竹類植物在北京地區(qū)的抗寒性分析與評價

王金革，包崢焱，李心竹，李 巖，張 袆，朱 瑩*

(1.北京市植物園管理處，北京100093；2.北京市花卉園藝工程技術(shù)中心，北京100093)

我國是世界竹子分布的中心，竹類資源豐富，現(xiàn)有竹類植物40屬500 余種，有竹林面積 400 hm2以上，絕大多數(shù)集中在南方地區(qū)，北方竹子分布較少，在甘陜南部和黃淮地區(qū)有少量的散生竹區(qū)[1]。竹類植物四季常青，枝葉茂盛，是極其重要的非木材可再生林業(yè)資源[2]，也是園林綠化的重要材料，素有“歲寒三友”之稱，具有豐富的文化內(nèi)涵，深受我國人們的喜愛。竹類植物在園林綠地中具有廣泛的應(yīng)用前景，但其分布具有明顯的地帶性和區(qū)域性，栽培區(qū)域也多集中在南方。北方地區(qū)，溫度是一些極具經(jīng)濟價值和觀賞價值的竹種得不到進一步推廣種植的主要限制因子[2]。20世紀60～70年代，我國開展了“南竹北移”的引種馴化工作，將一些抗性較強的散生竹引種到黃河以北流域[3]。同時，竹類植物的抗寒性研究也日益為人們所關(guān)注，且多集中在生理指標的測定上[3-12]，但對極端低溫條件下竹類植物的抗寒性評價較少[13-14]。

北京植物園從20世紀70年代初開始從南方引種竹類植物[14-15]，目前露地種植的竹類植物已達 11屬60種(含變種、變型)。受全球氣候變暖的影響，在沒有極端低溫的條件下，很多竹類植物在北京植物園能夠正常生長并露地越冬。但在2010年1月，北京地區(qū)極端低溫達到-18.9 ℃，王金革等[13]對北京植物園種植的竹類植物抗寒性進行了評價，篩選出包括金鑲玉竹、黃槽竹、黃竿京竹等12種抗寒性強的竹類植物。2021年1月，北京地區(qū)又遇到了-20.4 ℃的極端低溫，創(chuàng)1972年以來新低。北京植物園的竹類植物在這次極端低溫下受到了不同程度的影響，不同種類在極端低溫下的表現(xiàn)存在著明顯差異。為了篩選出抗寒性強、適宜在北京地區(qū)栽植的竹類植物，筆者對11屬60種(含變種、變型、品種)竹類植物進行了抗寒性調(diào)查，并應(yīng)用層次分析法(AHP)進行分析與評價，運用K-means聚類分析對評價值進行等級劃分，建立系統(tǒng)科學的竹類植物抗寒性評價體系，篩選出抗寒性較強的種類，以期為竹類植物在北京地區(qū)的園林應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料選擇北京植物園竹園內(nèi)的11屬60種(含變種、變型、品種)竹類植物進行觀測，常規(guī)養(yǎng)護管理60種?；厩闆r見表1。

1.2 試驗地概況北京植物園竹園位于臥佛寺西側(cè)(116°12′00″E，40°00′22″N)，是以栽培、展示竹亞科植物為主的專類園，地處小西山麓，屬山前暖區(qū)帶范圍，濕熱條件比較優(yōu)越[16]，是典型的北溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春秋季較短。年平均氣溫11.6 ℃，年降水量600 mm左右，大部分集中于7、8月[16]。

表1 60種竹類植物基本情況

1.3 評價方法結(jié)合竹類植物在北京植物園極端低溫下的適應(yīng)性、更新能力和觀賞性，邀請園林專家現(xiàn)場打分，并運用層次分析法[16-17]確定評價指標，建立評價模型。采用1～9比率標度法[17]比較指標的相對重要性，量化各項指標，計算各因素權(quán)重。制訂評價標準，根據(jù)歷年對竹類植物的觀測記錄及2020年極端低溫，對竹類植物適應(yīng)性、更新能力和觀賞性進行評價打分，并計算出評價綜合分值，進行等級劃分。

