基于氣象因子的柏木屬植物引種成活率預(yù)測(cè)模型

殷茜 劉興劍 任全進(jìn) 李亞

摘要 [目的]探索柏木屬（Cupressus L.）植物在南京中山植物園的引種成活率與來(lái)源地各氣象因子之間的關(guān)系。[方法]根據(jù)1976年以來(lái)的檔案數(shù)據(jù)，通過(guò)主成分分析法對(duì)氣象因子參數(shù)進(jìn)行降維處理，得到2個(gè)相互獨(dú)立的主成分；以主成分為自變量，平均成活率為因變量，利用回歸分析法建立引種成活率預(yù)測(cè)模型。[結(jié)果]引種成活率預(yù)測(cè)模型為：Y=88.480+0.028Z1-0.10Z2，其中主成分Z1溫光條件因子是決定引種成活率最主要的因素。[結(jié)論]該模型可為柏木屬植物引種前評(píng)估提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 柏木屬植物；引種成活率；氣象因子；主成分分析法；回歸分析

Prediction Model of Survival Rates of Introduced Cupressus Plants Based on Meteorological Factors

YIN Qian， LIU Xing-jian， REN Quan-jin et al

（Institute of Botany， Jiangsu Province and Chinese Academy of Sciences/Nanjing Botanical Garden Mem. Sun Yat-sen， Nanjing， Jiangsu 210014）

Abstract [Objective] The aim was to study the relationship between the survival rate of introduced Cupressus plants in Nanjing botanical garden Mem. Sun Yat-sen and the environmental factors of source area. [Method] The data from 1976 to now was studied by the principal component analysis（PCA）. The meteorological parameters were reduced to 2 independent principal components. With the principal components as independent variable， the average survival rate as dependent variable， the regression analysis method was used to establish the prediction model of the survival rate. [Result] The prediction model of the survival rate was as followed：Y=88.480+0.028Z1-0.10Z2， the main component Z1 as temperature and light condition factor was the most important factor determining survival rate of introduction. [Conclusion] This model can provide the basis for the evaluation of Cupressus plant introduction.

Key words Cupressus plant；Survival rate of introduced plants；Meteorological factors；Principal component analysis；Regression analysis

柏科（Cupressaeeae）柏木屬（Cupressus L.）是一個(gè)古老的屬，起源于地中海地區(qū)，分布于北美南部、亞洲東部、喜馬拉雅山區(qū)及地中海等溫帶及亞熱帶地區(qū)，共約20種，其中4種為我國(guó)特有[1-2]。柏木屬植物多為高大常綠喬木，葉鱗形，樹(shù)冠濃綠秀麗、材質(zhì)細(xì)密，可供建筑、橋梁、家具等用材，枝葉可提供芳香油，亦可作園林觀賞[3]。南京中山植物園自1929年建園至今，從國(guó)內(nèi)外引種大量柏木屬植物，經(jīng)過(guò)幾十年的引種實(shí)踐，部分引種成功，部分植物因?yàn)椴贿m宜而死亡。植物的引種馴化是一門(mén)綜合性的應(yīng)用科學(xué)，氣象相似論是重要的理論基礎(chǔ)之一[4]，為揭示氣象因子與柏木屬植物引種成活率的相關(guān)性，筆者收集了該屬12種植物引種來(lái)源地的氣象信息，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用主成分回歸分析法，構(gòu)建了柏木屬植物引種成活率預(yù)測(cè)模型。

1 材料與方法

1.1 栽培地自然條件

南京中山植物園坐落于紫金山國(guó)家森林公園內(nèi)，占地面積186 hm2，地理坐標(biāo)為118°48′E，32°07′N(xiāo)，海拔30～300 m，年平均氣溫15.4 ℃，1月平均溫度2.3 ℃，7月平均溫度27.7 ℃，無(wú)霜期237 d，年降水量1 000 mm，土壤為黃棕壤和黃褐土。

1.2 材料選擇與成活率計(jì)算

南京中山植物園自1929年建園至今，從國(guó)內(nèi)外引種柏木屬植物共104批次，780余株，涵蓋了21個(gè)分類(lèi)單元。為了排除主要以歷史人為等因素導(dǎo)致的植物死亡，根據(jù)1976年文革后的植物檔案，選取與登記號(hào)對(duì)應(yīng)的12種柏木屬植物（共64批次，547株）為研究對(duì)象，記錄成活數(shù)，與定植數(shù)對(duì)比分別計(jì)算平均引種成活率。

