南方紅豆杉盆栽輕型基質(zhì)配方優(yōu)化1)

歐建德 吳志莊

(明溪縣林業(yè)局，明溪，365200) (國家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心)

南方紅豆杉盆栽輕型基質(zhì)配方優(yōu)化1)

歐建德 吳志莊

(明溪縣林業(yè)局，明溪，365200) (國家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心)

為篩選南方紅豆杉盆栽輕型基質(zhì)配方。以輕型基質(zhì)泥炭土、珍珠巖、鋸末、谷殼等農(nóng)林廢棄物為基本材料，采用單形重心混料設(shè)計(jì)在福建明溪進(jìn)行試驗(yàn)。通過觀察在相同試驗(yàn)條件下各基質(zhì)配比的盆栽生長與觀賞美感反應(yīng)，建立了數(shù)學(xué)模型，并與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析, 數(shù)學(xué)模型擬合效果理想。利用主成分分析對指標(biāo)體系篩選并建立綜合得分?jǐn)?shù)學(xué)模型，利用綜合得分?jǐn)?shù)學(xué)模型進(jìn)行配方尋優(yōu)，最后利用聚類分析法將基質(zhì)類型劃分為4類。 篩選出3個(gè)優(yōu)良促生型基質(zhì)配方，且以體積V(泥炭土)∶V(谷殼)∶V(鋸末)= 0.591 5∶0.323 8∶0.084 7輕型基質(zhì)配方更值得推廣。

南方紅豆杉；混料設(shè)計(jì)；配方優(yōu)化;盆栽;輕型基質(zhì)配方；主成分分析；聚類分析

南方紅豆杉(Taxuschinensisvar.mairei)盆栽以其枝葉茂密、樹姿優(yōu)美、四季常青，且耐陰的生物學(xué)特性與能夠改善空氣質(zhì)量成為我國盆栽的新寵[1-2]；具有培育周期短、價(jià)值高、極具市場前景等特點(diǎn)，成為觀賞利用開發(fā)的重點(diǎn)。當(dāng)前，南方紅豆杉觀賞盆栽輕型基質(zhì)大多以不可再生的泥炭和珍珠巖作為材料，存在著成本高且盲目配比等不足。選用價(jià)兼、易得的鋸末、谷殼等農(nóng)林廢棄物，進(jìn)行配方優(yōu)化顯得十分重要。南方紅豆杉容器苗基質(zhì)和生長影響方面有過研究[3-6]，但在觀賞盆栽及美感方面的研究尚屬空白?；炝显囼?yàn)設(shè)計(jì)因其可以盡可能少的試驗(yàn)次數(shù)解決多因素試驗(yàn)問題而被廣泛應(yīng)用于基質(zhì)配方優(yōu)化[7-12]。為此，在福建明溪以當(dāng)前基質(zhì)配方為對照，采用單形重心混料設(shè)計(jì),分析基質(zhì)配方對盆栽性狀影響，利用主成分分析對指標(biāo)體系篩選并建立綜合得分?jǐn)?shù)學(xué)模型，進(jìn)行促進(jìn)型基質(zhì)配方尋優(yōu)；利用聚類分析法將基質(zhì)類型分類，為盆栽栽培提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

基質(zhì)材料：泥炭土經(jīng)曬干、粉碎、過篩，纖維長約為5 mm；珍珠巖過篩；鋸末采用當(dāng)?shù)啬静募庸S的鋸屑，經(jīng)腐熟處理；谷殼系當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)廢棄物，經(jīng)炭化處理。盆栽容器的種類和規(guī)格為試驗(yàn)采用黑塑料容器，規(guī)格14 cm(直徑)×18 cm(高)。

