梨树生长和果实品质指标对水氮耦合响应及关联度分析

刘亚南，白美健，张宝忠，吴现兵,2，史 源

(1. 流域水循环模拟与调控国家重点试验室 中国水利水电科学研究院，北京 100038；2. 河北农业大学 城乡建设学院 保定 071001)

0 前 言

我国梨果年产量约占世界产量的68%[1]，水和肥料是确保梨果稳产[2]、高产和提高品质的2个重要因子，过量的水肥投入造成水、肥资源的极大浪费[3]。氮是作物生长发育必需的营养元素之一，不合理的供给会造成梨树新梢疯长、陡长使得营养生长过剩并降低梨树透光度，进而与生殖生长形成激烈竞争关系，抑制果实生长导致产量不增加甚至减产的现象，进而影响单果重量及果实品质[4, 5]；另一方面，大量氮肥投入将严重损坏土壤结构，致使土壤板结，影响作物生长，同时由于施肥方式和施肥量的影响导致过量的氮肥分解为N2O及NxO挥发污染大气[6]，而进入土壤的氮肥超过作物吸收利用的部分将随水分淋失进入地下水，引起地下水污染[7]。合理的水肥耦合方案和施用制度是确保梨果提质增效、节水减污的有效措施。

大量研究表明，不合理的灌溉和施肥方案将导致资源浪费和加剧环境污染，只有合理的水肥耦合管理方式才能获得最优水肥促进效果[8]。史星雲等认为水肥耦合能促进果树新梢生长保证树势[9, 10]，但过量N肥投入引起果树新梢生长过剩；陈富等研究发现长期过量施氮会造成土壤中氮素大量累积[11]，超过作物需求时，施肥会导致土壤中硝态氮累积，其累积量随施N量的增加而增加[12]；武阳等在研究中发现不合理的施氮方式是氮肥利用率低的主要因素[13]；唐龙[14]等认为果实对氮素的响应不是单纯的取决于氮肥管理，还受灌水的影响，灌水可以促进果树对氮素的吸收。以往研究表明水肥对果树生长和品质的影响是相互的，但生长指标与品质指标间的关联度方面研究鲜有报道。为此本研究基于方差分析和灰色关联度分析方法，基于大田试验观测所得梨树在一个完整生长季的生长指标(新梢长、新稍基径、叶面积和叶绿素含量)和采收期所观测的果实品质指标(单果重量、可溶性固形物含量、还原型Vc含量和可滴定酸含量)，首先分析了水氮耦合方案对各生长和品质指标的影响及差异显著性状况，其次采用灰色关联分析方法研究了各个生长指标对果实品质指标的贡献度，研究结果为梨树灌溉施肥和生产管理提供一定的技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验场地概况

该试验在北京市大兴区安定镇的梨园中进行(北纬39°37′，东经116°25′)。属暖温带半湿润季风大陆性气候区，多年平均年气温11.6 ℃，多年平均年降水量556.4 mm，梨园土壤质地均为沙壤土(国际体系)。土壤为1.59 g/cm3，作物计划湿润层深度内田间持水率平均值(体积)为35%。此外，测试现场有小型气象站，可自动记录温度，湿度，风速和其他气象参数。灌溉水源为地下水，采用压力补偿式滴灌系统进行灌溉，施肥装置采用比例施肥泵，滴头流量为4 L/h，滴灌带的内径为20 mm，滴头之间的距离为0.5 m。

1.2 试验设计

试验供试试材为10 a龄黄金梨树，田间试验于2018年3月21日-9月9日进行。根据当地农户对灌溉和施肥的常规管理经验并结合前人研究结果，设定灌水下限和施氮量两个因素，其中灌水下限设定2个水平(低水：65 %Fc；高水75 %Fc)，施氮量设定2个水平(低肥：162 kg/hm2；高肥：324 kg/hm2)。2个因素2个水平设定4个正交处理，分别为：低水低肥(W1F1)、低水高肥(W1F2)、高水低肥(W2F1)和高水高肥(W2F2)。同时，每个试验处理设定3个重复，共12个试验小区。不同试验处理灌水施肥方案见表1。

