北美红杉无性系培育模型及其对初植密度、海拔高度的响应

陈贝贝，曾 勇，吴代坤，胡钧恩，李春霖，陈 伟，李双龙

（恩施土家族苗族自治州林业科学研究院，湖北 恩施 445000）

北美红杉Sequoia sempervirens是世界珍贵的速生孑遗树种、著名的大径材树种，出材率高、材质优良、寿命长，单株材积可达到100 m3；树姿雄伟，四季常绿，不仅是优良的用材树，也是优美的风景树。但由于“远道而来”的外来树种身份，人们担心其用于造林是否会“水土不服”，加之种子售价高昂，目前在我国多仅作为园林栽培树种，规模很小。国内研究报道也不多，内容大都是围绕北美红杉的种子育苗、扦插繁殖、组织培养等繁育技术展开，目的是解决北美红杉的苗木培育技术和种源稀缺的矛盾[1-4]。关于北美红杉生长特征与初植密度、海拔高度关系的报道极为罕见，而初植密度（即造林密度）和海拔高度是人工林培育中一个十分重要的技术环节，也是造林过程中所能控制的最直接的因子[5-6]。初植密度的大小决定着个体的大小以及种群的稳定性[7-12]。而海拔高度则通过改变环境温度来间接发挥作用[13-15]。对于初植密度对林木个体数量、空间结构以及产量影响的研究相对较多，尤其对杉木、马尾松、杨树等用材林方面的研究已经比较成熟[16-20]。研究表明，密度和海拔高度是影响林木生长的重要因子，不同密度与海拔高度条件下的林木受到的竞争压力不同，其林木生长亦随之发生变化[21-27]。为此，本研究以北美红杉为研究对象，在其适生区武陵山地进行田间实验，探讨其生长特征与初植密度、海拔高度的关系，试图揭示这两项造林关键因素对北美红杉生长特征的影响规律，期望为高级用材北美红杉引种造林设计提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 无性系的组织培养

以来自育苗基地1年生北美红杉侧枝进行北美红杉的组织培养。

1.1.1 外植体诱导

外植体诱导试验培养基为MS，另加30%的蔗糖，0.7%的琼脂，pH值为5.8[4]。激素种类为6-BA、NAA、KT，设7个处理，每个处理20瓶，观测记录每个处理的芽生长情况。详见表1。

表1 不同激素对北美红杉外植体诱导的影响Table 1 The influence of different hormones to Sequoia sempervirens explant induction

1.1.2 增殖和生根

将北美红杉外植体诱导形成的不定芽接种在增殖培养基上进行继代培养，而后将北美红杉的不定芽接种到不同生根培养基中，观察其生根情况。

北美红杉接种材料置于培养室中，培养温度为24～25 ℃，光照周期为12 h/d，光照强度为2 000 lx。

1.2 研究区概况

恩施土家族苗族自治州位于湖北省西南部，地处鄂、湘、渝3省（市）交汇处，108°23′12″～110°38′08″E、29°07′10″～ 31°24′13″N。属亚热带季风性山地湿润气候。冬少严寒，夏无酷暑，雨量充沛，四季分明。境内年均气温16.2 ℃，年平均降水量1 600 mm。武陵山脉余支从东南部蜿蜒入境，近似山原地貌，平均海拔500～2 000 m。土壤以水稻土为主，主要有红壤、紫色土、黄壤、石灰土和黄棕壤。土壤成土母岩以石灰岩为主、伴有页岩、石英砂岩、紫色页岩、第四纪粘土（高岭土）、河流冲积物等。

1.3 研究方法

试验在进行北美红杉无性系组织培养的基础上，采用生长状态良好的相同规格组培苗进行单因素回归设计获得其在不同初植密度、海拔高度下的生长参数，田间布设采用随机排列法，其中密度实验包括3个处理，即833株/hm2（株行距3 m×4 m）、1 111株/hm2（株行距3 m×3 m）、1 667株/hm2（株行距2 m×3 m），设4个重复；海拔高度影响实验从550～1 800 m分别设置10个试验区，每个试验区保证有效测定株数30株，试验林四周均设保护行。