1.3.1評價模型的構(gòu)建。結(jié)合專家打分，構(gòu)建了4個層次的竹類植物綜合評價結(jié)構(gòu)模型(圖1)。 該模型包含目標層(A)、準則層(B)、因子層(C)和最底層(D)。目標層(A)為竹類植物抗寒性評價；準則層(B)為竹類植物抗寒性評價的主要因子，分別為適應(yīng)性(B1)、更新能力(B2)及觀賞性(B3)；因子層(C)為11個具體評價指標，是隸屬準則層(B)的主要評價因子，由植株各結(jié)構(gòu)因子的凍害率以及出筍、成竹率與各結(jié)構(gòu)因子的觀賞效果等11個指標組成；最底層(D)為待評價的60個竹類植物。

圖1 竹類植物抗寒性評價模型Fig.1 Evaluation model for cold resistance of bamboos

1.3.2權(quán)重的計算。采用1～9標度法，邀請專家分別對準則層、因子層各因子的相對重要度進行兩兩比較構(gòu)建判斷矩陣，計算準則層權(quán)重、因子層權(quán)重(表2～5)及總排序值(表6)，并進行一致性檢驗(CR<0.100 0，說明該矩陣具有滿意的一致性)。

1.3.3各評價指標記錄與評分標準制訂。以竹園內(nèi)60種竹類植物為觀測對象，在歷年物候觀測記錄的基礎(chǔ)上，結(jié)合2020年冬季極端低溫進行調(diào)查記錄。2021年春季采取抽樣調(diào)查方法，每種竹類植物選取2 m×2 m 的3個樣地，對竹類植物葉片、小枝、側(cè)枝、竹桿及竹鞭凍害情況，凍害后母株展葉、出筍及成竹情況，竹類植物的葉、桿和竹林觀賞性進行調(diào)查、評價并評分(標準采用5分制)，結(jié)果見表7。

計算公式：

葉片凍害率=葉片受凍數(shù)/總?cè)~片數(shù)×100%

小枝凍害率=小枝受凍數(shù) /總小枝數(shù)×100%

側(cè)枝凍害率=側(cè)枝受凍數(shù)/總側(cè)枝數(shù)×100%

竹桿凍害率=竹桿受凍數(shù)/總竹桿數(shù)×100%

竹鞭凍害率=竹鞭受凍數(shù)/總竹鞭數(shù)×100%

萌芽展葉率= 新展葉數(shù)/總芽數(shù)×100%

出筍率=出筍數(shù)/總立竹數(shù)×100%

成竹率=新竹數(shù)/總出筍數(shù)×100%

表2 A-Bi判斷矩陣及一致性檢驗

表3 B1-Ci判斷矩陣及一致性檢驗

表4 B2-Ci判斷矩陣及一致性檢驗

表5 B3-Ci判斷矩陣及一致性檢驗

表6 各評價指標層的權(quán)重及總排序值

表7 竹類植物的評價指標和評分標準

1.3.4綜合評價值的計算及分級。將每個竹類植物的11個評價指標得分值分別與各指標的權(quán)重相乘后求和，得出各竹類植物的綜合評分值。用K-means聚類分析對綜合評分制進行聚類分析，并運用最小距離法劃分為4個等級[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析用yaahp V 10.0進行模型構(gòu)建、權(quán)重計算和一致性檢驗，用Excel 2019進行綜合評價分值的計算，用SPSS 21.0進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 評價模型和指標層排序由表6可知，準則層3個評價準則適應(yīng)性(B1)、更新能力(B2)和觀賞性(B3)的權(quán)重分別是0.490 5、0.311 9、0.197 6，其中適應(yīng)性(B1)比重最大，其次是更新能力(B2)。在總權(quán)重值中，竹鞭凍害率C5的總權(quán)重值最高，為0.185 9，權(quán)重值在0.064 1～0.539 0，總排序值在0.031 4～0.185 9。

