一种城市绿地物种抗旱性评价方法及城市绿地物种选择方法

摘要

本发明涉及一种城市绿地物种抗旱性评价方法城市绿地物种选择方法，分别测量物种抗旱性相关的6个参数：叶片凌晨含水量，正午含水量，叶片凌晨水势，叶片正午水势，水分利用效率，叶片凌晨水势和正午水势差值。通过对这6个参数进行主成分分析，计算主成分得分，隶属函数值、综合指标权重，可获得综合抗旱性评价指数D值。对任意两个以上物种的抗旱综合评价指数进行计算，其中，综合抗旱性评价指数D值高的物种抗旱性强于综合抗旱性评价指数D值低的物种。对D值进行聚类分析得到物种抗旱性强弱分组。本发明通过对常见绿地物种进行抗旱性综合评价，为城市绿地物种的筛选提供技术方法。

说明书

技术领域

本发明属于园林绿化物种筛选领域，具体而言，涉及一种城市绿地物种抗旱性的评价方法及城市绿地物种选择方法。

背景技术

城市绿地是城市生态环境建设的核心，对改善城市生态环境具有不可替代的作用，具有重要的生态、文化和社会价值。在城市绿地建设过程中，绿地组成物种的抗旱性是决定绿地维护成本和绿地稳定性的关键因素。水资源短缺是目前我国北方城市绿地建设和维护面临的普遍问题，也是制约城市绿地建设成功的重要因素。如何在干旱缺水的北方城市构建抗旱性较强的绿地系统已成为亟待解决的问题。

物种的抗旱性是物种能够在缺少水分的环境条件下良好生长的重要指标，选择抗旱性较强的绿地物种，增强城市绿地抵抗干旱胁迫的能力，对于提高绿地的自我维持，最大限度降低维护成本具有重要意义。

抗旱参数是一系列与植物抗旱性相关的指标，叶片含水量(LWC)、叶片水势(φ)以及水分利用效率(WUE)等与物种的抗旱性有一定的相关性。由于抗旱性是一种复合性状，受多种因素影响，仅通过单一抗旱参数或相关指标进行评价往往导致评价结果无法真实反映物种的抗旱性。

近年来，对于物种抗旱性学者们做了大量研究，但大多数是从控制试验和盆栽实验的角度出发，分析水分胁迫下物种生理生态指标的变化，筛选物种抗性指标。然而，对于相同或相似的环境条件，物种抗旱性的报道很少。由于对不同物种的抗旱性评价并不全面客观，导致绿地建设中经常会发生物种选择不当的情况，导致物种生长不良，或提高了的灌溉和维护成本，极大地影响了城市绿地系统的功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种城市绿地物种抗旱性评价方法及城市绿地物种选择方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种城市绿地物种抗旱性评价方法，一种城市绿地物种抗旱性评价方法，分别对至少两个物种的抗旱综合评价指数进行计算，其中，抗旱综合评价指数高的物种抗旱性强于抗旱综合评价指数低的物种；每个物种的所述抗旱综合评价指数计算方法包括如下步骤：测量多个抗旱参数，并以所述抗旱参数进行主成分分析，得到每个所述主成分的得分；根据每个所述主成分的得分计算每个所述主成分的隶属函数值以及综合指标权重；根据每个所述主成分的所述隶属函数值和所述综合指标权重计算抗旱综合评价指数；所述物种的个数大于或等于三个时，将得到的每个物种的抗旱综合评价指数进行聚类分析，并将所述物种分为强抗旱物种、一般抗旱物种和不抗旱物种。

