康英, 朱欣偉, 張利, 李旭華, 何建社, 劉千里, 李登峰, 馮秋紅*, 楊曉梅

1. 阿壩藏族羌族自治州林業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所，四川 汶川 623000；

2. 四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川臥龍森林生態(tài)系統(tǒng)定位站，成都 610081；

3. 阿壩州林業(yè)和草原局，四川 馬爾康 624000

岷江上游干旱河谷地區(qū)土壤貧瘠，地質(zhì)活動頻繁，生態(tài)環(huán)境脆弱，立地條件差[1]，篩選出生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)樹種是實現(xiàn)當(dāng)?shù)鼐用衩撠氃鍪盏闹匾緩街?。目前，針對干旱河谷地區(qū)植物葉片的形態(tài)解剖[2]、水分生理[3]、光合生理[4]、抗氧化酶[5]等方面已有研究，但單一的生理生化指標(biāo)難以充分反映出植物的綜合適應(yīng)性[6]。采用隸屬函數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)度分析及聚類分析，以11種經(jīng)濟(jì)樹種為研究對象，測定在干旱河谷環(huán)境條件下的光合、氣體交換、葉綠素?zé)晒狻⑺?、滲透物質(zhì)、抗氧化酶活性等13個生理生化指標(biāo)，構(gòu)建多指標(biāo)的綜合評價體系，為岷江上游干旱河谷地區(qū)經(jīng)濟(jì)樹種的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣桃坪鎮(zhèn)佳山寨村苗圃內(nèi)（N34°28'，E105°54'），苗圃所在地屬高山河谷地貌，海拔1 700 m左右，坡向西北，坡位中下坡，年平均氣溫11.8 ℃，年均降雨量592.3 mm，年均蒸發(fā)量1 413.9 mm，土壤為山地燥褐土，屬于典型的干旱河谷地區(qū)[5]。

1.2 試驗材料與試驗設(shè)計

試驗材料為盆栽的紅翅槭、黃連木、核桃、沙棘、四川黃櫨、西康扁桃、枸杞、烏梅、巴旦木、榛子、黑果枸杞等11個樹種的3年生播種苗（見表1 ），每盆1株，盆內(nèi)土壤采用當(dāng)?shù)氐湫蜕降卦锖滞磷鳛榛|(zhì)，并對試驗樹種進(jìn)行日常澆水、除草等管理[5]。于2017年7月15日—7月25日，每個樹種選擇30株長勢基本一致、健康無病蟲害的樹苗為試驗對象，測定其生理生化指標(biāo)。

表1 試驗樹種概況表Tab.1General information of the experimental tree species

1.3 測定指標(biāo)與測定方法

1.3.1 飽和光下最大凈光合速率及氣體交換參數(shù)的測定

選擇當(dāng)年生、飽滿、健康并位于向陽面的葉片，每株測定3片，每種樹種測定8株，在晴朗天氣的上午9:00—12:00和下午3:00—5:00，采用Licor-6400（Licor，USA）便攜式光合作用測定儀進(jìn)行測定。首先對葉室內(nèi)的待測葉片進(jìn)行活化和適應(yīng)，將葉室內(nèi)溫度設(shè)定為25 ℃±1 ℃，濕度控制在75%±5%，環(huán)境CO2濃度設(shè)定為400 μmol·mol?1，光合有效輻射(PAR)設(shè)定為1 000 μmol·m?2·s?1，適應(yīng)30 min；然后將PAR升至被測樹種的飽和光強(qiáng)，適應(yīng)10 min后，測定此時的飽和光下凈光合速率(Pnmax)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、以及胞間CO2濃度(Ci)等相關(guān)氣孔參數(shù)[4]。

