浙江省野生蠟梅花部形態(tài)變異及其與環(huán)境因子的相關(guān)性

杜會聰,蔣雅婷,田 敏,張 瑩,王彩霞

中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所,富陽 311400

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)自然概況

浙江省的野生蠟梅多生于避風(fēng)、氣候溫和且濕潤的低山溝谷及山脊兩側(cè)。特殊生境及人工破壞性的砍伐，使得年代較久的蠟梅數(shù)量極少，直接影響了野生群落的自然演替。目前,主要分布在杭州富陽區(qū)胥口鎮(zhèn)的通天飛瀑風(fēng)景區(qū)(TTFP)、洞橋鎮(zhèn)上林村龍王坎(LWK)、洞橋鎮(zhèn)石羊村碧東山(BDS)、萬市鎮(zhèn)白石村五尖山(WJS)和臨安市玲瓏鎮(zhèn)高山村方山境內(nèi)(FS),其地理位置如表1所示。碧東山和龍王坎的蠟梅多沿陡峭的溪谷呈狹帶狀分布，主要分布在山坡的中部和谷底，立地環(huán)境惡劣，蠟梅為獲取足夠光照，向溪谷側(cè)斜向生長。通天飛瀑、方山和碧東山為常綠闊葉林，群落樹冠連續(xù)分布，呈波浪狀起伏，林相相對整齊，群落高度均在4.5—6.5 m，總郁閉度大約為90%，局部可達(dá)100%。伴生植物主要有：化香樹(PlatycaryastrobilaceaSieb.et Zucc.)、浙江楠(Phoebechekiangensis)、枇杷(Eriobotryajaponica)、桂花(Osmanthusfragrans)、紫楠(Phoebesheareri)、糙葉樹(Aphanantheaspera)、青岡(Cyclobalanopsisglauca)、枳椇(Hoveniaacerba)、絡(luò)石(Trachelospermumjasminoides)、野菊(Dendranthemaindicum)等；五尖山分布區(qū)蠟梅數(shù)量較多且分布相對集中，該群落無喬木層，蠟梅是優(yōu)勢種，其他灌木和草本較少，郁閉度低；龍王坎分布區(qū)上層有稀疏喬木層，灌木和草本植物受其影響呈稀疏分布，林分郁閉度相對偏中，伴生植物主要有：柏木(Cupressusfunebris)、化香樹、鹽膚木(Rhuschinensis)等。部分群落外貌有藤蔓交錯的現(xiàn)象，藤蔓植物主要有紫藤(Wisteriasinensis)、三葉木通(Akebiatrifoliata)、常春油麻藤(Mucunasempervirens)等，豐富的藤蔓植物客觀上對野生蠟梅的生長、演替和保護(hù)具有一定的積極意義。

表1 各種群的地理位置與生境概況

LWK:Longwangkan; BDS:Bidongshan; TTFP:Tongtianfeipu; WJS:Wujianshan; FS:Fangshan

1.2 形態(tài)特征測定

在蠟梅盛花期，在各居群內(nèi)隨機(jī)選取9—15株生長正常、無嚴(yán)重缺陷和病蟲害的蠟梅。為了避免采樣株間的親緣關(guān)系[10]，株間距均在30 m以上。單株上隨機(jī)采取位于向陽方向枝條中部的5—10朵蠟梅花，分層置于較大體積的容器運(yùn)回并立即測量各指標(biāo)，防止運(yùn)輸中擠壓和花萎縮對花型和各參數(shù)的影響。統(tǒng)計(jì)中被片數(shù)、內(nèi)被片數(shù)、雄蕊數(shù)、雌蕊數(shù)和胚珠數(shù)，測定中被片長、內(nèi)被片長、中被片寬、內(nèi)被片寬、花冠直徑(花冠外輪直徑最大值)、花冠內(nèi)徑(花冠內(nèi)輪直徑最大值)、筒深、雄蕊長和雌蕊長，計(jì)算中被片長寬比和內(nèi)被片長寬比，各指標(biāo)均用精度為0.01 cm的電子游標(biāo)卡尺測定，共16個形態(tài)指標(biāo)。

