3种白蜡属树种一年生嫁接苗的生长模型和灰色关联分析

来源:用户上传      作者:王振猛 王霞 李永涛 周健 王莉莉 刘德玺

　　 摘要：本研究以花梣（Fraxinus ornus）、窄叶梣（Fraxinus angustifolia）及红梣（Fraxinus pennsylvanica）一年生嫁接苗为试材，利用Logistic数学模型对基径和树高生长节律进行拟合，划分生长阶段，使用苗木的生长量与影响苗木生长的气象因子组成的灰色系统，进行关联度分析。结果表明：3种白蜡属树种的一年生嫁接苗基径和树高的Logistic方程拟合效果较好，相关系数（R）均在0.99以上。不同树种基径和树高的生长阶段均划分为四个时期，即成活期、生长初期、速生期、生长后期，均呈现出“慢-快-慢”的特征。灰色关联度分析表明，总辐射和气温对花梣基径生长影响最大，总辐射对树高生长影响最大;气温对窄叶梣基径生长影响最大，土壤温度对树高生长影响最大;蒸发量对红梣的基径和树高生长影响最大;降雨量对3种白蜡属树种嫁接苗生长影响最小。
　　关键词：花梣;窄叶梣;红梣;嫁接苗;生长模型;灰度分析
　　中图分类号：S792.41  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2020）02-0027-06
　　Abstract The one-year-old grafted seedlings of Fraxinus ornus， Fraxinus angustifolia and Fraxinus pennsylvanica were used as test materials， and the Logistic mathematical model was used to fit the growth rhythm of the basal diameter and plant height and divide the growth stage. The correlation analysis was carried out using the gray system composed of the growth of seedlings and the meteorological factors affecting seedling growth. The results were as follows. The Logistic equations of basal diameter and plant height of one-year-old grafted seedlings of the three Fraxinus species were better with the correlation coefficient （R） above 0.99.The growth of basal diameter and plant height of the three Fraxinus species could be divided into four periods， namely survival period， pre-growth period， fast-growth period and post-growth period， which presents the characteristics of ‘slow-fast-slow’.The grey correlation analysis results showed that the total radiation and air temperature had the greatest influence on the basal diameter of F. ornus， and the total radiation had the greatest influence on the plant height of F. ornus. The air temperature had the greatest influence on the growth of basal diameter of F. angustifolia， and the soil temperature had the greatest influence on the growth of plant height. The evaporation had the greatest influence on the basal diameter and tree height of F. pennsylvania.The rainfall had the least impact on the growth of the three Fraxinus species grafted seedlings.
　　Keywords Fraxinus ornus L.;Fraxinus angustifolia Vahl;Fraxinus pennsylvanica Marshall;Grafted seedling;Growth model;Gray correlation analysis
　　 白蠟是木犀科梣属（Fraxinus）植物的统称，我国自然分布的有26种，国外引进8种[1， 2]。花梣（F. ornus L.），原产于欧洲南部、亚洲西南部，常作为观花林木广泛栽培。窄叶梣（F. angustifolia Vahl），原产于欧洲中南部、非洲西南部和亚洲西南部，观赏价值高，常用于行道树和园林观赏[3]。
