新疆文冠果苗期選育植物學(xué)性狀分析

董鵬+姜繼元+李銘

摘要：采用田間測(cè)量和觀測(cè)法，以新疆干旱區(qū)引種文冠果資源為研究對(duì)象，通過(guò)主成分分析和兩步聚類分析方法，對(duì)424個(gè)文冠果優(yōu)選樣本進(jìn)行植物學(xué)性狀比較研究。結(jié)果表明：文冠果幼樹植物學(xué)性狀均有較大變幅，且各指標(biāo)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，主成分分析結(jié)果表明，4個(gè)綜合指標(biāo)的累計(jì)貢獻(xiàn)率為80.106%，基本反映了原始指標(biāo)所涵蓋的信息，包含長(zhǎng)勢(shì)因子、色度因子、樹形因子、小葉因子。兩步聚類分析結(jié)果進(jìn)一步表明，枝條顏色是反映文冠果植物學(xué)性狀的重要指標(biāo)，而與葉相關(guān)因子的預(yù)測(cè)重要性較低。

關(guān)鍵詞：新疆干旱區(qū)；文冠果；苗期選育；植物學(xué)性狀；主成分分析；聚類分析；枝條顏色

中圖分類號(hào)： S565.903 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）11-0200-03

文冠果（Xanthoceras sorbifolia Bunge）為無(wú)患子科，單屬單種，是我國(guó)北方特有的木本油料植物[1]。由于文冠果具有耐干旱、耐貧瘠、耐鹽堿、抗風(fēng)沙、抗嚴(yán)寒的生態(tài)學(xué)特性，是水土保持、防風(fēng)固沙和荒漠化治理的優(yōu)良樹種[2-4]，非常適宜在新疆干旱區(qū)種植。20世紀(jì)70—80年代，我國(guó)北方許多地區(qū)曾有大面積的栽培[5]，具有食用、藥用[6-7]、木材、生物、生態(tài)、觀賞于一體的可持續(xù)開發(fā)價(jià)值[8]。文冠果實(shí)生繁育后代變異較大，其群體內(nèi)類型較為混雜，不同株間差異懸殊等問(wèn)題一直是制約文冠果發(fā)展的因素。關(guān)于文冠果幼樹性狀的已有文獻(xiàn)報(bào)道[9-14]，王雪峰等研究了一年生文冠果苗高的生長(zhǎng)規(guī)律[9]，劉迪等研究了文冠果苗期的生長(zhǎng)規(guī)律[12]，馬利蘋等定位觀測(cè)了文冠果生長(zhǎng)季內(nèi)生物學(xué)、生態(tài)學(xué)特性[13]。在文冠果優(yōu)系篩選方面，多以成齡樹豐產(chǎn)單株和觀賞單株為主要篩選目標(biāo)，其篩選周期長(zhǎng)、繁育較慢。而以文冠果幼樹優(yōu)良性狀的早期選擇和培育的研究較少，特別是以速生材料為主要篩選目標(biāo)，對(duì)其植物學(xué)性狀的研究還未見報(bào)道。本研究以新疆干旱區(qū)引種文冠果資源為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)初選文冠果實(shí)生優(yōu)良單株的形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行逐年觀測(cè)，采用主成分分析和兩步聚類分析，提取出篩選文冠果苗期選育的主要植物學(xué)性狀，旨在為文冠果幼樹優(yōu)良性狀的早期選擇和培育提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究區(qū)位于古爾班通古特大沙漠南緣，地處天山北麓中段的新疆石河子市，地理位置為84°58′～86°24′E、43°26′～45°20′N，是典型的干旱半干旱地區(qū)。年平均氣溫 6.5 ℃，年平均最高氣溫13 ℃，年平均最低氣溫0 ℃，無(wú)霜期為168～171 d，日照時(shí)數(shù)2 300～2 700 h，年平均降水量 125.0～207.7 mm，年蒸發(fā)量1 000～1 500 mm，是降水量的5倍以上。

