蓄水坑灌下苹果光合速率对施氮量的响应及光合影响通径分析

程奇云，马娟娟，任 荣，郑利剑，郭向红，孙西欢

(1.太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024；2.晋中学院，山西 晋中 030619)

氮素是植物正常生长的必须元素之一，是植物核酸、叶绿素和蛋白质等结构的重要组成部分同时，氮素对植物的结构和生理有举足轻重的作用[1,2]。大量研究表明，施氮量是作物光合作用的重要影响因素，合理地氮肥施用量可以有效提高作物的光合速率[3-5]。而灌溉方式对作物的光合速率存在明显影响[6,7]。蓄水坑灌法作为一种新型的中深层立体灌溉方法，与传统地面灌溉相比，其水肥入渗的路径、土壤中水肥分布和再分布等存在明显差异[8,9]。高娟等[10]研究蓄水坑灌下施氮量对光合作用影响规律时发现，施肥后光合速率与气孔导度、全氮含量及叶绿素含量相关性较强。但是，在蓄水坑灌施氮条件下，苹果光合影响因素的仍不够全面。同时，苹果是我国重要的经济植物，探明光合作用的影响因素对提高光合能力、增加苹果产量和改善苹果品质有重要作用。

因此，本研究通过原位试验，研究了在蓄水坑灌条件下苹果光合速率及气孔导度对不同施肥量的响应，并进一步通过通径分析，对光合影响因素进行分析，探究以叶片光合速率为评判指标下蓄水坑灌苹果园的最适施肥量，同时为蓄水坑灌条件下苹果树光合模型的影响因子的选取提供依据，为蓄水坑灌下果园水肥高效管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概述

试验于2018年4-9月在山西省晋中市山西省农科院果树研究所试验园(东经112°29′、北纬37°23′)进行。该地区气候属典型暖温带大陆性半干旱气候，四季分明，年平均降雨量460 mm，年平均气温9.8 ℃，无霜期达175 d，试验期间降雨量及日均气温如图1所示。

图1 试验期降雨量及日均气温Fig.1 Precipitation and mean temperature during experiment

试验对象为6a生矮砧红富士苹果树，南北走向种植，株行距3 m×5 m。采用蓄水坑灌施法进行灌溉施肥，单株果树设置4个蓄水坑，坑深40 cm，坑口直径30 cm，坑口未覆盖，如图2所示。

图2 蓄水坑布置图(单位：cm)Fig. 2 Layout of storage pit

1.2 试验设计

试验以施氮量为变量，设置为4个水平，分别为0、150、300、600 kg/hm2，每个处理重复3次。施用氮肥为含氮量46%的尿素，于2018年5月24日一次性施入，磷钾肥的用量与当地果园惯用量一致，有效磷钾含量均为270 kg/ha。灌水上下限为90%和60%，灌溉量及灌溉时间根据实际田间含水量与灌水上下限进行计算确定，实际田间含水量采用TDR(TRIME-PICO 德国)进行测量。其他日常田间管理与当地果园情况一致。

1.3 测试指标及方法

在本研究中测试指标包括：光合速率、气孔导度、叶绿素a、叶绿素b、太阳辐射强度、大气温度及大气相对湿度。

苹果叶片光合速率与气孔导度于施肥后第5、10、15、30 d测定，采用Li6400便携式光合仪(LICOR 美国)于测定日9∶00至11∶00对果树中上部、长势一致的健康叶片进行测定，每个处理进行6至8次重复测定。

同时，对测定果树采集12片叶片(4个方向的上中下部各取一片)在室内进行叶片叶绿素含量的测定。叶绿素含量的测定参考Arnon[11]的方法，乙醇浸提后采用TU-1810DPC紫外分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司 中国)测定并计算叶绿素a、叶绿素b的含量。

太阳辐射强度、气温及相对湿度由田间小型气象站(ADCON 奥地利)自动记录。

1.4 数据分析

本研究通径分析是基于SPSS 23.0软件的描述性统计、相关性分析及回归分析结果，根据通径分析原理人工计算得出[12,13]。

直接通径系数(Piy)的计算：

(1)

