基于主成分分析的黄柳插穗指标研究

刘 博，刘冠志，张瑞麟，兰 庆，刘果厚

(1. 内蒙古自治区自然资源保护与利用研究中心，内蒙古 呼和浩特 010020； 2. 内蒙古农业大学 草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特 010019； 3. 内蒙古机电职业技术学院，内蒙古 呼和浩特 010070)

浑善达克沙地是我国四大沙地之一[1]，位于内蒙古中部的农牧交错地带[2]。20世纪50年代末，浑善达克沙地还是中国所有沙漠沙地中沙丘固定程度最高、动植物种类最丰富、生态景观最优越的地方[3]。从20世纪60年代至21世纪初，浑善达克沙地已成为荒漠化发展最快、危害最严重的地区之一，也是气候变化及人类活动影响较为敏感的地区之一[1]，是威胁京津地区的一个主要沙尘源区[4]。近年来，通过京津风沙源治理、退耕还林还草等工程以及各种防沙治沙措施的实施，浑善达克沙地荒漠化明显得到遏制，生态环境明显好转[5]。其中，利用植物再生沙障来固定流动沙地是一种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复和防风固沙效果而受到了广泛的关注，经过多年的技术研究与实践总结，目前已形成了较为成熟的再生沙障建植技术体系[6-9]。

黄柳(Salixgordejevii)是浑善达克沙地先锋固沙植物，受到了研究者的广泛关注。有关黄柳的研究始于20世纪80年代初，主要有形态特征[10]、耐热性、耐旱性[11]、光合作用[12]、气孔导度[13]、水分状况[14]、种群数量[15]、群落演替[16]、更新复壮[17-18]、根系分布和冠层结构[19]、叶片[20-21]、根系[22]、遗传多样性[23]等方面。黄柳造林及再生沙障的研究也较为深入，是该研究领域的典型代表植物之一。李佃勇[24]首先提出营造黄柳和小红柳(S.microstachyavar.bordensis)林是治理浑善达克沙地的有效途径。张瑞麟等[3]研究了浑善达克沙地黄柳再生沙障的防风固沙效益，指出建立适宜类型的黄柳再生沙障是治理该区域流沙的重要措施之一。邢存旺等[25]对冀西北地区再生沙障植物种进行了筛选、抗性评价及沙障建植技术的研究，指出黄柳是该区域较好的建植材料之一，其沙障设置时间以春季成活率最高，最佳埋设深度60 cm，平行带状沙障以带间距 2.5～3.0 m为宜，网格以6 m × 6 m为宜。靳有光等[26]对黄柳再生沙障在实际推广应用中进行了探索。综合以上分析，众多研究重点在于沙障的设置类型、防风固沙效益及其推广，并未对立地条件及再生沙障插穗个体(如插穗长度、栽植密度、采集时间和扦插时间等)进行研究。刘冠志等[9]通过对黄柳再生沙障插穗指标与成活率关系的研究，探讨了插穗指标及其适宜值。在此基础上，本研究继续深入探讨该问题。通过对浑善达克沙地2种不同立地类型(平缓沙地和风蚀坑)的插穗长度等指标与黄柳生长指标的关系进行研究，探讨黄柳再生沙障建植过程中适宜的插穗长度、栽植密度、采集时间和扦插时间，为今后的实践工作提供理论依据和指导，并为黄柳再生沙障建植技术指标体系建立提供理论基础。

1 研究区概况

浑善达克沙地(42°10′—43°50′ N，112°10′—116°31′ E)东起大兴安岭南段西麓，向西延伸至集二铁路沿线以西。属温带半干旱大陆性季风气候，冬季漫长寒冷，夏秋季短而炎热。年均气温 1.7 ℃，≥10 ℃积温2 000～2 600 ℃；无霜期100～110 d。降水分布不均匀，降水量自东南向西北逐渐递减，东南部降水350～400 mm，西北部100～200 mm，年蒸发量2 000～2 700 mm。冬春季节，风大沙多，全年多偏西风，年平均风速为3～5 m·s-1，最大风达12级[1]。土壤类型以栗钙土为主，其次是棕钙土；非地带性土壤主要是风沙土。沙地东端为草甸草原，西端为荒漠草原，中间广大沙区处于半干旱草原带。沙地地带性植被以草原植被为主，针阔叶乔木、榆树疏林等超地带性植被明显[27]。

2 研究方法

2.1 试验方法

在内蒙古正蓝旗境内的浑善达克沙地综合治理试验示范研究区内选择典型的平缓沙地和风蚀坑，分别进行黄柳插穗长度、栽植密度、采集时间和扦插时间试验，每组试验设置3个重复，每个重复设置插条500根。插穗选取2～3 a生无病害健壮黄柳枝条，粗细相近(直径约1 cm)，用剪刀先将黄柳枝条的侧枝和梢头的幼嫩部分去掉，然后截制成不同长度的插穗，并将其下端平滑斜切，上端平切。

