蔡年辉 王大玮 黄文学 吴俊文 王军民 陈 诗 许玉兰 段安安

(1.西南林业大学西南山地森林资源保育与利用教育部重点实验室，昆明 650224； 2.西南林业大学云南省高校林木遗传改良与繁育重点实验室，昆明 650224； 3.习水县林业局，习水 564600)

林木的表型性状是遗传改育与种苗繁育的重要指标，常被用作良种选育及种质复壮的主要性状，在林木种苗培育过程中，生长性状、生物量等指标是直接影响苗木生长的关键因素，同时也是开展苗木评价的重要内容[1～2]，较大生物量的植物个体通常具有较大的竞争优势[2]。然而，生物量的测定相对于生长性状较难，尤其是对一些深根性的树种，已有研究报道表明，生长性状与生物量之间存在一定的关系[1～5]，针对黄连木的研究发现，影响不同组分生物量的性状不同[4]；对云南松的研究发现，在不同生长阶段对生物量与生长性状间的相关性也有所不同[5]。在生产实践中，探明苗木生长性状与生物量关系，对于生物量的估测十分重要。通径分析可以将因变量与目标性状间的关系拆分为直接影响和间接影响，为统计决定提供依据，进而建立最优回归方程，利用生长性状与生物量指标间的通径分析广泛应用于科学研究中[6～12]，并在此基础上开展评价与选择育种，已成为一种较为可靠的技术手段。

云南松是我国西南地区的重要造林树种，在区域林业经济生产和生态环境建设中发挥着重要的作用。云南松生长性状方面的研究开展较早，但与其生物量之间的研究集中在林分层面[13～16]，对苗木生物量的研究也少见，且以不同处理条件下生物量变化的研究为主[5,17～18]，而生长性状对生物量的影响还未见报道。研究生长性状与生物量指标之间的关系及其影响程度，筛选出决定生物量的关键指标，在此基础上构建生物量估测模型，可为生物量估测提供快捷有效的技术手段。因此，本研究以云南松2年生苗木为材料，采用相关性分析和通径分析，对云南松苗木生长性状与生物量间的关系进行研究，探讨各生长性状对生物量的相对重要性及其决定作用大小，获得影响苗木各组分生物量的主要生长性状指标，分析其对生物量的直接作用和间接作用、及其单独和共同对各组分生物量的决定系数，以期为云南松苗木生物量估算与模型构建提供理论依据，同时为制定合理的栽培管理技术方案和培育云南松优质壮苗提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

采用完全随机区组设计，将采自云南省宜良县禄丰村林场的云南松种子于2015年3月在西南林业大学苗圃用点播方式进行播种。试验苗床规格为1 m×30 m，株行距为5 cm×10 cm，播种完成后进行常规的苗期管理。试验于2017年1月挖取云南松两年生苗木共计615株，挖取前先对每株云南松挂牌标记，挖取时尽量保持根系完整。

1.2 苗木测定

1.2.1 生长性状的测定

对挖取的云南松苗木测定地径、苗高、主根长、侧根长、针叶长和侧根数6个生长性状，地径采用游标卡尺(保留至0.01 mm)，地径、苗高、主根长、侧根长、针叶长采用直尺测定(保留至0.01 cm)，其中侧根长为≥1 cm侧根的平均长度，针叶长为两年生成熟针叶的平均长度，侧根数为统计根长≥1 cm的侧根总数。

1.2.2 生物量的测定

对采集回来的苗木，将泥土和杂质轻轻掸净，每株器官将其分根、茎、叶，采用电子天平分别称量鲜重，装入标记好的信封，放入105℃烘箱中杀青30 min后调至80℃烘干到恒重，测量各器官的干重，即为生物量，精确至0.001 g。后续分析中地上部分生物量包括茎生物量和叶生物量两部分，单株生物量包括根生物量、茎生物量和叶生物量3部分。

