基于主成分分析立地条件对核桃幼苗生长影响的研究

王芳,刘凯，2,冯启科，李洋,王红霞

(1河北省山区农业工程技术研究中心，国家北方山区农业工程技术研究中心，河北 保定 071001；2河北农业大学 园艺学院, 河北 保定 071001；3河北省农林科学院植保所, 河北 保定 071001)

核桃(Juglansregia)又名胡桃、羌桃、万岁子，是胡桃科胡桃属植物，在我国的栽培历史悠久，而且栽培地区广泛[1]。我国核桃种植面积和坚果总产量均居世界首位，核桃产业已然成为促进地方经济发展、农民群众增收的重要产业[2-3]。

核桃幼苗的生长受多种因素的影响，比如立地条件。立地条件是指在造林地上影响森林生长发育所有因子的总和，包括气候、土壤、地形地貌、生物因子等，影响着植物的正常生长发育[4]。有报道称：“立地因子对灌木植株生物量的分配具有显著影响”[5]。赵凯旋等对不同立地条件下的核桃病害进行研究发现，在深山区核桃病虫害的发生率高于浅山区和平原区[6]。郗荣庭等对不同立地条件下核桃根系观察，结果表明土层越厚，其垂直根和水平根分布越深越宽[7]。丘陵山坡条件下核桃的单果重大于丘陵梯田、沟坝田[8]。目前关于核桃的研究较多，但大多集中在核桃的丰产栽培以及繁殖技术方面，忽视了核桃幼苗的生长发育研究[9-11]。本研究通过不同立地条件对核桃幼苗生长的影响结合不同立地条件各因素与核桃幼苗生长指标之间的关系，利用主成分分析方法，综合评价核桃幼苗生长的立地条件，旨在为核桃标准化生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验园情况

该试验时间是2018年3月-9月；试验田位于保定市大悲乡富有村(E 114°54′36″，N 38°56′24″)。

1.2 样地选择

在所选试验田区域分别选取山顶，山坡(未改造)、山坡(客土)、山谷4种立地条件。山谷特征是土层覆盖达1 m以上；山坡(客土)特点是位于山坡阳面梯田，阳光充足，土壤有机质含量较高；山坡(未改造)有机质含量较低，氮磷钾元素含量较低；山顶特点是含水量较少，光照强，土壤有机质含量较少。

1.3 播种

选择饱满的大小一致的“辽宁1号”核桃种子为试材，冷水浸泡每天换1次水，浸种7 d(生产上浸种天数)，使其吸水膨胀，待大部分种子吸水膨胀、隔膜变软后，暴晒2 h，挑选出开口程度一致的核桃种子，每组36粒，沟播，播种密度4 m×6 m，缝合线垂直地面，深度为5 cm，分别播种在山顶，山坡(客土)，山坡(未改造)和山谷。

所有处理统计出苗时间、出苗率、株高、叶面积、叶绿素含量、鲜重、干重、主根长等；检测叶片氮元素含量、矿物质含量等。

1.4 树体生长状况的调查

出苗时间：核桃出土的时间；株高：用盒尺测量地面到顶芽芽顶的高度；干径：游标卡尺测定地面上2 cm处幼苗直径；叶面积：叶面积仪测量顶叶的长、宽、长宽比；叶绿素变化：SPAD叶绿素计测定顶叶SPAD值；干物质比：从颈部剪取幼苗，迅速称量茎、叶片的鲜重；挖掘出幼苗根，仔细拣净并去掉泥土，称取根鲜重，取样置于80 ℃的烘箱内烘干，烘至恒重时称取各样品的干重，进行整理计算。

1.5 土壤与核桃幼苗矿质元素测定

全氮采用AA3连续流动分析仪测定[12]；参照鲍士旦的方法测定土壤和核桃幼苗中的全磷、全钾含量、有机质含量以及其他矿质元素含量[13]。

1.6 统计分析

采用Microsoft Excel 2007软件对数据进行整理制图，并结合SPSS 17.0软件进行差异显著性测验、相关性分析及主成分分析。

2 结果与分析

2.1 4种立地条件土壤基本属性

4种立地条件土壤基本属性，见表1。

表1 4种立地条件土壤基本属性Table 1 Basic properties of four different ecological conditions

由表1可知，山谷pH较低，含水量较高，但是有机质含量适中，全氮含量适中，全磷含量与全钾含量较高；山坡(客土)有机质含量较高，全氮含量较高，全磷含量仅次与山谷，全钾含量在0～40 cm土层内都较高；山坡(未改造)pH较高，含水量较其他土壤类型较高，有机质含量低，全氮、全磷、全钾含量整体仅高于山顶；山顶在含水量、有机质、全氮、全磷含量都显著次于其他土壤类型。

