遼寧大型真菌多元相似性聚類分析

魏永忠

(遼寧省實(shí)驗(yàn)林場，遼寧 清原 113311)

遼寧大型真菌多元相似性聚類分析

魏永忠

(遼寧省實(shí)驗(yàn)林場，遼寧 清原 113311)

遼寧省7個(gè)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)共有大型真菌249屬805種，通過采用多元相似性聚類分析方法(MSCA)，對不同保護(hù)區(qū)內(nèi)大型真菌進(jìn)行種和屬的聚類分析，探究不同地區(qū)之間大型真菌的多元相似性。結(jié)果表明：種的多元總相似性系數(shù)為0.189 7，在0.25時(shí)聚類為四個(gè)分類單元群；屬的總相似性系數(shù)為0.352 8，在0.5時(shí)聚類為4個(gè)分類單元群，與種的4個(gè)分類單元群聚類順序一致，聚類單元有所區(qū)別。不同地區(qū)種和屬的聚類總體符合地理環(huán)境、調(diào)查程度等因素。

多元相似性聚類分析；大型真菌；遼寧；自然保護(hù)區(qū)；相似性系數(shù)

AbstractA total of 805 species of the macro-fungi belonging to 249 genera in seven nature reserves of Liaoning Province were studied. In order to explore the similarity of the macro-fungi, the multivariate similarity clustering analysis (MSCA) were carried out on the species and genera of the macro-fungi in these nature reserves. As a result of the research, the total multivariate similarity coefficient of the species is 0.189 7 and four regions are clustered at the similarity level of 0.25; the total multivariate similarity coefficient of the genera is 0.352 8 and four regions that are in the same order and different units as the regions of the species are clustered at the level of 0.5. The regions of the species and genera in these reserves are fit well with the factor of the geographical environment and the degree of investigation.

Keywordsmultivariate similarity clustering analysis (MSCA); macro-fungi; Liaoning Province; nature reserve; similarity coefficient

大型真菌是一類重要的環(huán)境生物資源，對人類的生存具有重要作用，與綠色植物相比，大型真菌能夠積累高濃度的Pb、Cd和Hg等重金屬[1]。全球真菌的數(shù)量約有150萬種[2]，我國截至2010年已統(tǒng)計(jì)真菌數(shù)量14 060 種[3]。不同地區(qū)對大型真菌種類多樣性的調(diào)查[4]，豐富了我國大型真菌的種類資源。在大型真菌多樣性分析中，國內(nèi)文獻(xiàn)主要集中在大型真菌的種類組成[5]、區(qū)系分析[6]、生態(tài)分布[7]、菌根[8]、對金屬富集作用[9]、分子藥用成分[10]及瀕危保護(hù)利用[11]等，而對不同地區(qū)內(nèi)大型真菌的相似性分析較少。相似性分析在動(dòng)物[12]、植物[13]、生態(tài)[14]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而在大型真菌領(lǐng)域中應(yīng)用較少，尤其是不同地區(qū)之間的多元相似性分析。對不同地區(qū)大型真菌的多元相似性聚類分析，有助于了解不同地區(qū)大型真菌相似性，對大型真菌的進(jìn)化及資源的保護(hù)利用也有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料

大型真菌子實(shí)體的發(fā)生時(shí)間短，易受季節(jié)氣候等因素影響。此外，大多數(shù)研究報(bào)告都是1、2次采樣，分類鑒定后的結(jié)果，國內(nèi)對自然保護(hù)區(qū)大型真菌的研究資料都是在1～2年，沒有超過3年的連續(xù)資料，總體上是缺乏系統(tǒng)性和全面性的[4]。這些對大型真菌的多元相似性聚類分析有一定影響，文中選擇調(diào)查相對詳細(xì)的七個(gè)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)大型真菌進(jìn)行初步分析，其中渾河源自然保護(hù)區(qū)內(nèi)大型真菌為2014-2016年在灣甸子地區(qū)調(diào)查及劉遠(yuǎn)超[15]等在2011—2012年調(diào)查整理，其他六個(gè)自然保護(hù)區(qū)大型真菌數(shù)據(jù)是對已有調(diào)查數(shù)據(jù)整理得到，包括白石砬子自然保護(hù)區(qū)[16]、關(guān)門山自然保護(hù)區(qū)[17]、海棠山自然保護(hù)區(qū)[18]、老禿頂子自然保護(hù)區(qū)[19]、仙人洞自然保護(hù)區(qū)[20]和醫(yī)巫閭山自然保護(hù)區(qū)[21]。

1.2 方法

1.2.1 二元相似性系數(shù) 首先使用Jaccard提出的相似性系數(shù)公式SI=C/(A+B-C)計(jì)算出兩兩區(qū)域間的共有種類數(shù)及相似性系數(shù)。式中，SI是相似性系數(shù)，A、B是兩個(gè)區(qū)域的種類數(shù)，C是兩個(gè)區(qū)的共有種類數(shù)[22]。

