高旭

(國營新賓滿族自治縣趙家林場，遼寧 撫順 113213)

苔蘚植物是植物界中由水生向陸生過渡的一大類群，其種類僅次于種子植物的高等植物群落[1], 有其特殊的適應機制，能在寒冷、干旱、溫度過高和陰暗的環(huán)境中生長繁育，由于其特殊的生理適應性，其在森林生態(tài)系統(tǒng)、巖石和沙丘、草甸高山等生態(tài)環(huán)境中扮演著重要的生態(tài)恢復先鋒植物角色[2]。本項試驗以撫順博大復墾基地矸石山排土場陰坡邊坡地為研究對象，兼顧前期研究成果，選取4種植物組配置模式進行生態(tài)修復試驗，綜合分析土壤改良及植被恢復效果，探索其各參試植物生長發(fā)育狀況，以及土壤理化性質(zhì)，以期為生態(tài)恢復技術(shù)模式提供理論參考和試驗依據(jù)，最終篩選出最優(yōu)配比模式[3,4]。

1 研究方法

1.1 試驗材料

以遼寧地區(qū)常見苔蘚植物為試驗材料，試驗伴生樹種選擇耐旱性較強的紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.)，草本植物選擇草木樨(MeliotusofficinalisL.)。苔蘚種類及來源具體見表1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗地選取撫順博大復墾基地矸石山排土場陰坡邊坡地。選擇紫穗槐為造林優(yōu)選樹種，以真蘚配子體和草木樨種子混合物為優(yōu)選草本植物。共設(shè)計4種配置模式：模式一(M1)，紫穗槐行間直播真蘚配子體和草木樨種子混合物(真蘚和草木樨質(zhì)量比為0.5∶1)；模式二(M2)，紫穗槐樹間隔栽植—行間直播草木樨；模式三(M3)，紫穗槐行間隔栽植—行間直播真蘚配子體和紫穗槐種子混合物(真蘚和草木樨質(zhì)量比為0.5∶1)；模式四(M4)，紫穗槐間隔栽植—行間直播紫穗槐。2017年5月中旬進行造林試驗，每種模式以紫穗槐各50株為一個造林地塊，株行距0.5 m×0.5 m，每種模式種植5個地塊，4種模式共計20個地塊。紫穗槐栽植均采用樹穴內(nèi)放客土15 cm造林措施。因邊坡地位于各排土場平臺之間，坡度較大，表層土壤、砂石松散易滑落，因此栽植前不進行整地，以盡可能保護邊坡土壤本底狀況，真蘚以具有配子體的殘體噴播施用，噴播量為500 g·m-2。

表1 苔蘚種類及來源

1.3 測定項目

2017年依據(jù)4種模式進行人工造林，分別于造林完成時(A1)，2017年8月(A2)和2018年8月(A3)進行株高、冠幅、成活率、地徑、生物量和地表覆蓋率等狀況調(diào)查。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下抗旱性主成分分析

由于各品種之間存在固定的差異性，為了減小其之間的誤差，本試驗所測定的各項數(shù)據(jù)指標都進行了人為抗旱干擾試驗測定，對其各結(jié)果進行了主成分分析法作抗旱分析主要根據(jù)。由于主成分分析法相對于方差分析和絕對值法更能準確反映各個苔蘚抗旱指標，本方法采用的是降維思想，直接反映了無法直觀測量的隱性變量數(shù)據(jù)指標，對比其他方法更能準確地分析了各個苔蘚品種間抗旱性指標數(shù)據(jù)的準確，綜合性全方位的概括了多因素分析抗旱指標的有效途徑。在本次抗旱指標的測定實驗中，不同年度測定的抗旱數(shù)據(jù)經(jīng)過加權(quán)平均分析后在利用主成分分析，所得的抗旱指標結(jié)果如表2所示。

表2 2個主成分特征值及累計貢獻率

表3 各因子載荷矩陣

表4 各成分向量矩陣

各個苔蘚抗旱指標經(jīng)過主成分分析，其中各個抗旱指標數(shù)據(jù)中單獨成立的6個抗旱主成分貢獻率已接近其主體貢獻率的100%，X1～X6之間數(shù)據(jù)可以完全代表了各個指標間大量數(shù)據(jù)信息，為其方便計算及形象直觀展示，使用了排列前3的數(shù)據(jù)指標變異進行主成分分析法對其分析描述，依據(jù)其主成分分析數(shù)據(jù)的因子載荷量制作主成分散點圖，更能形象直觀展現(xiàn)了抗旱指標差異，通過圖1可知，各個苔蘚抗旱指標數(shù)據(jù)主成分分析載荷值所呈現(xiàn)的不同空間分布，不同測定指標均不落在原點和坐標軸上，有效的闡明了各個指標抗旱性和坐標軸所對應的因子都有相關(guān)性，并且相互作用非常明顯。

圖1 干旱脅迫對苔蘚抗旱性影響的主成分散點圖

表3和表4分別為各成分的因子載荷矩陣和成分向量矩陣，據(jù)此可獲得各因子得分公式，如下：

Y1=0.29×X1+0.43×X2+0.52×X3+0.51×X4+0.11×X5+0.43×X6

(1)

Y2=0.61×X1+0.07×X2-0.17×X3-0.15×X4+0.7×X5-0.29×X6

(2)

