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    瀕?;哪参锘胰~胡楊分枝格局及其分形特征

    2016-10-20 15:00:22張丹黃文娟李志軍
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016年7期
    關(guān)鍵詞:胸徑

    張丹 黃文娟 李志軍

    摘要:結(jié)合植物構(gòu)件理論,運(yùn)用分形幾何方法,對(duì)灰葉胡楊(Populus pruinosa Schrenk)分枝格局及其分形特征進(jìn)行研究,結(jié)果表明:隨著灰葉胡楊胸徑的增大即發(fā)育階段的成熟,灰葉胡楊一級(jí)枝長(zhǎng)越長(zhǎng),可以分出更高級(jí)別的分枝,但并未表現(xiàn)出分枝級(jí)別越高分枝數(shù)越多。不同發(fā)育階段的灰葉胡楊總體分枝率沒有表現(xiàn)出顯著差別,隨著胸徑的增大,分枝率增大。不同生長(zhǎng)發(fā)育階段灰葉胡楊的分枝角度先增長(zhǎng)再下降趨勢(shì)說明其在生長(zhǎng)前期樹冠以向四周伸展為主,后期以直立向上生長(zhǎng)為主。枝傾角變化范圍較大,一級(jí)到四級(jí)分枝枝傾角逐漸下降,五級(jí)分枝枝傾角增大。隨著分枝級(jí)別的增加,各級(jí)相鄰分枝之間間距逐漸減小。隨著胸徑增大,灰葉胡楊分形維數(shù)增加,但都是接近2,揭示了灰葉胡楊分枝格局占據(jù)生態(tài)空間的程度和利用生態(tài)空間的能力較強(qiáng)。

    關(guān)鍵詞:灰葉胡楊;分枝構(gòu)型;分形維數(shù);胸徑;分枝間距;分枝傾角

    中圖分類號(hào): S792.119.02 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào):1002-1302(2016)07-0209-04

    灰葉胡楊(Populus pruinosa Schrenk)是和胡楊同派的一個(gè)物種,僅產(chǎn)于新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河、喀什河、和田河沿岸,因其耐高溫、耐鹽堿等特性而顯著區(qū)別于其他種類楊樹,是重要的荒漠植物,在生態(tài)恢復(fù)與重建中扮演著重要角色,對(duì)維系當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)平衡具有不可替代的作用[1]?;胰~胡楊是國(guó)家 Ⅲ 級(jí)瀕危保護(hù)植物,在灰葉胡楊種群日漸衰退、分布面積日趨減少的今天,灰葉胡楊潛在的遺傳多樣性價(jià)值、科研價(jià)值、生態(tài)價(jià)值、開發(fā)應(yīng)用價(jià)值越來越引起人們的關(guān)注[2],因此,研究灰葉胡楊生長(zhǎng)發(fā)育過程中利用樹體分枝格局及構(gòu)型的變化來適應(yīng)荒漠生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

    植物體可以被視為構(gòu)件的集合體[3]。植物體不同的枝系特征以及枝上各構(gòu)件單元葉種群、芽種群的配置及其動(dòng)態(tài)變化特征反映了植物對(duì)空間、光等資源的利用,以此來反映不同植物在不同的生長(zhǎng)發(fā)育階段對(duì)環(huán)境的適應(yīng)策略[4]。植物體特定的幾何形態(tài)是其各個(gè)層次構(gòu)件單元按一定方式組合的呈現(xiàn),這種特殊的幾何形態(tài),表達(dá)了該個(gè)體在生理生態(tài)上對(duì)其環(huán)境空間的適應(yīng)能力以及植物對(duì)光、水分、養(yǎng)分等的競(jìng)爭(zhēng)能力[5]。

