黃梁木環(huán)割促萌正交試驗及混合效應模型分析

闕青敏 譚錦豪 張登 歐陽昆唏 陳曉陽 李華強

摘要：【目的】開展黃梁木環(huán)割促萌正交試驗并進行混合效應模型分析，為培育黃梁木高幼化程度無性繁殖材料及黃梁木優(yōu)良種質(zhì)資源保存和推廣應用打下基礎?！痉椒ā恳渣S梁木成年大樹為試驗材料，設環(huán)割高度和寬度2個因素，環(huán)割寬度分別為2、3和4 cm及環(huán)割高度分別為20、30和40 cm 3個水平的正交試驗，共9個處理（處理1～9）;環(huán)割后每隔1周調(diào)查并記錄各處理的不定芽發(fā)芽數(shù);利用雙因素方差分析和線性混合效應模型，分析篩選黃梁木環(huán)割促萌最佳條件組合。【結(jié)果】處理1的平均發(fā)芽數(shù)最多，為6.38個，明顯多于處理2、處理4、處理8和處理9，顯著多于處理3、處理5、處理6和處理7（P<0.05，下同）。雙因素方差分析結(jié)果顯示，環(huán)割高度和環(huán)割寬度對發(fā)芽數(shù)影響不顯著（P>0.05，下同），但二者的交互作用對發(fā)芽數(shù)具有極顯著影響（P<0.01）;線性混合效應模型分析結(jié)果表明，環(huán)割高度、環(huán)割高度×初始胸徑和環(huán)割寬度×初始胸徑對發(fā)芽數(shù)有顯著影響，環(huán)割寬度、初始胸徑和環(huán)割寬度×環(huán)割高度對發(fā)芽數(shù)無顯著影響。【結(jié)論】經(jīng)雙因素方差分析和線性混合效應模型分析，黃梁木環(huán)割促萌的最佳條件為環(huán)割高度20 cm、環(huán)割寬度2～3 cm。

關鍵詞： 黃梁木;環(huán)割;正交試驗設計;線性混合效應模型

0 引言

【研究意義】黃梁木（Neolamarckia cadamba）又名團花樹，是茜草科（Rubiaceae）團花屬（Neolamarc-kia）高大常綠或落葉速生喬木（羅獻瑞，1999），已在園林綠化中廣泛應用（鄭永光和徐英寶，2005）。其干形通直圓滿，木材紋理通直且結(jié)構(gòu)均勻，可作優(yōu)質(zhì)速生工業(yè)用材（蘇光榮等，2007）。黃梁木富含生物堿、黃酮、萜類及單寧等物質(zhì)（Pandey and Negi，2016），具有抗菌消炎等作用（Pandey and Negi，2018;李曉琳等，2019）;成熟的黃梁木果實具有芳香味，可用作飲料原料（Pandey et al.，2018）;枝葉可用作家畜飼料添加劑（王益等，2018）。黃梁木在華南地區(qū)人工種植面積已超過270 ha，且仍在不斷擴大（黃浩等，2016），造林所需優(yōu)質(zhì)種苗處于緊缺狀態(tài)。但黃梁木優(yōu)質(zhì)種苗主要利用優(yōu)良單株通過無性繁殖獲得，選擇周期較長（6年以上）（Rahayu et al.，2014），而其離地面10 m以上的第1活枝成熟效應高、幼化程度低，不宜用作無性系繁育。因此，開展黃梁木環(huán)割促萌研究，對黃梁木優(yōu)質(zhì)種苗的快速繁殖及推廣種植具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】周雙云等（2004）研究表明，采用50～60 ℃溫水浸泡黃梁木種子可有效提高萌發(fā)率。潘瑞熾（2008）研究認為，細胞分裂素主要在根尖合成后往上運輸，能促進側(cè)芽生長。林碧珍等（2009）、鄧小梅等（2012）研究顯示，以黃梁木莖段為外植體的組培快繁技術(shù)已獲得成功。Rahayu等（2014）研究發(fā)現(xiàn)，黃梁木無性繁殖所用材料必須從優(yōu)良單株上取得才能保證造林的經(jīng)濟效益，但優(yōu)良單株需從6年生以上的大樹中選擇，摘取枝條非常困難且所采集的枝條還存在成熟效應高、幼化程度低等問題。Li等（2019）研究認為，利用無菌種子苗作為組培快繁材料會造成子代遺傳分化，不能保證造林的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。在果樹栽培管理方面，陳雪華等（2012）研究顯示，環(huán)割可促進荔枝和龍眼開花結(jié)實，提高產(chǎn)量;王軍等（2012）通過在不同時期進行環(huán)割、環(huán)扎和環(huán)刻試驗，初步掌握了芒果樹環(huán)割、環(huán)扎和環(huán)刻的技術(shù)要點。【本研究切入點】目前，尚無可安全方便地獲得野外黃梁木優(yōu)良單株且幼化程度高無性繁殖材料的途徑，而關于林木環(huán)割促萌技術(shù)的相關研究也鮮見報道?！緮M解決的關鍵問題】對黃梁木大樹進行環(huán)割處理，促進其樹干基部不定芽快速萌發(fā)，利用正交試驗設計并采用線性混合效應模型對試驗結(jié)果進行分析，探索黃梁木環(huán)割促萌的最優(yōu)條件，為培育黃梁木高幼化程度扦插、組培繁殖材料及為黃梁木種質(zhì)資源的保存和推廣應用打下基礎。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

