研究人员评估了马拉维雪松（Widdringtonia whytei），即马拉维的极度濒危国树，在过去70年中因过度采伐、火灾和自然更新失败，其数量已减少超过80%。以往的造林计划取得了不一致的建立成功率，这可归因于基因型与环境匹配不足，以及对立地土壤特性表征不充分，因此亟需在气候变化加剧的压力下开展实证研究以指导生态修复。本研究评估了在马拉维五个高海拔作业立地（Thuchira，Zomba Plateau，Dedza Mountain，Luwawa和Chikangawa）上建立的三个种源（Zomba，Chikangawa和Tanzania）的四年田间表现，包括存活率、地径（root collar diameter, RCD）和高度。试验采用随机完全区组设计（randomized complete block design, RCBD），每个立地设五个区组，使用7 × 7树的样地并在5 × 5核心区进行评估。立地条件在4年时主导了早期性状变异。Chikangawa种源的存活率范围为21%（Dedza）至54%（Chikangawa，Luwawa，Zomba，Thuchira）；地径为1.6 cm（Thuchira）至6.9 cm（Luwawa）；高度为1.2 m（Thuchira）至3.1 m（Zomba）。Zomba种源表现最佳（总体存活率66%；Luwawa立地达89%；平均地径4.9 cm），Tanzania种源在生产力较高的立地高度领先，而Chikangawa种源表现始终不佳。生产力高的立地（存活率> 50%）具有砂质壤土、有效磷（available phosphorus）含量（p）> 10 mg kg−1、阳离子交换量（cation exchange capacity, CEC）> 150 cmolc kg−1和pH 4.2–4.9；失败立地则为磷缺乏的砂土（2.7–3.3 mg kg−1）。磷含量和CEC能强力预测生长；在磷丰富的壤土上，Zomba种源的存活率超过65%。这些发现表明，马拉维雪松的早期表现受遗传起源和立地土壤条件的共同调控，凸显Zomba种源作为修复有前景的遗传资源，并强调了将土壤pH、磷状况和质地整合到种源选择和立地准备中以提高造林成功率的必要性。整合土壤诊断将提升造林成功率，保障W. whytei的恢复，并为全球濒危针叶树的保护提供指导。
本研究评估了马拉维雪松（Widdringtonia whytei）三个种源在五个高海拔立地的四年存活率、地径（root collar diameter, RCD）和高度表现，联合考察了遗传和土壤驱动因素对早期表现的影响。
马拉维雪松（Widdringtonia whytei），又称马拉维雪松（Mulanje cedar），是柏科（Cupressaceae）的一种非洲针叶树，其特征为鳞片状叶片和木质雌球果，自然分布仅限于马拉维南部的穆兰杰山（Mount Mulanje）[1]。该物种长期以来被视为马拉维最重要的商业用材之一，因其木材耐久、抗白蚁且芳香，广泛应用于建筑、家具和手工业[2]。然而，包括支持马拉维雪松在内的全球热带森林正经历着加剧的人为压力，如开垦、焚烧、碎片化和不可持续的木材开采，导致生物多样性快速丧失，越来越多的树种被评估为极度濒危[3, 4]。W. whytei已被认定为高度关注的保护物种，被列入国际自然保护联盟（IUCN）需要立即保护的优先针叶树名录，并被列入《濒危野生动植物种国际贸易公约》（CITES）附录II以规范国际贸易并降低开发风险[5–7]。
尽管具有重要的生态和经济价值，并于1984年被指定为马拉维国树，马拉维雪松的种群数量已严重下降，据估计自1950年代以来减少了超过80%，原因是一个多世纪的合法和非法采伐，加上反复发生的高强度野火及相关的栖息地退化[2, 5, 8, 9]。该物种曾占穆兰杰山常绿植被的约5%，但近期调查显示，森林保护区内成年树木几乎全部丧失，仅在邻近私人土地上已知存活一株成熟个体[2, 6]。自然更新的限制，包括火灾损害、低活力种子产量、种子和幼苗死亡率以及复杂的个体生态学（autecology），进一步阻碍了种群恢复，从而威胁到依赖森林资源的当地社区的生物多样性和生计[8, 9]。
