昆崳山赤松天然次生林群落植物物種與赤松枯梢病的關聯性*

程 元 梁 軍, 謝 憲 姜 斌 馮 琳 孫國文 張星耀,

(1.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所 國家林業(yè)和草原局森林保護學重點實驗室 北京 100091；2.山東昆崳山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站 煙臺 264100；3.山東省煙臺市昆崳山林場 煙臺 264100)

森林植物群落是指在一定時間和空間范圍內不同森林植物物種間形成的有規(guī)律的穩(wěn)定組合(李俊清，2017)，存在著不同形式的種間關系。植物物種種間關聯性就是其中一類種間關系，是由于植物物種在不同生境中受到不同的生物因素和非生物因素的影響而形成的特定數量和空間分布關系(王伯蓀等，1995；簡敏菲等，2009；劉潤紅等，2018)，對研究植物群落結構、種群生態(tài)學、環(huán)境與物種多樣性保護、病蟲害防治以及物種多樣性維持機制等具有重要意義(劉萍萍等，2000；史作民等，2001；梁軍等，2018；Lavenderetal.，2019)。

松枯梢病[病原菌松球殼孢菌(Sphaeropsissapinea)]寄主分布廣泛，可侵染松屬(Pinusspp.)等8屬約60種(含部分變種)針葉樹種，已造成全球超過40個國家受害，其中美國、荷蘭、新西蘭、南非和中國尤為嚴重(吳小芹，1999；Jankovsketal.，2003；葉建仁等，2011；Iturritxaetal.，2013；Zlatkovicetal.，2017；Manzanosetal.，2019)。Hedgcock于1932年首次在美國發(fā)現松枯梢病病原菌危害北美喬松(P.strobus)和歐洲赤松(P.sylvestris)，到20世紀70年代，該病原菌引起的病害已在美國中部和東部的松樹林中大面積發(fā)生(Palmer，1991；吳小芹，1999)；荷蘭奧地利黑松(P.nigravar.austriaca)、科西嘉黑松(P.nigrassp.laricio)和歐洲赤松，新西蘭輻射松(P.radiata)，南非輻射松和海岸松(P.pinaster)以及我國多個省份火炬松(P.taeda)、濕地松(P.elliottii)、黑松(P.thunbergii)、馬尾松(P.massoniana)和樟子松(P.sylvestrisvar.mongolica)等松樹林均受到松枯梢病病原菌侵染，造成大量樹木死亡(Currieetal.，1978；Dijketal.，1992；Swartetal.，1996；宋曉東，2003)。我國已將松枯梢病列為重大森林病害之一(黃敬林等，2004)。針對昆崳山赤松天然次生林群落而言，赤松枯梢病病害尚未在該地區(qū)暴發(fā)成災，與赤松天然次生林群落內部自我調控息息相關。這些調控因子既包括非生物因子如溫度、濕度、光照等，也包括生物因子如寄主植物、鄰近非寄主植物等，并且植物在森林生態(tài)系統(tǒng)中起主導作用(潘琪等，2015)。因此，研究赤松枯梢病病情與相關植物物種關聯關系顯得尤為重要。當前研究除植物物種間關聯分析以外(彭李菁，2006；張明霞等，2015；張崗崗等，2015；Liangetal.，2019；Liuetal.，2019)，還有部分蟲害與鄰近喬木和林下植物的關聯分析(潘琪等，2014；2015)，如梁軍等(2015)研究昆崳山腮扁葉蜂(Cephalciakunyushanica)和喬木樹種聯結性時發(fā)現腮扁葉蜂與其寄主赤松和黑松呈顯著正關聯，與大青楊(Populusussurensis)和枳椇(Hoveniaacerba)和呈顯著負關聯，而將寄主植物間以一定比例混合搭配與腮扁葉蜂呈負關聯關系的非寄主植物大青楊和枳椇，可以達到減輕腮扁葉蜂危害寄主植物的目的。但目前缺乏病害與鄰近植物物種關聯關系的探討。因此，本研究以昆崳山赤松天然次生林群落為對象，通過對赤松枯梢病病情及其寄主植物赤松和群落植物物種進行調查，探討植物物種與赤松枯梢病間的關聯關系，為進一步通過調整林分結構防治赤松枯梢病發(fā)生發(fā)展，實現赤松枯梢病生態(tài)調控提供理論依據和技術支撐。