1.4 统计分析

以Excel 2003软件对原始数据进行前处理，以SPSS 19.0软件和Origin 8.0软件分析生长量参数与目标变量间的函数关系。

2 结果与分析

2.1 北美红杉种子育苗生长特性

连续2年从美国引进北美红杉种子并进行育苗试验，观察可知播种后普遍10 d开始发芽，最晚30 d发芽。幼苗出土后7～15 d脱帽，长出2片子叶。苗木出齐约在35 d左右。此后在育苗地上设置固定调查样方调查北美红杉幼苗高和地径生长，调查结果详见表2。通过对其生长过程进行随时间变化的回归分析，发现其生长进程符合逻辑斯蒂方程规律，其回归关系达到极显著水平、决定系数高达98.77%、96.43%以上；由图1可知：北美红杉苗高、地径生长量随时间的变化过程均表现出“慢-快-慢”节律。北美红杉幼苗生长高峰在6—9月，生长期主要集中在6—10月， 11月生长缓慢，12月停止生长。

表2 北美红杉种子生长情况Table 2 The situation of Sequoia sempervirens seeds grow

图 1 北美红杉种子育苗生长特性Fig.1 The seedling growth characteristics of Sequoia sempervirens seeds

2.2 不同激素处理对北美红杉组培苗的影响

激素的不同种类及不同浓度对北美红杉外置体的诱导具有不同的效果，由表1反应出，KT 比6-BA更能促进北美红杉芽的抽生，而不同浓度KT和6-BA对芽的诱导情况基本一致，浓度越高愈伤组织生长越多，芽体畸形膨大越厉害。相同浓度的6-BA比KT 更容易使外植体愈伤化，芽体畸形膨大。

由表3、4可以看出，细胞分裂素6-BA在浓度0.2～0.8 mg/L均能使北美红杉诱导出不定芽，随着其浓度增加诱导出的芽数增加，但较高浓度的细胞分裂素6-BA，容易引起芽玻璃化，小苗生长不健壮。细胞分裂素NAA对北美红杉组培苗的生根有促进作用，浓度过高时反而产生抑制作用。在枯顶率方面，较高浓度的NAA能够产生一定的抑制效果。

2.3 初植密度对生长量的影响

2.3.1 北美红杉生长量随初植密度的变化规律

通过不同初植密度与树高、地径生长量的相关分析（见表5）可知：树高生长量与初植密度、地径生长量之间均表现出显著负相关关系；地径生长量与初植密度则呈现出正相关关系。进一步进行差异显著性检验（见表6）发现：初植密度对试验株树高生长的影响不大，在1 111株/hm2和1 667株/hm2水平之间树高生长差异不显著，但两个初植密度树高生长量均显著小于833株/hm2水平。地径生长量随着初植密度的加大先升后降，各结果之间具有显著性差异。

表3 不同浓度6-BA、NAA对北美红杉增殖的影响Table 3 Different concentrations of 6-BA and NAA impact on Sequoia sempervirens proliferation

表4 不同浓度6-BA、NAA对北美红杉组培苗生根的影响Table 4 Different concentrations of 6-BA and NAA impact on Sequoia sempervirens somaclone rooting

表5 初植密度与树高、地径生长量的相关性分析Table 5 The correlation analysis between planting density and the growth of height and ground

2.3.2 北美红杉生长量对初植密度的响应规律

对北美红杉生长量与初植密度的关系进行回归分析，由图2可知：试验株各生长量参数随着初植密度的增大表现各异，树高生长量逐步减小；地径生长量表现出先升后降的开口向下二次抛物线趋势。对拟合的二次方程进行求导（见表7）可知：当初植密度为1 406 株/hm2（相当于2.6 m×2.6 m的株行距）时，地径发育情况最优，生长量在4.65 mm左右。当初植密度低于最佳密度时，初植密度的增加能对试验株的地径生长起到一定程度的促进作用；当初植密度超过最佳值时，造林密度的增加则会对地径的发育起到一定程度的抑制作用，从而导致其生长量呈现逐渐减少的趋势。