对马拉维雪松的营林和修复工作有着悠久的历史，种植倡议早在1907年就已启动，并扩展到Zomba、Dedza和Chikangawa等地；然而，许多这些种植表现出不一致的建立成功率和高死亡率[2, 6]。近期的造林和移植计划，包括政府及其合作伙伴领导的项目，也因野火、立地选择不当以及可能不匹配的种植材料而遭受重大损失[5, 9]。这些结果表明，失败不仅由干扰驱动，也源于对W. whytei遗传变异及其与环境和土壤梯度相互作用的理解有限。种源试验为量化种子来源间的遗传和表型变异、估计基因型与环境互作（genotype × environment interaction）以及识别适应性强的材料用于部署提供了强有力的框架。最近，关于马拉维雪松移植试验中生长性状遗传参数的表征工作已经开始[10–12]。然而，许多现有和历史试验并未系统地纳入土壤信息，导致在理解土壤因素如何调节种源表现方面存在关键空白。
土壤特性，如pH、养分有效性和质地，强烈影响针叶树的生长、养分吸收和对非生物胁迫的耐受性[13, 14]。对于马拉维雪松，观察表明它通常发现和种植在强酸性土壤上，其中磷有效性和阳离子交换量（cation exchange capacity, CEC）在不同立地间差异显著[14–16]。高CEC促进养分保持，而低有效磷或不平衡的氮可能限制这种生长缓慢的针叶树的早期生长[13, 14]。土壤质地，特别是砂-粉砂-黏土比例，决定了持水能力、排水和根系发育，马拉维雪松在保持足够水分和养分的排水良好的砂质壤土上表现最佳[15, 16]。升高的盐度和钠化度（sodicity）可能导致渗透胁迫和离子毒性，抑制发芽和早期生长，尽管现有数据表明大多数马拉维雪松试验立地为非盐渍化和非钠化[16, 17]。尽管从广泛的土壤和植物营养文献中对此有所了解，但马拉维雪松在不同种植环境下的生存和生长与所测土壤参数之间的具体联系尚未得到严格量化。
近期对马拉维雪松移植试验的分析揭示了在立地和种子来源间，生长性状存在显著的遗传和表型变异，强调了环境条件的重要性并表明存在强烈的基因型与环境互作[10]。这些结果意味着，持续在边际立地上种植未经表征或适应性差的种源可能持续导致低存活率和生长不良，从而削弱修复投资效益[10, 18]。然而，关于在哪个立地部署哪种种源，以及如何将土壤诊断整合到修复规划中的实用指南仍然缺乏。在此背景下，迫切需要开展在操作相关条件下联合评估种源表现和土壤变异的研究，为种源选择、立地选择和营林管理提供基于证据的建议。本研究评估了在马拉维五个高海拔立地（代表降雨量、海拔和土壤的主要梯度）进行的一项四年生W. whytei种源试验，使用三个种子来源，采用随机完全区组设计（randomized complete block design, RCBD），并评估了存活率、高度、地径（root collar diameter, RCD）以及全面的表土物理化学性质。
正是在此背景下，本研究旨在调查马拉维四年生马拉维雪松种源的存活、生长和土壤驱动因素。具体而言，研究目的是（1）量化三个种源在五个立地的存活率，并识别表现出持续高或低建立成功率的种源-立地组合；（2）评估不同种源和立地间高度和地径生长的差异；以及（3）分析关键土壤因素之间的关系。
研究人员假设早期马拉维雪松的表现取决于种源和土壤条件，并且通过土壤诊断将种源与立地匹配将提高存活率和生长，同时在日益增加的环境压力下指导营林和长期保护。