1.3 数据分析

对所测定的数据进行描述统计，分别计算平均值、标准差、变异系数(标准差/平均值×100%)等。采用Pearson相关分析，阐明它们之间的相关关系。以6个生长性状作为自变量、各组分生物量为因变量，采用逐步回归分析，以筛选出影响各组分生物量的重要性状。在回归分析与相关性分析的基础上进行通径分析，将相关性分析得出的相关系数rjy拆分为直接通径系数(即自变量对因变量的直接作用)和间接通径系数(某一自变量通过其他自变量对因变量产生的间接作用)，直接通径系数为多元线性回归分析中的标准化系数，间接通径系数为自变量间的相关系数(rij)×自变量对应的直接通径系数(pjy)[19～20]，在此基础上计算决定系数，即各自变量对因变量的决定程度，决定系数包括单个生长性状(自变量)对生物量(因变量)的决定系数即直接决定效应和两两组合生长性状对生物量的共同决定系数即间接决定效应，单独性状决定系数：

(1)

式中：pi为某单一生长性状对生物量的通径系数；

两两组合性状共同决定系数：

(dij):dij=2rij×pi×pj

(2)

式中：rij为生长性状间的相关系数；pi、pj分别为组合性状中生长性状(xi、xj)对生物量(y)的通径系数[20]。

根据回归分析、通径分析等结果，建立各生长性状与生物量间的回归方程。数据整理汇总采用EXCEL2010进行，描述统计、相关性分析、回归分析、通径分析采用SPSS17.0软件。

2 结果与分析

2.1 云南松苗木生长性状与各组分生物量的描述性统计

对云南松苗木6个生长性状指标和5个生物量指标进行描述统计分析(表1)。用变异系数衡量各指标的相对变异程度或变异潜力大小，从供试苗木测定指标的相对变异程度分析，各指标变异系数为18.69%～100.91%，平均57.66%，其中生长性状指标的变异系数平均为34.98%，生物量指标的变异系数平均为84.88%，生物量指标的变异系数较大，其中以茎生物量的最高(100.91%)，说明其稳定性不高，同时也表明选择利用的潜力大；生长性状指标的变异系数较小，其中以针叶长的最低(18.69%)，表明其维持在较稳定的水平。从表中的分析也可知，可各器官的生物量构成中，根、茎、叶、地上部分生物量平均占单株的15.14%、28.30%、56.57%和84.86%，即地上部分的生物量是构成单株生物量主要部分。

2.2 云南松苗木生长性状与各组分生物量的相关性分析

对测定的云南松苗木各指标进行相关性分析，获得各指标间的表型相关系数(表2)。结果表明各两两指标间都存在极显著正相关关系(P<0.01)，说明所选取的生长性状对生物量之间的相关性分析是有意义的。从相关的程度来看，生长性状中地径与单株生物量的相关系数最高(0.798)，侧根数与茎生物量间的相关系数最低，为0.352。在6个生长性状中，苗高和地径与各组分生物量间的相关系数明显大于其余4个生长性状(主根长、侧根数、侧根长、针叶长)与各组分生物量间的相关系数，其中地径与各组分生物量间的相关性略大于苗高与各组分生物量间的相关性。各生长性状间的相关性也呈正相关，且均达到极显著水平(P<0.01)，各组分生物量间也呈现极显著正相关关系，相关系数为0.822～0.997。由此也表明，在云南松苗木培育过程中，可使生长性状与生物量得到协调发展，提高所测定生长性状中的任一指标，均可对生物量的增加产生积极作用。但仅以相关系数分析生长性状与生物量之间的关系，容易忽视它们之间的相对重要性。

表1 云南松苗木的描述统计分析

表2 云南松苗木生长性状与各组分生物量的相关性分析

注:**表示相关性极显著(P<0.01)。

Note:**P<0.01 denotes the correlation was extremely significant.