1.2.2 多元相似性聚類分析(MSCA) 在計(jì)算多個(gè)保護(hù)區(qū)之間大型真菌的相似性時(shí)，選用MSCA多元相似性聚類分析[23]，選擇相似性系數(shù)最大的兩個(gè)小區(qū)首先聚類，但不將這兩個(gè)小區(qū)的分布資料合并，而是將其視為一個(gè)“單元群”，與其他沒有聚類的n-2個(gè)小區(qū)一同進(jìn)入下一輪聚類分析。每輪均挑選相似性系數(shù)最大者聚類，擴(kuò)大原單元群或形成新的單元群，如此反復(fù)，直到聚類完成[24]。

申效誠等的通用公式是：SIn=∑Hi/nS=(∑Si-∑Ti)/nS

式中：SIn為要比較的n個(gè)地區(qū)的相似性系數(shù)；Si、Ti、Hi為i地區(qū)的種類數(shù)、獨(dú)有種類數(shù)、共有種類數(shù)，滿足Si=Ti+Hi；S、T、H為n個(gè)地區(qū)的總種類數(shù)、總特有種類數(shù)、總共有種類數(shù)，滿足S=T+H，并且∑Si≥S，∑Ti=T，∑Hi≥H。

2 結(jié)果與分析

2.1 大型真菌種的多元相似性聚類分析

2.1.1 種的多元相似性聚類 遼寧省7個(gè)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)共有大型真菌805種，分布在7個(gè)保護(hù)區(qū)內(nèi)的種類數(shù)、共有種類數(shù)及其相似性系數(shù)如表1。

表1遼寧七個(gè)自然保護(hù)區(qū)大型真菌種數(shù)(對角線)、共有數(shù)(上三角)、相似性系數(shù)(下三角)

保護(hù)區(qū)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ渾河源350707955947059白石砬子0．14082178663947648關(guān)門山0．16320．250213541049356海棠山0．12390．2080．1753149605140老禿頂子0．17800．23800．27300．16622729061仙人洞0．15020．23240．30400．17960．244618651醫(yī)巫閭山0．13440．15140．18360．15560．17000．1802148

表1中渾河源保護(hù)區(qū)內(nèi)大型真菌相似性整體偏低，渾河源與其他保護(hù)區(qū)的相似性中，與老禿頂子相似性最高。海棠山、醫(yī)巫閭山與其他保護(hù)區(qū)相似性較低，其中海棠山與白石砬子相似性最高，醫(yī)巫閭山與關(guān)門山和仙人洞的相似性較高。其他四個(gè)保護(hù)區(qū)之間相似性普遍較高。

種的二元相似性系數(shù)中，仙人洞、關(guān)門山相似性系數(shù)最高為0.304，首先對兩個(gè)保護(hù)區(qū)進(jìn)行聚類。仙人洞、關(guān)門山再與其他保護(hù)區(qū)之間進(jìn)行多元相似性系數(shù)計(jì)算，仙人洞獨(dú)有種數(shù)70種、關(guān)門山獨(dú)有種數(shù)83種及白石砬子獨(dú)有種數(shù)106種，3個(gè)保護(hù)區(qū)共有大型真菌411種，多元相似性系數(shù)最高為0.290 3，大于其他相似性系數(shù)，對其進(jìn)行聚類。按照多元相似性聚類公式，依次聚類結(jié)果如圖1。結(jié)合種的二元相似性系數(shù)的分析，相似性系數(shù)在0.25時(shí)，聚類圖劃分為4個(gè)單元群。第一單元群包括仙人洞、關(guān)門山、白石砬子和老禿頂子，其他4個(gè)單元群分別是海棠山、醫(yī)巫閭山和渾河源。

圖1遼寧7個(gè)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)大型真菌種的聚類支序圖

2.1.2 種的聚類分析 不同地區(qū)調(diào)查程度的不同，對相似性系數(shù)的計(jì)算有一定影響。渾河源內(nèi)調(diào)查的大型真菌種類基數(shù)較大，在種的二元相似性系數(shù)計(jì)算中，與其他保護(hù)區(qū)的相似性系數(shù)整體偏低。渾河源與老禿頂子所處的地理環(huán)境相近，渾河源與其他保護(hù)區(qū)的相似性系數(shù)中，老禿頂子也最高，與之吻合。但渾河源與老禿頂子的相似性系數(shù)僅為0.178，說明兩地還有很多大型真菌資源亟待調(diào)查。醫(yī)巫閭山和海棠山地處遼西半干旱地區(qū)，屬陰山山系松嶺山脈，其他五個(gè)保護(hù)區(qū)地處遼東山區(qū)，屬長白山余脈。其生態(tài)環(huán)境比其他五個(gè)遼東保護(hù)區(qū)相比較差，二元相似性系數(shù)整體也偏低。

