基于主成分分析評價間伐改形對蘋果葉片生理指標(biāo)的影響

牛軍強　尹曉寧　董鐵　孫文泰　馬明

關(guān)鍵詞：蘋果；富士；間伐改形；主成分分析；葉片質(zhì)量；隴東

中圖分類號：S661.1 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2097-2172（2023）07-0631-08

隴東旱塬區(qū)由于其獨特的海拔、光照優(yōu)勢，以及晝夜溫差大、降水量適中等適宜的氣候條件，已成為我國紅富士等晚熟蘋果栽培的最適宜產(chǎn)區(qū)之一，蘋果產(chǎn)業(yè)也是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和鄉(xiāng)村振興的支柱產(chǎn)業(yè)。但該產(chǎn)區(qū)80%以上的成齡喬化果園出現(xiàn)的樹冠郁閉、枝量繁多、光照惡化、病蟲害嚴重、大小年結(jié)果明顯、果實質(zhì)量降低等問題，已嚴重影響蘋果產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展，喬化密閉果園樹體的合理間伐改形是當(dāng)?shù)靥O果栽培中亟待解決的重大技術(shù)問題。

間伐改形是喬化密閉蘋果園改造的核心技術(shù)，也是蘋果優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。科學(xué)合理的間伐改形，能夠改善果園郁閉狀況，優(yōu)化群體結(jié)構(gòu)，提高冠層相對光照強度和溫度，在改善冠層光強和溫度分布狀況的同時，顯著提高花芽分化能力。

主成分分析法能夠準(zhǔn)確確定所研究各指標(biāo)的權(quán)重，科學(xué)找出數(shù)目相對較少而且還能夠代表所有變量的主成分，從而避免評價結(jié)果的片面性和不穩(wěn)定性。它不但能夠把控所要評價指標(biāo)類型的綜合性狀表現(xiàn)，而且能夠簡化評價步驟與程序，是適合綜合評價候選個體的一種全面、高效的統(tǒng)計分析方法，并在雜柑、枸杞、櫻桃酒、葡萄和蘋果等的資源品質(zhì)評價中得到應(yīng)用，但利用主成分分析評價間伐改形對密閉果園的影響鮮有報道。為探討間伐改形不同處理水平對隴東旱塬密閉果園葉片質(zhì)量指標(biāo)的影響，我們運用主成分分析法對間伐改形不同處理水平進行綜合評價，以篩選出間伐改形最佳處理水平，為密閉果園樹體的科學(xué)改造提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

試驗于2021—2022年在甘肅省靜寧縣城川鎮(zhèn)試驗園（N 35°23′38″、E 105°48′33″）進行。試驗園地處隴東黃土高原區(qū)，海拔1601 m，年平均氣溫7.23℃，無霜期160 d，年日照時數(shù)2240h，年降水量500 mm左右，春季降水稀少，秋季降水豐沛。供試果園面積為1 850 m²，土壤為黃綿土，耕層土壤含有機質(zhì)9.60 g/kg、全氮0.88 g/kg、全磷0.87g/kg、全鉀21.63 g/kg、堿解氮61.86 mg/kg、有效磷32.56 mg/kg、速效鉀212.67 mg/kg，pH8.05。

1.2供試材料

指示蘋果品種為長富2號（2003年定植）。砧木為八棱海棠，株行距為3m×4m，密度834株／hm²，授粉樹為秦冠和金冠。樹形為改良紡錘形，株高380～430 cm，干高55～75 cm，主枝數(shù)量7～9個，主枝角度70～85°，樹冠交接率160%以上。果園為雨養(yǎng)條件，樹盤采用高壟覆蓋黑色地膜集雨保墑，行間覆草，綜合管理水平中上，在該產(chǎn)區(qū)具有典型的代表性。

1.3試驗方法

2021年1月上中旬參照牛軍強等的試驗，試驗共設(shè)1個間伐改形處理和1個對照處理[不進行間伐改形（CK）]，各77株。處理為果園樹體改造（間伐改形），即每行樹體中每隔1株樹體間伐1株（隔株間伐），使果園樹體密度由834株／hm²變?yōu)?17株/hm²，株行距由3mx4m變?yōu)?mx4m。同時配合落頭、提干、開角、疏大枝等措施，使樹體高度降為320 cm左右，主干高度抬升至100 cm左右。選留層間距合理、枝干比大小適宜、方位均衡分布的主枝4～5個，主枝基部開張角度為90～95°。同時采用喬化富士蘋果常用的修剪手法進行冬剪（多長放、不短截、合理疏枝、極少回縮），修剪量為樹體枝條總量的30%左右。對照（CK）為果園樹體不改造（不進行間伐改形），即定植密度（834株/hm²）和株行距（3m×4m）保持不變，對樹體不再采取落頭、提干、開角、疏大枝等改造措施。其余修剪手法與間伐改形處理一致，即只采用正常的多長放、不短截、合理疏枝、極少回縮的手法修剪，修剪量也為30%左右。

