内容摘要：本文通过对河西走廊地区明长城沿线种子植物调查，共统计到种子植物26科79属107种，其中裸子植物1科1属1种；被子植物25科78属106种。单种属的科共12个，超过10属的科3个，其总属数占调查总属数的45.6%，种数占调查总种数的51.4%，以藜科最多，共13属21种。科的区系分布类型共4个正型和3个变型。属的区系分布类型共12个正型和9个变型，中国特有属1个，即菊科的河西菊属（Hexinia）。调查区域的植物种类相对单一；地理成分比较单一，以地中海地区、西亚至中亚分布型和北温带成分为主；发现珍惜濒危植物4种，一级保护植物1种，其余均属二级保护。这些结论为利用植物因素保护长城选择适宜的植被类群和代表性物种提供了一定的理论依据。 关键词：河西走廊；种子植物；区系特征；长城保护 中图分类号：K878；K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2012）06-0113-08 河西走廊地区的明长城是我国古老长城中的一段，是我国古代劳动人民智慧的结晶。六百多年以来，在自然风化和人为破坏的双重作用下，大部分的墙体、烽燧已出现剥蚀、开裂、甚至坍塌，对于长城的保护已日趋紧迫[1]。长城的保护问题日益严重，而目前对于长城保护的方法，都属于工程学、建筑学范畴。对于生物因素，在长城保护中起到的作用，几乎没有研究。本文通过对河西走廊地区明长城沿线种子植物的调查，阐述该区段长城沿线的植物区系特征，为利用植物因素保护长城选择适宜的植被类群和代表性物种提供了理论依据，并为植物因素与长城保护的关系研究提供一定的科学依据和理论支持。 1 研究区自然概况 河西走廊地区的明长城西起嘉峪关，经酒泉、金塔、高台、临泽、山丹等，一直延伸到景泰，走出河西走廊，进入甘肃中东部的永登、兰州、永靖、环县等地区，河西走廊的明长城全长约800千米。 河西走廊地处甘肃省西北部祁连山和北山之间，东西长约1000千米，南北宽约100—200千米，属于大陆性干旱气候，干燥、冷热变化剧烈，风大且多沙，风向多变。年降水量只有200毫米左右，自东而西年降水量渐少，干燥度渐大；降水季度性明显，夏季降水占全年总量50—60%，春季15—25%，秋季10—25%，冬季3—16%。云量少，日照时数在多数地区为3000小时，年均温5.8—9.3℃，温度年际变化很大，最高温可达42.8℃，最低温为-29.3℃，昼夜温差平均15℃左右。海拔高度在1000—2000米之间。 根据甘肃生物气候类型分类，该地区分属于四个类型，景泰、武威、张掖属于暖温少雨有半年以上旱季类型；酒泉、嘉峪关、玉门、安西、敦煌、金塔属于暖温极少雨全年旱季类型；古浪属于中温中雨类型；永昌、山丹属于中温少雨大多月份为旱季类型，在这些生物气候类型下，野生植被类型整体上呈现为荒漠植被类型，可以分为荒漠草原类型、沙质灌木类型和砾质灌木类型[2]。在我国自然区景观带的划分上，属于西北干旱中温—暖温草原、荒漠区，棕钙土、灰钙土荒漠草原带和荒漠土半灌木、灌木草原带[3]，是典型的温带荒漠草原类型。在中国植物区系分区系统中，该地区属于古地中海植物区，中亚荒漠亚区，喀什噶尔地区，西南蒙古亚地区[3]。 本次调查所选长城区段长约八百余千米，地处东经98°21'至104°11'，北纬37°09'至39°54'之间，海拔高度在1300—2000米之间。所选区段均有文物单位明确文物类型标记和保护级别，且尽量均远离村落，在人类活动干扰相对较少的野外田间。因此该区段明长城沿线种子植物的调查，具有科学性和代表性。 2 研究方法 2.1数据采集方法 本次长城沿线种子植物的调查，采用传统的野外调查方法，在所调查区段先进行选点，选取若干个具有代表性的长城区段，根据长城资源调查测量的数据，先选出明长城的县域及所在乡镇，再进行粗略的沿线考察，了解沿线的基本植被类型，结合先期考察情况和所在区域的气候特点，选取最终进行精细野外考察的代表性长城区段。选择代表性长城区段的原则是：区段明确、远离村落、植被典型。 在选择的代表性长城区段上，进行植物标本采集、植物样方调查、植物电子数据采集和长城基本数据采集。植物调查的范围为长城自身及两侧外延1千米，避开农田、果林等人为的栽培物种。 2.2数据研究方法 在植物数据采集的基础上，对采集到的植物标本和电子数据，进行鉴定，确定其植物分类阶元，编写明长城沿线种子植物名录，再以现有对河西区系研究资料为参考，结合张勇、刘贤德、李鹏等人编写的《甘肃河西地区维管植物检索表》对所编写的植物名录进行修订[4]。对大、中、小科和属，特有属、特有种的统计，以及植物科属区系分布类型，主要参考吴征镒和应俊生的观点和文献。对稀有濒危植物的确定，主要参考《中国保护植物名录》等相关文献。 在采取常规分析方法的基础上，应用植物区系指数（Flora Index）对长城沿线的种子植物区系特征进行了分析评价[5]。 区系指数 Fij=（Lij/Cj）/（Li/C） 式子中i=1，2，3……m（m Fij的值越大，表明第i个区系第j个分布区类型越接近其对应更大范围内的同一分布区类型的中心，反之亦然。 区系指数Fij=（Lij/Cj）×（C/Li），其中令Pi=C/Li，分子则反映第i区系第j分布类型在其对应更大范围内的同一分布区类型方面的占有水平，值越高，越接近第j种分布区类型在对应更大范围内的该分布型的中心。Pi因面积不同，使Li不同，可以修正不同区系，使其有一定的可比性。 