20个无患子种源经济性状差异分析与种源区划分

李宝银，周 杨，周俊新，薛 婷，常云妮

（1.福建师范大学，福建 福州 350000；2.福建林业职业技术学院，福建 南平 353000）

无患子（Sapindus mukorossi Gaertn），别名木患子、油患子、洗手果、假龙眼等，高大落叶乔木，高可达20 m；一回羽状复叶，小叶互生；圆锥花序，顶生及侧生；两性花，雄蕊小，花丝有软毛。花期6—7月，果期9—11月，核果球形，熟时黄色或棕黄色；种子黑色，球形或水滴形。原产中国长江流域以南和中南半岛各地，以及印度、日本[1]。性喜光，稍耐阴，较耐寒，耐干旱，不耐水湿；深根性，对土壤要求不严，抗风力强。无患子果皮富含无患子皂苷，主要成分为表面活性物质三萜皂苷，民间用于制作洗头粉、洗澡粉、洗衣粉等，属于环保的天然表面活性剂；种仁油脂含量可高达40.7%，种仁油的酸值（KOH）为4.132 mg/g，皂化值（KOH）为190.26 mg/g，碘值（I）为102.36 g/100 g，含有13种脂肪酸，其中不饱和脂肪酸含量高达84.63%，相对含量较高的为油酸(48.41%)、顺-11-二十碳烯酸(27.58%)、亚油酸(6.37%)等[2]，具有较高的开发利用价值。文中对位于福建屏南无患子种源试验林进行调查、采样分析，并用单纯形法投影寻踪技术（MSM-PP）与聚类分析相结合的数学手段[3]，综合评价无患子各种源的主要经济性状表现，进行种源区划分，筛选优良种源，为福建高海拔地区无患子能源林用途的种苗调拨提供理论依据。

一、材料与方法

（一）材料来源和试验设计

1.试验材料来源

2009年10-12月，对福建黑龙山能源林有限公司从福建、江西、浙江、广西、广东、云南、四川等7个省份当地起源的母树上采集的20份不同产地（种源）无患子种子随机取样，湿沙层积贮藏。20个采种点及其代码见表1。2010年2月初，将贮藏的各种源种子用80℃热水浸泡至自然冷却，24 h后沥干，分区播种育苗；2011年1月中旬进行各区苗木调查，选择平均水平的苗木，参加无患子种源造林对比试验。

表1 采种点及其代码Tab.1 The collection sites and codes of provenance

2.试验点及试验设计

试验点地安排在屏南县棠口镇凤林村福建黑龙山能源林有限公司黑龙山无患子种植基地。采用完全随机区组试验设计，包含20个因素（种源），3个处理（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3种立地类型），每个处理设置3次重复。3株单列小区，小区面积48m2。各立地类型林地概况和土壤营养元素含量见表2。屏南县棠口镇2018年、2019年、2020年的年均温分别为17.2、17.8、17.5℃，年均降水量分别为1 793、1 722、1 635 cm。

表2 各立地类型基本情况Tab.2 The basic situation of site types

（二）苗木定植

2010年9月份劈杂、炼山；10月份带状整地，清理树头、石块，挖明穴，施基肥，穴规格60 cm×60 cm×40 cm，基肥施放量为腐熟鸡粪、牛粪混合肥1 kg/穴。回表土后，再施钙镁磷0.15 kg/穴。2011年2月雨后，按照试验设计裸根苗造林，株行距4m×4m。2011年4月检查造林成活率，对死缺株进行补植。

（三）幼林抚育

2011年8月份抚育1次，块状垦复并施肥；以后连续3年，每年2次，分别在4月、9月对林地进行带状垦复、除草、施肥。施肥量均为国产N、P、K复合肥0.5 kg/株，扩穴施肥。2015年起隔年春季施肥1次，施肥量为国产N、P、K复合肥1 kg/株，沿树冠滴水线开沟施肥，沟深30 cm。

（四）树形管理

2013年9月进行一次修剪定干，保留主干高度1m，删除树干0.7m高度以下的侧枝；2014年9月，对一级侧枝进行修剪，培养二级侧枝。2017年初果后，每年11—12月结合采果，对当年结果枝进行1次短截，增加分枝级数。

（五）数据采集及处理

1.数据采集

2018—2020年连续3年分区采果，调查各试验小区的果实产量，计算单位面积果实产量，并随机取样测定各小区果皮率、百果重、果皮总皂苷含量、种仁含油率等无患子主要经济性状指标。以香草醛-冰醋酸-高氯酸为显色体系，采用分光光度计测定果皮总皂苷含量[4]。以乙醇为浸提液，采用索氏抽提器进行种仁油脂含量测定[5]。