1.4測定指標(biāo)與方法

1.4.1測定部位 在葉片生理指標(biāo)測定、葉片顯微結(jié)構(gòu)觀測、葉片光合參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定取樣時，參照牛軍強等的方法，將樹冠按不同部位分為3個水平，分別是：①中上部，即樹體冠層高度大于160 cm，同時與中央領(lǐng)導(dǎo)干距離大于90 cm的冠層空間；②下部外圍，即樹體冠層高度介于100～160 cm，同時與中央領(lǐng)導(dǎo)干距離大于110 cm的冠層空間；③下部內(nèi)膛，即樹體冠層高度介于100～160 cm，同時與中央領(lǐng)導(dǎo)干距離為30～110 cm的冠層空間。其中間伐改形處理的中上部、下部外圍、下部內(nèi)膛分別用T-Ⅰ、T-Ⅱ、T-Ⅲ表示，對照的中上部、下部外圍、下部內(nèi)膛分別用CK-I、CK-Ⅱ、CK-Ⅲ表示。

1.4.2葉片光合參數(shù)、熒光參數(shù)測定 參照牛軍強等的方法，于2021年8月上旬，各處理選擇長勢基本一致、中庸健壯的樹體各5株。每株在樹冠中上部、下部外圍東南部生長健壯且長勢基本一致的枝條中，從枝條基部向上數(shù)第4～6片中選取無病蟲害、無損傷、長勢健壯的3個功能葉片作為待測葉片；于樹冠下部內(nèi)膛的東南部的生長勢健壯的中短枝中，從枝條基部向上數(shù)第3～5片中選取無病蟲害、無損傷的3片功能葉作為待測葉片。

采用LI-6400光合儀（美國產(chǎn)，Li-COR Inc，Lincoln NE，USA）進行光合參數(shù)測定。參照牛軍強等的方法，測定于晴朗天氣的8：30～10：30時段進行，共測定4次。大氣CO2濃度約為390μmol/mol，溫度設(shè)定為25℃，光強（PAR）控制為1400μmol/ （m²·s），相對濕度60%的條件下，采用開放式氣路測定葉片凈光合速率等光合參數(shù)。

采用FMS-2脈沖調(diào)制式熒光儀（英國產(chǎn)，Hansatech，UK）測定熒光參數(shù)。參照牛軍強等的方法，將待測葉片首先放置在完全黑暗的條件下適應(yīng)30 min后，再用弱光照射，測定基礎(chǔ)熒光等葉綠素?zé)晒鈪?shù)。

1.4.3葉片顯微結(jié)構(gòu)觀測 8月下旬仍舊以光合、葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定的樹體為試材。測試葉片的選取與光合、葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定一樣。參照呂三三等的方法，將采集的葉片即刻在葉片邊緣和中部葉脈之間截取小塊（面積2～3 mm²）作為測定樣品。樣品截取后立即在2.5%戊二醛溶液中固定，接著采用梯度乙醇脫水，然后用醋酸異戊酯置換，在液態(tài)CO₂中干燥，最后進行樣品粘合和噴金處理。采用S-4800型掃描電子顯微鏡在放大100倍的視野下觀測拍攝葉片顯微結(jié)構(gòu)，每處理觀測9個視野。利用Motic images Plus 2.0軟件測量葉片厚度（LF）、柵欄組織厚度（PT）、海綿組織厚度（ST），計算柵欄組織厚度／海綿組織厚度（PT/ST）。

1.4.4葉片生理參數(shù)測定 9月上旬，繼續(xù)將8月中旬用于光合、葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定的樹體（每處理3株）作為試材。葉片選取方法和數(shù)量與光合、葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定相同。葉片采集后，用ELISA試劑盒測定葉綠素（Chl）、抗壞血酸（ACC）、抗壞血酸氧化酶（AO）、1，5二磷酸核酮糖（RUBP）、磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和多酚氧化物酶（PPO）。將標(biāo)記有樣品、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和HRP的測試抗體添加到預(yù)先用捕獲抗體包被的微孔中，然后孵育并徹底清洗。以TMB為底物，TMB在過氧化物酶的催化下轉(zhuǎn)化為藍色，最后在酸的作用下變?yōu)辄S色。顏色深度與樣品中物質(zhì)的濃度呈正相關(guān)。用Rayto RT-6100型酶標(biāo)儀在450 nm處測量樣品的吸光度（OD），然后計算樣品濃度。

1.5數(shù)據(jù)處理

采用DPS16.05軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用單因素（one-way ANOVA）和Duncan法，對光合參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、葉片組織結(jié)構(gòu)參數(shù)和生理參數(shù)等數(shù)據(jù)進行方差分析和多重比較（a=0.05）。圖表中數(shù)據(jù)均為平均值。用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件對所有數(shù)據(jù)進行主成分分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同處理對蘋果樹葉片質(zhì)量指標(biāo)的影響