試驗(yàn)在新疆農(nóng)墾科學(xué)院試驗(yàn)基地開展，2015年3月中旬將種源為內(nèi)蒙古赤峰翁牛特旗的文冠果種子播種到研究地，撫育管理等技術(shù)按照赤峰市林業(yè)科學(xué)研究院常規(guī)進(jìn)行[15]；10月從研究地中篩選出長(zhǎng)勢(shì)較好、比較具有代表性的大苗和壯苗文冠果樣本424個(gè)，作為生態(tài)型初步優(yōu)選樣本，用于調(diào)查其植物學(xué)性狀，并進(jìn)行逐年測(cè)定。

1.2 研究方法

對(duì)一年生文冠果424個(gè)優(yōu)選樣本植物學(xué)性狀進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)定指標(biāo)及方法如下。

1.2.1 生長(zhǎng)指標(biāo) 包括株高（cm）、地徑（cm）、復(fù)葉長(zhǎng)度（cm）、復(fù)葉數(shù)（枚）、復(fù)葉上小葉數(shù)（枚）、小葉長(zhǎng)（cm）、小葉寬（cm），每株選取上、中、下不同部位葉片，均采用卷尺和游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量。

1.2.2 形態(tài)指標(biāo) 包括枝條顏色（1淺褐色，2褐色，3深褐色）、樹姿（1直立，2半開張，3開張）、樹勢(shì)（1直立，2彎曲）、葉片顏色（1淺綠色，2綠色，3深綠色）、葉毛（1有葉毛，2無(wú)葉毛）、葉緣形態(tài)（1齒銳痕深，2齒銳痕淺，3齒鈍痕深，4齒鈍痕淺）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理數(shù)據(jù)指標(biāo)，用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析、主成分分析和兩步聚類分析，其中主成分分析要求KMO值>0.5，同時(shí)Bartlett球形檢驗(yàn)結(jié)果要求P<0.05[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 文冠果優(yōu)選樣本植物生長(zhǎng)性狀與形態(tài)描述

由文冠果生長(zhǎng)性狀（表1）可知，所有指標(biāo)變異幅度大、長(zhǎng)勢(shì)不均勻、變異系數(shù)（8.34%～21.41%）較大，苗期生長(zhǎng)指標(biāo)分化嚴(yán)重。在形態(tài)指標(biāo)方面，枝條顏色以淺灰褐色和褐色為主，分別占46.4%和43.5%；樹姿以直立和半開張為主，分別占 47.3% 和36.7%；葉片顏色以中綠和深綠為主，分別占 54.1% 和39.1%；葉緣以齒銳痕深和齒銳痕淺為主，均占39.3%。

2.2 文冠果優(yōu)選樣本植物學(xué)性狀相關(guān)性分析

本試驗(yàn)選取13個(gè)與文冠果種質(zhì)資源植物學(xué)性狀相關(guān)的指標(biāo)，424個(gè)樣本均無(wú)葉毛，所以不對(duì)其作統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)12個(gè)文冠果植物學(xué)性狀指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理和Pearson相關(guān)分析，結(jié)果見表2。由表2可以看出，某些指標(biāo)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，株高和地徑與所有的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)指標(biāo)呈現(xiàn)極顯著相關(guān)（P<0.01）；復(fù)葉數(shù)只與株高和地徑呈極顯著相關(guān)，與其他生長(zhǎng)指標(biāo)無(wú)明顯關(guān)系；小葉相關(guān)指標(biāo)與株高、地徑和葉長(zhǎng)呈極顯著關(guān)系。這說(shuō)明株高和地徑越大，文冠果復(fù)葉及小葉相關(guān)生長(zhǎng)指標(biāo)越大。同時(shí)，從形態(tài)指標(biāo)與生長(zhǎng)指標(biāo)Pearson相關(guān)系數(shù)可知，當(dāng)株高越高，文冠果枝條、葉片顏色越淺，相對(duì)它的樹形越趨于彎曲生長(zhǎng)；而當(dāng)?shù)貜皆酱?，文冠果的樹姿越趨于開張方式生長(zhǎng)。

