昆嵛山赤松天然次生林群落植物物种与赤松枯梢病的关联性*

程 元 梁 军, 谢 宪 姜 斌 冯 琳 孙国文 张星耀,

(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 国家林业和草原局森林保护学重点实验室 北京 100091；2.山东昆嵛山森林生态系统国家定位观测研究站 烟台 264100；3.山东省烟台市昆嵛山林场 烟台 264100)

森林植物群落是指在一定时间和空间范围内不同森林植物物种间形成的有规律的稳定组合(李俊清，2017)，存在着不同形式的种间关系。植物物种种间关联性就是其中一类种间关系，是由于植物物种在不同生境中受到不同的生物因素和非生物因素的影响而形成的特定数量和空间分布关系(王伯荪等，1995；简敏菲等，2009；刘润红等，2018)，对研究植物群落结构、种群生态学、环境与物种多样性保护、病虫害防治以及物种多样性维持机制等具有重要意义(刘萍萍等，2000；史作民等，2001；梁军等，2018；Lavenderetal.，2019)。

松枯梢病[病原菌松球壳孢菌(Sphaeropsissapinea)]寄主分布广泛，可侵染松属(Pinusspp.)等8属约60种(含部分变种)针叶树种，已造成全球超过40个国家受害，其中美国、荷兰、新西兰、南非和中国尤为严重(吴小芹，1999；Jankovsketal.，2003；叶建仁等，2011；Iturritxaetal.，2013；Zlatkovicetal.，2017；Manzanosetal.，2019)。Hedgcock于1932年首次在美国发现松枯梢病病原菌危害北美乔松(P.strobus)和欧洲赤松(P.sylvestris)，到20世纪70年代，该病原菌引起的病害已在美国中部和东部的松树林中大面积发生(Palmer，1991；吴小芹，1999)；荷兰奥地利黑松(P.nigravar.austriaca)、科西嘉黑松(P.nigrassp.laricio)和欧洲赤松，新西兰辐射松(P.radiata)，南非辐射松和海岸松(P.pinaster)以及我国多个省份火炬松(P.taeda)、湿地松(P.elliottii)、黑松(P.thunbergii)、马尾松(P.massoniana)和樟子松(P.sylvestrisvar.mongolica)等松树林均受到松枯梢病病原菌侵染，造成大量树木死亡(Currieetal.，1978；Dijketal.，1992；Swartetal.，1996；宋晓东，2003)。我国已将松枯梢病列为重大森林病害之一(黄敬林等，2004)。针对昆嵛山赤松天然次生林群落而言，赤松枯梢病病害尚未在该地区暴发成灾，与赤松天然次生林群落内部自我调控息息相关。这些调控因子既包括非生物因子如温度、湿度、光照等，也包括生物因子如寄主植物、邻近非寄主植物等，并且植物在森林生态系统中起主导作用(潘琪等，2015)。因此，研究赤松枯梢病病情与相关植物物种关联关系显得尤为重要。当前研究除植物物种间关联分析以外(彭李菁，2006；张明霞等，2015；张岗岗等，2015；Liangetal.，2019；Liuetal.，2019)，还有部分虫害与邻近乔木和林下植物的关联分析(潘琪等，2014；2015)，如梁军等(2015)研究昆嵛山腮扁叶蜂(Cephalciakunyushanica)和乔木树种联结性时发现腮扁叶蜂与其寄主赤松和黑松呈显著正关联，与大青杨(Populusussurensis)和枳椇(Hoveniaacerba)和呈显著负关联，而将寄主植物间以一定比例混合搭配与腮扁叶蜂呈负关联关系的非寄主植物大青杨和枳椇，可以达到减轻腮扁叶蜂危害寄主植物的目的。但目前缺乏病害与邻近植物物种关联关系的探讨。因此，本研究以昆嵛山赤松天然次生林群落为对象，通过对赤松枯梢病病情及其寄主植物赤松和群落植物物种进行调查，探讨植物物种与赤松枯梢病间的关联关系，为进一步通过调整林分结构防治赤松枯梢病发生发展，实现赤松枯梢病生态调控提供理论依据和技术支撑。

