 种，但没有中国特有珍稀植物。

3.4 植物异名现状及分析

我们利用植物学名校订工具 4.0 (Taxonomic Name Resolution Service4.0) 对中国 3709905 种植物进行异名分析，发现有 75% 的植物存在异名现象，即这些植物拥有多个名字，有的是因为在以前对植物的认知水平较低，而对植物进行错误的分类，导致命名错误；有的是该植物具有多个命名人，导致拉丁文种属名后的命名人有所不同。植物的名称如此丰富多样，是由多种因素造成的。

随着科学发展的不断深入，人类对植物的认识已经不仅仅是根据其植物表观特征，而且还深入到分子领域，如从遗传物质的差异中区别物种间的亲缘关系。这极大地便利了当前植物数据的整理与植物数据库的制作，但植物的正确命名工作仍旧有待加强。陈玉凯[2]等对海南省的维管植物进行了分析，发现海南岛有 1220 个物种的拉丁学名需修订，包括拼写错误、鉴定错误和存在异名等。海南岛的岛屿状态使其受外来物种的影响较少，仍出现了许多在鉴定与命名上的缺陷，更不必说在物种交流更复杂的大陆。因此，当前的植物鉴别与命名工作仍任重而道远。

4 分析与讨论

4.1 植物地区分布分析

植物物种在某一地区内的生长，是由其本身的植物性质与长期的对当地环境的适应的协同作用造成的。因此，不能完全由植物物种的数量来判断当地植物的生长品质，不是植物物种越多，越能体现当地的绿化工作的质量。此外，保护当地植物，尤其是当地特有植物 (无论其是否是濒危植物)，是极为重要的。这些植物具有地区特异性，对不同地区的同种植物进行研究、比较，可以使我们更能全面了解当地植物生态的相关研究，从而为当地植物保护提供建设性建议

4.2 植物的采集密度和研究缺陷

云南是我国植物物种最多的地区，且拥有温带和热带地区，再加上当地政府提出的良好的生态保护理念，使它成为植物研究的热点地区。冯建孟[5]等对云南维管植物进行了空间分布的统计，发现云南各研究单元的标本的采集和标本的空间分布都呈非均质性，且标本密度与物种密度呈正相关，因此采集强度可很大程度地影响人们对植物物种的认知，即发现新种的可能性。因此，一定范围内，植物采集强度越大的地方，发现的新种可能越多，或获得新种的可能性越大。采集密度可能受当地生态环境、国家支持力度、研究者的普遍研究意愿等影响，但这有可能使人们对全国的物种分布认识缺陷，难以发现在采集密度较低的情况下的新物种[6]，导致植物数据库的信息不完善。

4.3 中国发展与中国植物的关系

中国土地广袤，拥有八大植被区域，以及除极地冻原以外的其他生态环境，使中国植物物种多样性、遗传多样性和生态系统的多样性在世界上都具有代表意义。同时，中国人口稠密，对生存空间的需求很大，因此难免会对自然界的植物生存造成压力。我们既不能肆意占据植物的生存空间，破坏植物，破坏生态；也不能因噎废食，为了保护环境而不发展人类文明。正所谓“绿水青山就是金山银山”，我们应当积极利用植物的直接价值和间接价值，并不断发掘其潜在价值，最大限度地使其为我们人类创造最大价值；同时我们要保护环境，爱惜植物，防止植物灭绝，造成不可逆转的严重后果。