不同尿素施肥量對(duì)薄殼山核桃嫁接苗光合作用日變化的影響

杜洋文，鄧先珍，程軍勇

（1.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430075；2.黃岡師范學(xué)院 a.經(jīng)濟(jì)林木種質(zhì)改良與資源綜合利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.大別山特色資源開(kāi)發(fā)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 黃岡 438000；3.湖北省木本糧油林工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430075）

薄殼山核桃Caryaillinoensis為胡桃科山核桃屬，又名美國(guó)山核桃、長(zhǎng)山核桃，是世界著名的干果油料樹(shù)種之一。目前我國(guó)引種栽培地主要集中在江蘇、浙江、云南、陜西、安徽、江西、河南和湖南等省[1]，種仁含油率達(dá)70%以上，是集社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益于一體的優(yōu)良經(jīng)濟(jì)樹(shù)種，具有廣闊的國(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)云南、浙江、安徽、江蘇等地對(duì)薄殼山核桃干果的需求不斷增加，但在實(shí)際生產(chǎn)中薄殼山核桃種植并未得到大力推廣和實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，究其原因主要是育種進(jìn)程緩慢、良種苗木缺乏和配套栽培技術(shù)不完善，極大限制了產(chǎn)業(yè)發(fā)展[2-3]。光合作用是植物生長(zhǎng)和果實(shí)發(fā)育的重要生理基礎(chǔ)和生理評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)解釋植物響應(yīng)環(huán)境的生理生態(tài)學(xué)特性具有重要意義[4]。光合作用日變化能夠反映一天中植物進(jìn)行物質(zhì)積累與生理代謝的持續(xù)能力，同時(shí)也是分析環(huán)境因素影響植物生長(zhǎng)和代謝的重要指標(biāo)，有助于對(duì)植物不同品種的光能利用情況和抗逆性進(jìn)行了解，從而更好地對(duì)其進(jìn)行栽培應(yīng)用。光合作用受植物內(nèi)部葉齡、氣孔、部位、生育期等生理因子及外部光照、CO2濃度、溫度、濕度等環(huán)境因素的共同影響，但由于內(nèi)部生理因子在較短的時(shí)間里相對(duì)穩(wěn)定，外部環(huán)境因子就成為影響光合作用的主要因素[5]。凈光合速率是植物光合作用能力最直接的體現(xiàn)，其大小直接決定著植物光合能力的強(qiáng)弱[6-7]。目前關(guān)于薄殼山核桃光合作用的研究主要有韓杰等[8]、楊標(biāo)等[9]、姜宗慶等[10]、李曉銳等[11]關(guān)于修剪措施、干旱脅迫、磷元素以及光合模型模擬等方面對(duì)光合特性的影響，湯文華等[12]對(duì)不同品種薄殼山核桃的光合特性進(jìn)行了比較分析，呂芳德等[13]分析了不同樹(shù)齡薄殼山核桃的光合作用，杜洋文等[14]對(duì)薄殼山核桃育苗配方養(yǎng)分需求也做了初步研究。關(guān)于尿素不同施肥量對(duì)薄殼山核桃嫁接苗苗期光合作用日變化及生理生態(tài)因子綜合評(píng)價(jià)方面的研究鮮有報(bào)道，本研究主要研究尿素不同施肥量對(duì)薄殼山核桃嫁接苗凈光合速率及生理生態(tài)因子日變化的影響，并運(yùn)用主成分分析、相關(guān)分析、偏相關(guān)分析、通徑分析、決策分析和聚類分析進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為薄殼山核桃良種壯苗繁育提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于武漢九峰試驗(yàn)林場(chǎng)，東經(jīng)114°29′，北緯31°22′，海拔51～202 m，該區(qū)屬亞熱帶大陸季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年日照時(shí)數(shù)2 058.4 h，年平均氣溫16.7℃，極端最高氣溫41℃，極端最低氣溫-17.6℃，年平均降水量1 200～1 400 mm，無(wú)霜期239 d。土壤以紅黃壤為主，土層厚度80 cm以上，土壤pH 值5.3～6.5。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

