董鵬+姜繼元+李銘

摘要：采用田間測量和觀測法，以新疆干旱區(qū)引種文冠果資源為研究對象，通過主成分分析和兩步聚類分析方法，對424個文冠果優(yōu)選樣本進行植物學性狀比較研究。結果表明：文冠果幼樹植物學性狀均有較大變幅，且各指標之間存在很強的相關性，主成分分析結果表明，4個綜合指標的累計貢獻率為80.106%，基本反映了原始指標所涵蓋的信息，包含長勢因子、色度因子、樹形因子、小葉因子。兩步聚類分析結果進一步表明，枝條顏色是反映文冠果植物學性狀的重要指標，而與葉相關因子的預測重要性較低。

關鍵詞：新疆干旱區(qū)；文冠果；苗期選育；植物學性狀；主成分分析；聚類分析；枝條顏色

中圖分類號： S565.903 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0200-03

文冠果（Xanthoceras sorbifolia Bunge）為無患子科，單屬單種，是我國北方特有的木本油料植物[1]。由于文冠果具有耐干旱、耐貧瘠、耐鹽堿、抗風沙、抗嚴寒的生態(tài)學特性，是水土保持、防風固沙和荒漠化治理的優(yōu)良樹種[2-4]，非常適宜在新疆干旱區(qū)種植。20世紀70—80年代，我國北方許多地區(qū)曾有大面積的栽培[5]，具有食用、藥用[6-7]、木材、生物、生態(tài)、觀賞于一體的可持續(xù)開發(fā)價值[8]。文冠果實生繁育后代變異較大，其群體內類型較為混雜，不同株間差異懸殊等問題一直是制約文冠果發(fā)展的因素。關于文冠果幼樹性狀的已有文獻報道[9-14]，王雪峰等研究了一年生文冠果苗高的生長規(guī)律[9]，劉迪等研究了文冠果苗期的生長規(guī)律[12]，馬利蘋等定位觀測了文冠果生長季內生物學、生態(tài)學特性[13]。在文冠果優(yōu)系篩選方面，多以成齡樹豐產單株和觀賞單株為主要篩選目標，其篩選周期長、繁育較慢。而以文冠果幼樹優(yōu)良性狀的早期選擇和培育的研究較少，特別是以速生材料為主要篩選目標，對其植物學性狀的研究還未見報道。本研究以新疆干旱區(qū)引種文冠果資源為研究對象，通過對初選文冠果實生優(yōu)良單株的形態(tài)指標進行逐年觀測，采用主成分分析和兩步聚類分析，提取出篩選文冠果苗期選育的主要植物學性狀，旨在為文冠果幼樹優(yōu)良性狀的早期選擇和培育提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究區(qū)位于古爾班通古特大沙漠南緣，地處天山北麓中段的新疆石河子市，地理位置為84°58′～86°24′E、43°26′～45°20′N，是典型的干旱半干旱地區(qū)。年平均氣溫 6.5 ℃，年平均最高氣溫13 ℃，年平均最低氣溫0 ℃，無霜期為168～171 d，日照時數(shù)2 300～2 700 h，年平均降水量 125.0～207.7 mm，年蒸發(fā)量1 000～1 500 mm，是降水量的5倍以上。

試驗在新疆農墾科學院試驗基地開展，2015年3月中旬將種源為內蒙古赤峰翁牛特旗的文冠果種子播種到研究地，撫育管理等技術按照赤峰市林業(yè)科學研究院常規(guī)進行[15]；10月從研究地中篩選出長勢較好、比較具有代表性的大苗和壯苗文冠果樣本424個，作為生態(tài)型初步優(yōu)選樣本，用于調查其植物學性狀，并進行逐年測定。

1.2 研究方法

對一年生文冠果424個優(yōu)選樣本植物學性狀進行觀測，測定指標及方法如下。

1.2.1 生長指標 包括株高（cm）、地徑（cm）、復葉長度（cm）、復葉數(shù)（枚）、復葉上小葉數(shù)（枚）、小葉長（cm）、小葉寬（cm），每株選取上、中、下不同部位葉片，均采用卷尺和游標卡尺進行測量。

