基于主成分分析立地條件對(duì)核桃幼苗生長(zhǎng)影響的研究

王芳,劉凱，2,馮啟科，李洋,王紅霞

(1河北省山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，國(guó)家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071001；2河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院, 河北 保定 071001；3河北省農(nóng)林科學(xué)院植保所, 河北 保定 071001)

核桃(Juglansregia)又名胡桃、羌桃、萬(wàn)歲子，是胡桃科胡桃屬植物，在我國(guó)的栽培歷史悠久，而且栽培地區(qū)廣泛[1]。我國(guó)核桃種植面積和堅(jiān)果總產(chǎn)量均居世界首位，核桃產(chǎn)業(yè)已然成為促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)民群眾增收的重要產(chǎn)業(yè)[2-3]。

核桃幼苗的生長(zhǎng)受多種因素的影響，比如立地條件。立地條件是指在造林地上影響森林生長(zhǎng)發(fā)育所有因子的總和，包括氣候、土壤、地形地貌、生物因子等，影響著植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育[4]。有報(bào)道稱(chēng)：“立地因子對(duì)灌木植株生物量的分配具有顯著影響”[5]。趙凱旋等對(duì)不同立地條件下的核桃病害進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在深山區(qū)核桃病蟲(chóng)害的發(fā)生率高于淺山區(qū)和平原區(qū)[6]。郗榮庭等對(duì)不同立地條件下核桃根系觀(guān)察，結(jié)果表明土層越厚，其垂直根和水平根分布越深越寬[7]。丘陵山坡條件下核桃的單果重大于丘陵梯田、溝壩田[8]。目前關(guān)于核桃的研究較多，但大多集中在核桃的豐產(chǎn)栽培以及繁殖技術(shù)方面，忽視了核桃幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育研究[9-11]。本研究通過(guò)不同立地條件對(duì)核桃幼苗生長(zhǎng)的影響結(jié)合不同立地條件各因素與核桃幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)之間的關(guān)系，利用主成分分析方法，綜合評(píng)價(jià)核桃幼苗生長(zhǎng)的立地條件，旨在為核桃標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)園情況

該試驗(yàn)時(shí)間是2018年3月-9月；試驗(yàn)田位于保定市大悲鄉(xiāng)富有村(E 114°54′36″，N 38°56′24″)。

1.2 樣地選擇

在所選試驗(yàn)田區(qū)域分別選取山頂，山坡(未改造)、山坡(客土)、山谷4種立地條件。山谷特征是土層覆蓋達(dá)1 m以上；山坡(客土)特點(diǎn)是位于山坡陽(yáng)面梯田，陽(yáng)光充足，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高；山坡(未改造)有機(jī)質(zhì)含量較低，氮磷鉀元素含量較低；山頂特點(diǎn)是含水量較少，光照強(qiáng)，土壤有機(jī)質(zhì)含量較少。

1.3 播種

選擇飽滿(mǎn)的大小一致的“遼寧1號(hào)”核桃種子為試材，冷水浸泡每天換1次水，浸種7 d(生產(chǎn)上浸種天數(shù))，使其吸水膨脹，待大部分種子吸水膨脹、隔膜變軟后，暴曬2 h，挑選出開(kāi)口程度一致的核桃種子，每組36粒，溝播，播種密度4 m×6 m，縫合線(xiàn)垂直地面，深度為5 cm，分別播種在山頂，山坡(客土)，山坡(未改造)和山谷。

所有處理統(tǒng)計(jì)出苗時(shí)間、出苗率、株高、葉面積、葉綠素含量、鮮重、干重、主根長(zhǎng)等；檢測(cè)葉片氮元素含量、礦物質(zhì)含量等。

