1、学术研究 A c a d e m i cR e s e a r c h2 6 F O R E S TS C I ENC EANDT E CHNO L O G Y二二三年第五期 林业科技通讯孑遗植物银杉数量性状间的主成分分析与聚类分析伍 飞1,肖 芬2,肖明军1,肖立晖1(1.城步县青界山国有林场,湖南 城步 4 2 2 5 0 0;2.中南林业科技大学林学院,长沙 4 1 0 0 0 4)摘要:以湖南城步沙角洞自然保护区内银杉(C a t h a y aa r g y r o p h y l l a)天然次生林为研究对象,运用主成分分析法和R型聚类分析对银杉种群的1 9个数量性状进行分析,探讨
2、银杉数量性状之间的相互关系,揭示其对银杉生长发育、遗传等性状的影响。研究结果表明:选择银杉优良个体时优先考虑侧枝总数、胸径、树高等生长性状和枝条密度、枝长这类分枝特性性状;银杉在树木干形、自然分枝方面的遗传较稳定;银杉1 9个数量性状在等级结合线L 4(D=5.0)处,分为8个相对独立的类群。关键词:孑遗植物;银杉;C a t h a y aa r g y r o p h y l l a;数量性状;主成分分析;R型聚类分析中图分类号:S 7 9 1.1 9 文献标识号:A文章编号:2 0 9 70 2 8 5(2 0 2 3)0 50 0 2 60 4D O I:1 0.1 3 4 5 6/j
3、.c n k i.l y k t.2 0 2 2.0 9.2 7.0 0 0 7 银杉(C a t h a y aa r g y r o p h y l l a)是我国特有的孑遗植物,是我国极小种群植物之一,属国家一级保护植物,堪称“植物界大熊猫”。现仅残存于我国亚热带山地1-3,多位于山顶或山脊等较严酷的生境中4-5。早在1 9 8 3年的文献中,沙角洞自然保护区8m以上的银杉立木4 4株,长苞铁杉8 7株6,但目前关于湖南城步沙角洞自然保护区银杉的报道极少。银杉天然林资源稀缺,应用趋势不强,但银杉株型高大,叶形优美,叶背两排银白气孔线在阳光下银光耀眼,是一类具有重要保护价值、科研价值和广阔
4、园林应用前景的珍贵树种。目前,国内对银杉在数量性状等方面的研究未见报道,但数量性状间的主成分分析和聚类分析的研究已广泛开展于许多植物上,如水松7、湿地松8、牡丹9、木槿1 0等。数量性状间的聚类分析多数应用于观赏植物品种分类的鉴定,如有学者对2 4个观赏石榴品种进行主成分和聚类分析1 1,结果表明枝的形态第一作者:伍飞(1 9 6 7-),大学本科,林业高级工程师,研究方向:森林保护与森林调查评估。与颜色、花大小等是主要影响因子,并将2 4个观赏石榴品种分为3个组群,类似的研究还有栀子1 2、睡莲1 3、绿豆1 4等。而种内水平上的数量性状研究相对较少,有学者通过2 5个数量性状对孑遗植物水松
5、种群进行R性聚类分析,将2 5个数量性状聚类为9个相对独立的类群7。为了更加有效地进行银杉资源的管理与保护,为了探究银杉生长发育和遗传的主要影响性状,本文对湖南城步沙角洞自然保护区的银杉资源进行全面清查,并提出保护与管理建议,并调查观测银杉天然种群1 9个数量性状,通过主成分分析和R型聚类分析,为银杉优良个体的选育、各性状间相互关系的研究提供参考依据。1 调查区概况沙角洞自然保护区位于城步苗族自治县东北部威溪乡境内,隶属城步县青界山国有林场,是保持较完好的 原 生 型 天 然 森 林,地 理 坐 标 为2 6 3 0 4 4-2 6 3 3 1 4 N、1 1 0 3 3 3 7 -1 1 0
6、 3 4 4 6 E。自然保护区总面积约4 9 3.3 3h m2(74 0 0亩)。保护区地形四周高,中间低,东北高,西南低,最高海拔16 3 8m,最低海拔6 4 7m。沙角洞夏凉冬温,雨量充沛,湿度大,最高温5 邓向瑞.北京山区森林景观格局及其尺度效应研究D.北京:北京林业大学,2 0 0 7.6 孙楠,王京民,赵鹏祥,等.基于G I S的黄龙山林区森林景观格局分析J.西北农林科技大学学报(自然科学版),2 0 1 3,4 1(9):6 1-6 7.7 陈振雄.森林景观格局分析与经营对策研究D.长沙:中南林业科技大学,2 0 0 6.8 黄志强.从景观异质性分析近自然森林经营J.世界林业
