環(huán)境因子耦合對溫室番茄生長及光合作用的調(diào)控效應(yīng)

蘇春杰，蔣靜靜，張大龍，張 智，胡曉輝

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點實驗室，陜西 楊凌 712100）

番茄是溫室主栽園藝作物之一，栽培面積和市場銷量均居世界蔬菜之首[1]。溫室內(nèi)環(huán)境因子是影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)至關(guān)重要的因素，優(yōu)質(zhì)高效的溫室生產(chǎn)依賴于科學(xué)合理的環(huán)境調(diào)控技術(shù)[2-3]。溫室作物和環(huán)境之間是一個交互耦合的過程[4]，解析必需環(huán)境因子對作物生長狀態(tài)的調(diào)控是實現(xiàn)溫室環(huán)境精準、高效控制的基礎(chǔ)[5]。已有基于溫度、濕度、光照對溫室番茄生長發(fā)育的影響進行了大量研究[6-12]，為溫室環(huán)境調(diào)控提供了重要的理論依據(jù)。然而溫室環(huán)境是多變量，高耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，環(huán)境多因子的調(diào)節(jié)不同于單一目標因子的疊加。各環(huán)境因子的耦合效應(yīng)會影響某一因子的效應(yīng)區(qū)間，導(dǎo)致按各單一因子最優(yōu)值的精確控制收效并不顯著。同時前人在建立番茄生長模型時，多以產(chǎn)量[13-14]、干物質(zhì)積累[15]、光合速率[16-18]等單一因素為目標值，而實際上這些指標的最適環(huán)境條件并不相同。需要在各生長指標模型之間合理協(xié)調(diào)，充分考慮各生長指標的主次，才能取得整體的環(huán)境參數(shù)優(yōu)化方案。因此，探究溫室環(huán)境多因子對番茄生長和光合作用的綜合調(diào)控，對實現(xiàn)溫室精準調(diào)控、降低生產(chǎn)成本、發(fā)揮番茄生產(chǎn)的最大潛力有重要意義。

二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計同時具有正交性和旋轉(zhuǎn)性，并且取點分散均勻、試驗次數(shù)簡便，是研究多因子交互作用的有效方法。因此，本研究采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗處理，利用人工氣候室模擬秋冬及早春季節(jié)溫室實際環(huán)境，觀測分析番茄生長生理過程，解析環(huán)境多因子耦合與番茄生長、光合的互作效應(yīng)，構(gòu)建番茄生長光合復(fù)合指標評價決策模型。從而探討環(huán)境多因子對作物生長的驅(qū)動和調(diào)控機制，以期為溫室生產(chǎn)環(huán)境決策提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試番茄（Solanum lycopersicum）品種為粉提1號，該品種是西安番茄研究所選育的無限生長型櫻桃番茄，綜合抗性好，商品價值高，適于越冬及早春茬栽培。采用72孔穴盤育苗，待番茄幼苗長至4葉1心時定植于直徑18cm、高12cm的塑料花盆中培養(yǎng)，長季節(jié)栽培常規(guī)管理。

1.2 方法

試驗?zāi)M秋冬及早春季溫室生產(chǎn)環(huán)境條件[19]。以空氣溫度（T）、相對濕度(RH)、光合有效輻射量（PAR）為試驗因素，采用三因子五水平正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計形成23個組合處理。各因素水平設(shè)計及編碼見表1。用RDN-1000D-4型人工氣候箱（寧波東南儀器有限公司生產(chǎn)）進行環(huán)境控制，待番茄第1穗花坐果后（苗齡65d），即番茄處于結(jié)果期時，選長勢一致的10株番茄移入人工氣箱內(nèi)進行處理。氣候箱內(nèi)溫度、濕度、光合有效輻射設(shè)置如表2所示。每日7:00開始照光，光周期12h/12h。晝夜溫差10℃[20]。于處理第9天9:00測定番茄光合、生長相關(guān)指標，每組處理5次重復(fù)。