光合日變化測(cè)定的對(duì)象是薄殼山核桃‘波尼’品種2年生嫁接容器苗，2020年5月開(kāi)始每隔15～20 d 分別澆施0.5%（JJM2）、0.7%（JJM4）、0.9%（JJM6） 和1.1%（JJM8） 的尿素溶液500 mL，以澆施等量清水為對(duì)照（JJMCK），共計(jì)澆施6 次。每處理10 株，3 次重復(fù)。

2.2 測(cè)定方法

于2020年9月11日晴朗天氣，采用美國(guó)LICOR 公司的第三代氣體交換測(cè)量系統(tǒng)Li-6400XT光合儀，分別測(cè)定各施肥處理的凈光合速率和生理生態(tài)因子的日變化，從7:00—17:00 每隔2 h 測(cè)定1 次，每處理選擇生長(zhǎng)勢(shì)的植株3 株，均選擇植株中部健康完好的當(dāng)年生葉片進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果取其均值。主要測(cè)定指標(biāo)有：葉片凈光合速率(Pn，μmol·m-2s-1)、氣孔導(dǎo)度(Gs，mmol·m-2s-1)、蒸騰速率(Tr，mmol·m-2s-1)、胞間CO2濃度(Ci，μmol·mol-1)、光合有效輻射(PAR，μmol·m-2s-1)、大氣CO2濃度(Ca，μmol·mol-1)、大氣溫度(Ta，℃)、葉片溫度(Tl，℃)、空氣相對(duì)濕度(RH，%)、葉面飽和蒸氣壓虧缺（Vpdl，MPa）等；利用光合和環(huán)境參數(shù)計(jì)算氣孔限制值(Ls=1-Ci/Ca)和水分利用率（WUE=Pn/Tr），計(jì)算方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

2.3 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 16.0 軟件對(duì)生理和生態(tài)因子進(jìn)行主成分分析，再對(duì)各生理生態(tài)因子及Pn進(jìn)行相關(guān)分析及偏相關(guān)分析，進(jìn)一步進(jìn)行通徑分析和決策分析，最后進(jìn)行聚類分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同施肥量對(duì)薄殼山核桃嫁接苗凈光合速率日變化的影響

由圖1可知，4 個(gè)不同施肥濃度和對(duì)照處理的Pn日變化曲線基本相似，曲線呈不規(guī)則拋物線。其中JJM2、JJM4、JJM6 和JJMCK 處理日變化呈升高—降低的單峰曲線，無(wú)“午休”現(xiàn)象；JJM8日變化呈升高—降低—升高—降低的雙峰曲線，在13:00 出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，二者第1 個(gè)峰值均在11:00 出現(xiàn)，JJM8 第2 個(gè)峰值在15:00 出現(xiàn)。5 個(gè)處理的Pn日變化總體表現(xiàn)為JJM4＞JJM8＞JJM6＞JJM2＞JJMCK，但Pn最高峰值表現(xiàn)為JJM8（12.215 μmol?m-2s-1）＞JJM4（11.783 μmol?m-2s-1）＞JJM6（9.821 μmol?m-2s-1）＞JJM2（9.244 μmol?m-2s-1）＞JJMCK（7.518 μmol?m-2s-1）。其中JJM4 的Pn在日變化中基本都高于其他處理，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的光合能力；JJM8 的Pn日變化曲線表現(xiàn)為快升—快降，在“午休”后，表現(xiàn)為慢升—慢降；JJMCK的Pn在日變化過(guò)程中都處于較低水平，對(duì)照的光合能力明顯低于施肥處理。

圖1 不同施肥量對(duì)薄殼山核桃嫁接苗凈光合速率日變化的影響Fig.1 The diurnal changes of the net photosynthetic rate