    對(duì)植物分枝格局進(jìn)行研究主要目的是了解它們利用生態(tài)空間的能力,進(jìn)而揭示其生長(zhǎng)對(duì)策和適應(yīng)機(jī)制。植物構(gòu)件格局研究一般在特定尺度上進(jìn)行,且不能以其任何一個(gè)尺度上的特征來代替其他尺度上的特征,采用分形幾何方法研究植物分枝格局為解決該問題指明了方向[6-7]。植物體構(gòu)型和分枝格局的可塑性明確反映了植物適應(yīng)對(duì)策[8-9]。經(jīng)過幾十年的研究,人們對(duì)不同植物構(gòu)型特征的認(rèn)識(shí)和研究逐漸深入。目前,圍繞灰葉胡楊、胡楊開展的生物生態(tài)學(xué)特性[10-13]、繁殖特點(diǎn)[14-15]和異形葉性[16]等研究已取得了一定的成果。對(duì)于一些荒漠植物,學(xué)者們從形態(tài)解剖、生理生態(tài)等角度做了大量工作[17-21]。孫書存等對(duì)遼東櫟種群的空間分布分形特征進(jìn)行了分析[22]。張文輝等對(duì)裂葉沙參與泡沙參種群分布格局的分形特征進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)分形理論是研究瀕危植物種群水平空間分布格局的有效辦法,彌補(bǔ)了植物種群分布格局傳統(tǒng)研究方法中某些不足[23]。馬克明等將分形理論應(yīng)用于植物生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,在研究東北羊草草原群落格局方面取得了良好效果,給出了計(jì)算分枝格局的分形維數(shù)計(jì)算模型,得出興安落葉松分枝格局的分形維數(shù)介于1. 4~1. 7之間[24]。研究發(fā)現(xiàn),處于不同競(jìng)爭(zhēng)地位的太白紅杉分枝格局有較大差異,受地形的影響,太白紅杉個(gè)體中存在明顯的側(cè)枝上轉(zhuǎn)現(xiàn)象,說明太白紅杉植冠構(gòu)型具有較強(qiáng)的形態(tài)可塑性和適應(yīng)性[25]。林勇明等對(duì)不同距海處木麻黃分枝格局及冠形分析表明,近海區(qū)域受持續(xù)性風(fēng)力脅迫,防護(hù)林樹種木麻黃在生長(zhǎng)發(fā)育過程中樹冠結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變化,木麻黃通過冠形調(diào)整、減小分枝長(zhǎng)度等方式適應(yīng)風(fēng)力脅迫,體現(xiàn)其對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)特征[26]。分枝格局的分形特征研究涉及相對(duì)較多的植物物種,相比較而言,有關(guān)灰葉胡楊分枝格局和分形特征研究少見報(bào)道。以往研究主要探討草本植物、灌木及幼樹的樹冠結(jié)構(gòu),很少涉及植物樹冠結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境條件、林分條件、經(jīng)營(yíng)措施關(guān)系研究,尤其是關(guān)于荒漠植物灰葉胡楊結(jié)構(gòu)生物量的構(gòu)成和分布結(jié)構(gòu)研究更少[4]。本研究探討灰葉胡楊的分枝格局,結(jié)合植物構(gòu)件理論[8],運(yùn)用分形幾何方法,揭示灰葉胡楊分枝格局及其分形特征,以期為灰葉胡楊構(gòu)型深入研究提供理論依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 材料

    試驗(yàn)在阿拉爾市塔里木大學(xué)校園外的胡楊林內(nèi)進(jìn)行。該地區(qū)位于塔里木盆地西北緣,氣候炎熱干燥,終年干旱少雨,年降水量?jī)H約50 mm,蒸降比為38 ∶ 1,年均氣溫10.8 ℃,年均日照時(shí)數(shù)為2 900 h,是典型的溫帶荒漠氣候[27]。根據(jù)灰葉胡楊的胸徑大小,將其劃分為3個(gè)不同的生長(zhǎng)發(fā)育階段:即胸徑在5~8 cm、>8~15 cm、15 cm以上。選取不同發(fā)育階段各20株胡楊作為調(diào)查樣株,于2012年、2013年7—8月灰葉胡楊分枝發(fā)育基本完成時(shí)對(duì)樣株進(jìn)行分枝參數(shù)測(cè)定及分形特征分析。

    1.2 方法

    1.2.1 灰葉胡楊枝序的確定方法 枝序確定方法包括2種:離心式、向心式。前者指枝序的確定序號(hào)與枝軸的發(fā)育順序是一致的;后者指枝序的確定序號(hào)與枝系本身的發(fā)育順序相反。本研究采用離心式方法:即將植株主干定為0級(jí),同期從主干分出的分枝定為Ⅰ級(jí),由Ⅰ級(jí)枝同期分出的分枝定為Ⅱ級(jí),以此類推。

    1.2.2 分枝格局形成的相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算 用鋼卷尺(精度0.1 cm) 測(cè)定每個(gè)植株的胸徑、枝間距、各級(jí)分枝的長(zhǎng)度,用游標(biāo)卡尺測(cè)量各級(jí)分枝的基部直徑,每一分枝的分枝位點(diǎn)即分枝處距上一級(jí)分枝基部的距離,計(jì)數(shù)次級(jí)分枝數(shù)量、葉數(shù)。以隨機(jī)20個(gè)同級(jí)分枝的平均長(zhǎng)度計(jì)分枝長(zhǎng)度;以隨機(jī)20個(gè)同級(jí)分枝基部的平均直徑計(jì)分枝直徑;用量角器量取各個(gè)分枝的角度及葉傾角,統(tǒng)計(jì)各齡級(jí)植株不同分枝角度的出現(xiàn)頻數(shù),最后進(jìn)行加權(quán)平均,得出灰葉胡楊各不同胸徑個(gè)體不同分枝級(jí)別的平均分枝角度。枝徑比(ratio of branch diameter,RBD)、總體分枝率(overall bifurcation ratro,OBR)、逐步分枝率(step wise bifurcation ratio,SBR)、分形維數(shù)(SB)計(jì)算公式如下:

    可見,SB與LB在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下存在線性關(guān)系,D為該直線的斜率。因此,分形維數(shù)的求算方法是在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下對(duì)SB和LB的一系列值進(jìn)行線性回歸,所得擬合直線的斜率(或其轉(zhuǎn)換),即為分形維數(shù)值[28]。

    1.2.3 數(shù)據(jù)處理 利用Excel、DPS 7.0軟件分析灰葉胡楊分枝數(shù)、分枝長(zhǎng)度、分枝基徑、分枝角度、葉形指數(shù)等分枝格局構(gòu)成的相關(guān)性狀。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 分枝格局中各級(jí)分枝的數(shù)目及長(zhǎng)度分析

    從表1可以看出,在分枝格局中,隨著灰葉胡楊的發(fā)育成熟,出現(xiàn)了更高級(jí)別的分枝,但隨著灰葉胡楊發(fā)育階段的深入,并未表現(xiàn)出分枝級(jí)別越高分枝數(shù)越多的規(guī)律。分枝長(zhǎng)度基本是隨著分枝級(jí)別增加而縮短,且不同胸徑范圍內(nèi)灰葉胡楊各級(jí)分枝之間差異顯著。因而可以認(rèn)為,一級(jí)枝長(zhǎng)越長(zhǎng),可以生長(zhǎng)出更高級(jí)別的分枝,但分枝數(shù)較少,長(zhǎng)度越短,以此來適應(yīng)上部枝條需要競(jìng)爭(zhēng)光照等資源的特性,促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育。

    2.2 不同發(fā)育階段灰葉胡楊分枝率比較

    表2結(jié)果表明,不同發(fā)育階段的灰葉胡楊總體分枝率沒有表現(xiàn)出顯著差異,隨著胸徑的增大,分枝率增大。在相同的胸徑范圍內(nèi),逐步分枝率SBR1 ∶ 2與其他分枝級(jí)別逐步分枝率之間差異較大,體現(xiàn)了其增加分枝的方式和位置特征。

    2.3 不同分枝級(jí)別灰葉胡楊分枝角度、枝傾角分析

    分枝角度是樹冠結(jié)構(gòu)中一個(gè)重要的因子,它對(duì)冠形的形成起著決定性作用,也是衡量植物空間分布能力的一個(gè)重要指標(biāo),分枝向空間的擴(kuò)展能力影響著枝葉對(duì)光照、溫度、CO2的利用及其不同構(gòu)件生物量的空間分布[29]。從圖1可以看出,不同生長(zhǎng)發(fā)育階段灰葉胡楊分枝角度總體上都是呈先增長(zhǎng)再下降的趨勢(shì),并且分枝角度集中于55°~75°之間,說明灰葉胡楊在生長(zhǎng)前期分枝角度逐漸增大,樹冠以向四周伸展為主,生長(zhǎng)后期分枝角度逐漸減小,改以直立向上生長(zhǎng)為主。

    從表3可以看出,不同分枝級(jí)別灰葉胡楊之間枝傾角存在顯著或極顯著差異。由圖2可知,當(dāng)灰葉胡楊胸徑為8~15 cm時(shí),灰葉胡楊的四級(jí)分枝枝傾角為0°,五級(jí)、六級(jí)分枝枝傾角又增大;當(dāng)灰葉胡楊胸徑>15 cm時(shí),六級(jí)枝傾角為負(fù)值,七級(jí)枝傾角又增大,說明隨著分枝級(jí)別的增加,灰葉胡楊枝傾角都有一個(gè)先下降再上升的過程,增加了相鄰級(jí)別分枝之間的角度,有利于更好地通風(fēng)透光、利用空間。

    2.4 不同分枝級(jí)別灰葉胡楊分枝間距分析

    由表4可知,隨著灰葉胡楊分枝級(jí)別的增加,各級(jí)相鄰分枝之間間距逐漸減小,分枝越密集,下部分枝間距較為疏松,可見其構(gòu)型可以充分利用上部空間,同時(shí)又能夠使得下部空間更好地通風(fēng)透光,提高空間利用率。由圖3可知,除了 5~8 cm胸徑灰葉胡楊的;四至五級(jí)分枝之外,分枝間距都是下降上升間隔排序,變化趨勢(shì)基本一致,體現(xiàn)了灰葉胡楊各級(jí)分枝間距的交替變化、錯(cuò)落排布,對(duì)空間能源、光照等實(shí)現(xiàn)充分利用,體現(xiàn)了其自身適應(yīng)環(huán)境的發(fā)育特點(diǎn)。