表1 試驗因素水平及編碼Table 1 Designed levels and codes of experimental factors

1.2.1 光合作用指標測定 采用Li-6400XT型光合儀（美國Li-Cor公司）按不同處理的因素水平設(shè)置葉室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，測定番茄植株生長點下第3片完全展開功能葉片的光合參數(shù)，包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)。采用分光光度計法測定葉綠素含量[21]。

1.2.2 生長狀況及形態(tài)指標 測定于處理0d和9d，測定番茄植株的地上部、地下部鮮重。然后將其105℃殺青15min，75℃烘干至恒質(zhì)量，測定地上部、地下部干重。計算第0天和第9天番茄的地上部干重、地下部干重、植株總鮮重（mf）、植株總干重（md）。按如下公式計算根冠比、植株含水量、相對生長速率。

式中：t1、t2分別兩次干重測定的時間；W1、W2分別為t1和t2時的干重；ln為自然對數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 數(shù)據(jù)的無量綱化處理 采用極值標準化法對番茄RGR、Pn的指標值進行無量綱轉(zhuǎn)化，設(shè)指標集Xj={Xij}。因其轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)均為正指標。其轉(zhuǎn)換公式為：

表2 環(huán)境因子組合試驗方案Table 2 Environmental factor combination test plan

式中：max(Xj)為指標集每個指標列中的最大值；min(Xj)為指標集每一指標列中的最小值；Xij無量綱化處理前指標列中的指標值；Zij為無量綱化處理后指標列中的指標值。

1.3.2 數(shù)據(jù)的分析 根據(jù)三元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計原理，采用DPS 7.05對數(shù)據(jù)進行回歸及通徑分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境多因子對番茄RGR、Pn調(diào)控效應(yīng)

2.1.1 RGR、Pn對環(huán)境多因子響應(yīng)模型建立 以空氣溫度(x1)、相對濕度(x2)和光合有效輻射(x3)編碼值為自變量，將不同試驗處理下番茄的相對生長速率Y(RGR)、凈光合速率Y(Pn)數(shù)據(jù)標準化后，按三因子五水平正交試驗處理方法進行回歸分析，建立番茄Pn、RGR回歸方程為：

對所得回歸方程進行顯著性檢驗與方差分析（表3）。從表3中可以看出RGR、Pn回歸方程的檢驗結(jié)果均為極顯著，可用于分析環(huán)境因子對番茄RGR、Pn的調(diào)控作用。從表3還可以看出一次項系數(shù)除濕度對Pn影響不顯著外，其他都達到極顯著水平，二次項系數(shù)中空氣溫度、相對濕度對番茄RGR為正效應(yīng)，對Pn為負效應(yīng)，光合有效輻射對RGR、Pn均為正效應(yīng)。說明溫室環(huán)境因子對RGR、Pn都有調(diào)控作用，但作用大小和方向不同。對模型最優(yōu)值進行求解，得到相對生長速率最優(yōu)環(huán)境因子組合編碼為 1.682（T）、-1.682（RH）、1.682（PAR），凈光合速率的最優(yōu)環(huán)境因子組合編碼為0（T）、0（RH）、1.682（PAR）。說明番茄RGR、Pn的最適環(huán)境組合存在差異。

表3 相對生長速率、凈光合速率回歸方程的方差分析Table 3 Variance Analysis of regression equation of relative growth rate and net photosynthetic rate

2.1.2 單因素效應(yīng)分析 由于試驗設(shè)計滿足正交性，模型中各項偏回歸系數(shù)彼此獨立。僅考慮單一因素對因變量的影響，可將分析因素以外的其他因素固定為零水平對回歸模型進行降維，得到各環(huán)境因子對番茄Pn、RGR影響的一元二次偏回歸方程。