3.2 不同施肥量對(duì)薄殼山核桃嫁接苗生理生態(tài)因子日變化的影響

由圖2可知，氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度與凈光合速率曲線呈相反的變化趨勢(shì)，曲線呈“U”形。氣孔導(dǎo)度日變化曲線總體呈降低—升高—緩慢降低的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為7:00—9:00 下降，9:00—11:00 上升，11:00—17:00 緩慢下降，各處理間表現(xiàn) 為JJM2＞JJM6＞JJM8＞JJMCK＞JJM4；胞間CO2濃度日變化曲線總體呈降低—平緩—升高的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為降低（7:00—9:00）—平緩（9:00—15:00）—升高（15:00—17:00），各處理間表現(xiàn)為JJMCK＞JJM8＞JJM4＞JJM2＞JJM6。蒸騰速率、水分利用率、氣孔限制值與凈光合速率日變化曲線基本相似，呈不規(guī)則拋物線，但這3 個(gè)生理因子日變化曲線間存在一定差異，其中蒸騰速率日變化曲線表現(xiàn)為升高—降低，JJM4和JJMCK 在7:00—13:00 升高，13:00—15:00 緩慢降低，15:00—17:00 急劇降低，JJM8、JJM2 和JJM6 在7:00—15:00 升高，15:00—17:00 急 劇 降低，各處理間表現(xiàn)為JJM4＞JJMCK＞JJM8＞JJM2＞JJM6；水分利用率日變化曲線表現(xiàn)為升高（7:00—9:00）—降低（9:00—13:00）—平緩（13:00—15:00）—升高（15:00—17:00），各處理的日變化曲線基本一致，相對(duì)大小為JJM6＞JJM8＞JJM2＞JJM4＞JJMCK；氣孔限制值日變化曲線表現(xiàn)為升高（7:00—9:00）—平緩波動(dòng)（9:00—15:00）—下降（15:00—17:00），各處理的日變化曲線趨勢(shì)基本一致，相對(duì)大小為JJM6＞JJM2＞JJM8＞JJM4＞JJMCK，其中JJM6 和JJM2 的曲線變化更為相似，JJM8 和JJMCK 的曲線變化更為相似，JJM4 則介于二者之間。

圖2 不同生理生態(tài)因子的日變化曲線Fig.2 The diurnal changes of various physiological and ecological factors

薄殼山核桃嫁接苗的葉面飽和蒸汽壓虧缺和葉片溫度及空氣溫度日變化曲線呈倒“V”形，表現(xiàn)為逐步升高（7:00—15:00）—急劇降低（15:00—17:00），峰值出現(xiàn)在15:00，與凈光合速率日變化曲線形狀基本一致，但曲線峰值出現(xiàn)時(shí)間存在較大差異；空氣CO2濃度日變化曲線為降低（7:00—13:00）—升高（13:00—15:00）—降低（15:00—17:00）；大氣相對(duì)濕度日變化曲線呈“V”形，峰谷出現(xiàn)在15:00，與葉面飽和蒸汽壓虧缺、葉片溫度及空氣溫度峰值出現(xiàn)時(shí)間相同，與凈光合速率日變化曲線相反，這也說(shuō)明了兩者之間存在一定的相關(guān)關(guān)系。