　　白蜡属树种是重要的观赏和用材树种，自20世纪50年代以来，引自北美的绒毛白蜡（F. velutina Torr.）、红梣（F. pennsylvanica Marshall）等树种因具有抗性强、生长速度快等优点，得到了大面积推广，对北方盐碱地区的林业建设起到很好的促进作用，现已是重要的造林树种。近年来，新的白蜡属树种种质资源引进较少，几乎限于停滞状态，重要原因是欧洲大陆爆发的白蜡枯梢病使活体材料及木材均处于禁运范围[4]。我国对历年引进的白蜡属树种绒毛白蜡、白梣（F. americana L.）等研究较多，欧洲白蜡（F. excelsior L.）、花梣、窄叶梣等原产于欧洲的白蜡属树种报道较少，大多数为试验性栽培[5]，且多表现不佳，成功案例较少。生长节律方面，对一年生夏腊梅Sinocalycanthus chinensis[6]、黄连木Pistacia chinensis[7]、红椿Toona ciliata[8]、苦楝Melia azedarach[9]、枫香Liquidambar formosana[10]等的播种苗，杨树Populus nigra [11]、盐柳1号[12]等的扦插苗，相思Acacia confusa[13]、铃铛枣[14]等的嫁接苗都有研究，但多数以播种苗为研究对象，均揭示了一年生苗木生长过程可使用Logistic模型进行模拟，从而得到苗木生长规律。此外，仅针对绒毛白蜡[15]、水曲柳（F. mandshurica）[16]等白蜡属树种进行过生长节律研究，尚未见对花梣、窄叶梣、红梣的相关研究报道。本研究以花梣、窄叶梣和红梣的一年生嫁接苗为材料，揭示其生长发育规律，同时对影响苗木树种的气候因子进行灰色关联分析，以期为白蜡属植物在黄河三角洲盐碱地区的引种栽培、适应性以及苗木培育等方面提供参考。 　　1 材料与方法
　　1.1 试验地概况
　　试验设在山东省东营市山东省林业科学院东营分院进行。该地为暖温带大陆性季风气候，冬寒夏热，四季分明。多年平均气温12.8℃，无霜期206 d，≥10℃的积温约4 300℃，平均降水量555.9 mm，多集中在夏季，年平均日照时数2 468.0 h。地势平坦，土壤类型为盐化潮土，土壤盐分以氯化物为主，土壤基本理化性状见表1。由表1可知，试验地pH值呈碱性，含盐量较高，肥力较差。
　　1.2 材料
　　试验用花梣、窄叶梣种质于2015年分别引自澳大利亚珀斯和悉尼，嫁接所用种条采自两种试材的第一代继代，红梣为山东省林业科学研究院选育的鲁蜡5号新品种。嫁接时间为2018年4月12日，采用带木质部芽接，砧木为绒毛白蜡两年生播种苗，嫁接苗管理按照白蜡造林技术规程LY/T 2753—2016[17]执行。
　　1.3 调查方法
　　从嫁接苗出齐开始，随机抽样调查树高、基径。将生长基本一致的20株作为标准株，挂牌标记。5月11日开始调查生长量，每周固定时间调查1次，直到生长停止。最后计算各日期点的平均树高、基径为该点的累积生长量。
　　1.4 数据处理与模型建立
　　利用DPS 18.10软件对3种白蜡属树种一年生嫁接苗基径和树高的生长过程进行Logistic曲线拟合和回归分析，回归方程为y=K1+ea-bx，根据回归方程利用Origin 2018 软件绘制散点图和生长曲线[18]。苗木生长与各气象因素的灰色关联度分析采用DPS 18.10软件进行[19]，每周净生长量为母序列X0，周平均气温、10、20、30 cm深度土壤周平均温度、周平均空气湿度、总辐射、周降雨量、周蒸发量为子序列Xi（i=1，2，…，8），数据去量纲采用均值化法，分辨率取0.5。
　　2 结果与分析
　　2.1 3种白蜡属树种嫁接苗生长模型的建立与拟合
　　由表2可以看出，3种白蜡属树种嫁接苗基径、树高的Logistic拟合模型回归关系均达到极显著水平，花梣基径、树高的R2分别为0.9968、0.9958，窄叶梣的R2分别为0.9983、0.9967，红梣的R2分别为0.9962、0.9937。
　　 由图1、2可以看出，3种白蜡属树种基径和树高的生长曲线拟合呈明显的S型，基径和树高的生长观测值与理论值拟合良好。
　　2.2 3种白蜡属树种嫁接苗生长阶段的划分
　　参照郭欢欢[7]、林兴春[18]等的方法，借助Logistic拟合方程可模拟出白蜡属树种嫁接苗基径、树高的生长动态过程，且通过对方程的求导，可计算出基径、树高的生长拐点和连日生长量变化速率最快的时间段，从而对3种白蜡嫁接苗的基径、树高的生长阶段进行划分，并与根据嫁接时间和出苗数量划分的成活期进行结合，最后确定白蜡属树种嫁接苗生长划分为四个阶段：成活期、生长初期、速生期和生长后期，结果见表3。
　　 本研究得到3种白蜡属树种嫁接苗理论上基径生长速生点（天数，生长量），其中，花梣（69， 5.82）、窄叶梣（89， 10.60）和红梣（68， 10.57），与观测值分别相差1 d（70， 6.17）、2 d（91，11.25）、5 d（63， 12.86），最大生长速率分别达到0.12、0.19 mm/d和0.40 mm/d。基径速生阶段花梣为[36，101]，持续66 d、窄叶梣为[53，124]，持续72 d，红梣为[43，91]，持续49 d，3种树种对应的基径生长量分别依次占总生长量的62.10%、59.68%和45.19%，净生长量分别达到6.67、12.12、13.48 mm。三种白蜡属树种嫁接苗树高的理论速生点依次为花梣（50， 37.79）、窄叶梣（108，121.45）、红梣（81，164.31），与实测值分别相差1、3 d和4 d，相对生长速率分别为1.61、2.03、3.61 cm/d。树高理论速生阶段依次为花梣[35，65]，持续31 d，窄叶梣[67，149]，持续83 d，红梣为[51，111]，持续61 d，相应的树高生长量依次占总生长量的63.30%、62.37%和58.65%，净生长量依次为43.60、144.99、190.13 cm。