對式(5)、(6)進行降維，得到各單一因素對番茄RGR、Pn的一元二次偏回歸方程式(7)、(8)。利用所得的單因素效應(yīng)模型做圖，得到在試驗水平（編碼值）范圍內(nèi)各環(huán)境因子與RGR、Pn關(guān)系曲線圖（圖1）。由圖1可知，在試驗水平范圍內(nèi)，RGR、Pn隨光合有效輻射量水平值增大而增大，呈單調(diào)遞增的線性關(guān)系。而空氣溫度、相對濕度對RGR、Pn的單因素效應(yīng)曲線因二次項系數(shù)均達到顯著水平皆為拋物線形式?？諝鉁囟取⑾鄬穸扰cRGR關(guān)系曲線先緩慢下降后迅速上升，在空氣溫度21．0℃、相對濕度69．1%時出現(xiàn)最小值?？諝鉁囟取⑾鄬穸扰cPn關(guān)系曲線呈先迅速上升后緩慢下降，最大值分別在空氣溫度26．8℃、相對濕度75．0%時。表明在其他環(huán)境因子設(shè)定為零水平時，溫室內(nèi)增強光合有效輻射可促進番茄的RGR和Pn提高，單獨增加空氣溫度或相對濕度可提高番茄的RGR，但Pn在溫度26．8℃和濕度75．0%環(huán)境條件下存在閾值，超過該閾值后增加空氣溫度、相對濕度對番茄凈光合速率為抑制作用。

圖1 環(huán)境因子對番茄相對生長速率（a）和凈光合速率（b）的單因素效應(yīng)Figure 1 Single element effects of environmental factors on relative growth rate（a）and net photosynthetic rate（b）of tomato

2.1.3 單因素邊際效應(yīng) 對單因素效應(yīng)回歸方程(7)和(8)求一階偏導(dǎo)得出各試驗因素的邊際效應(yīng)回歸方程(9)和(10)。其可反映單一因素單位水平投入量變化對RGR、Pn增減速率的影響，同時可表明環(huán)境因子作用的正負效應(yīng)。將邊際效應(yīng)回歸方程(7)和（8）在試驗編碼水平范圍做圖（圖2）。由圖2可知，RGR的變化率隨著環(huán)境因子水平編碼值增大而增大。Pn的變化率隨著空氣溫度、相對濕度的水平編碼值增加大幅減小，隨光合有效輻射的升高緩慢增加。表明環(huán)境因子對RGR邊際效應(yīng)影響為正效應(yīng)，空氣溫度、相對濕度對Pn的影響為負效應(yīng)，光合有效輻射對Pn的影響為正效應(yīng)。從斜率的絕對值可看出環(huán)境因子對Pn、RGR的變化影響大小均為：空氣溫度＞相對濕度＞光合有效輻射。

2.2 環(huán)境多因子對番茄RGR、Pn主控因子及調(diào)控路徑分析

2.2.1 番茄RGR通徑分析 由表4可知，對番茄RGR直接影響較大的變量為葉綠素含量（0．462）、光合有效輻射（0．303）。 對番茄 RGR 間接影響較大的變量為溫度（0．720）、氣孔導(dǎo)度（0．659）。其中溫度通過葉綠素含量對RGR影響最大。各變量對RGR決策系數(shù)絕對值大小排序前四位為：葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度、根冠比、蒸騰速率。決策系數(shù)負值中絕對值最大的凈光合速率為主要限制變量，最大的正值葉綠素含量為主要決策變量。

圖2 環(huán)境因子對番茄相對生長速率（a）和凈光合速率（b）的單因素邊際效應(yīng)Figure 2 Single factor marginal effects of environmental factors on relative growth rate（a） and net photosynthetic rate（b） of tomato

2.2.2 番茄Pn通徑分析 由表5可知，對番茄Pn直接影響較大的變量為植株含水量（0.975）、葉綠素含量（-0.706）。對番茄Pn間接影響較大的變量為葉綠素含量（1.217）、蒸騰速率（0.705），其中葉綠素含量通過通過植株含水量、蒸騰速率通過空氣溫度對Pn影響最大。各變量對Pn決策系數(shù)絕對值大小排序前四位為葉綠素含量、植株含水量、空氣溫度、溫度、光合有效輻射。負值中絕對值最大的葉綠素含量為主要的限制變量，最大的正值植株含水量為主要的決策變量。