2.3 云南松苗木生长性状与各组分生物量的通径分析

为进一步了解生长性状与生物量之间的关系，以生长性状地径、苗高、主根长、侧根数、侧根长和针叶长作为自变量，以各组分生物量为因变量，采用逐步回归分析，逐步加入或剔除某个自变量，回归系数不显著的自变量被剔除(P>0.05)，其中根生物量剔除的自变量为侧根数和针叶长，茎生物量、叶生物量剔除的自变量为主根长和侧根数，地上生物量、单株生物量剔除的自变量为侧根数，其余的自变量对各组分生物量影响较大而保留。显著性检验结果表明，各个因变量中所保留的生长性状(自变量)标准化系数的显著性均小于0.05，因变量与自变量间存在显著性差异，具有统计学意义。以生长性状为自变量、生物量为因变量进行通径分析，将其分解为直接作用与间接作用，进一步揭示各自变量对因变量的影响效应及其大小(表3)。

根据直接通径系数的结果可以看出(表3)，各生长性状对根生物量的影响均为正向的，地径对根生物量的直接作用最大，其次为苗高，侧根长和主根长对根生物量产生的直接作用较小。通过分析各生长性状间接通径系数发现，各生长性状对根生物量产生的间接影响中，通过侧根长产生的间接作用最大(0.385 5)；苗高和侧根长通过地径对根生物量产生的间接作用较大，分别为0.298 2和0.254 8；苗高通过主根长对根生物量产生的间接作用最小(0.023 6)。此外，直接通径系数均明显大于间接通径系数，表明各生长性状对生物量的影响主要是通过自身的直接效应起作用，而通过其他因素起的间接作用较小。同样地，从表中可以看出，对茎生物量直接影响从大到小依次是地径、苗高、侧根长和针叶长；对叶生物量的直接影响从大到小依次是地径、苗高、针叶长和侧根长；对地上部分生物量的直接影响作用依次为地径、苗高、针叶长、侧根长和主根长；对云南松苗木单株生物量影响的生长性状从大到小依次是地径、苗高、侧根长、针叶长、主根长，且均为正向作用。各生长性状对生物量产生的间接影响中，通过侧根长对生物量的间接影响最大。

总体来看，云南松苗木生长性状对生物量直接通径系数与间接通径系数均为正值，即各生长性状对生物量都有直接的正向效应，由此表明，如果在控制其它性状不变的情况下，提高所测定的任一生长性状指标均对生长量的增加起到积极作用，其中以增加地径和苗高的作用最大，即只有苗木生长的地径和苗高达到一定程度后，才能获得理想苗木生物量。同时，各间接通径系数也均为正值，但相对直接通径系数来看，间接通径系数的作用均较小，由此也进一步表明，以提高直接影响因素对生物量的增加效果才比较明显。

表3 云南松苗木各组分生物量的通径分析

2.4 云南松苗木生长性状对各组分生物量的决定程度分析

根据通径系数和相关系数，将苗木单个生长性状对各组分生物量的决定系数和组合性状对各组分生物量的决定系数列于表4。

由表4可知，对根生物量、茎生物量、叶生物量、地上部分生物量和单株生物量总决定系数(即单独的决定系数和两两性状共同作用的决定系数之和)分别为0.695、0.705、0.756、0.778和0.790，其中不同组分生物量中对其决定系数最大的单个生长性状均为地径，分别占总决定系数的49.64%、30.21%、28.31%、28.41%和31.52%，其次为苗高，分别占总决定系数的10.07%、26.38%、22.62%、23.26%和20.89%。在两两性状共同作用中，对各组分生物量均表现为地径与苗高对生物量的决定系数最大，分别占根生物量、茎生物量、叶生物量、地上部分生物量和单株生物量总决定系数的22.73%、28.65%、25.79%、26.09%和26.08%。由此进一步表明，以生物量为因变量或目标性状考虑时，其影响因素最大的是地径，其次为苗高。在以生物量作为选择指标时，首要考虑的生长性状即为地径与苗高。同时也表明，在生物量模型的构建或生物量预估时，以这两个性状估测可获得比较高的精度。

2.5 云南松苗木生物量估测模型的建立

在上述分析的基础上，以各组分生物量为因变量(y)，以地径(x1)、苗高(x2)、主根长(x3)、侧根数(x4)、侧根长(x5)和针叶长(x6)为自变量，通过逐步回归分析，剔除不显著的生长指标，构建生物量估测模型(表5)。结果表明，各预估数学模型中，地径和苗高对各组分生物量的影响都大于其他生长性状，其中以其对单株生物量的影响较大，对根生物量的影响较小。多元线性回归方程分析方差分析表明，F值分别为346.875、364.838、472.318、424.454、457.503，生长指标与各组分生物量之间的回归均达到极显著水平(P<0.01)，说明模型的构建具有统计学意义。

表4 云南松苗木生长性状对各组分生物量的决定系数

注：表中对角线上数据为每个生长性状单独对生物量的决定系数，对角线左下方为两两性状共同作用对生物量的决定系数。

Notes:The data on the diagonal line in the table is the determinant coefficient of the single growth trait to biomass, The diagonal left bottom is the determinant coefficient of the combined growth traits to biomass.