試驗材料為前期研究（闕青敏等，2015）收集黃梁木混合種子培育的實生苗木，2015年7月造林，株行距2 m×1 m，采用穴耕栽植，穴規(guī)格為30 cm×30 cm×30 cm。試驗地位于廣州市華南農(nóng)業(yè)大學啟林科研基地（東經(jīng)113°37′，北緯23°16′），海拔42.3 m，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，年均氣溫21.9 ℃，年均降水量1696.5 mm，年均日照時數(shù)1800 h，土壤質(zhì)地為壤土。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 試驗設計 環(huán)割試驗設環(huán)割寬度和環(huán)割高度2個因素，每因素設3個水平，其中環(huán)割寬度分別為2、3和4 cm，環(huán)割高度分別為20、30和40 cm，進行L9（32）正交試驗設計（表1），共9個處理，每處理30個重復。于2018年5月17日按照正交試驗設計表進行環(huán)割處理，同時測量環(huán)割植株的胸徑。隨后每隔1周觀察記錄不定芽萌發(fā)情況及傷口愈合情況。

1. 2. 2 線性混合效應分析 采用線性混合效應模型y=Xβ+Zu+ε對試驗數(shù)據(jù)進行線性混合效應分析。式中，y為發(fā)芽數(shù)，β為固定效應（試驗號、環(huán)割高度、環(huán)割寬度、環(huán)割高度×環(huán)割寬度），u為隨機效應（胸徑），ε為誤差，X為固定效應的設計矩陣，Z為隨機效應的設計矩陣。

1. 3 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2013進行整理，以Duncans新復極差法進行多重比較和雙因素方差分析，在R version 3.5中利用lme4包對數(shù)據(jù)進行線性混合效應模型擬合（Bates et al.，2015）并作方差分析和回歸分析，利用Sjstats包和lmerTest包對線性混合效應模型進行差異顯著性檢驗（Kuznetsova et al.，2017）。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不定芽發(fā)芽數(shù)的直觀分析結(jié)果