3.3 影響薄殼山核桃嫁接苗凈光合速率日變化的生理生態(tài)因子分析

3.3.1 生理生態(tài)因子的主成分分析

將對(duì)薄殼山核桃嫁接苗凈光合速率Pn日變化產(chǎn)生影響的因子分為生態(tài)因子PAR、Ta、Ca、RH、Vpdl、Tl和生理因子Gs、Ci、Tr、WUE、Ls，并分別對(duì)生態(tài)因子和生理因子進(jìn)行主成分分析（表1）。對(duì)生態(tài)因子分析可知，僅只有1 個(gè)主成分特征值大于1，累計(jì)貢獻(xiàn)率為83.343%，該主成分的特征向量以Ta和Tl最大，其次為Vpdl和RH，表明這4 個(gè)因子為主導(dǎo)因子，其中RH 為限制性因子，稱第1 主成分為溫度、氣壓和濕度因子，它們?cè)谟绊懕ど胶颂壹藿用绻夂献饔萌兆兓纳鷳B(tài)因子中處于主導(dǎo)地位；PAR 和Ca主要為光照和CO2因子，在生態(tài)因子中處于次要地位。對(duì)生理因子分析可知，特征值大于1 的主成分主要有兩個(gè)，分別為第1 主成分和第2 主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率為84.909%，第1 主成分的特征向量以Ls最大，其為限制性因子，其次為Ci和Gs，稱第1 主成分為氣孔和胞間CO2濃度因子，它們?cè)谟绊懕ど胶颂壹藿用绻夂献饔萌兆兓纳硪蜃又刑幱谥鲗?dǎo)地位；第2 主成分的特征向量以Tr最大，其為限制性因子，其次為WUE，綜合表明對(duì)凈光合速率日變化影響的生理因子以氣孔限制值、胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度為主導(dǎo)因子，蒸騰速率和水分利用率為次要因子。

表1 光合作用日變化的生理生態(tài)因子主成分分析Table 1 Principal component analysis of physiological and ecological factors in diurnal changes of photosynthesis

3.3.2 生理生態(tài)因子的相關(guān)分析

對(duì)生態(tài)因子PAR、Ta、Ca、RH、Vpdl、Tl和生理因子Gs、Ci、Tr、WUE、Ls及Pn進(jìn)行簡(jiǎn)單相關(guān)分析（表2）可知，薄殼山核桃嫁接苗Pn與Ci存在顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與Vpdl存在極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與Tr、WUE、RH、PAR 存在極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與Ls存在顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

表2 生理生態(tài)因子的相關(guān)分析?Table 2 Correlation analysis between net photosynthetic rate and physiological and ecological factors

偏相關(guān)分析是指當(dāng)2 個(gè)變量同時(shí)與第3 個(gè)變量相關(guān)時(shí)，將第3 個(gè)變量的影響剔除，只分析這2 個(gè)變量之間的相關(guān)程度。由于簡(jiǎn)單相關(guān)關(guān)系不能很好地反映多因子影響下的相關(guān)性，為進(jìn)一步確定生理生態(tài)因子對(duì)薄殼山核桃嫁接苗凈光合速率的影響程度，對(duì)生態(tài)因子PAR、Ta、Ca、RH、Vpdl、Tl和生理因子Gs、Ci、Tr、WUE、Ls與Pn分別進(jìn)行偏相關(guān)分析（表3）。結(jié)果表明，凈光合速率與Ci、WUE、Ls、Vpdl、Ca、RH、Tr呈顯著偏相關(guān)，Gs、Ta、Tl、PAR 對(duì)其影響不顯著，同時(shí)表明Ca、Ci和Ls對(duì)凈光合速率影響最大，WUE、Vpdl、RH 和Tr對(duì)其影響相對(duì)較小。Ca、Ci和Ls偏相關(guān)系數(shù)明顯大于簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)，表明在其他因子變化的情況下，掩蓋了Ca、Ci、Ls對(duì)Pn的真實(shí)影響效果。

表3 凈光合速率與生理生態(tài)因子的偏相關(guān)分析Table 3 Partial correlation analysis between Pn and eco-physiological factors

