基于主成分分析的黃柳插穗指標(biāo)研究

劉 博，劉冠志，張瑞麟，蘭 慶，劉果厚

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)自然資源保護與利用研究中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020； 2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019； 3. 內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

渾善達(dá)克沙地是我國四大沙地之一[1]，位于內(nèi)蒙古中部的農(nóng)牧交錯地帶[2]。20世紀(jì)50年代末，渾善達(dá)克沙地還是中國所有沙漠沙地中沙丘固定程度最高、動植物種類最豐富、生態(tài)景觀最優(yōu)越的地方[3]。從20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)初，渾善達(dá)克沙地已成為荒漠化發(fā)展最快、危害最嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是氣候變化及人類活動影響較為敏感的地區(qū)之一[1]，是威脅京津地區(qū)的一個主要沙塵源區(qū)[4]。近年來，通過京津風(fēng)沙源治理、退耕還林還草等工程以及各種防沙治沙措施的實施，渾善達(dá)克沙地荒漠化明顯得到遏制，生態(tài)環(huán)境明顯好轉(zhuǎn)[5]。其中，利用植物再生沙障來固定流動沙地是一種行之有效的防沙治沙措施[3]。植物再生沙障因其具有良好的植被恢復(fù)和防風(fēng)固沙效果而受到了廣泛的關(guān)注，經(jīng)過多年的技術(shù)研究與實踐總結(jié)，目前已形成了較為成熟的再生沙障建植技術(shù)體系[6-9]。

黃柳(Salixgordejevii)是渾善達(dá)克沙地先鋒固沙植物，受到了研究者的廣泛關(guān)注。有關(guān)黃柳的研究始于20世紀(jì)80年代初，主要有形態(tài)特征[10]、耐熱性、耐旱性[11]、光合作用[12]、氣孔導(dǎo)度[13]、水分狀況[14]、種群數(shù)量[15]、群落演替[16]、更新復(fù)壯[17-18]、根系分布和冠層結(jié)構(gòu)[19]、葉片[20-21]、根系[22]、遺傳多樣性[23]等方面。黃柳造林及再生沙障的研究也較為深入，是該研究領(lǐng)域的典型代表植物之一。李佃勇[24]首先提出營造黃柳和小紅柳(S.microstachyavar.bordensis)林是治理渾善達(dá)克沙地的有效途徑。張瑞麟等[3]研究了渾善達(dá)克沙地黃柳再生沙障的防風(fēng)固沙效益，指出建立適宜類型的黃柳再生沙障是治理該區(qū)域流沙的重要措施之一。邢存旺等[25]對冀西北地區(qū)再生沙障植物種進行了篩選、抗性評價及沙障建植技術(shù)的研究，指出黃柳是該區(qū)域較好的建植材料之一，其沙障設(shè)置時間以春季成活率最高，最佳埋設(shè)深度60 cm，平行帶狀沙障以帶間距 2.5～3.0 m為宜，網(wǎng)格以6 m × 6 m為宜。靳有光等[26]對黃柳再生沙障在實際推廣應(yīng)用中進行了探索。綜合以上分析，眾多研究重點在于沙障的設(shè)置類型、防風(fēng)固沙效益及其推廣，并未對立地條件及再生沙障插穗個體(如插穗長度、栽植密度、采集時間和扦插時間等)進行研究。劉冠志等[9]通過對黃柳再生沙障插穗指標(biāo)與成活率關(guān)系的研究，探討了插穗指標(biāo)及其適宜值。在此基礎(chǔ)上，本研究繼續(xù)深入探討該問題。通過對渾善達(dá)克沙地2種不同立地類型(平緩沙地和風(fēng)蝕坑)的插穗長度等指標(biāo)與黃柳生長指標(biāo)的關(guān)系進行研究，探討黃柳再生沙障建植過程中適宜的插穗長度、栽植密度、采集時間和扦插時間，為今后的實踐工作提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，并為黃柳再生沙障建植技術(shù)指標(biāo)體系建立提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