供試苗木：2年生南方紅豆杉苗。苗高約45 cm,地徑約0.6 cm，生長良好且較一致。

1.2 基質(zhì)配方與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013年1-8月份在福建省明溪縣上坊村連幢塑料溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，大棚頂部覆蓋透光度約40%的黑色塑料遮陰網(wǎng)，并進(jìn)行日常管理?；|(zhì)配方采用{4，3}單形重心混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)[13](表1,表2)，以泥炭土(Z1)、谷殼(Z2)、鋸末(Z3)、珍珠巖(Z4)等4種基質(zhì)成分進(jìn)行配比，共設(shè)計(jì)了15種基質(zhì)配方(含對照)，具體成分值見表2。表1中編碼值與實(shí)際成分值按Z1=0.8x1+0.2、Z2=0.8x2、Z3=0.8x3、Z4=0.8x4公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，Zi為實(shí)際成分值，xi為編碼值(下同)。試驗(yàn)按完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，15個(gè)處理，3次重復(fù)，30盆·小區(qū)-1。

表1 編碼值與實(shí)際成分值轉(zhuǎn)換

1.3 性狀測定

于定植后逐株調(diào)查盆栽地徑，記為期初地徑，于8月份進(jìn)行當(dāng)年抽梢長度和盆栽地徑復(fù)查，記為期末地徑，地徑生長量=期末地徑-期初地徑；于8月份選擇6株·小區(qū)-1進(jìn)行新枝葉鮮生物量測定；葉片色澤美感測量(評價(jià))從2月份開始，每月評價(jià)1次，共測定6次。計(jì)算其平均值為小區(qū)代表值，統(tǒng)計(jì)其小區(qū)平均值作為配方試驗(yàn)的反應(yīng)值。當(dāng)年枝葉鮮生物量為當(dāng)年新萌發(fā)的枝葉的鮮質(zhì)量。葉片色澤美感評價(jià)分5級，濃綠(5分)，較濃綠(4分)，淡綠(3分)，黃綠(2分)，枯黃(1分)，得分越高，葉片色澤觀賞美感越優(yōu)[14]。

表2 各試驗(yàn)基質(zhì)配方的體積配比

1.4 促進(jìn)型基質(zhì)配方優(yōu)化

指標(biāo)體系建立：利用主成分分析法對P1～P15參試的15個(gè)基質(zhì)配方的4個(gè)性狀指標(biāo)進(jìn)行主成分分析；并在主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)85%條件下，選取相應(yīng)主成分構(gòu)建性狀指標(biāo)體系，并建立主成分得分值評價(jià)數(shù)學(xué)模型。

綜合得分模型建立與尋優(yōu)：根據(jù)綜合得分為各個(gè)主成分得分值的累計(jì)原理，建立綜合得分?jǐn)?shù)學(xué)模型；基于綜合得分(yi)最大值的目標(biāo)，在0≤xi≤1，∑xi=1的約束條件下，采用EXCEL2003規(guī)劃求解方法[13]，優(yōu)化基質(zhì)配方并定義，求算相應(yīng)的性狀表現(xiàn)值(理論值)。

1.5 盆栽基質(zhì)配方分類

對16個(gè)基質(zhì)配方(其中P16為規(guī)劃尋優(yōu)的優(yōu)化配方)的綜合得分值進(jìn)行聚類分析，劃分類型并定義。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、方差分析與規(guī)劃求解，在方差分析顯著的前提下進(jìn)行LSR法多重比較；利用SPSS21進(jìn)行主成分與聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基質(zhì)配方的南方紅豆杉觀賞性狀比較

南方紅豆杉盆栽以其枝葉茂密、葉片繁多且色澤濃綠而極具觀賞美感。當(dāng)年抽梢、地徑生長量、葉片數(shù)量與色澤美感影響著盆栽的觀賞價(jià)值。當(dāng)年新萌發(fā)的枝條與葉子數(shù)量的多少，直接影響盆栽的總體小枝與葉片數(shù)量。鑒于葉片數(shù)量繁多、計(jì)數(shù)困難，本研究以當(dāng)年枝葉鮮生物量指標(biāo)代替，作為評價(jià)葉片數(shù)量的指標(biāo)。

