陳貝貝，曾 勇，吳代坤，胡鈞恩，李春霖，陳 偉，李雙龍

（恩施土家族苗族自治州林業(yè)科學研究院，湖北 恩施 445000）

北美紅杉Sequoia sempervirens是世界珍貴的速生孑遺樹種、著名的大徑材樹種，出材率高、材質(zhì)優(yōu)良、壽命長，單株材積可達到100 m3；樹姿雄偉，四季常綠，不僅是優(yōu)良的用材樹，也是優(yōu)美的風景樹。但由于“遠道而來”的外來樹種身份，人們擔心其用于造林是否會“水土不服”，加之種子售價高昂，目前在我國多僅作為園林栽培樹種，規(guī)模很小。國內(nèi)研究報道也不多，內(nèi)容大都是圍繞北美紅杉的種子育苗、扦插繁殖、組織培養(yǎng)等繁育技術(shù)展開，目的是解決北美紅杉的苗木培育技術(shù)和種源稀缺的矛盾[1-4]。關(guān)于北美紅杉生長特征與初植密度、海拔高度關(guān)系的報道極為罕見，而初植密度（即造林密度）和海拔高度是人工林培育中一個十分重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，也是造林過程中所能控制的最直接的因子[5-6]。初植密度的大小決定著個體的大小以及種群的穩(wěn)定性[7-12]。而海拔高度則通過改變環(huán)境溫度來間接發(fā)揮作用[13-15]。對于初植密度對林木個體數(shù)量、空間結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)量影響的研究相對較多，尤其對杉木、馬尾松、楊樹等用材林方面的研究已經(jīng)比較成熟[16-20]。研究表明，密度和海拔高度是影響林木生長的重要因子，不同密度與海拔高度條件下的林木受到的競爭壓力不同，其林木生長亦隨之發(fā)生變化[21-27]。為此，本研究以北美紅杉為研究對象，在其適生區(qū)武陵山地進行田間實驗，探討其生長特征與初植密度、海拔高度的關(guān)系，試圖揭示這兩項造林關(guān)鍵因素對北美紅杉生長特征的影響規(guī)律，期望為高級用材北美紅杉引種造林設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 無性系的組織培養(yǎng)

以來自育苗基地1年生北美紅杉側(cè)枝進行北美紅杉的組織培養(yǎng)。

1.1.1 外植體誘導

外植體誘導試驗培養(yǎng)基為MS，另加30%的蔗糖，0.7%的瓊脂，pH值為5.8[4]。激素種類為6-BA、NAA、KT，設(shè)7個處理，每個處理20瓶，觀測記錄每個處理的芽生長情況。詳見表1。

表1 不同激素對北美紅杉外植體誘導的影響Table 1 The influence of different hormones to Sequoia sempervirens explant induction

1.1.2 增殖和生根

將北美紅杉外植體誘導形成的不定芽接種在增殖培養(yǎng)基上進行繼代培養(yǎng)，而后將北美紅杉的不定芽接種到不同生根培養(yǎng)基中，觀察其生根情況。

北美紅杉接種材料置于培養(yǎng)室中，培養(yǎng)溫度為24～25 ℃，光照周期為12 h/d，光照強度為2 000 lx。

1.2 研究區(qū)概況

恩施土家族苗族自治州位于湖北省西南部，地處鄂、湘、渝3省（市）交匯處，108°23′12″～110°38′08″E、29°07′10″～ 31°24′13″N。屬亞熱帶季風性山地濕潤氣候。冬少嚴寒，夏無酷暑，雨量充沛，四季分明。境內(nèi)年均氣溫16.2 ℃，年平均降水量1 600 mm。武陵山脈余支從東南部蜿蜒入境，近似山原地貌，平均海拔500～2 000 m。土壤以水稻土為主，主要有紅壤、紫色土、黃壤、石灰土和黃棕壤。土壤成土母巖以石灰?guī)r為主、伴有頁巖、石英砂巖、紫色頁巖、第四紀粘土（高嶺土）、河流沖積物等。

1.3 研究方法

試驗在進行北美紅杉無性系組織培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，采用生長狀態(tài)良好的相同規(guī)格組培苗進行單因素回歸設(shè)計獲得其在不同初植密度、海拔高度下的生長參數(shù)，田間布設(shè)采用隨機排列法，其中密度實驗包括3個處理，即833株/hm2（株行距3 m×4 m）、1 111株/hm2（株行距3 m×3 m）、1 667株/hm2（株行距2 m×3 m），設(shè)4個重復；海拔高度影響實驗從550～1 800 m分別設(shè)置10個試驗區(qū)，每個試驗區(qū)保證有效測定株數(shù)30株，試驗林四周均設(shè)保護行。