渾善達(dá)克沙地(42°10′—43°50′ N，112°10′—116°31′ E)東起大興安嶺南段西麓，向西延伸至集二鐵路沿線以西。屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長寒冷，夏秋季短而炎熱。年均氣溫 1.7 ℃，≥10 ℃積溫2 000～2 600 ℃；無霜期100～110 d。降水分布不均勻，降水量自東南向西北逐漸遞減，東南部降水350～400 mm，西北部100～200 mm，年蒸發(fā)量2 000～2 700 mm。冬春季節(jié)，風(fēng)大沙多，全年多偏西風(fēng)，年平均風(fēng)速為3～5 m·s-1，最大風(fēng)達(dá)12級[1]。土壤類型以栗鈣土為主，其次是棕鈣土；非地帶性土壤主要是風(fēng)沙土。沙地東端為草甸草原，西端為荒漠草原，中間廣大沙區(qū)處于半干旱草原帶。沙地地帶性植被以草原植被為主，針闊葉喬木、榆樹疏林等超地帶性植被明顯[27]。

2 研究方法

2.1 試驗方法

在內(nèi)蒙古正藍(lán)旗境內(nèi)的渾善達(dá)克沙地綜合治理試驗示范研究區(qū)內(nèi)選擇典型的平緩沙地和風(fēng)蝕坑，分別進行黃柳插穗長度、栽植密度、采集時間和扦插時間試驗，每組試驗設(shè)置3個重復(fù)，每個重復(fù)設(shè)置插條500根。插穗選取2～3 a生無病害健壯黃柳枝條，粗細(xì)相近(直徑約1 cm)，用剪刀先將黃柳枝條的側(cè)枝和梢頭的幼嫩部分去掉，然后截制成不同長度的插穗，并將其下端平滑斜切，上端平切。

沙障類型設(shè)置為帶狀沙障，垂直主風(fēng)向，帶間距2 m。設(shè)置沙障時采取隨整地隨扦插的方法。剝?nèi)ジ缮硨舆M行開溝，開溝深度視插條長度而定，寬度約15 cm。將插條全部垂直插入沙層與地面齊平，扦插后先將濕沙填入，將底部踏實，再填干沙踩實以防止水分流失。

2.1.1插穗長度試驗

分別在平緩沙地和風(fēng)蝕坑2種立地類型上進行試驗，插穗采用春季萌發(fā)前的現(xiàn)采條，長度分別為35 cm、50 cm、65 cm和80 cm，栽植密度均為10株·m-1。

2.1.2栽植密度試驗

分別在平緩沙地和風(fēng)蝕坑2種立地類型上進行試驗，插穗采用現(xiàn)采條，栽植密度分別為7株·m-1、10株·m-1、13株·m-1、16株·m-1，插穗長度均為50 cm。

2.1.3采集時間試驗

分別在平緩沙地和風(fēng)蝕坑2種立地類型上進行試驗，插穗采用春季萌發(fā)前的現(xiàn)采條，前一年秋季休眠后的冬貯條，選取2～3 a生健壯黃柳枝條，插穗直徑約1 cm，長度為50 cm，栽植密度為10株·m-1。冬貯條是將截制好的插穗每100根打成一捆并整齊下窖，每隔一層放一層冰或雪，防止次年春季溫度過早上升，并距地面 0.5 m左右封蓋，加雪或冰，并每隔3～4 m設(shè)一個通風(fēng)口，供翌年造林使用。

2.1.4扦插時間試驗

在平緩沙地上進行試驗，設(shè)置3組試驗，即春季冬貯條、春季現(xiàn)采條和秋季現(xiàn)采條。設(shè)置時間為前一年秋季(9月)和當(dāng)年春季(4月)，前一年秋季采用現(xiàn)采條，當(dāng)年春季分別采用現(xiàn)采條和冬貯條，插穗長度為50 cm，栽植密度為10株·m-1。