沙障类型设置为带状沙障，垂直主风向，带间距2 m。设置沙障时采取随整地随扦插的方法。剥去干沙层进行开沟，开沟深度视插条长度而定，宽度约15 cm。将插条全部垂直插入沙层与地面齐平，扦插后先将湿沙填入，将底部踏实，再填干沙踩实以防止水分流失。

2.1.1插穗长度试验

分别在平缓沙地和风蚀坑2种立地类型上进行试验，插穗采用春季萌发前的现采条，长度分别为35 cm、50 cm、65 cm和80 cm，栽植密度均为10株·m-1。

2.1.2栽植密度试验

分别在平缓沙地和风蚀坑2种立地类型上进行试验，插穗采用现采条，栽植密度分别为7株·m-1、10株·m-1、13株·m-1、16株·m-1，插穗长度均为50 cm。

2.1.3采集时间试验

分别在平缓沙地和风蚀坑2种立地类型上进行试验，插穗采用春季萌发前的现采条，前一年秋季休眠后的冬贮条，选取2～3 a生健壮黄柳枝条，插穗直径约1 cm，长度为50 cm，栽植密度为10株·m-1。冬贮条是将截制好的插穗每100根打成一捆并整齐下窖，每隔一层放一层冰或雪，防止次年春季温度过早上升，并距地面 0.5 m左右封盖，加雪或冰，并每隔3～4 m设一个通风口，供翌年造林使用。

2.1.4扦插时间试验

在平缓沙地上进行试验，设置3组试验，即春季冬贮条、春季现采条和秋季现采条。设置时间为前一年秋季(9月)和当年春季(4月)，前一年秋季采用现采条，当年春季分别采用现采条和冬贮条，插穗长度为50 cm，栽植密度为10株·m-1。

2.2 试验调查与数据处理

当年9月开展试验调查，采用实地调查测量法分别对插穗的生长情况进行调查，3个重复，每个重复测量50株，共150株。调查指标包括插穗株高、枝条长、枝条基径、分枝数、叶长、叶宽及地上生物量，分别用卷尺、游标卡尺、精度为 0.01 g电子天平测量。分枝数为插穗萌生枝的数量。地上生物量采用收获法，烘干称重，3个重复，每个重复测量20株，共60株。

由于株高、枝条长、枝条基径、分枝数、叶长、叶宽及地上生物量均不能单独反映插穗的生长状况，因此，运用主成分分析方法对以上指标进行综合分析是较为合理的方法。数据分析采用Excel 2007和SPSS 19.0进行分析，制图采用Sigmaplot 12.0。

3 结果与分析

黄柳再生沙障的生长状况数据见表1～表4。对各生长指标进行主成分分析，并通过主成分表达式计算出各指标水平的主成分得分，由各指标水平的主成分得分(当主成分个数为2时)在二维空间中描绘出各指标水平的分布情况[28]，得出黄柳再生沙障各指标的最优生长状况，从而确定各指标最适值，即最佳指标水平。

2种立地条件下不同插穗长度黄柳的生长状况见表1，下式为不同插穗长度对生长状况的主成分分析。

平缓沙地：

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)

风蚀坑：

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*表示对插穗各生长指标原始变量标准化后的变量。

表1 2种立地条件不同插穗长度黄柳插穗的生长情况Tab.1 The growth status of cuttings of Salix gordejevii with different lengths in two different sites

2种立地条件下不同栽植密度黄柳插穗的生长状况见表2，下式为不同插穗密度对生长状况的主成分分析。

平缓沙地：

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)

风蚀坑：

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*表示对插穗各生长指标原始变量标准化后的变量。

2种立地条件下不同采集时间黄柳插穗的生长状况见表3，下式为插穗不同采集时间对生长状况的主成分分析。

平缓沙地：

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)

风蚀坑：

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*表示对插穗各生长指标原始变量标准化后的变量。

表3 2种立地条件不同采集时间黄柳插穗的生长情况Tab.3 The growth status of cuttings of Salix gordejevii with different collecting time in two different sites

平缓沙地不同扦插时间黄柳插穗的生长状况见表4，下式为插穗不同扦插时间对生长状况的主成分分析。

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*表示对插穗各生长指标原始变量标准化后的变量。

表4 平缓沙地不同扦插时间黄柳插穗的生长情况Tab.4 The growth status of cuttings of Salix gordejevii with different planting time in flat sandy land

将各指标水平原始数据标准化后带入其主成分，得到黄柳再生沙障生长状况主成分得分(表5)。将各指标水平的主成分得分在二维空间中描绘出各指标水平的分布情况(图1，若只存在第一主成分，在二维图上假设第二主成分存在，且得分为1)。由图1可看出，分布在第一象限的是4、8、21、10、3、2和7，说明在这几个指标水平下沙障的生长状况最好。分布在第四象限的是15、22和16，因为第四象限的主要特征是第一主成分，第一主成分占信息总量的比重大，所以，这3个指标水平沙障的生长状况也比较好。分布在第二、三象限的指标水平生长状况均较差。由于2、3和4是同一指标下的不同水平，且4的第一主成分比重较大，所以4的生长状况最好，即平缓沙地插穗长度为80 cm的黄柳再生沙障生长状况最好；同理，同一指标下，8较7的生长状况好，17较18的生长状况好，15较16的生长状况好；10、19和21在其各自所属指标中的生长状况也最好，即风蚀坑插穗长度为80 cm的沙障生长状况最好，平缓沙地与风蚀坑插穗栽植密度分别为10株·m-1和13株·m-1的沙障生长状况最好；平缓沙地与风蚀坑插穗采集的最佳时间均是秋季(冬贮条)，插穗扦插最佳时间为春季，且冬贮条生长状况最好。