1 研究地概況

昆崳山赤松天然次生林位于膠東半島東部暖溫帶落葉闊葉林區(qū)(121°41′34″―121°48′04″E，37°11′50″―37°17′22″N)，是赤松分布最集中的地區(qū)。針葉樹種有赤松、黑松、華山松(P.armandii)、日本落葉松(Larixkaempferi)和杉木(Cunninghamialanceolata)等；闊葉樹種有麻櫟(Quercusacutissima)、栓皮櫟(Q.variabilis)、鹽膚木(Rhuschinensis)和山槐(Albiziakalkora)等；林下植物有花木藍(Indigoferakirilowii)、胡枝子(Lespedezabicolor)、郁李(Cerasusjaponica)和鴨跖草(Commelinacommunis)等。年平均氣溫12.3 ℃，年降水量800～1 200 mm，年均相對濕度62.6%，無霜期200～220天；土壤多為棕壤，質地為砂質壤類型，有機質含量較低(胡瑞瑞等，2020；Xieetal.，2020)。

2 研究方法

2.1 樣地設置

本研究綜合考慮赤松純林、赤松-闊葉混交林和赤松-針葉混交林林分類型，于2020年6―10月，選擇赤松主立地和主林分作為調查樣地，在海拔(200 m±25 m)、坡位(中)、坡度(30°±3°)、坡向(陽)、棕壤和林齡(40年±4年)等條件相近的赤松天然次生林設置了120塊臨時樣地，每塊樣地面積為20 m×20 m，在每塊樣地中的4個頂角及正中心點分別設置1個5 m×5 m的灌木層樣方，并在每個灌木層樣方中設置1個2 m×2 m的草本層樣方。

2.2 植物多樣性調查

調查并統(tǒng)計昆崳山赤松天然次生林樣地內胸徑(diameter at breast height，DBH)≥5 cm的喬木層活植株種類、數量和胸徑以及灌木層、草本層植物的種類、數量和蓋度。

2.3 赤松枯梢病調查

采用五點法，即在每塊赤松天然次生林樣地的4個頂角和正中心各選擇6株共計30株赤松進行株枝梢發(fā)病情況調查，按5級分級加權平均數法對樣地病情指數(disease index，DI)進行計算(沈伯葵等，1993；Huetal.，2019)。株病害分級標準見表1。

表1 赤松株枯梢病病害分級標準Tab.1 The classification standard of shoot blight of P. densiflora

2.4 指標測定

2.4.1 赤松次生林植物物種重要值計算 根據調查結果，分別計算每種植物物種的相對密度(RDi)、相對頻度(RFi)、相對顯著度(RPi)和相對基蓋度(RCi)；喬木層樹木的優(yōu)勢度由其重要值(IVi喬)表示，灌草層植物的優(yōu)勢度由其重要值(IVi灌和IVi草)表示(韓會閣等，2015；潘琪等，2015；王育松等，2010)。

喬木層樹木重要值的計算方法：

IVi喬=(RDi+ RFi+RPi)/3；

灌草層植物重要值的計算方法：

IVi灌/IVi草=(RDi+ RFi+ RCi)/3。

式中：RDi=ni/N，ni表示第i個植物物種個體總和，N表示所有植物物種個體總和。RFi=Fi/F，Fi表示第i個植物物種的出現的樣地數占總樣地數的百分比(頻度)，F表示所有植物物種頻度總和。RPi=Gi/G，Gi表示第i個植物物種胸高斷面積，G表示所有植物物種胸高斷面積總和。RCi=Ci/C，Ci表示第i個植物物種蓋度，C為所有植物物種蓋度總和。

