遼西北風(fēng)沙地抗逆性樹種篩選與評(píng)價(jià)

高英旭

(遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110032)

遼西北風(fēng)沙區(qū)是我國荒漠化比較嚴(yán)重的地區(qū)之一，該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，生物多樣性喪失嚴(yán)重[1-4]，特別是近幾年干旱頻繁，使得這一地區(qū)土地生產(chǎn)潛力急劇退化，作物產(chǎn)量連年下降，地表植被顯著減少[5～8]，使得當(dāng)?shù)囟嗄陙頂[脫貧困的成果化為泡影，同時(shí)又嚴(yán)重地威脅著東北工業(yè)中心沈陽以及阜新、鐵嶺等城市生態(tài)安全，成為制約東北老工業(yè)基地經(jīng)濟(jì)振興和阜新經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型順利實(shí)現(xiàn)的屏障，因此，合理并快速地營建遼西北農(nóng)牧交錯(cuò)半干旱脆弱生態(tài)區(qū)植被意義重大[8-11]。

在干旱造林工作中，做到適地適樹是提高造林成活率和實(shí)現(xiàn)科學(xué)、合理造林的主要基礎(chǔ)[12,13]。在造林工程中，樹種選擇是否合理不僅影響著樹木成活和生長，同時(shí)對(duì)于樹木效益發(fā)揮也有重要意義。植物適應(yīng)性是受多種因素影響的復(fù)雜綜合性狀，用單一指標(biāo)衡量植物適應(yīng)性具有片面性。對(duì)遼西北風(fēng)沙地生態(tài)改良和樹木關(guān)系的研究較多，但系統(tǒng)性研究樹木對(duì)遼西北風(fēng)沙區(qū)適應(yīng)能力的報(bào)道較少。本研究通過綜合比較遼西北風(fēng)沙地常見造林樹種，找出適合遼西北風(fēng)沙地最佳造林樹種，為遼西北風(fēng)沙地治理提供依據(jù)[14-16]。

1材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)選用樟子松(S1)、赤松(S2)、刺槐(S3)、懷槐(S4)、山杏(S5)、榆樹(S6)、色木槭(S7)、紫穗槐(S8)、丁香(S9)、小葉女貞(S10)、沙棘(S11)、火炬樹(S12)作為參試樹種，學(xué)名及特征見表1。

表1 供試樹種名稱及形態(tài)特征

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年5月在遼寧省林科院實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行。采用室外盆栽種植，盆缽直徑33 cm，高28 cm，填裝混合土20 kg。供試土壤為遼西北風(fēng)沙地典型地區(qū)章古臺(tái)沙質(zhì)土壤，含有全氮1.45 g·kg-1、全鉀12.20 g·kg-1、全磷1.07 g·kg-1、有機(jī)質(zhì)30.02 g·kg-1、堿解氮103.48 mg·kg-1、速效磷75.22 g·kg-1和速效鉀87.77 g·kg-1，pH6.86，盆砵隨機(jī)區(qū)組方式排列。2017年6月25日開始測定各項(xiàng)指標(biāo)。為確定適宜壤土與風(fēng)沙地沙質(zhì)土壤比例，用赤松、刺槐、榆樹、紫穗槐、沙棘5個(gè)樹種各10株為供試材料，分別采用0、10 %、20 %、30 %、40 %、50 %、60 %、70 %混合土(遼西北風(fēng)沙地沙質(zhì)土壤占混合土比例)進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，通過測定成活率、地徑、樹高、冠幅、地上部干重、根干重和根冠比等指標(biāo)，分析得到50%混合土種植下，樹種間各測定指標(biāo)的差異最明顯，因而其被選定為不同樹種種植混合土適宜比例，全壤土為對(duì)照，25次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2007整理數(shù)據(jù)并計(jì)算各處理性狀平均值和相對(duì)值，用SPSS 20.0進(jìn)行相關(guān)性分析，并對(duì)供試樹種對(duì)遼西北風(fēng)沙地適應(yīng)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。為減少各樹種間固有差異，對(duì)各測定指標(biāo)均采用遼西北風(fēng)沙地沙質(zhì)土壤混合土和對(duì)照測定的相對(duì)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹種對(duì)遼西北風(fēng)沙地混合土種植的響應(yīng)

