不同劑量保水劑對袋式復合沙培辣椒光合特性日變化規律的影響

程云霞，劉遷杰，賈 凱，時振宇，吳 慧

(新疆農業大學林學與園藝學院/新疆特色園藝作物種質資源與高效生產實驗室，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】辣椒(CapsicumannuumL.)屬茄科辣椒屬一年生或多年生能結漿果的草本植物。[1-2]。辣椒喜溫、喜水、喜肥。水資源匱乏的嚴峻問題對我國農業生產可持續及生態安全發展構成威脅[3-4]。研究不同劑量保水劑對袋式復合沙培辣椒光合特性日變化規律的影響。研究復合沙培辣椒節水抗旱具有重要的意義。【前人研究進展】保水劑是利用強吸水樹脂或淀粉等材料制成的高分子聚合物[5-6]，在保水劑增加土壤保水[7]、保肥[8]功能，改善土壤結構[9]方面做了的研究，但在保水劑施用后與基質栽培的蔬菜葉片光合特性關系有待研究。【本研究切入點】目前將保水劑運用于大田土壤試驗，如青稞[10]、煙草[11]、小麥[12]、馬鈴薯[13]等文獻較多，而袋式復合沙培辣椒中應用保水劑的研究較少。研究不同劑量保水劑對袋式復合沙培辣椒葉片光合特性日變化規律的影響。【擬解決的關鍵問題】袋式復合沙培模式，將淀粉保水劑施入基質中，采用運用LI-6400光合儀測定盛果期辣椒葉片的光合指標，研究不同劑量保水劑對袋式復合沙培辣椒光合特性的影響，為研究袋式復合沙培辣椒栽培應用保水劑提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2019年5～9月在新疆農業大學林學與園藝學院試驗基地進行。供試辣椒品種為瑞霸五號(烏魯木齊市瑞祥農業科技有限公司)；保水劑為淀粉型保水劑(河南化工產品有限公司)；有機顆粒肥(一種生物有機肥，有效活菌數≥0.20×108/g(細黃鏈霉菌)；有機質含量≥40%；容重=0.86 kg/L；山川秀麗生物有限公司和烏魯木齊市辛化綠農農資有限公司聯合生產)

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用隨機區組設計，設置6個保水劑處理水平，分別為B0：0 g/穴(CK)、B1：0.6 g/穴、B2：1.2 g/穴、B3：1.8 g/穴、B4：2.4 g/穴、B5：3.0 g/穴，每個處理3次重復，每個重復1個小區，每個小區15個栽培袋，每個栽培袋定植2株，栽培袋株行距35 cm×70 cm。

2019年3月11日辣椒種子經過55℃溫湯浸種，28℃恒溫催芽，80%“露白”后播種于72穴穴盤中；定植前將沙、椰糠、腐熟的羊糞按2∶1∶1體積比混合均勻裝入栽培袋中，基質高25 cm，直徑為20 cm，然后每袋按設計要求穴施不同劑量保水劑，5月11日將幼苗定植于穴施不同劑量保水劑的栽培袋中；定植時澆透定植水；幼苗定植30 d后，各處理定時定量統一灌水并適時噴施鈣肥和磷酸二氫鉀，追施一定量有機顆粒肥；及時抹除門椒以下的葉腋并預防病蟲害的發生。

1.2.2 測定指標

辣椒盛果期時即2019年8月20日晴朗無云天氣條件下，每個重復隨機選取5株，每株選擇辣椒植株中部3片功能葉，用LI-6400型便攜式光合儀測定凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)，從08:00開始每隔2 h測定一次，分別為08:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00、20:00。利用凈光合速率和蒸騰速率計算水分利用效率(WUE)：WUE =Pn/Tr[14]。

1.3 數據處理

采用Excel對試驗數據進行處理，用SPSS 19.0數據處理軟件進行顯著性分析、相關性分析及主成分分析，用Duncon多重比較進行顯著性分析，用GraphPad Prism 8、TBtool v0.66831制圖。采用隸屬函數法對測定指標進行標準化處理[15-16]。

正隸屬函數Ui=Xi-Xmin/Xmax-Xmin.

(1)

反隸屬函數U’i= 1-(Xi-Xmin/Xmax-Xmin).