单位面积果实产量、果皮率、百果重、种源遗传力、选择响应、遗传增益计算公式如下：

单位面积果实产量=试验小区鲜果全重/试验小区面积；

果皮率%=烘干果皮重/（烘干果皮重+烘干种子重）×100；

选择响应R=SH2，其中：S为选择差；H2为种源遗传力。

遗传增益△G=R/X，其中：R为选择响应；X为种源参试群体平均值。

按种源统计单位面积果实产量、果皮率、百果重、果皮总皂苷含量、种仁含油率2018—2020年3年的平均值，结果见表3。

表3 改进单纯形法投影寻踪总体评价指标样本数据表Tab.3 The evaluation value of sample data of Magnolia based on MSM-PP

3.数据处理

用GLM分析模型对单位面积果实产量、果皮率、百果重、果皮总皂苷含量、种仁含油率等性状表现调查数据进行方差分析，并估算种源遗传力，结果见表4。种源综合评价采用改进单纯形法投影寻踪技术[6]，以表3各种源性状表现统计值为评价指标样本数据；将样本数据标准化处理，构建种源评价指标体系，并构造投影指标函数；估计最佳投影方向，以最佳投影方向时各种源的投影值Zi（i=1～n），作为该种源的评价值[3]。以各种源评价值为样本数据，进行聚类分析，划分种源区。改进单纯形法投影寻踪技术使用SPSS软件编程处理，结果见表6。聚类分析采用DPS软件处理，结果见表7。

表4 方差分析与种源遗传力估算Tab.4 Variance analysis and calculated provenance heritability

二、结果与分析

（一）种源性状表现的差异性分析

从表4可知，单位面积果实产量、百果重、果皮率、果皮总皂苷含量、种仁含油率等5个性状，均在种源水平上存在极显著差异，说明了无患子种源间根据经济性状表现进一步选择的必要性。在立地类型水平上，单位面积果实产量、果皮率、百果重性状表现存在极显著差异，果皮总皂苷含量、种仁含油率性状表现存在显著差异，说明了无患子经济性状均对生长环境具有较高的敏感性。在种源×立地类型的交互作用上，5个性状差异均达到极显著水平，各种源对环境变化的反应存在极其明显的差异。5个性状同一立地类型的不同重复之间的表现差异，均未达显著水平，说明在相似的环境里，各种源的5个性状表现相对稳定。

（二）种源遗传力估算

从表4可知，单位面积果实产量、百果重、果皮率、果皮总皂苷含量、种仁含油率等5个经济性状种源遗传力分别达到0.753、0.784、0.825、0.840、0.724，均具有较高的种源内亲-子遗传传递能力。

（三）主要经济性状与环境因子的相关分析

按年度统计单位面积果实产量、百果重、果皮率、果皮总皂苷含量、种仁含油率等5个经济性状平均值，与2017—2020年4年的年均温、年降水量进行相关分析；按立地类型统计单位面积果实产量、果皮率等5个经济性状的平均值，分别与各土壤养分含量统计值进行相关分析。结果见表5。

表5 性状表现与环境因子的相关分析Tab.5 The results of correlation analysis between environmental factors and performance of characters

表5相关分析结果可知，无患子5个主要经济性状，与年均温、年降水量，以及前1年的年均温、年降水量之间，均不存在明显线性相关关系。这可能是由于2017—2020年4年间的年均温、年降水量差异不大，也可能是无患子明显的结实大小年现象，干扰了年均温、年降水量对5个主要经济性状的影响。土壤腐殖质含量与单位面积果实产量、百果重、果皮率均存在较密切的线性相关，与果皮总皂苷含量存在一定的线性相关，与种仁含油率之间无线性相关；土壤速效N含量，与百果重之间呈密切线性相关，与单位面积果实产量、果皮率间存在较密切的线性相关，与果皮总皂苷含量、种仁含油率之间有一定的线性相关；土壤速效P含量，与单位面积果实产量、百果重间存在较密切的线性相关，与果皮率、果皮总皂苷含量、种仁含油率之间有一定的线性相关；土壤速效K含量，与百果重间呈较密切线性相关，与果皮率、种仁含油率间存在一定的线性相关，与单位面积果实产量呈弱相关，与果皮总皂苷含量间无明显线性相关。

（四）种源综合评价

将表3样本数据标准化处理后，应用MSM-PP优化求解目标函数，获得最大投影指标函数值为25.4892，最大投影方向为（0.564 8，0.468 8，0.389 7，0.372 2，0.422 3，0.103 3），投影效果理想。根据投影方向值计算获得各种源投影值Zi（i=1～n）[3,4]，结果见表6。种源投影值Zi越大，表示该种源的综合表现越好。参试种源投影值Zi的变化范围0.062 7～1.771 2，变化幅度很大。其中，最高的是GX03，最低的是SC02。Zi≥1.5的种源有GX01、GX03、GD01、GD02，综合评价高；1≤Zi＜1.5的种源有GX02、FJ01、FJ02、FJ03、YN01等5个，综合评价较高。0.5≤Zi＜1的种源有FJ042、YN02等9个，Zi＜0.5的种源只有SC01、SC02等2个种源。