1.3.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定

熒光參數(shù)的測定選擇與光合測定相同的葉片，將待測葉片放入Licor-6400熒光葉室（Licor-6400-40 Default Flurometer）中，PAR設(shè)定為該樹種的飽和光強(qiáng)，其他環(huán)境參數(shù)同上，活化20～30 min，待讀數(shù)穩(wěn)定后進(jìn)行測定，得到PSII實際光化學(xué)效率(ФPSII)、電子傳遞效率（ETR）等參數(shù)。

1.3.3 水分生理指標(biāo)測定

每個樹種選擇10株，立即測定采集葉鮮重；然后將葉片浸泡入水中24 h，稱得葉飽和重；利用Li-3100葉面積儀（Licor，USA）測得葉面積；最后，將葉片裝入信封，在70 ℃的烘箱中烘干48h，獲得葉干重；葉片含水量（WC）=（葉鮮重?葉干重）/葉鮮重×100%，葉片相對含水量(RWC)=（葉鮮重?葉干重）/（葉飽和重?葉干重）×100%，比葉重(LMA)=葉干重/葉面積。正午葉水勢（Ψmd）采用WP4C露點水勢儀（Decagon，USA）進(jìn)行測定，采樣時間為每天12:00—13:00。

1.3.4 抗氧化酶及可溶性糖的測定

將野外采集的新鮮的、成熟葉片立即放入液氮罐中保存，立即帶回實驗室進(jìn)行測定，每種樹種采集15個重復(fù)。可溶性糖（SS）含量采用蒽酮比色法測定，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑光化還原法測定，過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法測定[7]。

1.4 適應(yīng)性綜合評價方法

采用模糊隸屬函數(shù)法[8]與灰色關(guān)聯(lián)度分析[9]對各樹種的生態(tài)適應(yīng)性進(jìn)行綜合評價，方法如下：

通過式（1）、（2）計算各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值。式中，A（Xij）表示i樹種j指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；如果j指標(biāo)與植物的生態(tài)適應(yīng)性為正相關(guān)，采用式（1）進(jìn)行計算，如果為負(fù)相關(guān)，則采用式（2）進(jìn)行計算，Xij表示i樹種j指標(biāo)的實際測定值，Xjmin表示所有參試樹種j指標(biāo)的最小值，Xjmax表示所有參試樹種j指標(biāo)的最大值。通過式（3）將i樹種的每個j指標(biāo)的隸屬函數(shù)值進(jìn)行累加并平均，得到i樹種生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)（CAI，Comprehensive adaptability index）。

通過式（5）、（6）、（7）進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析。根據(jù)灰色系統(tǒng)理論，首先通過式（5）對測定指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，Xi'(k)表示無量綱處理后的標(biāo)準(zhǔn)值，Xi(k)表示測定指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)，、Si分別表示該指標(biāo)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差。式（6）中，設(shè)參考序列X0，比較序列Xi（i=1，2，3，······，n），則參考序列X0={X0(1)，X0(2)，X0(3)，······，X0(n)}，比 較 序 列Xi={X1(1)，X1(2)，X1(3)，······，X1(n)}；本次試驗中，各樹種的CAI為參考序列，各指標(biāo)為比較序列，Δi(k)表示數(shù)列Xi和數(shù)列X0在第k點的絕對值。式（7）中maxmaxΔi(k)表示二級最大差，minminΔi(k)表示二級最小差；ξi(k)為關(guān)聯(lián)系數(shù)，ri為灰色關(guān)聯(lián)度，ρ為分辨系數(shù)，本次試驗取0.5。

通過式（8）對各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行歸一化處理，求得該指標(biāo)的權(quán)重。通過式（4）將該指標(biāo)的權(quán)重值與該指標(biāo)的隸屬函數(shù)值A(chǔ)（Xij）相乘，再把每個指標(biāo)的加權(quán)隸屬函數(shù)值進(jìn)行累加，得到該樹種的綜合生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)（WCAI，Weight comprehensive adaptability index），指數(shù)越高說明該樹種的適應(yīng)性能力越強(qiáng)。以各樹種的WCAI為參考數(shù)列，各指標(biāo)為比較序列，再次進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，以輔助評價各指標(biāo)與樹種適應(yīng)性的關(guān)聯(lián)程度。