注：表中Fc为试验田间持水率。

图1为大田试验布置图，如图1中所示，每个试验处理小区长为45 m。黄金梨树株间距为3 m，共15株梨树，同一处理下每个重复有5株梨树。N肥选用当地农户常用的尿素(N≥46 %)。梨园内疏花、疏果和剪枝及病虫害防治等田间管理措施均与当地农民习惯保持一致。为保证各试验小区养分和水分的均匀性，于试验开始前对所有试验小区进行均匀的大定额(300 m3/hm2)灌水。试验开始后，各小区按照试验设计灌水上下限进行灌溉，在黄金梨树全生育期内平均3～5 d使用Trime测定0～120 cm土层内，每隔10 cm土层的土壤含水量。在黄金梨树生育周期内共施氮肥3次，分别为花展叶肥(4月3日)、幼果肥(5月6日)和果实膨大肥(7月20日)，具体氮肥施用方案见表1。

图1 田间试验方案布置图Fig.1 Field experiment plan layout

1.3 指标测定及方法

本研究梨树生长指标选用新梢长度、新梢基径、叶片面积及叶片叶绿素含量，果实品质指标采用单果重量、可溶性固形物含量(TSS)、还原型Vc含量(Vc)和可滴定酸含量(TAc)。

1.3.1 新梢生长量测定

梨树叶芽萌发后长出的枝条，在当年落叶以前称为新梢，试验过程中每个重复选定一株梨树，在选定株的4个方向上均匀选定4个新梢，使用钢卷尺测定新梢长度，使用游标卡尺测定新梢基径(距离新梢根部1 cm处)，4个新梢长度及基径取均值。

1.3.2 叶片面积测定与公式拟合

在上述选定的新梢上选定3片叶子，使用量程为20 cm的直尺测定沿叶柄方向叶片的最大长度(l)和垂直叶柄方向最大宽度(b)，并于初次测量后随机取60片叶片使用Canon扫描仪测定实际面积与长宽乘积进行拟合，得到拟合公式如下：

A=0.718 6bl+ 0.715 3

(1)

式中：A是叶片面积，cm2；b是叶片宽度，cm；l是沿叶片叶柄方向的最大长度，cm。

1.3.3 叶片叶绿素测定

叶绿素是高等植物和其他所有能进行光合作用的生物体含有的一类绿色色素，试验中针对2.3.2中叶面积测定时选用的叶片样本，使用SPAD-502型叶绿素仪测量所选叶片的叶绿素含量。

1.3.4 果实品质指标测定

单果重量是果实外观品质的重要表现，在果实采收期，每个试验重复选取1株，每株在各方向上均匀选取15个果实，称量单果重量，并将量测的单果重量取均值。

果实风味品质指标主要选用可溶性固形物含量、还原型Vc含量(Vc)和可滴定酸含量。果实内可溶性固形物含量、还原型Vc含量高和可滴定酸含量低的果实品质最佳，果实采收期在每个处理小区随机摘取3个外围大小相似、均匀、无伤和无病虫害具有代表性的果实，采摘后随即用保鲜冰盒保鲜，低温运回试验室于-80 ℃保存，果实可溶性固形物含量采用手持折射仪(RHBO-90)测定；Vc 含量测定采用2, 6 一二氯酚靛酚滴定法；可滴定酸含量采用NaOH标准溶液滴定法测定。

1.4 统计分析方法

1.4.1 灰色关联度

基于灰色关联度[15-17]，分析计算梨树营养生长指标对果实品质的贡献度。灰色关联度方法的基本思想是将所有试验处理作为一个灰色系统，每个水氮处理结果为灰色系统中的1个因素，根据各因素发展趋势的相似程度判断其关联程度，试验选取梨树营养生长与果实品质共8个指标，依据灰色关联度方法分别分析4个生长指标对梨树各果实品质指标的贡献程度。

无量纲标准化处理：

(2)

式中：Xi(K)为数据无量纲标准化处理结果；xi(k)为各性状原始数据；xi为同一性状平均值；Si为同一性状标准差；

参考数列与比较数列绝对差值计算：

Δi(k)=|X0(k)-Xi(k)|

(3)

式中：X0(k)为参考数列；Xi(k)为比较数列；i=1,2，…，m；k=1,2，…，n。

果实品质与生长指标间关联系数计算：

(4)