表5 各组分生物量多元回归方程及检验参数

注：y.各组分生物量(g)；x1.地径(mm)；x2.苗高(cm)；x3.主根长(cm)；x5.侧根长(cm)；x6.针叶长(cm)

Notes:y.Component biomass(g)；x1.Ground line diameter(mm)；x2.Seedling height(cm)；x3.Major root length(cm)；x5.Lateral root length(cm)；x6.Needle length(cm)

3 讨论

苗木生长变异是苗木选择和广泛适应的基础，采用变异系数的大小可反映该指标的相对变异程度和变异潜力大小，本研究表明，生长性状指标的变异程度(34.98%)低于生物量指标(84.88%)，一方面表明生长性状指标的稳定性高于生物量指标，同时也表明云南松苗木中，以生物量指标进行选择的潜力较大。因此，可以通过选育措施实现苗木生物量的改良；相应地，生长性状的变异系数相对低一些，这些性状也可以通过一定的选育措施获得改善。同时也表明，在云南松苗木的培育选择过程中，可优先考虑生物量，其次是生长性状。从生物量的构成可以看出，地上部分茎、叶生物量是构成单株生物量主要部分，占80%以上，即苗木地上部分是云南松苗期生长生物量的主要分布中心，其中叶与茎的投资分别为56.57%和28.30%，即单株50%以上的生物量积累在叶器官，这可能与云南松苗木早期的生长适应对策有关，干旱的加剧，云南松苗木的生物量分配到根系增加，而分配到茎、叶器官上的生物量减小，以此来提高自身的抗旱能力[5]。本研究中水分不是苗木生长的受限因子时，根系的快速生长也不是关键。因此，在有限的资源分配下，优先集中于叶的生长，增加光合器官，为后期光合产物的积累奠定基础，从而为苗木的后期生长提供一定物质保证。在无患子的研究中也揭示，早期苗木生物量58.80%的分配于叶器官，随着苗木生长时间的推移，逐渐向茎转移，在整个苗期，地上部分生物量积累显著高于地下部分[21]。

相关性分析可了解各性状指标间的相关性性质(正或负相关)及其相关性大小[6]，各性状间的相关性可体现其相互有促进或制约关系，选择育种时应综合考虑[7]。本研究通过生长性状指标与生物量指标的相关性分析揭示了两两指标间存在极显著正相关关系，由此表明它们之间存在明显相互促进的作用。由各种器官组成统一有机体的高等植物，各部分之间存在密切关系[22]。通过对云南松苗木生长指标与各组分生物量的相关分析，结果表明6个生长性状指标均与各组分生物量均存在极显著正相关关系，其中地径、苗高与各组分生物量的相关性均较大，两者中又以地径与各组分生物量之间的关系更密切，这也表明在苗木形态指标中，地径是与生物量关系最为密切的指标之一，同时也是评价苗木质量最为重要的指标之一，地径粗壮的苗木具有更强的支撑、抗弯曲、抗逆境生长等能力，一定程度上反映植物对环境条件的适应能力。云南松方面也有相关的研究报道[5]。苗高或地径与生物量之间的相关性研究探讨相多，研究表明，苗高与茎生物量间、地径与根生物量间存在显著线性正相关关系[22]，地径和苗高是总生物量最主要的影响因子[4]，各器官生物量积累与地径、苗高之间的回归关系极显著[21]；在台湾桤木的研究中也报道，地径、苗高与生物量或含水率显著相关[23～24]，其中，地径对其单株干质量和地上干质量的贡献率要大于株高[23]。苗木的生长指标或生物量指标一般表现为数量性状的特征，在苗木培育过程中，对某一性状的培育可直接或间接地影响到其他性状的表现[7]，云南松苗木生长性状指标与生物量指标之间的相互促进关系表明可同时实现苗木地上、地下部分的协调生长以及生物量提高，地上部分生长良好，固碳释氧能力强，促进地下根系生长和生物量的增加；而地下部分生长不良，吸收水肥能力弱，也将影响到地上部分枝叶的生长[4]。另一方面也表明，云南松苗木培育过程中，利用它们之间的相关性可对生长性状和生物量进行协同选择，通过改良某一性状的同时也可以获得其它性状的改良，培育实现同时具有生长优势和生物量积累较高的种质资源。相关性分析虽然在一定程度上反映了各因素间的相关程度[8]，但生物量是一个综合性状，反映生物量与生长性状间的相互关系用简单相关分析是不客观的[4]，不能真正反映由各个性状对生长量的相关密切程度，而通径分析能够真实地反映各变量间的本质联系。因此，要弄清楚生长性状对生物量的作用大小，还需要进一步开展通径分析。