本研究在马拉维的五个试验立地进行，包括Thuchira（穆兰杰山）、Zomba山、Dedza山、Luwawa和Chikangawa，如图1所示。苗圃育苗按照标准流程进行，包括移栽到100 × 150 mm的黑色聚乙烯管中。种植前，试验立地经过人工耕作，每个地点挖出30 cm × 30 cm × 30 cm的种植穴。种植于2017年1月中下旬进行。种植后维护包括通过人工筛网和割草进行定期除草以减少竞争，以及边界维护以提供火灾保护[10]。在每个试验立地，实施了RCBD，包含五个区组。每个区组包含三个正方形处理样地，每个样地有49棵树，按7 × 7网格排列，间距为2.75 × 2.75 m。为减少边缘效应，选择每个样地内的5 × 5树核心区域进行评估，排除样地每侧的一行树。在此核心区域内，测量每棵树的高度（米）和地径（厘米）。通过计数每个样地中的存活树数量确定存活率。所有选定立地的地理坐标都记录在评估表上，并存储在GPS接收器中，以便在后续评估中准确定位。采用RCBD有助于最大限度地减少区组内单位的变异性，并且试验单位的区组应尽可能均匀[10]。研究使用了三个W. whytei种源：Zomba（Z）、Chikangawa（C）和Tanzania（T），详见表1。表2列出了五个试验立地的特征。土壤取样在每个种源样地内的核心5 × 5树评估区域（图1）进行，从五个试验立地（Thuchira，Zomba Plateau，Dedza，Luwawa和Chikangawa）共采集超过450个深度为0–15 cm的子样本，采用线性随机取样。每个子样地采集六个样本以确保代表立地土壤变异性，针对影响早期树木建立的主要根区。样本在环境温度下风干，轻轻压碎并过2 mm筛以去除粗碎片并实现均匀性，然后在FRIM土壤实验室进行分析。土壤质地采用比重计法测定[19]，通过在六偏磷酸钠悬浮液中的差异沉降量化砂、粉砂和黏土组分，根据USDA土壤质地三角图进行分类[20]。土壤pH值在0.01 M CaCl
2中测量（1:5土壤:溶液[21]），以准确评估针叶树生长条件下的酸度。总有机碳（total organic carbon, TOC）和全氮（total nitrogen, TN）分别采用湿氧化法（K
2Cr
2O
7/H
2SO
4）[22]和凯氏定氮法消化[23]，并用硫酸亚铁铵进行反滴定。有效磷（available phosphorus, p）使用Mehlich-3多元素提取剂（1:10土壤:提取剂，振荡5分钟），随后采用Murphy–Riley抗坏血酸-钼酸盐比色法在882 nm下测定[24–27]。CEC和交换性钠百分比（exchangeable sodium percentage, ESP）通过中性1 M乙酸铵（pH 7.0）饱和置换法评估，通过蒸馏-滴定法测定NH
4+[28]。电导率（electrical conductivity, EC）估算1:5水提取液中的可溶性盐[29]。所有分析均包括方法空白、重复样（变异系数CV < 5%）和温度校正。立地效应对土壤参数的影响通过Minitab 16.1中的一方差分析（one-way analysis of variance, ANOVA）进行检验，在 Shapiro–Wilk正态性确认后进行；均值在p < 0.05水平上通过Fisher最小显著差法（least significant difference, LSD）分离[30]。存活率和生长响应使用混合效应模型进行分析，以考虑种源试验的嵌套结构，并将固定的种源效应与与立地布局相关的随机变异分开。为存活率、高度和直径（此处指地径）分别拟合模型。存活率使用具有logit连接函数的二项广义线性混合效应模型进行分析：(1) 其中 Y
ijk 是每个样地的存活树数量，n
ijk = 25 是种植数量，π
ijk 是存活概率。logit连接定义为(2)。高度和直径（此处指地径）采用线性混合效应模型进行分析，形式为(3)，其中 S
i、P
j 和 (SP)
ij 分别代表立地、种源及其交互作用的固定效应；B
j(i) 是立地内区组的随机效应；Q
k(ij) 是区组和立地内样地的随机效应；ε