結(jié)果(表3)顯示，基質(zhì)配方對南方紅豆杉觀賞盆栽的當(dāng)年抽梢、地徑生長量、當(dāng)年枝葉鮮生物量以及葉片色澤美感均有著極顯著性影響，表明了不同基質(zhì)配方盆栽的觀賞價(jià)值存在著極顯著性差異。

2.2 觀賞盆栽基質(zhì)編碼值回歸方程擬合與因子主效應(yīng)分析

由于性狀回歸方程均采用無量綱編碼代換，進(jìn)行因子主效應(yīng)分析可直接比較各偏回歸系數(shù)絕對值的大小。當(dāng)年抽梢回歸模型的一次項(xiàng)可以看出，泥炭土、谷殼、鋸末、珍珠巖系數(shù)分別為25.3、19.0、12.8和17.8，表明在促進(jìn)當(dāng)年高生長方面由優(yōu)到劣排序?yàn)槟嗵客?、谷殼、珍珠巖、鋸末；同理可知在促進(jìn)當(dāng)年地徑生長方面由優(yōu)到劣排序?yàn)槟嗵客?、谷殼、珍珠巖、鋸末；在促進(jìn)當(dāng)年枝葉鮮生物量方面由優(yōu)到劣排序?yàn)楣葰?、珍珠巖、泥炭土、鋸末；在促進(jìn)葉片色澤美感方面由優(yōu)到劣排序?yàn)楣葰?、珍珠巖、泥炭土、鋸末。以上結(jié)果進(jìn)一步表明，盆栽的性狀表現(xiàn)是基質(zhì)類型與比例共同作用的結(jié)果，不同基質(zhì)類型在盆栽的性狀表現(xiàn)中的作用大小存在差異，科學(xué)合理基質(zhì)配方十分必要。

表3 不同基質(zhì)配方對盆栽性狀反應(yīng)值與結(jié)果

表4 基質(zhì)編碼值回歸方程

2.3 促進(jìn)型基質(zhì)配方尋優(yōu)

盡管單形重心設(shè)計(jì)可以盡可能少的試驗(yàn)次數(shù)解決多因素試驗(yàn)問題，但是，在這些試驗(yàn)點(diǎn)外，是否存在更佳的配方組合，應(yīng)對回歸模型的進(jìn)一步分析予以得出。本研究基于促進(jìn)型基質(zhì)配方優(yōu)化的目標(biāo)，加上以上結(jié)果表明基質(zhì)配方的性狀的不一致性的原因，進(jìn)行綜合評價(jià)得分尋優(yōu)顯得十分必要。

評價(jià)指標(biāo)體系與主成分得分值評價(jià)數(shù)學(xué)模型的建立：經(jīng)主成分分析可知，第一主成分的特征值為3.763，貢獻(xiàn)率達(dá)94.087%，代表了南方紅豆杉性狀94.087%的綜合信息。第一主成分表達(dá)式為y=0.258×當(dāng)年抽梢+0.258×當(dāng)年地徑生長量+0.256×當(dāng)年枝葉鮮生物量+0.259×葉片色澤美感。將數(shù)學(xué)模型1～4(表4)分別代入第一主成分表達(dá)式，得到第一主成分得分值數(shù)學(xué)模型為

y=0.258×(25.3x1+19.0x2+12.8x3+17.8x4+25.8x1x2+

5.8x1x3+39.4x1x4+15.2x2x3-25.6x2x4-1.6x3x4+61.2x1x2x3+35.1x1x2x4-172.2x1x3x4+194.4x2x3x4)+0.258×(76.0x1+57.0x2+38.4x3+53.4x4+77.2x1x2+16.8x1x3+118.0x1x4+46.0x2x3-76.8x2x4-5.2x3x4+181.2x1x2x3+105.6x1x2x4-

511.2x1x3x4+583.2x2x3x4)+0.256×(13.17x1+16.38x2+6.58x3+

15.0x4+49.98x1x2+6.78x1x3+40.86x1x4+6.76x2x3-39.08x2x4-14.04x3x4+269.97x1x2x3-53.31x1x2x4-260.01x1x3x4+183.45x2x3x4)+0.259×(3.87x1+4.07x2+3.40x3+4.00x4+