2.3 文冠果優(yōu)選樣本植物學(xué)性狀主成分分析

相關(guān)分析結(jié)果表明，文冠果植物學(xué)性狀某些指標(biāo)之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，如直接用這些指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，必然會(huì)造成評(píng)價(jià)信息的重疊，影響評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性，因此作了主成分分析。主成分分析的特征值和貢獻(xiàn)率是選擇主成分的依據(jù)，以12個(gè)與文冠果種質(zhì)資源植物學(xué)性狀相關(guān)的指標(biāo)作主成分分析。檢驗(yàn)變量之間的相關(guān)關(guān)系KMO值為0.765>0.7，且Bartlett球形檢驗(yàn)結(jié)果顯示P=0<0.05，因此適宜作主成分分析。將與文冠果種質(zhì)資源植物學(xué)性狀相關(guān)的生長(zhǎng)指標(biāo)、葉片性狀等12個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化成12個(gè)主成分。由表3可以看出，前4個(gè)主成分的特征值均大于1，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)80.106%，表明前4個(gè)主成分已經(jīng)把文冠果植物學(xué)性狀的80%以上的信息反映出來(lái)，因此本研究提取4個(gè)主成分作為文冠果植物學(xué)性狀評(píng)價(jià)指標(biāo)。

載荷矩陣反映主成分與原始指標(biāo)的相關(guān)程度，從而為解釋主成分的實(shí)際意義提供理論依據(jù)。由表3、表4可知，第一主成分特征值為2.680，對(duì)應(yīng)較大的特征因子有地徑、復(fù)葉長(zhǎng)、株高、小葉長(zhǎng)和小葉寬，這些性質(zhì)與營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)有關(guān)，所以稱為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)因子；第二主成分特征值為1.776，對(duì)應(yīng)較大的特征因子有復(fù)葉數(shù)、株高、枝條顏色和葉片顏色，而復(fù)葉數(shù)和株高的系數(shù)為負(fù)，說(shuō)明株高越高或者復(fù)葉數(shù)越多，枝條顏色和葉片顏色越淺；第三主成分特征值為1.135，對(duì)應(yīng)較大的特征因子有樹勢(shì)和樹姿，與樹形有關(guān)，所以稱為樹形因子；第四主成分特征值為1.115，對(duì)應(yīng)較大的特征因子有小葉數(shù)和小葉葉緣類型，均與小葉有關(guān)，所以稱為小葉因子。

2.4 文冠果優(yōu)選樣本植物學(xué)性狀聚類分析結(jié)果

本試驗(yàn)中數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果既有數(shù)值變量，又有分類變量，所以采用兩步聚類法判定各個(gè)變量的重要性，并構(gòu)建預(yù)測(cè)變量重要性圖。以株高、地徑等作為連續(xù)變量，枝條顏色、葉緣等作為分類變量，SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件兩步聚類結(jié)果顯示，輸入自變量為12個(gè)，自動(dòng)聚成3類，樣本均被有效劃分，聚類質(zhì)量較好。表5顯示了由兩步聚類法分析得到的樣本分類統(tǒng)計(jì)特征，可以看出每個(gè)聚類的頻數(shù)及所占總樣本數(shù)和總有效樣本數(shù)的比例，可見424個(gè)樣本中全部參與了兩步聚類過(guò)程，其中199個(gè)分配到第1類，占樣本總體的46.934%，148個(gè)分配到第2類，占樣本總體的34.906%，77個(gè)分配到第3類，占樣本總體的18.160%。

圖1描述了文冠果優(yōu)良單株的植物性性狀相關(guān)指標(biāo)的預(yù)測(cè)變量重要性結(jié)果（SPSS兩步聚類結(jié)果），反映植物學(xué)性狀的依賴性依次由枝條顏色、復(fù)葉長(zhǎng)、樹姿、地徑、株高、樹勢(shì)、小葉長(zhǎng)、小葉數(shù)、小葉寬、復(fù)葉數(shù)逐漸遞減，因此，在本試驗(yàn)中枝條顏色指標(biāo)是反映文冠果樹勢(shì)生長(zhǎng)條件良好的重要參數(shù)指標(biāo)，其次為復(fù)葉長(zhǎng)和樹姿指標(biāo)，而與復(fù)葉相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)的預(yù)測(cè)重要性較低。