进一步，所述抗旱参数为，叶片凌晨含水量、正午含水量、叶片凌晨水势、叶片正午水势、水分利用效率以及叶片凌晨水势和正午水势差值。

进一步，其特征在于，包括如下步骤：

S1、测量每个物种叶片凌晨含水量和正午含水量；

S2、测量每个物种叶片凌晨水势和正午水势；

S3、测量每个物种水分利用效率；

S4、计算每个物种叶片凌晨水势和正午水势差值；

S5、对所述步骤S1～S4中测得的所有物种的所有抗旱参数进行主成分分析；根据因子载荷矩阵、特征根计算得到主成分载荷矩阵，并根据贡献率以及累计贡献率得到n个进行分析评价使用的主成分，并计算每个进行分析评价使用的主成分的主成分得分，其中，第i个主成分得分为Zi；i＝1,2,3,......,n；

S6、通过筛选出的每个所述主成分的特征根、贡献率、累计贡献率以及主成分得分Zi计算隶属函数值以及综合指标的权重，获得每个物种的抗旱性综合评价指数D值。

进一步，所述步骤S1中的叶片含水量采用干燥法进行测量，包括如下步骤：称量新鲜叶子的重量W1，在105℃的烘箱中杀青1小时后，将其转移至80℃并干燥至恒重，称量干燥后的叶子的重量W2，通过W1和W2的值计算得到叶片的含水量。

进一步，所述叶片含水量通过公式(1)进行计算，所述公式(1)为，

含水量＝(W1-W2)/W2×100％； (1)

进一步，所述步骤S5中，所述主成分载荷矩阵通过公式(2)计算得到，所述公式(2)为，

其中，U为主成分载荷矩阵，A为因子载荷矩阵，λ为特征根；

以特征根大于1为标准选择进行分析评价使用的主成分。

进一步，所述步骤S6中，先将每个所述抗旱参数进行标准化处理，再通过标准化的每个所述抗旱参数计算每个抗旱性综合指标的主成分得分对应的每个主成分，根据公式(3)计算每个抗旱性综合指标的隶属函数值，所述公式(3)为，

μ(i)＝(Zi-Zimin)/(Zimax-Zimin)； (3)

其中，μ(i)是隶属函数值，Zi为第i个抗旱性综合指标的主成分得分，Zimax和Zimin分别为所有物种中，第i个抗旱性综合指标的主成分得分的最大值和最小值；i＝1,2,3,......,n。

进一步，所述步骤S6中，所述综合指标权重通过公式(4)进行计算，所述公式(4)为；

其中，其中，Wi为第i个抗旱性综合指标权重，Pi为第i个抗旱性综合指标的贡献率，n为抗旱性综合指标总个数。

进一步，所述步骤S6中，所述抗旱综合评价指数通过公式(5)进行计算，所述公式(5)为；

其中，D为物种抗旱综合评价指数，μ(i)为第i个抗旱性综合指标的隶属函数值，Wi为第i个抗旱性综合指标权重。

本发明的一种城市绿地物种选择方法，使用如上所述的城市绿地物种抗旱性评价方法对城市绿地物种的抗旱性进行评价，并选择强抗旱物种和/或一般抗旱物种作为城市绿地使用的物种。

本发明的技术方案的有益效果在于，通过对抗旱参数进行主成分分析，能够得到最能反应物种抗旱性的综合性抗旱指标，即将物种叶片水分、叶片水分亏缺程度及水分亏缺下植物生长的适应性作为物种抗旱性的综合评价指标，使分析结果更具客观性和有效性；同时，根据本发明的技术方案能够筛选出抗旱性良好的物种，保证了绿地建设中物种的良好生长，有效降低了的灌溉和维护成本，极大地提高了城市绿地系统的功能。

附图说明

图1为本发明的城市绿地物种抗旱性的评价方法实施例中对各物种的抗旱性评价的聚类分析图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一种城市绿地物种抗旱性评价方法，对任意两个以上物种的抗旱综合评价指数进行计算，其中，综合抗旱性评价指数D值高的物种抗旱性强于综合抗旱性评价指数D值低的物种。每个物种的所述抗旱综合评价指数计算方法包括如下步骤：测量多个抗旱参数，并以所述抗旱参数进行主成分分析，得到每个所述主成分的得分(Zi)；根据每个所述主成分的得分计算每个所述主成分的隶属函数值以及综合指标权重；根据每个所述主成分的所述隶属函数值和所述综合指标权重计算抗旱综合评价指数(D值)，对D值进行聚类分析得到物种抗旱性强弱分组。