ijk 是残差误差。随机项被假设为独立正态分布(4, 5, 6)。所有分析均在R中使用lme4包进行[31]。通过标准诊断图评估模型假设。对于线性混合效应模型，检查残差-拟合图和正态分位数图以评估同方差性和残差的近似正态性。对于广义线性混合效应模型，使用适合二项响应的诊断检查来评估整体模型拟合。固定效应的显著性使用固定效应的方差分析型检验进行评估，统计显著性设定在p < 0.05。当立地×种源交互作用显著时，种源差异在立地内而非跨立地整体进行解释，因为显著的交互作用表明种源表现因环境而异。使用emmeans包获取估计边际均值[32]，并用Tukey调整进行多重比较，以比较立地、种源以及立地内的种源表现。成对比较使用emmeans中的cld函数进行紧凑字母显示总结，基于模型的均值见表3和表4以显示差异的幅度和模式。土壤数据来源于所有土壤参数（包括pH、CEC、磷（p）、TOC、TN、EC和土壤质地）的分析/实验室工作。使用Minitab 16.1对每个土壤参数进行单因素方差分析（one-way ANOVA），在α=0.05水平上确认正态性检验后进行。显著效应使用Fisher LSD程序在0.05水平上进行事后均值分离。
对于存活率，方差分析（ANOVA）结果显示立地和种源效应高度显著。这一交互作用表明存活率的种源表现因立地而异。跨种源，平均存活率在立地间差异显著。Dedza的存活率最低，平均为21%，而Chikangawa、Luwawa、Thuchira和Zomba的平均存活率显著更高，约为54%，且这四个立地间无显著差异。跨立地，Zomba种源平均存活率最高（66%），其次为Tanzania种源（42%），Chikangawa种源最低（31%），且三者之间差异显著。由于立地×种源交互作用显著，进一步考察了每个立地内的种源差异。在Zomba，种源间存活率无显著差异。相反，在Luwawa，三个种源间差异显著，其中Zomba种源存活率接近90%。除Zomba外，Chikangawa种源在各立地的存活率始终最低，而Zomba种源始终最高。差异的成功率也可能反映了营林实践的变化以及病虫害爆发或野火等因素的影响[2, 5]。这些结果强调了遗传、环境和管理因素在调控W. whytei建立方面的复杂相互作用，因此强调了需要量身定制的方法来确保成功的造林和植林。
方差分析显示立地和种源对地径（RCD）效应高度显著，且立地×种源交互作用不显著，表明种源在地径（RCD）上的排名在各立地间大致一致。在立地层面，地径明显分为两组（表8）。Chikangawa（6.26 cm
bc）、Luwawa（6.85 cm
b）和Zomba（5.58 cm
c）的树木茎直径明显大于Dedza（2.26 cm
a）和Thuchira（1.60 cm
a）。在所有立地，Tanzania和Zomba种源平均地径（RCD）最大（分别为4.80 cm
a和4.92 cm
b），均显著大于Chikangawa种源（3.80 cm
a）。Zomba种源在Luwawa的地径（RCD）优势（7.70 cm）与该立地生长性状受强遗传控制的证据相符[10]，而Chikangawa种源较差的地径（RCD）可能反映了低种子纯度和活力[8]以及对测试环境缺乏适应性。各立地间土壤磷和氮有效性的差异也可能是观察到的地径（RCD）变异的贡献者[13]。
方差分析的固定效应揭示了立地对高度效应高度显著，种源效应也显著，但立地×种源交互作用显著性较弱。因此，在4年时，立地主导了高度变异，而未检测到一致的种源排名。跨种源平均，最高的树记录在Zomba（平均3.06 m）和Luwawa（2.99 m），而Thuchira（1.25 m）和Dedza（1.37 m）的树最矮。种源边际均值差异显著：Tanzania种源为2.56 m，Zomba种源为2.20 m，Chikangawa种源为1.90 m。立地内比较（表3）显示，在Dedza和Thuchira，三个种源的高度无显著差异，而在Zomba，Tanzania种源显著高于Chikangawa和Zomba种源，达3.79 m。在Chikangawa和Luwawa，Chikangawa种源显著矮于Tanzania和Zomba种源。这些模式表明，高度上种源差异的表达可能取决于特定立地的环境条件，而不是反映任何一种种源统一的遗传优势。强烈的立地效应与试验网络中记录的土壤性质、海拔和降雨量的显著变异一致（图2）（表4），并与Fred等[10]的研究结果相符，他们证明了环境条件在塑造W. whytei早期生长中的重要性。在这一早期阶段高度上种源效应不显著，并不排除随着树龄增长出现种源差异的可能性，因为在针叶树种源试验中，高度的遗传效应通常随树龄增长而增强[11, 12]。