表5 不同指标水平黄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：图中数字为各指标水平序号。

4 讨论

黄柳再生沙障插穗指标与其成活率的研究表明，插穗个体的综合指标也是影响再生沙障成活与生长的主要因素[9]，沙障建植过程中要重视对插穗长度、栽植密度、采集时间和扦插时间等插穗个体指标的设置。再生沙障的防风固沙效益既与插穗的成活率有关，也与插穗的生长状况有关，因此，通过对插穗成活率与生长状况的综合分析，以确定其各指标的适宜值较为合理。

2种立地类型条件下，随着插穗长度的增加，黄柳再生沙障的生长状况均逐渐提高，并且插穗长度为80 cm时其生长状况最好。这与插穗长度与成活率的研究所得出平缓沙地和风蚀坑分别为50 cm和65 cm较为适宜的结果不一致[9]。分析认为，插穗越长，其本身体内蓄积的可供生根成活的水分和养分就越多，并且容易吸收深层基质的水分和养分，但是在实际设置再生沙障进行流沙治理时，往往需考虑省工省时省料的综合效益，所以平缓沙地和风蚀坑2种立地类型条件下插穗长度不低于50 cm和65 cm时较为合理，此结果与前人的研究结果一致[25]。

在平缓沙地立地类型条件下，栽植密度为10株·m-1插穗的生长状况较好，当年株高为 87.89 cm。在风蚀坑立地类型条件下，插穗生长状况较好的栽植密度为13株·m-1。插穗栽植密度与阻沙量及防风效果呈正相关关系，沙障设置初期，栽植密度越大，插穗覆沙的风险就越大，不利于插穗的成活，而沙障成活后，栽植密度越大，防风效果愈加突显。因此，风蚀坑立地类型下插穗栽植密度可配置为10～13株·m-1，当年株高为 76.78 cm。

插穗采集与扦插时间是扦插繁育中关注的主要问题，直接影响繁育的结果[29]。2种立地类型下，插穗采集时间与扦插时间研究的结果与已有的研究结果相符，即秋季采集插穗，经过冬季冷冻贮存，次年春季扦插，其生长效果明显好于春季和秋季现采现插。因为树木在秋末积累了大量营养物质，并进入休眠期，其枝条用于扦插成活率高。而且，插穗入窖冷冻冬贮，保持低温湿润，亦可提高扦插成活率。试验表明春季扦插的生长状况好于秋季，主要受季节变化影响。插穗秋季扦插后，便要面对环境条件恶劣的冬季和春季，从而严重地影响了其成活与生长；而春季扦插是在4月进行，此时水分蒸发相对较弱，而且温度逐渐升高，土壤墒情逐渐转好，以及之后进入环境条件适宜的夏季与秋季，都决定了插穗具有良好的生长状况。

插穗长度与栽植密度均与立地类型相关。风蚀坑沙障的生长状况受外部环境的影响较平缓沙地大，而受插穗指标的影响相对较小。一方面，由于风蚀坑表层土壤和植物根系层的丢失，养分往往比较贫乏，于植物而言，相当于空白的小生境[30]；另一方面，由于风蚀坑的成因、形态和发展阶段的不同决定了微地貌、微环境受扰动的程度，并且随着盛行风方向的变化，风蚀坑的主剥蚀与沉积部位发生相应改变[31]。插穗的采集时间和扦插时间与立地类型无显著关系，主要决定因素为植物自身的生物学特性。

5 结论

插穗的生长状况与其指标具有密切相关关系，本研究确定了浑善达克沙地黄柳再生沙障插穗各指标的适宜值。平缓沙地和风蚀坑立地类型条件下，插穗长度以不小于50 cm和65 cm较为适宜，当年株高分别达 87.89 cm和 78.38 cm；平缓沙地插穗栽植密度为10株·m-1较为适宜，当年株高为 87.89 cm；风蚀坑插穗栽植密度为10～13株·m-1生长状况较好，当年株高在 76.78 cm以上；秋季进行插穗采集，并进行冬贮，比春季现采条的生长状况好；插穗在春季扦插较秋季扦插的生长状况好，并且春季扦插冬贮条的生长状况最好。不同立地类型条件下黄柳再生沙障建植的插穗长度和栽植密度存在差异，而插穗的采集时间与扦插时间主要决定因素为植物自身的生物学特性。

插穗指标应作为再生沙障建植技术体系中重要的一部分，在今后的研究中需更加注重插穗指标与沙障类型及其防风固沙效果的研究。