本发明的上述方法，通过对抗旱参数进行主成分分析，能够得到最能反应物种抗旱性的综合性抗旱指标，克服了传统仅凭经验进行抗旱性性评价的局限性，从水分利用效率和水分消耗的角度评价物种的抗旱性，可以较为客观地理解物种对干旱环境的适应性；同时，本发明的方法能够用于筛选抗旱性较强的绿地物种，降低因物种筛选不当造成的损失。

本发明的抗旱参数为，叶片凌晨含水量(LWCm)、正午含水量(LWCnoon)、叶片凌晨水势(φm)、叶片正午水势(φnoon)、水分利用效率(WUE)以及叶片凌晨水势和正午水势差值(φchange)。

本发明的评价方法包括如下步骤：

S1、测量物种叶片凌晨含水量(LWCm)和正午含水量(LWCnoon)；

使用干燥法测量物种叶片含水量，具体步骤为，称量新鲜叶子，将其放在信封中送回实验室。在105℃的烘箱中杀青1小时后，将其转移至80℃并干燥至恒重，称重干燥后的叶子。

物种叶片含水量的计算公式如下：

LWC＝(W1-W2)/W2×100％；其中，W1代表叶片鲜重，W2代表叶片干重。

S2、测量物种叶片凌晨水势(φm)和正午水势(φnoon)；

使用露点水势测试仪(WP4，DEC-AGON)测量叶片水势(φ，MPa)。选择新鲜、健康的物种叶片，然后将其放在冰盒中进行测量。测量前将仪器预热30分钟。将叶子切碎，放入WP4露点水势测试仪的样品盒中，叶子放入水势测试仪样品盒的体积不应超过样品盒体积的1/2，然后记录水势值。

在步骤S1和S2中，凌晨叶片的采集时间为5:00-6:00，正午叶片采集时间为12:00-14:00。

S3、测量物种水分利用效率(WUE)；使用LICOR-6400XT便携式光合作用仪测定不同物种在饱和光照强度下的叶片净光合速率和蒸腾速率。物种叶片水分利用效率的计算公式如下：

WUE＝Pn/Tr；其中，Pn代表叶片净光合速率，Tr代表叶片蒸腾效率。

S4、计算物种叶片凌晨水势和正午水势差值(φchange)；即，Φchange＝φm-φnoon；其中φm为凌晨水势，φnoon为正午水势。

S5、采用SPSS21.0软件进行主成分分析；根据因子载荷矩阵、特征根(Eigenvalue)计算得到主成分载荷矩阵，并根据贡献率(Proportion)以及累计贡献率(Cumulative)筛选n个进行分析评价使用的主成分，每个主成分为抗旱性综合指标；计算每个抗旱性综合指标的主成分得分Zi；其中，i＝1,2,3,......,n；主成分载荷矩阵通过公式(2)计算得到，所述公式(2)为，

其中，U为主成分载荷矩阵，A为因子载荷矩阵，λ为特征根，i＝1,2,3,......,n。

主成分得分Zi的计算方式为，将每个抗旱参数进行标准化，再进行累加求和。

以及特征根(Eigenvalue)大于1为标准，选择n个进行分析评价使用的主成分，同时通过贡献率(Proportion)和累计贡献率(Cumulative)辅助进行判断，使累积贡献率可以涵盖绝大部分的信息。

S6、通过每个主成分的特征根(Eigenvalue)、贡献率(Proportion)以及累计贡献率(Cumulative)计算隶属函数值，计算综合指标的权重，获得抗旱性综合评价指数D值，通过系统聚类分析得出物种抗旱性等级。

