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摘要：采用田间测量和观测法，以新疆干旱区引种文冠果资源为研究对象，通过主成分分析和两步聚类分析方法，对424个文冠果优选样本进行植物学性状比较研究。结果表明：文冠果幼树植物学性状均有较大变幅，且各指标之间存在很强的相关性，主成分分析结果表明，4个综合指标的累计贡献率为80.106%，基本反映了原始指标所涵盖的信息，包含长势因子、色度因子、树形因子、小叶因子。两步聚类分析结果进一步表明，枝条颜色是反映文冠果植物学性状的重要指标，而与叶相关因子的预测重要性较低。
关键词：新疆干旱区；文冠果；苗期选育；植物学性状；主成分分析；聚类分析；枝条颜色
中图分类号： S565.903 文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2016）11-0200-03
文冠果（Xanthoceras sorbifolia Bunge）為无患子科，单属单种，是我国北方特有的木本油料植物[1]。由于文冠果具有耐干旱、耐贫瘠、耐盐碱、抗风沙、抗严寒的生态学特性，是水土保持、防风固沙和荒漠化治理的优良树种[2-4]，非常适宜在新疆干旱区种植。20世纪70—80年代，我国北方许多地区曾有大面积的栽培[5]，具有食用、药用[6-7]、木材、生物、生态、观赏于一体的可持续开发价值[8]。文冠果实生繁育后代变异较大，其群体内类型较为混杂，不同株间差异悬殊等问题一直是制约文冠果发展的因素。关于文冠果幼树性状的已有文献报道[9-14]，王雪峰等研究了一年生文冠果苗高的生长规律[9]，刘迪等研究了文冠果苗期的生长规律[12]，马利苹等定位观测了文冠果生长季内生物学、生态学特性[13]。在文冠果优系筛选方面，多以成龄树丰产单株和观赏单株为主要筛选目标，其筛选周期长、繁育较慢。而以文冠果幼树优良性状的早期选择和培育的研究较少，特别是以速生材料为主要筛选目标，对其植物学性状的研究还未见报道。本研究以新疆干旱区引种文冠果资源为研究对象，通过对初选文冠果实生优良单株的形态指标进行逐年观测，采用主成分分析和两步聚类分析，提取出筛选文冠果苗期选育的主要植物学性状，旨在为文冠果幼树优良性状的早期选择和培育提供依据。
1 材料与方法
1.1 研究地概况
研究区位于古尔班通古特大沙漠南缘，地处天山北麓中段的新疆石河子市，地理位置为84°58′～86°24′E、43°26′～45°20′N，是典型的干旱半干旱地区。年平均气温 6.5 ℃，年平均最高气温13 ℃，年平均最低气温0 ℃，无霜期为168～171 d，日照时数2 300～2 700 h，年平均降水量 125.0～207.7 mm，年蒸发量1 000～1 500 mm，是降水量的5倍以上。
试验在新疆农垦科学院试验基地开展，2015年3月中旬将种源为内蒙古赤峰翁牛特旗的文冠果种子播种到研究地，抚育管理等技术按照赤峰市林业科学研究院常规进行[15]；10月从研究地中筛选出长势较好、比较具有代表性的大苗和壮苗文冠果样本424个，作为生态型初步优选样本，用于调查其植物学性状，并进行逐年测定。
1.2 研究方法
对一年生文冠果424个优选样本植物学性状进行观测，测定指标及方法如下。
1.2.1 生长指标 包括株高（cm）、地径（cm）、复叶长度（cm）、复叶数（枚）、复叶上小叶数（枚）、小叶长（cm）、小叶宽（cm），每株选取上、中、下不同部位叶片，均采用卷尺和游标卡尺进行测量。
1.2.2 形态指标 包括枝条颜色（1浅褐色，2褐色，3深褐色）、树姿（1直立，2半开张，3开张）、树势（1直立，2弯曲）、叶片颜色（1浅绿色，2绿色，3深绿色）、叶毛（1有叶毛，2无叶毛）、叶缘形态（1齿锐痕深，2齿锐痕浅，3齿钝痕深，4齿钝痕浅）。