2.4.2 赤松枯梢病病情和植物物種關聯性 本研究鑒于赤松枯梢病為真菌病害，并且在赤松上發(fā)病較為普遍，因此將昆崳山赤松枯梢病病情指數作為赤松枯梢病病原菌松球殼孢菌這一真菌物種載體來分析其與植物物種關聯性，即所涉及的物種關聯為赤松枯梢病病情指數與植物物種的關聯。其中，利用零聯結模型導出方差比率方法來檢驗兩者總體關聯性，利用Pearson相關分析和Spearman秩相關分析并結合雙尾顯著性檢驗來定量判定病情-植物物種間的顯著性和關聯性。

1)赤松枯梢病病情和植物物種總體關聯性 利用Schluter提出的零聯結模型導出方差比率來檢驗所有昆崳山赤松天然次生林植物物種與赤松枯梢病病情指數的總體關聯性(Schluter，1984)。先進行零假設，即病害及各物種間無顯著關聯，其計算公式如下：

Pi=ni/N；

2)赤松枯梢病病情指數和植物物種種間關聯性 將赤松枯梢病病情指數與植物物種進行Pearson相關分析和Spearman秩相關分析，并進行雙尾顯著性檢驗(Legendreetal.，2012；徐滿厚等，2016)。2種分析方法的相關系數值域范圍均為[-1，1]，取值為負呈負關聯，取值為正呈正關聯，取值為0則無關聯關系。具體計算公式如下：

(1)Pearson相關系數

(2)Spearman秩相關系數

dj=xij-xkj。

式中：r(i,k)為物種i和k的Spearman秩相關系數，N為樣地總數，xij和xkj分別表示樣地j中物種i和k的多度值的秩，dj為物種i和k的秩之差，物種i設為赤松枯梢病病情指數，物種k為植物物種。

3 結果與分析

3.1 昆崳山赤松次生林植物物種重要值

通過對昆崳山赤松次生林120塊樣地植物多樣性調查，共發(fā)現57科121屬146種(變種、亞種)植物。喬木層有11科18屬24種(變種)，赤松枯梢病寄主赤松相對密度為58.393，相對頻度為21.277，相對優(yōu)勢度為78.124，重要值為52.598，是昆崳山赤松次生林植物群落的優(yōu)勢種，該群落其他占有優(yōu)勢地位的喬木樹種有黑松、麻櫟和栓皮櫟，重要值依次為13.557、12.000和9.280(表2)。灌木層有22科35屬40種(變種)，占有優(yōu)勢地位的灌木物種主要有花木藍、胡枝子、大花溲疏、郁李和小花扁擔桿，重要值依次為38.210、17.097、7.324、7.303和6.348(表3)；草本層有31科72屬82種(變種、亞種)，占有優(yōu)勢地位的草本物種有大披針苔草、白茅、寬蕊地榆、蕨、芒和鴨跖草，重要值依次為24.191、11.307、10.631、9.131、6.688和5.326(表4)。其中，花木藍為林下植物群落(灌草層)的優(yōu)勢種，重要值最大。

3.2 赤松枯梢病病情和植物物種總體關聯性分析

將赤松枯梢病病情指數與喬灌草層植物物種進行總體關聯性分析，結果表明：赤松枯梢病病情指數與喬木層、灌木層和草本層植物物種的總體關聯指數VR分別為1.285，2.221和2.581，均大于1，說明赤松枯梢病病情與喬木層、灌木層和草本層植物物種總體均呈現凈的正關聯。使用統(tǒng)計量W進行VR值偏離1顯著程度檢驗，結果顯示W分別為152.915，264.299和307.139，均未介于值域[χ2(0.95)，χ2(0.05)]([94.811，145.461])內，說明赤松枯梢病病情與喬木層、灌木層和草本層植物物種間存在著顯著的正關聯。