区系指数Fij=（Lij/Li）×（C/Cj），分子反映了第i区系第j分布类型的占有水平，在某种程度上反映了各种分布区类型对该区系影响与作用的主次，计算Fij的平均值和标准差 平均值Fij=Fij，令C=Fij；标准差 SFij=，s=SFij 计算Fij的活动区间△（Fij）=tα·SFij（tα查t的双侧分位数表可知，文中α=0.05），f=△（Fij）。 建立区间{[Fij-△（Fij）]，[Fij+△（Fij）]}，令a=[Fij-△（Fij）]，b=[Fij+△（Fij）] 若Fij>b时，这些分布区类型对该区系的性质影响极大。 b>Fij>c时，这些分布区类型对该区系的性质影响较大。 c>Fij>a时，这些分布区类型对该区系的性质影响较小。 Fij 3 结果与分析 3.1科的组成分布 3.1.1科的组成结构 运用恩格勒植物分类系统[6-9]，本次调查在长城沿线采集到的植物分布在26个科，其中裸子植物门1科，即麻黄科（Ephedraceae），共1属1种，被子植物门25科，双子叶植物纲22科，单子叶植物纲3科。 不小于10个属的科有藜科（13属）、菊科（13属）、豆科（10属），占总属数（79属）的45.6%。 只有1个属的科有14个，其总种数为17种，含裸子植物麻黄科1属1种，单子叶植物鸢尾科1属1种；有2个属的科有5个，共10属14种；有3个属的科有1个，为紫草科3属3种；有4个属的科有2个，共8属8种；有8个属的科有1个，为禾本科8属10种；>10属的科有3个，共36属55种（表1）。 参考总种数/总属数、各科种数/属数比，结合各科属的数目，把有1个属且种数少于3种的科划为单型科；有2—4个属的科划为中型科；有不少于8个属的科划为大型科。 单型科共14科14属17种，占其总属数（79属）和总种数（107种）分别为17.7%、15.9%。 中型科共8科21属25种，占其总属数（79属）和总种数（107种）分别为26.6%、23.4%。 大型科共4科44属65种，占其总属数（79属）和总种数（107种）分别为55.7%、60.7%。 通过统计，裸子植物门的麻黄科，单子叶植物纲的鸢尾科增加属于单型科，大型科、中型科几乎全部分布在双子叶植物纲。因此，双子叶植物在科、属、种方面均占绝对优势，其次是单子叶植物，裸子植物的比例最小。 3.1.2科的区系分布类型 根据恩格勒植物分类系统和吴征镒的《世界种子植物科的分布区类型系统》及其修订，将世界植物科划分为18个分布区类型，用数字1—18代表不同的分布区类型。其中1—15在中国有分布，16—18是在中国没有分布的科[10-11]。 本次在长城沿线调查，共发现有26个科，科的分布区类型分属5个正型及3个变型。5个正型为世界广布（代码1）、泛热带（代码2）、东亚（热带、亚热带）及热带南美间断分布（代码3）、北温带广布（代码8）、旧世界温带分布（代码10）。 3个变型为热带亚洲-热带非洲-热带美洲（南美洲）分布（代码2-2）、北温带和南温带间断分布（代码8-4）、欧亚和南美洲温带间断分布（代码8-5）。 26科的分布区类型分属于1型分布共15科；2型分布共3科；2-2型分布共1科，即鸢尾科；3型分布1科，即马鞭草科；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，为柽柳科。 根据26个科的分布区类型，合并变型，则划分为世界广布15科，泛热带分布4科，东亚（热带、亚热带）及热带南美间断分布1科，北温带广布5科，旧世界温带分布1科。其中裸子植物门的麻黄科为泛热带分布类型，单子叶植物禾本科为世界广布，鸢尾科为泛热带分布，百合科为北温带广布。 根据各分布型科数占总科数的百分比（图1），不考虑世界广布科数（15科），其中温带类型的科数（6科）占总科数的23.1%，热带类型的科数（5科）占总科数的19.2%。温带类型的科数与热带类型的科数比为1.20，故长城沿线的植物科分布区类型主要为温带分布类型，这与长城所处地理位置的气候带类型一致，与河西走廊所主要分布区系类型一致[12]。 3.2属的组成分布 3.2.1属的组成结构 本次长城沿线调查的种子植物分属于79个属，其中裸子植物门1属；被子植物门78属，双子叶植物纲67属，单子叶植物纲11个属；中国特有属1个。 单种属共63个，裸子植物门的麻黄属为单种属，被子植物门的单种属共62属，单子叶植物纲9个，双子叶植物纲53个。 1属2种的共9个，均分布在双子叶植物纲。1属3种的共4个，单子叶植物纲2个，双子叶植物纲2个。1属4种的共2个，均为双子叶植物纲。5—10种之间的属共1个，即蒿属有6种。 根据各属的种数，把属划分为单种属、寡种属（1属有2—3种）、中等属（1属有4—10种）、大型属（1属大于10种）。单种属63个；寡种属13个，共30种；中等属3个，共14种；大型属0个。 通过统计，裸子植物门的1个属和单子叶植物纲的9个属，均为单种属，单子叶植物纲的其余2属为寡种属，中等属均分布在双子叶植物纲。故双子叶植物在科、属、种方面均占绝对优势，其次是单子叶植物，裸子植物的比例最小。 3.2.2属的区系分布类型 3.2.2.1属的区系分布 根据吴征镒的《中国种子植物属的分布区类型》，将中国种子植物属划分为15个大分区类型，用数字1—15代表不同的分布区类型[13]。 本次长城沿线共调查出种子植物属79个，分属12个正型和9个变型[12-16]。未见热带亚洲至热带大洋洲（代码5）、热带亚洲至热带非洲（代码6）、热带亚洲（印度—马来西亚）（代码7）。 根据79个属的分布区类型，合并变型，共分布在12个正型中（图2）。世界广布（代码1）12属；热带类型10属，分泛热带分布类型（代码2）8个属，热带亚洲和热带美洲间断分布类型（代码3）、旧世界热带分布（代码4）各1属，中国特有属1个；地中海、西亚至中亚分布（代码12）16属；其余属温带类型，共41属。 