表4 番茄相對生長速率通徑分析Table 4 Path analysis of relative growth rate of tomato

2.2.3 環(huán)境因子對番茄相對生長速率、光合速率的主要調(diào)控路徑分析 由表4和表5可知，RGR的決策因子為Chl，限制因子為Pn。Pn的決策因子為PWC，限制因子為Chl。各環(huán)境因子對RGR、Pn的直接調(diào)控和主要間接調(diào)控路徑如圖3。由環(huán)境因子對RGR、Pn的直接、間接調(diào)控作用大小分析可知，RGR主要受環(huán)境的間接調(diào)控，Pn主要受環(huán)境直接調(diào)控。光合有效輻射對RGR的直接作用最大，并且對RGR和Pn均為促進作用。溫度對Pn的直接作用最大且為促進作用，但對RGR為抑制作用。濕度對RGR為促進作用，對Pn為抑制作用。由環(huán)境因子對RGR、Pn的主要間接調(diào)控路徑分析可知，各環(huán)境因子通過決策因子調(diào)控RGR、Pn皆為正效應(yīng)，通過限制因子調(diào)控RGR、Pn皆為負效應(yīng)，因此環(huán)境因子通過調(diào)控路徑中的主控因子對RGR、Pn間接調(diào)控表現(xiàn)為協(xié)同驅(qū)動作用。由環(huán)境因子通過主控因子對RGR、Pn的調(diào)控作用大小分析可知，其中溫度、光合有效輻射對RGR間接影響較大，而濕度、溫度對Pn的間接影響較大。因此在RGR、Pn的主要調(diào)控路徑中各環(huán)境因子對其調(diào)控的大小和方向存在差異。

表5 番茄凈光合速率通徑分析Table 5 Path analysis of net photosynthetic rate of tomato

圖3 環(huán)境因子對番茄相對生長速率(a)和凈光合速率(b)的主要調(diào)控路徑Figure 3 Environmental factors on tomato relative growth rate(a)and net photosynthetic rate(b)of the main regulatory path

2.3 番茄RGR、Pn復(fù)合指標構(gòu)建及其對環(huán)境多因子響應(yīng)模型建立

2.3.1 番茄RGR、Pn復(fù)合評價指標構(gòu)建 番茄的生長狀況與RGR、Pn都有著密不可分的關(guān)系，但分析表明番茄RGR、Pn最適環(huán)境不同，番茄RGR、Pn受環(huán)境因子調(diào)控的效應(yīng)和路徑也存在較大差異。因此僅考慮單一指標設(shè)定環(huán)境，只能使番茄生長或光合達到最好，而另一指標會受到抑制。若要番茄的生長和光合綜合達到較優(yōu)的水平，則需要構(gòu)建番茄生長光合的復(fù)合評價指標，探究環(huán)境因子耦合作用對番茄生長和光合的綜合調(diào)控效應(yīng)。本文采用客觀熵權(quán)法計算番茄RGR、Pn的權(quán)重。熵權(quán)法是根據(jù)指標變異性的大小來確定客觀權(quán)重。如果指標的信息熵越小，該指標提供的信息量越大，在綜合評價中所起作用理當越大，權(quán)重就應(yīng)該越高。

（1）計算各指標信息熵：

（2）確定各指標權(quán)重：

按式（12）計算各指標權(quán)重，凈光合速率的權(quán)重為0.567，相對生長速率的權(quán)重為0.433。

式中：Zi為無量綱化處理后的指標；Wi為指標權(quán)重。

2.3.2 番茄RGR、Pn復(fù)合評價指標對環(huán)境多因子響應(yīng)模型建立 對番茄復(fù)合生長指標按三因子五水平正交試驗處理方法進行回歸分析，得出環(huán)境因子與番茄生長光合復(fù)合指標I的響應(yīng)關(guān)系，以下是在a=0.10的顯著水平下，剔除不顯著項后得到回歸模型：