(2)

Ui和U’i為每個處理的第i個指標原始值轉化后的隸屬函數值，Xi為每個處理第i個指標的原始測定值，Xmin和Xmax分別為第i個指標的最小值和最大值。

主成分分析法：對標準化后的數據進行主成分分析，提取出對袋式復合沙培辣椒葉片光合參數有顯著影響的主成分，得出各主成分的分值，計算綜合得分進行排名。

2 結果與分析

2.1 不同劑量保水劑對袋式復合沙培辣椒葉片光合特性日變化的影響

2.1.1 不同劑量保水劑對袋式復合沙培辣椒葉片凈光合速率(Pn)日變化的影響

研究表明，不同劑量保水劑的袋式復合沙培辣椒的凈光合速率的日變化均由高到低為B5>B4>B3>B2>B1>B0，且均呈雙峰型曲線，從早晨08:00至12:00左右凈光合速率呈逐步增加的趨勢，12:00時達到第1個高峰，但隨著中午氣溫的升高以及光照強度的增強，凈光合速率急劇減小，然后再次隨著時間的延長，凈光合速率又出現增長的趨勢，16:00時又出現了第2個高峰，隨后又迅速下降。在12:00時辣椒葉片的凈光合速率隨著保水劑用量的增加呈現上升的趨勢，其中B5的凈光合速率最高為12.91 μmol/(m2·s)，其次是B4，為11.83 μmol/(m2·s)；在16:00時，各處理間差異不顯著。辣椒栽培過程中施加保水劑有助于提高辣椒葉片的凈光合效率。圖1

圖1 不同劑量保水劑下袋式復合沙培辣椒葉片凈光合速率變化

2.1.2 不同劑量保水劑對袋式復合沙培辣椒葉片氣孔導度(Gs)日變化的影響

研究表明，隨著一天溫度及光照強度的變化，不同處理的辣椒均在12:00和16:00點時，出現高峰，不同劑量保水劑的袋式復合沙培辣椒葉片氣孔導度的日變化均由高到低為B5>B4>B3>B2>B1>B0，其中B5的氣孔導度最高為0.22 μmol/(m2·s)，其次B4的氣孔導度為0.21 μmol/(m2·s)。圖2

圖2 不同劑量保水劑下袋式復合沙培辣椒葉片氣孔導度變化

2.1.3 不同劑量保水劑對袋式復合沙培辣椒葉片胞間CO2濃度(Ci)日變化的影響

研究表明，隨著一天溫度及光照強度的變化，不同處理的辣椒均在14:00時，出現低谷，不同劑量保水劑的袋式復合沙培辣椒葉片的胞間CO2濃度的日變化均由高到低為B0>B1>B2>B3>B4>B5，其中B5的氣孔導度最低為163.82 μmol/mol，其次是B4的氣孔導度為170.36 μmol/mol。圖3

圖3 不同劑量保水劑下袋式復合沙培辣椒葉片胞間CO2濃度變化

2.1.4 不同劑量保水劑對袋式復合沙培辣椒葉片蒸騰速率(Tr)日變化的影響

研究表明，隨著1 d溫度及光照強度的變化，不同處理的辣椒葉片蒸騰速率均在14:00點時，出現高峰，不同劑量保水劑的袋式復合沙培辣椒的蒸騰速率的日變化均由高到低為B5>B4>B3>B2>B1>B0，其中B5的蒸騰速率最高為5.37 mmol/(m2·s)，其次是B4的蒸騰速率為5.18 mmol/mol。圖4

圖4 不同劑量保水劑下袋式復合沙培辣椒蒸騰速率變化

2.1.5 不同劑量保水劑對袋式復合沙培辣椒葉片水分利用效率(WUE)日變化的影響

研究表明，隨著1 d溫度及光照強度的變化，不同劑量保水劑的袋式復合沙培辣椒葉片的水分利用效率的日變化均由高到低為B5>B4>B3>B2>B1>B0，且均呈“N”型曲線。在08:00到10:00快速增加，隨著氣溫和光照的增加到14:00時降到最低，最后又隨著溫度的降低光線的減弱，水分利用效率又開始緩慢的增加。圖5

圖5 不同劑量保水劑下袋式復合沙培辣椒水分利用效率變化

2.2 不同劑量保水劑對袋式復合沙培辣椒葉片光合特性影響的相關性與主成分

2.2.1 相關性

研究表明，Pn與Tr日均值之間呈極顯著相關(P<0.01)，與WUE日均值呈負相關，與Ci日均值呈極顯著負相關(P<0.01)；Tr與Ci日均值呈極顯著負相關(P<0.01)，與WUE日均值呈負相關；WUE與Gs日均值之間呈顯著相關(P<0.05)。不同劑量的保水劑對袋式復合沙培辣椒各光合參數之間存在極為緊密的相關性。圖6

圖6 不同劑量保水劑下袋式復合沙培辣椒葉片各光合參數間的相關性

2.2.2 數據的標準化處理

為了避免光合特性指標單位不一樣，在進行主成分分析之前，先利用0～1的隸屬函數法對待測數據進行標準化處理。表1

表1 不同劑量保水劑下袋式復合沙培辣椒葉片各光合參數測定值

主成分分析法是在不損失或極少損失原始信息的前提下，把多個互相關聯的指標轉化為新的相互獨立且數量較少的綜合指標。對辣椒的5個光合參數進行相關分析，并應用主成分分析的方法構建袋式復合沙培辣椒光合參數評價方程[17]。由于特征值>1，所以提取2個主成分，累積貢獻率為95.77%，可采用這2個主成分來代替光合參數進行分析。表2