在北京地區(qū)，影響竹類植物生長發(fā)育的主要因素是冬季的低溫，適應(yīng)性在3個評價準則中最重要，它關(guān)系到竹類植物能否在北京地區(qū)存活，是在北京地區(qū)生存和發(fā)展的重要因素。竹類植物一般通過竹筍繁衍后代，維持竹林持續(xù)發(fā)展，因此更新能力為次要因素。在園林應(yīng)用中，除了考慮竹類植物生存和發(fā)展，還需考慮觀賞性，因此觀賞性排在適應(yīng)性和更新能力之后。在11個評價因子中，竹鞭凍害率影響竹類植物的存活率，是竹類植物生命維系和發(fā)展的關(guān)鍵，因此總排序值最高；其次是出筍率，出筍率反映的是竹類植物繁衍后代的能力，是竹林能否持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。再次是竹桿凍害率，竹桿凍害率反映在竹林內(nèi)是營養(yǎng)物質(zhì)的儲存和消耗的多少，凍害程度越深，竹林內(nèi)消耗越大，儲存越少，影響竹林的生長勢。其余因子如葉片凍害率、竹林效果、葉片受影響程度等比重較小。該研究中，竹鞭凍害率、出筍率2個因子為主要影響因素，竹桿凍害率、成竹率、竹桿受影響程度、側(cè)枝凍害率4個因子為次要因素，葉片受影響程度、小枝凍害率、母株展葉率、竹林效果、葉片凍害率5個因子為一般評價因素。

2.2 竹類植物的評分值及評價等級根據(jù)評價指標和評分標準進行評分，依據(jù)11個因子的權(quán)重值計算出各竹類植物的評分值，用聚類分析劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個等級(表8)。其中，最高分為安吉金竹4.999 5，最低分黃皮綠筋竹 2.037 6，二者分數(shù)相差較大。評價等級Ⅰ級有28種，包括安吉金竹、闊葉箬竹、金鑲玉竹、早園竹、鵝毛竹等，占總數(shù)的46.7%。這些種類具有較強的適應(yīng)性，極端低溫下，植株葉片輕微受凍，小枝、側(cè)枝、竹桿、竹鞭均正常；凍害后植株在6月完成換葉，出筍和成竹情況較好，母株生長發(fā)育及繁殖能力均未受影響，恢復能力強；經(jīng)過恢復，在外觀形態(tài)上，葉片、竹桿及竹林觀賞效果均未受影響，在北京地區(qū)可大力推廣應(yīng)用。評價等級Ⅱ級有11種，包括白哺雞竹、善變箬竹、箬竹等，占總數(shù)的18.3%。這些種類在適應(yīng)性、更新能力和觀賞性個別性狀上稍有缺陷，可以在北京地區(qū)適當推廣應(yīng)用。評價等級Ⅲ級有17種，包括黃槽斑竹、筆竿竹、美麗箬竹等，這些種類在觀賞性、適應(yīng)性或更新能力個別性狀上稍差，在特定的小環(huán)境可以推廣應(yīng)用。評價等級 Ⅳ 級有4種，包括白紋東根笹、對花竹、黃皮綠筋竹等。這些種類是受凍害影響最大的，1月的低溫，使植株的葉片、小枝、側(cè)枝全部受凍死亡，竹桿大部分受凍，個別竹種竹鞭受凍；春季出筍、新竹均細小、植株低矮。這類植物作為專類園的種質(zhì)資源保存，對栽植環(huán)境和管理水平要求較高，不宜在北京地區(qū)推廣應(yīng)用。

表8 竹類植物評分值及等級

3 討論

3.1 竹類植物種間抗寒性差異較大竹類植物在北京地區(qū)屬于邊緣植物，冬季低溫和春季干旱是主要制約因素。低溫中竹類植物表現(xiàn)出的抗寒性差異很大。株型較為高大的剛竹屬植物，如金鑲玉竹、安吉金竹、黃竿烏哺雞竹等，除了葉片受凍，其他未受影響，表現(xiàn)出較強的抗寒性；而羅漢竹、黃皮綠筋竹等，葉片、小枝、側(cè)枝、竹桿全部受凍，最嚴重的是黃皮綠筋竹，竹鞭受凍，死亡近半。以上結(jié)論與王金革等[13-14]研究結(jié)果一致，同時北京地區(qū)常用的早園竹、金鑲玉竹、黃槽竹等表現(xiàn)出較強的抗寒性。

地被竹中抗寒性較強的是箬竹屬的闊葉箬竹、箬葉竹，鵝毛竹屬的鵝毛竹等，冬季僅葉片尖緣受輕微凍害，表現(xiàn)出較強的抗寒性，而同是箬竹屬的美麗箬竹表現(xiàn)出的抗寒性相對一般。同是地被竹的赤竹屬植物，地上部分的抗寒性較差，每年冬季地上部全部枯萎，以地下竹鞭越冬，春季抽枝展葉，出筍成竹繼續(xù)生長發(fā)育，每年周而復始。