1.3 土壤養(yǎng)分因子測定

在每一樣方內(nèi)按照S型曲線選取取樣點(diǎn)，挖取根系附近距地表20 cm左右的土壤樣品,混合后自然風(fēng)干、過篩備用。土壤pH值測定采用電位法，半微量凱氏法測定全氮含量，速效磷采用鉬銻抗比色法；速效鉀和Na離子采用火焰原子吸收法，鈣(Ca)、鎂(Mg)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、銅(Cu)和錳(Mn)等礦質(zhì)元素的測定采用原子吸收光譜法。由國家林業(yè)局經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心(杭州)完成。各樣地土壤養(yǎng)分含量的測定結(jié)果見表2。

表2 浙江省蠟梅居群土壤養(yǎng)分特征

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2007、SPSS 20.0和SAS 11.5軟件包提供的有關(guān)程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算各指標(biāo)的算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)；通過變異系數(shù)衡量表型性狀及種群的變異水平；對各性狀及其與環(huán)境因子的相關(guān)性進(jìn)行分析；主成分分析得出表型性狀對種群變異的貢獻(xiàn)率；最后進(jìn)行Q型聚類(UPGMA法)和R型聚類分析[11- 12]。

巢式方差[13]分析蠟梅性狀變異的線性模型為

Yijk=μ+Pi+Ti(j)+e(ij)k，

式中,Yijk為第i群體第j個個體第k個觀測值，μ為總均值，Pi為第i個群體的效應(yīng)值(固定)，Ti(j)為第i個群體內(nèi)的第j個個體的效應(yīng)值(隨機(jī))，e(ij)k為試驗(yàn)誤差。

以表型分化系數(shù)[14](Vst)反應(yīng)群體間表型分化。

多洛肯,男，新疆霍城人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣沤裆贁?shù)民族漢文學(xué)、元明清文學(xué)古籍整理、元明清詩文。

變異系數(shù)計(jì)算公式：

CV(%)=S/x×100%

式中，CV為變異系數(shù);S為標(biāo)準(zhǔn)差；x為平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 蠟梅居群花部的形態(tài)特征

野生蠟梅5個居群16個花部性狀變異的測定結(jié)果顯示(表3)：不同的花部性狀在群體間存在一定差異?；ü谥睆健⑼采?、中被片長、內(nèi)被片長和雌蕊長均以碧東山居群的數(shù)值最大，其中花徑、筒深、中被片長的數(shù)值極顯著高于其他4個居群；臨安方山居群的花冠直徑、花冠內(nèi)徑、筒深、內(nèi)被片長度和內(nèi)被片長寬比數(shù)值最小，其中花冠直徑、花冠內(nèi)徑和內(nèi)被片長寬比的數(shù)值極顯著低于其他4個居群；數(shù)量形狀上，方山居群內(nèi)被片數(shù)最多，雄蕊數(shù)、雌蕊數(shù)和胚珠數(shù)均值最??；通天飛瀑居群雌蕊數(shù)和胚珠數(shù)均值最大，中被片數(shù)和內(nèi)被片數(shù)均值最小。在各居群間花冠直徑的均值差異最大，碧東山均值為25.0789 mm,臨安方山的均值為15.5073 mm；內(nèi)被片個數(shù)、雄蕊長度、雌蕊數(shù)、雌蕊長度的均值在各居群間差異不顯著。