3.3 病害-植物物種間關聯性分析

3.3.1 病害-喬木層植物物種間關聯性分析 赤松枯梢病病情與24個喬木樹種共構成24對病害-植物物種對(表2)。

表2 喬木物種重要值及其與赤松枯梢病病情指數的Pearson和Spearman秩相關系數①Tab.2 Important values of arbor and their correlation coefficients of Pearson and Spearman with disease index of shoot blight of P. densiflora

Pearson相關分析發(fā)現正關聯對數10對，負關聯對數14對，分別占總病害-物種對數的41.67%和58.33%，達到顯著或極顯著水平病害-植物物種對有6對，占總對數的25.00%。其中，赤松枯梢病病情與黑松、赤松為極顯著正關聯關系且關聯強度為黑松>赤松，與麻櫟、山槐、栓皮櫟和鹽膚木為極顯著負關聯關系且關聯強度為栓皮櫟>山槐>麻櫟>鹽膚木。

Spearman秩相關分析發(fā)現正關聯10對，負關聯14對，占比與Pearman分析結果一致，達到顯著或極顯著水平病害-植物物種對有7對，占總對數的29.17%。其中，赤松枯梢病病情與黑松、赤松為極顯著正關聯關系且關聯強度為黑松>赤松，與麻櫟、山槐、栓皮櫟、水榆花楸和鹽膚木為極顯著負關聯關系且關聯強度為栓皮櫟>山槐>麻櫟>鹽膚木>水榆花楸。

綜合上述，在赤松天然次生林中，赤松枯梢病病原菌——松球殼孢菌與黑松和赤松趨于共存，與麻櫟、山槐、栓皮櫟和鹽膚木難以共存。

3.3.2 病害-灌木層植物物種間關聯性分析 赤松枯梢病病情與灌木層40個植物物種共構成40對病害-物種對(表3)。

表3 灌木物種重要值及其與赤松枯梢病病情指數的Pearson和Spearman秩相關系數Tab.3 Important values of shrub and their correlation coefficients of Pearson and Spearman with disease index of shoot blight of P. densiflora

Pearman相關分析發(fā)現正關聯對數11對，負關聯對數27對，無關聯對數2對，分別占總病害-植物物種對數的27.50%，67.50%和5.00%，達到顯著或極顯著水平病害-植物物種對有3對，占總對數的7.50%。其中，赤松枯梢病病情與胡枝子為極顯著正關聯，與大花溲疏和葎葉蛇葡萄為顯著負關聯且關聯強度為葎葉蛇葡萄>大花溲疏。

Spearman秩相關分析發(fā)現正關聯對數13對，負關聯對數27對，分別占總物種對數的32.50%和67.50%，達到顯著或極顯著水平病害-植物物種對有7對，占總對數的17.50%。其中，赤松枯梢病病情與胡枝子和紫穗槐為極顯著正關聯且關聯強度胡枝子>紫穗槐，與大果榆和大花溲疏為顯著負關聯，與葎葉蛇葡萄、小花扁擔桿和郁李為極顯著負關聯且關聯強度為葎葉蛇葡萄>小花扁擔桿>郁李>大果榆>大花溲疏。

以上結果表明在赤松天然次生林中，赤松枯梢病病原菌——松球殼孢菌與胡枝子趨于共存，與大花溲疏和葎葉蛇葡萄難以共存。

3.3.3 病害-草本層植物物種間關聯性分析 赤松枯梢病病情與草本層82個植物物種共構成82對病害-物種對(表4)。

Pearman相關分析發(fā)現正關聯對數40對，負關聯對數41對，無關聯對數1對，分別占總病害-植物物種對數的48.90%、50.00%和1.1%，達到顯著或極顯著水平病害-植物物種對有13對，占總對數的15.85%。其中，赤松枯梢病病情與射干為顯著正關聯，與白茅、敗醬、寬蕊地榆、木防己、茜草、狹葉珍珠菜、野菊、野青茅和紫花地丁為極顯著正關聯，關聯強度為白茅>敗醬>野菊>野青茅>寬蕊地榆>木防己>狹葉珍珠菜>紫花地丁>茜草>射干，與毛稈野古草和杏葉沙參為顯著負關聯，與燈心草為極顯著負關聯，關聯強度為燈心草>杏葉沙參>毛稈野古草。

