盐碱地柳树生物能源林专用品种的选育

王伟伟，何旭东，郑纪伟，隋德宗，姜开朋，，王保松*

(1. 江苏省林业科学研究院，江苏 南京 211153； 2. 江苏省农业种质资源保护与利用平台，江苏 南京 211153)

江苏沿海地区滩涂总面积68.7万hm2，约占全国滩涂总面积的1/4，且每年仍以1 267 hm2的速度淤长[1]。由于盐碱胁迫等原因，沿海滩涂资源一直不能得到充分的利用，因此，研究具有经济价值的耐盐林木良种对沿海盐碱地的开发利用、改善海岸带的生态环境具有重要的意义。随着煤炭、石油等不可再生能源日渐减少，世界发达国家纷纷转向发展和利用生物质能源[2-3]，发展生物质能产业是我国缓解能源供应压力和解决环境问题的途径之一[4]。

柳树是柳属(Salix)植物的统称，其中的灌木类型具有生物量大、适应性强、繁殖容易、根系发达等优点，广泛应用于生物质能源生产、土壤修复、水土保持等方面[5-7]，已成为世界上公认的优质生物能源树种之一。瑞典国家能源委员会资助的“瑞典国家能源林计划”(NSEFP)选取柳树作为主要的能源林树种；美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)从事生物能源的研究，选育出适合不同气候和土壤条件的优良柳树无性系；地处寒温带的加拿大和北欧等国对柳树的能源林栽培进行了研究[8]。

江苏省林业科学研究院积极响应江苏沿海开发的需要，从2004年起开展了柳树耐盐碱、高生物量新品种选育及栽培技术研究工作[9-13]。针对沿海滩涂的生境特点，选育出适合苏北淤泥质滩涂生长的柳树生物能源专用新品种，对改善沿海生态环境，增加农民收入，促进沿海清洁能源产业的持续发展有重要意义。

1 材料与方法

1.1 供试材料

利用簸箕柳、蒿柳、二色柳、欧洲红皮柳、杞柳、银柳、灰柳和毛枝柳等进行种间杂交，培育实生苗10万株以上，选出初期生长优良的无性系310个，并保存在盐城市大丰区川东镇海堤外轻度盐碱地上(土壤含盐量为0.1%—0.2%)。试验材料是根据各无性系生物量、病虫害危害及盐害情况初步筛选出的51-3，50-6等性状较优的前20位无性系(见表1)，以通过江苏省林木良种审定委员会认定的苏柳1053和苏柳2345为对照。

1.2 研究方法

在江苏盐城市大丰区川东镇海堤外选取土壤含盐量为0.2%—0.4%试验地，布置田间对比试验。按床宽 200 cm、沟深 30 cm开沟做床。将直径约0.8 cm的1年生试验柳树枝条剪切成长12 cm的插条，按株距30 cm，行距100 cm，进行扦插对比试验；参试无性系采用随机区组设计，4次重复，10株为1小区进行对比试验，2 a后测定各无性系保存率、盐害指数(见表2)、含水率、生物量和低位发热量等指标进行分析评价。以折合的年单位面积标准煤产量为依据，筛选较优良的无性系进行品种稳定性评价。

选取土壤含盐量分别0.1%—0.2%(轻盐)、0.2%—0.4%(中盐)和0.4%—0.5%(重盐)的3个试验地，将筛选出的柳树无性系按随机区组设计，10株小区，4次重复，进行无性系稳定性试验。2 a后测定各无性系保存率、含水量和生物量等指标，依据年单位面积标准煤产量数据，利用改良的AMMI模型[14-15]进行稳定性评价。

发热量采用河南鑫科分析仪器有限公司生产的XKRL-3000A 微电脑全自动量热仪(测温范围：5—40 ℃；温度分辨率：0.000 1 K；精密度：≤0.1%)，按照国家标准GB5186—1985《生物质燃料发热量测试方法》进行测定。