最后采用歐式距離和WPGMA法對各樹種的WCAI值進(jìn)行聚類分析，劃分適應(yīng)等級。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用EXCEL2016 (Microsoft，USA)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，DPS7.05進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析及聚類分析。

2 研究結(jié)果

2.1 各指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度分析

由表2可知，將11個樹種CAI與13個生理生化指標(biāo)看作一個灰色系統(tǒng)，各指標(biāo)與CAI的灰色關(guān)聯(lián) 度 由 高 到 低 排 序 為Gs、Ci、Tr、SOD、Pnmax、

CAT、LMA、RWC、SS、ETR、Ψm、ФPSII、LWC。氣孔交換指標(biāo)與生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)關(guān)系最為緊密，包括Gs、Ci、Tr、Pnmax，其關(guān)聯(lián)度均>0.79，Gs關(guān)聯(lián)度為13個指標(biāo)中最高，為0.8293。SOD、CAT兩個抗氧化酶活性指標(biāo)與生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)關(guān)系較為緊密，其關(guān)聯(lián)度均>0.78。水分生理指標(biāo)中，LMA、RWC的關(guān)聯(lián)度遠(yuǎn)高于LWC、Ψm。以WCAI為參考序列，各指標(biāo)與WCAI的關(guān)聯(lián)度排序與CAI的關(guān)聯(lián)度排序基本一致。

2.2 各樹種的生態(tài)適應(yīng)性綜合評價

由表3可知，在灰色關(guān)聯(lián)度分析的基礎(chǔ)上（見表2），通過對樹種各指標(biāo)的加權(quán)隸函數(shù)值進(jìn)行累加得到WCAI，WCAI值越高，樹種的生態(tài)適應(yīng)能力越強(qiáng)。各樹種WCAI由大到小的排序為：巴旦木、西康扁桃、黃連木、四川黃櫨、榛子、紅翅槭、黑果枸杞、烏梅、沙棘、核桃、枸杞。巴旦木的WCAI（0.702）最高且遠(yuǎn)高于其他樹種，其次為同屬于扁桃亞屬的鄉(xiāng)土樹種西康扁桃，但除巴旦木，鄉(xiāng)土樹種的WCAI的排名整體上較引進(jìn)樹種靠前。

2.3 聚類分析及生態(tài)適應(yīng)性等級的劃分

采用歐式距離和WPGMA法對各樹種的WCAI值進(jìn)行聚類分析，在距離為0.8處可將11種樹種分為4類（見圖1）：Ⅰ級適應(yīng)型、Ⅱ級適應(yīng)型、Ⅲ級適應(yīng)型、Ⅳ級適應(yīng)型，分別為強(qiáng)適應(yīng)、較強(qiáng)適應(yīng)、中等適應(yīng)、較弱適應(yīng)。Ⅰ級適應(yīng)型樹種1種，包括巴旦木；Ⅱ級適應(yīng)型樹種5種，包括西康扁桃、黃連木、榛子、四川黃櫨、紅翅槭，該類型以鄉(xiāng)土樹種為主；Ⅲ級適應(yīng)型樹種4種，包括烏梅、沙棘、黑果枸杞、核桃；Ⅳ級適應(yīng)型樹種1種，為枸杞。聚類分析結(jié)果與表3中各樹種的WCAI排序基本一致。