式中：ρ为分辨系数，范围为(0,1)，本文取值0.5；Δi(k)min和Δi(k)max分别表示比较序列与参考序列绝对差值的最小(大)值。

关联系数算数平均值：

(5)

式中：m为梨树生长指标数；n为处理数。

1.4.2 数据分析

使用Excel软件对试验数据进行记录并做初步处理，使用Graphpad 8.0对试验数据进行One-way ANOVA和Two-way ANOVA方差检验，采用LSD对试验数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 水氮耦合方案对梨树营养生长的影响

表2给出了不同方案下各生长指标值及各指标值分别对灌水下限、施氮量以及2者交互影响的显著性检验结果。整体上，除新梢长度外其余生长指标均对水、氮以及2者的交互作用形成极显著的响应(P<0.01)。从指标值来看，灌水下限和施氮量对新梢长度和新梢基径的影响规律相似，提高灌水下限和增加施氮量能促进新梢梢长和基径的增加，水氮交互作用对新梢基径具有极显著影响(P<0.001)，但对新梢梢长无显著交互作用。新梢长度对提高灌水下限的响应程度(P<0.001)比施氮量增加更为显著(P<0.034)。

表2 不同方案下梨树营养生长指标差异性检验结果Tab.2 Test results of differences in pear vegetative growth indexes under different schemes

注：ns表示无差异，**表示差异在0.034水平上显著，***表示差异在0.01水平上显著，****表示差异在0.001水平上显著。

如表2所示，灌水下限和施氮量对梨树叶片面积具有极显著影响(P<0.001)。叶绿素含量对施氮量响应关系(P<0.001)比对灌水下限(P<0.01)更为显著。与梨树新梢生长指标对水氮耦合方案响应关系不同，梨树叶片面积和叶片叶绿素含量只有在特定的水氮耦合方案下才会分别取得最小值和最大值，没有一致规律。

新梢生长量合理增加是保持树势为果树稳产、高产提供营养基础，从差异性检验结果(表2)不难发现，新梢生长量受灌水下限影响极显著(P<0.001)，而施氮量对新梢长度和新梢基径分别表现为显著和极显著差异，适当提高灌水下限和施氮量对提高新梢生长量具有显著作用，但当2者施用量过高时，会导致营养生长过旺，影响果实生长发育；同理，叶片面积和叶绿素是作物进行光合作用的主要场所和物质，水肥2因素对2者的变化具有不同影响，叶片面积只在不适合的水氮耦合方案下会显著降低，而叶片叶绿素含量则需要在适宜的水氮方案下才能显著提高。

2.2 水氮耦合方案对黄金梨果实品质指标的影响

表3给出了不同方案下各果实品质指标值及各指标值分别对灌水下限、施氮量以及2者交互影响的显著性检验结果。各品质指标对水、氮及2者交互作用响应不一，施氮量与水、氮交互作用对单果重量影响不显著，但提高灌水下限对单果重量影响显著(P<0.01)，提高灌水下限和增加施氮量能促进单果重量提高，相同灌水下限时施氮量间单果重量不具有显著性差异。水、氮交互作用与增加施氮量对提高果实可溶性固形物含量影响极显著(P<0.001)，果实可溶性固形物含量对灌水下限和施氮量响应关系并非单增或单减，各试验方案下可溶性固形物含量具有显著差异(P<0.05)，水、氮交互作用对其影响较大，适宜的水氮耦合方案能显著提高可溶性固形物含量。施氮量对果实还原型Vc含量和可滴定酸含量影响(P<0.01)比提高灌水下限和水、氮的交互作用(P<0.05)更显著，各处理间还原型Vc和可滴定酸含量具有显著差异，提高施氮量能显著增加还原型Vc含量，同样，提高灌水下限和增加施氮量能降低果实内可滴定酸含量。

表3 不同方案下果实品质指标值及差异性检验结果Tab.3 Test results of fruit quality index difference under different schemes

注：*表示差异在0.05水平上显著；其余注释同表2。

2.3 不同水氮耦合下生长和果实品质指标关联度

由式(4)可得梨树生长指标对各果实品质指标关联系数列于表4，由表4可知，不同水氮处理同一生长指标与各果实品质指标关联系数不同，而同一水氮耦合处理下各生长指标关联系数也是不一样的，关联系数的高低取决于参考数列与比较数列。