2.2 4种不同立地条件土壤矿物质含量分析

4种不同立地条件土壤矿物质含量分析，见表2。

表2 4种立地条件土壤矿物质含量分析Table 2 Analysis of minerals of four different ecological conditions

由表2可知，4种不同立地条件在不同深度土层中钙、镁、铁、铜等矿质元素的含量。山坡(客土)中钙元素含量最低，仅为山顶土壤的13.91%，山顶含量高可能是由于碳酸钙化合物比较多。土壤中镁元素含量在4种不同类型土壤中差异不显著。铁元素含量在山坡(客土)土壤中较低，其他土壤类型差异不显著。铜元素含量在山顶土壤中含量最高，山坡(客土)整体较低，但是差异不大。锰元素则在山坡(客土)土层中含量较高，山顶土壤中含量较低。

2.3 4种不同立地条件对核桃幼苗树体特征的影响

4种不同立地条件对核桃幼苗树体特征的影响，见表3。

表3 4种立地条件对核桃幼苗树体特征的影响Table 3 Influence of four different ecological conditions on tree structure factor of Juglans regia seedling

由表3可知，山坡(未改造)与山顶核桃幼苗干径差异不显著，山谷的核桃幼苗干径最大。山谷核桃发芽率最高，山顶发芽率最低。山谷与山坡(客土)核桃幼苗主根长差异不显著，山坡(未改造)核桃幼苗主根最长，山顶核桃幼苗主根最短，主要原因可能是山顶石块较多，不利于核桃幼苗主根延伸。核桃幼苗须根长则是在山顶最长，在山谷中最短，相差4.76 cm。山谷核桃幼苗SPAD值最高，山坡(未改造)核桃幼苗SPAD值较小。山坡(客土)核桃幼苗叶片复叶面积最大，山谷核桃幼苗叶片复叶面积较小。核桃幼苗叶片长宽比在山谷与山顶中较大，但差异不显著；在山坡(客土)与土壤贫瘠中较小，差异不显著。

2.4 4种不同立地条件对核桃幼苗叶片内营养元素的影响

4种不同立地条件对核桃幼苗叶片内营养元素的影响，见表4。

表4 核桃幼苗叶片内矿质元素分析Table 4 Analysis of mineral nutrient of the leaf in tree

由表4可知，全氮含量在山坡(客土)核桃幼苗叶片中最高，在山顶核桃幼苗叶片中含量最低，且差异显著(P<0.05)。全磷含量在山坡(未改造)核桃幼苗叶片中较高，在山顶核桃幼苗叶片中含量较低，且差异显著(P<0.05)。全钾含量在山坡(客土)核桃幼苗叶片中较低，在其他3种土壤含量较高，但差异不显著。钙元素含量在山谷与山坡(未改造)核桃幼苗叶片中较大，但差异不显著；在山坡(客土)与山顶核桃幼苗叶片中较小，差异也不显著。山坡(未改造)核桃幼苗叶片中镁元素含量较高，是山谷核桃幼苗叶片中含量的2.55倍。山顶核桃幼苗叶片中铁元素含量较高，是山坡(未改造)核桃幼苗叶片中含量的2.91倍。山谷与山坡(未改造)核桃幼苗叶片中铜含量较低，且差异不显著，山顶中核桃幼苗叶片铜含量较高。4种土壤中核桃幼苗叶片锌元素含量差异不显著。山顶中核桃幼苗叶片钠元素含量较高，山坡(未改造)中核桃幼苗叶片较低，山谷与山坡(客土)差异不显著。山谷中核桃幼苗叶片锰元素含量较高，山坡(未改造)中含量较低，差异显著(P<0.05)。

2.5 4种不同立地条件土壤基本属性与核桃幼苗树体特征相关性

4种不同立地条件土壤基本属性与核桃幼苗树体特征相关性，见表5。

表5 4种立地条件土壤基本属性与核桃幼苗树体特征相关性Table 5 Correlation between basic soil properties of four different site conditions and tree body characteristics of Juglans regia seedlings

由表5可知，土壤含水量与核桃幼苗须根长度呈显著负相关关系(P<0.05)，相关系数为-0.979，土壤含水量与核桃幼苗发芽率呈显著正相关关系(P<0.05)，相关系数为0.968，同时土壤中的钙、铜含量与核桃幼苗的发芽率呈极显著正相关关系(P<0.01)。铁含量与核桃幼苗的株高呈显著负相关关系(P<0.05)。土壤中钙、铁、铜含量与核桃幼苗的干径表现出极显著关系正相关关系(P<0.01)。叶面积与钙、铜含量呈显著负相关关系(P<0.05)。核桃幼苗的叶面积与土壤中的钙、铜含量呈显著负相关关系。