    2.5 灰葉胡楊分枝格局的分形特征分析

    空間維數(shù)能夠反映物體占據(jù)空間的程度,植物體表現(xiàn)為某一測(cè)度指標(biāo)(如長(zhǎng)度、面積或體積等)在不同尺度上符合的一種共性規(guī)律。對(duì)于樹木分枝格局而言,分枝格局的分形維數(shù)值反映分枝結(jié)構(gòu)在不同尺度上對(duì)生態(tài)空間占據(jù)的動(dòng)態(tài)變化及其規(guī)律。由表5可知,不同胸徑灰葉胡楊均表現(xiàn)為隨著胸徑增大、分形維數(shù)增加的趨勢(shì),都接近2。分形維數(shù)揭示了灰葉胡楊分枝格局占據(jù)生態(tài)空間的程度和利用生態(tài)空間的能力較強(qiáng)。

    3 結(jié)論與討論

    本研究結(jié)果表明,隨著灰葉胡楊胸徑的增大即發(fā)育階段的成熟,灰葉胡楊一級(jí)枝長(zhǎng)越長(zhǎng),可以分出更高級(jí)別的分枝,但并未表現(xiàn)出分枝級(jí)別越高分枝數(shù)越多的規(guī)律。不同發(fā)育階段的灰葉胡楊總體分枝率沒有表現(xiàn)出顯著差別,隨著胸徑的增大,分枝率提高;在相同的胸徑范圍內(nèi),逐步分枝率SBR1 ∶ 2與其他分枝級(jí)別逐步分枝率之間差異較大,體現(xiàn)了其增加分枝的方式和位置特征,也反映了灰葉胡楊分枝發(fā)育的次序及不同級(jí)別分枝能力的差異,同時(shí)說明在整個(gè)生長(zhǎng)階段都表現(xiàn)為低級(jí)的枝條抽生新枝能力比高級(jí)枝條強(qiáng)?;胰~胡楊在生長(zhǎng)發(fā)育前期萌發(fā)出較多的枝條,以便進(jìn)行光合作用,促進(jìn)植株生長(zhǎng),因此,低級(jí)分枝的逐步分枝率要大于高級(jí)分枝?;胰~胡楊的生長(zhǎng)后期,其枝條以拓展空間能力為主,萌發(fā)的枝條較少,有利于提高上層空間、光照等能源利用率。

    不同生長(zhǎng)發(fā)育階段灰葉胡楊的分枝角度呈先增長(zhǎng)再下降趨勢(shì)說明其在生長(zhǎng)前期樹冠以向四周伸展為主,后期以直立向上生長(zhǎng)為主。枝傾角變化范圍較大,灰葉胡楊一級(jí)到四級(jí)分枝枝傾角逐漸下降,五級(jí)分枝枝傾角增大,體現(xiàn)了灰葉胡楊分枝格局的動(dòng)態(tài)變化特征。隨著分枝級(jí)別的增加,各級(jí)相鄰分枝之間間距逐漸減小,分枝越密集,分枝長(zhǎng)度越短,可見其下部分枝間距較為疏松,可以充分利用上部空間,同時(shí)又能確保下部空間更好地通風(fēng),提高空間利用率,增強(qiáng)其生長(zhǎng)后期植株與周圍樹木對(duì)于空間、光照、養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)能力。隨著胸徑增大,灰葉胡楊分形維數(shù)增加,但都是接近2,揭示了灰葉胡楊分枝格局占據(jù)生態(tài)空間的程度和利用生態(tài)空間的能力較強(qiáng),灰葉胡楊分形維數(shù)為1.41~1.86,這與馬克明等將分形理論應(yīng)用于植物生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,對(duì)興安落葉松分枝格局的分形特征研究結(jié)果相似[24]。植物構(gòu)型不僅是植物生長(zhǎng)發(fā)育和適應(yīng)的結(jié)果,而且植物一定生長(zhǎng)階段的植株構(gòu)型也影響其進(jìn)一步發(fā)育生長(zhǎng)。植物分枝發(fā)育是植物內(nèi)在遺傳因素與環(huán)境因素共同作用的結(jié)果[30-33],不僅要對(duì)植物外在形態(tài)表現(xiàn)進(jìn)行研究,還應(yīng)對(duì)其分枝發(fā)生發(fā)育的內(nèi)在遺傳機(jī)制進(jìn)行深入研究。

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