3 結(jié)論與討論

文冠果幼樹植物學(xué)性狀指標(biāo)均有較大變幅，這種變幅說(shuō)明幼樹個(gè)體間存在較大的差異，這一分析結(jié)果為文冠果幼樹優(yōu)良性狀的早期選擇和培育提供了依據(jù)[17]。本研究選取了13個(gè)與文冠果幼苗植物學(xué)性狀相關(guān)的指標(biāo)，其中葉毛性狀均表現(xiàn)為無(wú)葉毛。有研究認(rèn)為，無(wú)葉毛類型的文冠果產(chǎn)量較高、較穩(wěn)定，豐產(chǎn)性能較明顯[18]，假設(shè)無(wú)葉毛為評(píng)價(jià)文冠果高產(chǎn)優(yōu)株性狀的重要指標(biāo)，那么在該資源圃中各個(gè)單株均有機(jī)會(huì)成為高產(chǎn)優(yōu)株。另外，本試驗(yàn)中資源圃為一年生文冠果，篩選目標(biāo)為觀賞型、生態(tài)型文冠果資源圃，暫不考慮產(chǎn)量因素，因此忽略葉毛指標(biāo)對(duì)篩選結(jié)果的影響。

相關(guān)分析結(jié)果表明，株高與除了樹姿以外的所有植物學(xué)指標(biāo)呈現(xiàn)極顯著相關(guān)（P<0.01），另外幾乎所有生長(zhǎng)指標(biāo)都存在相關(guān)關(guān)系，同時(shí)，由Pearson相關(guān)系數(shù)可知，株高和地徑也影響枝條顏色、葉片顏色、樹形和樹姿等指標(biāo)，與侯元?jiǎng)P等的研究結(jié)果[17]相同。說(shuō)明文冠果植物學(xué)性狀某些指標(biāo)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，如果直接用這些指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，必然造成信息的重疊，影響評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性[19]。

應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)分析中的主成分分析法[20]，探討文冠果植物學(xué)性狀間的相互關(guān)系及分類，在本研究中提取的4個(gè)主成分已經(jīng)概括了文冠果12個(gè)植物學(xué)性狀指標(biāo)信息的 80.106%，因此可以以提取的4個(gè)主成分作為文冠果植物學(xué)性狀評(píng)價(jià)指標(biāo)。在本研究中，424株樣本均是以生態(tài)型為目標(biāo)篩選出來(lái)的，由主成分分析結(jié)果也可看出長(zhǎng)勢(shì)為重要成分，除去長(zhǎng)勢(shì)指標(biāo)，另外色度因子、樹形因子、小葉因子也是影響文冠果優(yōu)株的主要因素，基本上反映了原始數(shù)據(jù)所涵蓋的信息，與侯元?jiǎng)P等對(duì)文冠果幼樹的研究結(jié)果[17]基本一致。為了能進(jìn)一步提取文冠果優(yōu)株的主要影響因子，進(jìn)一步作了兩步聚類分析，基于兩步聚類算法的分類，具有較高的科學(xué)性和精準(zhǔn)性[21]，本研究對(duì)文冠果樣本植物學(xué)性狀進(jìn)行了有效聚類，結(jié)果顯示，枝條顏色指標(biāo)是反映文冠果樹勢(shì)生長(zhǎng)條件良好的重要參數(shù)指標(biāo)，其次為復(fù)葉長(zhǎng)和樹姿指標(biāo)，而與葉相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)的預(yù)測(cè)重要性較低，此結(jié)果有待后期的研究進(jìn)行驗(yàn)證。

文冠果的植物學(xué)性狀因子較多，且因子間存在錯(cuò)綜復(fù)雜的相互關(guān)系，致使反映的信息容易出現(xiàn)重疊，難以得出簡(jiǎn)明的規(guī)律。主成分分析和兩步聚類分析簡(jiǎn)化了評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而能較容易和清晰地解釋因子間的關(guān)系。本試驗(yàn)中2種分析共同揭示了一年生文冠果優(yōu)樹植物學(xué)性狀的主要因子組成，以期為文冠果幼樹速生型優(yōu)良性狀的早期選擇和培育提供依據(jù)，但須要進(jìn)一步驗(yàn)證和研究。

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