3 討論與結(jié)論

植物對環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制極為復(fù)雜，評價方法和評價指標(biāo)的合理選擇是進(jìn)行植物適應(yīng)性能力綜合評價的關(guān)鍵。葉片作為植物進(jìn)行光合作用和水氣交換的重要器官，具有較強(qiáng)的環(huán)境敏感性及代表性，但各生理生化指標(biāo)對環(huán)境的響應(yīng)并不一致，用單一指標(biāo)去評價植物的適應(yīng)性具有片面性，選擇多個葉片生理生化指標(biāo)并結(jié)合多種評價方法，是目前進(jìn)行植物適應(yīng)性評價的主要方法[10-12]。因此本研究采用隸屬函數(shù)法綜合13個葉片生理生化指標(biāo)對11種經(jīng)濟(jì)樹種進(jìn)行生態(tài)適應(yīng)性評價。但各生理生態(tài)指標(biāo)對樹種生態(tài)適應(yīng)性的貢獻(xiàn)度并不相同，本研究將各指標(biāo)與生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)（CAI）置于一個灰色系統(tǒng)中，進(jìn)一步通過灰色關(guān)聯(lián)度分析判斷各指標(biāo)與樹種適應(yīng)性的關(guān)聯(lián)程度，并獲得每個指標(biāo)權(quán)重。灰色關(guān)聯(lián)度反映指標(biāo)與CAI的緊密程度，關(guān)聯(lián)度越大，指標(biāo)與CAI關(guān)系越密切[13]。本研究發(fā)現(xiàn)Tr、Gs、Ci、Pnmax等葉片光合氣孔生理指標(biāo)與CAI的關(guān)聯(lián)度最為緊密，其次為SOD、CAT等抗氧化酶活性指標(biāo)，表明這些指標(biāo)受干旱河谷地區(qū)環(huán)境的影響最為顯著，適應(yīng)性更強(qiáng)的樹種（如巴旦木）能夠通過靈活的氣孔策略，在保證氣孔開放及高光合速率的同時提高抗氧化酶活性，以維持葉片水分平衡和機(jī)能穩(wěn)定，這與王士強(qiáng)等[14]、王煒等[15]的研究結(jié)果一致。此外，LMA、RWC的關(guān)聯(lián)度遠(yuǎn)高于其他水分生理指標(biāo)，表明LMA、RWC對樹種適應(yīng)能力的反映更加敏感，這與謝小玉等[16]的研究結(jié)果類似。同時基于WCAI與CAI的各指標(biāo)密切程度高度一致（見表2），表明本研究的灰色關(guān)聯(lián)度評價方法是適宜準(zhǔn)確的[17]。本研究通過隸屬函數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)度分析，綜合各指標(biāo)加權(quán)隸屬函數(shù)值，得到各樹種的綜合生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)（WCAI）并進(jìn)行聚類分析，明確劃分樹種的適應(yīng)等級，WCAI綜合考慮了指標(biāo)選取的全面性以及各指標(biāo)的重要性，能夠準(zhǔn)確地反映試驗樹種的生態(tài)適應(yīng)性[18]。

表2 各指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度、權(quán)重及排序Tab.2Grey correlation degree, weight and rank of each index

表3 各樹種的綜合生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)及排序Tab.3Weigh comprehensive adaptability index (WCAI) and rank of each tree species

圖1 各樹種綜合生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)（WCAI）的系統(tǒng)聚類圖（WPGMA法）Fig.1Fuzzy clustering dendrogram (WPGMA method) based on weight comprehensive adaptability index (WCAI)

綜上所述，本研究較為全面地選取多個葉片生理生化指標(biāo)，并采用隸屬函數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)度分析及聚類分析相結(jié)合的方法，對11種試驗樹種進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的生態(tài)適應(yīng)性綜合評價，同時篩選出與樹種適應(yīng)性關(guān)聯(lián)度緊密Gs、Ci、Tr、Pnmax、SOD、CAT等指標(biāo)可以作為評價的關(guān)鍵指標(biāo)，各樹種綜合生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)由大到小的排序為：巴旦木、西康扁桃、黃連木、四川黃櫨、榛子、紅翅槭、黑果枸杞、烏梅、沙棘、核桃、枸杞。為岷江上游干旱河谷地區(qū)不同立地條件下經(jīng)濟(jì)樹種選擇提供科學(xué)參考。