　　由表3可以看出，3种白蜡属树种嫁接苗的基徑生长划分为四个阶段：成活期，树种间差异不大;生长初期，以花梣持续时间最短，为7 d，红梣为16 d，窄叶梣时间最长，为26 d;速生期，花梣、窄叶梣、红梣的生长时间分别为全年的42.86%、35.47%和25.00%，生长量占比均为全年最高，分别为62.10%、59.68%、45.19%。因此，该时段光照、降水、水热等气候条件较好，是3种白蜡属树种基径生长的关键时期;生长后期，花梣、窄叶梣、红梣相应生长时间占比分别为34.42%、38.92%、53.57%，生长量占比分别为19.55%、19.05%、39.83%。
　　树高生长也划分为四个阶段：成活期，树种间差异同样不大。生长初期，花梣、窄叶梣、红梣分别为嫁接后29～34、27～66、27～50 d;速生期，花梣、窄叶梣、红梣的生长量占比分别为63.30%、62.37%、58.65%，生长时间占比分别为34.07%、43.92%、34.86%;生长后期，花梣、窄叶梣、红梣生长量占比分别为18.51%、16.75%、21.03%，生长时间占比分别为28.57%、21.16%、36.57%。3个树种基径、树高速生期除花梣基本一致外，其余两种树高速生期均迟于基径速生期出现的时间。
　　2.3 3种白蜡属树种嫁接苗生长量与各气象因子的灰色关联分析
　　由表4可以看出，花梣基径和树高生长量与总辐射关联度最高，分别达到0.8363、0.9168，与降雨量关联度最低，分别为0.6852、0.5955。窄叶梣基径生长量与气温关联度最高，为0.8880，与蒸发量的关联度次之，为0.8860，与土壤温度的关联度较高;树高生长量与20、30 cm土壤温度关联度最高，均达到0.9018，与降雨量关联度最低，为0.7282，表明窄叶梣生长与土壤温度密切相关，气温也是影响其生长的重要因子。红梣的基径和树高生长量均与蒸发量关联度最大，分别达到0.8784和0.8337，与降雨量关联度最低。 　　3 讨论
　　本研究中，花梣、窄叶梣及红梣嫁接苗的基径和树高的年生长趋势为典型的S型曲线，“慢-快-慢”的变化趋势明显，其Logistic方程拟合的回归关系均达到极显著水平，R值超过0.99。这与林兴春[18]对香椿嫁接苗生长期的研究、秦素洁[20]对国槐嫁接苗生长节律的研究结果相似。
　　本研究根据建立模型可得不同树种基径和高度的速生点、速生阶段的持续时间，同时，根据嫁接苗萌发时间和出苗量确定了不同树种的成活期，将白蜡属树种生长阶段划分为成活期、生长初期、速生期、生长后期，并发现不同树种进入速生期及持续时间具有明显差异性，且净生长量与持续时间不相关。其中花梣的基径和树高进入速生期时间基本一致，其余两种表现为基径生长较高度生长的速生期提前出现，这与对香椿嫁接苗的研究[18]结果一致。速生期是苗木生长的关键时期，对苗木质量有着重大影响，应加强水肥管理，促进苗木生长，尤其对花梣而言，树高生长时间较短，其提前封顶机制有待于进一步研究，但可在有限的高度生长时间内尽可能采取高效的水肥管理措施促其生长，或者作为观赏植物而言，可采取高接换头的方法培育树形。
　　灰色关联度分析原理是根据因素数列的变化趋势的接近程度来衡量因素间关联度的大小，若两个因素变化一致，则关联度高，反之则较低[21]。灰色关联分析可以明确各要素对主体影响的大小[22]，本研究对苗木净生长量与气候因子进行灰色关联度分析，结果表明，3种白蜡属树种生长量对气象因子的响应不同，分析可能是原产地不同的缘故。花梣和窄叶梣原产地为地中海气候或者温带海洋性气候，夏季炎热干燥，因而对蒸发量、空气湿度、总辐射、气温有着较高的关联度，而红梣原产于美国东部，气候类型主要为温带大陆性气候，对蒸发量、气温、总辐射、土壤温度、空气湿度有着较高的关联度。但3种树种生长量均与降雨量关联度最低，可能是由于2018年试验点出现了较为极端的降水所致。
　　4 结论
　　（1）红梣最终生长量最大（基径30.00 mm，树高330.03 cm），窄叶梣次之（基径20.52 mm，树高235.54 cm），花梣最小（基径11.30 mm，树高72.80 cm）。
　　（2）3种白蜡属树种一年生嫁接苗基径和树高的Logistic 方程拟合模型回归关系达到极显著水平，R值均超过0.99，拟合效果较好，且由该模型推导出的速生点和速生期与实测情形基本一致，该模型可用来对白蜡属树种嫁接苗基径和树高的生长过程进行分析和预测。
　　（3）3种白蜡属树种一年生嫁接苗基径和树高均可划分为四个生长阶段，即成活期、生长始期、速生期和生长后期。速生期持续时间较短，但是生长量占比最大。
　　（4）3种白蜡属嫁接苗的净生长量受气象因子影响，但影响程度存在差别。总辐射和气温对花梣基径生长影响最大，空气湿度次之，降雨量影响最低;总辐射對花梣高度影响最大，其次为蒸发量、空气湿度。气温对窄叶梣基径生长影响最大，蒸发量次之;20、30 cm土壤温度对树高生长影响最大，其次为10 cm土壤温度、气温、空气湿度。蒸发量对红梣基径和树高的影响最大，其次为总辐射、气温。降雨量对3种白蜡属树种嫁接苗生长影响最小。
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