1.4 樹(shù)體生長(zhǎng)狀況的調(diào)查

出苗時(shí)間：核桃出土的時(shí)間；株高：用盒尺測(cè)量地面到頂芽芽頂?shù)母叨?；干徑：游?biāo)卡尺測(cè)定地面上2 cm處幼苗直徑；葉面積：葉面積儀測(cè)量頂葉的長(zhǎng)、寬、長(zhǎng)寬比；葉綠素變化：SPAD葉綠素計(jì)測(cè)定頂葉SPAD值；干物質(zhì)比：從頸部剪取幼苗，迅速稱(chēng)量莖、葉片的鮮重；挖掘出幼苗根，仔細(xì)揀凈并去掉泥土，稱(chēng)取根鮮重，取樣置于80 ℃的烘箱內(nèi)烘干，烘至恒重時(shí)稱(chēng)取各樣品的干重，進(jìn)行整理計(jì)算。

1.5 土壤與核桃幼苗礦質(zhì)元素測(cè)定

全氮采用AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定[12]；參照鮑士旦的方法測(cè)定土壤和核桃幼苗中的全磷、全鉀含量、有機(jī)質(zhì)含量以及其他礦質(zhì)元素含量[13]。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2007軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理制圖，并結(jié)合SPSS 17.0軟件進(jìn)行差異顯著性測(cè)驗(yàn)、相關(guān)性分析及主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種立地條件土壤基本屬性

4種立地條件土壤基本屬性，見(jiàn)表1。

表1 4種立地條件土壤基本屬性Table 1 Basic properties of four different ecological conditions

由表1可知，山谷pH較低，含水量較高，但是有機(jī)質(zhì)含量適中，全氮含量適中，全磷含量與全鉀含量較高；山坡(客土)有機(jī)質(zhì)含量較高，全氮含量較高，全磷含量?jī)H次與山谷，全鉀含量在0～40 cm土層內(nèi)都較高；山坡(未改造)pH較高，含水量較其他土壤類(lèi)型較高，有機(jī)質(zhì)含量低，全氮、全磷、全鉀含量整體僅高于山頂；山頂在含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量都顯著次于其他土壤類(lèi)型。

2.2 4種不同立地條件土壤礦物質(zhì)含量分析

4種不同立地條件土壤礦物質(zhì)含量分析，見(jiàn)表2。

表2 4種立地條件土壤礦物質(zhì)含量分析Table 2 Analysis of minerals of four different ecological conditions

由表2可知，4種不同立地條件在不同深度土層中鈣、鎂、鐵、銅等礦質(zhì)元素的含量。山坡(客土)中鈣元素含量最低，僅為山頂土壤的13.91%，山頂含量高可能是由于碳酸鈣化合物比較多。土壤中鎂元素含量在4種不同類(lèi)型土壤中差異不顯著。鐵元素含量在山坡(客土)土壤中較低，其他土壤類(lèi)型差異不顯著。銅元素含量在山頂土壤中含量最高，山坡(客土)整體較低，但是差異不大。錳元素則在山坡(客土)土層中含量較高，山頂土壤中含量較低。

2.3 4種不同立地條件對(duì)核桃幼苗樹(shù)體特征的影響

4種不同立地條件對(duì)核桃幼苗樹(shù)體特征的影響，見(jiàn)表3。

表3 4種立地條件對(duì)核桃幼苗樹(shù)體特征的影響Table 3 Influence of four different ecological conditions on tree structure factor of Juglans regia seedling

由表3可知，山坡(未改造)與山頂核桃幼苗干徑差異不顯著，山谷的核桃幼苗干徑最大。山谷核桃發(fā)芽率最高，山頂發(fā)芽率最低。山谷與山坡(客土)核桃幼苗主根長(zhǎng)差異不顯著，山坡(未改造)核桃幼苗主根最長(zhǎng)，山頂核桃幼苗主根最短，主要原因可能是山頂石塊較多，不利于核桃幼苗主根延伸。核桃幼苗須根長(zhǎng)則是在山頂最長(zhǎng)，在山谷中最短，相差4.76 cm。山谷核桃幼苗SPAD值最高，山坡(未改造)核桃幼苗SPAD值較小。山坡(客土)核桃幼苗葉片復(fù)葉面積最大，山谷核桃幼苗葉片復(fù)葉面積較小。核桃幼苗葉片長(zhǎng)寬比在山谷與山頂中較大，但差異不顯著；在山坡(客土)與土壤貧瘠中較小，差異不顯著。

2.4 4種不同立地條件對(duì)核桃幼苗葉片內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素的影響