Spearman秩相關分析發(fā)現正關聯對數43對，負關聯對數39對，分別占總物種對數的52.44%和47.56%，達到顯著或極顯著水平的病害-植物物種對有17對，占總對數的20.73%。其中，赤松枯梢病病情與茜草、射干和狹葉珍珠菜為顯著正關聯，與白茅、敗醬、桔梗、寬蕊地榆、木防己、野菊、野青茅和紫花地丁為極顯著正關聯，關聯強度為敗醬>野菊>白茅>野青茅>木防己>寬蕊地榆>紫花地丁>桔梗>茜草>狹葉珍珠菜>射干，與鵝絨藤、毛稈野古草、香茶菜和杏葉沙參為顯著負關聯，與燈心草和鴨跖草為極顯著負關聯，關聯強度為鴨跖草>燈心草>毛稈野古草>香茶菜>杏葉沙參>鵝絨藤。

即在赤松天然次生林中，赤松枯梢病病原菌——松球殼孢菌與白茅、敗醬、寬蕊地榆、木防己、茜草、射干、狹葉珍珠菜、野菊、野青茅和紫花地丁趨于共存，與燈心草、毛稈野古草和杏葉沙參難以共存。

續(xù)表4 Continued

4 討論

原昆崳山天然赤松林受到赤松毛蟲(Dendrolimusspectabilis)、松干蚧(Matsucoccusmatsumurae)等有害生物危害后大面積死亡，為防控蟲害，當地對赤松林進行大量砍伐，隨后引種黑松、華山松和日本落葉松等針葉樹種，實施封山育林等營林措施，逐漸與麻櫟、栓皮櫟等闊葉樹種發(fā)展形成昆崳山赤松天然次生林(杜寧等，2007)。經過多年演替的赤松次生林喬木層、灌木層和草本層植物物種與赤松枯梢病病情總體均呈現顯著的正關聯，這一結果表明，赤松天然次生林群落中的植物物種與赤松枯梢病形成了穩(wěn)定的共存狀態(tài)。在這一穩(wěn)定環(huán)境的基礎上進行赤松枯梢病-植物物種關聯性分析，為深入了解赤松枯梢病未暴發(fā)成災原因提供理論支持，為該地區(qū)合理配置植物物種，防控松枯梢病發(fā)生發(fā)展給予重要指導實踐意義。

目前物種種間關系的測定方法主要有2大類，一類是以2×2列聯表為基礎，應用χ2檢驗以及物種共同出現百分率IPC%、物種關聯系數IAC和Ochiai關聯度指數IOI等方法進行種間聯結性質和聯結程度測定(王伯蓀等，1985；潘琪等，2015；張明霞等，2015)。但這一類測定方法是基于物種“出現-不出現”進行判斷，缺乏物種間的多度信息，僅能定性判斷種間關聯性質和強度(王伯蓀等，1985；張倩媚等，2006)。當病害或某一物種頻度為100%時，評估病害與植物物種關系效果欠佳。而另一類則是以物種多度為基礎進行種間關聯性定量測定方法，常用的有Pearson相關系數和Spearman秩相關系數。前者檢驗要求物種數據必須滿足正態(tài)分布，后者是一種非參數檢驗方法，不需要物種數據總體分布信息(徐滿厚等，2016)。本研究考慮到松枯梢病在赤松樹木上分布較為普遍的特點，選擇了總體關聯性分析方法以及Pearson相關系數和Spearman秩相關系數對赤松枯梢病-植物物種相關性進行探討，這種方法即能夠對病害與植物物種間總體關聯性進行判斷，又能定量地反映出赤松枯梢病病情與植物物種間的種間關聯性質和關聯強度。通過對赤松枯梢病與植物物種關聯性分析發(fā)現Pearson相關系數和Spearman秩相關系數分析結果具有一致性，但也存在一定差異，Spearman秩相關系數檢驗顯著率(21.23%)高于Pearson相關系數檢驗顯著率(15.07%)，說明以等級數據進行Spearman秩相關分析方法較Pearson相關分析方法靈敏度更高，此發(fā)現與簡敏菲等(2009)、鄧莉萍等(2015)研究結果一致。