热带类型占总属数的12.7%，温带类型占总属数的51.9%，温带类型属数与热带类型属数之比为4.10，故长城沿线植物主要为温带分布类型，这与科的主要分布区类型一致，也与该长城区段所在地理位置属所处纬度带的大气候带型一致。 长城沿线的特有属较少，只有1属，即河西菊属，占中国特有属（248属[3]）的0.4%，占河西走廊地区特有属（1属[12]）的100%。说明长城沿线的种子植物在属的水平上特有化水平很低。 3.2.2.2区系指数 为了能更进一步了解长城沿线的种子植物区系特征，对该地区的植物区系与整个河西走廊地区的植物区系作了一个比较（表2），其中α=0.05，tα=2.306；Li=75；C=166。 根据上表的计算，Fij的平均值c=1.758，标准差s=1.780，f=1.451，a=0.307，b=3.210，则Fij的区间为[0.307，3.210]。 Fij>3.210的分布型有1个，为东亚分布（代码14），该分布区类型对该区系的性质影响极大，但不是该地区植物属的主要分布类型，因为分布的数量很少，该地区又属于西北干旱荒漠区，本身物种就十分匮乏，所以对该地区的区系性质影响很大。 3.210>Fij>1.758的分布型有1个，为中国特有分布（代码15），该分布区类型对该区系的性质影响较大，这个与长城所处的地理位置有关，该地区的中国特有分布只占全国分布的0.4%，其气候环境属于大陆性干旱气候，植被覆盖率很低，故中国特有分布类型对该地区的植被类型和植物区系分布，有很大的影响。 1.758>Fij>0.307的分布型有7个，分别为世界广布（代码1）、泛热带分布（代码2）、北温带分布类型（代码8）、旧世界温带分布（代码10）、温带亚洲分布（代码11）、地中海区、西亚至中亚分布（代码12）、中亚分布（代码13），这与长城所处的大气候带基本吻合，该地区在北纬37°—39°，是典型的北温带气候。这些7个植物区系分布类型，在这个地区分布的数量占绝对优势。泛热带分布共8属，有7属基本都分布在田间地头，这与该地区日照时间长，年日照时约在3000小时以上，降雨量小，几乎所有的耕地均需灌溉，这些因素造成了有一些泛热带分布的植物在田间地头分布，且它们生态适应幅度较广，或者是由于历史的原因在这一温带地区生存下来，分布物种数量很少，种数比较稳定；麻黄属为老第三纪热带常绿植被干旱变型的残遗成分，已很好地适应了干旱生境的典范[14-18]。 其他6个植物分布区类型，均与该地区的北温带气候基本一致，且分布的种属数目很多，种属数目比较稳定，所以这些分布类型对长城沿线的区系性质影响较小。 Fij 根据《河西走廊地区植物的区系特征》，没有发现热带亚洲和热带美洲间断分布（代码3）、旧世界温带分布类型（代码4）、东亚和北美间断分布类型（代码9）。但通过本次调查，依据《中国植物志》和《中国种子植物属的分布区类型》，发现有砂引草属（1种）为热带亚洲和热带美洲间断分布类型、天门冬属（1种）为旧世界温带分布类型、野决明属（1种）、罗布麻属（1种）均为东亚和北美间断分布类型。它们的种属占有率都很低，不会对该地区的植物区系特征产生影响。 在上述4个属中，天门冬属、野决明属、罗布麻属均在新疆有分布，且分布的种数很少[17]，故该地区这3属存在，与该地区的地理气候特点基本一致。在多篇关于荒漠植物区系、河西走廊地区植物区系等文献中未提及，可能是因为其分布种属很小，未被发现；或者因为采取了不同的分类方法，划归到了不同种属。 砂引草属只有1种砂引草，在该地区出现，可能是它的生态适应幅度较广，或者是由于历史的原因在这一温带地区生存下来，但种属很小；或者是因为不同文献资料，采取了不同的分类方法，在《中国高等植物》中将其划入紫丹属，其在植物区系分布上属于泛热带分布。 3.3种的组成结构 本次长城沿线调查共发现种子植物26科79属107种，分别占河西走廊[2]地区种子植物的科、属、种百分比为50.0%、47.6%、32.8%；占甘肃省[2]种子植物的科、属、种百分比为12.8%、8.5%、2.8%，总体占有水平较低，不会对河西走廊、甘肃省的植物分布区造成影响。 根据恩格勒分类系统，裸子植物1种，占总种数的0.9%，单子叶植物15种，占总种数的14.0%，双子叶植物91种，占总种数的85.1%，因此长城沿线的种子植物以双子叶植物为主。 根据植物的生活型分类，可以分为乔木、灌木、一年生草本、二年生草本、多年生草本。长城沿线种子植物中乔木5种，占总种数的4.7%；灌木29种，占总种数的27.1%；一年生草本33种，占总种数的30.8%；二年生草本1种，占总种数的0.9%；多年生草本39种，占总种数的36.4%。总体上看木本植物占总种数31.8%，草本植物占总种数的68.2%，这与该地区属于西北干旱荒漠区基本吻合，以灌丛和草本为主，同时又受到当地灌溉农业的影响，出现了较多数量的草本。 4 讨 论 4.1植物区系特征 明长城沿线种子植物物种相对单一，大型科、中等属在植物物种的组成上起着重要的作用，是构成该地区植被的主要组建者。单型科、中型科、寡型属、单种属大大增强了该地区植物的科属丰富程度，是植物科属增加的主要原因；参照《甘肃河西地区维管植物检索表》，结合实地调查的情况，造成长城沿线的寡型科、中型科、寡型属、单种属的主要原因是调查的面积较小，调查范围成带状分布，因此不可能具有很好的调查完整性，且调查的大区域为西北干旱荒漠区，本身物种就相对单一。因此这些小型的科属对该区域的植物科属分布有较高的代表性；同时也能说明，大型科、大型属、中等属是长城沿线较大区域植被的主要组建者，是组成当地典型荒漠植被类型的重要物种来源。 