2.2 試驗調(diào)查與數(shù)據(jù)處理

當(dāng)年9月開展試驗調(diào)查，采用實地調(diào)查測量法分別對插穗的生長情況進行調(diào)查，3個重復(fù)，每個重復(fù)測量50株，共150株。調(diào)查指標(biāo)包括插穗株高、枝條長、枝條基徑、分枝數(shù)、葉長、葉寬及地上生物量，分別用卷尺、游標(biāo)卡尺、精度為 0.01 g電子天平測量。分枝數(shù)為插穗萌生枝的數(shù)量。地上生物量采用收獲法，烘干稱重，3個重復(fù)，每個重復(fù)測量20株，共60株。

由于株高、枝條長、枝條基徑、分枝數(shù)、葉長、葉寬及地上生物量均不能單獨反映插穗的生長狀況，因此，運用主成分分析方法對以上指標(biāo)進行綜合分析是較為合理的方法。數(shù)據(jù)分析采用Excel 2007和SPSS 19.0進行分析，制圖采用Sigmaplot 12.0。

3 結(jié)果與分析

黃柳再生沙障的生長狀況數(shù)據(jù)見表1～表4。對各生長指標(biāo)進行主成分分析，并通過主成分表達(dá)式計算出各指標(biāo)水平的主成分得分，由各指標(biāo)水平的主成分得分(當(dāng)主成分個數(shù)為2時)在二維空間中描繪出各指標(biāo)水平的分布情況[28]，得出黃柳再生沙障各指標(biāo)的最優(yōu)生長狀況，從而確定各指標(biāo)最適值，即最佳指標(biāo)水平。

2種立地條件下不同插穗長度黃柳的生長狀況見表1，下式為不同插穗長度對生長狀況的主成分分析。

平緩沙地：

第一主成分F1=0.388 86X1*+0.399 73X2*+0.403 59X3*-0.255 20X4*+0.400 05X5*+0.389 55X6*+0.386 34X7*

(1)

風(fēng)蝕坑：

第一主成分F1=0.379 42X1*+0.372 36X2*+0.380 32X3*-0.375 59X4*+0.379 35X5*+0.381 89X6*+0.376 66X7*

(2)

式中：X1*～X7*表示對插穗各生長指標(biāo)原始變量標(biāo)準(zhǔn)化后的變量。

表1 2種立地條件不同插穗長度黃柳插穗的生長情況Tab.1 The growth status of cuttings of Salix gordejevii with different lengths in two different sites

2種立地條件下不同栽植密度黃柳插穗的生長狀況見表2，下式為不同插穗密度對生長狀況的主成分分析。

平緩沙地：

第一主成分F1=0.460 05X1*+0.422 05X2*+0.273 23X3*+0.404 31X4*-0.393 62X5*+0.176 26X6*+0.431 14X7*

(3)

第二主成分F2=0.007 79X1*-0.165 87X2*+0.599 45X3*+0.173 51X4*+0.278 75X5*-0.694 92X6*+0.150 04X7*

(4)

風(fēng)蝕坑：

第一主成分F1=0.341 11X1*+0.483 74X2*-0.329 10X3*-0.429 66X4*+0.487 09X5*-0.222 87X6*+0.264 26X7*

(5)

第二主成分F2=0.064 48X1*+0.194 06X2*+0.495 92X3*-0.265 22X4*-0.174 82X5*+0.561 55X6*+0.544 13X7*

(6)

式中：X1*～X7*表示對插穗各生長指標(biāo)原始變量標(biāo)準(zhǔn)化后的變量。

2種立地條件下不同采集時間黃柳插穗的生長狀況見表3，下式為插穗不同采集時間對生長狀況的主成分分析。

平緩沙地：

第一主成分F1=-0.331 47X1*-0.383 63X2*+0.384 79X3*-0.385 95X4*+0.385 95X5*+0.385 18X6*-0.385 95X7*

(7)

風(fēng)蝕坑：

第一主成分F1=0.404 56X1*-0.349 49X2*+0.414 09X3*-0.409 12X4*-0.202 07X5*+0.411 19X6*-0.406 63X7*

(8)

式中：X1*～X7*表示對插穗各生長指標(biāo)原始變量標(biāo)準(zhǔn)化后的變量。

表3 2種立地條件不同采集時間黃柳插穗的生長情況Tab.3 The growth status of cuttings of Salix gordejevii with different collecting time in two different sites