2.2 蠟梅花部性狀變異分析

變異系數(shù)可以反映蠟梅花部形態(tài)特征的變異程度，表3顯示花部各性狀間的變異程度各不相同，同一性狀在不同居群間變異程度也不同，如筒深在不同居群間變異系數(shù)差值較大，五尖山居群的變異系數(shù)為0.3615，而通天飛瀑居群的變異系數(shù)僅為0.1220；同一居群不同性狀變異系數(shù)也不相同，如通天飛瀑居群內(nèi)胚珠數(shù)的變異系數(shù)是0.2396，而花冠內(nèi)徑的變異系數(shù)僅為0.0771，差距較大。在居群間五尖山居群變異系數(shù)均值最大為0.1765，其他四個居群數(shù)值相近。5個居群的16個花部性狀中，變異系數(shù)均值從大到小依次為：胚珠數(shù)、內(nèi)被片長度、筒深、雌蕊長度、雌蕊數(shù)、雄蕊長度、內(nèi)被片長寬比、內(nèi)被片寬度、花徑、雄蕊數(shù)、中被片寬度、中被片長度、中被片長寬比、內(nèi)被片數(shù)、中被片數(shù)、花冠內(nèi)徑(胚珠數(shù)的平均變異系數(shù)最大為0.2338，花冠內(nèi)徑最小為0.1081)。通過變異系數(shù)的分析可知, 蠟梅花部各個性狀的變異程度在群體內(nèi)和群體間有一定的差異，說明浙江省野生蠟梅有著豐富的形態(tài)變異。按巢式方差分析得到的各方差分量和表型分化系數(shù)可知：花部性狀表型分化系數(shù)(Vst)的變異幅度為1.57%—89.62%，其中花冠直徑、花冠內(nèi)徑、筒深、中被片長、中被片長寬比、內(nèi)被片長、內(nèi)被片長寬比、雄蕊數(shù)的表型分化系數(shù)在50%以上，說明這些性狀在群體間的變異大于群體內(nèi)變異，剩余與外界環(huán)境接觸較少的花部性狀的群體間變異小于種群內(nèi)變異。16個性狀的平均表型分化系數(shù)為44.38%，說明蠟梅花部形態(tài)變異以群體內(nèi)的變異為主。

2.3 蠟梅花部性狀的主成分分析

對蠟梅花部性狀的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(表4)表明：前3個主成分方差累計(jì)貢獻(xiàn)率為88.286%，可以代表原始性狀的絕大部分信息。第一主成分方差貢獻(xiàn)率為49.113%，起主導(dǎo)作用的性狀是花冠直徑、花冠內(nèi)徑、花筒深度、中被片長、內(nèi)被片長,主要反映了花部花型。第二主成分的方差貢獻(xiàn)率為22.981%，起主導(dǎo)作用的性狀是中被片數(shù)。第三主成分方差貢獻(xiàn)率是16.192%，起主導(dǎo)作用的性狀是胚珠。由此說明與花大小相關(guān)的性狀對變異起主要作用。

表3 浙江省5個蠟梅居群花部形態(tài)指標(biāo)均值、變異系數(shù)及其顯著性情況

表4 蠟梅天然種群的主成分分析

2.4 相關(guān)性分析

2.4.1 花部性狀間的相關(guān)性分析

植物在生長過程中各個形態(tài)特征間存在一定聯(lián)系，相關(guān)性分析可以反映各性狀間的影響關(guān)系。對5個種群16個性狀相關(guān)性分析結(jié)果表明(表5)：野生蠟梅花部各性狀間呈一定的相關(guān)性，如中被片長與除中被片數(shù)和內(nèi)被片數(shù)以外的其他性狀均呈極顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)個數(shù)最多；內(nèi)被片數(shù)與胚珠數(shù)有顯著相關(guān)關(guān)系，與其他性狀均無顯著關(guān)系，相關(guān)個數(shù)最少。性狀內(nèi)部花冠直徑、花冠內(nèi)徑、筒深、中被片長、中被片寬和內(nèi)被片長這6個花外部性狀間相互存在顯著相關(guān)關(guān)系，其中花冠直徑和中被片長度極顯著相關(guān)(0.603)，說明這6個性狀間相互影響較大。數(shù)量性狀中雄蕊數(shù)、雌蕊數(shù)、胚珠數(shù)三者相互間為極顯著相關(guān)，中被片數(shù)和內(nèi)被片數(shù)沒有與任何性狀呈極顯著相關(guān)關(guān)系。

