基于主成分分析及隶属函数法评价氮素形态对油茶苗木的影响

王 瑞，何之龙，张 震，徐 婷，王湘南，张 英，陈永忠

（1.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004；2.国家油茶工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

氮素是植物生长发育必需的大量营养元素之一，是影响植物生长发育和产量的重要因素，在植物生命活动中具有不可替代的作用[1]。植物吸收利用的主要氮素形式为铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）和有机氮，其中NH4+-N和NO3--N吸收量最大。氮素形态不同，对植物生长发育的影响有着显著的不同，对植物也会产生不同的生理效应[2]。氮素形态对植物影响的研究对指导施肥具有重要意义。

油茶是我国特有的木本食用油料树种，主要分布在红壤区，氮素是限制油茶生长的重要因子之一。农业上关于氮素形态对作物的影响研究较多[3-12]，但并未得出一致性结论，有学者认为植物对硝态氮和铵态氮的吸收量相似且效果相当，但也有大量研究表明多数植物更易吸收铵态氮[13-17]，如王胤等[18]认为铵态氮对马尾松组培苗生长和养分积累的促进作用优于硝态氮，在培育马尾松组培苗时，建议全施铵态氮肥料（硝铵配比=0∶10），近年来越来越多的研究证明硝铵态氮混施促进植物生长的效果最为显著[19]，如花蕊等[20]通过研究发现高比例的硝铵配比（硝铵配比=75∶25）是促进银杏苗的生长和提高叶品质效果最佳的配比，陈永亮等[21]通过对红松幼苗的研究表明不同氮素混合处理使红松幼苗各生理指标增加的效应大于纯铵和纯硝处理效果。目前有关不同氮素形态对油茶生长影响的报道较少[22-25]。本试验研究了氮素对油茶苗木营养生长、光合特性、光合生理指标的影响，并利用主成分分析法和隶属函数分析法进行了分析，以期为油茶苗木施肥提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于湖南省林业科学院国家油茶种质资源收集保存库（国家油茶工程技术研究中心试验站），（113°01′E，28°06′N），海拔80～100 m，属亚热带季风气候，春末夏初多雨，夏秋多旱，年均温16.8 ～17.3 ℃，极端最高温40.6 ℃，极端最低温-12 ℃。年平均降水量1 422 mm，无霜期275 d，年均相对湿度80%。土壤为第四纪红壤，pH值在4.5～5.5之间，有机质含量41.01 g·kg-1，全氮含量2.68 g·kg-1，全磷含量0.61 g·kg-1，全钾含量4.53 g·kg-1[24]。

1.2 试验材料

以‘湘林27号’1年生实生苗为试验材料。2018年10月采集油茶种子，选取均匀、颗粒饱满、无病虫害的种子砂藏，2019年3月选择露白一致的种子播种于容器中，容器规格为高 12 cm，上口径8 cm，栽培基质为黄心土、珍珠岩和泥炭，体积比为3∶1∶1，基质pH 值为5.88，铵态氮0.92 mg·L-1，硝态氮2.34 mg·L-1。上杯后缓苗3个月，2019年6月选取生长状况一致、无病虫害的苗木施肥。

1.3 试验设计

采用液体浇灌的方式施肥，为了确保苗木在正常营养条件下生长，加入改良的Holgland营养液（无氮素），营养液组成为：K2SO4261.39 mg·L-1，KH2PO4136.09 mg·L-1，CaCl2221.98 mg·L-1，MgSO4·7H2O 246.47 mg·L-1，MnSO4·H2O 1.54 mg·L-1，H3BO32.86 mg·L-1，ZnSO4·7H2O 0.22 mg·L-1，CuSO4·5H2O 0.08 mg·L-1，Na2MoO4·2H2O 0.02 mg·L-1，FeSO4·7H2O 20 mg·L-1。在所有营养液中均加入7 μmol·L-1硝化抑制剂二氰二胺（C2H4N4）抑制硝化作用。

试验采用完全随机区组设计，硝态氮源和铵态氮源分别为分析纯硝酸钠和硫酸铵，硝酸钠为天津市光复精细化工研究所生产，NaNO3含量≥99.0%，硫酸铵为天津市大茂化学试剂厂生产，(NH4)2SO4含量≥99.0%。氮素水平为8.0 mmol·L-1，不同的氮素形态配比[m(NO3--N)/m(NH4+-N)]=10∶0、7∶3、5∶5、3∶7、0∶10）和对照（不施氮肥）共计6个处理，每个处理设置3个重复，每个重复200株苗木，具体如表1所示。6月中旬开始第一次施肥处理，之后每隔1周施肥1次，共10次，每株苗浇灌300 mL营养液，浇透。托盘收集的溶液用于再次浇灌，确保氮素不流失。试验在温室中进行，温室光照6 000～8 000 lx，温度20～25 ℃，湿度80%～85%。除施肥外，正常浇水、除草等管护。

