水肥耦合对苹果幼树生长及光合特性的影响

周罕觅，牛晓丽，燕 辉，赵 龙，赵 娜，向友珍

(1.河南科技大学 农业工程学院，河南 洛阳 471003； 2.西北农林科技大学 旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

滴灌是节水灌溉主要技术之一，滴灌和施肥条件下水分与肥料对作物生长发育的影响是相互的，在不同的水肥处理条件下同种作物的生长是不同的，水肥之间存在一定的耦合效应[1-4]。水肥耦合效应的核心是强调水和肥两大因素之间的有机联系，利用二者之间的耦合效应对作物和水肥综合管理，促进作物的生长并提高水肥利用效率[5-9]。近些年国内外学者对水肥耦合效应进行了一些研究，但主要集中在小麦、玉米、番茄和黄瓜等粮食或蔬菜作物上[10-17]，而水肥耦合效应对果树的影响研究较少，且主要集中在成龄挂果果树上。王铁良等[18]通过水肥耦合对成龄树莓的影响研究表明，在一定的施肥条件下充分供水提高了果实中可溶性固形物和维生素C含量，适当的土壤含水量有利于增加果实中有机酸、可溶性糖和超氧化物歧化酶等营养物质的积累。PARVIZI等[19]通过水肥耦合对成龄石榴树的影响研究表明，适度的灌溉和施肥制度可以提高果实产量。SARKER等[20]研究表明，合适的水肥管理制度不但提高了芒果可溶性固形物、维生素C和总糖含量，还增加了芒果的大小、收获数量和产量。而关于不同水肥耦合或水肥制度下苹果幼树(挂果前)生长和光合特性等方面还缺乏系统的研究。鉴于此，以豫西红富士苹果幼树为试验材料，研究了水肥耦合对苹果幼树生长状况、光合生理特性、水分利用效率的影响以及各指标间的相关关系，以期为豫西苹果幼树的种植提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2017年3—8月在河南省洛阳市涧西区河南科技大学西苑校区试验地进行(北纬34°66′，东经112°37′)，该地区属温带半湿润半干旱大陆性季风气候，1月份平均温度为7 ℃，7月份平均温度为24 ℃，年平均温度为12～14 ℃，雨量适宜，降雨时间多在7、8、9三个月，年平均降水量为600 mm，年平均蒸发量为1 200 mm，无霜期为218 d，年平均日照时数为2 291.6 h。

试验采用桶栽方式，供试土壤为褐土(自然干燥并磨细过5 mm筛)，装土容重1.31 g/cm3，每桶装土30 kg，田间持水量为24.1%，有机质含量为12.38 g/kg，碱解氮含量为58.5 mg/kg，硝态氮含量为16.4 mg/kg，铵态氮含量为8.3 mg/kg，有效磷含量为13.2 mg/kg，速效钾含量为198 mg/kg，pH值为8.03。供试果树为2年生红富士苹果幼树(基砧为黄海棠)，2017年3月1日移栽保活，3月22日开始水肥处理。

1.2 试验设计

试验采用滴灌方式进行，设供水和施肥2个因素，供水设4个水平(充分供水、轻度亏缺、中度亏缺、严重亏缺)，其上下限分别为75%～90%(W1)、65%～80%(W2)、55%～70%(W3)、45%～60%(W4)田间持水量，采用称质量法控制其土壤水分。施肥设3个水平(高肥、中肥、低肥)，N、P2O5、K2O质量分数分别为0.6、0.2、0.2 g/kg(F1)，0.4、0.2、0.2 g/kg(F2)，0.2、0.2、0.2 g/kg(F3)，氮、磷、钾肥分别为尿素、过磷酸钙和硫酸钾。试验采取完全组合设计，共12个处理36株苹果幼树，设3次重复。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 植株生长量的测定 以试验桶沿某点(标记点)为基准至幼树最高点，用卷尺测量其垂直高度，每个生育时期测定1次。生育初期即萌芽开花期(3月22日—4月19日)，生育前期即新稍生长期(4月19日—5月17日)，生育中期即坐果膨大期(5月17日—6月14日)，生育后期即成熟期(6月14日—7月12日)。2次的差值即为苹果幼树该生育时期的植株生长量(cm)。

1.3.2 叶面积测定和计算 采用手持便携式叶面积仪(LI-3000C，LI-COR，USA)测定单片叶面积，测量时选取不同方位的5片叶子，测量后求其均值作为单片叶面积，每个生育时期测定1次。计算叶面积，叶面积=单片叶面积×叶片数。