先将每个抗旱参数进行标准化处理，再通过标准化的每个抗旱参数计算i＝1,2,3,......,n对应的每个综合指标的主成分得分，根据公式(3)计算每个主成分的隶属函数值，所述公式(3)为，

μ(i)＝(Zi-Zimin)/(Zimax-Zimin)； (3)

其中，μ(i)是隶属函数值，Zi为主成分得分，Zimax和Zimin分别为，所有物种中，第i个主成分得分的最大值和最小值。

综合指标权重通过公式(4)进行计算，所述公式(4)为，

其中，Wi代表第i个主成分在所有主成分中的重要性，Pi代表第i个主成分的贡献率。

抗旱综合评价指数通过公式(5)进行计算，所述公式(5)为，

其中，μ(i)是隶属函数值，Zimax和Zimin是所有植物的主成分得分中的最大值和最小值，D为物种抗旱综合评价指数。

本发明的一种城市绿地物种选择方法，使用如上所述的城市绿地物种抗旱性评价方法对城市绿地物种的抗旱性进行评价，并选择强抗旱物种和/或一般抗旱物种作为城市绿地使用的物种。

在选择城市绿地物种时，预先对该绿地范围的条件进行评估，得到该绿地范围适合的物种抗旱性，再根据上述评价方法对城市绿地物种的抗旱性进行评价，得到适合种植于该绿地范围的物种，使物种的抗旱性与绿地环境条件匹配。

以下实施例为，采用本发明的城市绿地物种抗旱性的评价方法对48种城市绿地常见物种的抗旱性进行评价。

实施例

本实施例的评价对象为：杜仲、银杏、望春玉兰、鹅掌楸、元宝枫、丝棉木、山桃、肥皂荚、国槐、核桃、锐齿槲栎、山茱萸、刺楸、柿树、青檀、西府海棠、紫叶李、美人梅、碧桃、北京丁香、雪柳、文冠果、冻绿、脱皮榆、流苏、拓树、榆叶梅、华北珍珠梅、鸡麻、连翘、金叶女贞、蝟实、锦带花、金银忍冬、琼花、香荚蒾、紫薇、紫荆、黄栌、木槿、接骨木、冬青卫矛、胶东卫矛、棣棠、南蛇藤、月季、多花紫藤、早园竹。

具体的评价步骤如下：

分别测量每个物种的6个抗旱性相关指标：叶片凌晨含水量(LWCm)，正午含水量(LWCnoon)，叶片凌晨水势(φm)，叶片正午水势(φnoon)，水分利用效率(WUE)，叶片凌晨水势和正午水势差值(φchange)。

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据分析；采用SPSS 21.0软件进行主成分分析，相关指标计算如下：

主成分分析：以6个抗旱参数为基础，采用SPSS 21.0软件计算因子载荷矩阵、特征根和贡献率，具体结果如表1所示；并通过以下公式计算得出主成分载荷矩阵，具体的主成分载荷矩阵如表2所示：

根据表2，主成分分析可以将6个抗旱参数分为3个综合指标，前三项综合指标的贡献率分别为44.63％、24.1％和20.443％，累计贡献率为89.173％，特征根均大于1，因此，以前三项主成分作为物种抗旱性综合评价的主要因子。

在第一主成分中，φnoon、LWCm和LWCnoon的系数相对较大，分别为0.501、0.534和0.532。这些指标主要反映物种叶片的水分情况。在第二主成分中，φm的系数较大，为0.653，主要反映物种水分恢复的能力，并可用于分析物种缺水的程度。在第三主成分中，WUE和φchange系数相对较大，分别为-0.585和0.669，主要反映水分亏缺下植物生长的适宜程度。基于三个主成分分析结果，将物种叶片水分、叶片水分亏缺程度及水分亏缺下植物生长的适应性作为物种抗旱性的综合评价指标，也就是说上述综合评价指标分别对应主成分1、2和3。