1 研究地概况

昆嵛山赤松天然次生林位于胶东半岛东部暖温带落叶阔叶林区(121°41′34″―121°48′04″E，37°11′50″―37°17′22″N)，是赤松分布最集中的地区。针叶树种有赤松、黑松、华山松(P.armandii)、日本落叶松(Larixkaempferi)和杉木(Cunninghamialanceolata)等；阔叶树种有麻栎(Quercusacutissima)、栓皮栎(Q.variabilis)、盐肤木(Rhuschinensis)和山槐(Albiziakalkora)等；林下植物有花木蓝(Indigoferakirilowii)、胡枝子(Lespedezabicolor)、郁李(Cerasusjaponica)和鸭跖草(Commelinacommunis)等。年平均气温12.3 ℃，年降水量800～1 200 mm，年均相对湿度62.6%，无霜期200～220天；土壤多为棕壤，质地为砂质壤类型，有机质含量较低(胡瑞瑞等，2020；Xieetal.，2020)。

2 研究方法

2.1 样地设置

本研究综合考虑赤松纯林、赤松-阔叶混交林和赤松-针叶混交林林分类型，于2020年6―10月，选择赤松主立地和主林分作为调查样地，在海拔(200 m±25 m)、坡位(中)、坡度(30°±3°)、坡向(阳)、棕壤和林龄(40年±4年)等条件相近的赤松天然次生林设置了120块临时样地，每块样地面积为20 m×20 m，在每块样地中的4个顶角及正中心点分别设置1个5 m×5 m的灌木层样方，并在每个灌木层样方中设置1个2 m×2 m的草本层样方。

2.2 植物多样性调查

调查并统计昆嵛山赤松天然次生林样地内胸径(diameter at breast height，DBH)≥5 cm的乔木层活植株种类、数量和胸径以及灌木层、草本层植物的种类、数量和盖度。

2.3 赤松枯梢病调查

采用五点法，即在每块赤松天然次生林样地的4个顶角和正中心各选择6株共计30株赤松进行株枝梢发病情况调查，按5级分级加权平均数法对样地病情指数(disease index，DI)进行计算(沈伯葵等，1993；Huetal.，2019)。株病害分级标准见表1。

表1 赤松株枯梢病病害分级标准Tab.1 The classification standard of shoot blight of P. densiflora

2.4 指标测定

2.4.1 赤松次生林植物物种重要值计算 根据调查结果，分别计算每种植物物种的相对密度(RDi)、相对频度(RFi)、相对显著度(RPi)和相对基盖度(RCi)；乔木层树木的优势度由其重要值(IVi乔)表示，灌草层植物的优势度由其重要值(IVi灌和IVi草)表示(韩会阁等，2015；潘琪等，2015；王育松等，2010)。

乔木层树木重要值的计算方法：

IVi乔=(RDi+ RFi+RPi)/3；

灌草层植物重要值的计算方法：

IVi灌/IVi草=(RDi+ RFi+ RCi)/3。

式中：RDi=ni/N，ni表示第i个植物物种个体总和，N表示所有植物物种个体总和。RFi=Fi/F，Fi表示第i个植物物种的出现的样地数占总样地数的百分比(频度)，F表示所有植物物种频度总和。RPi=Gi/G，Gi表示第i个植物物种胸高断面积，G表示所有植物物种胸高断面积总和。RCi=Ci/C，Ci表示第i个植物物种盖度，C为所有植物物种盖度总和。

2.4.2 赤松枯梢病病情和植物物种关联性 本研究鉴于赤松枯梢病为真菌病害，并且在赤松上发病较为普遍，因此将昆嵛山赤松枯梢病病情指数作为赤松枯梢病病原菌松球壳孢菌这一真菌物种载体来分析其与植物物种关联性，即所涉及的物种关联为赤松枯梢病病情指数与植物物种的关联。其中，利用零联结模型导出方差比率方法来检验两者总体关联性，利用Pearson相关分析和Spearman秩相关分析并结合双尾显著性检验来定量判定病情-植物物种间的显著性和关联性。

1)赤松枯梢病病情和植物物种总体关联性 利用Schluter提出的零联结模型导出方差比率来检验所有昆嵛山赤松天然次生林植物物种与赤松枯梢病病情指数的总体关联性(Schluter，1984)。先进行零假设，即病害及各物种间无显著关联，其计算公式如下：

Pi=ni/N；

2)赤松枯梢病病情指数和植物物种种间关联性 将赤松枯梢病病情指数与植物物种进行Pearson相关分析和Spearman秩相关分析，并进行双尾显著性检验(Legendreetal.，2012；徐满厚等，2016)。2种分析方法的相关系数值域范围均为[-1，1]，取值为负呈负关联，取值为正呈正关联，取值为0则无关联关系。具体计算公式如下：