1.4 統(tǒng)計分析

以Excel 2003軟件對原始數(shù)據(jù)進行前處理，以SPSS 19.0軟件和Origin 8.0軟件分析生長量參數(shù)與目標變量間的函數(shù)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 北美紅杉種子育苗生長特性

連續(xù)2年從美國引進北美紅杉種子并進行育苗試驗，觀察可知播種后普遍10 d開始發(fā)芽，最晚30 d發(fā)芽。幼苗出土后7～15 d脫帽，長出2片子葉。苗木出齊約在35 d左右。此后在育苗地上設(shè)置固定調(diào)查樣方調(diào)查北美紅杉幼苗高和地徑生長，調(diào)查結(jié)果詳見表2。通過對其生長過程進行隨時間變化的回歸分析，發(fā)現(xiàn)其生長進程符合邏輯斯蒂方程規(guī)律，其回歸關(guān)系達到極顯著水平、決定系數(shù)高達98.77%、96.43%以上；由圖1可知：北美紅杉苗高、地徑生長量隨時間的變化過程均表現(xiàn)出“慢-快-慢”節(jié)律。北美紅杉幼苗生長高峰在6—9月，生長期主要集中在6—10月， 11月生長緩慢，12月停止生長。

表2 北美紅杉種子生長情況Table 2 The situation of Sequoia sempervirens seeds grow

圖 1 北美紅杉種子育苗生長特性Fig.1 The seedling growth characteristics of Sequoia sempervirens seeds

2.2 不同激素處理對北美紅杉組培苗的影響

激素的不同種類及不同濃度對北美紅杉外置體的誘導具有不同的效果，由表1反應(yīng)出，KT 比6-BA更能促進北美紅杉芽的抽生，而不同濃度KT和6-BA對芽的誘導情況基本一致，濃度越高愈傷組織生長越多，芽體畸形膨大越厲害。相同濃度的6-BA比KT 更容易使外植體愈傷化，芽體畸形膨大。

由表3、4可以看出，細胞分裂素6-BA在濃度0.2～0.8 mg/L均能使北美紅杉誘導出不定芽，隨著其濃度增加誘導出的芽數(shù)增加，但較高濃度的細胞分裂素6-BA，容易引起芽玻璃化，小苗生長不健壯。細胞分裂素NAA對北美紅杉組培苗的生根有促進作用，濃度過高時反而產(chǎn)生抑制作用。在枯頂率方面，較高濃度的NAA能夠產(chǎn)生一定的抑制效果。

2.3 初植密度對生長量的影響

2.3.1 北美紅杉生長量隨初植密度的變化規(guī)律

通過不同初植密度與樹高、地徑生長量的相關(guān)分析（見表5）可知：樹高生長量與初植密度、地徑生長量之間均表現(xiàn)出顯著負相關(guān)關(guān)系；地徑生長量與初植密度則呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。進一步進行差異顯著性檢驗（見表6）發(fā)現(xiàn)：初植密度對試驗株樹高生長的影響不大，在1 111株/hm2和1 667株/hm2水平之間樹高生長差異不顯著，但兩個初植密度樹高生長量均顯著小于833株/hm2水平。地徑生長量隨著初植密度的加大先升后降，各結(jié)果之間具有顯著性差異。

表3 不同濃度6-BA、NAA對北美紅杉增殖的影響Table 3 Different concentrations of 6-BA and NAA impact on Sequoia sempervirens proliferation

表4 不同濃度6-BA、NAA對北美紅杉組培苗生根的影響Table 4 Different concentrations of 6-BA and NAA impact on Sequoia sempervirens somaclone rooting

表5 初植密度與樹高、地徑生長量的相關(guān)性分析Table 5 The correlation analysis between planting density and the growth of height and ground

2.3.2 北美紅杉生長量對初植密度的響應(yīng)規(guī)律

對北美紅杉生長量與初植密度的關(guān)系進行回歸分析，由圖2可知：試驗株各生長量參數(shù)隨著初植密度的增大表現(xiàn)各異，樹高生長量逐步減小；地徑生長量表現(xiàn)出先升后降的開口向下二次拋物線趨勢。對擬合的二次方程進行求導（見表7）可知：當初植密度為1 406 株/hm2（相當于2.6 m×2.6 m的株行距）時，地徑發(fā)育情況最優(yōu)，生長量在4.65 mm左右。當初植密度低于最佳密度時，初植密度的增加能對試驗株的地徑生長起到一定程度的促進作用；當初植密度超過最佳值時，造林密度的增加則會對地徑的發(fā)育起到一定程度的抑制作用，從而導致其生長量呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。

