不同竹種耐濕性生理指標(biāo)綜合評價及其預(yù)測

曹志華+吳中能+王云+陳興福+高健

摘要：以5種竹種為試驗(yàn)材料，研究淹水脅迫對不同竹種生理指標(biāo)的影響，建立符合竹種耐水濕生理指標(biāo)綜合評價的方法，以篩選出耐水濕竹種，為安徽省竹種進(jìn)一步的耐濕性研究奠定理論基礎(chǔ)。利用7個單項(xiàng)指標(biāo)，采用主成分分析、系統(tǒng)聚類分析和隸屬函數(shù)法對竹種的耐濕能力進(jìn)行綜合評價，結(jié)果表明：7個單項(xiàng)指標(biāo)集約于2個主成分，累計貢獻(xiàn)率為0.908。通過隸屬函數(shù)值D評價耐濕性的強(qiáng)弱，并利用聚類分析可將其分為3類：第Ⅰ類是耐濕類型，包括灰水竹和淡竹;第Ⅱ類是中度耐濕類型，包括紅殼竹和實(shí)心竹;第Ⅲ類是不耐濕類型，包括毛竹。利用耐濕性的綜合評價值與單項(xiàng)指標(biāo)間建立的最優(yōu)回歸方程可以預(yù)測其他竹種耐濕性的大小。結(jié)合隸屬函數(shù)的綜合評價方法，耐水濕竹種篩選試驗(yàn)表明，以灰水竹和淡竹耐濕性最強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：竹種;耐濕性;綜合評價;預(yù)測

中圖分類號： S727.150.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0203-03

收稿日期：2014-06-05

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計劃 （編號：2012BAD23B0503）。

作者簡介：曹志華（1985—），女，安徽阜陽人，博士，助理研究員，主要從事竹栽培和病蟲害等研究。E-mail：caozhihua0558@126.com。

通信作者：吳中能，研究員，主要從事用材林及竹子育種與栽培研究。E-mail：wznlkshf@sohu.com。

安微省沿江灘涂地和低濕地資源豐富，發(fā)展水漬地綠化造林潛力很大。積極開展耐水濕竹種篩選研究并加以推廣，不僅可以提高沿江地區(qū)和低濕地土地資源的利用率，而且對于調(diào)整農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境意義重大。關(guān)于竹類抗旱性的生理生化有相關(guān)研究[1-3]，且竹種主要是地被觀賞竹等，有關(guān)竹種抗性的研究主要集中于與抗性有關(guān)的形態(tài)及單個理化指標(biāo)的分析[4-6]，對竹種的耐濕性篩選及綜合評價未見報道，而近年來國內(nèi)外學(xué)者在作物和樹種的耐濕機(jī)理和耐濕性遺傳改良研究方面做了大量工作，從不同角度研究了作物和樹種耐濕性鑒定的方法[7-13]。本研究借鑒其他植物的綜合評價方法，利用主成分分析法在不損失或很少損失原有信息的前提下，將眾多的指標(biāo)轉(zhuǎn)換成少數(shù)且彼此獨(dú)立的因子。結(jié)合隸屬函數(shù)法，可得到各竹種耐水濕的綜合評價值，從而能比較科學(xué)地對竹種的耐水濕性進(jìn)行評價。因此，在對多項(xiàng)生理指標(biāo)測定的基礎(chǔ)上，利用主成分分析、隸屬函數(shù)和動態(tài)聚類法對5種竹種的耐水濕性進(jìn)行綜合評價，以期為耐水濕竹種的選擇提供1種可行的方法，同時為耐水濕竹種的引種、栽培、推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)在安徽省廣德縣林業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)地完成，該地區(qū)屬北亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年均氣溫15.6 ℃，年均降水量1 299 mm，無霜期220 d，日照時間2 162 h。試驗(yàn)地的土壤為水稻田土，pH 值 6.5，土層厚 0. 7～1.2 m。2012年10月，在廣德縣河灘地落設(shè)1 hm2耐水濕竹種試驗(yàn)示范基地。竹母移植按照安徽省主要用材樹種造林與經(jīng)營標(biāo)準(zhǔn)，于2013年4月上旬完成試驗(yàn)林建設(shè)。