2.6 4种不同立地条件土壤营养因子与核桃幼苗叶片营养元素相关性

4种不同立地条件土壤营养因子与核桃幼苗叶片营养元素相关性，见表6。

表6 4种立地条件土壤营养因子与核桃幼苗叶片营养元素相关性Table 6 Correlation of factor of four different ecological conditions and leaf of Juglans regia seedlings

由表6可知，土壤的pH与叶片中钾、钙的含量是呈极显著正相关(P<0.01)，但与叶片中铁、锰、铜含量呈显著负相关(P<0.05)。叶片中的磷含量与土壤中的磷、钙、铜含量呈现极显著正相关(P<0.01)。叶片中的蛋白质、锰含量与土壤中的铁含量是呈显著正相关(P<0.05)，但与钾含量呈显著负相关(P<0.05)。土壤中的铜元素含量与叶片中的磷元素呈极显著正相关(P<0.01)。叶片中钙含量与土壤中的锌含量呈极显著正相关(P<0.01)。

2.7 4种不同立地条件主成分分析

通过软件SPASS 17.0对不同立地条件核桃幼苗生长各种因子进行主成分分析，前3个主成分的特征值大于1，提取出3个主成分。主成分1中株高、主根、叶片含水量与根含水量占比重较高；主成分2中发芽率、叶绿素与长宽比占比重较高；主成分3中须根占比重最高。进行加权平均求得不同立地条件综合得分评价，见表8。综合评价后山谷得分最高，其次是山坡(未改造)，然后是山坡(客土)，最后是山顶。因此，在核桃建园幼苗期间可以根据土壤中营养元素与核桃幼苗相关性，指导生产中配方施肥，减少肥料用量，提高经济效益。

表7 主成分载荷矩阵Table 7 Principal components matrix

表8 4种不同立地条件主成分分析Table 8 Analysis of principal component of four different ecological conditions of Juglans regia

3 讨论与结论

外界的水、肥、光、热等环境因子会直接或间接影响植物的生长，适宜的外界环境可以促进植物自身的生理代谢动进行，从而促进植物的生长。本研究对4个立地条件在土壤矿物质、核桃幼苗树体相关特征性、核桃幼苗叶片营养元素相关性等方面进行了分析，山坡(未改造)核桃叶片内的含磷量最高，山顶核桃幼苗叶片中铁元素含量较高；在核桃幼苗生长状况方面，山坡(客土)的核桃幼苗株高最高，山谷的核桃幼苗干径显著高于其他3种立地条件上的核桃幼苗。研究得出在4个不同的立地条件中，山谷适宜核桃的播种与核桃幼苗的生长，山坡(未改造)和山坡(客土)次之，山顶最不适宜核桃的生长。

李上前等对立地条件对檫树人工林的影响中得出檫树人工林在山顶的生长表现差；熊咏梅等对红花椒的研究中发现，土层厚度越大，更有利于花椒的生长，花椒产量也高；与本研究结果一致[14-15]。这是因为山顶的土壤中含水量和氮磷钾含量低会抑制幼苗的生长，而且山顶的风大也不利于核桃的生长。山谷的土壤中富含大量的营养物质,水分充足，所以核桃的发芽率较高，并最适宜核桃幼苗的生长[16]。山坡(未改造)比山坡(客土)适宜核桃幼苗的生长，客土改造有机质含量高于未改造，但含水量低于未改造，这可能是造成其对核桃幼苗生长不利的原因。通过对4种不同立地条件对核桃幼苗树体特征的影响的分析显示，山坡(未改造)核桃幼苗株高比其他3种立地条件中的核桃幼苗较高，主根最长，可能是由于山坡(未改造)有机质含量和氮磷钾元素含量都较低，根系为了满足地上部对养分的需要而进行根部的代偿性增长来提高其对养分的竞争能力[17]。在对4种立地条件中土壤基本属性与核桃幼苗树体特征相关性的分析中得出，土壤中的磷含量与植株干径呈正相关关系，因为山谷的磷含量最高，所以山谷种植的核桃幼苗干径最大。前人研究表明，磷可以增加叶片的叶绿素a含量，提高光合效率等叶片光合性能，叶片中的干物质增加必然会影响到干径的大小[18-20]。本研究得出叶片中的营养元素含量与土壤的pH有关，尤其是叶片中的钾和钙的含量受土壤pH的影响，适宜的土壤pH值有利于树体对矿质营养的吸收[20]。