表4 各果实品质指标与梨树生长指标关联系数Tab.4 Correlation coefficient between fruit quality indicators and pear growth indicators

表5为灰色关联分析结果算数平均值(所有处理的均值)与排序，均值越大、排序越小表明该生长指标与果实品质关联度越强。由表5可知，各生长指标对单果重量的贡献度差异较大，关联系数范围为0.64～0.93，各生长指标对单果重量贡献度大小排序为新梢长度>新梢基径>叶片面积>叶绿素含量，新梢长度对其贡献度最大，达0.93；各生长指标对可溶性固形物含量的贡献程度差异不大，关联系数范围为0.61～0.69，贡献度大小排序为新梢基径>新梢长度>叶绿素含量>叶片面积，相比而言，新梢基径对可溶性固形物含量贡献度最大，高达0.69；各生长指标对还原型Vc含量贡献度的差异也较大，关联系数范围为0.69～0.85，贡献度大小顺序为叶片面积>新梢长度>叶绿素含量>新梢基径，叶片面积对还原型Vc含量贡献度最大达0.85；各生长指标对可滴定酸含量贡献度差异也较小，关联系数范围为0.65～0.69，其中以新梢基径对可滴定酸含量贡献度最大为0.69，各指标贡献度大小排序为新梢基径>新梢长度>叶片面积>叶绿素含量。

表5 灰色关联分析结果算数平均值与排序Tab.5 Grey correlation analysis result arithmetic average and ranking

如表5所示，梨树在水氮耦合方案下的新梢长度与各果实品质指标关联度较高，与4个指标关联系数均为前2位，而新梢基径除与还原型Vc关联度为最差外，与其他3个果实品质指标关联度均为前2位。因此，合理提高灌水下限和增加施氮量调控梨树新梢生长量对改善果实品质具有重要意义。叶片面积与还原型Vc关联系数最大，表明相对其他生长指标果实还原型Vc含量受叶片面积影响较大，调节水氮方案控制叶片面积可有效改善果实还原型Vc含量。

3 结 论

水、肥是决定黄金梨树生长指标和果实品质指标的2个重要的可控环境因子[18]，不同水氮耦合方案决定果树生长指标的变化同时也影响着养分在不同器官中的分配[19]，进而影响果实品质。本研究基于梨树整个生长期观测所得生长指标和果实品质指标值，分析得到如下结论。

(1)水氮耦合方案对黄金梨树生长指标具有显著影响(P<0.05)，提高灌水下限和增加施氮量能显著增加梨树新梢长度及新梢基径，促进梨树树势增加。叶片面积和叶绿素含量对水氮耦合方案响应较为复杂，叶片面积只在不适水氮耦合方案下取得最小值，而叶片叶绿素含量只在适宜水氮耦合方案下才能取得最大值。

(2)水氮耦合作用对果实品质具有显著影响，各水氮耦合处理间具有显著差异，相比而言，灌水下限对单果重量的影响极为显著，而施肥量对其他3个指标的影响更为显著，水氮交互作用对可溶性固形物含量影响非常显著。提高灌水下限和增加施氮量能提高单果重量和降低可滴定酸含量，可溶性固形物含量与还原型Vc含量对水氮耦合效果较为复杂，不存在随着灌水下限提高和施氮量增加表现出单增或单减。

(3)根据灰色关联分析结果发现，新梢长度对各果实品质指标的贡献度较大，均排在前2位，新梢基径除对还原型Vc含量关联度较小外，与另外3个果实品质指标关联系数均排在前2位，叶片面积对果实还原型Vc含量关联度最大，达0.85。

综上所述，水氮耦合方案能显著改善梨树生长状况，进而提高果实品质，但果实品质的提高不只通过水、肥或水肥交互作用本身，还依靠梨树生长指标与果实品质之间的相互关系，因此在研究过程中不仅要着眼于水肥本身对梨树生产的影响，还应基于水肥2调控因子，在不同时期调整管理方案，协调梨树各器官对养分吸收及分配关系，优化新梢生长量，兼顾叶片面积及叶片叶绿素含量进而提高果实品质。