1.3 数据处理
用Excel进行标准化处理数据指标，用SPSS 19.0统计软件进行Pearson相关性分析、主成分分析和两步聚类分析，其中主成分分析要求KMO值>0.5，同时Bartlett球形检验结果要求P<0.05[16]。
2 结果与分析
2.1 文冠果优选样本植物生长性状与形态描述
由文冠果生长性状（表1）可知，所有指标变异幅度大、长势不均匀、变异系数（8.34%～21.41%）较大，苗期生长指标分化严重。在形态指标方面，枝条颜色以浅灰褐色和褐色为主，分别占46.4%和43.5%；树姿以直立和半开张为主，分别占 47.3% 和36.7%；叶片颜色以中绿和深绿为主，分别占 54.1% 和39.1%；叶缘以齿锐痕深和齿锐痕浅为主，均占39.3%。
2.2 文冠果优选样本植物学性状相关性分析
本试验选取13个与文冠果种质资源植物学性状相关的指标，424个样本均无叶毛，所以不对其作统计分析，对12个文冠果植物学性状指标进行标准化处理和Pearson相关分析，结果见表2。由表2可以看出，某些指标之间存在很强的相关性，株高和地径与所有的营养生长指标呈现极显著相关（P<0.01）；复叶数只与株高和地径呈极显著相关，与其他生长指标无明显关系；小叶相关指标与株高、地径和叶长呈极显著关系。这说明株高和地径越大，文冠果复叶及小叶相关生长指标越大。同时，从形态指标与生长指标Pearson相关系数可知，当株高越高，文冠果枝条、叶片颜色越浅，相对它的树形越趋于弯曲生长；而当地径越大，文冠果的树姿越趋于开张方式生长。
2.3 文冠果优选样本植物学性状主成分分析
相关分析结果表明，文冠果植物学性状某些指标之间有很强的相关性，如直接用这些指标进行综合评价，必然会造成评价信息的重叠，影响评价结果的客观性，因此作了主成分分析。主成分分析的特征值和贡献率是选择主成分的依据，以12个与文冠果种质资源植物学性状相关的指标作主成分分析。检验变量之间的相关关系KMO值为0.765>0.7，且Bartlett球形检验结果显示P=0<0.05，因此适宜作主成分分析。将与文冠果种质资源植物学性状相关的生长指标、叶片性状等12个指标转化成12个主成分。由表3可以看出，前4个主成分的特征值均大于1，累积方差贡献率达80.106%，表明前4个主成分已经把文冠果植物学性状的80%以上的信息反映出来，因此本研究提取4个主成分作为文冠果植物学性状评价指标。 载荷矩阵反映主成分与原始指标的相关程度，从而为解释主成分的实际意义提供理论依据。由表3、表4可知，第一主成分特征值为2.680，对应较大的特征因子有地径、复叶长、株高、小叶长和小叶宽，这些性质与营养生长有关，所以称为营养生长因子；第二主成分特征值为1.776，对应较大的特征因子有复叶数、株高、枝条颜色和叶片颜色，而复叶数和株高的系数为负，说明株高越高或者复叶数越多，枝条颜色和叶片颜色越浅；第三主成分特征值为1.135，对应较大的特征因子有树势和树姿，与树形有关，所以称为树形因子；第四主成分特征值为1.115，对应较大的特征因子有小叶数和小叶叶缘类型，均与小叶有关，所以称为小叶因子。
2.4 文冠果优选样本植物学性状聚类分析结果
本试验中数据测量结果既有数值变量，又有分类变量，所以采用两步聚类法判定各个变量的重要性，并构建预测变量重要性图。以株高、地径等作为连续变量，枝条颜色、叶缘等作为分类变量，SPSS 19.0统计软件两步聚类结果显示，输入自变量为12个，自动聚成3类，样本均被有效划分，聚类质量较好。表5显示了由两步聚類法分析得到的样本分类统计特征，可以看出每个聚类的频数及所占总样本数和总有效样本数的比例，可见424个样本中全部参与了两步聚类过程，其中199个分配到第1类，占样本总体的46.934%，148个分配到第2类，占样本总体的34.906%，77个分配到第3类，占样本总体的18.160%。