對所得的回歸模型進行顯著性檢驗與方差分析（表7）。從表7中可以看出該回歸模型的檢驗結(jié)果為極顯著，可用于分析環(huán)境因子對番茄生長光合復(fù)合指標的調(diào)控作用。一次項系數(shù)中各環(huán)境因子對番茄生長光合復(fù)合指標作用均達到極顯著水平，由偏相關(guān)系數(shù)可看出皆為正效應(yīng)；二次項系數(shù)中溫度、相對濕度對番茄生長光合復(fù)合指標的作用達到極顯著水平，且為負效應(yīng)；交互項中溫度與相對濕度、溫度與光合有效輻射對番茄生長光合復(fù)合指標的交互作用雖然未達到0.05的顯著水平，但其顯著性均小于0.1。也就是說交互作用對番茄生長復(fù)合指標也有較大的影響，且表現(xiàn)為負效應(yīng)。表明光照強或濕度大時提高空氣溫度會抑制番茄生長。

由番茄生長復(fù)合評價指標回歸模型的四維圖 （圖4），可直觀看出環(huán)境多因子對番茄生長光合的綜合調(diào)控效應(yīng)。從圖4中可看出低濕度下提高溫度可有效的促進番茄的生長。低溫度下提高濕度對番茄生長光合有一定的促進作用，但作用不明顯。三者耦合作用下番茄生長復(fù)合指標的極值點對應(yīng)溫度、濕度、光合有效輻射的編碼值為1，0，1.682。表明試驗水平范圍內(nèi)溫度29.2℃、濕度 75%、光和有效輻射 400μmol·m-2·s-1的溫室環(huán)境最適宜番茄的生長。

表7 番茄生長復(fù)合評價指標回歸模型的方差分析Table 7 Variance analysis of growth of tomato composite evaluation index regression model

圖4 環(huán)境多因子耦合對番茄生長和光合復(fù)合指標調(diào)控模型Figure 4 Multi factor coupling growth and photosynthetic composite index regulation model of tomato