7、研究,2 0 0 4(5):9-1 2.9 楼旭逵,夏斌,张慧霞,等.广州市番禺区景观格局的梯度变化研究J.安徽农业科学,2 0 0 9,3 7(2 9):1 4 4 6 3-1 4 4 6 6.1 0 白海花.内蒙古乌审旗近2 0年的植被景观动态及预测D.呼和浩特:内蒙古农业大学,2 0 1 2.1 1 张会儒,何鹏,郎璞玫.基于森林资源二类调查数据的延庆县森林景观格局分析J.西部林业科学,2 0 1 0,3 9(4):1-7.1 2 乔志和.长白山自然保护区景观格局演化与模拟D.长春:东北师范大学,2 0 1 2.学术研究 A c a d e m i cR e s e a r c hF O
8、 R E S TS C I ENC EANDT E CHNO L O G Y2 7 二二三年第五期 林业科技通讯为2 8,最低温为6,全年平均气温为1 6,年降雨量18 0 0mm,平均相对湿度8 0%。保护区山脊土层浅,山坡土层较厚,海拔12 0 0 m以上为黄棕壤,12 0 0m以下为黄壤。保护区原始植被为常绿阔叶林,森林覆盖率达9 8%,有乔灌木树种7 3科3 0 7种,主要保护对象为国家一级保护植物银杉。保护区内还生长着大量的长苞铁杉、红豆杉、资源冷杉、香果树、榉树、红花木莲、南果、三尖杉等国家二级保护树种,被誉为“湖南植物基因宝库”。从1 9 8 3年至今,湖南城步沙角洞自然保护区管
9、理所开展了银杉育苗和嫁接试验,进行了物候观测,建立了各种技术资料档案,并在银杉保护与研究工作中取得一定成果,至今银杉育苗移栽数量14 0 0多株,计0.5 3 3h m2(8亩)左右。2 研究方法2.1 银杉数量性状调查方法通过国内外文献数据库、中国数字植物标本馆和中国国家标本资源平台收集沙角洞自然保护区内银杉的分布点信息,为后期实地调查提供一定指导作用。以城步县沙角洞自然保护区内银杉天然次生林为调查对象,根据地形和调查安全等情况,共设置1 4个1 0m2 0m样地,总面积为28 0 0m2,调查样地的海拔、坡度、坡位、土壤情况和群落类型等。并采用相邻格子法,将每个样地再划分为8个5m5m的样
10、方,对每个样方进行每木检尺,记录样方内胸径5c m所有植株的种名、树高、胸径和冠幅,现场对每株银杉的树高、胸径、基径、枝下高、冠径、中央直径、侧枝总数、枝长进行测量,内业计算各银杉植株的冠长、冠径比、高径比、冠径树高比、胸高形率、胸高断面积、冠幅面积、基底断面积、相对树干材积、相对树干体积和枝条密度。2.2 银杉数量性状计算方法外业现场对银杉树高、胸径、基径、枝下高、冠径、中央直径和侧枝总数进行直接测数,枝长则选取树冠下部1 0个样枝取平均值;内业按以下方法计算各性状数值,冠长=树高-枝下高;冠径比=冠径/胸径;高径比=树高/胸径;冠径树高比=冠径/树高;胸高形率=中央直径/胸径;枝条密度=侧
11、枝总数/冠长;相对树干材积和相对树干体积参照辛营营等1 5的三维测树指标公式进行计算。2.3 数据处理与分析方法1 9个性状指标均为数值性状,直接以原始数据形式进行运算。首先对原始数据进行标准化(S T D)处理以消除不同量纲,对1 9个性状进行主成分分析和R型聚类分析,聚类分析方法选用组间联接,以P e a r s o n相关性为度量标准,得出聚类树状图。数据处理与分析通过E x c e l和S P S S1 9.0实现。3 结果与分析3.1 银杉资源现状沙角洞自然保护区内银杉沿山脊分布,海拔在9 1 110 9 0m之间,根据调查结果,当前银杉分布区与1 9 8 1年确认的银杉分布区相同,