图1描述了文冠果优良单株的植物性性状相关指标的预测变量重要性结果（SPSS两步聚类结果），反映植物学性状的依赖性依次由枝条颜色、复叶长、树姿、地径、株高、树势、小叶长、小叶数、小叶宽、复叶数逐渐递减，因此，在本试验中枝条颜色指标是反映文冠果树势生长条件良好的重要参数指标，其次为复叶长和树姿指标，而与复叶相关的参数指标的预测重要性较低。
3 结论与讨论
文冠果幼树植物学性状指标均有较大变幅，这种变幅说明幼树个体间存在较大的差异，这一分析结果为文冠果幼树优良性状的早期选择和培育提供了依据[17]。本研究选取了13个与文冠果幼苗植物学性状相关的指标，其中叶毛性状均表现为无叶毛。有研究认为，无叶毛类型的文冠果产量较高、较稳定，丰产性能较明显[18]，假设无叶毛为评价文冠果高产优株性状的重要指标，那么在该资源圃中各个单株均有机会成为高产优株。另外，本试验中资源圃为一年生文冠果，筛选目标为观赏型、生态型文冠果资源圃，暂不考虑产量因素，因此忽略叶毛指标对筛选结果的影响。
相关分析结果表明，株高与除了树姿以外的所有植物学指标呈现极显著相关（P<0.01），另外几乎所有生长指标都存在相关关系，同时，由Pearson相关系数可知，株高和地径也影响枝条颜色、叶片颜色、树形和树姿等指标，与侯元凯等的研究结果[17]相同。说明文冠果植物学性状某些指标之间存在很强的相关性，如果直接用这些指标进行综合评价，必然造成信息的重叠，影响评价结果的客观性[19]。
应用多元统计分析中的主成分分析法[20]，探讨文冠果植物学性状间的相互关系及分类，在本研究中提取的4个主成分已经概括了文冠果12个植物学性状指标信息的 80.106%，因此可以以提取的4个主成分作为文冠果植物学性状评价指标。在本研究中，424株样本均是以生态型为目标筛选出来的，由主成分分析结果也可看出长势为重要成分，除去长势指标，另外色度因子、树形因子、小叶因子也是影响文冠果优株的主要因素，基本上反映了原始数据所涵盖的信息，与侯元凯等对文冠果幼树的研究结果[17]基本一致。为了能进一步提取文冠果优株的主要影响因子，进一步作了两步聚类分析，基于两步聚类算法的分类，具有较高的科学性和精准性[21]，本研究对文冠果样本植物学性状进行了有效聚类，结果显示，枝条颜色指标是反映文冠果树势生长条件良好的重要参数指标，其次为复叶长和树姿指标，而与叶相关的参数指标的预测重要性较低，此结果有待后期的研究进行验证。
文冠果的植物学性状因子较多，且因子间存在错综复杂的相互关系，致使反映的信息容易出现重叠，难以得出简明的规律。主成分分析和两步聚类分析简化了评价指标，从而能较容易和清晰地解释因子间的关系。本试验中2种分析共同揭示了一年生文冠果优树植物学性状的主要因子组成，以期为文冠果幼树速生型优良性状的早期选择和培育提供依据，但须要进一步验证和研究。
参考文献：
[1]牟洪香. 木本能源植物文冠果的调查与研究[D]. 北京：中国林业科学研究院，2006：59-61.
[2]徐东翔，于华忠，乌志颜，等. 文冠果生物学[M]. 北京：科学出版社，2010：21.
[3]周 玲，王乃江，张丽楠. PEG胁迫对文冠果种子萌发和幼苗生理特性的影响[J]. 西北植物学报，2012，32（11）：2293-2298.
[4]张晓燕，高 永，胡春元，等. 文冠果耐盐碱试验研究[J]. 干旱区资源与环境，2013，27（7）：168-172.
[5]汪智军，张东亚，古丽江. 文冠果树种类型的划分及优良高产单株的筛选[J]. 经济林研究，2011，29（1）：128-131.