土壤特性分析揭示了五个种源试验立地在2016/2017年试验期间雪松树木生长条件的关键定量信息。土壤pH水平差异显著（p < 0.05），96%的结果在3.5至5.0之间（表4），有利于雪松对酸性条件的偏好。所有立地的CEC都极高，Dedza表现出最佳的养分保持能力。有效磷水平差异显著（p < 0.05），Dedza显示充足水平为32.5 mg/kg，而Luwawa较低为12.9 mg/kg，Thuchira和Zomba则极低分别为3.3 mg/kg和2.7 mg/kg。最佳的土壤pH对于最大化磷吸收至关重要，因为磷的有效性通常受pH水平限制，影响生长速率和植物活力[14]。所有立地的TOC都很高，TN水平差异显著，Thuchira氮含量最高为0.63%，Luwawa最低为0.11%。Hazelton和Murphy[14]的研究得出结论，富含有机质的土壤通常因微生物活动将有机物分解为植物可利用形式而含有更高的氮，这可以大大增强W. whytei的生长表现。所有立地的EC测量值均低于临界阈值2 mmho/cm，证实为非盐渍化土壤，而94.5%的ESP结果在1%至2%之间，表明为非钠化条件。Hasanuzzaman和Fujita[17]的研究表明，高盐度水平通过诱导渗透胁迫和离子毒性对植物生长产生负面影响。具体而言，W. whytei在非盐渍化条件下生长良好，因为盐渍土壤会因不利的渗透势限制根系吸水而降低发芽率并阻碍生长[16]。最后，土壤质地分析显示Thuchira的黏土含量极低（2%），而Luwawa、Dedza和Zomba为14%–16%；雪松树可在多种质地生长，但偏爱砂质壤土以获得最佳生长。壤土对W. whytei的最佳生长至关重要，因为它提供了砂、粉砂和黏土的平衡混合物，确保了足够的排水以及充分的水分和养分保持[15]。
W. whytei在五个试验立地的存活率和地径（RCD）表现由遗传起源和立地层面土壤条件共同决定，而4年时的高度主要由立地而非种源驱动（见表5, 6, 8, 7, 3和8）。所有立地的土壤pH值均为强酸性（范围4.2–4.9），与有利于该物种磷吸收和生长的条件一致[14]。所有立地的CEC都很高，但Dedza表现出最大的养分保持能力。尽管如此，Dedza的有效磷（32.5 mg/kg）明显高于Luwawa（12.9 mg/kg），而Thuchira（3.3 mg/kg）和Zomba（2.7 mg/kg）则极低。后两个立地的有效磷低可能限制了早期根系发育，并导致观察到的存活率和地径（RCD）较差，因为磷对幼龄针叶树的根系生长和能量传递至关重要[13, 14]。全氮（TN）在立地间差异显著，Thuchira含量最高（0.63%），Luwawa最低（0.11%）。氮的有效性，主要受有机物分解调控，是生长缓慢针叶树早期生长的重要决定因素[14]。土壤质地也有显著差异：Thuchira黏土含量极低（2%），而Luwawa、Dedza和Zomba为14%–16%，影响了持水能力和根系发育。如Luwawa和Zomba的砂质壤土，通常与W. whytei有利的排水和充足的水分保持相关[15]。所有立地的EC均低于临界阈值2 mmho/cm，证实为非盐渍化条件，有利于发芽和早期生长，因为盐度会对该物种产生渗透胁迫和离子毒性[16, 17]。