經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，黃梁木環(huán)割后20 d左右傷口基本愈合，且不再萌發(fā)不定芽，因此，本研究中的不定芽發(fā)芽數(shù)為環(huán)割后第21 d調(diào)查所得不定芽數(shù)（表2）。由表2可知，處理1不定芽發(fā)芽數(shù)（6.38個）最多，顯著多于處理3、處理5、處理6和處理7（P<0.05，下同）;處理3和處理7的不定芽發(fā)芽數(shù)較少（分別為3.63和3.11個），但與處理2、處理4、處理5、處理6和處理8無顯著差異（P>0.05，下同）;處理1的初始胸徑為8.21 cm，與處理3（8.68 cm）差異不顯著，但二者的發(fā)芽數(shù)差異顯著，而處理1與處理2（6.38 cm）的初始胸徑差異顯著，但其發(fā)芽數(shù)差異不顯著，說明初始胸徑與發(fā)芽數(shù)無必然的相關性。

由表2可知，當環(huán)割高度為20 cm時，隨著環(huán)割寬度的增加，發(fā)芽數(shù)逐漸減少;當環(huán)割高度為40 cm時，發(fā)芽數(shù)隨著環(huán)割寬度的增加而增加，與環(huán)割高度為20 cm時的變化趨勢相反。當環(huán)割寬度為2 cm時，發(fā)芽數(shù)隨著環(huán)割高度的增加而減少;當環(huán)割寬度為4 cm時，發(fā)芽數(shù)隨著環(huán)割高度的增加而增加?？梢?，環(huán)割高度越高且環(huán)割寬度越寬時，發(fā)芽數(shù)越多，或者環(huán)割高度越低且環(huán)割寬度越窄時，發(fā)芽數(shù)越多。由于環(huán)割寬度為4 cm時母株傷口不能愈合（圖1），而環(huán)割寬度小于2 cm時傷口會迅速愈合導致無不定芽產(chǎn)生（圖2），因此，本研究選擇環(huán)割高度（20 cm）低且環(huán)割寬度（2 cm）窄的組合為最佳環(huán)割促萌方式。

2. 2 不定芽發(fā)芽數(shù)的雙因素方差分析結(jié)果

環(huán)割高度與環(huán)割寬度的雙因素方差分析結(jié)果見表3。由表3可知，環(huán)割高度和環(huán)割寬度對發(fā)芽數(shù)均無顯著影響，而環(huán)割高度與環(huán)割寬度的交互作用對發(fā)芽數(shù)有極顯著影響（P<0.01，下同）。為此，對環(huán)割高度和環(huán)割寬度進行雙因素方差分析，可直觀地得出最佳環(huán)割組合（圖3）：當環(huán)割高度為20 cm時，環(huán)割寬度選擇2或3 cm均能獲得最佳環(huán)割促萌效果。

2. 3 不定芽發(fā)芽數(shù)的線性混合效應分析結(jié)果

黃梁木環(huán)割促萌發(fā)芽數(shù)除受環(huán)割高度、環(huán)割寬度及二者的交互作用影響外，還可能受初始胸徑影響。為此，本研究利用線性混合效應模型來解析初始胸徑對發(fā)芽數(shù)的影響。在混合效應分析中，將處理號、環(huán)割高度、環(huán)割寬度及二者的交互作用作為固定效應，將初始胸徑分別與處理號、環(huán)割高度、環(huán)割寬度的交互作用作為隨機效應。模型擬合結(jié)果見表4。由表4可看出，所有模型的擬合效果均達極顯著差異水平，但模型4和5的決定系數(shù)（R2）比模型1、模型2和模型3大，且P和赤池信息規(guī)則（AIC）比模型1、模型2和模型3小，說明模型4和模型5的擬合效果更佳;而模型4與模型5的R2等參數(shù)均相同，因此，需對其進行進一步比較分析，結(jié)果見表5。

由表5可知，在線性混合效應模型中添加或刪除環(huán)割寬度因素，對模型不會造成顯著影響，說明環(huán)割寬度對發(fā)芽數(shù)影響不顯著。因此選擇無環(huán)割寬度的模型5進行后續(xù)分析。