[6]Li Z L，Li X，Li L H，et al. Two new triterpenes from the husks of Xanthoceras sorbifolia[J]. Planta Medica，2005，71（11）：1068-1070.
[7]Yu L，Wang X，Wei X，et al. Triterpenoid saponins from Xanthoceras sorbifolia Bunge and their inhibitory activity on human cancer cell lines[J]. Bioorganic
关键词：新疆干旱区；文冠果；苗期选育；植物学性状；主成分分析；聚类分析；枝条颜色
中图分类号： S565.903 文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2016）11-0200-03
文冠果（Xanthoceras sorbifolia Bunge）為无患子科，单属单种，是我国北方特有的木本油料植物[1]。由于文冠果具有耐干旱、耐贫瘠、耐盐碱、抗风沙、抗严寒的生态学特性，是水土保持、防风固沙和荒漠化治理的优良树种[2-4]，非常适宜在新疆干旱区种植。20世纪70—80年代，我国北方许多地区曾有大面积的栽培[5]，具有食用、药用[6-7]、木材、生物、生态、观赏于一体的可持续开发价值[8]。文冠果实生繁育后代变异较大，其群体内类型较为混杂，不同株间差异悬殊等问题一直是制约文冠果发展的因素。关于文冠果幼树性状的已有文献报道[9-14]，王雪峰等研究了一年生文冠果苗高的生长规律[9]，刘迪等研究了文冠果苗期的生长规律[12]，马利苹等定位观测了文冠果生长季内生物学、生态学特性[13]。在文冠果优系筛选方面，多以成龄树丰产单株和观赏单株为主要筛选目标，其筛选周期长、繁育较慢。而以文冠果幼树优良性状的早期选择和培育的研究较少，特别是以速生材料为主要筛选目标，对其植物学性状的研究还未见报道。本研究以新疆干旱区引种文冠果资源为研究对象，通过对初选文冠果实生优良单株的形态指标进行逐年观测，采用主成分分析和两步聚类分析，提取出筛选文冠果苗期选育的主要植物学性状，旨在为文冠果幼树优良性状的早期选择和培育提供依据。
1 材料与方法
1.1 研究地概况
研究区位于古尔班通古特大沙漠南缘，地处天山北麓中段的新疆石河子市，地理位置为84°58′～86°24′E、43°26′～45°20′N，是典型的干旱半干旱地区。年平均气温 6.5 ℃，年平均最高气温13 ℃，年平均最低气温0 ℃，无霜期为168～171 d，日照时数2 300～2 700 h，年平均降水量 125.0～207.7 mm，年蒸发量1 000～1 500 mm，是降水量的5倍以上。
试验在新疆农垦科学院试验基地开展，2015年3月中旬将种源为内蒙古赤峰翁牛特旗的文冠果种子播种到研究地，抚育管理等技术按照赤峰市林业科学研究院常规进行[15]；10月从研究地中筛选出长势较好、比较具有代表性的大苗和壮苗文冠果样本424个，作为生态型初步优选样本，用于调查其植物学性状，并进行逐年测定。
1.2 研究方法
对一年生文冠果424个优选样本植物学性状进行观测，测定指标及方法如下。
1.2.1 生长指标 包括株高（cm）、地径（cm）、复叶长度（cm）、复叶数（枚）、复叶上小叶数（枚）、小叶长（cm）、小叶宽（cm），每株选取上、中、下不同部位叶片，均采用卷尺和游标卡尺进行测量。
1.2.2 形态指标 包括枝条颜色（1浅褐色，2褐色，3深褐色）、树姿（1直立，2半开张，3开张）、树势（1直立，2弯曲）、叶片颜色（1浅绿色，2绿色，3深绿色）、叶毛（1有叶毛，2无叶毛）、叶缘形态（1齿锐痕深，2齿锐痕浅，3齿钝痕深，4齿钝痕浅）。
1.3 数据处理