2.4.2 花部性狀與地理-土壤因子間的相關(guān)性分析

對蠟梅16個花部性狀的均值與居群的地理-土壤養(yǎng)分因子進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果(表6)表明：銅含量與花冠直徑、中被片數(shù)和中被片長寬比呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.937、0.918和0.941；鐵含量與中被片長寬比呈顯著正相關(guān)(r=0.915)。鈣含量與胚珠數(shù)呈顯著正相關(guān)(r=0.907)。海拔與內(nèi)被片數(shù)極顯著正相關(guān)(r=0.978)，與中被片數(shù)呈正相關(guān)，與其他性狀均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，不顯著；中被片寬、內(nèi)被片數(shù)、內(nèi)被片寬與經(jīng)度呈正相關(guān)，中被片數(shù)、中被片長寬比、內(nèi)被片數(shù)和內(nèi)被片寬與緯度呈正相關(guān)；其他性狀與經(jīng)緯度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，均不顯著。多數(shù)性狀與土壤養(yǎng)分因子正相關(guān)，少數(shù)為負(fù)相關(guān)。計(jì)算大量元素、中量元素和微量元素與花性狀的相關(guān)系數(shù)均值分別為0.422、0.327、0.413，由此說明大量元素與花部性狀變異程度的相關(guān)性最大，微量元素次之，中量元素最弱。各環(huán)境因子對蠟梅花部表型性狀的影響程度有一定差異，按照相關(guān)系數(shù)均值從大到小依次為土壤pH值、鋅含量、磷含量、鈉含量、經(jīng)度、氮含量、緯度、鐵含量、海拔、錳含量、鉀含量、鎂含量、銅含量、鈣含量。

表5 野生蠟梅花部性狀相關(guān)性分析

*:α=0.05水平上顯著；**: α=0.01水平上顯著

表6 蠟梅花部性狀與地理土壤因子的相關(guān)系數(shù)

2.5 聚類分析

基于16項(xiàng)花的性狀特征值對5個天然居群進(jìn)行聚類分析，結(jié)果(圖1)顯示：在歐氏距離臨近10處可以把5個居群可以分為2組。通天飛瀑居群與五尖山居群在最短截取處聚類，然后分別再與龍王坎居群和臨安方山居群形成第一大組，第二組碧東山居群單獨(dú)一組，其中通天飛瀑、五尖山居群遺傳距離較小說明兩者間的分化程度最小，龍王坎居群與方山和通天飛瀑居群、五尖山居群遺傳距離相近，而碧東山與其他居群遺傳距離最遠(yuǎn)，分化程度最大。

對蠟梅花部性狀的R型聚類分析可知(圖2)，在遺傳距離臨近15的位置可以將蠟梅花部性狀分為兩大類。第一類為花冠直徑、筒深、中被片長，包括了花外部形態(tài)相關(guān)的3大性狀；第二類為除去上述三個性狀的所有性狀。在遺傳距離5—10中間的位置則可以將蠟梅花部形狀分為4大類，上述第一類分為A、B兩類，A類包括中被片長、筒深，兩者決定著蠟梅的花瓣的伸展角度，能體現(xiàn)其花型；花冠直徑為一類為B類，花冠直徑也是蠟梅分類標(biāo)準(zhǔn)中特別重要的一個性狀。上述第二類分為C、D兩類，C類主要為花部營養(yǎng)性狀，其中包含中被片寬、內(nèi)被片寬、中被片長寬比、內(nèi)被片長寬比、雄蕊長、雌蕊長；D類主要為花部相關(guān)的數(shù)量性狀，其中包括花冠內(nèi)徑、內(nèi)被片長、中被片數(shù)、內(nèi)被片數(shù)、雄蕊數(shù)、雌蕊數(shù)、胚珠數(shù)。