1.2.2 形態(tài)指標 包括枝條顏色（1淺褐色，2褐色，3深褐色）、樹姿（1直立，2半開張，3開張）、樹勢（1直立，2彎曲）、葉片顏色（1淺綠色，2綠色，3深綠色）、葉毛（1有葉毛，2無葉毛）、葉緣形態(tài)（1齒銳痕深，2齒銳痕淺，3齒鈍痕深，4齒鈍痕淺）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel進行標準化處理數(shù)據(jù)指標，用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行Pearson相關性分析、主成分分析和兩步聚類分析，其中主成分分析要求KMO值>0.5，同時Bartlett球形檢驗結果要求P<0.05[16]。

2 結果與分析

2.1 文冠果優(yōu)選樣本植物生長性狀與形態(tài)描述

由文冠果生長性狀（表1）可知，所有指標變異幅度大、長勢不均勻、變異系數(shù)（8.34%～21.41%）較大，苗期生長指標分化嚴重。在形態(tài)指標方面，枝條顏色以淺灰褐色和褐色為主，分別占46.4%和43.5%；樹姿以直立和半開張為主，分別占 47.3% 和36.7%；葉片顏色以中綠和深綠為主，分別占 54.1% 和39.1%；葉緣以齒銳痕深和齒銳痕淺為主，均占39.3%。

2.2 文冠果優(yōu)選樣本植物學性狀相關性分析

本試驗選取13個與文冠果種質資源植物學性狀相關的指標，424個樣本均無葉毛，所以不對其作統(tǒng)計分析，對12個文冠果植物學性狀指標進行標準化處理和Pearson相關分析，結果見表2。由表2可以看出，某些指標之間存在很強的相關性，株高和地徑與所有的營養(yǎng)生長指標呈現(xiàn)極顯著相關（P<0.01）；復葉數(shù)只與株高和地徑呈極顯著相關，與其他生長指標無明顯關系；小葉相關指標與株高、地徑和葉長呈極顯著關系。這說明株高和地徑越大，文冠果復葉及小葉相關生長指標越大。同時，從形態(tài)指標與生長指標Pearson相關系數(shù)可知，當株高越高，文冠果枝條、葉片顏色越淺，相對它的樹形越趨于彎曲生長；而當?shù)貜皆酱?，文冠果的樹姿越趨于開張方式生長。

2.3 文冠果優(yōu)選樣本植物學性狀主成分分析

相關分析結果表明，文冠果植物學性狀某些指標之間有很強的相關性，如直接用這些指標進行綜合評價，必然會造成評價信息的重疊，影響評價結果的客觀性，因此作了主成分分析。主成分分析的特征值和貢獻率是選擇主成分的依據(jù)，以12個與文冠果種質資源植物學性狀相關的指標作主成分分析。檢驗變量之間的相關關系KMO值為0.765>0.7，且Bartlett球形檢驗結果顯示P=0<0.05，因此適宜作主成分分析。將與文冠果種質資源植物學性狀相關的生長指標、葉片性狀等12個指標轉化成12個主成分。由表3可以看出，前4個主成分的特征值均大于1，累積方差貢獻率達80.106%，表明前4個主成分已經把文冠果植物學性狀的80%以上的信息反映出來，因此本研究提取4個主成分作為文冠果植物學性狀評價指標。

載荷矩陣反映主成分與原始指標的相關程度，從而為解釋主成分的實際意義提供理論依據(jù)。由表3、表4可知，第一主成分特征值為2.680，對應較大的特征因子有地徑、復葉長、株高、小葉長和小葉寬，這些性質與營養(yǎng)生長有關，所以稱為營養(yǎng)生長因子；第二主成分特征值為1.776，對應較大的特征因子有復葉數(shù)、株高、枝條顏色和葉片顏色，而復葉數(shù)和株高的系數(shù)為負，說明株高越高或者復葉數(shù)越多，枝條顏色和葉片顏色越淺；第三主成分特征值為1.135，對應較大的特征因子有樹勢和樹姿，與樹形有關，所以稱為樹形因子；第四主成分特征值為1.115，對應較大的特征因子有小葉數(shù)和小葉葉緣類型，均與小葉有關，所以稱為小葉因子。