用Excel进行标准化处理数据指标，用SPSS 19.0统计软件进行Pearson相关性分析、主成分分析和两步聚类分析，其中主成分分析要求KMO值>0.5，同时Bartlett球形检验结果要求P<0.05[16]。
2 结果与分析
2.1 文冠果优选样本植物生长性状与形态描述
由文冠果生长性状（表1）可知，所有指标变异幅度大、长势不均匀、变异系数（8.34%～21.41%）较大，苗期生长指标分化严重。在形态指标方面，枝条颜色以浅灰褐色和褐色为主，分别占46.4%和43.5%；树姿以直立和半开张为主，分别占 47.3% 和36.7%；叶片颜色以中绿和深绿为主，分别占 54.1% 和39.1%；叶缘以齿锐痕深和齿锐痕浅为主，均占39.3%。
2.2 文冠果优选样本植物学性状相关性分析
本试验选取13个与文冠果种质资源植物学性状相关的指标，424个样本均无叶毛，所以不对其作统计分析，对12个文冠果植物学性状指标进行标准化处理和Pearson相关分析，结果见表2。由表2可以看出，某些指标之间存在很强的相关性，株高和地径与所有的营养生长指标呈现极显著相关（P<0.01）；复叶数只与株高和地径呈极显著相关，与其他生长指标无明显关系；小叶相关指标与株高、地径和叶长呈极显著关系。这说明株高和地径越大，文冠果复叶及小叶相关生长指标越大。同时，从形态指标与生长指标Pearson相关系数可知，当株高越高，文冠果枝条、叶片颜色越浅，相对它的树形越趋于弯曲生长；而当地径越大，文冠果的树姿越趋于开张方式生长。
2.3 文冠果优选样本植物学性状主成分分析
相关分析结果表明，文冠果植物学性状某些指标之间有很强的相关性，如直接用这些指标进行综合评价，必然会造成评价信息的重叠，影响评价结果的客观性，因此作了主成分分析。主成分分析的特征值和贡献率是选择主成分的依据，以12个与文冠果种质资源植物学性状相关的指标作主成分分析。检验变量之间的相关关系KMO值为0.765>0.7，且Bartlett球形检验结果显示P=0<0.05，因此适宜作主成分分析。将与文冠果种质资源植物学性状相关的生长指标、叶片性状等12个指标转化成12个主成分。由表3可以看出，前4个主成分的特征值均大于1，累积方差贡献率达80.106%，表明前4个主成分已经把文冠果植物学性状的80%以上的信息反映出来，因此本研究提取4个主成分作为文冠果植物学性状评价指标。 载荷矩阵反映主成分与原始指标的相关程度，从而为解释主成分的实际意义提供理论依据。由表3、表4可知，第一主成分特征值为2.680，对应较大的特征因子有地径、复叶长、株高、小叶长和小叶宽，这些性质与营养生长有关，所以称为营养生长因子；第二主成分特征值为1.776，对应较大的特征因子有复叶数、株高、枝条颜色和叶片颜色，而复叶数和株高的系数为负，说明株高越高或者复叶数越多，枝条颜色和叶片颜色越浅；第三主成分特征值为1.135，对应较大的特征因子有树势和树姿，与树形有关，所以称为树形因子；第四主成分特征值为1.115，对应较大的特征因子有小叶数和小叶叶缘类型，均与小叶有关，所以称为小叶因子。
2.4 文冠果优选样本植物学性状聚类分析结果
本试验中数据测量结果既有数值变量，又有分类变量，所以采用两步聚类法判定各个变量的重要性，并构建预测变量重要性图。以株高、地径等作为连续变量，枝条颜色、叶缘等作为分类变量，SPSS 19.0统计软件两步聚类结果显示，输入自变量为12个，自动聚成3类，样本均被有效划分，聚类质量较好。表5显示了由两步聚類法分析得到的样本分类统计特征，可以看出每个聚类的频数及所占总样本数和总有效样本数的比例，可见424个样本中全部参与了两步聚类过程，其中199个分配到第1类，占样本总体的46.934%，148个分配到第2类，占样本总体的34.906%，77个分配到第3类，占样本总体的18.160%。
图1描述了文冠果优良单株的植物性性状相关指标的预测变量重要性结果（SPSS两步聚类结果），反映植物学性状的依赖性依次由枝条颜色、复叶长、树姿、地径、株高、树势、小叶长、小叶数、小叶宽、复叶数逐渐递减，因此，在本试验中枝条颜色指标是反映文冠果树势生长条件良好的重要参数指标，其次为复叶长和树姿指标，而与复叶相关的参数指标的预测重要性较低。