(1)Pearson相关系数

(2)Spearman秩相关系数

dj=xij-xkj。

式中：r(i,k)为物种i和k的Spearman秩相关系数，N为样地总数，xij和xkj分别表示样地j中物种i和k的多度值的秩，dj为物种i和k的秩之差，物种i设为赤松枯梢病病情指数，物种k为植物物种。

3 结果与分析

3.1 昆嵛山赤松次生林植物物种重要值

通过对昆嵛山赤松次生林120块样地植物多样性调查，共发现57科121属146种(变种、亚种)植物。乔木层有11科18属24种(变种)，赤松枯梢病寄主赤松相对密度为58.393，相对频度为21.277，相对优势度为78.124，重要值为52.598，是昆嵛山赤松次生林植物群落的优势种，该群落其他占有优势地位的乔木树种有黑松、麻栎和栓皮栎，重要值依次为13.557、12.000和9.280(表2)。灌木层有22科35属40种(变种)，占有优势地位的灌木物种主要有花木蓝、胡枝子、大花溲疏、郁李和小花扁担杆，重要值依次为38.210、17.097、7.324、7.303和6.348(表3)；草本层有31科72属82种(变种、亚种)，占有优势地位的草本物种有大披针苔草、白茅、宽蕊地榆、蕨、芒和鸭跖草，重要值依次为24.191、11.307、10.631、9.131、6.688和5.326(表4)。其中，花木蓝为林下植物群落(灌草层)的优势种，重要值最大。

3.2 赤松枯梢病病情和植物物种总体关联性分析

将赤松枯梢病病情指数与乔灌草层植物物种进行总体关联性分析，结果表明：赤松枯梢病病情指数与乔木层、灌木层和草本层植物物种的总体关联指数VR分别为1.285，2.221和2.581，均大于1，说明赤松枯梢病病情与乔木层、灌木层和草本层植物物种总体均呈现净的正关联。使用统计量W进行VR值偏离1显著程度检验，结果显示W分别为152.915，264.299和307.139，均未介于值域[χ2(0.95)，χ2(0.05)]([94.811，145.461])内，说明赤松枯梢病病情与乔木层、灌木层和草本层植物物种间存在着显著的正关联。

3.3 病害-植物物种间关联性分析

3.3.1 病害-乔木层植物物种间关联性分析 赤松枯梢病病情与24个乔木树种共构成24对病害-植物物种对(表2)。

表2 乔木物种重要值及其与赤松枯梢病病情指数的Pearson和Spearman秩相关系数①Tab.2 Important values of arbor and their correlation coefficients of Pearson and Spearman with disease index of shoot blight of P. densiflora

Pearson相关分析发现正关联对数10对，负关联对数14对，分别占总病害-物种对数的41.67%和58.33%，达到显著或极显著水平病害-植物物种对有6对，占总对数的25.00%。其中，赤松枯梢病病情与黑松、赤松为极显著正关联关系且关联强度为黑松>赤松，与麻栎、山槐、栓皮栎和盐肤木为极显著负关联关系且关联强度为栓皮栎>山槐>麻栎>盐肤木。

Spearman秩相关分析发现正关联10对，负关联14对，占比与Pearman分析结果一致，达到显著或极显著水平病害-植物物种对有7对，占总对数的29.17%。其中，赤松枯梢病病情与黑松、赤松为极显著正关联关系且关联强度为黑松>赤松，与麻栎、山槐、栓皮栎、水榆花楸和盐肤木为极显著负关联关系且关联强度为栓皮栎>山槐>麻栎>盐肤木>水榆花楸。

综合上述，在赤松天然次生林中，赤松枯梢病病原菌——松球壳孢菌与黑松和赤松趋于共存，与麻栎、山槐、栓皮栎和盐肤木难以共存。

3.3.2 病害-灌木层植物物种间关联性分析 赤松枯梢病病情与灌木层40个植物物种共构成40对病害-物种对(表3)。

表3 灌木物种重要值及其与赤松枯梢病病情指数的Pearson和Spearman秩相关系数Tab.3 Important values of shrub and their correlation coefficients of Pearson and Spearman with disease index of shoot blight of P. densiflora

Pearman相关分析发现正关联对数11对，负关联对数27对，无关联对数2对，分别占总病害-植物物种对数的27.50%，67.50%和5.00%，达到显著或极显著水平病害-植物物种对有3对，占总对数的7.50%。其中，赤松枯梢病病情与胡枝子为极显著正关联，与大花溲疏和葎叶蛇葡萄为显著负关联且关联强度为葎叶蛇葡萄>大花溲疏。