2.4 文冠果優(yōu)選樣本植物學性狀聚類分析結果

本試驗中數(shù)據(jù)測量結果既有數(shù)值變量，又有分類變量，所以采用兩步聚類法判定各個變量的重要性，并構建預測變量重要性圖。以株高、地徑等作為連續(xù)變量，枝條顏色、葉緣等作為分類變量，SPSS 19.0統(tǒng)計軟件兩步聚類結果顯示，輸入自變量為12個，自動聚成3類，樣本均被有效劃分，聚類質量較好。表5顯示了由兩步聚類法分析得到的樣本分類統(tǒng)計特征，可以看出每個聚類的頻數(shù)及所占總樣本數(shù)和總有效樣本數(shù)的比例，可見424個樣本中全部參與了兩步聚類過程，其中199個分配到第1類，占樣本總體的46.934%，148個分配到第2類，占樣本總體的34.906%，77個分配到第3類，占樣本總體的18.160%。

圖1描述了文冠果優(yōu)良單株的植物性性狀相關指標的預測變量重要性結果（SPSS兩步聚類結果），反映植物學性狀的依賴性依次由枝條顏色、復葉長、樹姿、地徑、株高、樹勢、小葉長、小葉數(shù)、小葉寬、復葉數(shù)逐漸遞減，因此，在本試驗中枝條顏色指標是反映文冠果樹勢生長條件良好的重要參數(shù)指標，其次為復葉長和樹姿指標，而與復葉相關的參數(shù)指標的預測重要性較低。

3 結論與討論

文冠果幼樹植物學性狀指標均有較大變幅，這種變幅說明幼樹個體間存在較大的差異，這一分析結果為文冠果幼樹優(yōu)良性狀的早期選擇和培育提供了依據(jù)[17]。本研究選取了13個與文冠果幼苗植物學性狀相關的指標，其中葉毛性狀均表現(xiàn)為無葉毛。有研究認為，無葉毛類型的文冠果產量較高、較穩(wěn)定，豐產性能較明顯[18]，假設無葉毛為評價文冠果高產優(yōu)株性狀的重要指標，那么在該資源圃中各個單株均有機會成為高產優(yōu)株。另外，本試驗中資源圃為一年生文冠果，篩選目標為觀賞型、生態(tài)型文冠果資源圃，暫不考慮產量因素，因此忽略葉毛指標對篩選結果的影響。

相關分析結果表明，株高與除了樹姿以外的所有植物學指標呈現(xiàn)極顯著相關（P<0.01），另外幾乎所有生長指標都存在相關關系，同時，由Pearson相關系數(shù)可知，株高和地徑也影響枝條顏色、葉片顏色、樹形和樹姿等指標，與侯元凱等的研究結果[17]相同。說明文冠果植物學性狀某些指標之間存在很強的相關性，如果直接用這些指標進行綜合評價，必然造成信息的重疊，影響評價結果的客觀性[19]。

應用多元統(tǒng)計分析中的主成分分析法[20]，探討文冠果植物學性狀間的相互關系及分類，在本研究中提取的4個主成分已經概括了文冠果12個植物學性狀指標信息的 80.106%，因此可以以提取的4個主成分作為文冠果植物學性狀評價指標。在本研究中，424株樣本均是以生態(tài)型為目標篩選出來的，由主成分分析結果也可看出長勢為重要成分，除去長勢指標，另外色度因子、樹形因子、小葉因子也是影響文冠果優(yōu)株的主要因素，基本上反映了原始數(shù)據(jù)所涵蓋的信息，與侯元凱等對文冠果幼樹的研究結果[17]基本一致。為了能進一步提取文冠果優(yōu)株的主要影響因子，進一步作了兩步聚類分析，基于兩步聚類算法的分類，具有較高的科學性和精準性[21]，本研究對文冠果樣本植物學性狀進行了有效聚類，結果顯示，枝條顏色指標是反映文冠果樹勢生長條件良好的重要參數(shù)指標，其次為復葉長和樹姿指標，而與葉相關的參數(shù)指標的預測重要性較低，此結果有待后期的研究進行驗證。