由于本调查围绕具体的长城区段做沿线调查，向两侧延伸的距离很短，故不能很好地显示该区段长城的植物区系起源。同时说明该区段长城的植物区系类型与周边地区区系有广泛深刻的联系。 明长城沿线在地理上属于典型的西北干旱荒漠区，其生物气候类型分为暖温少雨有半年以上旱季类型、暖温极少雨全年旱季类型、中温中雨类型、中温少雨大多月份为旱季类型，野生植被类型整体上呈现为荒漠植被，是典型的温带荒漠草原类型。虽然长城的主要修筑意图是为了防治敌对势力的军事打击，但是该区段长城的位置所占据的地理成分较为却较为单一。这是由于该地区大区域地理成分单一造成的。从植物分布区类型上看，中国15个大的分布区类型，长城沿线有12个分布区类型，但是有在5个分布类型中，属的数目少于3个，即热带亚洲和热带美洲间断分布（代码3）、旧世界温带分布类型（代码4）、中国特有分布（代码15）均为1属，东亚和北美间断分布类型（代码9）、温带亚洲分布（代码11）均为2属，这也从侧面证明了该区段长城所处的地理成分较为单一。 但是从植物科的分布区类型上看，热带成分很少，以温带成为主导，温带成分的科占到了总科数的23.1%，是热带成分的1.20倍；从植物属的分布区类型上看，属于热带成分的10属，而温带成分的41属，是热带成分的4.10倍；从植物的种属上看，属于热带成分的只有10种，占总种数的9.3%；由于长城所在的较大区域的植物区系与本次调查有些出入，从植物区系指数分析，并结合各类型所占有的属数来看，对该地区植物区系性质有极大影响的有2个类型，按照重要顺序排列为东亚分布>中国特有分布，这个由于该地区植物种类匮乏造成的。但该地区的植物区系主要类型为地中海、西亚至中亚分布>北温带分布，因此植物区系分布类型以上述2种类型为主，且因地处西北干旱荒漠区，物种匮乏单一，单属分布类型和寡属分布类型较多，故它们对该地区区系的性质将会产生重大的影响。 根据最新的《中国保护植物名录》，长城沿线一共发现保护植物4种，占总种数的3.7%，分属4个科，有国家一级保护植物石竹科（Caryophyllaceae）、裸果木属（Gymnocarpos）、裸果木（Gymnocarpos przewalskii）；国家二级保护植物麻黄科（Ephedraceae）、麻黄属（Ephedra）、木贼麻黄（Ephedra equisetina），蓼科（Polygonaceae）、沙拐枣属（Calligonum）、沙拐枣（Calligonum mongolicum），藜科（Chenopodiaceae）、梭梭属（Haloxylon）、梭梭（Haloxylon ammodendron）。 珍稀濒危植物的保护级别较高，数量较少，这与调查的对象、调查面积以及调查区段的所处地理位置有关。由于长城在很长一段历史时期内，都有大量的人类扰动，所以植物种类本身就不丰富，且该地区属于西北干旱荒漠区，物种本身匮乏单一。其次本次调查面积较小，只在长城沿线，没有涉及更大的区域。再者所有长城区段虽远离村落，但大多处在农田、退耕还林区域的包围之中，植物物种数目会受到很大的人为干扰。 综上所述，河西走廊的明长城沿线种子植物物种相对单一，裸子植物很少，只有1种，单子叶植物种数只占总种数的14.0%，主要属于双子叶植物，且木本较少，以草本为主要类群，草本植物占总种数的68.2%；地理成分较为单一，其植物分布区类型以北温带分布和地中海、西亚至中亚分布为主导；与周边地区区系联系广泛深刻；特有化程度很低，珍稀濒危保护植物较少，且保护级别较高。 4.2长城保护 本次长城沿线植物调查的目的，就是要利用生物因素来保护长城。该区段长城是西北干旱区的古代土遗址，而我国西北干旱地区的古代土遗址主要的病害形式有墙基凹进、墙面呈蜂窝状或片状剥离、墙体开裂坍塌等，这些病害的形成是风蚀、雨蚀和易溶盐反复的溶解结晶等综合作用的结果[19]。根据该地区的气候特点，该区段长城的主要病害成因为风蚀。 植物对土遗址的作用主要分为两方面，一方面对其有利，如根系固定土层，可以起到锚固作用；植被覆盖减少风蚀、雨蚀。不利因素有根系加速土遗址表面风化；植物可能导致风力引起的动荷载传递给边坡，增加边坡的法向和向下力分量；改变部分遗址面貌。同时考虑，植物蒸腾作用消减土层湿度，使土干裂，增加土层渗透率，增加土的强度；根茎增加地表粗糙度和土层渗透性，导致土层渗透性能增加，降低径流速度；落叶减少冲蚀，增加雨水下渗的双重影响[20]。 根据以上的文献观点，结合实际调查的情况，提出该地区利用植物保护明长城的基本原则，在河西走廊地区，依据当地的气候特点和植物分布特征，把利用植物对长城的保护分为3个层次，在距离本体0.5千米开外，采用灌丛和小乔木混交林减少风蚀[21]；从0.5千米到本体周边（约10米），采用灌丛，减少地表径流对长城的破坏，并起到较好的防风固沙效果[22]；在长城本体以及周边，建立围栏，选择长城沿线原有的多年生草本和小灌木，对长城进行保护。建议选择在科属分析中占重要组成部分的科、属，且其分布型最佳应属于地中海、西亚至中亚分布，同时属于多年生草本、小灌木来粗选对本体进行保护的可能物种。这些物种所分布的科属在上文已经有过论述，对选出的物种经过进一步的科学论证、实验分析，可以最终确定保护该区段长城的植物物种及植被类型。 致谢：感谢兰州大学马燕天博士、胡维刚博士等对文章图件的处理。 参考文献： [1]赵海英，李最雄，韩文峰，等.甘肃境内长城遗址主要病害及保护研究[J].文物保护与考古科学，2007，19（1）：28-32. 