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)濟林木種質(zhì)改良與資源綜合利用湖北省重點實驗室；b.大別山特色資源開發(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，又名美國山核桃、長山核桃，是世界著名的干果油料樹種之一。目前我國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70%以上，是集社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益于一體的優(yōu)良經(jīng)濟樹種，具有廣闊的國內(nèi)和國際市場[2]。近年來，國內(nèi)云南、浙江、安徽、江蘇等地對薄殼山核桃干果的需求不斷增加，但在實際生產(chǎn)中薄殼山核桃種植并未得到大力推廣和實現(xiàn)高產(chǎn)高效，究其原因主要是育種進程緩慢、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和果實發(fā)育的重要生理基礎(chǔ)和生理評價指標(biāo)，對解釋植物響應(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行物質(zhì)積累與生理代謝的持續(xù)能力，同時也是分析環(huán)境因素影響植物生長和代謝的重要指標(biāo)，有助于對植物不同品種的光能利用情況和抗逆性進行了解，從而更好地對其進行栽培應(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間里相對穩(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光合特性的影響，湯文華等[12]對不同品種薄殼山核桃的光合特性進行了比較分析，呂芳德等[13]分析了不同樹齡薄殼山核桃的光合作用，杜洋文等[14]對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)因子綜合評價方面的研究鮮有報道，本研究主要研究尿素不同施肥量對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行綜合評價，以期為薄殼山核桃良種壯苗繁育提供技術(shù)支撐。

1 試驗地概況

試驗地位于武漢九峰試驗林場，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)性濕潤氣候，年日照時數(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 試驗設(shè)計

光合日變化測定的對象是薄殼山核桃‘波尼’品種2年生嫁接容器苗，2020年5月開始每隔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照（JJMCK），共計澆施6 次。每處理10 株，3 次重復(fù)。

2.2 測定方法

于2020年9月11日晴朗天氣，采用美國LICOR 公司的第三代氣體交換測量系統(tǒng)Li-6400XT光合儀，分別測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 測定1 次，每處理選擇生長勢的植株3 株，均選擇植株中部健康完好的當(dāng)年生葉片進行測定，結(jié)果取其均值。主要測定指標(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)計算氣孔限制值(Ls=1-Ci/Ca)和水分利用率（WUE=Pn/Tr），計算方法參見文獻[15]。

2.3 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 16.0 軟件對生理和生態(tài)因子進行主成分分析，再對各生理生態(tài)因子及Pn進行相關(guān)分析及偏相關(guān)分析，進一步進行通徑分析和決策分析，最后進行聚類分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同施肥量對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 個不同施肥濃度和對照處理的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“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 個峰值均在11:00 出現(xiàn)，JJM8 第2 個峰值在15:00 出現(xiàn)。5 個處理的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在日變化過程中都處于較低水平，對照的光合能力明顯低于施肥處理。

圖1 不同施肥量對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，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，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，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（9:00—15:00）—下降（15:00—17:00），各處理的日變化曲線趨勢基本一致，相對大小為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)時間相同，與凈光合速率日變化曲線相反，這也說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，并分別對生態(tài)因子和生理因子進行主成分分析（表1）。對生態(tài)因子分析可知，僅只有1 個主成分特征值大于1，累計貢獻率為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，它們在影響薄殼山核桃嫁接苗光合作用日變化的生態(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。對生理因子分析可知，特征值大于1 的主成分主要有兩個，分別為第1 主成分和第2 主成分，累計貢獻率為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，它們在影響薄殼山核桃嫁接苗光合作用日變化的生理因子中處于主導(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

對生態(tài)因子PAR、Ta、Ca、RH、Vpdl、Tl和生理因子Gs、Ci、Tr、WUE、Ls及Pn進行簡單相關(guān)分析（表2）可知，薄殼山核桃嫁接苗Pn與Ci存在顯著負相關(guān)（P＜0.05），與Vpdl存在極顯著負相關(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 個變量同時與第3 個變量相關(guān)時，將第3 個變量的影響剔除，只分析這2 個變量之間的相關(guān)程度。由于簡單相關(guān)關(guān)系不能很好地反映多因子影響下的相關(guān)性，為進一步確定生理生態(tài)因子對薄殼山核桃嫁接苗凈光合速率的影響程度，對生態(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 對其影響不顯著，同時表明Ca、Ci和Ls對凈光合速率影響最大，WUE、Vpdl、RH 和Tr對其影響相對較小。Ca、Ci和Ls偏相關(guān)系數(shù)明顯大于簡單相關(guān)系數(shù)，表明在其他因子變化的情況下，掩蓋了Ca、Ci、Ls對Pn的真實影響效果。

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

通過對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。進一步對這些因子與Pn的作用進行通徑分析，可知直接作用絕對值大小排序為Ci＞Ls＞Ca＞W(wǎng)UE＞RH＞Ta＞Vpdl（表4），Ci對Pn的直接作用最大，且為負作用，與二者的相關(guān)性一致，說明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Ls（9.402）和Ca（2.377）作用于Pn，Ls是通過Ci（12.046）和Ca（-1.611）作用于Pn，Ca是通過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雖然具有相對較大的相關(guān)系數(shù)，但其直接通徑系數(shù)的絕對值均小于通過Ca、Ci、Ls對Pn的間接通徑系數(shù)的絕對值，表明它們對Pn的直接作用小于通過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因變量的綜合作用進行排序，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，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大小順序為RH＞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?。湓蚴撬ㄟ^Ca、Ls和Ta的間接作用分別為2.567、3.423 和0.453，協(xié)助RH 起增進作用，WUE（-0.371）、Vpdl（-0.352）和Ci（-5.923）對它起較大的限制作用。其余變量決策系數(shù)均為負值，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 個生理生態(tài)因子為指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理，采用離差平方和進行聚類分析（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[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“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濕度的下降對葉片的光合系統(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Ls、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。進一步進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)遠大于間接通徑系數(shù)，表明RH、Vpdl和Ca通過自身的直接作用對凈光合速率產(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)，表明其通過其他生理生態(tài)因子的間接作用對凈光合速率產(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。由于本研究僅限于薄殼山核桃嫁接苗在生長期對不同尿素施肥量的光合響應(yīng)，下一步將繼續(xù)開展N、P、K 等多元素形成的養(yǎng)分配方對苗木生長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光合作用，相同施肥量對不同生理生態(tài)因子的日變化值的影響程度及大小存在差異，不同施肥量對同一生理生態(tài)因子相同時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光合效能。