2.80x1x2+0.54x1x3+2.26x1x4+0.54x2x3-2.54x2x4-1.08x3x4+

10.50x1x2x3-1.62x1x2x4-14.79x1x3x4+12.12x2x3x4)

綜合得分模型建立與促進(jìn)型基質(zhì)配方尋優(yōu)：因本研究第一主成分的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到94.087%，為簡化計(jì)算，在本研究中可以用第一主成分值數(shù)學(xué)模型代替綜合得分值模型進(jìn)行基質(zhì)配方的規(guī)劃尋優(yōu)。

經(jīng)EXCEL2003規(guī)劃求解，尋優(yōu)結(jié)果為x1=0.489 4、x2=0.404 7、x3=0.105 9,并重新定義為P16(促進(jìn)型優(yōu)化基質(zhì)配方)，代入系列回歸方程(模型1～4)，求算出系列性狀的理論值(表3)，當(dāng)年抽梢、地徑生長量、當(dāng)年枝葉鮮生物量和葉片色澤美感理論值分別為28.77 cm、86.26 mm，29.97 g·株-1，4.73分,其綜合得分值為38.58。經(jīng)換算，P16(促進(jìn)型優(yōu)化基質(zhì)配方)為V(泥炭土)∶V(谷殼)∶V(鋸末)=0.591 5∶0.323 8∶0.084 7。

2.4 對南方紅豆杉性狀指標(biāo)聚類分析

聚類結(jié)果顯示，16個(gè)基質(zhì)配方可分成4類。鑒于盆栽培育目標(biāo)的差異，第1類定義促進(jìn)型，聚類中心值為38.25，有P5、P7、P11、P15、P16。該類基質(zhì)可促進(jìn)南方紅豆杉盆栽的生長且具高觀賞美感，適用于速成型盆栽培育；第2類定義為良好型，聚類中心值為31.81，有P1、P12，該類基質(zhì)在促進(jìn)盆栽生長與觀賞美感僅次于促進(jìn)型；第3類定義為中等型，聚類中心值為25.14，有P2、P4、P6、P8、P14，該類基質(zhì)在促進(jìn)盆栽生長與觀賞美感表現(xiàn)一般；第4類定義為緩生型，聚類中心值為17.17，有P3、P9、P10、P13，該類基質(zhì)的盆栽生長較緩慢，適用于微型盆栽培育，但其枝葉茂密程度與葉片色澤美感表現(xiàn)較差，應(yīng)結(jié)合葉面肥、光環(huán)境等技術(shù)進(jìn)行提升。

表5 基質(zhì)配方聚類分組結(jié)果

按照速生、高觀賞美感的培育方向，基質(zhì)配方排名第一的為P7，其綜合得分值為39.79，基質(zhì)配方為V(泥炭土)∶V(珍珠巖)=0.6∶0.4；排名第二的為P15(CK)，其綜合得分值為39.22，基質(zhì)配方為V(泥炭土)∶V(珍珠巖)=0.9∶0.1；排名第三的為P16，其綜合得分值為38.58，基質(zhì)配方為V(泥炭土)∶V(谷殼)∶V(鋸末)=0.591 5∶0.323 8∶0.084 7。排名前二的基質(zhì)配方原料均為泥炭土、珍珠巖，成本較高；鑒于泥炭土、珍珠巖的不可再生與高昴的價(jià)格，P16可以大量利用農(nóng)林廢棄物(谷殼、鋸末)，約占40%，成本較低，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，更值得推廣。