表1 参试无性系

序号系号杂交组合拉丁名12352簸箕柳×蒿柳S. suchowensis×S. viminalis22381簸箕柳×蒿柳S. suchowensis×S. viminalis32391二色柳×欧洲红皮柳S. alberti×S. purpurea42406簸箕柳×蒿柳S. suchowensis×S. viminalis52521欧洲红皮柳×欧洲红皮柳S. purpurea×S. purpurea62575二色柳×(簸箕柳×杞柳)S. alberti×(S. suchowensis×S. integra)72577二色柳×(簸箕柳×杞柳)S. alberti×(S. suchowensis×S. integra)82579(杞柳×蒿柳)×银柳(S. integra ×S. viminalis)×S. argyracea92678二色柳×灰柳S. alberti×S. cinerea102680二色柳×灰柳S. alberti×S. cinerea112688簸箕柳×黄花柳S. suchowensis×S. caprea122820(簸箕柳×蒿柳)×银柳(S. suchowensis×S. viminalis)×S. argyracea1350-6簸萁柳×银柳S. suchowensis×S. argyracea1451-3二色柳×银柳S. alberti×S. argyracea1551-5二色柳×银柳S. alberti×S. argyracea1652-2簸萁柳×银柳S. suchowensis×S. argyracea17△2杞柳×钻石柳S. integra×S. eriocephala1831-24簸箕柳×(杞柳×簸箕柳)S. suchowensis×(S. integra×S. suchowensis)1935-13二色柳×白杞柳S. alberti×S. integra20P63杞柳S. integra21苏柳1053二色柳×毛枝柳S. alberti×S. dasyclados22苏柳2345簸箕柳×杞柳S. suchowensis×S. integra

表2 柳树无性系盐害分级标准

序号级别 分级标准 分值Ki11级基本无枯梢或仅个别侧枝顶端有枯梢022级侧枝枯梢超过1/3,但不到1/2133级侧枝枯梢超过1/2,但主干没有枯梢244级主干枯梢不到1/4355级主干枯梢接近1/2466级主干枯梢超过1/2或植株死亡5

1.3 统计分析

数据统计分析均在EXCEL 2007和DPS 16.05软件的相关程序下完成。用保存率和盐害指数平方根的反正弦值进行数据分析。

盐害指数:

其中，ni为达到第i个等级的植株数量，Ki为第i个等级的分值，i取1，2，…，6。

标准煤产量：M=ρ×c×m×Q/t

其中，ρ为栽培密度，c为保存率；m为单株生物量，Q为低位发热量，t为标准煤热值。

2 结果与分析

2.1 无性系选育

2.1.1 无性系保存率 22个柳树无性系2年生保存率存在极显著(P<0.01)差异，无性系平均保存率为64.5%，苏柳2345保存率最高，为94.9%，2820保存率最低，为27.3%，变异系数为32.9%。22个无性系保存率的多重比较结果(见表3)表明，苏柳2345，2678，2352，2391,苏柳1053,51-6，2579和2521等8个无性系平均保存率超过80%，差异不显著，但显著高于35-13等10个无性系的保存率。

表3 柳树无性系保存率、盐害指数和生物量多重比较

无性系保存率/%无性系盐害指数/%无性系生物量[t/(hm2·a)]苏柳234594.9 Aa282086.2 Aa252139.507 Aa267892.5 ABa51-342.4 Bb50-634.577 ABab235287.3 ABab257940.6 BCb239132.057 BCb239187 ABab△240.0 BCb52-230.954 BCb苏柳105384.9 ABabc257537.0 BCb235230.458 BCbc50-684.5 ABabc235234.4 BCDb257925.642 CDcd257984.1 ABabc238128.5 BCDbc51-325.569 CDcd252182.3 ABCabc苏柳105320.5 BCDbcd苏柳234522.869 DEde257772.4 ABCDbcd35-1320.3 BCDbcd苏柳105322.801 DEde51-369.8 ABCDEbcd268820.0 BCDbcd51-521.645 DEFdef257569.8 ABCDEbcd257713.6 CDEcd35-1321.578 DEFdef52-267.3 BCDEcde268010.7 DEFde238121.151 DEFdef35-1359.8 CDEFdef239110.0 EFde267819.070 DEFGefg238157.2 DEFGdefg52-210.0 EFde△217.510 EFGHfghP6352.2 DEFGHefghP632.6 EFGef257717.353 EFGHfgh31-2449.8 EFGHIfghi51-51.3 EFGfP6316.102 FGHIghi268844.8 FGHIfghij50-60.9 FGf31-2415.358 FGHIghi268042.4 FGHIJghij24060.5 FGf240613.510 GHIJhij△239.7 GHIJhij31-240.1 Gf268013.217G HIJhij240637.4 HIJijk26780.0 Gf257512.300 HIJij51-532.4 IJjk25210.0 Gf282010.1301 IJj282027.3 Jk苏柳23450.0 Gf26888.707 Jj