1.3 氣象資料

國(guó)內(nèi)氣象資料來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)http：//cdc.cma.gov.cn，國(guó)外氣象資料來(lái)源于世界天氣信息服務(wù)網(wǎng)http：//www.worldweather.cn/zh/home.html，來(lái)源地氣象數(shù)據(jù)為近30年期的平均值，海拔資料來(lái)源于http：//haiba.qhdi.com/，不同來(lái)源地的氣象參數(shù)，取各地平均值參與計(jì)算。

1.4 預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

運(yùn)用主成分分析和回歸分析法，構(gòu)建成活率預(yù)測(cè)模型。試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用 SPSS 24.0 軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 引種成活率與氣象參數(shù)

對(duì)12種不同來(lái)源地的柏木屬植物的成活率進(jìn)行測(cè)算，收集來(lái)源地氣象參數(shù)，測(cè)算平均值結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2 主成分分析

通過(guò)主成分變換，將相關(guān)性較高的變量信息綜合成相關(guān)性低的主成分，解決氣象因子之間多重共線性的問(wèn)題[5-6]。氣象參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)矩陣見(jiàn)表2。由表2可知，各參數(shù)間存在不同程度的相關(guān)性，通過(guò)KMO和Bartlett球形度檢驗(yàn)可知，KMO值=0.271，Bartlett球形度檢驗(yàn)P（=0.000）<0.01，綜合2個(gè)指標(biāo)，說(shuō)明氣象參數(shù)之間存在相關(guān)性，適宜進(jìn)行主成分分析。

7項(xiàng)氣象參數(shù)進(jìn)行主成分分析結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，前2個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)76.017%，基本反映了氣象因子的主要信息，各特征值表征各主成分在各變量上的荷載，從而得到各主成分的表達(dá)式如下：

Z1=0.846X1+0.625X2+0.937X3+0.441X4+0.001X5-0.782X6-0.803X7（1）

Z2=- 0.033X1-0.285X2+0.034X3+0.754X4+0.977X5+0.463X6-0.254X7（2）

主成分Z1在各變量上的荷載排序?yàn)椋篨3>X1>X7>X6>X2>X4>X5，與氣溫、光照密切相關(guān)的因子排在靠前位置，所以將Z1稱(chēng)為“溫光條件因子”；主成分Z2在各變量上的荷載排序?yàn)椋篨5>X4>X6>X2>X7>X3>X1，與降水量、降水日密切相關(guān)的因子排在靠前位置，所以將Z2稱(chēng)為“水分條件因子”。

2.3 回歸分析與預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

用平均成活率作因變量，主成分Z1、Z2作自變量，進(jìn)行多元回歸分析，得到二元線性回歸方程：Y=88.480+0.028Z1-0.10Z2，該回歸方程F=25 768.773，P（=0.000）<0.01，說(shuō)明該方程非常顯著。Z1的回歸系數(shù)檢驗(yàn)t=12.165、P（=0.000）<0.01，說(shuō)明Z1的回歸系數(shù)檢驗(yàn)達(dá)到非常顯著水平，對(duì)于平均成活率影響非常顯著，Z2的回歸系數(shù)檢驗(yàn)t=-2.526，P（=0.032）<0.05，說(shuō)明Z2的回歸系數(shù)檢驗(yàn)達(dá)到顯著水平，對(duì)平均成活率影響顯著。

3 結(jié)論與討論

采用主成分分析法，可避免氣象因子間的相互干擾，在減少變量的同時(shí)解決多重共線性問(wèn)題，將多個(gè)影響成活率的氣象參數(shù)轉(zhuǎn)化為2個(gè)綜合指標(biāo)，即主成分。主成分Z1回歸系數(shù)檢驗(yàn)非常顯著，進(jìn)一步證明溫光條件，較其他氣象因子而言，最大程度地影響著柏木屬植物的引種成活情況；主成分Z2回歸系數(shù)檢驗(yàn)顯著，證明水分條件對(duì)柏木屬植物的引種成活情況有較多影響，但不及溫光條件更主要。

建立的回歸方程顯著，說(shuō)明用主成分作為自變量進(jìn)行回歸來(lái)預(yù)測(cè)柏木屬植物引種成活率是合適的，該模型可為柏木屬植物引種前評(píng)估提供依據(jù)。由于影響引種植物成活率的因素，除氣象因子外還有物種本身適應(yīng)能力、栽培管理、其他人為因素、突發(fā)極端天氣等復(fù)雜因素，因此，基于氣象因子對(duì)引種成活率進(jìn)行預(yù)測(cè)，需要因植物種類(lèi)而異，可為引種技術(shù)改進(jìn)提供參考。

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