表1 不同处理下的氮素比例Table 1 Nitrogen ratio under different treatments

1.4 试验方法

苗高用卷尺测量，地径用游标卡尺测量，用生长增量衡量营养生长情况。即生长增量=W2-W1，W1为试验开始前采集的数据，W2为11月份采集的数据。

生物量的测定采用称质量法。

根系形态指标采用万深LA-S植物根系分析仪测定。

净光合速率、光响应曲线及荧光参数使用LI-6400型便携式光合作用测定仪测定。

叶面积采用美国LI-COR公司生产的LI-3100A叶面积仪测定。

叶片SPAD值采用日本柯尼卡公司的SPAD 502 Plus型叶绿素仪测定。

叶绿素含量的测定采用丙酮-乙醇混合液法[26]。

硝酸还原酶活性的测定采用活体分析法[26]。

GS和GOGAT的活性测定方法参考Miflin[27]、王小纯等[28]和杜旭华[3-4]等的方法进行测定。

可溶蛋白含量的测定采用考马斯亮蓝法[29]。

可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法[29-30]。

叶片中全氮含量测定采用凯氏定氮法[31]。

1.5 数据处理与统计分析

采用Excel 2007软件处理数据，采用SPSS 25.0软件进行相关分析、主成分分析和隶属函数分析。

隶属函数值的计算方法：

如果某一指标与苗木营养生长呈正相关，则公式为：U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，i=1，2，3，…，n；如果某一指标与苗木营养生长成负相关，则公式为：U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，i=1，2，3，…，n。式中：Xi为指标测定值，Xmin和Xmax为所有参试材料某一指标的最小值和最大值。

2 结果与分析

2.1 氮素形态对油茶苗木生产力的影响

氮素对生产力的影响包括形态和生理两方面。形态特征是外在表现，生理特性是内在因素，二者反映了苗木生产力的特性，二者存在相互影响、相互制约的密切关系。对与生产力密切相关的16个指标（形态指标：苗高增量、地径增量、地上部生物量、地下部生物量、总生物量、叶长、叶宽、叶面积、根系长度、根系投影面积、根系表面积、根系体积、根系直径；生理指标：净光合速率、可溶性糖含量、叶片全氮含量）进行了相关性分析，分析结果表明油茶苗木生产力相关的16个指标间均存在正相关关系（表2）。苗高增量与地径增量、生物量、净光合速率、可溶性糖含量呈极显著正相关，与根系形态特征（根系投影面积、根系表面积、根系体积）、叶片全氮含量呈显著正相关；生物量与苗高增量、净光合速率、可溶性糖含量呈极显著正相关，与地径增量、根系形态特征（根系投影面积、根系体积、根系直径）、叶片全氮含量呈显著正相关；净光合速率与生长指标（苗高增量、地径增量、生物量、根系投影面积、根系体积）和可溶性糖含量呈显著或极显著正相关；叶片全氮含量与根系投影面积、根系表面积、地径增量呈极显著正相关，与苗高增量、生物量、叶面积、净光合速率、可溶性糖含量呈显著正相关。

表2 油茶各生产力指标相关性分析†Table 2 Correlation coefficients of indexes of productivity of C.oleifera

2.2 氮素形态对油茶苗木影响的主成分分析

主成分分析的特征值和贡献率是选择主成分的依据，将不同处理的43个与苗木生长相关的指标转化为 5个主成分，各主成分的特征值和贡献率见表3，其中，前5个主成分的特征值分别为27.338、5.960、4.508、2.927和2.267，贡献率分别为 63.577%、13.860%、10.483%、6.807%和5.273%，根据贡献率大于85%的原则，选择了前3个主成分，前3个主成分的累计贡献率达到87.920%。因此，前3个主成分可以作为氮素对油茶苗木生长的重要主成分。

表3 主成分提取分析Table 3 Principal component extraction and analysis

从主成分分析的特征向量可以看出（表4），第1主成分主要包括油茶苗木营养生长指标、光合生理指标、光合特征指标等；第2主成分主要为光合氮素利用率；第3主成分为对环境的响应因子（水分利用效率、初始荧光、光补偿点）。通过主成分分析，原来43个单项指标转换为3类新的相互独立的综合指标，这3类综合指标代表了原来43个单项指标87.920%的信息。根据贡献率大小可知各综合指标的相对重要性。

表4 主成分分析的特征向量Table 4 Characteristic vector by principal component analysis

根据因子得分值，计算出不同处理的主成分值，根据主成分值及贡献率大小计算出综合得分。由表5综合得分可知，A0～A5的综合得分分别为：-4.20，-2.63，0.51，5.46，3.40，-2.53；氮素对油茶苗木的生长按由大到小的顺序排列依次为：A3＞A4＞A2＞A5＞A1＞A0，即所有的氮素处理均促进了油茶苗木的生长，A3（NO3-∶NH4+=5∶5）对油茶苗木生长的促进作用最强，其次为A4（NO3-∶NH4+=3∶7）。

表5 不同氮素形态处理的主成分值和综合评价值Table 5 Principal component and comprehensive evaluation value under different nitrogen form treatments