3.3.3 生理生態(tài)因子的通徑分析

通過(guò)對(duì)影響凈光合速率的生理生態(tài)因子PAR、Ta、Ca、RH、Vpdl、Tl、Gs、Ci、Tr、WUE、Ls進(jìn)行多元線性回歸分析，得到回歸方程Pn=52.750-0.587WUE+0.359Vpdl+0.581RH+3.652Ca-12.496Ci-9.753Ls（R2=0.982，P＜0.01），表明WUE、Vpdl、RH、Ca、Ci和Ls是影響Pn的主要因子。進(jìn)一步對(duì)這些因子與Pn的作用進(jìn)行通徑分析，可知直接作用絕對(duì)值大小排序?yàn)镃i＞Ls＞Ca＞W(wǎng)UE＞RH＞Ta＞Vpdl（表4），Ci對(duì)Pn的直接作用最大，且為負(fù)作用，與二者的相關(guān)性一致，說(shuō)明Pn的降低可能是由非氣孔因素導(dǎo)致的。間接通徑系數(shù)表明，Ci是通過(guò)Ls（9.402）和Ca（2.377）作用于Pn，Ls是通過(guò)Ci（12.046）和Ca（-1.611）作用于Pn，Ca是通過(guò)Ci（-8.135）和Ls（4.301）作用于Pn，三者相互作用的間接通徑系數(shù)最大，表明Ci、Ls、Ca和Pn間具有密切關(guān)系，是影響Pn的主要因子。WUE、Vpdl、RH 和Ta雖然具有相對(duì)較大的相關(guān)系數(shù)，但其直接通徑系數(shù)的絕對(duì)值均小于通過(guò)Ca、Ci、Ls對(duì)Pn的間接通徑系數(shù)的絕對(duì)值，表明它們對(duì)Pn的直接作用小于通過(guò)Ca、Ci、Ls的間接作用。

表4 光合生理生態(tài)因子的通徑分析Table 4 Path analysis of Pn and eco-physiological factors

決策系數(shù)(R2)是通徑分析中的決策指標(biāo)，用它可以把各自變量對(duì)因變量的綜合作用進(jìn)行排序，排序最大的變量為主要決策變量，但未必它的直接決定作用大；排序最小的變量，若其決策系數(shù)為負(fù)，則為主要限制性變量，但未必它的直接決定作用小[16]。分析表明，各因子的決策系數(shù)R2大小順序?yàn)镽H＞Ta＞Vpdl＞W(wǎng)UE＞Ca＞Ls＞Ci，可知，RH 決策系數(shù)最大，為主要決策變量（直接決定作用較?。?，其原因是它通過(guò)Ca、Ls和Ta的間接作用分別為2.567、3.423 和0.453，協(xié)助RH 起增進(jìn)作用，WUE（-0.371）、Vpdl（-0.352）和Ci（-5.923）對(duì)它起較大的限制作用。其余變量決策系數(shù)均為負(fù)值，以Ci和Ls最小，為主要限制性變量（直接作用最大），原因是它通過(guò)其他變量的間接作用為較大正值；Ca次之，也為限制性變量。因此，要保持較高的凈光合速率，必須增加空氣相對(duì)濕度，限制胞間CO2濃度、氣孔限制值和大氣CO2濃度，其他變量基本保持不變。

3.3.4 不同施肥量對(duì)薄殼山核桃嫁接苗光合系統(tǒng)的聚類分析

以Pn和Gs、Ci、Tr、WUE、Ls、Vpdl、Ti、Tl、Ca、RH、PAR 等11 個(gè)生理生態(tài)因子為指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理，采用離差平方和進(jìn)行聚類分析（圖3）。從圖3中可知，可將5 種不同施肥量的薄殼山核桃嫁接苗的光合作用分為三類：第一類是0.5%、0.7%和0.9%施肥量，第二類是1.1%施肥量，第三類是不施肥。

圖3 不同施肥量的薄殼山核桃光合系統(tǒng)聚類分析Fig.3 Clustering analysis of Carya illinoensis photosynthesis under different treatments