為進一步探究模型5中各因素對發(fā)芽數(shù)的影響程度，需對其中各因素進行差異顯著性檢驗。由表6和表7可看出，環(huán)割高度對發(fā)芽數(shù)有顯著影響，環(huán)割高度×環(huán)割寬度對發(fā)芽數(shù)影響不顯著;隨機效應中環(huán)割高度×初始胸徑、環(huán)割寬度×初始胸徑對發(fā)芽數(shù)均有極顯著影響，而初始胸徑對發(fā)芽數(shù)無顯著影響。

為解析各因素對發(fā)芽數(shù)的影響趨勢，提取模型進行回歸分析。由表8可知，模型擬合效果極顯著，當環(huán)割高度為20 cm（模型截距）時，平均發(fā)芽數(shù)為6.43個，當環(huán)割高度為30和40 cm時，估計值為負值，而此處的估計值即為模型中的斜率，說明環(huán)割高度越高，促萌效果越差。

3 討論

本研究中，直觀分析結(jié)果表明，黃梁木初始胸徑對發(fā)芽數(shù)影響不顯著，不能直觀判斷環(huán)割高度和環(huán)割寬度對發(fā)芽數(shù)的影響程度;雙因素方差分析結(jié)果顯示環(huán)割高度×環(huán)割寬度對黃梁木發(fā)芽數(shù)有顯著影響，環(huán)割高度和環(huán)割寬度對發(fā)芽數(shù)的影響均不顯著;線性混合效應分析結(jié)果顯示，環(huán)割高度、環(huán)割高度×初始胸徑及環(huán)割寬度×初始胸徑對發(fā)芽數(shù)有顯著影響，環(huán)割寬度、初始胸徑和環(huán)割高度×環(huán)割寬度對發(fā)芽數(shù)影響不顯著。說明直觀分析、 雙因素方差分析和線性混合效應分析結(jié)果存在差異，其中雙因素方差分析能直觀地給出最佳組合，而線性混合效應模型對挖掘潛在影響因素較有優(yōu)勢，與許崇華等（2017）對杉木樹高—胸徑模型的研究結(jié)果一致。

經(jīng)過環(huán)割富集由下往上運輸細胞分裂素可促進樹干不定芽發(fā)生（潘瑞熾，2008），因此，想在短時間內(nèi)得到更多、幼化程度更高的不定芽，環(huán)割高度要越低越好。本研究選擇的黃梁木環(huán)割高度最低為20 cm，一方面是因為黃梁木接近地面的樹干具有板狀根（羅獻瑞，1999），不方便環(huán)割操作，另一方面是因為越貼近地面通風越差及微生物越多（張明洋等，2018），會加大傷口感染風險;環(huán)割寬度為2和3 cm的促萌效果較佳，環(huán)割寬度太寬會導致傷口不能愈合，致使母株死亡，環(huán)割寬度太窄會導致傷口迅速愈合，達不到促萌效果。

黃梁木生長旺盛期在每年的4—7月（羅獻瑞，1999），在這段時間內(nèi)進行環(huán)割有利于萌發(fā)出更多不定芽，也便于縮短母株傷口愈合時間，從而減小對母株的傷害。此外，由于通風不良會導致微生物累積（張明洋等，2018），在環(huán)割操作前，應清理母株周邊的雜灌草，以加強空氣流通減少傷口被病害感染的風險，并為新萌發(fā)的不定芽提供更多光照促進生長，縮短試驗進程。與果樹環(huán)割技術(shù)（陳雪華等，2012）相比，黃梁木環(huán)割技術(shù)操作簡單，不對環(huán)割傷口進行額外處理也不會影響母樹生長，能為黃梁木扦插、組織培養(yǎng)等取材提供充足且幼化程度高的繁殖材料，為黃梁木種質(zhì)資源保存及推廣應用打下基礎。

4 結(jié)論

經(jīng)雙因素方差分析和線性混合效應模型分析，黃梁木環(huán)割促萌的最佳條件為環(huán)割高度20 cm、環(huán)割寬度2～3 cm。

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（責任編輯 思利華）