表1因子载荷矩阵

表2抗旱参数主成分载荷矩阵

表3各物种的分析数据以及抗旱性综合评价结果

分别对6个参数进行标准化处理可得：Zφm、Zφnoon、ZLWCm、ZLWCnoon、ZWUE和Zφchange，计算每个主成分的得分。

主成分得分的计算公式为，

Zi＝Uφmi*Zφm+Uφnooni*Zφnoon+ULWCmi*ZLWCm+ULWCnooni*ZLWCnoon+UWUEi*ZWUE+Uφchangei*Zφchange

其中，Z为每个所述抗旱参数标准化后的值。

根据上述公式的具体计算过程为：

Z1＝0.308*Zφm+0.501*Zφnoon+0.534*ZLWCm+0.532*ZLWCnoon-0.002*ZWUE-0.294*Zφchange；

Z2＝0.635*Zφm+0.364*Zφnoon-0.255*ZLWCm-0.286*ZLWCnoon+0.475*ZWUE+0.303*Zφchange；

Z3＝0.350*Zφm-0.169*Zφnoon+0.217*ZLWCm+0.106*ZLWCnoon-0.585*ZWUE+0.669*Zφchange。

根据以下公式计算每个主成分对应的隶属函数值：

μ(i)＝(Zi-Zimin)/(Zimax-Zimin)；

本实施例中，i＝1,2,3；Zimin为表3中第i列的Z值中的最小值；Zimax为表3中第i列的Z值中的最大值，μ(i)的具体计算结果为：

μ1＝(Z1-(-3.63))/(4.07-(-3.63))；

μ2＝(Z2-(-2.09))/(2.95-(-2.09))；

μ3＝(Z3-(-2.12))/(2.80-(-2.12))；

根据以下公式计算每个主成分的综合指标权重：

W1＝44.63/89.173＝0.50；

W2＝24.1/89.173＝0.27；

W3＝20.443/89.173＝0.23；

根据以下公式计算该物种的综合评价指数D值计算：

D＝μ1*0.50+μ2*0.27+μ3*0.23。

通过上述过程分别计算每个物种的D值，并根据D值对各绿地物种的抗旱性进行排序。

对各物种的抗旱性分析结果为，根据表3中的数据显示，柿树的D值最大，为0.7642，表明其抗旱性最高，脱皮榆的D值最小，为0.1555，表明其抗旱性最低。表3的分析结果，可以确定物种的抗旱性，作为城市绿地抗旱物种的筛选依据。

聚类分析：利用SPSS软件对耐旱性综合评价指数D值进行系统聚类分析，采用平方Euclidean距离，采用Ward法进行聚类分析。

如图1所示，当距离小于5时，可将本实施例中的48个绿化物种分为3类：强抗旱物种、一般抗旱物种和不抗旱物种：

强抗旱物种：柿树，木槿，连翘，紫薇，南蛇藤，接骨木，锦带花，望春玉兰，榆叶梅，核桃，多花紫藤，国槐，银杏，蝟实，刺楸。

一般抗旱物种：冬青卫矛，胶东卫矛，紫荆，月季，香荚蒾，鸡麻，棣棠，文冠果，琼花，杜仲，金叶女贞，山桃，元宝枫，华北珍珠梅，鹅掌楸，山茱萸，紫叶李，雪柳。

不抗旱物种：拓树，冻绿，青檀，美人梅，锐齿槲栎，丝棉木，北京丁香，肥皂荚，黄栌，早园竹，碧桃，金银忍冬，西府海棠，流苏，脱皮榆。

本发明的评价方法，通过测定相同环境条件下物种抗旱性相关参数，并采用统计学方法进行综合分析，对常见绿地物种的抗旱性进行分析，为不同土壤水分条件下绿地物种的筛选提供技术方法，减少城市绿地建设过程中因物种选择不当造成的损失。通过建立物种抗旱性评价指标，有助于抗旱性物种的筛选，稳定和可持续城市绿地系统的建设，最大限度地提高绿地的生态、文化和社会效益。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。