表6 初植密度与树高、地径生长量的差异显著性检验Table 6 Difference significance test of planting density and the growth of height and ground

图 2 生长量参数与初植密度的回归分析Fig.2 Regression analysis between planting density and growth parameters

表7 生长量参数与初植密度的拟合方程Table 7 Fitting equation of planting density and growth parameters

2.4 海拔高度对生长量的影响

2015年9月16日对北美红杉试验区生长情况进行调查，整个试验区北美红杉试验林的成活率为83.6%；平均高为38.6 cm；平均地径为5.13 mm；苗高最高为125.6 cm；地径最大值为12.34 mm。结果见表8。

2016年11月2日第2次对北美红杉试验区生长情况调查，整个北美红杉试验区人工林保存率为62.3%；平均高为66.2 cm；平均地径为8.11 mm；红杉苗高最高为214.6 cm；地径最大值为18.48 mm。结果详见表9。

2.4.1 北美红杉生长量随海拔高度的变化规律

由表10可知，北美红杉树高生长随着海拔的升高总体呈现先升后降的趋势，除海拔550 m之外，树高生长在海拔1 300 m时，达到最大。在海拔1 200～1 350 m的范围内，北美红杉树高生长无显著差异，当海拔超过1 300 m之后，在1 350～1 550 m的海拔范围间，北美红杉树高生长无显著差异。

由表11可知，北美红杉地径生长随着海拔的变化与树高生长基本相同，均呈现出先升后降的趋势，但地径生长的最大值出现在海拔1 200 m，且与其他海拔北美红杉地径生长存在显著差异。2.4.2 北美红杉生长量对海拔高度的响应规律

将北美红杉生长量与海拔高度的关系进行回归分析，由图3可知：试验株各生长量参数随着海拔高度的增大表现出先升后降的开口向下二次抛物线趋势。对拟合的二次方程进行求导（见表12）可知：当海拔高度为1 096 m（仅考虑海拔1 200～1 800 m的范围）时，树高生长情况最优；当海拔高度为680 m左右时，地径发育情况最优。当海拔高度低于最佳值时，海拔高度的增加能对试验株的生长起到一定程度的促进作用；当海拔高度超过最佳值时，海拔高度的增加则会对其发育起到一定程度的抑制作用，从而导致其生长出现逐渐减弱的趋势。

表8 1年生北美红杉生长情况调查Table 8 Form of 1 a Sequoia sempervirens growing information

表9 2年生北美红杉生长情况调查Table 9 Form of 2 a Sequoia sempervirens growing information

表10 海拔因素对北美红杉高生长的影响Table 10 The influence of elevation factors on the growth of Sequoia sempervirens height

表11 海拔因素对北美红杉地径生长的影响Table 11 The influence of elevation factors on the growth of Sequoia sempervirens ground

3 结论与讨论

3.1 讨 论

图3 生长量参数与海拔高度的回归分析Fig.3 The regression analysis of growth parameters and elevation

表12 生长量参数与海拔高度的拟合方程Table 12 Fitting equation of the increment parameters and the elevation

初植密度对种群生长量的影响符合生长恒值法则[28]，即植物生长量随着初植密度的增大而增大，但当增大到一定程度时，反而表现出抑制趋势，因为“土壤植被承载力”是一定的。另外，初植密度既影响土壤水分状况，也影响着种群生长空间的大小及光照条件。密度越大，树木生长可利用的环境空间越小，对光线、水分及营养的吸收利用越受到限制[29-30]。