平緩沙地不同扦插時間黃柳插穗的生長狀況見表4，下式為插穗不同扦插時間對生長狀況的主成分分析。

第一主成分F1=0.455 07X1*-0.110 80X2*-0.470 60X3*+0.405 27X4*+0.405 77X5*+0.461 10X6*+0.132 93X7*

(9)

第二主成分F2=-0.161 73X1*+0.616 53X2*-0.005 93X3*-0.322 49X4*+0.321 35X5*+0.126 94X6*+0.608 53X7*

(10)

式中：X1*～X7*表示對插穗各生長指標(biāo)原始變量標(biāo)準(zhǔn)化后的變量。

表4 平緩沙地不同扦插時間黃柳插穗的生長情況Tab.4 The growth status of cuttings of Salix gordejevii with different planting time in flat sandy land

將各指標(biāo)水平原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后帶入其主成分，得到黃柳再生沙障生長狀況主成分得分(表5)。將各指標(biāo)水平的主成分得分在二維空間中描繪出各指標(biāo)水平的分布情況(圖1，若只存在第一主成分，在二維圖上假設(shè)第二主成分存在，且得分為1)。由圖1可看出，分布在第一象限的是4、8、21、10、3、2和7，說明在這幾個指標(biāo)水平下沙障的生長狀況最好。分布在第四象限的是15、22和16，因為第四象限的主要特征是第一主成分，第一主成分占信息總量的比重大，所以，這3個指標(biāo)水平沙障的生長狀況也比較好。分布在第二、三象限的指標(biāo)水平生長狀況均較差。由于2、3和4是同一指標(biāo)下的不同水平，且4的第一主成分比重較大，所以4的生長狀況最好，即平緩沙地插穗長度為80 cm的黃柳再生沙障生長狀況最好；同理，同一指標(biāo)下，8較7的生長狀況好，17較18的生長狀況好，15較16的生長狀況好；10、19和21在其各自所屬指標(biāo)中的生長狀況也最好，即風(fēng)蝕坑插穗長度為80 cm的沙障生長狀況最好，平緩沙地與風(fēng)蝕坑插穗栽植密度分別為10株·m-1和13株·m-1的沙障生長狀況最好；平緩沙地與風(fēng)蝕坑插穗采集的最佳時間均是秋季(冬貯條)，插穗扦插最佳時間為春季，且冬貯條生長狀況最好。

表5 不同指標(biāo)水平黃柳再生沙障主成分得分Tab.5 Principal component score for Salix gordejevii regenerated sand barrier with different index levels

注：圖中數(shù)字為各指標(biāo)水平序號。

4 討論

黃柳再生沙障插穗指標(biāo)與其成活率的研究表明，插穗個體的綜合指標(biāo)也是影響再生沙障成活與生長的主要因素[9]，沙障建植過程中要重視對插穗長度、栽植密度、采集時間和扦插時間等插穗個體指標(biāo)的設(shè)置。再生沙障的防風(fēng)固沙效益既與插穗的成活率有關(guān)，也與插穗的生長狀況有關(guān)，因此，通過對插穗成活率與生長狀況的綜合分析，以確定其各指標(biāo)的適宜值較為合理。

2種立地類型條件下，隨著插穗長度的增加，黃柳再生沙障的生長狀況均逐漸提高，并且插穗長度為80 cm時其生長狀況最好。這與插穗長度與成活率的研究所得出平緩沙地和風(fēng)蝕坑分別為50 cm和65 cm較為適宜的結(jié)果不一致[9]。分析認(rèn)為，插穗越長，其本身體內(nèi)蓄積的可供生根成活的水分和養(yǎng)分就越多，并且容易吸收深層基質(zhì)的水分和養(yǎng)分，但是在實際設(shè)置再生沙障進行流沙治理時，往往需考慮省工省時省料的綜合效益，所以平緩沙地和風(fēng)蝕坑2種立地類型條件下插穗長度不低于50 cm和65 cm時較為合理，此結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致[25]。