1.2 試驗(yàn)材料

2013年8月，在廣德縣進(jìn)行耐水濕竹種淹水試驗(yàn)，試驗(yàn)竹種選定為新造林的毛竹（Phyllostachys edulis）、淡竹（Phyllostachys glauca）、實(shí)心竹（Phllostachys heteroclada f. solida）、紅殼竹（Phyllostachys iridescens）、灰水竹（Phyllostachys platyglossa）5種。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 耐水濕處理 模擬自然水澇，對新造林地進(jìn)行淹水處理，處理分3個水平：CK：竹種正常生長和管理，不刻意人為澆灌;T1處理：漬水，水面在土壤表面以下5～10 cm，模擬地下水位過高;T2處理：輕度淹水脅迫，人工淹水水面高于土面4 cm左右，隨時添加水，保持水位的一致。

2013年8月開始挖渠注水等措施，進(jìn)行水淹處理，淹水時間為7 d，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每處理含各竹種5株，重復(fù)3次。每個處理小區(qū)為20 m2，每個處理小區(qū)四周用挖掘機(jī)做壟高出地面60 cm并夯實(shí)，以免滲水。處理小區(qū)之間間隔4 m。采樣于2013年9月2日08：00進(jìn)行，所采竹葉的位置來自于第3分枝和第4分枝，各竹種葉片存放于密封袋中，密封袋放置于有冰袋環(huán)繞的泡沫箱中，當(dāng)天帶回實(shí)驗(yàn)室處理。

1.3.2 理化指標(biāo)測定 葉片含水量測定采用烘干法[14] ;葉綠素測定用80%的丙酮提取比色法[15] ;細(xì)胞質(zhì)膜透性采用電導(dǎo)法測定[14];丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定[16];可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[14];過氧化氫酶（CAT）采用紫外吸收法[16];過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[17]。根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)，分別計算各耐水濕處理組和對照組各性狀的平均值。參考周廣生等的方法[12]，首先將原始數(shù)據(jù)以相對指標(biāo)為單位進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，求得各理化指標(biāo)性狀的耐濕系數(shù)，并進(jìn)行簡單相關(guān)分析[12，18]，得出各理化指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣，耐濕系數(shù)計算公式如下：

耐濕系數(shù)（α）=處理測定值對照測定值×100%。

（1）

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 運(yùn)用DPS V7.05專業(yè)版軟件完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的主成分分析。并利用隸屬函數(shù)值對幾種竹種的耐濕性進(jìn)行綜合評價。運(yùn)用的主要公式如下：

（1）隸屬函數(shù)值

U（Xj）=Xj-Xmin）（Xmax-Xmin），j=1，2，…，n。

（2）

式中：Xj表示第j 個因子的得分值;Xmin表示第j個因子得分的最小值;Xmax表示第j 個因子得分的最大值。endprint

（2）權(quán)重

Wj=Pj∑nj=1Pj，j=1，2，…，n。

（3）

式中：Wj表示第j 個公因子在所有公因子中的重要程度;Pj為各品種第j個公因子的貢獻(xiàn)率。

（3）綜合評價

Di=∑nj=1[U（Xj）×Wj]，i=1，2，…，k。

（4）

式中：Di為材料在水脅迫條件下用綜合指標(biāo)評價所得的耐濕性綜合評價值;k為樣品數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 7個理化指標(biāo)的相關(guān)性分析

水脅迫處理結(jié)束后（2013年9月3日），即測定5種竹種處理與對照的相應(yīng)理化指標(biāo)，植株受到不同程度的水脅迫影響。根據(jù)公式（1）得到各耐濕系數(shù)（表1），再進(jìn)行相關(guān)分析（表2）。從表1可知，所有竹種各單項(xiàng)指標(biāo)的變化幅度不同，因而用不同單項(xiàng)指標(biāo)的耐濕系數(shù)來評價竹種耐濕性，則結(jié)果均不相同。說明竹種耐濕性是一個復(fù)雜的綜合性狀，用任何的單項(xiàng)指標(biāo)評價竹種耐濕性都有片面性。從表2可以看出，5種竹種的7個生理生化指標(biāo)之間都存在著一定的相關(guān)性，從而使得它們所提供的信息發(fā)生重疊，同時各指標(biāo)在耐濕性中所起的作用也不盡相同。因此若直接利用這些指標(biāo)對竹種的耐濕性進(jìn)行評價，則不能準(zhǔn)確評價各竹種的耐濕性。