2.3 氮素形态对油茶苗木影响的隶属函数分析

氮素对植物生长的影响非常复杂，是多因素综合影响的结果。本研究采用模糊数学的隶属函数法对不同氮素形态及配比对油茶苗木生长情况进行综合评价，由表6数据可知，不同处理（A0～A5）隶属函数值分别为0.189、0.290、0.515、0.856、0.683、0.300。按照隶属函数值越大对苗木生长的促进作用越强的原则，不同氮素处理（A0～A5）对苗木生长的促进作用由强到弱排序为A3＞A4＞A2＞A5＞A1＞A0，与主成分分析结果一致，A3（NO3-∶NH4+=5∶5）对油茶苗木生长的促进作用最强，其次为A4（NO3-∶NH4+=3∶7）。

表6 油茶苗木生长指标隶属函数值Table 6 Subordinate function value of grafting affinity of C.oleifera seedlings

3 结论与讨论

3.1 结 论

相关分析结果表明，油茶苗木生产力相关的16个指标间均存在正相关关系，苗高增量与地径增量、生物量、净光合速率、可溶性糖含量呈极显著正相关，与根系形态特征（根系投影面积、根系表面积、根系体积）、叶片全氮含量呈显著正相关；生物量与苗高增量、净光合速率、可溶性糖含量呈极显著正相关，与地径增量、根系形态特征（根系投影面积、根系体积、根系直径）、叶片全氮含量呈显著正相关；净光合速率与生长指标（苗高增量、地径增量、生物量、根系投影面积、根系体积）和可溶性糖含量呈显著或极显著正相关；叶片全氮含量与根系投影面积、根系表面积、地径增量呈极显著正相关，与苗高增量、生物量、叶面积、净光合速率、可溶性糖含量呈显著正相关。

主成分分析结果与隶属函数分析结果一致，即不同处理（A0～A5）对苗木生长的促进作用由强到弱排序为A3＞A4＞A2＞A5＞A1＞A0，A3（NO3-∶NH4+=5∶5）对油茶苗木生长的促进作用最强，其次为A4（NO3-∶NH4+=3∶7）。

3.2 讨 论

主成分分析是将多个指标进行组合，转化为少数几个综合指标的统计分析方法，从而达到简化的目的[32]。本研究利用主成分分析法和模糊数学的隶属函数法对氮素形态及配比影响油茶苗木生长的指标进行了分析，2种方法得出的结果一致。不同氮素形态配比对油茶苗木生长的促进作用由强到弱排序为A3＞A4＞A2＞A5＞A1＞A0；在氮素总量为8 mmol·L-1时，所有氮素处理均促进了油茶苗木的生长，混合氮源（A3、A4、A2）对油茶苗木的促进作用均大于单一氮源（A1、A5）和对照（A0）。在单一氮素中，全铵处理（A5）大于全硝处理（A1），在混合氮源中，NO3-∶NH4+=5∶5对油茶苗木生长的促进作用最强，其次为NO3-∶NH4+=3∶7。说明油茶苗木对铵态氮具有偏好性，混合氮源（铵硝等比）对油茶苗木的生长更有利。

同时选用2种不同的方法对氮素形态及配比影响油茶苗木生长的指标进行分析。主成分分析法在不损失或很少损失原有信息的前提下，将多个彼此相关的指标转换成个数较少且彼此独立的综合指标，根据各自贡献率的大小可以判断各综合指标的相对重要性，依据综合评价值进行科学的评价。隶属函数分析提供了一条在多指标测定基础上对材料特性进行综合评价的途径，可以克服只利用少数指标进行评价的不足，2种分析方法相辅相成，确保了分析结果的准确性。

氮素形态对植物的生长发育有着重要的影响，多数植物在同时施用硝铵态氮时的生长量会大于单独供应，且表现出“联合效应”。使用一定比例的硝态氮和铵态氮均能促进植物的生长量、产量、新梢长度等[13-14,33]，在NH4+-N中添加NO3--N可以缓解NH4+-N引起的代谢失调，在NO3--N中添加NH4+-N可以减少较高浓度NO3-消耗的大量还原力和光量子能量[34]，这与本研究结果一致。混合氮源有利于促进苗木生长，随着混合氮源中铵态氮比例的提高，苗木生长变快，当铵态氮比例超过50%或70%时苗木生长速度降低。之所以混合氮源营养可以促进苗木生长，可能是因为混合氮源有利于维持栽培介质的pH值，从而促进了植物的生理代谢和生长发育；也可能是由于NO3-作为信号物质诱导产生细胞分裂素，调节干物质在植物体内的分配从而促进植物生长[35]。

油茶对氮素的吸收、代谢和利用是一系列生理反应和物质代谢的结果，同时植物对氮素的吸收也会影响对其他元素的吸收利用。本试验仅研究了氮素形态对油茶苗木生长指标、光合特性及生理指标的影响，氮素及磷、钾肥协同吸收利用的机制值得后续研究。