海拔高度具有相同的“间接效应”，随着海拔高度的不断升高，温度普遍低于同一纬度的低海拔地区，植物表现出生长进程缓慢的整体趋势，冬季也将遭受到更为强烈的低温伤害。在这个层面上而言，寻找北美红杉的造林最适海拔，对于植物本身的生长具有非常积极的意义，可以起到“解放天性”的作用。早在1981年，邢美章对引入浙江省的北美红杉生物学特性进行观察分析后即指出外界环境气候尤以密度限制、温度影响对北美红杉生长影响突出。但之后的相关研究很少，我们无法了解到这个影响遵循何种规律、又是如何展开的。2004年，左显东等[31]在云南省对北美红杉的适应性研究表明，其在我国引种栽培的年均温在16 ℃左右，这与本项目得出的最适海拔高度1 096 m（年平均温度17～19 ℃）结果类似。盛卫星等[32]在浙江标准地调查基础上，选取并测定解析木数据，对胸径、树高及材积进行分析后指出，北美红杉相较于同期杉木生长更快，且随着年龄的增大，北美红杉树高和胸径生长表现为“直线形”，而材积生长则表现为“S”型；33年生北美红杉连年生长量和平均生长量曲线并没有交叉，表明其依旧处于速生阶段。侧面印证了北美红杉作为珍贵造林替代树种的开阔前景。自2013年开始进行北美红杉的引种及人工林培育研究工作以来，我们亦发现在造林后期生长过程中，部分北美红杉幼林表现了不同程度的偏冠、簇生现象，虽不至于影响造林成活，但已成为我们在下一步研究过程中需要解决的新问题。另外，北美红杉种子造价高昂，进行大面积造林需要大量的前期投资；且种子的生长周期相对较长，繁育出可用于造林移栽的实生苗亦需要大量的时间成本。本实验尝试进行北美红杉的无性系组培苗造林试验，希望能在一定程度上缓解以上问题。而如何培育出具有强抗性、高生长适应性、优秀分生能力的无性系群组，也是我们下一步工作的目标。

3.2 结 论

采用芽器官离体培养北美红杉组培苗，有利于北美红杉各优良无性系遗传形状的稳定；茎段外植体的诱导6-BA对其芽的诱导增殖作用强于KT，但外植体愈伤化，芽体畸形膨大严重。MS+0.3 mg/LNAA+1.0 mg/LKT，比较适合北美红杉芽体诱导，抽生率为76%；在继代培养中，6-BA浓度在试验浓度范围能均能诱导出不定芽，且随着浓度的增高，诱导出的芽数增多；北美红杉组织培养生根较困难，本研究得出的较好的生根培养基为MS+1.5 mg/LNAA+0.1 mg/L6-BA。

初植密度对试验株树高生长的影响不大，在1 111株/hm2和1 667株/hm2水平之间树高生长差异不显著，这可能是因为北美红杉造林达到郁闭最短亦需5—10年的时间。在此之前，土壤水分充裕的地区初植密度的大小并不会明显影响北美红杉对光照和水分等环境资源的获取。地径生长量随着初植密度的加大先升后降，各结果之间具有显著性差异，则是因为哪怕是在北美红杉生长的早期阶段，各苗木之间的疏密关系亦能直接影响植株的地下活动空间。试验区当初植密度为1 406株/hm2（相当于2.6 m×2.6 m的株行距）时，地径发育情况最优，生长量在4.65 mm左右。

北美红杉试验株各生长量参数随着海拔高度的增大均表现出先升后降的趋势，考虑到高山造林需求，当海拔高度为1 096 m（仅考虑海拔1 200～1 800 m的范围）时，树高生长情况最优；当海拔高度靠近680 m左右时，地径发育情况最优。当海拔高度低于最佳值时，海拔高度的增加能对试验株的生长起到一定程度的促进作用；但超过最佳值时，海拔高度的增加反而会起到一定程度的抑制作用，从而导致北美红杉生长出现逐渐减弱的趋势。