间接通径系数(Pij)的计算：

Pij=rijPiy

(2)

(3)

剩余通径(Pεy)的计算：

(4)

式中：βi为i自变量的回归系数；δi为i自变量的标准差；δy为y因变量的标准差；rij为变量i与变量j的相关系数；riy为变量i与因变量y的相关系数。

2 结果与分析

2.1 施氮量对苹果叶片光合速率的影响

不同施氮量对苹果叶片光合速率和气孔导度有较大影响(见图3)，不施氮的处理叶片光合速率和气孔导度均较低，随着施氮量的增加，叶片光合速率和气孔导度均出现先升高后降低的趋势，且均于施氮300 kg/hm2时出现峰值。

从图3(a)可知，在0～150 kg/hm2的施肥区间下，光合速率随施肥量的增长而明显增加，施肥对叶片光合速率的影响效率较高；在150～300 kg/hm2的施肥区间，叶片光合速率的增量并不明显；而在300～600 kg/hm2的施肥区间，光合速率随施肥量的增加出现轻微下降，表明该区间施氮对叶片光合速率产生抑制作用。

从图3(b)可知，在0～150 kg/hm2的施肥区间下，气孔导度随施肥量的增加而明显增加；在150～300 kg/hm2的施肥量下，气孔导度仍然随施肥量的增加而增加，但增量明显减缓；在300～600 kg/hm2的施肥量下，叶片气孔导度随施肥量的增加出现下降，表明该区间施氮对气孔导度产生抑制作用。

2.2 叶片光合速率影响因素的相关性分析

苹果叶片光合速率与各影响因素间的相关系数如表1所示，结果表明叶片光合速率与各影响因素显著相关。

图3 施氮量对苹果叶片光合速率及气孔导度的影响Fig.3 Effects of nitrogen application on photosynthetic rate and stomatal conductivity of apple leaves

表1 苹果叶片光合速率与各影响因子间相关系数矩阵Tab.1 Correlation coefficient matrix between photosynthesis rate of apple leaves and various influencing factors

因素光合速率气孔导度叶绿素b叶绿素a施肥量太阳辐射强度相对湿度气温光合速率1.000 0.946∗∗0.500∗∗0.556∗∗0.713∗∗-0.737∗∗0.716∗∗0.286∗气孔导度0.946∗∗1.000 0.441∗∗0.441∗∗0.689∗∗-0.806∗∗0.812∗∗0.186 叶绿素b0.500∗∗0.441∗∗1.000 0.963∗∗0.609∗∗-0.539∗∗0.509∗∗-0.226 叶绿素a0.556∗∗0.441∗∗0.963∗∗1.000 0.623∗∗-0.458∗∗0.400∗∗-0.109 施肥量0.713∗∗0.689∗∗0.609∗∗0.623∗∗1.000 -0.2540.1730.067 太阳辐射强度-0.737∗∗-0.806∗∗-0.539∗∗-0.458∗∗-0.2541.000 -0.985∗∗-0.026 相对湿度0.716∗∗0.812∗∗0.509∗∗0.400∗∗0.173-0.985∗∗1.000 0.030 气温0.286∗0.186 -0.226 -0.109 0.067 -0.026 0.030 1.000

注：**在 0.01 级别(双尾)，相关性显著；*在 0.05 级别(双尾)，相关性显著。

其中，施肥量与光合速率、气孔导度、叶绿素a及叶绿素b均为极显著正相关，且相关系数均大于0.6；而与太阳辐射强度、相对湿度及气温的相关性并不显著。这表明施肥量对苹果树有明显的影响，而与环境因素是相对独立的，这与高娟[10]的部分研究结论相似。

此外，叶片光合速率与气孔导度具有极显著正相关关系，相关系数达0.946；与施肥量、太阳辐射强度和相对湿度极显著相关，相关系数大于0.7；与叶绿素b和叶绿素a极显著相关，相关系数高于0.5；而与气温虽显著正相关，但相关系数相对较低，仅为0.286。这表明气孔导度则与相对湿度、太阳辐射强度及施肥量极显著相关，相关系数均大于0.6。