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内容摘要：本文通过对河西走廊地区明长城沿线种子植物调查，共统计到种子植物26科79属107种，其中裸子植物1科1属1种；被子植物25科78属106种。单种属的科共12个，超过10属的科3个，其总属数占调查总属数的45.6%，种数占调查总种数的51.4%，以藜科最多，共13属21种。科的区系分布类型共4个正型和3个变型。属的区系分布类型共12个正型和9个变型，中国特有属1个，即菊科的河西菊属（Hexinia）。调查区域的植物种类相对单一；地理成分比较单一，以地中海地区、西亚至中亚分布型和北温带成分为主；发现珍惜濒危植物4种，一级保护植物1种，其余均属二级保护。这些结论为利用植物因素保护长城选择适宜的植被类群和代表性物种提供了一定的理论依据。 关键词：河西走廊；种子植物；区系特征；长城保护 中图分类号：K878；K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2012）06-0113-08 河西走廊地区的明长城是我国古老长城中的一段，是我国古代劳动人民智慧的结晶。六百多年以来，在自然风化和人为破坏的双重作用下，大部分的墙体、烽燧已出现剥蚀、开裂、甚至坍塌，对于长城的保护已日趋紧迫[1]。长城的保护问题日益严重，而目前对于长城保护的方法，都属于工程学、建筑学范畴。对于生物因素，在长城保护中起到的作用，几乎没有研究。本文通过对河西走廊地区明长城沿线种子植物的调查，阐述该区段长城沿线的植物区系特征，为利用植物因素保护长城选择适宜的植被类群和代表性物种提供了理论依据，并为植物因素与长城保护的关系研究提供一定的科学依据和理论支持。 1 研究区自然概况 河西走廊地区的明长城西起嘉峪关，经酒泉、金塔、高台、临泽、山丹等，一直延伸到景泰，走出河西走廊，进入甘肃中东部的永登、兰州、永靖、环县等地区，河西走廊的明长城全长约800千米。 河西走廊地处甘肃省西北部祁连山和北山之间，东西长约1000千米，南北宽约100—200千米，属于大陆性干旱气候，干燥、冷热变化剧烈，风大且多沙，风向多变。年降水量只有200毫米左右，自东而西年降水量渐少，干燥度渐大；降水季度性明显，夏季降水占全年总量50—60%，春季15—25%，秋季10—25%，冬季3—16%。云量少，日照时数在多数地区为3000小时，年均温5.8—9.3℃，温度年际变化很大，最高温可达42.8℃，最低温为-29.3℃，昼夜温差平均15℃左右。海拔高度在1000—2000米之间。 根据甘肃生物气候类型分类，该地区分属于四个类型，景泰、武威、张掖属于暖温少雨有半年以上旱季类型；酒泉、嘉峪关、玉门、安西、敦煌、金塔属于暖温极少雨全年旱季类型；古浪属于中温中雨类型；永昌、山丹属于中温少雨大多月份为旱季类型，在这些生物气候类型下，野生植被类型整体上呈现为荒漠植被类型，可以分为荒漠草原类型、沙质灌木类型和砾质灌木类型[2]。在我国自然区景观带的划分上，属于西北干旱中温—暖温草原、荒漠区，棕钙土、灰钙土荒漠草原带和荒漠土半灌木、灌木草原带[3]，是典型的温带荒漠草原类型。在中国植物区系分区系统中，该地区属于古地中海植物区，中亚荒漠亚区，喀什噶尔地区，西南蒙古亚地区[3]。 本次调查所选长城区段长约八百余千米，地处东经98°21'至104°11'，北纬37°09'至39°54'之间，海拔高度在1300—2000米之间。所选区段均有文物单位明确文物类型标记和保护级别，且尽量均远离村落，在人类活动干扰相对较少的野外田间。因此该区段明长城沿线种子植物的调查，具有科学性和代表性。 2 研究方法 2.1数据采集方法 本次长城沿线种子植物的调查，采用传统的野外调查方法，在所调查区段先进行选点，选取若干个具有代表性的长城区段，根据长城资源调查测量的数据，先选出明长城的县域及所在乡镇，再进行粗略的沿线考察，了解沿线的基本植被类型，结合先期考察情况和所在区域的气候特点，选取最终进行精细野外考察的代表性长城区段。选择代表性长城区段的原则是：区段明确、远离村落、植被典型。 在选择的代表性长城区段上，进行植物标本采集、植物样方调查、植物电子数据采集和长城基本数据采集。植物调查的范围为长城自身及两侧外延1千米，避开农田、果林等人为的栽培物种。 2.2数据研究方法 在植物数据采集的基础上，对采集到的植物标本和电子数据，进行鉴定，确定其植物分类阶元，编写明长城沿线种子植物名录，再以现有对河西区系研究资料为参考，结合张勇、刘贤德、李鹏等人编写的《甘肃河西地区维管植物检索表》对所编写的植物名录进行修订[4]。对大、中、小科和属，特有属、特有种的统计，以及植物科属区系分布类型，主要参考吴征镒和应俊生的观点和文献。对稀有濒危植物的确定，主要参考《中国保护植物名录》等相关文献。 在采取常规分析方法的基础上，应用植物区系指数（Flora Index）对长城沿线的种子植物区系特征进行了分析评价[5]。 区系指数 Fij=（Lij/Cj）/（Li/C） 式子中i=1，2，3……m（m Fij的值越大，表明第i个区系第j个分布区类型越接近其对应更大范围内的同一分布区类型的中心，反之亦然。 区系指数Fij=（Lij/Cj）×（C/Li），其中令Pi=C/Li，分子则反映第i区系第j分布类型在其对应更大范围内的同一分布区类型方面的占有水平，值越高，越接近第j种分布区类型在对应更大范围内的该分布型的中心。Pi因面积不同，使Li不同，可以修正不同区系，使其有一定的可比性。 