Spearman秩相关分析发现正关联对数13对，负关联对数27对，分别占总物种对数的32.50%和67.50%，达到显著或极显著水平病害-植物物种对有7对，占总对数的17.50%。其中，赤松枯梢病病情与胡枝子和紫穗槐为极显著正关联且关联强度胡枝子>紫穗槐，与大果榆和大花溲疏为显著负关联，与葎叶蛇葡萄、小花扁担杆和郁李为极显著负关联且关联强度为葎叶蛇葡萄>小花扁担杆>郁李>大果榆>大花溲疏。

以上结果表明在赤松天然次生林中，赤松枯梢病病原菌——松球壳孢菌与胡枝子趋于共存，与大花溲疏和葎叶蛇葡萄难以共存。

3.3.3 病害-草本层植物物种间关联性分析 赤松枯梢病病情与草本层82个植物物种共构成82对病害-物种对(表4)。

Pearman相关分析发现正关联对数40对，负关联对数41对，无关联对数1对，分别占总病害-植物物种对数的48.90%、50.00%和1.1%，达到显著或极显著水平病害-植物物种对有13对，占总对数的15.85%。其中，赤松枯梢病病情与射干为显著正关联，与白茅、败酱、宽蕊地榆、木防己、茜草、狭叶珍珠菜、野菊、野青茅和紫花地丁为极显著正关联，关联强度为白茅>败酱>野菊>野青茅>宽蕊地榆>木防己>狭叶珍珠菜>紫花地丁>茜草>射干，与毛秆野古草和杏叶沙参为显著负关联，与灯心草为极显著负关联，关联强度为灯心草>杏叶沙参>毛秆野古草。

Spearman秩相关分析发现正关联对数43对，负关联对数39对，分别占总物种对数的52.44%和47.56%，达到显著或极显著水平的病害-植物物种对有17对，占总对数的20.73%。其中，赤松枯梢病病情与茜草、射干和狭叶珍珠菜为显著正关联，与白茅、败酱、桔梗、宽蕊地榆、木防己、野菊、野青茅和紫花地丁为极显著正关联，关联强度为败酱>野菊>白茅>野青茅>木防己>宽蕊地榆>紫花地丁>桔梗>茜草>狭叶珍珠菜>射干，与鹅绒藤、毛秆野古草、香茶菜和杏叶沙参为显著负关联，与灯心草和鸭跖草为极显著负关联，关联强度为鸭跖草>灯心草>毛秆野古草>香茶菜>杏叶沙参>鹅绒藤。

即在赤松天然次生林中，赤松枯梢病病原菌——松球壳孢菌与白茅、败酱、宽蕊地榆、木防己、茜草、射干、狭叶珍珠菜、野菊、野青茅和紫花地丁趋于共存，与灯心草、毛秆野古草和杏叶沙参难以共存。

续表4 Continued

4 讨论

原昆嵛山天然赤松林受到赤松毛虫(Dendrolimusspectabilis)、松干蚧(Matsucoccusmatsumurae)等有害生物危害后大面积死亡，为防控虫害，当地对赤松林进行大量砍伐，随后引种黑松、华山松和日本落叶松等针叶树种，实施封山育林等营林措施，逐渐与麻栎、栓皮栎等阔叶树种发展形成昆嵛山赤松天然次生林(杜宁等，2007)。经过多年演替的赤松次生林乔木层、灌木层和草本层植物物种与赤松枯梢病病情总体均呈现显著的正关联，这一结果表明，赤松天然次生林群落中的植物物种与赤松枯梢病形成了稳定的共存状态。在这一稳定环境的基础上进行赤松枯梢病-植物物种关联性分析，为深入了解赤松枯梢病未暴发成灾原因提供理论支持，为该地区合理配置植物物种，防控松枯梢病发生发展给予重要指导实践意义。