1.3.3 光合特性的测定和水分利用效率的计算 采用LI-6400便携式光合作用测定仪(Portable Photosynthesis System，LI-COR，Nebraska USA)，选择不同生育时期内的晴天(4月14日、5月11日、6月11日、7月10日)，在苹果幼树中上部(0.9～1.2 m)，选取不同方位的相对同一位置的3个健康叶片，测定时做好标记活体测定，各生育时期测定相同叶片，测定时间为10:00，每次测定重复3次。观测因子包括光合速率[Pn,μmol/(m2·s)]、蒸腾速率[Tr,mmol/(m2·s)]、气孔导度[Gs,mmol/(m2·s)]等。计算水分利用效率(WUE，mmol/mol)，WUE=Pn/Tr。

1.4 数据处理

用Excel记录原始数据并对数据进行处理和作图，用SPSS Statistics 19.0统计软件进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 水肥耦合对苹果幼树植株生长量的影响

从表1可以看出，滴灌水量对苹果幼树各生育时期和全生育期植株生长量的影响都达到了极显著水平(P<0.01)；施肥量仅对苹果幼树新稍生长期植株生长量的影响达到了极显著水平(P<0.01)，对坐果膨大期和成熟期及全生育期植株生长量的影响达到了显著水平(P<0.05)，对萌芽开花期植株生长量影响不显著；水肥互作对苹果幼树萌芽开花期和新稍生长期植株生长量的影响达到了显著水平(P<0.05)，对其他生育时期影响不显著。这说明苹果幼树各生育时期植株生长量对水分的需求非常明显，不同水分处理间差异较大；除萌芽开花期，苹果幼树植株生长量对肥料的需求也较为明显；水肥互作对萌芽开花期和新稍生长期苹果幼树植株生长量的影响较为明显。

如表1所示，滴灌水量相同的条件下，各生育时期及全生育期苹果幼树植株生长量均表现为F1>F2>F3，这说明灌水相同条件下苹果幼树的植株生长量随着施肥量的增加而不断增加。施肥量相同的条件下，各生育时期及全生育期苹果幼树植株生长量表现为W1≈W2>W3>W4，这说明相同施肥条件下，适度的水分亏缺并没有使苹果幼树植株生长受到影响，但中度和重度水分亏缺影响了其生长。各生育时期苹果幼树植株生长量最大的为新稍生长期，不同水肥耦合处理间的差异最大值为4.3 cm，出现在萌芽开花期，这说明苹果幼树萌芽开花期对水肥的需求最为敏感。全生育期苹果幼树植株生长量最大值为29.6 cm，出现在F1W2处理，最小值为14.9 cm，出现在F3W4处理，这与各生育时期的表现基本一致，对比F3W4处理，F1W1处理植株生长量提高了85.2%，F1W2处理植株生长量提高了98.7%。这说明高肥和轻度水分亏缺水肥组合(F1W2处理)，最有利于苹果幼树的生长。

表1 不同水肥耦合处理对苹果幼树植株生长量的影响

注：同列数字后不同字母表示在0.05水平差异显著;*表示差异显著(P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01)，下同。

Notes:Different letters in the same column mean significant difference at the level of 0.05;* means significant difference(P<0.05),**means extremely significant difference(P<0.01),the same below.

2.2 水肥耦合对苹果幼树叶面积的影响

通过各生育时期苹果幼树叶面积数据分析得出，滴灌水量对苹果幼树各生育时期叶面积的影响都达到了极显著水平(P<0.01)；施肥量对苹果幼树各生育时期叶面积的影响都达到了显著水平(P<0.05)；水肥互作仅对苹果幼树萌芽开花期和新稍生长期叶面积的影响达到了显著水平(P<0.05)，对其他生育时期影响不显著。这说明苹果幼树各生育时期叶面积对水肥的需求非常明显，不同水分处理间差异较大；水肥互作对萌芽开花期和新稍生长期苹果叶面积的影响较为明显。