区系指数Fij=（Lij/Li）×（C/Cj），分子反映了第i区系第j分布类型的占有水平，在某种程度上反映了各种分布区类型对该区系影响与作用的主次，计算Fij的平均值和标准差 平均值Fij=Fij，令C=Fij；标准差 SFij=，s=SFij 计算Fij的活动区间△（Fij）=tα·SFij（tα查t的双侧分位数表可知，文中α=0.05），f=△（Fij）。 建立区间{[Fij-△（Fij）]，[Fij+△（Fij）]}，令a=[Fij-△（Fij）]，b=[Fij+△（Fij）] 若Fij>b时，这些分布区类型对该区系的性质影响极大。 b>Fij>c时，这些分布区类型对该区系的性质影响较大。 c>Fij>a时，这些分布区类型对该区系的性质影响较小。 Fij 3 结果与分析 3.1科的组成分布 3.1.1科的组成结构 运用恩格勒植物分类系统[6-9]，本次调查在长城沿线采集到的植物分布在26个科，其中裸子植物门1科，即麻黄科（Ephedraceae），共1属1种，被子植物门25科，双子叶植物纲22科，单子叶植物纲3科。 不小于10个属的科有藜科（13属）、菊科（13属）、豆科（10属），占总属数（79属）的45.6%。 只有1个属的科有14个，其总种数为17种，含裸子植物麻黄科1属1种，单子叶植物鸢尾科1属1种；有2个属的科有5个，共10属14种；有3个属的科有1个，为紫草科3属3种；有4个属的科有2个，共8属8种；有8个属的科有1个，为禾本科8属10种；>10属的科有3个，共36属55种（表1）。 参考总种数/总属数、各科种数/属数比，结合各科属的数目，把有1个属且种数少于3种的科划为单型科；有2—4个属的科划为中型科；有不少于8个属的科划为大型科。 单型科共14科14属17种，占其总属数（79属）和总种数（107种）分别为17.7%、15.9%。 中型科共8科21属25种，占其总属数（79属）和总种数（107种）分别为26.6%、23.4%。 大型科共4科44属65种，占其总属数（79属）和总种数（107种）分别为55.7%、60.7%。 通过统计，裸子植物门的麻黄科，单子叶植物纲的鸢尾科增加属于单型科，大型科、中型科几乎全部分布在双子叶植物纲。因此，双子叶植物在科、属、种方面均占绝对优势，其次是单子叶植物，裸子植物的比例最小。 3.1.2科的区系分布类型 根据恩格勒植物分类系统和吴征镒的《世界种子植物科的分布区类型系统》及其修订，将世界植物科划分为18个分布区类型，用数字1—18代表不同的分布区类型。其中1—15在中国有分布，16—18是在中国没有分布的科[10-11]。 本次在长城沿线调查，共发现有26个科，科的分布区类型分属5个正型及3个变型。5个正型为世界广布（代码1）、泛热带（代码2）、东亚（热带、亚热带）及热带南美间断分布（代码3）、北温带广布（代码8）、旧世界温带分布（代码10）。 3个变型为热带亚洲-热带非洲-热带美洲（南美洲）分布（代码2-2）、北温带和南温带间断分布（代码8-4）、欧亚和南美洲温带间断分布（代码8-5）。 26科的分布区类型分属于1型分布共15科；2型分布共3科；2-2型分布共1科，即鸢尾科；3型分布1科，即马鞭草科；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，为柽柳科。 根据26个科的分布区类型，合并变型，则划分为世界广布15科，泛热带分布4科，东亚（热带、亚热带）及热带南美间断分布1科，北温带广布5科，旧世界温带分布1科。其中裸子植物门的麻黄科为泛热带分布类型，单子叶植物禾本科为世界广布，鸢尾科为泛热带分布，百合科为北温带广布。 根据各分布型科数占总科数的百分比（图1），不考虑世界广布科数（15科），其中温带类型的科数（6科）占总科数的23.1%，热带类型的科数（5科）占总科数的19.2%。温带类型的科数与热带类型的科数比为1.20，故长城沿线的植物科分布区类型主要为温带分布类型，这与长城所处地理位置的气候带类型一致，与河西走廊所主要分布区系类型一致[12]。 3.2属的组成分布 3.2.1属的组成结构 本次长城沿线调查的种子植物分属于79个属，其中裸子植物门1属；被子植物门78属，双子叶植物纲67属，单子叶植物纲11个属；中国特有属1个。 单种属共63个，裸子植物门的麻黄属为单种属，被子植物门的单种属共62属，单子叶植物纲9个，双子叶植物纲53个。 1属2种的共9个，均分布在双子叶植物纲。1属3种的共4个，单子叶植物纲2个，双子叶植物纲2个。1属4种的共2个，均为双子叶植物纲。5—10种之间的属共1个，即蒿属有6种。 根据各属的种数，把属划分为单种属、寡种属（1属有2—3种）、中等属（1属有4—10种）、大型属（1属大于10种）。单种属63个；寡种属13个，共30种；中等属3个，共14种；大型属0个。 通过统计，裸子植物门的1个属和单子叶植物纲的9个属，均为单种属，单子叶植物纲的其余2属为寡种属，中等属均分布在双子叶植物纲。故双子叶植物在科、属、种方面均占绝对优势，其次是单子叶植物，裸子植物的比例最小。 3.2.2属的区系分布类型 3.2.2.1属的区系分布 根据吴征镒的《中国种子植物属的分布区类型》，将中国种子植物属划分为15个大分区类型，用数字1—15代表不同的分布区类型[13]。 本次长城沿线共调查出种子植物属79个，分属12个正型和9个变型[12-16]。未见热带亚洲至热带大洋洲（代码5）、热带亚洲至热带非洲（代码6）、热带亚洲（印度—马来西亚）（代码7）。 根据79个属的分布区类型，合并变型，共分布在12个正型中（图2）。世界广布（代码1）12属；热带类型10属，分泛热带分布类型（代码2）8个属，热带亚洲和热带美洲间断分布类型（代码3）、旧世界热带分布（代码4）各1属，中国特有属1个；地中海、西亚至中亚分布（代码12）16属；其余属温带类型，共41属。 