在種的多元相似性聚類中，7個(gè)保護(hù)區(qū)之間的總相似性系數(shù)為0.189 7，一方面可能是不同保護(hù)區(qū)內(nèi)大型真菌分布不均勻，另一方面可能是由于各保護(hù)區(qū)內(nèi)大型真菌種類調(diào)查程度不同，還有大量大型真菌資源亟待調(diào)查完善。多元相似性系數(shù)在0.25時(shí)，聚類為4個(gè)單元群，在地理位置、生態(tài)氣候、調(diào)查程度等多因素作用下，4個(gè)不同的單元群之間分類相對合理。

2.2 大型真菌屬的多元相似性聚類分析

2.2.1 屬的多元相似性聚類 遼寧7個(gè)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)大型真菌共有249屬，對不同自然保護(hù)區(qū)內(nèi)大型真菌的屬數(shù)、共有屬數(shù)及二元相似性系數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2。屬的二元相似性系數(shù)中，渾河源、醫(yī)巫閭山與其他保護(hù)區(qū)之間的相似性系數(shù)整體偏低，其中渾河源與關(guān)門山、仙人洞屬的二元相似性系數(shù)較高，醫(yī)巫閭山與海棠山屬的相似性系數(shù)最高。其他幾個(gè)保護(hù)區(qū)中，仙人洞與關(guān)門山、老禿頂子與白石砬子的相似性系數(shù)均達(dá)到了0.5以上的顯著水平。

表2 遼寧七個(gè)自然保護(hù)區(qū)大型真菌屬數(shù)(對角線)、共有屬數(shù)(上三角)、相似性系數(shù)(下三角)

在屬的二元相似性系數(shù)中，關(guān)門山和仙人洞相似性系數(shù)最高為0.587 3，對兩區(qū)進(jìn)行聚類。關(guān)門山、仙人洞再與其他保護(hù)區(qū)進(jìn)行相似性聚類，其中關(guān)門山、仙人洞及海棠山相似性最高為0.529 9，小于白石砬子和老禿頂子之間的二元相似性系數(shù)0.543 5，對白石砬子和老禿頂子進(jìn)行聚類。依次進(jìn)行其他類聚，結(jié)果如圖2。相似性系數(shù)在顯著水平0.5上，屬的聚類圖可以分為4個(gè)單元群，第一單元群是仙人洞和關(guān)門山，第二單群是老禿頂子、白石砬子和海棠山，其他2個(gè)單元群為醫(yī)巫閭山和渾河源。

圖2遼寧七個(gè)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)大型真菌屬的聚類支序圖

2.2.2 屬的聚類分析 在屬的相似性分析中，相似性系數(shù)明顯升高，總相似性系數(shù)為0.352 8，但總的聚類順序并沒有變化，只是聚類單元有所不同。隨著分類階元的升高，不同保護(hù)區(qū)之間的差異性減少，彌補(bǔ)了部分由于調(diào)查程度不足，所引起的種的相似性差異過大，這在一定程度上增加了聚類信息的豐富性。相比種的相似性系數(shù)，海棠山屬的相似性系數(shù)增加較為明顯，分析一方面可能是海棠山在與其他保護(hù)區(qū)相同的屬中部分種類未調(diào)查完全，導(dǎo)致種的相似性計(jì)算偏小；另一方面可能是海棠山在相同屬中的獨(dú)有種類較多，造成種的相似性系數(shù)偏小。其他保護(hù)區(qū)整體屬的相似性變化趨勢不大，與種的相似性聚類基本吻合。

3 討論

不同的分類階元對整體的相似性有重要的影響，提高分類階元，能提高相似性，掩飾差異性，屬級(jí)水平還能夠有效揭示各生態(tài)區(qū)域的相似關(guān)系，而科級(jí)水平已不適宜用于省級(jí)區(qū)域分析，必須更大的地理區(qū)域才能發(fā)揮作用[25]。文中只對種和屬的多元相似性進(jìn)行分析。

研究首次采用多元相似性分析方法(MSCA)，對不同地區(qū)內(nèi)大型真菌進(jìn)行定量分析，初步探討了不同地區(qū)內(nèi)大型真菌的相似性。雖然一定程度上受不同地區(qū)調(diào)查程度不同的影響，但對不同保護(hù)區(qū)之間的相似性有了初步了解，這對指導(dǎo)不同地區(qū)大型真菌的保護(hù)及進(jìn)一步的調(diào)查研究有著重要的意義。

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AMultivariateSimilarityClusteringAnalysisfortheMacro-fungiinLiaoningProvince

Wei Yongzhong

(Experimental Forest Farm of Liaoning Province,Qingyuan 113311,China)

Q939.53

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.09.025

1005-5215(2017)09-0071-04

2017-08-16

魏永忠(1968-)，男，遼寧撫順人，大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事林業(yè)研究.