避雨栽培下番茄莖流通徑和灰色關聯度分析

鄧 升，譚淋露，盧江海，楊 鵬，郭慶冰

(江西省水利科學研究院，江西 南昌 330029)

避雨栽培能夠有效提高和改善作物的產量及品質，在我國南方地區已廣泛應用于農作物及果樹生產中[1-3]。作物的騰發量可以通過莖液流量直接表征，因此，測定作物莖干的液流量可簡便得出其蒸騰量[4-5]。對避雨栽培條件下的作物而言，在覆蓋物和不同土壤水分綜合作用下,其生長環境與常規條件或封閉式的設施環境不同，導致影響作物耗水量的一些基本條件發生了變化，并進而影響到作物的莖流速度，有關避雨栽培條件下作物莖流與其環境因子關系等方面有待進一步研究。

通徑和灰色關聯度分析已廣泛應用于土壤、醫療、培育等領域[6-8]，通過此分析可以對自變量與因變量之間的表面相關性進行分解，從而得出各自變量對因變量的重要性，揭示各個因子對因變量的影響和關聯程度[9-11]。作物莖流速度的大小不但取決于基因類型，而且又受外界環境影響較大，通常難以用常規的統計方法評價多個環境因子與莖流的關系。本文利用通徑和灰色關聯度分析，對不同水分條件下番茄莖流及其環境影響因子進行分析，旨在為南方避雨條件下番茄栽培實踐提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況及種植方式

試驗于2016年4～8月在河海大學高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室避雨試驗區內進行(圖1)，試驗土壤質地為黏壤土，田間持水量為34.5%，0～30 cm土壤的平均容重為1.35 g/cm3，土壤內養分含量相差無幾。此次試驗番茄品種，每塊區域種植3行，行距為60 cm，株距為50 cm，種植密度為4.17萬株/hm2。于4月14日進行幼苗移栽，為確保幼苗的成活率，移栽后14 d內各處理進行3次灌水，灌水量相同。為了提供番茄生長需求的養分，分別于4月24日和5月9日將N∶P2O5∶K2O為15∶15∶15的復合肥以1500 kg/hm2均勻地施在各個小區。本次試驗采用各小區的中間行作為觀測和試驗區，以避免因各小區間的側向水分運動對研究結果產生影響，最終取長勢均衡的6株植物進行標記，并用于觀測和試驗數據采集。

圖1 避雨試驗區示意圖

1.2 試驗處理

試驗共設置4種灌溉與排水處理，各處理設計3個重復，以處理1作為對照，各試驗處理設計見表1。在避雨小區內埋設0.8 m深暗管，四周圍砌1.2 m深的排水農溝，試驗期間除了控制灌水外，試驗區其他的日常工藝及管理措施均按當地常規操作進行。作物灌溉方式為滴灌。

表1 避雨栽培番茄試驗處理

注：CK為對照,灌水下限為田間持水量80%，各個處理灌水時間相同，但灌水量分別為對照處理的70%、60%和50%。試驗小區實行暗管排水，暗管埋深為0.8 m。

1.3 觀測項目與數據處理

在番茄生育期內，選擇各處理有代表性的健康植株，將包裹式植物莖流計(Flow4-DL，Dynamax，USA)，安裝于番茄主莖距地面約30 cm處，從早晨7：00開始每15 min自動測定并記錄番茄莖流，到傍晚19：00結束測定，后經Dynagage軟件分析求得植株莖流流速變化情況。在測定各作物植株莖流期間，還需同時測定各處理0～10、10～30、30～50、50～70 cm等不同深度的土壤含水量。根據試驗園區自動氣象站和光合儀(Li-Cor，Lincoln,NE,USA)的監測，獲取小區的氣溫、太陽輻射、光合有效輻射、相對濕度等氣象因子數據，從而得到飽和水汽壓氣，采用公式(1)計算得出：

(1)

式中，VPD為飽和水氣壓差，Ta為氣溫，RH為相對濕度。

2 結果與分析

2.1 番茄莖流流速的變化規律

2.1.1 不同供水條件下莖流的日變化分析 由圖2可以看出，在有避雨措施且低供水條件下莖流日變化曲線變化較為平緩，莖流上升速率較小，日最大值出現較早且持續時間較長，后期莖流的下降也比較緩慢；在無避雨措施且充分供水條件下晴天太陽輻射較強，番茄莖流存在顯著的上升和下降階段。在陰雨天，不同供水條件下的莖流日變化曲線均表現出明顯的波動性，作物在供水條件上的差異很難以某一時刻莖流流速的大小來反映。與充分供水下的番茄莖流日變化曲線相比，隨著水分虧缺的加重，莖流日變化曲線呈現不同程度的差異，且在番茄水分虧缺到50%時，莖流日變化曲線的差異最為顯著。

2.1.2 不同天氣狀況下莖流的日變化分析 由圖2可知，番茄莖流變化呈明顯的晝夜節律，晴天日變化過程大致呈單峰曲線，隨著輻射強度的增加，莖流處于上升階段，番茄莖流在8:00左右才開始升高，中午13:00左右莖流流速達到峰值，之后開始逐漸降低，至19:00左右降至最低值，并在晚間維持在最低值。在中午，處理2的莖流變化曲線有明顯的波動，產生此特征的原因是：此時間段的輻射強度較高，作物葉片氣孔的開度不斷變化以維持根系吸水速率與蒸騰速率之間的平衡[12]。而在陰雨天，莖流會因太陽輻射較弱而呈明顯波動狀態并維持在較低的水平。由此可知，莖流流速的變化不僅與供水條件有關，而且對天氣的變化非常敏感，即氣象因子對番茄莖流流速變化的影響顯著。