桿型中等的矢竹屬和苦竹屬的狹葉青苦竹，通常地上部分正常越冬，春季正常生長發(fā)育，但在極端低溫下(-18.9 ℃[13]和-20.4 ℃)，地上部分幾乎全部受凍死亡，以地下竹鞭越冬，春季對地上部分進行修剪，重新抽枝展葉、出筍成竹繼續(xù)生長發(fā)育。

3.2 竹類植物抗寒性受多種因素影響竹類植物表現(xiàn)出的抗寒性差異除了受自身因素的影響外，還與竹林的年齡結(jié)構(gòu)、單株的竹齡以及周圍環(huán)境有關(guān)。張瑋等[12]對北京植物竹類植物進行抗寒性評價研究表明，正值壯年的竹類植物抗寒性強，新植、栽植時間短和老齡竹抗寒性弱，周圍環(huán)境也影響竹類植物生長和發(fā)育。該研究中，溫度比2010年1月更低，凍害程度也更深，但安吉金竹、紅哺雞竹、黃竿烏哺雞竹抗寒性明顯較之前好，這與3種植物當時定植時間短有關(guān)。對闊葉箬竹評價差異較大，張瑋等[12]在新植、立地條件差、光照不好的情況下，抗寒性差；蔡偉國等[13]的研究和該研究均表明，在陽光充足或半遮陰的地點，表現(xiàn)出抗寒性較強。低溫中，闊葉箬竹冬季葉片僅葉尖輕微受凍，出筍成竹及觀賞性均未受影響。年齡結(jié)構(gòu)也影響竹類植物的抗寒性，如白哺雞竹和黃槽石綠竹是栽植多年的竹林，竹林老齡化且開花，生長勢轉(zhuǎn)弱，表現(xiàn)出的抗寒性較差。竹類植物的抗寒性除了受以上因素的影響外，還與周圍環(huán)境因素有關(guān)。同一種群的植物處于同一生態(tài)位中，資源需求的相似性和資源的稀缺性往往成為鄰株植物之間競爭的根源所在[18-20]。竹類植物竹鞭穿透力強，較易侵占到相鄰植物的生長空間進行生長、擴張和繁衍，威脅原有植物。如黃皮綠筋竹位于紅哺雞竹與黃竿京竹中間，紅哺雞竹和黃竿京竹生長勢強，即使中間有隔板分隔，竹鞭仍然串入到黃皮綠筋竹林內(nèi)，從而使黃皮綠筋竹生長勢變?nèi)?，抗寒性減弱。

竹類植物栽植的地域不同，表現(xiàn)出的抗寒性有明顯差異。王文哲等[6，21]在研究日照地區(qū)竹子抗寒性中，從形態(tài)和生理生化方面對23個竹種(品種)的抗寒性進行了研究，認為羅漢竹和矢竹抗寒性強。秦宇[22]在山東省引種觀賞竹的抗寒性研究得出，四季竹和矢竹抗寒性強。該研究中，四季竹、羅漢竹和矢竹的受凍情況相對比較嚴重。四季竹部分葉片干枯，植株上部枯萎。羅漢竹葉片全部干枯，部分竹桿變色，少部分死亡。矢竹地上部分全部死亡，但竹鞭未受太大影響。這與北京地區(qū)天氣干燥多風，植株比較缺水造成生長勢相對較弱，從而降低了抗寒性有關(guān)。另外，2021年1月溫度更低，僅-20.4 ℃，超過這3種竹類植物所能忍受的范圍。

4 結(jié)論

該研究運用層次分析法，對北京植物園60個竹類植物進行了評價，并用聚類分析法按評價分數(shù)值，劃分了4個等級。評價等級為Ⅰ級的竹類植物有28種，占總數(shù)的46.7%，這說明近50%的竹類植物在北京地區(qū)能夠抵御-20.4 ℃極端低溫，能夠適應(yīng)北京地區(qū)的氣候條件，可廣泛地推廣應(yīng)用；評價等級Ⅱ級有11種，這部分竹類植物葉片、小枝受輕微影響，抗寒性較強，較適應(yīng)北京地區(qū)氣候條件，可以適當?shù)赝茝V應(yīng)用；評價等級Ⅲ、Ⅳ級的竹類植物，受立地條件、周圍環(huán)境以及管理措施的影響較大，且需要有一定的管理經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上，可以在特定條件下小面積栽植。