3 结论与讨论
文冠果幼树植物学性状指标均有较大变幅，这种变幅说明幼树个体间存在较大的差异，这一分析结果为文冠果幼树优良性状的早期选择和培育提供了依据[17]。本研究选取了13个与文冠果幼苗植物学性状相关的指标，其中叶毛性状均表现为无叶毛。有研究认为，无叶毛类型的文冠果产量较高、较稳定，丰产性能较明显[18]，假设无叶毛为评价文冠果高产优株性状的重要指标，那么在该资源圃中各个单株均有机会成为高产优株。另外，本试验中资源圃为一年生文冠果，筛选目标为观赏型、生态型文冠果资源圃，暂不考虑产量因素，因此忽略叶毛指标对筛选结果的影响。
相关分析结果表明，株高与除了树姿以外的所有植物学指标呈现极显著相关（P<0.01），另外几乎所有生长指标都存在相关关系，同时，由Pearson相关系数可知，株高和地径也影响枝条颜色、叶片颜色、树形和树姿等指标，与侯元凯等的研究结果[17]相同。说明文冠果植物学性状某些指标之间存在很强的相关性，如果直接用这些指标进行综合评价，必然造成信息的重叠，影响评价结果的客观性[19]。
应用多元统计分析中的主成分分析法[20]，探讨文冠果植物学性状间的相互关系及分类，在本研究中提取的4个主成分已经概括了文冠果12个植物学性状指标信息的 80.106%，因此可以以提取的4个主成分作为文冠果植物学性状评价指标。在本研究中，424株样本均是以生态型为目标筛选出来的，由主成分分析结果也可看出长势为重要成分，除去长势指标，另外色度因子、树形因子、小叶因子也是影响文冠果优株的主要因素，基本上反映了原始数据所涵盖的信息，与侯元凯等对文冠果幼树的研究结果[17]基本一致。为了能进一步提取文冠果优株的主要影响因子，进一步作了两步聚类分析，基于两步聚类算法的分类，具有较高的科学性和精准性[21]，本研究对文冠果样本植物学性状进行了有效聚类，结果显示，枝条颜色指标是反映文冠果树势生长条件良好的重要参数指标，其次为复叶长和树姿指标，而与叶相关的参数指标的预测重要性较低，此结果有待后期的研究进行验证。
文冠果的植物学性状因子较多，且因子间存在错综复杂的相互关系，致使反映的信息容易出现重叠，难以得出简明的规律。主成分分析和两步聚类分析简化了评价指标，从而能较容易和清晰地解释因子间的关系。本试验中2种分析共同揭示了一年生文冠果优树植物学性状的主要因子组成，以期为文冠果幼树速生型优良性状的早期选择和培育提供依据，但须要进一步验证和研究。
参考文献：
[1]牟洪香. 木本能源植物文冠果的调查与研究[D]. 北京：中国林业科学研究院，2006：59-61.
[2]徐东翔，于华忠，乌志颜，等. 文冠果生物学[M]. 北京：科学出版社，2010：21.
[3]周 玲，王乃江，张丽楠. PEG胁迫对文冠果种子萌发和幼苗生理特性的影响[J]. 西北植物学报，2012，32（11）：2293-2298.
[4]张晓燕，高 永，胡春元，等. 文冠果耐盐碱试验研究[J]. 干旱区资源与环境，2013，27（7）：168-172.
[5]汪智军，张东亚，古丽江. 文冠果树种类型的划分及优良高产单株的筛选[J]. 经济林研究，2011，29（1）：128-131.
[6]Li Z L，Li X，Li L H，et al. Two new triterpenes from the husks of Xanthoceras sorbifolia[J]. Planta Medica，2005，71（11）：1068-1070.
[7]Yu L，Wang X，Wei X，et al. Triterpenoid saponins from Xanthoceras sorbifolia Bunge and their inhibitory activity on human cancer cell lines[J]. Bioorganic