热带类型占总属数的12.7%，温带类型占总属数的51.9%，温带类型属数与热带类型属数之比为4.10，故长城沿线植物主要为温带分布类型，这与科的主要分布区类型一致，也与该长城区段所在地理位置属所处纬度带的大气候带型一致。 长城沿线的特有属较少，只有1属，即河西菊属，占中国特有属（248属[3]）的0.4%，占河西走廊地区特有属（1属[12]）的100%。说明长城沿线的种子植物在属的水平上特有化水平很低。 3.2.2.2区系指数 为了能更进一步了解长城沿线的种子植物区系特征，对该地区的植物区系与整个河西走廊地区的植物区系作了一个比较（表2），其中α=0.05，tα=2.306；Li=75；C=166。 根据上表的计算，Fij的平均值c=1.758，标准差s=1.780，f=1.451，a=0.307，b=3.210，则Fij的区间为[0.307，3.210]。 Fij>3.210的分布型有1个，为东亚分布（代码14），该分布区类型对该区系的性质影响极大，但不是该地区植物属的主要分布类型，因为分布的数量很少，该地区又属于西北干旱荒漠区，本身物种就十分匮乏，所以对该地区的区系性质影响很大。 3.210>Fij>1.758的分布型有1个，为中国特有分布（代码15），该分布区类型对该区系的性质影响较大，这个与长城所处的地理位置有关，该地区的中国特有分布只占全国分布的0.4%，其气候环境属于大陆性干旱气候，植被覆盖率很低，故中国特有分布类型对该地区的植被类型和植物区系分布，有很大的影响。 1.758>Fij>0.307的分布型有7个，分别为世界广布（代码1）、泛热带分布（代码2）、北温带分布类型（代码8）、旧世界温带分布（代码10）、温带亚洲分布（代码11）、地中海区、西亚至中亚分布（代码12）、中亚分布（代码13），这与长城所处的大气候带基本吻合，该地区在北纬37°—39°，是典型的北温带气候。这些7个植物区系分布类型，在这个地区分布的数量占绝对优势。泛热带分布共8属，有7属基本都分布在田间地头，这与该地区日照时间长，年日照时约在3000小时以上，降雨量小，几乎所有的耕地均需灌溉，这些因素造成了有一些泛热带分布的植物在田间地头分布，且它们生态适应幅度较广，或者是由于历史的原因在这一温带地区生存下来，分布物种数量很少，种数比较稳定；麻黄属为老第三纪热带常绿植被干旱变型的残遗成分，已很好地适应了干旱生境的典范[14-18]。 其他6个植物分布区类型，均与该地区的北温带气候基本一致，且分布的种属数目很多，种属数目比较稳定，所以这些分布类型对长城沿线的区系性质影响较小。 Fij 根据《河西走廊地区植物的区系特征》，没有发现热带亚洲和热带美洲间断分布（代码3）、旧世界温带分布类型（代码4）、东亚和北美间断分布类型（代码9）。但通过本次调查，依据《中国植物志》和《中国种子植物属的分布区类型》，发现有砂引草属（1种）为热带亚洲和热带美洲间断分布类型、天门冬属（1种）为旧世界温带分布类型、野决明属（1种）、罗布麻属（1种）均为东亚和北美间断分布类型。它们的种属占有率都很低，不会对该地区的植物区系特征产生影响。 在上述4个属中，天门冬属、野决明属、罗布麻属均在新疆有分布，且分布的种数很少[17]，故该地区这3属存在，与该地区的地理气候特点基本一致。在多篇关于荒漠植物区系、河西走廊地区植物区系等文献中未提及，可能是因为其分布种属很小，未被发现；或者因为采取了不同的分类方法，划归到了不同种属。 砂引草属只有1种砂引草，在该地区出现，可能是它的生态适应幅度较广，或者是由于历史的原因在这一温带地区生存下来，但种属很小；或者是因为不同文献资料，采取了不同的分类方法，在《中国高等植物》中将其划入紫丹属，其在植物区系分布上属于泛热带分布。 3.3种的组成结构 本次长城沿线调查共发现种子植物26科79属107种，分别占河西走廊[2]地区种子植物的科、属、种百分比为50.0%、47.6%、32.8%；占甘肃省[2]种子植物的科、属、种百分比为12.8%、8.5%、2.8%，总体占有水平较低，不会对河西走廊、甘肃省的植物分布区造成影响。 根据恩格勒分类系统，裸子植物1种，占总种数的0.9%，单子叶植物15种，占总种数的14.0%，双子叶植物91种，占总种数的85.1%，因此长城沿线的种子植物以双子叶植物为主。 根据植物的生活型分类，可以分为乔木、灌木、一年生草本、二年生草本、多年生草本。长城沿线种子植物中乔木5种，占总种数的4.7%；灌木29种，占总种数的27.1%；一年生草本33种，占总种数的30.8%；二年生草本1种，占总种数的0.9%；多年生草本39种，占总种数的36.4%。总体上看木本植物占总种数31.8%，草本植物占总种数的68.2%，这与该地区属于西北干旱荒漠区基本吻合，以灌丛和草本为主，同时又受到当地灌溉农业的影响，出现了较多数量的草本。 4 讨 论 4.1植物区系特征 明长城沿线种子植物物种相对单一，大型科、中等属在植物物种的组成上起着重要的作用，是构成该地区植被的主要组建者。单型科、中型科、寡型属、单种属大大增强了该地区植物的科属丰富程度，是植物科属增加的主要原因；参照《甘肃河西地区维管植物检索表》，结合实地调查的情况，造成长城沿线的寡型科、中型科、寡型属、单种属的主要原因是调查的面积较小，调查范围成带状分布，因此不可能具有很好的调查完整性，且调查的大区域为西北干旱荒漠区，本身物种就相对单一。因此这些小型的科属对该区域的植物科属分布有较高的代表性；同时也能说明，大型科、大型属、中等属是长城沿线较大区域植被的主要组建者，是组成当地典型荒漠植被类型的重要物种来源。 