12、银杉天然群落分布不 连 续,依 然 集 中 分 布 在 山 脊 的2处。在 海 拔9 5 0m处的银杉群落中,银杉活株1 0株,最大胸径5 2.3c m,最小胸径1 2.8c m,主要共生树种有长苞铁杉、甜槠、青冈栎、深山含笑、茶梨木荷、鹿角杜鹃等;在海拔10 5 0m处的银杉群落中,银杉活株1 2株,最大胸径3 5.1c m,最小胸径1 4.7c m,主要树种为长苞铁杉、木荷、青冈栎、甜槠、吴茱萸五加、檵木等。2处银杉群落中,林地枯枝落叶层较厚,灌木和草本不多,林下发现存活幼苗或幼树较少,且部分银杉树干有明显碳化现象。长苞铁杉是银杉的主要伴生种,而本次考察发现在海拔10 0 0m以上,与银杉
13、共生的长苞铁杉生长态势较差,死亡株数粗略估计2 03 0株。3.2 1 9个性状指标的主成分分析由主成分分析结果(表1)可知,前3个主要成分的总贡献率为9 0.6 7 5%。第1主成分的贡献率最大为5 5.0 9 3%,其中影响较大的性状有侧枝总数、胸径、胸高断面积、基径、基底断面积、高径比、胸高形率、相对 树 干 材 积、冠 径 比;第2主 成 分 的 贡 献 率 为2 4.5 0 5%,其中影响较大的性状为冠长、树高、枝条密度和枝长;第3主成分的贡献率为1 1.0 7 8%,其中影响较大的性状为冠幅面积和冠径。第1主成分所包含的性状指标主要反映与胸径相关的因子,第2主成分所包含的性状指标主
14、要反映与树高和分枝特性相关的因子,第3主成分所包含的性状指标主要反映与冠幅相关的因子。3.3 1 9个性状指标R型聚类分析由R型聚类分析树状图(图1)结果可知,高径比与胸高形率,冠径与冠幅面积,胸径、胸高断面积、基径、基底断面积与相对树干材积的相关性较大。其他各性状指标较分散。在等级结合线L 1(D=2 2.5)处,1 9个性状被分为2个相对独立的类群:第1个类群为高径比、胸高形率、冠径比3个性状;剩下的1 6个性状为第2个类群。在等级结合线L 2(D=1 7.5)处,1 9个性状被分为3个相对独立的类群:第1个类群仍为高学术研究 A c a d e m i cR e s e a r c h2
15、 8 F O R E S TS C I ENC EANDT E CHNO L O G Y二二三年第五期 林业科技通讯表1 主成分的特征值、贡献率和累计贡献率性状成分123侧枝总数0.9 5 20.0 7 10.0 0 9胸径0.9 3 90.2 2 50.2 3 9胸高断面积0.9 3 10.1 5 20.2 5 2基径0.9 0 70.2 5 70.2 9 1基底断面积0.9 0 20.1 8 50.3 2 8高径比-0.8 6 10.3 9 2-0.1 8 0胸高形率-0.8 6 10.3 9 2-0.1 8 0相对树干材积0.8 6 00.3 1 90.3 3 7冠径比-0.8 4 1-
16、0.2 0 50.4 2 7中央直径0.6 9 60.6 7 60.2 0 2冠长0.3 2 30.9 1 4-0.1 0 2树高0.3 4 10.9 1 00.1 2 8枝条密度0.0 6 0-0.8 9 50.0 3 1枝长0.2 0 8-0.8 6 30.0 7 5相对树干体积0.5 1 20.7 3 60.3 7 9冠幅面积0.4 8 80.2 1 90.8 2 5冠径0.5 0 50.2 5 50.8 0 9冠径树高比0.0 9 4-0.6 3 30.6 8 8枝下高0.0 1 6-0.1 1 20.6 5 4特征值1 0.4 6 84.6 5 62.1 0 5贡献率/%5 5.0 9 32 4.5 0 51 1.0 7 8累计贡献率/%5 5.0 9 37 9.5 9 89 0.6 7 5径比、胸高形率、冠径比3个性状;第2个类群为枝长、枝条密度、冠径树高比和枝下高4个性状;剩下的1 2个性状为第3个类群。在等级结合线L 3(D=1 2.5)处,1 9个性状被分为4个相对独立的性状,与前一个分类相比,只是枝下高单独聚为一类。在等级结合线L 4(D=5.0)处,1 9个性状被