表1 5種竹種各單項(xiàng)理化指標(biāo)的耐濕系數(shù)

竹種

耐濕系數(shù)

相對含水量 葉綠素a/葉綠素b 質(zhì)膜透性 可溶性糖含量 丙二醛含量 CAT 活性 POD活性

毛竹 0.891 5 0.847 7 1.222 5 0.933 2 1.016 4 1.190 5 1.321 5

淡竹 0.959 6 1.017 7 1.142 1 1.286 3 1.139 5 2.918 7 3.011 2

實(shí)心竹 0.909 3 0.992 0 1.535 6 1.308 5 1.136 8 1.305 4 2.003 0

紅殼竹 0.948 8 0.999 1 1.197 8 1.200 4 1.147 8 1.256 2 2.235 4

灰水竹 1.025 1.032 0 0.989 6 1.343 2 0.938 0 2.895 4 3.632 1

表2 7個理化指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣

指標(biāo) 相對含水量 葉綠素a/葉綠素b 質(zhì)膜透性 可溶性糖含量 丙二醛含量 CAT 活性 POD 活性

相對含水量 1.000 0

葉綠素a/葉綠素b 0.743 0* * 1.000 0

質(zhì)膜透性 -0.750 1* * -0.200 8 1.000 0

可溶性糖含量 0.668 9* 0.963 1* * -0.045 1 1.000 0

丙二醛含量 -0.451 6 0.185 7 0.589 3 0.1324 1.000

CAT 活性 0.802 6* * 0.610 0* -0.667 3* 0.588 0 -0.329 5 1.000 0

POD 活性 0.957 1* * 0.831 9* * -0.634 8* 0.790 2* * -0.303 7 0.904 6* * 1.000 0

注：“*”“* *”分別表示顯著相關(guān)（P<0.05）、極顯著相關(guān)（P<0.01）。

2.2 主成分分析

利用DPS軟件對7個單項(xiàng)指標(biāo)的耐濕系數(shù)進(jìn)行主成分分析，提取2個綜合指標(biāo)，其貢獻(xiàn)率分別為65.1%、25.7%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)90.8%，其余可忽略不計（表3）。第1主成分主要包括相對水含量、CAT活性和POD活性;第2主成分主要包括葉綠素a/葉綠素b值、質(zhì)膜透性、可溶性糖含量、丙二醛含量。這樣就把原來7個單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為2個新的相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，這2個綜合指標(biāo)代表了原來7個單項(xiàng)指標(biāo)90.8%的信息，同時根據(jù)貢獻(xiàn)率的大小可知各綜合指標(biāo)的相對重要性。根據(jù)各綜合指標(biāo)的指標(biāo)系數(shù)（表3）及單項(xiàng)指標(biāo)的耐濕系數(shù)（表1）求出每種竹種2個綜合指標(biāo)（即公因子）C（χ）的得分值（表4）。

2.3 綜合評價

2.3.1 隸屬函數(shù)分析和權(quán)重的確定 根據(jù)因子得分值，由式（1）分別求出5種竹種所有因子的隸屬函數(shù)值U（χ）（表4）。再根據(jù)2個綜合指標(biāo)貢獻(xiàn)率的大小（分別為65.1%、257%），由式（2）分別求出各綜合指標(biāo)的權(quán)重，分別為0717、0.283（表4）。

表3 各綜合指標(biāo)的系數(shù)及貢獻(xiàn)率

主成分 相對含水量 葉綠素a/葉綠素b 質(zhì)膜透性 可溶性糖含量 丙二醛含量 CAT 活性 POD 活性 貢獻(xiàn)率

1 0.454 0.384 -0.310 0.361 -0.155 0.420 0.468 0.651

2 -0.106 0.415 0.482 0.444 0.615 -0.092 0.024 0.257

2.3.2 綜合評價值的確定 竹種耐濕性綜合評價值反映了各竹種的綜合耐濕能力的大小，其中灰水竹D值最大，為0774，表明該竹種最耐濕。另外，毛竹、淡竹、實(shí)心竹、紅殼竹的耐濕D值分別為0、0.692、0.471、0.479。用最大距離法對D值進(jìn)行聚類分析，可將5個竹種劃分為3類：灰水竹、淡竹為一類，屬高度耐濕類型;紅殼竹、實(shí)心竹為一類，屬中度耐濕類型;毛竹屬不耐濕類型。這與竹種在水脅迫處理下的形態(tài)變化一致，毛竹的葉片由綠變?yōu)辄S色或黃綠色，小枝發(fā)黑，而

