生態(tài)恢復(fù)先鋒植物苔蘚的耐旱性評價(jià)及應(yīng)用

高旭

(國營新賓滿族自治縣趙家林場，遼寧 撫順 113213)

苔蘚植物是植物界中由水生向陸生過渡的一大類群，其種類僅次于種子植物的高等植物群落[1], 有其特殊的適應(yīng)機(jī)制，能在寒冷、干旱、溫度過高和陰暗的環(huán)境中生長繁育，由于其特殊的生理適應(yīng)性，其在森林生態(tài)系統(tǒng)、巖石和沙丘、草甸高山等生態(tài)環(huán)境中扮演著重要的生態(tài)恢復(fù)先鋒植物角色[2]。本項(xiàng)試驗(yàn)以撫順博大復(fù)墾基地矸石山排土場陰坡邊坡地為研究對象，兼顧前期研究成果，選取4種植物組配置模式進(jìn)行生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)，綜合分析土壤改良及植被恢復(fù)效果，探索其各參試植物生長發(fā)育狀況，以及土壤理化性質(zhì)，以期為生態(tài)恢復(fù)技術(shù)模式提供理論參考和試驗(yàn)依據(jù)，最終篩選出最優(yōu)配比模式[3,4]。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)材料

以遼寧地區(qū)常見苔蘚植物為試驗(yàn)材料，試驗(yàn)伴生樹種選擇耐旱性較強(qiáng)的紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.)，草本植物選擇草木樨(MeliotusofficinalisL.)。苔蘚種類及來源具體見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地選取撫順博大復(fù)墾基地矸石山排土場陰坡邊坡地。選擇紫穗槐為造林優(yōu)選樹種，以真蘚配子體和草木樨種子混合物為優(yōu)選草本植物。共設(shè)計(jì)4種配置模式：模式一(M1)，紫穗槐行間直播真蘚配子體和草木樨種子混合物(真蘚和草木樨質(zhì)量比為0.5∶1)；模式二(M2)，紫穗槐樹間隔栽植—行間直播草木樨；模式三(M3)，紫穗槐行間隔栽植—行間直播真蘚配子體和紫穗槐種子混合物(真蘚和草木樨質(zhì)量比為0.5∶1)；模式四(M4)，紫穗槐間隔栽植—行間直播紫穗槐。2017年5月中旬進(jìn)行造林試驗(yàn)，每種模式以紫穗槐各50株為一個(gè)造林地塊，株行距0.5 m×0.5 m，每種模式種植5個(gè)地塊，4種模式共計(jì)20個(gè)地塊。紫穗槐栽植均采用樹穴內(nèi)放客土15 cm造林措施。因邊坡地位于各排土場平臺之間，坡度較大，表層土壤、砂石松散易滑落，因此栽植前不進(jìn)行整地，以盡可能保護(hù)邊坡土壤本底狀況，真蘚以具有配子體的殘?bào)w噴播施用，噴播量為500 g·m-2。

表1 苔蘚種類及來源

1.3 測定項(xiàng)目

2017年依據(jù)4種模式進(jìn)行人工造林，分別于造林完成時(shí)(A1)，2017年8月(A2)和2018年8月(A3)進(jìn)行株高、冠幅、成活率、地徑、生物量和地表覆蓋率等狀況調(diào)查。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下抗旱性主成分分析

由于各品種之間存在固定的差異性，為了減小其之間的誤差，本試驗(yàn)所測定的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)都進(jìn)行了人為抗旱干擾試驗(yàn)測定，對其各結(jié)果進(jìn)行了主成分分析法作抗旱分析主要根據(jù)。由于主成分分析法相對于方差分析和絕對值法更能準(zhǔn)確反映各個(gè)苔蘚抗旱指標(biāo)，本方法采用的是降維思想，直接反映了無法直觀測量的隱性變量數(shù)據(jù)指標(biāo)，對比其他方法更能準(zhǔn)確地分析了各個(gè)苔蘚品種間抗旱性指標(biāo)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，綜合性全方位的概括了多因素分析抗旱指標(biāo)的有效途徑。在本次抗旱指標(biāo)的測定實(shí)驗(yàn)中，不同年度測定的抗旱數(shù)據(jù)經(jīng)過加權(quán)平均分析后在利用主成分分析，所得的抗旱指標(biāo)結(jié)果如表2所示。

表2 2個(gè)主成分特征值及累計(jì)貢獻(xiàn)率

表3 各因子載荷矩陣

表4 各成分向量矩陣

各個(gè)苔蘚抗旱指標(biāo)經(jīng)過主成分分析，其中各個(gè)抗旱指標(biāo)數(shù)據(jù)中單獨(dú)成立的6個(gè)抗旱主成分貢獻(xiàn)率已接近其主體貢獻(xiàn)率的100%，X1～X6之間數(shù)據(jù)可以完全代表了各個(gè)指標(biāo)間大量數(shù)據(jù)信息，為其方便計(jì)算及形象直觀展示，使用了排列前3的數(shù)據(jù)指標(biāo)變異進(jìn)行主成分分析法對其分析描述，依據(jù)其主成分分析數(shù)據(jù)的因子載荷量制作主成分散點(diǎn)圖，更能形象直觀展現(xiàn)了抗旱指標(biāo)差異，通過圖1可知，各個(gè)苔蘚抗旱指標(biāo)數(shù)據(jù)主成分分析載荷值所呈現(xiàn)的不同空間分布，不同測定指標(biāo)均不落在原點(diǎn)和坐標(biāo)軸上，有效的闡明了各個(gè)指標(biāo)抗旱性和坐標(biāo)軸所對應(yīng)的因子都有相關(guān)性，并且相互作用非常明顯。