土壤条件的影响最清晰地体现在所有三个存活和生长性状的立地层面差异上。根据总体存活率和后续生长，立地可分为三类。在三个立地，Chikangawa、Luwawa和Zomba，存活率和后续生长都很高：这些可被视为生产力高的立地。相反，Dedza的存活率和生长都很低，而Thuchira则居中，存活率高但后续生长低。尽管Dedza和Thuchira的CEC充足，但其总体存活率和生长率明显较低，Thuchira生长率低，这与其显著较低的降雨量和更沙质的土壤一致，这些因素减少了关键建立阶段的水分和养分有效性。尽管三个性状在所有立地间种源差异都高度显著，但立地与种源的交互作用取决于评估变量：地径（RCD）交互作用不显著，高度交互作用显著性较弱，存活率交互作用高度显著。通常，高度上立地内的种源差异仅在三个生产力高的立地明显，其中Chikangawa种源通常比Tanzania和Zomba种源产生的幼苗更矮。在生产力高的立地，种源存活率差异在Chikangawa和Luwawa尤为明显，但在同样生产力高的Zomba则未发现差异。在Dedza和Thuchira，种源在高度或地径（RCD）上无显著差异，但存活率存在差异，通常Chikangawa种源最低，Zomba种源最高。这些区别表明，在4年时，高度增长主要由立地质量决定，而存活率和茎增粗已反映了所测试的W. whytei种源间的遗传分化。最高存活率（89%）和最佳地径（RCD）（7.7 cm）均记录在Luwawa立地的Zomba种源，该立地具有砂质壤土和相对较高的CEC，表明Zomba种源的遗传特性与该立地的土壤条件之间存在有利匹配。相反，Chikangawa种源在各立地的存活率和地径（RCD）持续较差，表明其普遍缺乏适应性而非特定土壤不匹配，可能与其来源种群的低种子纯度和活力有关[8]。这些发现强化了将土壤pH、磷状况和质地整合到种源选择和立地准备中的重要性，正如对涉及极度濒危针叶树的移植计划所建议的那样[10, 18]。持续种植未经表征的种源而不考虑立地特定的土壤特性，可能导致建立不良的情况持续发生，强调了在未来W. whytei修复工作中，需要基于证据将种子来源与种植环境进行匹配。
本研究评估了三个W. whytei种源在马拉维五个高海拔试验立地的存活率、地径（RCD）和高度，联合考察了早期表现的遗传和土壤驱动因素。拟合混合模型确定立地是所有三个性状变异的主要来源（p < 0.001），反映了试验网络中土壤性质、降雨量和海拔的显著梯度。总体的种源效应在存活率、地径（RCD）和4年时的高度上也高度显著（p < 0.001），表明生长和建立成功率已反映了种源间的遗传分化。Zomba种源在存活率和地径（RCD）上始终优于其他种源，尤其在Luwawa，其存活率达到89%，平均地径（RCD）最大（7.7 cm），突显其作为修复种植有前景的遗传资源。Chikangawa种源在各立地的存活率和地径（RCD）记录较差，表明其普遍缺乏适应性或种子质量受损，而非特定立地不匹配。虽然没有一种种源在所有立地上的高度排名显著更高，但立地内比较显示，Tanzania种源在Chikangawa和Zomba产生了最高的树木，表明在特定环境或后期年龄，立地特定的种源高度优势可能更明显。这些发现共同强调了开展全面种源试验的重要性，并在试验成熟时继续监测高度响应，因为针叶树高度的遗传效应通常随树龄增长而增强[11, 12]。研究还揭示了关键土壤特性的显著变异，特别是磷有效性、全氮（TN）和土壤质地，这些特性与所有三个性状的立地层面差异密切相关。Thuchira和Zomba立地极低的有效磷，以及Thuchira的沙质质地，可能是导致这些立地观察到的低存活率和生长率的因素。这些发现强调了在未来的W. whytei造林中，有必要整合土壤诊断——特别是pH、磷状况和质地——到立地选择和准备决策中。在磷缺乏立地进行针对性的土壤改良，如磷肥施用，可能会显著提高建立效果，并应在后续的生产试验中进行评估。总之，W. whytei的早期表现受遗传起源和土壤立地条件的共同调控。Zomba种源被确定为近期恢复最合适的遗传资源，土壤磷、pH和质地应作为立地选择和准备的核心标准。强烈建议继续监测该试验，以确定随着树木成熟种源对高度的影响是否显现，并为完善这种极度濒危针叶树的保护提供制定种源部署指南所需的长期数据。