通径分析结合相关分析和回归分析，将相关系数分解为直接作用和间接作用，从而清楚地显示各因素的相关关系大小和相对重要性[8]，表明变量之间作用的因果关系，更深刻地揭示变量之间的关系[11]，通径分析中直接作用揭示了因变量对自变量作用的事实[8]。本研究中采用的通径分析可以客观评价云南松苗木各生长性状对各组分生物量的作用与贡献大小，排除其他因子的干扰，进而分析各生长性状对生物量的直接影响和间接影响。从各组分生物量的影响因素来看，直接通径系数均为正值，表明所测定的生长性状指标对生物量均有直接的正向作用，即如果控制其他性状不变，提高所测定生长性状中任一指标均对生物量的增加起到积极作用，其中地径和苗高的直接作用较为明显，在其它研究中也揭示相同的趋势[4]。同样地，间接通径系数也均为正值，表明各生长性状均可对各组分生物量的增加起正向效应，即各生长性状达到最优时生物量也得以增加；各生长性状对生物量的直接效应均较大，而通过其他性状的间接效应均较小，表明生长性状对生物量的贡献或影响主要是通过自身的直接效应起作用，而通过其他因素起的间接作用较小，类似的研究也有报道[6]。本研究分析可知直接影响云南松苗木生物量的优势因素为地径和苗高，侧根长通过其他性状对生物量产生的间接影响最大，各性状通过其它性状对生物量起正向作用。苗高、地径是衡量苗木品质的重要指标，苗高能直观表现苗木生长健康状况，地径粗壮程度与植物的抗逆性密切相关[25]，苗木高度和地径是衡量苗木健壮与否的直观指标[26]。在生长中要获得较高的生物量，需各个生长性状综合协调，是培育壮苗的关键，其中苗高和地径是优先考虑的性状指标。

生物量指标是苗木评价的重要内容之一，而生物量与生长性状之间的关系比较密切，即生长性状对生物量的贡献与作用均呈显著性。因此，实际工作中可用易测定的地径、苗高等生长性状指标来估算不易测定的各组分生物量。基于此，本研究采用线性回归方程关系式来模拟云南松2年生苗木各组分生物量与生长性状间的关系，并对构建的回归方程进行方差分析，结果各模型均达到极显著水平，表明其具有统计意义，可应用于生产实践中。利用苗高和地径能够估测各器官生物量积累与分配，从而揭示苗木生长的内在规律，为更好地培育云南松优质壮苗提供科学依据。但是，各组分生物量的总的通径系数和生物量估测模型的相关系数均小于0.9，说明除上述生长性状外，还有对各组分生物量影响的因子没有考虑到。根、茎、叶生物量模型中更小，说明没考虑到的因子对其影响更大。此外，通径分析也表明，不同时期对目标性状的影响因素会发生一定的变化[12]；除此之外，环境因子对苗木的生长与生物量的形成也会产生影响[4～5,11,27]。因此，为提高对云南松苗木生物量估测的精确性，对生物量构成因素的全面分析有待进一步地深入研究。