3 討論與結(jié)論

溫室作為一個相對封閉的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，環(huán)境因子組合和變化與大田栽培存在較大差異[23]，不同尺度上作物生理功能和環(huán)境之間存在重要耦合作用，各個因子之間還存在著復(fù)雜的互相作用和反饋機制[24-25]。本研究選取凈光合速率和植物相對生長速率為環(huán)境調(diào)控的直接評價指標。選取蒸騰速率、根冠比、葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度、植株含水量等影響因子，分析環(huán)境因子對番茄RGR、Pn的調(diào)控路徑及主控因子。溫度通過影響酶活性調(diào)控番茄體內(nèi)代謝活動，影響作物的生長。光照是植物生命活動、有機物質(zhì)合成和產(chǎn)量形成的能量來源。相對濕度對植物體內(nèi)水分和光合作用有重要影響[26]。研究表明相對濕度與凈光合速率呈負相關(guān)[27]，但高濕可以提高番茄的蒸騰速率、增大氣孔導(dǎo)度[28-29]，提高番茄的相對生長速率[30]，本研究中濕度對Pn、RGR單因素效應(yīng)分析結(jié)果與其一致。前人研究表明低光強下Pn在溫度25～30℃存在閾值，超過閾值后Pn隨溫度的升高而下降[31-32]，干物質(zhì)積累的最適溫度在30℃以上[33]。張潔等研究表明25℃的凈光合速率高于30℃和35℃，但不同溫度處理25d后，30℃比25℃處理干物質(zhì)積累量高59．3%[34]。以上研究結(jié)果說明干物質(zhì)積累與凈光合速率的最適溫度不同。同種作物同一生長時期的干物質(zhì)積累與相對生長速率存在較強的相關(guān)性[25]，因此以上結(jié)果與本試驗中RGR和Pn最適溫度條件不同存在一致性。由邊際效應(yīng)分析可知，兩者變化不一致的直接原因是溫度、濕度對RGR、Pn邊際效應(yīng)作用方向相反。利用通徑分析深入探討RGR、Pn變化差異的原因可知，RGR主要影響因素為葉綠素含量、凈光合速率，主要受環(huán)境因子的間接調(diào)控。Pn主要影響因素為葉綠素含量、植株含水量，主要受環(huán)境因子的直接調(diào)控。環(huán)境多因子耦合對番茄RGR、Pn調(diào)控路徑不同，可能是環(huán)境因子對RGR、Pn調(diào)控作用不一致的根本原因。研究表明Pn降低的原因為葉肉細胞氣體擴散阻抗增加、CO2溶解度下降、Rubisco對CO2的親和力降低[35]，而高溫引起的Pn下降是非氣孔因素所致，亞高溫下番茄葉片Pn下降，但氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率在不同程度增加[33]。本研究也發(fā)現(xiàn)RGR、Pn受植物蒸騰作用大小和方向不同（表4和表5），這就使RGR、Pn隨環(huán)境變化不同。同時還有研究表明高溫可改變植物的源庫關(guān)系，增強"庫"的強度，促進番茄光合產(chǎn)物的快速運轉(zhuǎn)[36]。使光合同化產(chǎn)物更多的向地上部轉(zhuǎn)移，增加了植株的光合面積[25]。因此在番茄單葉凈光合速率降低的情況下，相對生長速率有可能升高，這取決于凈光合速率和光合面積的變化量。RGR、Pn最適環(huán)境條件不同還可能是因為環(huán)境調(diào)控的復(fù)雜性和本試驗設(shè)置的環(huán)境因子水平間距小，致使RGR、Pn的變化存在時效性。本研究結(jié)果表明RGR主要受環(huán)境的間接作用調(diào)控，Pn主要受環(huán)境的直接作用調(diào)控，而對植物生長的間接調(diào)控與直接調(diào)控之間必然存在一定的時效性，使環(huán)境因子對RGR、Pn的調(diào)控效應(yīng)不一致。

環(huán)境多因子對番茄相對生長速率和凈光合速率調(diào)控效應(yīng)不同。光合有效輻射與相對生長速率、凈光合速率單因素效應(yīng)為線性遞增，空氣溫度和相對濕度與相對生長速率、凈光合速率分別為開口向上和開口向下的拋物線；環(huán)境因子對相對生長速率邊際效應(yīng)為促進作用，空氣溫度、相對濕度對凈光合速率邊際效應(yīng)為抑制作用，光合有效輻射對凈光合速率為促進作用。環(huán)境多因子對番茄相對生長速率和凈光合速率調(diào)控路徑不同。相對生長速率的決策變量為葉綠素含量、限制變量為凈光合速率，主要受環(huán)境因子的間接調(diào)控。凈光合速率的決策變量為植株含水量、限制變量為葉綠素含量，主要受環(huán)境因子的直接調(diào)控作用。直接調(diào)控路徑中光合有效輻射對相對生長速率影響較大，溫度是凈光合速率主要影響因素。間接調(diào)控路徑中相對生長速率主要受溫度、光合有效輻射調(diào)控，而凈光合速率主要受溫度、濕度調(diào)控。以復(fù)合指標為環(huán)境調(diào)控依據(jù)，可使番茄生長和光合綜合最優(yōu)。環(huán)境多因子耦合對番茄復(fù)合生長指標的調(diào)控作用表現(xiàn)為溫度和光照、溫度和濕度均存在顯著負交互作用，光照弱時通過提高溫度能促進植物的的生長，但光照強時溫度過高會抑制番茄的生長。溫度或濕度低時可以通過提高另一環(huán)境因子水平來促進番茄的生長，但高濕、高溫不利于番茄的生長。秋冬及早春環(huán)境多因子耦合作用下溫度29．2℃、濕度75%、光照400μmol·m-2·s-1時，最適宜結(jié)果期番茄的生長。