有研究表明，赤松與親緣關系較近樹種混交形成聯合易感性，昆崳山腮扁葉蜂蟲口密度較高，而赤松與親緣關系較遠的樹種混交形成聯合抗性，蟲口密度較低(朱彥鵬等，2013)。而昆崳山腮扁葉蜂與赤松枯梢病病原菌的寄主類型相似，即2物種均可對包括赤松在內的多種松屬樹種產生傷害。本研究對病害-植物物種關聯性分析發(fā)現，赤松枯梢病病情指數除與赤松和黑松呈極顯著正關聯外，還與火炬松表現出正關聯關系，這些針葉樹種均是赤松枯梢病病原菌——松球殼孢菌的寄主(Dijketal.，1992；葉建仁等，2011)，系統(tǒng)發(fā)育關系較近，具有相似的形態(tài)特征和生理生化特性，易于形成聯合易感性，促進赤松枯梢病流行(Tahvanainenetal.，1972；Barbosaetal.，2009)。而赤松枯梢病與麻櫟、山槐、栓皮櫟、和鹽膚木表現為極顯著負關聯，這些闊葉樹種與寄主赤松的系統(tǒng)發(fā)育關系較遠，易于形成聯合抗性，阻礙病原菌繁殖和傳播，進而減少病害的發(fā)生。

大部分灌草層植物與赤松枯梢病病情指數的關聯性未達到顯著程度，表明赤松枯梢病的發(fā)生與灌草層植物物種關聯較為松散，即松球殼孢菌可侵染松屬(Pinus)、冷杉屬(Abies)、落葉松屬(Larix)、崖柏屬(Thuja)、雪松屬(Cedrus)、刺柏屬(Juniperus)、云杉屬(Picea)和黃杉屬(Pseudotsuga)等8個屬約60種(含部分變種)針葉樹種(宋曉東，2003；葉建仁等，2011)，不太可能直接與灌草層植物形成寄生關系。而本研究通過關聯性分析發(fā)現少量灌草植物與赤松枯梢病病情指數具有顯著或極顯著正、負關聯性，兩者的相互作用可能體現在植物的化感作用或物理促進/隔離等方面，這一問題有待深入探究。

由表2―4中Spearman相關系數可知，喬木層水榆花楸、灌木層大果榆和草本層香茶菜等與赤松枯梢病病指數呈顯著或極顯著負關聯，但重要值偏小，與潘琪等(2014)研究結果較為一致，說明這些植物物種可以在抑制赤松枯梢病病情方面發(fā)揮作用，但因其重要值較小，僅能被靈敏度較高的Spearman秩相關分析方法檢測出，不排除這些植物物種具有潛在生態(tài)調控價值。

5 結論

昆崳山赤松天然次生林群落中的植物物種與赤松枯梢病形成了穩(wěn)定的共存狀態(tài)。喬木層赤松和黑松，灌木層胡枝子以及草本層白茅、敗醬、寬蕊地榆、木防己、茜草、射干、狹葉珍珠菜、野菊、野青茅和紫花地丁與赤松枯梢病病原菌趨于共存，對赤松枯梢病流行具有促進作用；而喬木層麻櫟、山槐、栓皮櫟和鹽膚木，灌木層大花溲疏和葎葉蛇葡萄以及草本層燈心草、毛稈野古草和杏葉沙參與赤松枯梢病病原菌難以共存，對赤松枯梢病發(fā)生發(fā)展具有抑制作用。因此可以通過調整林分結構，減少植物群落中與赤松枯梢病病原菌共存植物物種，或增加與赤松枯梢病病原菌難以共存植物物種，達到赤松枯梢病生態(tài)調控的目的。