数据后不同大、小写字母分别表示差异极显著(P<0.01)和差异显著(P<0.05)

2.1.2 无性系的盐害指数 在中度含盐立地，22个无性系盐害指数存在极显著(P<0.01)差异，无性系平均盐害指数为19.1%，其中2820盐害指数最高，为86.2%，苏柳2345，2521和2678等3个无性系最低，为0，变异系数为111.9%。22个无性系盐害指数多重比较结果(见表3)表明，2820最严重，与其余无性系差异达到极显著水平(P<0.01)；2688等盐害指数超过20.0%的9个无性系间差异未达到显著水平；苏柳2345，2521，2678，31-24，2406，51-6，51-5，P63等8个无性系间差异不显著，盐害指数介于0—2.6%之间，与其余无性系差异达到显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)水平。

2.1.3 无性系生物量 按每公顷33 333 株(株距30 cm，行距100 cm)，根据各无性系鲜质量、含水量及保存率计算单位面积年均生物量。22个无性系的生物量存在极显著(P<0.01)差异，无性系平均生物量为21.457 t/(hm2·a)，变异系数为38.5%。2521生物量最高为39.507 t/(hm2·a)，是平均值的1.8倍，2688最低，为8.707 t/(hm2·a)。22个柳树无性系生物量多重比较结果(见表3)表明，2521与除50-6外的所有无性系的差异达到极显著(P<0.01)水平；其次为2391，52-2，2352和51-3等4个无性系，平均生物量介于25.569—32.057 t/(hm2·a)，与2678，△2，2577，P63，31-24，2406，2680，2575，2820和2688等平均生物量低于20 t/(hm2·a)的10个无性系差异达到显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)水平。

表4 柳树无性系低位发热量和折算成标准煤年产量

无性系低位发热量/( J/g )无性系标准煤[t/(hm2·a)]51-514 641 Aa252117.388 Aa35-1314 599 Aab50-617.082 Aa50-614 479 ABabc239115.724 Bb267814 471 ABabc52-214.833 Cc282014 425 ABabc235213.074 Dd268014 411 ABabc51-312.226 Ee268814 397 ABabc257912.119 EeP6314 395 ABabc苏柳234511.052 Ff239114 376 ABabc苏柳105311.022 Ff257714 331 ABabcd51-510.813 Ff257514 326 ABabcd35-1310.749 FGf238114 244 ABabcd238110.28 Gg苏柳105314 167 ABabcd26789.416 Hh苏柳234514 163 ABabcd25778.485 Ii240614 155 ABabcd△28.434 Ii△214 117 ABbcdP637.909 Jj31-2414 052 ABcd31-247.364 Kk52-214 044 ABcd24066.525 Ll51-314 014 ABcd26806.499 Ll257913 852 Bd25756.012 Mm252112 899 Ce28204.987 Nn235212 580 Ce26884.277 Oo

数据后不同大、小写字母分别表示差异极显著(P<0.01)和差异显著(P<0.05)；标准煤低位发热量按29 307.6 kJ/kg计算

2.1.4 无性系低位发热量 对22个无性系低位发热量间存在极显著(P<0.01)差异，22个无性系平均值为14 143 J/g，变异系数为3.5%。多重比较结果(见表4)表明，51-5等15个柳树无性系间差异未达显著(P<0.05)水平，2352和2521低位发热量最低，且与其他20个无性系的差异达到极显著(P<0.01)水平。

2.1.5 无性系综合评价 根据22个无性系2年生枝条低位发热量和生物量折算成标准煤的年产量(见表4)进行综合评价。2521、50-6、2391、52-2、2352、51-3、2579、苏柳2345、苏柳1053、51-5、35-13和2381等12个无性系每公顷年产低位发热量折算成标准煤超过10 t，且与其他无性系间差异达到极显著(P<0.01)水平。其中2521和50-6单位面积低位发热量最高，折算成标准煤分别为17.388 t/(hm2·a)和17.082 t/(hm2·a)，且与其他无性系间达到极显著(P<0.01)水平。因此选取2521、50-6、2391、52-2、2352、51-3、2579、苏柳2345、苏柳1053、51-5、35-13和2381等12个耐盐高生物量柳树无性系进行稳定性测试。