Y3=0.14×X1-0.88×X2+0.37×X3+0.2×X4+0.13×X5+0.05×X6

(3)

根據(jù)各品種Y1、Y2和Y3的值，各品種的綜合得分公式Y(jié)為：

Y=0.476 74×Y1+0.276 25×Y2+0.124 57×Y3

(4)

通過矩陣分析后Y值可見，Y值隨著指標的增大，其各個苔蘚品種的抗旱性則越來越強。由此可知，在矸石山干旱地區(qū)的植被恢復中，各個苔蘚品種之間的抗旱性依次順序為：葫蘆蘚>泥炭蘚>真蘚>小墻蘚>大灰蘚>山地墻蘚>仙鶴蘚>狹葉小羽蘚>刺葉墻蘚>黑扭口蘚>提燈蘚>大帽蘚>曲柄蘚>小葉蘚>鳳尾蘚。

2.2 基于SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)干旱脅迫苔蘚抗旱性聚類分析

對15個苔蘚種類在4個脅迫時間下測得的6個性狀的相對值進行數(shù)據(jù)標準化后，利用數(shù)據(jù)挖掘軟件MATLAB 2012a進行自組織映射(SOM)聚類分析，將標準化的數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)的輸入層，進行200 000次的訓練后穩(wěn)定，得到聚類分析結(jié)果如表5所示。

表5 基于SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類分析結(jié)果

通過本試驗對各個苔蘚抗旱指標數(shù)據(jù)進行分析處理后，我們選定的各個品種大致可以分為3種類型，依據(jù)主成分分析法對其數(shù)據(jù)分析可知，從第Ⅰ類到第Ⅲ類基本遵循抗旱性由弱到強排列。其中，真蘚(S1)、葫蘆蘚(S3)和山地墻蘚(S14)對干旱脅迫不敏感，抗旱能力較強，可用于排土場生態(tài)修復中。

2.3 不同模式下參試灌木和草種生長發(fā)育影響

不同模式下草木樨和紫穗槐的生長狀況可知，除邊坡地下部紫穗槐外，真蘚配子體可顯著提高先鋒作物的保存率?；煊姓嫣\配子體的草木樨保存率達到了96.4%、89.6%和84.3%，而未直接播種的草木樨種子的最高發(fā)芽率僅為在邊坡地上部的80.2%。真蘚配子體對紫穗槐影響較大，具有促進萌發(fā)、提高保存率的作用，但是在邊坡地下部，是否混有真蘚配子體的紫穗槐保存率間差異不顯著，這可能是由于邊坡地不穩(wěn)定，下部植物易受中上部坍塌或者滾石的影響，M4模式下的一部分紫穗槐可能因礫石花落或坍塌等而出現(xiàn)非正常死亡。真蘚配子體提高種子發(fā)芽率的原因可能是苔蘚植物具有保水作用，在干旱條件下，降低了土壤水分的散失速度，或者是因為真蘚配子體中的代謝產(chǎn)物對種子萌發(fā)有促進作用，這仍需進一步研究。

不同模式下，草木樨的單株生物產(chǎn)量差異不大。M1模式的草木樨單株生物量上部、中部和下部分別為20.9 g、22.3 g和21.5 g，M2模式的單株生物量上部、中部和下部19.8 g、22.4 g和21.6 g，不同模式間差異不顯著，且上部、中部和下部邊坡區(qū)域間草木樨單株生物量差異不顯著。紫穗槐的單株生物量與草木樨具有類似的特點，不同邊坡區(qū)域和不同模式間差異較小。

M2模式下，不同邊坡區(qū)域內(nèi)草木樨的群體生物產(chǎn)量均高于M1模式。M2模式下，邊坡上部區(qū)域的草木樨群生物量為152.49 g，是M1模式的111.3%，增加了11.3%；下部區(qū)域，M1模式的草木樨群體生物量最低，僅有108.4 g；但相同模式內(nèi)，中部區(qū)域與下部區(qū)域間群體生物量差異不顯著。M3和M4模式下，紫穗槐群體生物量間差異明顯，M4模式下，上部區(qū)域的紫穗槐生物量為195.4 g，高于M3模式9.5%，中部和下部區(qū)域紫穗槐生物產(chǎn)量分別高于M3模式18.6和16.5%。

圖2 不同模式下紫穗槐和草木樨生長狀況

3 結(jié)論

葫蘆蘚、泥炭蘚、真蘚3種苔蘚可以通過提高周邊土壤的水分含量，有效促進了灌木、草本萌發(fā)生長，提高了單株株高和生物產(chǎn)量等，但對群體生物產(chǎn)量影響較?。焕弥鞒煞址治龈鱾€苔蘚抗旱指標，結(jié)果表明苔蘚種類抗旱性由大到小排列為：葫蘆蘚>泥炭蘚>真蘚>小墻蘚>大灰蘚>山地墻蘚>仙鶴蘚>狹葉小羽蘚>刺葉墻蘚>黑扭口蘚>提燈蘚>大帽蘚>曲柄蘚>小葉蘚>鳳尾蘚，即葫蘆蘚、泥炭蘚、真蘚等3種苔蘚可作為排土場生態(tài)恢復的先鋒植物。