表4 5種竹種綜合指標(biāo)值C（χ）、權(quán)重、隸屬函數(shù)值U（χ）、D值及綜合評價

竹種 C（1） C（2） U（1） U（2） D 綜合評價endprint

毛竹 -2.903 2 -1.898 8 0 0 0 不耐濕

淡竹 1.397 5 0.602 1 0.699 2 0.673 0 0.692 高度耐濕

實(shí)心竹 -1.290 0 1.817 3 0.262 4 1.000 0 0.471 中度耐濕

紅殼竹 -0.448 4 0.628 5 0.399 3 0.680 1 0.479 中度耐濕

灰水竹 3.244 0 -1.149 1 1.000 0 0.201 7 0.774 高度耐濕

貢獻(xiàn)率 0.651 0.257

權(quán)重 0.717 0.283

耐水濕能力較強(qiáng)的灰水竹葉片形態(tài)基本上無變化。

2.4 耐濕性鑒定指標(biāo)的選擇及品種耐濕性預(yù)測

把耐濕性綜合評價值（D值）作因變量，把各單項(xiàng)指標(biāo)的耐濕系數(shù)（α值）作自變量建立最優(yōu)回歸方程為：Y=-2.73+3.31X2-0.18X5+0.09X6。式中：X2、X5、X6分別代表葉綠素a/葉綠素b值、丙二醛含量、CAT活性為指標(biāo)的耐濕系數(shù)，R2=0.999 8，極顯著。由方程可知，在7個單項(xiàng)指標(biāo)中，上述3個指標(biāo)對耐濕性有顯著影響，因此在鑒定中可有選擇地測定這些指標(biāo)，使鑒定工作相對簡單。同時亦可在相同條件下測定其他竹種的4個指標(biāo)，求耐濕系數(shù)，根據(jù)耐濕系數(shù)利用該方程就可預(yù)測其他品種的耐濕性。

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)中5 個竹種的耐濕性由2 個綜合指標(biāo)C（1）、C（2） 共同決定，某一綜合指標(biāo)值的高低并不能完全決定某一品種耐濕性的強(qiáng)弱。5個竹種中，灰水竹的綜合評價值（D值）最大，耐濕性最強(qiáng)。但在灰水竹的 2個綜合指標(biāo)中，綜合指標(biāo)C（1）的 U （1）值最大（為 1. 000），綜合指標(biāo)C（2） 的 U（2） 值卻較小，為0.201 7;實(shí)心竹的 U（2）值最大（為1000），說明竹種不同其耐濕機(jī)制也不盡相同。

植物的耐濕性不僅是一個受多種因素影響的復(fù)雜的數(shù)量性狀，且不同竹種的抗逆機(jī)制不盡相同，從而使得不同竹種在逆境條件下對某一具體指標(biāo)的反應(yīng)也不盡相同。因而用單一指標(biāo)難以全面準(zhǔn)確地反映竹種抗逆性的強(qiáng)弱[19-21]。本研究運(yùn)用主成分分析法、隸屬函數(shù)法和聚類分析對多指標(biāo)的交互作用進(jìn)行深入綜合分析，旨在提高耐濕性鑒定的準(zhǔn)確性，使得耐濕性竹種的篩選更具科學(xué)性和可靠性。

在本試驗(yàn)中，利用所建立的回歸方程篩選出一些對竹種耐濕性鑒定有顯著影響的指標(biāo)，從而使得竹種耐濕性的鑒定與利用研究更有預(yù)見性。同時，利用該方法對竹種抗逆性進(jìn)行綜合評價的意義還在于可以使抗逆栽培等具有較強(qiáng)的針對性。

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