在平緩沙地立地類型條件下，栽植密度為10株·m-1插穗的生長狀況較好，當(dāng)年株高為 87.89 cm。在風(fēng)蝕坑立地類型條件下，插穗生長狀況較好的栽植密度為13株·m-1。插穗栽植密度與阻沙量及防風(fēng)效果呈正相關(guān)關(guān)系，沙障設(shè)置初期，栽植密度越大，插穗覆沙的風(fēng)險就越大，不利于插穗的成活，而沙障成活后，栽植密度越大，防風(fēng)效果愈加突顯。因此，風(fēng)蝕坑立地類型下插穗栽植密度可配置為10～13株·m-1，當(dāng)年株高為 76.78 cm。

插穗采集與扦插時間是扦插繁育中關(guān)注的主要問題，直接影響繁育的結(jié)果[29]。2種立地類型下，插穗采集時間與扦插時間研究的結(jié)果與已有的研究結(jié)果相符，即秋季采集插穗，經(jīng)過冬季冷凍貯存，次年春季扦插，其生長效果明顯好于春季和秋季現(xiàn)采現(xiàn)插。因為樹木在秋末積累了大量營養(yǎng)物質(zhì)，并進入休眠期，其枝條用于扦插成活率高。而且，插穗入窖冷凍冬貯，保持低溫濕潤，亦可提高扦插成活率。試驗表明春季扦插的生長狀況好于秋季，主要受季節(jié)變化影響。插穗秋季扦插后，便要面對環(huán)境條件惡劣的冬季和春季，從而嚴(yán)重地影響了其成活與生長；而春季扦插是在4月進行，此時水分蒸發(fā)相對較弱，而且溫度逐漸升高，土壤墑情逐漸轉(zhuǎn)好，以及之后進入環(huán)境條件適宜的夏季與秋季，都決定了插穗具有良好的生長狀況。

插穗長度與栽植密度均與立地類型相關(guān)。風(fēng)蝕坑沙障的生長狀況受外部環(huán)境的影響較平緩沙地大，而受插穗指標(biāo)的影響相對較小。一方面，由于風(fēng)蝕坑表層土壤和植物根系層的丟失，養(yǎng)分往往比較貧乏，于植物而言，相當(dāng)于空白的小生境[30]；另一方面，由于風(fēng)蝕坑的成因、形態(tài)和發(fā)展階段的不同決定了微地貌、微環(huán)境受擾動的程度，并且隨著盛行風(fēng)方向的變化，風(fēng)蝕坑的主剝蝕與沉積部位發(fā)生相應(yīng)改變[31]。插穗的采集時間和扦插時間與立地類型無顯著關(guān)系，主要決定因素為植物自身的生物學(xué)特性。

5 結(jié)論

插穗的生長狀況與其指標(biāo)具有密切相關(guān)關(guān)系，本研究確定了渾善達(dá)克沙地黃柳再生沙障插穗各指標(biāo)的適宜值。平緩沙地和風(fēng)蝕坑立地類型條件下，插穗長度以不小于50 cm和65 cm較為適宜，當(dāng)年株高分別達(dá) 87.89 cm和 78.38 cm；平緩沙地插穗栽植密度為10株·m-1較為適宜，當(dāng)年株高為 87.89 cm；風(fēng)蝕坑插穗栽植密度為10～13株·m-1生長狀況較好，當(dāng)年株高在 76.78 cm以上；秋季進行插穗采集，并進行冬貯，比春季現(xiàn)采條的生長狀況好；插穗在春季扦插較秋季扦插的生長狀況好，并且春季扦插冬貯條的生長狀況最好。不同立地類型條件下黃柳再生沙障建植的插穗長度和栽植密度存在差異，而插穗的采集時間與扦插時間主要決定因素為植物自身的生物學(xué)特性。

插穗指標(biāo)應(yīng)作為再生沙障建植技術(shù)體系中重要的一部分，在今后的研究中需更加注重插穗指標(biāo)與沙障類型及其防風(fēng)固沙效果的研究。