3 結(jié)論與討論

本研究率先提出一種全新的基質(zhì)配方精確優(yōu)化的方法——混料試驗(yàn)主成分分析法，其可為同類研究提供借鑒?；炝显囼?yàn)主成分分析法是在單形重心混料試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行相關(guān)性狀的回歸方程擬合，然后再采用主成分分析方法，并根據(jù)主成分表達(dá)式，結(jié)合相應(yīng)的性狀回歸方程，得出基質(zhì)配方的綜合得分值數(shù)學(xué)模型，最后在約束條件下，通過規(guī)劃求解尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)基質(zhì)配方的精確化優(yōu)化的全新方法。研究采用主成分聚類分析法，通過對綜合得分值的聚類分析，將基質(zhì)配方劃分為促進(jìn)型、良好型、中等型與緩生型等4種類型，并給出相應(yīng)的適用范疇與建議，對科學(xué)盆栽培育具有指導(dǎo)意義。篩選出3個(gè)優(yōu)良促生型基質(zhì)配方，且以P16的基質(zhì)配方(V(泥炭土)∶V(谷殼)∶V(鋸末)=0.591 5∶0.323 8∶0.084 7)能夠大量使用谷殼、鋸末等農(nóng)林廢棄物(占總體積的40%以上)，具成本較低、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的特點(diǎn)，更值得推廣。

本研究利用主成分聚類分析法，首先將南方紅豆杉性狀指標(biāo)轉(zhuǎn)化為較少的幾個(gè)主成分，既涵蓋了綜合表現(xiàn)，又簡化選擇，然后再系統(tǒng)聚類，其研究結(jié)果與結(jié)論較常規(guī)的人為打分評價(jià)，更具科學(xué)性與客觀性。研究結(jié)果表明，采用單形重心混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)擬合數(shù)學(xué)模型，誤差很小，擬合效果良好，這與前人的研究結(jié)論一致[7-12]；基質(zhì)配方對盆栽植株的生長有著顯著性影響，驗(yàn)證了前人的研究結(jié)果[3-5，15-16]；對觀賞美感表現(xiàn)有著顯著性影響，這與前人的研究結(jié)論一致[17]，說明科學(xué)基質(zhì)配方是高觀賞美感盆栽培育的關(guān)鍵。南方紅豆杉觀賞盆栽按照用途大致可分為常規(guī)(速生類型)與微型(矮化類型)等兩大類型，本研究僅就常規(guī)(速生類型)盆栽進(jìn)行基質(zhì)配方精確優(yōu)化，存在著一定的局限。有關(guān)微型(矮化類型)的基質(zhì)配方精確優(yōu)化尚待深入研究。

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Optimized Medium Ingredient with A Light Medium forTaxuschinensisvar.maireiPotted Plants//

Ou Jiande

(Mingxi Forestry Bureau, Mingxi 365200, P. R. China); Wu Zhizhuang(China National Research Center of Bamboo)//Journal of Northeast Forestry University，2015,43(9)：52-55，89.

The experiment was conducted to select the best potted plants light matrix formulation ofTaxuschinensisvar.mairei, with light matrix peat soil, pearlite, wood chips, and rice husks, such as agriculture and forestry waste as basic material in Mingxi County of Fujian, by simplex core experimental design. Under the same experimental condition, various growing and ornamental beauty reaction in mixture mediums was observed and the mathematical models were set up. The theoretical and practical results were compared with each other, and the mathematical model fitting effect was ideal. The system of indexes were selected by principal component analysis, and then the comprehensive score mathematical model were set up. The optimal formulation were chosen by the comprehensive score mathematical model. The formulation of the media were divided into four types by cluster analysis method, and three excellent growth promoting type matrix formulations were selected, with the most promoting values formulation of 59.15% of peat soil, 32.38% of rice husk, and 8.47% of wood chip in volume ratio.

Taxuschinensisvar.mairei； Design of mixture medium； Formulation optimization; Potted plants； Light matrix formulation； Principal component analysis； Cluster analysis

歐建德,男,1970年1月生，明溪縣林業(yè)局,教授級高級工程師。E-mail：smmxojd@163.com。

2015年5月6日。

S723.1 S791.49 S688.1

1)三明市林業(yè)重大科研項(xiàng)目(2010-99)。

責(zé)任編輯：任 俐。