圖1 基于花部性狀分析結(jié)果的5個蠟梅居群UPGMA聚類圖

圖2 蠟梅花部形態(tài)特征性狀R型聚類分析圖

3 結(jié)論與討論

3.1 蠟梅花部形態(tài)變異的多樣性

表型性狀是植物基因型和所處生態(tài)環(huán)境的綜合體現(xiàn)[15]。對蠟梅5個居群花部性狀多樣性研究結(jié)果表明：碧東山居群的蠟梅花冠直徑和中被片長的均值分別為25.0789 mm和16.3609 mm，顯著大于國內(nèi)其他野生居群[16-18]花冠直徑和中被片長度的數(shù)值(花徑和中被片最大均值分別為17.996 mm和14.056 mm[17])。由此說明浙江省野生蠟梅是優(yōu)良的種質(zhì)資源；各個居群內(nèi)不同性狀的變異系數(shù)存在較大的差異，變異范圍是7.60%—36.15%，平均變異系數(shù)為15.03%，高于扇脈杓蘭(Cypripediumjaponicum)[19](CV=11.143%)表型性狀的平均變異系數(shù)，說明蠟梅存在豐富的遺傳變異。野生蠟梅種群間平均表型分化系數(shù)為44.38%，高于玫瑰(Rosarugosa)[20](29.52%)，低于張彩霞等[21]分析蠟梅群體8個性狀的平均表型分化系數(shù)，這表明蠟梅天然群體間花部表型分化系數(shù)較大，可能存在較高的群體內(nèi)自交率，調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)授粉昆蟲較少，這與蠟梅開花物候和生境海拔有關(guān)。與張彩霞等分析結(jié)果的差異可能是選取性狀不同所導(dǎo)致。蠟梅居群花部形態(tài)變異以居群內(nèi)為主，對于一個物種遺傳結(jié)構(gòu)來講，植物本身的繁殖方式起決定作用[22]。Hamrick等[23]也指出，異花授粉物種的遺傳變異主要發(fā)生在居群內(nèi)，而自花授粉則相反。

3.2 野生蠟梅花部形態(tài)變異與環(huán)境因子關(guān)系

各環(huán)境因子與花性狀的相關(guān)系數(shù)的均值中pH的均值最大，土壤酸堿度是土壤中化學(xué)性質(zhì)的綜合反映，土壤中各營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化、釋放，鎂、鐵、鈣等微量元素的有效性，有機(jī)質(zhì)的合成與分解以及微生物的活動都與土壤酸堿度有關(guān)[24]，且由土壤中養(yǎng)分因子和各性狀的相關(guān)性可知，對性狀形成絕對的支配作用需要多個養(yǎng)分因子甚至所有環(huán)境因子的綜合作用，土壤酸度與其他單獨(dú)的養(yǎng)分因子相比，綜合性更強(qiáng)，因此對花部性狀影響較大?；ú啃誀钆c土壤中大量元素氮、磷、鉀含量相關(guān)性最大，微量元素次之，中量元素最小，氮、磷、鉀作為大量元素是植物體內(nèi)如核酸、蛋白質(zhì)、葉綠素等重要化合物的組成成分，也是土壤易缺乏的元素，能直接或者間接影響植物的生長發(fā)育和代謝；蠟梅花部的部分性狀與土壤中的鈣、鐵和銅含量以及海拔有顯著相關(guān)性，由此說明這4個因子的差異是形成蠟梅花性狀多樣性的原因之一，李根有等[5]在調(diào)研中也認(rèn)為蠟梅屬于喜鈣樹種。蠟梅花部各性狀與環(huán)境-土壤養(yǎng)分因子的224對相關(guān)性組合中僅有6組顯示有顯著相關(guān)性，而茶條槭(Acerginnala)[25]17個表型性狀與土壤中養(yǎng)分因子及地理坐標(biāo)間有21組具有顯著的正負(fù)相關(guān)性。蠟梅各居群土壤中氮和鉀含量均值為235.17 mg/kg和90.98 mg/kg,均低于茶條槭(分別是388.08 mg/kg和113.8 mg/kg)和扇脈杓蘭[19](分別是524.33 mg/kg和178.00 mg/kg)。浙江省野生蠟梅各居群生境的土壤類型多為黑色石灰土，部分蠟梅生活在河谷兩側(cè)陡坡甚至極薄的土層或石縫間，陡坡坡度在50°—80°較多，生存環(huán)境惡劣，土壤貧瘠。物種間的差異可能是土壤肥力、環(huán)境的異質(zhì)性或者植物本身營養(yǎng)成分需求差異導(dǎo)致，當(dāng)土壤滿足植物生長所必需的營養(yǎng)成分時(shí)，物種各性狀之間的差異較小。鄧洪平[26]、李珊[9]、竇全麗[7]等分別進(jìn)行了四川大頭茶(Gordoniaacuminata)、云南金錢槭(Dipteroniadyeriana)、縉云衛(wèi)矛(Euonymuschloranthoides)等種實(shí)的表性性狀與土壤因子的相關(guān)性研究，證明了土壤因子對種實(shí)性狀變異有一定的影響。環(huán)境因子包括很多內(nèi)容，例如土壤厚度、透光率和其他未測元素含量等，本研究只調(diào)查了14個相關(guān)因子，這也是本研究的不足。