圖2 不同供水條件在不同天氣狀況下番茄莖流的日變化

2.2 環境因子指標對作物莖流流速的通徑分析

通過分析試驗過程中土壤水分狀況和氣象要素與莖流的相關性及影響程度，經過對番茄生育期內相關數據的甄別和篩選，本文選取光合有效輻射(x1)、太陽輻射(x2)、飽和水汽壓(x3)、相對濕度(x4)、氣溫(x5)和土壤含水量(x6)與莖流流速(y)進行通徑分析。選用的統計指標主要包括指標間的相關系數ryi、決定系數dyi、通徑系數piy和對回歸方程R2的總貢獻等。

借助有關通徑分析的一些數學算法[13-14]，利用SPSS 14.0和Matlab 7.5計算得到6個環境因子對番茄生育期內莖流的相關系數和通徑系數。利用通徑分析原理，構建相關方程組，計算各環境因子與結果的相互作用，分析各變量對回歸方程估測可靠程度R2的總貢獻。計算各環境因子xi及兩兩指標對莖流的決定系數。

由表2及自變量間的回歸分析可得，各環境因子(x1-x6)與莖流(y)間線性回歸方程為：

y=242.34+0.042x1-0.112x2-0.085x3+2.725x4+11.091x5-2.571x6

(2)

回歸方程參數中，F=41.12，P<0.01，極顯著，因此避雨栽培番茄莖流和各環境因子間的多元回歸關系可用方程(2)表示。

圖3 避雨栽培番茄各環境因子與莖流流速的相關分析結果

由表2和表3可以看出，對R2的總貢獻最大的前3個因子分別是x2、x3、x5，而決定系數最大的前3個則分別是dy2、dy3、dy5。另外，經過對通徑系數進行顯著性分析可知，py2、py3和py5均是極顯著的。在極顯著的系數中，py5的絕對值最小，可近似認為絕對值大于dy5(0.266)的決定系數為顯著的，小于dy5則為不顯著的。

通過對6個自變量對番茄莖流的通徑分析得出：x2對y的決定系數最大，相對決定程度為0.635，而且x2對回歸方程R2的總貢獻位列第一，表明太陽輻射對番茄的莖流影響最為重要；x3對y的相對決定程度次之，為0.538，直接通徑系數為-0.488，且x3對R2的總貢獻為-0.253，對R2的總貢獻位列第三，表明飽和水汽壓也是影響番茄莖流大小的一項重要指標；x3和x5兩因子對y的共同決定系數為0.472，且x5對R2的總貢獻為0.160，居第三位，說明在關注飽和水汽壓對莖流影響的同時，還應該注重氣溫的高低，若二者皆高，則番茄的莖流也可能是會達到高值。由于r35=0.819，二者同向相關，同時皆高易于實現；x6對y的直接作用為-0.134，其對R2的總貢獻為0.033，因此土壤含水量對番茄莖流流速也具有一定的影響；誤差項e對y的相對決定系數為0.103，對y的直接作用為0.321，說明本次試驗存在一定的觀測誤差，或者未考慮對番茄莖流影響較大的因子。

表2 環境因子對番茄莖流流速的直接作用與間接作用分析

表3 各環境因子對番茄莖流流速的決定系數

2.3 灰色關聯分析

根據灰色系統理論和方法[15-17]，建立各個指標間的相關方程組，計算各環境影響因子對因變量的作用大小。以監測的各自變量試驗數據為比較數列，因變量為參考數列，利用Matlab 7.5軟件包計算因變量莖流與各自變量間的灰色關聯度，計算結果見表4。

表4 番茄莖流與各環境因子間的關聯度及排序

由表4可知，不同環境因子與番茄莖流流速的關聯度大小依次為太陽輻射>氣溫>飽和水汽壓差>相對濕度>土壤含水量>光合有效輻射。太陽輻射強度與莖流的關聯度最大，為0.785，其次為氣溫和飽和水汽壓差，關聯度分別為0.614和0.545，最小的為光合有效輻射。由此可見，太陽輻射與莖流的關系最為密切，對莖流速率有最重要的影響。飽和水氣壓差會隨著氣溫的升高而增大，從而加速擴散水分蒸騰，對作物莖流有直接影響。降低空氣濕度會使葉片細胞間的水汽壓差與空氣的水汽壓差增大，導致水分子擴散加快，從而增大莖流速度。另外，作物騰發量在不同的生長階段受土壤水分狀況的影響大小亦不同，通常作物莖流會隨土壤水分虧缺程度的增加而減小。

3 結論與討論

本文研究了不同控水及氣候條件下避雨栽培番茄莖流的日變化過程，分析了各環境影響因子對番茄莖流的影響。

在晴天條件下，番茄莖流速率日變化呈單峰曲線，早上啟動，中午達到峰值，晚上維持在低值，與太陽輻射、飽和水氣壓差等環境因子變化相似。

通徑分析與灰色關聯分析的結果基本一致。太陽輻射、飽和水汽壓差、氣溫是影響番茄莖流流速的3個最重要因子，2種方法關于飽和水汽壓差和氣溫對莖流影響作用大小排序稍有差別，但均表明光合有效輻射強度對莖流大小的影響最小。

本試驗僅僅考慮了一些主要環境因子對番茄莖流流速的影響。事實上，在生育期內莖的粗細度和植株的高度對作物的莖流流速也有一定程度的影響；且外部其他氣象條件(降水量、風速等)、土壤特性差異都可能會影響作物莖流流速的大小，對此還仍需進一步探討。