2.2 无性系稳定性评价

表5为柳树无性系标准煤产量AMMI分析表。从表5可以看出，基因型、环境及交互作用方差均达到1%显著水平，基因型、环境及交互作用平方和分别占处理平方和的26.3%，25.5%和48.2%，对产量变异影响最大的是基因与环境的交互作用，基因型和环境因素对产量变异影响相近。PCA1和PAC2的平方和占交互作用平方和的100%，整个互作的变异集中在前2个PAC轴上。

表5 柳树无性系标准煤产量AMMI分析

变异来源dfSSMSFProb.总的1437 345.68351.368处理356 913.979197.54249.4190.000基因111 819.940165.44941.3910.000环境21760.498880.249220.2130.000交互作用223 333.541151.52537.9070.000PCA1123 161.561263.46365.9110.000PCA210171.98017.1984.3020.000残差00.0000.000误差108431.7043.997

图1给出了IPC1和IPC2双标图。图1中越接近坐标原点的无性系越稳定，无性系在地点与原点连线上的垂直投影到原点的距离表示该无性系与这个地点交互作用的大小，连线越长交互作用越大，反之越小，如果垂直投影落在连线的反向延长线上则表示交互作用为负向。根据图1，无性系2521和苏柳1053较为稳定，尤其是无性系2521在3个地点均表现出生长优势。51-3，51-5和2381在轻度含盐立地有较强的正向交互作用，而在中度和重度含盐立地有负向交互作用；35-13在重度含盐立地有最强的正向交互作用，而在轻度含盐立地为负向交互作用；2391，50-6，2352和52-2在中度含盐立地有正向交互作用。

图1 基因型AMMI双标图

表6列出了12个柳树无性系在3个栽培地点标准煤产量平均值、离差和稳定性参数。12个无性系标准煤产量均值为12.817 t/(hm2·a)，大小排序为51-3>51-5>2521>2381>50-6>苏柳1053>52-2>2391>2579>35-13>2352>苏柳2345，其中51-3，51-5，2521和2381等4个无性系产量大于均值；12个无性系在3个地点的稳定性参数Dg为0.188—3.360，稳定性顺序为2521>苏柳1053>2579>52-2>2352>35-13>2391>50-6>苏柳2345>2381>51-5>51-3。

表6 无性系稳定性参数

表7 地点对品种的鉴别力

地点产量平均离差PCA1PCA2Dj轻盐16.9864.1684.304-0.2244.192中盐13.0370.219-2.553-1.6882.516重盐8.429-4.388-1.7511.9121.760

表7列出了12个柳树无性系的标准煤产量平均值在3个栽培地点的鉴别力值。Dj值越大鉴别力越强，轻盐立地的品种鉴别力最强，其次为中盐立地，重盐立地最弱。

3 结论与讨论

柳树是温带最速生的树种之一，具有适应性强、萌生能力强、易于更新、热值高等特点，在世界范围内广泛应用。针对特定的立地条件选育速生柳树优良品种是推进柳树生物能源林建设的重要手段。瑞典柳树人工林的干生物量平均值为10—12 t/(hm2·a)，最高可达30 t/(hm2·a)[16-17]。美国柳树无性系SV1生物产量达23.8 t/(hm2·a)[18]。加拿大柳树无性系SX64与SX61生物量分别为67.58 t/(hm2·a)和62.34 t/(hm2·a)[19]。李洪[8]认为杞柳的生物量最大为11.27 t/(hm2·a) 。本研究共选育12个优良无性系，其中无性系51-3,51-5和2381在轻度盐碱地上(土壤含盐量0.1%—0.2%)单位面积平均生物量为51.194—80.561 t/(hm2·a)；无性系2521和50-6在中度盐碱地上(土壤含盐量0.2%—0.4%)单位面积平均生物量分别为39.507 t/(hm2·a)和34.577 t/(hm2·a)；无性系2521和51-5在重度盐碱地上(土壤含盐量0.4%—0.5%)，单位面积平均生物量分别为32.254 t/(hm2·a)和25.886 t/(hm2·a)。无性系51-3在轻盐立地上生物量约为瑞典柳树能源林最高产量的2.6倍，约为美国能源林柳树无性系SV1生物量的3.4倍；约为加拿大SX64与SX61 2个柳树无性系的生物量的1.2倍和1.3倍；约为杞柳的7.1倍。选育出适合在江苏沿海盐碱地生长的柳树能源林无性系，有利于改善沿海生态环境，提高土地利用率，促进清洁能源产业的可持续发展。