表2 主成分的特征值、貢獻率和累計貢獻率

2.2.3 不同劑量保水劑對袋式復合沙培辣椒葉片光合參數主成分的綜合評分

用各主成分載荷值除以各主成分特征值的平方根計算出特征向量值，再將特征向量與標準化值相乘得到各主成分的表達式。表3

表3 各主成分載荷矩陣

F1= 0.56X1-0.05X2+ 0.56X3+ 0.57X4-0.21X5.

(3)

F2= 0.18X1+ 0.72X2+ 0.09X3+ 0.03X4+ 0.67X5.

(4)

其中，X1表示凈光合速率(Pn)、X2表示氣孔導度(Gs)、X3表示胞間CO2濃(Ci)度、X4表示蒸騰速率(Tr)、X5表示水分利用效率(WUE)、F1表示主成分1光合效率的得分、F2表示主成分2光合效率的得分。用各主成分的特征值合特征根之和得到特征根所占權重(A)，構建光合特性指標綜合評價的數學模型。

F=A1F1+A2F2.

(5)

其中，F為光合效率的綜合得分，A1、A2分別為第1和第2主成分的權重。

研究表明，不同劑量保水劑對袋式復合沙培辣椒各光合效率的綜合得分F由高到低依次為B5>B4>B3>B2>B1>B0。在栽培基質中加入保水劑的辣椒葉片光和效率的綜合得分均高于不施加保水劑的處理，在栽培基質中施加保水劑有助于提高袋式復合沙培辣椒葉片的光合效率。表4

表4 不同劑量保水劑下袋式復合沙培辣椒葉片各光合效率的主成分評價

3 討 論

3.1 不同劑量保水劑對袋式復合沙培辣椒光合特性日變化的影響

植物光合日變化曲線主要呈現為“單峰”和“雙峰”，且第一峰比第二峰略高一點，11:00～15:00隨著氣溫和葉溫的逐漸升高，葉片蒸騰速率迅速上升，水勢急劇下降，進而引起氣孔關閉，氣孔導度下降，凈光合速率下降，從而出現“午休”現象[18-21]。試驗中各處理的凈光合曲線均為“雙峰”，且在下午14:00葉片出現“午休”現象，這與齊曉晨[14]、牛雯[22]等測定的凈光合日變化曲線一致。試驗中辣椒葉片的光合速率、氣孔導度、蒸騰速率隨著復合沙培基質中保水劑的用量增加而增加，胞間CO2濃度隨著基質中保水劑用量的增加而下降，這與包開花[23]、趙進恒等[24]研究結果一致，說明在栽培基質或者土壤中加入適量的保水劑有助于提高作物葉片的光合效率。

3.2 不同劑量保水劑對袋式復合沙培辣椒光合特性影響的主成分

不同劑量保水劑對袋式復合沙培辣椒光合特性有不同的影響，只利用其中單個指標對不同處理的辣椒葉片光合特性進行評價不具有代表性，由于各個指標之間具有一定相關性，對不同處理辣椒中葉片光合特性進行評價，需要利用隸屬函數對各光合參數進行標準化處理，并進行相關性分析和主成分分析，從而增加試驗數據的準確性和全面性。試驗采用相關性分析和主成分分析法進行分析，從5項光合參數指標中計算綜合指標、貢獻率，提取出特征根 > 1的2個主成分因子，第1主成分中光合特性指標特征向量絕對值按光合參數由高到底依次為Tr、Ci、Pn、Gs、WUE，其載荷值為1.00、0.98、0.97、-0.08和-0.36；第2主成分中光合參數按照特征向量絕對值排序由高到低依次為Gs、WUE、Pn、Ci、Tr，其載荷值為0.95、0.88、0.24、0.12和0.04。6種保水劑劑量的光合效率的綜合得分由高到低為B5>B4>B3>B2>B1>B0，栽培過程中施加一定量的保水劑有助于提高辣椒葉片的光合效率該結果與張力[25]、馬洪義[26]等研究結果一致。

4 結 論

在栽培基質中加入不同劑量保水劑有助于提高袋式復合沙培辣椒葉片的光合特性。其中，B5處理(3.0 g/穴)，光合速率為12.91 μmol/(m2·s)，氣孔導度為0.22 μmol/(m2·s)，胞間CO2為163.82 μmol/mol，蒸騰速率為5.37 mmol/(m2·s)，水分利用效率為3.28 μmol/(m2·s)。在復合沙培中施加3.0 g/穴保水劑，有助于提高辣椒葉片的光合效率。