圖1 干旱脅迫對苔蘚抗旱性影響的主成分散點(diǎn)圖

表3和表4分別為各成分的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：

Y1=0.29×X1+0.43×X2+0.52×X3+0.51×X4+0.11×X5+0.43×X6

(1)

Y2=0.61×X1+0.07×X2-0.17×X3-0.15×X4+0.7×X5-0.29×X6

(2)

Y3=0.14×X1-0.88×X2+0.37×X3+0.2×X4+0.13×X5+0.05×X6

(3)

根據(jù)各品種Y1、Y2和Y3的值，各品種的綜合得分公式Y(jié)為：

Y=0.476 74×Y1+0.276 25×Y2+0.124 57×Y3

(4)

通過矩陣分析后Y值可見，Y值隨著指標(biāo)的增大，其各個(gè)苔蘚品種的抗旱性則越來越強(qiáng)。由此可知，在矸石山干旱地區(qū)的植被恢復(fù)中，各個(gè)苔蘚品種之間的抗旱性依次順序?yàn)椋汉J蘚>泥炭蘚>真蘚>小墻蘚>大灰蘚>山地墻蘚>仙鶴蘚>狹葉小羽蘚>刺葉墻蘚>黑扭口蘚>提燈蘚>大帽蘚>曲柄蘚>小葉蘚>鳳尾蘚。

2.2 基于SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)干旱脅迫苔蘚抗旱性聚類分析

對15個(gè)苔蘚種類在4個(gè)脅迫時(shí)間下測得的6個(gè)性狀的相對值進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，利用數(shù)據(jù)挖掘軟件MATLAB 2012a進(jìn)行自組織映射(SOM)聚類分析，將標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)的輸入層，進(jìn)行200 000次的訓(xùn)練后穩(wěn)定，得到聚類分析結(jié)果如表5所示。

表5 基于SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類分析結(jié)果

通過本試驗(yàn)對各個(gè)苔蘚抗旱指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，我們選定的各個(gè)品種大致可以分為3種類型，依據(jù)主成分分析法對其數(shù)據(jù)分析可知，從第Ⅰ類到第Ⅲ類基本遵循抗旱性由弱到強(qiáng)排列。其中，真蘚(S1)、葫蘆蘚(S3)和山地墻蘚(S14)對干旱脅迫不敏感，抗旱能力較強(qiáng)，可用于排土場生態(tài)修復(fù)中。

2.3 不同模式下參試灌木和草種生長發(fā)育影響

不同模式下草木樨和紫穗槐的生長狀況可知，除邊坡地下部紫穗槐外，真蘚配子體可顯著提高先鋒作物的保存率?；煊姓嫣\配子體的草木樨保存率達(dá)到了96.4%、89.6%和84.3%，而未直接播種的草木樨種子的最高發(fā)芽率僅為在邊坡地上部的80.2%。真蘚配子體對紫穗槐影響較大，具有促進(jìn)萌發(fā)、提高保存率的作用，但是在邊坡地下部，是否混有真蘚配子體的紫穗槐保存率間差異不顯著，這可能是由于邊坡地不穩(wěn)定，下部植物易受中上部坍塌或者滾石的影響，M4模式下的一部分紫穗槐可能因礫石花落或坍塌等而出現(xiàn)非正常死亡。真蘚配子體提高種子發(fā)芽率的原因可能是苔蘚植物具有保水作用，在干旱條件下，降低了土壤水分的散失速度，或者是因?yàn)檎嫣\配子體中的代謝產(chǎn)物對種子萌發(fā)有促進(jìn)作用，這仍需進(jìn)一步研究。

不同模式下，草木樨的單株生物產(chǎn)量差異不大。M1模式的草木樨單株生物量上部、中部和下部分別為20.9 g、22.3 g和21.5 g，M2模式的單株生物量上部、中部和下部19.8 g、22.4 g和21.6 g，不同模式間差異不顯著，且上部、中部和下部邊坡區(qū)域間草木樨單株生物量差異不顯著。紫穗槐的單株生物量與草木樨具有類似的特點(diǎn)，不同邊坡區(qū)域和不同模式間差異較小。

M2模式下，不同邊坡區(qū)域內(nèi)草木樨的群體生物產(chǎn)量均高于M1模式。M2模式下，邊坡上部區(qū)域的草木樨群生物量為152.49 g，是M1模式的111.3%，增加了11.3%；下部區(qū)域，M1模式的草木樨群體生物量最低，僅有108.4 g；但相同模式內(nèi)，中部區(qū)域與下部區(qū)域間群體生物量差異不顯著。M3和M4模式下，紫穗槐群體生物量間差異明顯，M4模式下，上部區(qū)域的紫穗槐生物量為195.4 g，高于M3模式9.5%，中部和下部區(qū)域紫穗槐生物產(chǎn)量分別高于M3模式18.6和16.5%。

圖2 不同模式下紫穗槐和草木樨生長狀況

3 結(jié)論

葫蘆蘚、泥炭蘚、真蘚3種苔蘚可以通過提高周邊土壤的水分含量，有效促進(jìn)了灌木、草本萌發(fā)生長，提高了單株株高和生物產(chǎn)量等，但對群體生物產(chǎn)量影響較?。焕弥鞒煞址治龈鱾€(gè)苔蘚抗旱指標(biāo)，結(jié)果表明苔蘚種類抗旱性由大到小排列為：葫蘆蘚>泥炭蘚>真蘚>小墻蘚>大灰蘚>山地墻蘚>仙鶴蘚>狹葉小羽蘚>刺葉墻蘚>黑扭口蘚>提燈蘚>大帽蘚>曲柄蘚>小葉蘚>鳳尾蘚，即葫蘆蘚、泥炭蘚、真蘚等3種苔蘚可作為排土場生態(tài)恢復(fù)的先鋒植物。