辽西北风沙地抗逆性树种筛选与评价

高英旭

(辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032)

辽西北风沙区是我国荒漠化比较严重的地区之一，该区生态系统退化严重，生态环境脆弱，生物多样性丧失严重[1-4]，特别是近几年干旱频繁，使得这一地区土地生产潜力急剧退化，作物产量连年下降，地表植被显著减少[5～8]，使得当地多年来摆脱贫困的成果化为泡影，同时又严重地威胁着东北工业中心沈阳以及阜新、铁岭等城市生态安全，成为制约东北老工业基地经济振兴和阜新经济转型顺利实现的屏障，因此，合理并快速地营建辽西北农牧交错半干旱脆弱生态区植被意义重大[8-11]。

在干旱造林工作中，做到适地适树是提高造林成活率和实现科学、合理造林的主要基础[12,13]。在造林工程中，树种选择是否合理不仅影响着树木成活和生长，同时对于树木效益发挥也有重要意义。植物适应性是受多种因素影响的复杂综合性状，用单一指标衡量植物适应性具有片面性。对辽西北风沙地生态改良和树木关系的研究较多，但系统性研究树木对辽西北风沙区适应能力的报道较少。本研究通过综合比较辽西北风沙地常见造林树种，找出适合辽西北风沙地最佳造林树种，为辽西北风沙地治理提供依据[14-16]。

1材料与方法

1.1 供试材料

试验选用樟子松(S1)、赤松(S2)、刺槐(S3)、怀槐(S4)、山杏(S5)、榆树(S6)、色木槭(S7)、紫穗槐(S8)、丁香(S9)、小叶女贞(S10)、沙棘(S11)、火炬树(S12)作为参试树种，学名及特征见表1。

表1 供试树种名称及形态特征

1.2 试验设计

试验于2017年5月在辽宁省林科院实验基地进行。采用室外盆栽种植，盆钵直径33 cm，高28 cm，填装混合土20 kg。供试土壤为辽西北风沙地典型地区章古台沙质土壤，含有全氮1.45 g·kg-1、全钾12.20 g·kg-1、全磷1.07 g·kg-1、有机质30.02 g·kg-1、碱解氮103.48 mg·kg-1、速效磷75.22 g·kg-1和速效钾87.77 g·kg-1，pH6.86，盆砵随机区组方式排列。2017年6月25日开始测定各项指标。为确定适宜壤土与风沙地沙质土壤比例，用赤松、刺槐、榆树、紫穗槐、沙棘5个树种各10株为供试材料，分别采用0、10 %、20 %、30 %、40 %、50 %、60 %、70 %混合土(辽西北风沙地沙质土壤占混合土比例)进行预试验，通过测定成活率、地径、树高、冠幅、地上部干重、根干重和根冠比等指标，分析得到50%混合土种植下，树种间各测定指标的差异最明显，因而其被选定为不同树种种植混合土适宜比例，全壤土为对照，25次重复。

1.3 数据处理与分析

用Microsoft Excel 2007整理数据并计算各处理性状平均值和相对值，用SPSS 20.0进行相关性分析，并对供试树种对辽西北风沙地适应性进行综合评价。为减少各树种间固有差异，对各测定指标均采用辽西北风沙地沙质土壤混合土和对照测定的相对值。

2 结果与分析

2.1 不同树种对辽西北风沙地混合土种植的响应

不同树种对辽西北风沙地混合土种植的响应见表2。

表2 各测定指标相对值

注：X1，成活率；X2，地径；X3，树高；X4，冠幅；X5，地上部干重；X6，根干重；X7，根冠比。同一列中相同字母表示0.05水平差异不显著。

从表2中可以看出，辽西北风沙地混合土种植下，8个树种各测定指标几乎都小于对照，不同树种降幅不同。相对成活率变化范围为0.56～0.86，相对地径变化范围为0.52～1.02，相对冠幅变化范围为0.40～1.17，相对地上部干重变化范围为0.70～1.13，相对根干重变化范围为0.46～1.25，相对根冠比变化范围为0.43～0.86。S7和S8成活率、地径、树高等指标相对值较大，表现出较好的混合土适应性。S5成活率、地径相对值最小。根冠比可以反映出各树种适应能力，S11冠幅较小，但具有较高根冠比，为1.25，这是根系对混合土适应性的响应，而S5根冠比相对值最小，仅为0.43，对混合土适应能力较差。S4地上部干重最低，仅为0.58，对混合土较敏感，不适宜用于辽西北风沙地土壤改良。S12地上部干重相对值最大，为0.88，在辽西北风沙地沙质土种植下，能更好地进行光合作用，为根系生长提供能量，进而能更好地吸收土壤中养分。

2.2不同树种各性状相关性分析

利用双变量Pearson简单相关系数法对混合土种植下树种7个指标性状的相对值进行相关性分析，部分性状间的相关性达到显著或极显著水平。树高和冠幅相关系数最大，达到0.900**。地上部干重与成活率极显著正相关、与地径显著相关，相关系数分别为0.870**和0.591*。根冠比与根干重成极显著正相关、与地上部干重显著相关，相关系数分别为0.773**和0.618*。地径与根干重显著相关，相关系数为0.591*。