4種不同立地條件對(duì)核桃幼苗葉片內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素的影響，見(jiàn)表4。

表4 核桃幼苗葉片內(nèi)礦質(zhì)元素分析Table 4 Analysis of mineral nutrient of the leaf in tree

由表4可知，全氮含量在山坡(客土)核桃幼苗葉片中最高，在山頂核桃幼苗葉片中含量最低，且差異顯著(P<0.05)。全磷含量在山坡(未改造)核桃幼苗葉片中較高，在山頂核桃幼苗葉片中含量較低，且差異顯著(P<0.05)。全鉀含量在山坡(客土)核桃幼苗葉片中較低，在其他3種土壤含量較高，但差異不顯著。鈣元素含量在山谷與山坡(未改造)核桃幼苗葉片中較大，但差異不顯著；在山坡(客土)與山頂核桃幼苗葉片中較小，差異也不顯著。山坡(未改造)核桃幼苗葉片中鎂元素含量較高，是山谷核桃幼苗葉片中含量的2.55倍。山頂核桃幼苗葉片中鐵元素含量較高，是山坡(未改造)核桃幼苗葉片中含量的2.91倍。山谷與山坡(未改造)核桃幼苗葉片中銅含量較低，且差異不顯著，山頂中核桃幼苗葉片銅含量較高。4種土壤中核桃幼苗葉片鋅元素含量差異不顯著。山頂中核桃幼苗葉片鈉元素含量較高，山坡(未改造)中核桃幼苗葉片較低，山谷與山坡(客土)差異不顯著。山谷中核桃幼苗葉片錳元素含量較高，山坡(未改造)中含量較低，差異顯著(P<0.05)。

2.5 4種不同立地條件土壤基本屬性與核桃幼苗樹(shù)體特征相關(guān)性

4種不同立地條件土壤基本屬性與核桃幼苗樹(shù)體特征相關(guān)性，見(jiàn)表5。

表5 4種立地條件土壤基本屬性與核桃幼苗樹(shù)體特征相關(guān)性Table 5 Correlation between basic soil properties of four different site conditions and tree body characteristics of Juglans regia seedlings

由表5可知，土壤含水量與核桃幼苗須根長(zhǎng)度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.979，土壤含水量與核桃幼苗發(fā)芽率呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.968，同時(shí)土壤中的鈣、銅含量與核桃幼苗的發(fā)芽率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。鐵含量與核桃幼苗的株高呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。土壤中鈣、鐵、銅含量與核桃幼苗的干徑表現(xiàn)出極顯著關(guān)系正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。葉面積與鈣、銅含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。核桃幼苗的葉面積與土壤中的鈣、銅含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.6 4種不同立地條件土壤營(yíng)養(yǎng)因子與核桃幼苗葉片營(yíng)養(yǎng)元素相關(guān)性

4種不同立地條件土壤營(yíng)養(yǎng)因子與核桃幼苗葉片營(yíng)養(yǎng)元素相關(guān)性，見(jiàn)表6。

表6 4種立地條件土壤營(yíng)養(yǎng)因子與核桃幼苗葉片營(yíng)養(yǎng)元素相關(guān)性Table 6 Correlation of factor of four different ecological conditions and leaf of Juglans regia seedlings

由表6可知，土壤的pH與葉片中鉀、鈣的含量是呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，但與葉片中鐵、錳、銅含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。葉片中的磷含量與土壤中的磷、鈣、銅含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)。葉片中的蛋白質(zhì)、錳含量與土壤中的鐵含量是呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，但與鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。土壤中的銅元素含量與葉片中的磷元素呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。葉片中鈣含量與土壤中的鋅含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

2.7 4種不同立地條件主成分分析

通過(guò)軟件SPASS 17.0對(duì)不同立地條件核桃幼苗生長(zhǎng)各種因子進(jìn)行主成分分析，前3個(gè)主成分的特征值大于1，提取出3個(gè)主成分。主成分1中株高、主根、葉片含水量與根含水量占比重較高；主成分2中發(fā)芽率、葉綠素與長(zhǎng)寬比占比重較高；主成分3中須根占比重最高。進(jìn)行加權(quán)平均求得不同立地條件綜合得分評(píng)價(jià)，見(jiàn)表8。綜合評(píng)價(jià)后山谷得分最高，其次是山坡(未改造)，然后是山坡(客土)，最后是山頂。因此，在核桃建園幼苗期間可以根據(jù)土壤中營(yíng)養(yǎng)元素與核桃幼苗相關(guān)性，指導(dǎo)生產(chǎn)中配方施肥，減少肥料用量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