表6 初植密度與樹高、地徑生長量的差異顯著性檢驗Table 6 Difference significance test of planting density and the growth of height and ground

圖 2 生長量參數(shù)與初植密度的回歸分析Fig.2 Regression analysis between planting density and growth parameters

表7 生長量參數(shù)與初植密度的擬合方程Table 7 Fitting equation of planting density and growth parameters

2.4 海拔高度對生長量的影響

2015年9月16日對北美紅杉試驗區(qū)生長情況進行調(diào)查，整個試驗區(qū)北美紅杉試驗林的成活率為83.6%；平均高為38.6 cm；平均地徑為5.13 mm；苗高最高為125.6 cm；地徑最大值為12.34 mm。結(jié)果見表8。

2016年11月2日第2次對北美紅杉試驗區(qū)生長情況調(diào)查，整個北美紅杉試驗區(qū)人工林保存率為62.3%；平均高為66.2 cm；平均地徑為8.11 mm；紅杉苗高最高為214.6 cm；地徑最大值為18.48 mm。結(jié)果詳見表9。

2.4.1 北美紅杉生長量隨海拔高度的變化規(guī)律

由表10可知，北美紅杉樹高生長隨著海拔的升高總體呈現(xiàn)先升后降的趨勢，除海拔550 m之外，樹高生長在海拔1 300 m時，達到最大。在海拔1 200～1 350 m的范圍內(nèi)，北美紅杉樹高生長無顯著差異，當海拔超過1 300 m之后，在1 350～1 550 m的海拔范圍間，北美紅杉樹高生長無顯著差異。

由表11可知，北美紅杉地徑生長隨著海拔的變化與樹高生長基本相同，均呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，但地徑生長的最大值出現(xiàn)在海拔1 200 m，且與其他海拔北美紅杉地徑生長存在顯著差異。2.4.2 北美紅杉生長量對海拔高度的響應(yīng)規(guī)律

將北美紅杉生長量與海拔高度的關(guān)系進行回歸分析，由圖3可知：試驗株各生長量參數(shù)隨著海拔高度的增大表現(xiàn)出先升后降的開口向下二次拋物線趨勢。對擬合的二次方程進行求導（見表12）可知：當海拔高度為1 096 m（僅考慮海拔1 200～1 800 m的范圍）時，樹高生長情況最優(yōu)；當海拔高度為680 m左右時，地徑發(fā)育情況最優(yōu)。當海拔高度低于最佳值時，海拔高度的增加能對試驗株的生長起到一定程度的促進作用；當海拔高度超過最佳值時，海拔高度的增加則會對其發(fā)育起到一定程度的抑制作用，從而導致其生長出現(xiàn)逐漸減弱的趨勢。

表8 1年生北美紅杉生長情況調(diào)查Table 8 Form of 1 a Sequoia sempervirens growing information

表9 2年生北美紅杉生長情況調(diào)查Table 9 Form of 2 a Sequoia sempervirens growing information

表10 海拔因素對北美紅杉高生長的影響Table 10 The influence of elevation factors on the growth of Sequoia sempervirens height

表11 海拔因素對北美紅杉地徑生長的影響Table 11 The influence of elevation factors on the growth of Sequoia sempervirens ground

3 結(jié)論與討論

3.1 討 論

圖3 生長量參數(shù)與海拔高度的回歸分析Fig.3 The regression analysis of growth parameters and elevation

表12 生長量參數(shù)與海拔高度的擬合方程Table 12 Fitting equation of the increment parameters and the elevation

初植密度對種群生長量的影響符合生長恒值法則[28]，即植物生長量隨著初植密度的增大而增大，但當增大到一定程度時，反而表現(xiàn)出抑制趨勢，因為“土壤植被承載力”是一定的。另外，初植密度既影響土壤水分狀況，也影響著種群生長空間的大小及光照條件。密度越大，樹木生長可利用的環(huán)境空間越小，對光線、水分及營養(yǎng)的吸收利用越受到限制[29-30]。