由图1可以看出，苹果幼树萌芽开花期和新稍生长期叶面积增幅较大，滴灌水量相同的条件下，各生育时期苹果幼树叶面积均表现为F1>F2>F3，这说明灌水相同条件下苹果幼树叶面积随着施肥量的增加而不断增加。在F1条件下，各生育时期苹果幼树叶面积表现为W2>W1>W3>W4；在F2和F3条件下，各生育时期苹果幼树叶面积表现为W1>W2>W3>W4。这说明高肥条件下轻度水分亏缺处理更有利于苹果幼树叶面积的生长，而中肥和低肥条件下苹果幼树叶面积随着灌水量的增加而不断增加。全生育期叶面积最大值为1.91 m2/株，出现在F1W2处理，最小值为1.02 m2/株，出现在F3W4处理，这与各生育时期的表现基本一致，对比F3W4处理，F1W1处理叶面积提高了74.5%，F1W2处理叶面积提高了87.3%。这说明高肥和轻度水分亏缺水肥组合(F1W2处理)，最有利于苹果幼树叶面积的生长。

图1 不同水肥耦合处理对苹果幼树叶面积的影响Fig.1 Effects of different water and fertilizer coupling treatments on leaf area of young apple tree

2.3 水肥耦合对苹果幼树光合特性的影响

从表2可以看出，滴灌水量对苹果幼树各生育时期净光合速率和蒸腾速率的影响都达到了极显著水平(P<0.01)。施肥量对苹果幼树萌芽开花期、坐果膨大期净光合速率的影响达到了极显著水平(P<0.01)，对成熟期净光合速率的影响不显著；施肥量对苹果幼树萌芽开花期蒸腾速率的影响达到了极显著水平(P<0.01)，对新稍生长期和坐果膨大期蒸腾速率的影响达到了显著水平(P<0.05)，对成熟期蒸腾速率的影响不显著。水肥互作对苹果幼树各生育时期净光合速率和蒸腾速率影响不显著。

从表3可以看出，滴灌水量对苹果幼树各生育时期气孔导度的影响都达到了极显著水平(P<0.01)；对水分利用效率的影响除成熟期达到了显著水平(P<0.05)外，对其他生育时期都达到了极显著水平(P<0.01)。施肥量对苹果幼树坐果膨大期和成熟期气孔导度的影响达到了极显著水平(P<0.01)，对萌芽开花期和新稍生长期气孔导度的影响达到了显著水平(P<0.05)；施肥量仅对苹果幼树坐果膨大期水分利用效率的影响达到了显著水平(P<0.05)。水肥互作仅对苹果幼树坐果膨大期气孔导度和萌芽开花期水分利用效率的影响达到了极显著水平(P<0.01)，对其他生育时期影响不显著。

表2 不同水肥耦合处理对苹果幼树净光合速率和蒸腾速率的影响

表3 不同水肥耦合处理对苹果幼树气孔导度和水分利用效率的影响Tab.3 Effects of different water and fertilizer coupling treatments on stomatal conductanceand water use efficiency of young apple tree

如表2和表3所示，滴灌水量相同的条件下，各生育时期苹果幼树净光合速率、蒸腾速率和气孔导度大致表现为F1>F2>F3，这说明灌水相同条件下苹果幼树净光合速率、蒸腾速率和气孔导度随着施肥量的增加而增加。施肥量相同的条件下，各生育时期苹果幼树净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均表现为W1>W2>W3>W4，这说明施肥相同条件下苹果幼树净光合速率、蒸腾速率和气孔导度随着灌水量的增加而增加。不同水肥耦合处理条件下苹果幼树净光合速率、蒸腾速率和气孔导度的变化趋势均一致(随着灌水量和施肥量的增加呈明显的上升趋势)，最大值均出现在F1W1处理，最小值出现在F3W4处理，这说明三者之间存在着正相关的关系，三者之间关系密切，均可反映苹果幼树水肥状况。水分利用效率的最大值出现在F1W2处理，各生育时期分别为3.49、3.84、4.37、3.90 mmol/mol，与高水高肥的F1W1处理相比，虽然各生育时期净光合速率分别减少1.9%、7.2%、6.8%、2.1%，但水分利用效率分别提高5.8%、6.7%、4.5%、3.2%，这说明适度的水分亏缺可以提高苹果幼树的水分利用效率。不同水肥耦合处理下苹果幼树净光合速率和蒸腾速率差异最大值均发生在坐果膨大期(6月11日)，这说明苹果幼树坐果膨大期为需水需肥的最关键时期，此时期合理的水肥调控可促进苹果幼树的生长。