不同樹種對(duì)遼西北風(fēng)沙地混合土種植的響應(yīng)見表2。

表2 各測定指標(biāo)相對(duì)值

注：X1，成活率；X2，地徑；X3，樹高；X4，冠幅；X5，地上部干重；X6，根干重；X7，根冠比。同一列中相同字母表示0.05水平差異不顯著。

從表2中可以看出，遼西北風(fēng)沙地混合土種植下，8個(gè)樹種各測定指標(biāo)幾乎都小于對(duì)照，不同樹種降幅不同。相對(duì)成活率變化范圍為0.56～0.86，相對(duì)地徑變化范圍為0.52～1.02，相對(duì)冠幅變化范圍為0.40～1.17，相對(duì)地上部干重變化范圍為0.70～1.13，相對(duì)根干重變化范圍為0.46～1.25，相對(duì)根冠比變化范圍為0.43～0.86。S7和S8成活率、地徑、樹高等指標(biāo)相對(duì)值較大，表現(xiàn)出較好的混合土適應(yīng)性。S5成活率、地徑相對(duì)值最小。根冠比可以反映出各樹種適應(yīng)能力，S11冠幅較小，但具有較高根冠比，為1.25，這是根系對(duì)混合土適應(yīng)性的響應(yīng)，而S5根冠比相對(duì)值最小，僅為0.43，對(duì)混合土適應(yīng)能力較差。S4地上部干重最低，僅為0.58，對(duì)混合土較敏感，不適宜用于遼西北風(fēng)沙地土壤改良。S12地上部干重相對(duì)值最大，為0.88，在遼西北風(fēng)沙地沙質(zhì)土種植下，能更好地進(jìn)行光合作用，為根系生長提供能量，進(jìn)而能更好地吸收土壤中養(yǎng)分。

2.2不同樹種各性狀相關(guān)性分析

利用雙變量Pearson簡單相關(guān)系數(shù)法對(duì)混合土種植下樹種7個(gè)指標(biāo)性狀的相對(duì)值進(jìn)行相關(guān)性分析，部分性狀間的相關(guān)性達(dá)到顯著或極顯著水平。樹高和冠幅相關(guān)系數(shù)最大，達(dá)到0.900**。地上部干重與成活率極顯著正相關(guān)、與地徑顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.870**和0.591*。根冠比與根干重成極顯著正相關(guān)、與地上部干重顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.773**和0.618*。地徑與根干重顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.591*。

表3 各測定指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

注：*和**分別表示在0. 05 和0. 01的顯著水平。

2.3 不同樹種對(duì)遼西北風(fēng)沙地混合土適應(yīng)性主成分分析

主成分分析是利用降維思想，在損失較少信息前提下，通過研究眾多變量之間內(nèi)部關(guān)系，將無法直接測量到的隱性變量轉(zhuǎn)化成綜合指標(biāo)進(jìn)行描述，是一種處理多因素問題的有效方法。對(duì)各樹種所測定指標(biāo)相對(duì)值進(jìn)行主成分分析，各主成分特征值和貢獻(xiàn)率見表4，前3個(gè)主成分貢獻(xiàn)率分別為46.570 %、33.244 %、11.391 %，其累計(jì)貢獻(xiàn)率為91.205 %，而其余貢獻(xiàn)率較小可忽略不計(jì)。

第ⅰ主成分特征根λ1=3.260，貢獻(xiàn)率為46.750 %，由公式(1)可知，對(duì)應(yīng)特征向量中，載荷較大指標(biāo)為相對(duì)成活率和相對(duì)地上部干重，相關(guān)系數(shù)分別為0.448和0.501，這兩個(gè)指標(biāo)主要反映樹木在混合土種植下的生存能力，可稱之為生命因子。

第ⅱ主成分特征根λ2=2.327，貢獻(xiàn)率為33.244 %，從公式(2)中可以看出，第ⅱ主成分在相對(duì)樹高和相對(duì)冠幅上有較大載荷，相關(guān)系數(shù)分別為0.504和0.479，這兩個(gè)指標(biāo)反映樹木外在生長狀況，因此，可以將第ⅱ主成分稱之為“地上部因子”。

第ⅲ主成分特征根λ3=0.797，貢獻(xiàn)率為11.391 %，從公式(3)中可以看出，在相對(duì)地徑、相對(duì)根干重和相對(duì)根冠比上有較大載荷，主要反映樹木根部生長狀況，因此，可以將第ⅲ主成分稱之為根部性狀因子。

表4 3個(gè)主成分特征值及累計(jì)貢獻(xiàn)率

表5 各因子載荷矩陣

表6 各成分向量矩陣

表5和表6分別為主成分分析中各成分因子載荷矩陣和成分向量矩陣，據(jù)此可獲得各因子得分公式，如下：

F1=0.448*X1+0.440*X2+0.142*X3+0.202*X4+0.501*X5+0.363*X6+0.404*X7

(1)

F2=0.162*X1-0.048*X2+0.504*X3+0.479*X4+0.045*X5-0.326*X6-0.307*X7

(2)

F3=-0.246*X1+0.267*X2+0.120*X3+0.102*X4-0.187*X5+0.218*X6-0.074*X7

(3)