目前物种种间关系的测定方法主要有2大类，一类是以2×2列联表为基础，应用χ2检验以及物种共同出现百分率IPC%、物种关联系数IAC和Ochiai关联度指数IOI等方法进行种间联结性质和联结程度测定(王伯荪等，1985；潘琪等，2015；张明霞等，2015)。但这一类测定方法是基于物种“出现-不出现”进行判断，缺乏物种间的多度信息，仅能定性判断种间关联性质和强度(王伯荪等，1985；张倩媚等，2006)。当病害或某一物种频度为100%时，评估病害与植物物种关系效果欠佳。而另一类则是以物种多度为基础进行种间关联性定量测定方法，常用的有Pearson相关系数和Spearman秩相关系数。前者检验要求物种数据必须满足正态分布，后者是一种非参数检验方法，不需要物种数据总体分布信息(徐满厚等，2016)。本研究考虑到松枯梢病在赤松树木上分布较为普遍的特点，选择了总体关联性分析方法以及Pearson相关系数和Spearman秩相关系数对赤松枯梢病-植物物种相关性进行探讨，这种方法即能够对病害与植物物种间总体关联性进行判断，又能定量地反映出赤松枯梢病病情与植物物种间的种间关联性质和关联强度。通过对赤松枯梢病与植物物种关联性分析发现Pearson相关系数和Spearman秩相关系数分析结果具有一致性，但也存在一定差异，Spearman秩相关系数检验显著率(21.23%)高于Pearson相关系数检验显著率(15.07%)，说明以等级数据进行Spearman秩相关分析方法较Pearson相关分析方法灵敏度更高，此发现与简敏菲等(2009)、邓莉萍等(2015)研究结果一致。

有研究表明，赤松与亲缘关系较近树种混交形成联合易感性，昆嵛山腮扁叶蜂虫口密度较高，而赤松与亲缘关系较远的树种混交形成联合抗性，虫口密度较低(朱彦鹏等，2013)。而昆嵛山腮扁叶蜂与赤松枯梢病病原菌的寄主类型相似，即2物种均可对包括赤松在内的多种松属树种产生伤害。本研究对病害-植物物种关联性分析发现，赤松枯梢病病情指数除与赤松和黑松呈极显著正关联外，还与火炬松表现出正关联关系，这些针叶树种均是赤松枯梢病病原菌——松球壳孢菌的寄主(Dijketal.，1992；叶建仁等，2011)，系统发育关系较近，具有相似的形态特征和生理生化特性，易于形成联合易感性，促进赤松枯梢病流行(Tahvanainenetal.，1972；Barbosaetal.，2009)。而赤松枯梢病与麻栎、山槐、栓皮栎、和盐肤木表现为极显著负关联，这些阔叶树种与寄主赤松的系统发育关系较远，易于形成联合抗性，阻碍病原菌繁殖和传播，进而减少病害的发生。

大部分灌草层植物与赤松枯梢病病情指数的关联性未达到显著程度，表明赤松枯梢病的发生与灌草层植物物种关联较为松散，即松球壳孢菌可侵染松属(Pinus)、冷杉属(Abies)、落叶松属(Larix)、崖柏属(Thuja)、雪松属(Cedrus)、刺柏属(Juniperus)、云杉属(Picea)和黄杉属(Pseudotsuga)等8个属约60种(含部分变种)针叶树种(宋晓东，2003；叶建仁等，2011)，不太可能直接与灌草层植物形成寄生关系。而本研究通过关联性分析发现少量灌草植物与赤松枯梢病病情指数具有显著或极显著正、负关联性，两者的相互作用可能体现在植物的化感作用或物理促进/隔离等方面，这一问题有待深入探究。

由表2―4中Spearman相关系数可知，乔木层水榆花楸、灌木层大果榆和草本层香茶菜等与赤松枯梢病病指数呈显著或极显著负关联，但重要值偏小，与潘琪等(2014)研究结果较为一致，说明这些植物物种可以在抑制赤松枯梢病病情方面发挥作用，但因其重要值较小，仅能被灵敏度较高的Spearman秩相关分析方法检测出，不排除这些植物物种具有潜在生态调控价值。

5 结论

昆嵛山赤松天然次生林群落中的植物物种与赤松枯梢病形成了稳定的共存状态。乔木层赤松和黑松，灌木层胡枝子以及草本层白茅、败酱、宽蕊地榆、木防己、茜草、射干、狭叶珍珠菜、野菊、野青茅和紫花地丁与赤松枯梢病病原菌趋于共存，对赤松枯梢病流行具有促进作用；而乔木层麻栎、山槐、栓皮栎和盐肤木，灌木层大花溲疏和葎叶蛇葡萄以及草本层灯心草、毛秆野古草和杏叶沙参与赤松枯梢病病原菌难以共存，对赤松枯梢病发生发展具有抑制作用。因此可以通过调整林分结构，减少植物群落中与赤松枯梢病病原菌共存植物物种，或增加与赤松枯梢病病原菌难以共存植物物种，达到赤松枯梢病生态调控的目的。