2.4 苹果幼树植株生长量与其他指标间的相关关系

从图2可以看出，苹果幼树植株生长量与净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均呈现出很好的直线线性相关关系，决定系数(R2)均在0.9以上，分别为0.945 5、0.918 2和0.930 3。这说明苹果幼树全生育期生长过程中植株生长量随着净光合速率、蒸腾速率和气孔导度的增大而增大，净光合速率、蒸腾速率和气孔导度这3个生理指标可以反映苹果幼树植株生长的状况。苹果幼树植株生长量与水分利用效率间呈现出较好的二次曲线相关关系，R2=0.821 3，随着植株生长量的增加苹果幼树水分利用效率呈先增加后缓慢下降的趋势。

图2 苹果幼树植株生长量与其他指标间的关系

2.5 苹果幼树叶面积与其他指标间的相关关系

从图3可以看出，苹果幼树叶面积与净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均呈现出较好的直线线性相关关系，R2分别为0.877 4、0.829 3和0.950 2。这说明苹果幼树全生育期生长过程中叶面积随着净光合速率、蒸腾速率和气孔导度的增大而增大，净光合速率、蒸腾速率和气孔导度这3个生理指标可以反映苹果幼树冠层叶面积的状况。苹果幼树叶面积与水分利用效率间呈现出较好的二次曲线相关关系，R2为0.847 2，随着苹果幼树叶面积的增加，其水分利用效率呈先增加后缓慢下降的趋势。

图3 苹果幼树植株叶面积与其他指标间的关系Fig.3 Relationship between leaf area and other indexes of young apple tree

3 结论与讨论

作物生长指标是反映其生长状况的最基本指标，是决定作物其他指标的关键因素，适量的水肥调控可以促进作物的生长[21]。国内外研究表明，滴灌量和施肥量在一定的范围内可以促进玉米的生长发育，水肥处理对玉米生长具有明显的正交互作用[22]；适量的灌水和施肥对葡萄生长效果较好[23]；适当地减少滴灌量和施肥量可以促进番茄的生长[24]。本研究结果表明，全生育期苹果幼树植株生长量和叶面积最大值分别为29.6 cm和1.91 m2/株，均出现在F1W2处理，这说明高肥和轻度水分亏缺水肥组合(F1W2处理)，最有利于苹果幼树的生长。各生育时期苹果幼树植株生长量最大的为新稍生长期，不同水肥耦合处理间的差异最大值出现在萌芽开花期，这说明苹果幼树萌芽开花期对水肥的需求最为敏感，这与前人在西北半干旱地区对苹果幼树的研究结果一致[21]。

滴灌水量相同的条件下，各生育时期苹果幼树净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均表现为F1>F2>F3，这说明灌水相同条件下苹果幼树净光合速率、蒸腾速率和气孔导度随着施肥量的增加而增加，这与前人的研究结果一致[25]。施肥量相同的条件下，各生育时期苹果幼树净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均表现为W1>W2>W3>W4，这说明相同施肥条件下苹果幼树净光合速率、蒸腾速率和气孔导度随着灌水量的增加而增加，这与前人的花椒幼苗净光合速率、蒸腾速率和气孔导度随着灌水量的增加先增加后降低的结论不一致[25]。水分利用效率的最大值出现在F1W2处理，各生育时期分别为3.49、3.84、4.37、3.90 mmol/mol，与高水高肥的F1W1处理相比，虽然各生育时期净光合速率分别减少1.9%、7.2%、6.8%、2.1%，但水分利用效率分别提高5.8%、6.7%、4.5%、3.2%，这说明适度的水分亏缺可以提高其水分利用效率，这与前人的研究结果基本一致[26-27]。

不同水肥耦合处理下苹果幼树净光合速率和蒸腾速率差异最大值均发生在坐果膨大期，这说明苹果幼树坐果膨大期为需水需肥的最关键时期，此时期合理的水肥调控可促进苹果幼树的生长。苹果幼树植株生长量、叶面积分别与净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均呈现出较好的直线线性相关关系，这说明苹果幼树全生育期生长过程中植株生长量和叶面积随着净光合速率、蒸腾速率和气孔导度的增大而增大，净光合速率、蒸腾速率和气孔导度这3个生理指标可以反映苹果幼树植株和叶面积生长的状况。苹果幼树植株生长量和叶面积分别与水分利用效率间呈现出较好的二次曲线相关关系，随着植株生长量和叶面积的增加苹果幼树水分利用效率呈先增加后缓慢下降的趋势。