4 討 論

一般條件下植物的光合作用日變化呈“雙峰型”或“單峰型”的變化趨勢(shì)[17-19]，薄殼山核桃凈光合速率日變化曲線總體表現(xiàn)為升高—降低的單峰曲線，無(wú)“午休”現(xiàn)象，這與湯文華等[12]的研究結(jié)果一致。凈光合速率變化是受氣孔或非氣孔因素調(diào)節(jié)的[20]，JJM8 處理呈雙峰曲線，隨著凈光合速率的降低，氣孔導(dǎo)度下降，胞間CO2濃度增高，說(shuō)明凈光合速率受非氣孔因素限制[21]，這也與許大全[22]的胞間CO2濃度升高是判斷非氣孔限制的可靠依據(jù)的結(jié)果一致，這可能是高溫和相對(duì)濕度的下降對(duì)葉片的光合系統(tǒng)造成損傷，使Rubisco 等關(guān)鍵酶活性和葉肉細(xì)胞光合活性降低，造成凈光合呼吸速率降低[23-24]。蒸騰速率、水分利用率、氣孔限制值、凈光合速率和葉面飽和蒸氣壓虧缺、葉片溫度和空氣溫度日變化呈不規(guī)則拋物線，與凈光合速率日變化曲線基本一致，表明薄殼山核桃苗木對(duì)環(huán)境條件的變化有較好的適應(yīng)能力[25-26]。

主成分分析、偏相關(guān)分析、回歸分析等統(tǒng)計(jì)分析表明，影響薄殼山核桃凈光合速率的主導(dǎo)生態(tài)因子為Ta、Tl、Vpdl和RH，主導(dǎo)生理因子為L(zhǎng)s、Ci和Gs，其中RH 和Ls為限制性因子；凈光合速率與Ca、Ci和Ls有較大的偏相關(guān)系數(shù)；WUE、Vpdl、RH、Ca、Ci和Ls是影響凈光合速率的主要因子。進(jìn)一步進(jìn)行通徑分析和決策系數(shù)表明，Ci、Ls和Ca在凈光合速率日變化中起主要作用，RH、Vpdl和Ca的直接通徑系數(shù)遠(yuǎn)大于間接通徑系數(shù)，表明RH、Vpdl和Ca通過(guò)自身的直接作用對(duì)凈光合速率產(chǎn)生影響，WUE、Ci、Ls和Ta直接通徑系數(shù)小于間接通徑系數(shù)，表明其通過(guò)其他生理生態(tài)因子的間接作用對(duì)凈光合速率產(chǎn)生影響。決策系數(shù)為通徑系數(shù)的決策指標(biāo)，決策系數(shù)可以確定主要決策變量和限制變量[27-29]。本試驗(yàn)表明RH 為主要決策變量，WUE、Vpdl、Ca、Ls和Ta為輔助限制性變量，Ci為主要限制性變量。因此，通過(guò)提高RH，可以使薄殼山核桃保持較高的凈光合速率，另外，由于胞間CO2濃度大小取決于空氣CO2濃度大小，通過(guò)限制空氣CO2濃度，也能提高薄殼山核桃凈光合速率。聚類分析將不同施肥濃度分為三類：第一類是0.5%、0.7%和0.9%施肥量，稱為低施肥水平；第二類是1.1%施肥量，稱為高施肥水平；第三類是不施肥。由于本研究?jī)H限于薄殼山核桃嫁接苗在生長(zhǎng)期對(duì)不同尿素施肥量的光合響應(yīng)，下一步將繼續(xù)開(kāi)展N、P、K 等多元素形成的養(yǎng)分配方對(duì)苗木生長(zhǎng)和光合生理等方面的影響的研究。

5 結(jié) 論

不同施肥量下薄殼山核桃嫁接苗凈光合速率的日變化曲線總體呈不規(guī)則拋物線，各處理間凈光合速率也存在一定差異。澆施氮肥能顯著提高葉片的凈光合速率和增強(qiáng)光合作用，相同施肥量對(duì)不同生理生態(tài)因子的日變化值的影響程度及大小存在差異，不同施肥量對(duì)同一生理生態(tài)因子相同時(shí)刻的影響也存在差異。經(jīng)主成分分析、相關(guān)分析、通徑分析和聚類分析可知，空氣相對(duì)濕度為影響薄殼山核桃凈光合速率的主要決策因子，胞間CO2濃度為主要限制性因子，以0.9%和1.1%較高施肥水平有利于薄殼山核桃嫁接苗提高光合效率和增強(qiáng)光合效能。