造林密度的大小主要取决于无性系自身的特点，同时和土壤条件及经营强度密切相关，适宜的密度能提高能源林的生产力。同时造林密度还与收获期紧密相关，造林密度改变，其采伐期也会随之改变[20]。通常来讲，国际上柳树能源林的栽植一般采用宽窄行，密度为15 000—20 000 株/hm2，轮伐期为3—5 a[21-22]。李洪[8]研究发现轮伐期为2 a、密度15 000 株/hm2时，柳树的年均单位面积生物量为最大。本研究柳树株距30 cm，行距100 cm，密度为33 333 株/hm2，采伐时间为2 a，与国外研究相比，本研究栽植密度较高，且轮伐期相对较短。有的无性系(如无性系51-5)保存率低，但并未影响最终产量，可能是因密度降低，有利于保存株的生长，单株产量的增加弥补了数量上的不足。这种情况是否与初植密度过大有关，降低初植密度是否能提高保存率和单位面积产量有待于进一步研究。另外，有些无性系开始出现较严重的溃疡病(如无性系2820)，如果延长轮伐期是否会影响第3年的产量也需进一步研究。

热值是植物能量水平的一种度量，可反映植物对太阳辐射能的利用状况，也反映了植物组织对生态环境的适应性[23-25]。1934年向日葵不同部位叶片热值被首次测定[26]，此后开始了众多热值方面的研究。本研究采用春季萌发前的枝条测定低位发热量，无性系间存在显著差异。选取的22个无性系中低位发热量为12 580—14 641 J/g，无性系2521和2352低位发热量最低，与其他无性系间存在极显著差异(P<0.01)，这种差异的出现是否和无性系组织结构有关，究竟是那些因素造成的，能否稳定遗传等均有待于进一步研究，为选育低位发热量高且生物量大柳树品种提供依据。张英楠等[27]研究发现，5年生乔木柳无性系AAUSC全株热值最高，为3.168×108kJ/(hm2·a)。李洪[8]研究发现，3 个乔木柳(苏柳795、苏柳799和苏柳172)和 1 个灌木柳(杞柳)干质量热值为 2 年生大于 1 年生。本研究选育的12个无性系2年生热值平均为3.819×108kJ/(hm2·a)，超过AAUSC热值的20.5%，但现在仅有2年生春季萌发前枝条热值数据，下一步应开展优良无性系不同轮伐期热值的研究。

品种稳定性是评价品种推广价值的一个重要参考指标[14]，由于基因与环境的互作，大多数作物在不同地区种植的表型值常常不一致，有时还有显著的差异。因而，分析基因型与环境互作的大小，找到一种既适合种植又能获得稳定高产的品种，一种有效的评价品种稳定性的方法和模型就显得格外重要[28]。Kemption[29]第1次将这AMMI模型应用于小麦区域试验资料的分析，现在AMMI模型已广泛应用于水稻等作物品种区域试验中基因型与环境互作产量特征分析中[30-37]。本研究如用线性回归模型只能解释基因型与环境互作平方和的85.882%，而AMMI模型交互作用主成分PCA1和PCA2解释了基因型与环境交互作用平方和的100%，故采用改良的AMMI模型进行稳定性分析结果较为可靠。品种稳定性高表明在各种立地上表现较一致，但稳定性弱的品种可能在特定立地表现优良，如无性系51-3在轻度盐碱地上生长迅速，而与中盐和重盐立地有较强的负向交互作用，这也是本项研究扩大稳定系参试无性系的意义所在。

本研究采用年单位面积标准煤产量进行稳定性评价，这一指标综合了保存率、生物量、含水率、低位发热量等指标，是最终产品，与利用多项指标进行综合评价相比更加简洁，有更加实际的应用价值。