表6 各种源样本投影结果Tab.6 The result of MSM-PP of provenance samples

（五）种源选择与遗传增益估算

1.投影值聚类分析与种源区划分

为了更好地区分种源，以各种源的投影值Zi为样本集，采用系统聚类方法，进行种源区划分。根据聚类分析结果，将20个无患子种源划分为优良种源、可利用种源、一般种源、不适宜种源等4个种源区。种源区划分结果及各种源区单位面积果实产量、百果重、果皮率、果皮总皂苷含量、种仁含油率平均值见表7。

表7 各种源区平均表现与选择效果评价Tab.7 The average performance of each grade and effect evaluation of provenance selection

2.选择响应和遗传增益估算

根据优良种源、可利用种源两个种源区各性状平均值和种源遗传力估算选择响应和遗传增益。结果见表7。与参试群体平均水平相比较，单位面积果实产量、百果重、果皮率、果皮总皂苷含量、种仁含油率等5个性状上，优良种源具有较高的选择响应和遗传增益，可以在生产上使用；7个可利用种源，性状表现也有小幅度的提高，可以适当利用。

三、结论与讨论

（一）结论

无患子原产中国长江流域以南各地以及中南半岛各地、印度和日本，是优良的森林景观树种和能源树种，果皮富含皂苷，可提取制备洗涤剂、表面活性剂；种子富含油脂，可作为天然润滑油或制备生物柴油[7,8]。从21世纪初开始，福建、浙江等省份开始重视发展无患子人工林，但种源混杂，群体、群体内个体间分化严重，果实产量低等亟待解决的问题[9]。20个无患子种源造林对比试验结果表明，不同种源之间在单位面积果实产量、百果重、果皮率、果皮总皂苷含量、种仁含油率等经济性状表现上，存在极显著差异。利用MSM-PP进行多性状综合评价，以各种源投影值Zi（综合评价结果）进行系统聚类分析，可划分出优良种源、可利用种源、一般种源和不适宜种源等4个种源区。优良种源区包括GX01、GX03、GD01、GD02等4个种源，其单位面积果实产量、百果重、果皮率、果皮总皂苷含量、种仁含油率等5个性状的平均表现，与参试群体总体平均水平相比较，遗传增益达到18.34%、9.89%、10.23%、9.83%、7.05%。

相关分析结果表明，无患子不同性状对土壤营养元素含量的反应不同。单位面积果实产量、果皮率均对腐殖质、速效N、速效P含量均较为敏感，受速效K含量影响较小；百果重性状表现，对腐殖质、速效N、速效P、速效K含量均较为敏感，受之影响大；果皮总皂苷含量对腐殖质含量较为敏感，对速效N、速效P含量的敏感性较低，对速效K不敏感；种仁含油率受腐殖质含量影响很小，对速效N、速效P、速效K含量变化有一定的敏感性。

（二）讨论

4个无患子优良种源，广西、广东各占2个；广西参试种源3个，2个为优良种源，1个为可利用种源；广东参试种源2个，均为优良种源，可见，以果皮皂苷、种仁油脂利用为主时，广西、广东具有明显的种源优势。福建参试种源4个，均划分为可利用种源。试验区及福建省地理环境相似的高海拔地区，发展无患子能源林，既可利用本地种质资源，也可从优良种源区调拨当地起源的种苗。浙江参试的3个种源、江西参试的4个种源均被划分为一般种源，在其它种源繁殖材料充裕的情况下，不宜从该地区调拨；四川参试的2个种源均被划分为不适宜种源，尽可能不使用。

比较表3中各性状的种源、立地类型F值大小，可以看出，立地类型对单位面积果实产量、百果重、种仁含油率等3个性状的影响大于种源影响，选择好的立地类型造林，有利于提高果实产量、百果重、种仁含油率；果皮率、果皮总皂苷含量受种源影响大于立地类型，表现出较好的种源遗传稳定性。这与果皮率、果皮总皂苷含量种源遗传力估算值大于其它3个性状的情况是相吻合的。种仁含油率对立地类型敏感，但与土壤腐殖质、速效N、速效P、速效K含量的线性相关程度不高，可能是本试验未检测的其它环境因子对其产生了显著影响，这有待于后续调查、分析研究。

本文利用MSM-PP，对各种源单位面积果实产量、百果重、果皮率、果皮总皂苷含量、种仁含油率等5个性状指标进行综合评价，将各种源的多项指标，在最优构形下投影成一维的指标值，获得一维的投影值，再以投影值为样本集进行相似性聚类归集，从而实现种源分类。以MSM-PP联合聚类分析的方法，既能够克服种源选择中多性状权重分配问题，也提高了聚类分析结果的可靠性[3]。本试验选择福建屏南作为试验点开展无患子种源造林对比试验，意在为福建高海拔地区的无患子能源林建设中的种苗调拨提供理论依据。各种源主要经济性状在福建屏南的后期表现，有待于进一步观察。