表3 各测定指标相关系数

注：*和**分别表示在0. 05 和0. 01的显著水平。

2.3 不同树种对辽西北风沙地混合土适应性主成分分析

主成分分析是利用降维思想，在损失较少信息前提下，通过研究众多变量之间内部关系，将无法直接测量到的隐性变量转化成综合指标进行描述，是一种处理多因素问题的有效方法。对各树种所测定指标相对值进行主成分分析，各主成分特征值和贡献率见表4，前3个主成分贡献率分别为46.570 %、33.244 %、11.391 %，其累计贡献率为91.205 %，而其余贡献率较小可忽略不计。

第ⅰ主成分特征根λ1=3.260，贡献率为46.750 %，由公式(1)可知，对应特征向量中，载荷较大指标为相对成活率和相对地上部干重，相关系数分别为0.448和0.501，这两个指标主要反映树木在混合土种植下的生存能力，可称之为生命因子。

第ⅱ主成分特征根λ2=2.327，贡献率为33.244 %，从公式(2)中可以看出，第ⅱ主成分在相对树高和相对冠幅上有较大载荷，相关系数分别为0.504和0.479，这两个指标反映树木外在生长状况，因此，可以将第ⅱ主成分称之为“地上部因子”。

第ⅲ主成分特征根λ3=0.797，贡献率为11.391 %，从公式(3)中可以看出，在相对地径、相对根干重和相对根冠比上有较大载荷，主要反映树木根部生长状况，因此，可以将第ⅲ主成分称之为根部性状因子。

表4 3个主成分特征值及累计贡献率

表5 各因子载荷矩阵

表6 各成分向量矩阵

表5和表6分别为主成分分析中各成分因子载荷矩阵和成分向量矩阵，据此可获得各因子得分公式，如下：

F1=0.448*X1+0.440*X2+0.142*X3+0.202*X4+0.501*X5+0.363*X6+0.404*X7

(1)

F2=0.162*X1-0.048*X2+0.504*X3+0.479*X4+0.045*X5-0.326*X6-0.307*X7

(2)

F3=-0.246*X1+0.267*X2+0.120*X3+0.102*X4-0.187*X5+0.218*X6-0.074*X7

(3)

根据各品种F1、F2和F3的值，各品种综合得分公式F为：

F=0.521 49*F1+0.326 59*F2+0.886 8*F3

(4)

计算后F值见表7，F值越大，适应性越强。因此，不同树种对混合土适应性大小为S8> S10> S7> S12> S9> S4> S1> S6> S3> S2> S11> S5

表7 各树种主成分F值及适应性排序

图1 前3个主成分散点Fig.1 Scatter plots of the first three principal components

为方便形象地描述各测定指标间相互关系，可用前3个主成分描述变异。图1是根据载荷量绘制的成分图。图中各测定指标由于载荷值不同，因而在空间的位置不同，其中相对成活率和相对地上部干重之间的欧式距离较近，说明他们之间对混合土具有相似响应。同样，相对树高和相对冠幅具有相似响应，相对地径、相对根干重和相对根冠比具有相似响应，并且这7个测定指标均不落在原点和坐标轴上，说明这7个指标与这3个坐标轴所对应的因子都有关系。

2.4不同树种对辽西北风沙地混合土适应性聚类分析

聚类分析是一种探索性分析，是从数据本身出发，通过简化数据，将未设定标准的一组数据自动进行分类。将参试树种主成分F值经欧氏距离平均连锁法用SPSS18.0 统计软件进行聚类分析，得到图2所示聚类图。参试适应性根据欧氏距离大于5可归为3个类群：

图2 12个树种适应性聚类Fig. 2 Adaptability Cluster of 12 species

第1类群，包括S7、S8、S9、S10、S12共5个品种，占供试材料41.67 %。该类群各指标相对值均较高，属于高适应性树种。

第2类群，包括S1、S3、S4、S6共4个品种，占供试材料33.33 %。这一类群各性状指标相对值比较居中，因此，可认定该类群为中等适应性树种。

第3类群，包括S2、S5、S11共3个品种，占供试材料25.00 %。这些树种各测定指标相对值相对较小，属于敏感性树种。

3 结论与讨论

3.1结论

不同树种在辽西北风沙地混合土种植后，成活率、地径、地上部干重、冠幅、根干重和根冠比等指标都呈不同程度下降趋势，说明混合土的物理性质较纯壤土有所恶化，对植物生长发育有胁迫作用，但S7和S10根干重、S8树高和冠幅都较对照有所升高，是由于一定程度胁迫对部分树种某些生理过程具有促进作用，从而表现出对混合土较强适应能力。应用主成分分析法和聚类分析法对12个树种对辽西北风沙地混合土适应性进行综合分析，筛选出相对成活率、相对树高和相对地径可以作为树木适应性筛选的重要指标，通过聚类分析，筛选出S7和S8等树种具有较强适应能力，可以为辽西北风沙地生态恢复和持续发展提供种质资源和理论依据。参试的12个树种按照适应性强弱可分为3大类：S7和S8等5个品种高适应性品种，S1和S3等4个品种为中等适应性品种，S2和S5等3个品种为敏感性品种。

3.2 讨论

本试验仅研究单一壤土与辽西北风沙地混合土对树木的影响，而多种类型土壤对辽西北风沙区生态恢复和植被复垦后，特别是干旱条件加重条件下，改良后的混合土壤无机营养元素、有机质和pH变化等方面并未涉及，有待后续进一步研究。

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