海拔高度具有相同的“間接效應(yīng)”，隨著海拔高度的不斷升高，溫度普遍低于同一緯度的低海拔地區(qū)，植物表現(xiàn)出生長進程緩慢的整體趨勢，冬季也將遭受到更為強烈的低溫傷害。在這個層面上而言，尋找北美紅杉的造林最適海拔，對于植物本身的生長具有非常積極的意義，可以起到“解放天性”的作用。早在1981年，邢美章對引入浙江省的北美紅杉生物學特性進行觀察分析后即指出外界環(huán)境氣候尤以密度限制、溫度影響對北美紅杉生長影響突出。但之后的相關(guān)研究很少，我們無法了解到這個影響遵循何種規(guī)律、又是如何展開的。2004年，左顯東等[31]在云南省對北美紅杉的適應(yīng)性研究表明，其在我國引種栽培的年均溫在16 ℃左右，這與本項目得出的最適海拔高度1 096 m（年平均溫度17～19 ℃）結(jié)果類似。盛衛(wèi)星等[32]在浙江標準地調(diào)查基礎(chǔ)上，選取并測定解析木數(shù)據(jù)，對胸徑、樹高及材積進行分析后指出，北美紅杉相較于同期杉木生長更快，且隨著年齡的增大，北美紅杉樹高和胸徑生長表現(xiàn)為“直線形”，而材積生長則表現(xiàn)為“S”型；33年生北美紅杉連年生長量和平均生長量曲線并沒有交叉，表明其依舊處于速生階段。側(cè)面印證了北美紅杉作為珍貴造林替代樹種的開闊前景。自2013年開始進行北美紅杉的引種及人工林培育研究工作以來，我們亦發(fā)現(xiàn)在造林后期生長過程中，部分北美紅杉幼林表現(xiàn)了不同程度的偏冠、簇生現(xiàn)象，雖不至于影響造林成活，但已成為我們在下一步研究過程中需要解決的新問題。另外，北美紅杉種子造價高昂，進行大面積造林需要大量的前期投資；且種子的生長周期相對較長，繁育出可用于造林移栽的實生苗亦需要大量的時間成本。本實驗嘗試進行北美紅杉的無性系組培苗造林試驗，希望能在一定程度上緩解以上問題。而如何培育出具有強抗性、高生長適應(yīng)性、優(yōu)秀分生能力的無性系群組，也是我們下一步工作的目標。

3.2 結(jié) 論

采用芽器官離體培養(yǎng)北美紅杉組培苗，有利于北美紅杉各優(yōu)良無性系遺傳形狀的穩(wěn)定；莖段外植體的誘導6-BA對其芽的誘導增殖作用強于KT，但外植體愈傷化，芽體畸形膨大嚴重。MS+0.3 mg/LNAA+1.0 mg/LKT，比較適合北美紅杉芽體誘導，抽生率為76%；在繼代培養(yǎng)中，6-BA濃度在試驗濃度范圍能均能誘導出不定芽，且隨著濃度的增高，誘導出的芽數(shù)增多；北美紅杉組織培養(yǎng)生根較困難，本研究得出的較好的生根培養(yǎng)基為MS+1.5 mg/LNAA+0.1 mg/L6-BA。

初植密度對試驗株樹高生長的影響不大，在1 111株/hm2和1 667株/hm2水平之間樹高生長差異不顯著，這可能是因為北美紅杉造林達到郁閉最短亦需5—10年的時間。在此之前，土壤水分充裕的地區(qū)初植密度的大小并不會明顯影響北美紅杉對光照和水分等環(huán)境資源的獲取。地徑生長量隨著初植密度的加大先升后降，各結(jié)果之間具有顯著性差異，則是因為哪怕是在北美紅杉生長的早期階段，各苗木之間的疏密關(guān)系亦能直接影響植株的地下活動空間。試驗區(qū)當初植密度為1 406株/hm2（相當于2.6 m×2.6 m的株行距）時，地徑發(fā)育情況最優(yōu)，生長量在4.65 mm左右。

北美紅杉試驗株各生長量參數(shù)隨著海拔高度的增大均表現(xiàn)出先升后降的趨勢，考慮到高山造林需求，當海拔高度為1 096 m（僅考慮海拔1 200～1 800 m的范圍）時，樹高生長情況最優(yōu)；當海拔高度靠近680 m左右時，地徑發(fā)育情況最優(yōu)。當海拔高度低于最佳值時，海拔高度的增加能對試驗株的生長起到一定程度的促進作用；但超過最佳值時，海拔高度的增加反而會起到一定程度的抑制作用，從而導致北美紅杉生長出現(xiàn)逐漸減弱的趨勢。