3.3 野生蠟梅保護(hù)策略以及待解決問題

蠟梅花顏色獨(dú)特、芳香秀美，可提煉香精、入茶食用[27]，且蠟梅在杭州栽培歷史悠久[28]，是城市園林綠化中應(yīng)用較多的樹種之一。作為華東唯一的野生蠟梅分布點(diǎn)，本地各居群遺傳多樣性水平較高，是蠟梅育種的重要基因資源。在野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)該群落中的多數(shù)蠟梅正在經(jīng)受病蟲害困擾，存在大量腐爛枯枝，嚴(yán)重影響蠟梅的著花座果。群落生境條件差，且種子萌發(fā)困難，5個居群中僅在方山居群發(fā)現(xiàn)一些實(shí)生苗。實(shí)生苗最高在50 cm左右，多數(shù)小實(shí)生苗受人為干擾和環(huán)境影響不能存活，對群落的穩(wěn)定性有很大影響。針對當(dāng)前情況，建議采取以下保護(hù)策略，第一，對經(jīng)受病蟲害及生長勢衰弱的蠟梅進(jìn)行調(diào)查研究，找出原因進(jìn)行治療并修剪腐爛枯枝。對群落的演替進(jìn)行一定的人為干涉，適當(dāng)?shù)氖璺?，促進(jìn)野生蠟梅的更新。第二，對蠟梅群落進(jìn)行定期普查，蠟梅群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，伴生種類繁多，結(jié)合蠟梅本身的適應(yīng)性和人為干擾，建議至少2—3年對野生蠟梅資源進(jìn)行普查，對其生長環(huán)境、生長勢、保護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行監(jiān)測。第三，建議在杭州富陽就近建立野生蠟梅基因庫，保證其遺傳多樣性的原始性，制定有序的開發(fā)利用方案，有效保護(hù)和合理利用野生資源。

在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)五尖山、龍王坎居群野生蠟梅開花量較大，但座果率極低甚至不到5%，遠(yuǎn)不及栽培蠟梅(70%左右)，野生蠟梅開花物候較栽培蠟梅晚1個月左右正處冬季較冷的時(shí)段，且生境海拔高、土壤養(yǎng)分貧瘠，冬季溫度低缺乏授粉昆蟲或其他原因，致使蠟梅花部變異退化所致，具體原因?qū)M(jìn)一步進(jìn)行研究。在方山居群調(diào)研中發(fā)現(xiàn)了單株全部雄蕊瓣化的蠟梅花，無前一年遺留的果實(shí)。另有單株花型奇特，盛花期花冠口呈閉合或略開不到5 mm左右的小口如花苞狀花型的蠟梅，這兩種特殊蠟梅在浙江其他居群或蠟梅相關(guān)報(bào)道中均未出現(xiàn)，有待進(jìn)一步觀察研究。