由于本调查围绕具体的长城区段做沿线调查，向两侧延伸的距离很短，故不能很好地显示该区段长城的植物区系起源。同时说明该区段长城的植物区系类型与周边地区区系有广泛深刻的联系。 明长城沿线在地理上属于典型的西北干旱荒漠区，其生物气候类型分为暖温少雨有半年以上旱季类型、暖温极少雨全年旱季类型、中温中雨类型、中温少雨大多月份为旱季类型，野生植被类型整体上呈现为荒漠植被，是典型的温带荒漠草原类型。虽然长城的主要修筑意图是为了防治敌对势力的军事打击，但是该区段长城的位置所占据的地理成分较为却较为单一。这是由于该地区大区域地理成分单一造成的。从植物分布区类型上看，中国15个大的分布区类型，长城沿线有12个分布区类型，但是有在5个分布类型中，属的数目少于3个，即热带亚洲和热带美洲间断分布（代码3）、旧世界温带分布类型（代码4）、中国特有分布（代码15）均为1属，东亚和北美间断分布类型（代码9）、温带亚洲分布（代码11）均为2属，这也从侧面证明了该区段长城所处的地理成分较为单一。 但是从植物科的分布区类型上看，热带成分很少，以温带成为主导，温带成分的科占到了总科数的23.1%，是热带成分的1.20倍；从植物属的分布区类型上看，属于热带成分的10属，而温带成分的41属，是热带成分的4.10倍；从植物的种属上看，属于热带成分的只有10种，占总种数的9.3%；由于长城所在的较大区域的植物区系与本次调查有些出入，从植物区系指数分析，并结合各类型所占有的属数来看，对该地区植物区系性质有极大影响的有2个类型，按照重要顺序排列为东亚分布>中国特有分布，这个由于该地区植物种类匮乏造成的。但该地区的植物区系主要类型为地中海、西亚至中亚分布>北温带分布，因此植物区系分布类型以上述2种类型为主，且因地处西北干旱荒漠区，物种匮乏单一，单属分布类型和寡属分布类型较多，故它们对该地区区系的性质将会产生重大的影响。 根据最新的《中国保护植物名录》，长城沿线一共发现保护植物4种，占总种数的3.7%，分属4个科，有国家一级保护植物石竹科（Caryophyllaceae）、裸果木属（Gymnocarpos）、裸果木（Gymnocarpos przewalskii）；国家二级保护植物麻黄科（Ephedraceae）、麻黄属（Ephedra）、木贼麻黄（Ephedra equisetina），蓼科（Polygonaceae）、沙拐枣属（Calligonum）、沙拐枣（Calligonum mongolicum），藜科（Chenopodiaceae）、梭梭属（Haloxylon）、梭梭（Haloxylon ammodendron）。 珍稀濒危植物的保护级别较高，数量较少，这与调查的对象、调查面积以及调查区段的所处地理位置有关。由于长城在很长一段历史时期内，都有大量的人类扰动，所以植物种类本身就不丰富，且该地区属于西北干旱荒漠区，物种本身匮乏单一。其次本次调查面积较小，只在长城沿线，没有涉及更大的区域。再者所有长城区段虽远离村落，但大多处在农田、退耕还林区域的包围之中，植物物种数目会受到很大的人为干扰。 综上所述，河西走廊的明长城沿线种子植物物种相对单一，裸子植物很少，只有1种，单子叶植物种数只占总种数的14.0%，主要属于双子叶植物，且木本较少，以草本为主要类群，草本植物占总种数的68.2%；地理成分较为单一，其植物分布区类型以北温带分布和地中海、西亚至中亚分布为主导；与周边地区区系联系广泛深刻；特有化程度很低，珍稀濒危保护植物较少，且保护级别较高。 4.2长城保护 本次长城沿线植物调查的目的，就是要利用生物因素来保护长城。该区段长城是西北干旱区的古代土遗址，而我国西北干旱地区的古代土遗址主要的病害形式有墙基凹进、墙面呈蜂窝状或片状剥离、墙体开裂坍塌等，这些病害的形成是风蚀、雨蚀和易溶盐反复的溶解结晶等综合作用的结果[19]。根据该地区的气候特点，该区段长城的主要病害成因为风蚀。 植物对土遗址的作用主要分为两方面，一方面对其有利，如根系固定土层，可以起到锚固作用；植被覆盖减少风蚀、雨蚀。不利因素有根系加速土遗址表面风化；植物可能导致风力引起的动荷载传递给边坡，增加边坡的法向和向下力分量；改变部分遗址面貌。同时考虑，植物蒸腾作用消减土层湿度，使土干裂，增加土层渗透率，增加土的强度；根茎增加地表粗糙度和土层渗透性，导致土层渗透性能增加，降低径流速度；落叶减少冲蚀，增加雨水下渗的双重影响[20]。 根据以上的文献观点，结合实际调查的情况，提出该地区利用植物保护明长城的基本原则，在河西走廊地区，依据当地的气候特点和植物分布特征，把利用植物对长城的保护分为3个层次，在距离本体0.5千米开外，采用灌丛和小乔木混交林减少风蚀[21]；从0.5千米到本体周边（约10米），采用灌丛，减少地表径流对长城的破坏，并起到较好的防风固沙效果[22]；在长城本体以及周边，建立围栏，选择长城沿线原有的多年生草本和小灌木，对长城进行保护。建议选择在科属分析中占重要组成部分的科、属，且其分布型最佳应属于地中海、西亚至中亚分布，同时属于多年生草本、小灌木来粗选对本体进行保护的可能物种。这些物种所分布的科属在上文已经有过论述，对选出的物种经过进一步的科学论证、实验分析，可以最终确定保护该区段长城的植物物种及植被类型。 致谢：感谢兰州大学马燕天博士、胡维刚博士等对文章图件的处理。 参考文献： [1]赵海英，李最雄，韩文峰，等.甘肃境内长城遗址主要病害及保护研究[J].文物保护与考古科学，2007，19（1）：28-32. 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