文冠果的植物學性狀因子較多，且因子間存在錯綜復雜的相互關系，致使反映的信息容易出現(xiàn)重疊，難以得出簡明的規(guī)律。主成分分析和兩步聚類分析簡化了評價指標，從而能較容易和清晰地解釋因子間的關系。本試驗中2種分析共同揭示了一年生文冠果優(yōu)樹植物學性狀的主要因子組成，以期為文冠果幼樹速生型優(yōu)良性狀的早期選擇和培育提供依據(jù)，但須要進一步驗證和研究。

參考文獻：

[1]牟洪香. 木本能源植物文冠果的調查與研究[D]. 北京：中國林業(yè)科學研究院，2006：59-61.

[2]徐東翔，于華忠，烏志顏，等. 文冠果生物學[M]. 北京：科學出版社，2010：21.

[3]周 玲，王乃江，張麗楠. PEG脅迫對文冠果種子萌發(fā)和幼苗生理特性的影響[J]. 西北植物學報，2012，32（11）：2293-2298.

[4]張曉燕，高 永，胡春元，等. 文冠果耐鹽堿試驗研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2013，27（7）：168-172.

[5]汪智軍，張東亞，古麗江. 文冠果樹種類型的劃分及優(yōu)良高產單株的篩選[J]. 經濟林研究，2011，29（1）：128-131.

[6]Li Z L，Li X，Li L H，et al. Two new triterpenes from the husks of Xanthoceras sorbifolia[J]. Planta Medica，2005，71（11）：1068-1070.

[7]Yu L，Wang X，Wei X，et al. Triterpenoid saponins from Xanthoceras sorbifolia Bunge and their inhibitory activity on human cancer cell lines[J]. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters，2012，22（16）：5232-5238.

[8]閆東鋒，高 陽，劉 震，等. 河南省木本生物質能源樹種的篩選與評價[J]. 林業(yè)科技開發(fā)，2013，27（6）：80-84.

[9]王雪峰，胥 輝，陳艷云. 1年生文冠果苗高生長規(guī)律[J]. 西南林學院學報，2009，29（6）：28-33.

[10]內蒙古農牧學院林學系.文冠果[M]. 呼和浩特：內蒙古人民出版社，1977：37-41.

[11]徐東翔. 文冠果研究與實踐[M]. 赤峰：內蒙古科學技術出版社，2008：5-7.

[12]劉 迪，劉繼生，全雪麗. 文冠果苗期生長規(guī)律研究[J]. 安徽農業(yè)科學，2010，38（23）：12443-12444.

[13]馬利蘋，王力華，陰黎明，等. 烏丹地區(qū)文冠果生物學特性及物候觀測[J]. 應用生態(tài)學報，2008，19（12）：2583-2587.

[14]王雪峰. 平藤雅之.文冠果苗木生長與土壤含水量間關系建模[J]. 林業(yè)科學，2013，49（4）：70-76.

[15]侯元凱，楊超偉，劉慶宇. 文冠果種實性狀與引種栽培研究[M]. 北京：中國農業(yè)出版社，2013：32-38.

[16]王 彤. 醫(yī)學統(tǒng)計學與SPSS軟件應用[M]. 北京：北京大學醫(yī)學出版社，2008：67.

[17]侯元凱，黃 琳，高 巍，等. 文冠果幼樹生長性狀的相關性分析[J]. 經濟林研究，2012，30（2）：52-55，117.

[18]李博生. 文冠果豐產栽培實用技術[M]. 北京：中國林業(yè)出版社，2010.

[19]郭軍戰(zhàn)，張 敏，費昭雪，等. 文冠果數(shù)量性狀的主成分分析及聚類分析研究[J]. 西北林學院學報，2012，27（2）：66-69.

[20]姚榮江，楊勁松. 黃河三角洲地區(qū)土壤鹽漬化特征及其剖面類型分析[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2007，21（11）：106-112.

[21]張 偉，徐 遠. 兩步聚類方法[C]//信息化與管理創(chuàng)新：2006年全國第十屆企業(yè)信息化與工業(yè)工程學術年會論文集.杭州，2006：424-428.