2.3 各影响因素对叶片光合速率的通径分析

由于相关性分析得出各影响因素对叶片光合速率均为显著相关，且各因素相关系数的差异性不足以支持对各影响因素进行关键因素的筛选，因此，在其基础上进行通径分析，如表2所示。

在本研究中，根据公式(4)可以计算出剩余通径Pεy仅为0.246，表明在本次通径分析中已经包括了大部分主要变量。

由表2可知，气孔导度、叶绿素a及叶绿素b的决策系数分别为0.752、0.513和-0.377，其余影响因素的决策系数均小于0.1。因此，通过决策系数可以得出关键影响因素分别为气孔导度、叶绿素a和叶绿素b。

通过直接通径系数与总间接效应的对比，可以看出气孔导度和叶绿素a的直接效应为正且明显大于总间接效应，且均为正值，这表明这两项因素主要通过直接的正效应影响光合速率；而叶绿素b的直接效应稍小于总间接效应，且为负值，此外叶绿素a通过叶绿素b和气孔导度的间接通径系数分别为0.888和0.351，均为正值且明显大于其他间接通径系数，表明叶绿素a 则主要通过叶绿素b和气孔导度对光合速率产生正效应。

表2 苹果叶片光合速率与各影响因素间通径系数汇总Tab.2 The path coefficient between various influencing factors and photosynthetic rate

通过相关性(表1)分析可知，其他非关键影响因素与苹果叶片光合速率也为显著相关，表明非关键因素也对叶片光合速率有一定影响，由表2可知，施肥量、太阳辐射强度以及相对湿度的总间接效应均大于其直接效应，表明这些因素主要是通过间接途径对光合速率进行影响。其中，施肥量主要通过叶绿素a、气孔导度及叶绿素b对光合速率进行影响，且其间接通径系数分别为0.575, 0.547和-0.460,其他途径的间接通径系数均小于0.10。

2.4 基于关键因素的回归方程建立

根据通径分析的结果，采用气孔导度(x1)、叶绿素b(x2)和叶绿素a(x3)对苹果叶片光合速率(y)建立多元回归方程：

y=89.937x1+1.611x2-2.022x3+30.238

(5)

对回归方程进行方差分析，如表3所示，回归系数达极显著水平(P<0.01)，拟合优化度达0.954，拟合程度较好。利用所建回归方程对苹果叶片光合速率进行预测，将预测值与实测值进行比较并绘制散点图(图4)，由图4可知：由散点拟合的直线方程为y=x+1×10-13，该方程与直线方程y=x近乎重合，表明利用所建回归方程预测的苹果叶片光合速率值与实测值近乎相等，所建回归方程预测精度较高。

表3 回归方程的方差分析Tab.3 ANOVA analysis of regression equation

图4 苹果叶片光合速率实测值与预测值散点图Fig.4 Scatter distribution for calculated and measured value of photosynthetic rate

3 结 论

(1)蓄水坑灌下施氮量对苹果叶片光合速率及气孔导度有明显的影响，影响规律均呈现单峰形式，随施氮量的增加先升高后降低，峰值均出现于300 kg/hm2施氮量下，超过该施氮量后，叶片光合速率和气孔导度均出现明显下降，表现出抑制作用。

(2)蓄水坑灌条件下各因素对苹果光合速率有不同程度的影响，其中，气孔导度、叶绿素a、叶绿素b、施肥量、太阳辐射强度及相对湿度与苹果叶片光合速率为极显著相关，气温与叶片光合速率相关性相对较低。

(3)施肥量与苹果树光合速率、气孔导度、叶绿素a及叶绿素b均为极显著相关；其主要通过影响叶绿素b和气孔导度间接影响叶片光合速率，其间接通径系数分别为0.575和0.547。

(4)蓄水坑灌下，关键因素为气孔导度、叶绿素a和叶绿素b，其决策系数分别达0.752，0.513和-0.377，其余影响因素的决策系数均小于0.1。同时，基于关键因素的光合速率回归方程的预测精度较高，拟合优化度达0.954。