根據(jù)各品種F1、F2和F3的值，各品種綜合得分公式F為：

F=0.521 49*F1+0.326 59*F2+0.886 8*F3

(4)

計(jì)算后F值見表7，F(xiàn)值越大，適應(yīng)性越強(qiáng)。因此，不同樹種對(duì)混合土適應(yīng)性大小為S8> S10> S7> S12> S9> S4> S1> S6> S3> S2> S11> S5

表7 各樹種主成分F值及適應(yīng)性排序

圖1 前3個(gè)主成分散點(diǎn)Fig.1 Scatter plots of the first three principal components

為方便形象地描述各測定指標(biāo)間相互關(guān)系，可用前3個(gè)主成分描述變異。圖1是根據(jù)載荷量繪制的成分圖。圖中各測定指標(biāo)由于載荷值不同，因而在空間的位置不同，其中相對(duì)成活率和相對(duì)地上部干重之間的歐式距離較近，說明他們之間對(duì)混合土具有相似響應(yīng)。同樣，相對(duì)樹高和相對(duì)冠幅具有相似響應(yīng)，相對(duì)地徑、相對(duì)根干重和相對(duì)根冠比具有相似響應(yīng)，并且這7個(gè)測定指標(biāo)均不落在原點(diǎn)和坐標(biāo)軸上，說明這7個(gè)指標(biāo)與這3個(gè)坐標(biāo)軸所對(duì)應(yīng)的因子都有關(guān)系。

2.4不同樹種對(duì)遼西北風(fēng)沙地混合土適應(yīng)性聚類分析

聚類分析是一種探索性分析，是從數(shù)據(jù)本身出發(fā)，通過簡化數(shù)據(jù)，將未設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的一組數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行分類。將參試樹種主成分F值經(jīng)歐氏距離平均連鎖法用SPSS18.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行聚類分析，得到圖2所示聚類圖。參試適應(yīng)性根據(jù)歐氏距離大于5可歸為3個(gè)類群：

圖2 12個(gè)樹種適應(yīng)性聚類Fig. 2 Adaptability Cluster of 12 species

第1類群，包括S7、S8、S9、S10、S12共5個(gè)品種，占供試材料41.67 %。該類群各指標(biāo)相對(duì)值均較高，屬于高適應(yīng)性樹種。

第2類群，包括S1、S3、S4、S6共4個(gè)品種，占供試材料33.33 %。這一類群各性狀指標(biāo)相對(duì)值比較居中，因此，可認(rèn)定該類群為中等適應(yīng)性樹種。

第3類群，包括S2、S5、S11共3個(gè)品種，占供試材料25.00 %。這些樹種各測定指標(biāo)相對(duì)值相對(duì)較小，屬于敏感性樹種。

3 結(jié)論與討論

3.1結(jié)論

不同樹種在遼西北風(fēng)沙地混合土種植后，成活率、地徑、地上部干重、冠幅、根干重和根冠比等指標(biāo)都呈不同程度下降趨勢，說明混合土的物理性質(zhì)較純?nèi)劳劣兴鶒夯瑢?duì)植物生長發(fā)育有脅迫作用，但S7和S10根干重、S8樹高和冠幅都較對(duì)照有所升高，是由于一定程度脅迫對(duì)部分樹種某些生理過程具有促進(jìn)作用，從而表現(xiàn)出對(duì)混合土較強(qiáng)適應(yīng)能力。應(yīng)用主成分分析法和聚類分析法對(duì)12個(gè)樹種對(duì)遼西北風(fēng)沙地混合土適應(yīng)性進(jìn)行綜合分析，篩選出相對(duì)成活率、相對(duì)樹高和相對(duì)地徑可以作為樹木適應(yīng)性篩選的重要指標(biāo)，通過聚類分析，篩選出S7和S8等樹種具有較強(qiáng)適應(yīng)能力，可以為遼西北風(fēng)沙地生態(tài)恢復(fù)和持續(xù)發(fā)展提供種質(zhì)資源和理論依據(jù)。參試的12個(gè)樹種按照適應(yīng)性強(qiáng)弱可分為3大類：S7和S8等5個(gè)品種高適應(yīng)性品種，S1和S3等4個(gè)品種為中等適應(yīng)性品種，S2和S5等3個(gè)品種為敏感性品種。

3.2 討論

本試驗(yàn)僅研究單一壤土與遼西北風(fēng)沙地混合土對(duì)樹木的影響，而多種類型土壤對(duì)遼西北風(fēng)沙區(qū)生態(tài)恢復(fù)和植被復(fù)墾后，特別是干旱條件加重條件下，改良后的混合土壤無機(jī)營養(yǎng)元素、有機(jī)質(zhì)和pH變化等方面并未涉及，有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

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