表7 主成分載荷矩陣Table 7 Principal components matrix

表8 4種不同立地條件主成分分析Table 8 Analysis of principal component of four different ecological conditions of Juglans regia

3 討論與結(jié)論

外界的水、肥、光、熱等環(huán)境因子會(huì)直接或間接影響植物的生長(zhǎng)，適宜的外界環(huán)境可以促進(jìn)植物自身的生理代謝動(dòng)進(jìn)行，從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。本研究對(duì)4個(gè)立地條件在土壤礦物質(zhì)、核桃幼苗樹(shù)體相關(guān)特征性、核桃幼苗葉片營(yíng)養(yǎng)元素相關(guān)性等方面進(jìn)行了分析，山坡(未改造)核桃葉片內(nèi)的含磷量最高，山頂核桃幼苗葉片中鐵元素含量較高；在核桃幼苗生長(zhǎng)狀況方面，山坡(客土)的核桃幼苗株高最高，山谷的核桃幼苗干徑顯著高于其他3種立地條件上的核桃幼苗。研究得出在4個(gè)不同的立地條件中，山谷適宜核桃的播種與核桃幼苗的生長(zhǎng)，山坡(未改造)和山坡(客土)次之，山頂最不適宜核桃的生長(zhǎng)。

李上前等對(duì)立地條件對(duì)檫樹(shù)人工林的影響中得出檫樹(shù)人工林在山頂?shù)纳L(zhǎng)表現(xiàn)差；熊詠梅等對(duì)紅花椒的研究中發(fā)現(xiàn)，土層厚度越大，更有利于花椒的生長(zhǎng)，花椒產(chǎn)量也高；與本研究結(jié)果一致[14-15]。這是因?yàn)樯巾數(shù)耐寥乐泻亢偷租浐康蜁?huì)抑制幼苗的生長(zhǎng)，而且山頂?shù)娘L(fēng)大也不利于核桃的生長(zhǎng)。山谷的土壤中富含大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),水分充足，所以核桃的發(fā)芽率較高，并最適宜核桃幼苗的生長(zhǎng)[16]。山坡(未改造)比山坡(客土)適宜核桃幼苗的生長(zhǎng)，客土改造有機(jī)質(zhì)含量高于未改造，但含水量低于未改造，這可能是造成其對(duì)核桃幼苗生長(zhǎng)不利的原因。通過(guò)對(duì)4種不同立地條件對(duì)核桃幼苗樹(shù)體特征的影響的分析顯示，山坡(未改造)核桃幼苗株高比其他3種立地條件中的核桃幼苗較高，主根最長(zhǎng)，可能是由于山坡(未改造)有機(jī)質(zhì)含量和氮磷鉀元素含量都較低，根系為了滿(mǎn)足地上部對(duì)養(yǎng)分的需要而進(jìn)行根部的代償性增長(zhǎng)來(lái)提高其對(duì)養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)能力[17]。在對(duì)4種立地條件中土壤基本屬性與核桃幼苗樹(shù)體特征相關(guān)性的分析中得出，土壤中的磷含量與植株干徑呈正相關(guān)關(guān)系，因?yàn)樯焦鹊牧缀孔罡?，所以山谷種植的核桃幼苗干徑最大。前人研究表明，磷可以增加葉片的葉綠素a含量，提高光合效率等葉片光合性能，葉片中的干物質(zhì)增加必然會(huì)影響到干徑的大小[18-20]。本研究得出葉片中的營(yíng)養(yǎng)元素含量與土壤的pH有關(guān)，尤其是葉片中的鉀和鈣的含量受土壤pH的影響，適宜的土壤pH值有利于樹(shù)體對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收[20]。