2.1.1葉片光合參數(shù) 間伐改形對葉片光合參數(shù)有顯著影響。樹體相同冠層部位中，間伐改形處理的P_n、g_s、T_r均顯著大于CK，分別比CK提高了11.85%、18.51%、8.11%；G顯著小于CK，比CK減小了6.87%。同時，相同處理不同部位間也存在顯著差異，間伐改形處理和CK的P_n、g_s、T_r均為冠層中上部>下部外圍>下部內(nèi)膛，而C_i均為冠層中上部<下部外圍<下部內(nèi)膛（表1）。

2.1.2葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù) 間伐改形對葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)有顯著影響。相同冠層條件下，間伐改形處理的F_m、q_N、ABS/RC、ETo/RC、TRo/RC均顯著大于CK，分別比CK提高了1.59%、2.05%、10.45%、6.28%、5.49%。且相同處理不同部位間也存在顯著差異，間伐改形處理和CK的F_m、g_N、ABS/RC、ETo/RC和TRo/RC均表現(xiàn)為冠層中上部>下部外圍>下部內(nèi)膛，但各處理水平間F_o、F_v/F_m和DIo/RC沒有顯著差異（表1）。

2.1.3葉片組織結(jié)構(gòu)參數(shù) 間伐改形對葉片組織結(jié)構(gòu)參數(shù)有顯著影響。樹體相同冠層部位中，間伐改形處理的LT、PT、ST、PT/ST均顯著高于CK，其中LT、PT、ST比分別CK提高了5.5%、9.3%、4.3%。且同一處理中，LT、PT、ST均表現(xiàn)為冠層中上部>下部外圍>下部內(nèi)膛。表明間伐改形可以增加蘋果葉片柵欄組織、海綿組織厚度，增大柵欄組織／海綿組織，增加葉片厚度，且在葉片增厚中柵欄組織起的作用更為顯著（表1）。

2.1.4葉片生理參數(shù) 間伐改形對葉片生理參數(shù)同樣有顯著影響。樹體同一冠層部位中，間伐改形處理葉片中的Chl、ACC、RUBP和PEP含量均顯著高于CK，分別比CK提高了6.17%、8.80%、11.93%、5.95%；AO和PPO均顯著低于CK，分別比CK減小了12.24%、12.23%。且同一處理的不同部位也存在顯著差異，不管是間伐改形處理還是CK，葉片的Chl、ACC、RUBP和PEP含量均表現(xiàn)為冠層中上部>下部外圍>下部內(nèi)膛，而AO和PPO含量均表現(xiàn)為冠層中上部<下部外圍<下部內(nèi)膛（表1）。

第2主成分包含了原始信息量的5.35%，其中，僅有ST有較大的正系數(shù)值（0.888），對PC2產(chǎn)生正向影響，其余18個參數(shù)沒有較大的正負系數(shù)值，對PC2沒有產(chǎn)生明顯正負向影響，說明PC2大時，僅有組織參數(shù)ST正向指標(biāo)的值增大，其余18個參數(shù)無顯著變化，PC2可稱為葉片海綿組織指標(biāo)。

2.4不同處理水平葉片質(zhì)量的綜合評價

各主成分方差貢獻率不同，因此在進行綜合評價時，在結(jié)合主成分貢獻率的基礎(chǔ)上，要協(xié)調(diào)好各主成分之間的側(cè)重關(guān)系。根據(jù)林海明等的方法，以各主成分相對方差貢獻率為權(quán)重，對各處理水平前2個主成分得分和相應(yīng)權(quán)重進行線性加權(quán)求和構(gòu)建葉片質(zhì)量綜合評價函數(shù)，即：F=（0.908 0F1+0.053 SF2）/0.9615。通過該公式計算可得6個處理水平的綜合得分（表4），并按得分大小進行排序，綜合得分越高，排名越前，說明該處理水平下的葉片質(zhì)量越好。6個處理水平葉片質(zhì)量排名如下，間伐改形中上部（T-Ⅰ）>對照中上部（CK-Ⅰ）>間伐改形下部外圍（T-Ⅱ）>間伐改形下部內(nèi)膛（T-Ⅲ）>對照下部外圍（CK-Ⅱ）>對照下部內(nèi)膛（CK-Ⅲ）。

植物葉片柵欄組織的發(fā)達程度是衡量其葉片利用衍射光進行光合作用能力的有效指標(biāo)，即高度發(fā)達的柵欄組織可有效提高葉片光能利用效率。呂三三等認為，葉片柵欄組織細胞的增加，為葉綠素分布提供了充足的空間，從而使得葉綠素含量增加。葉綠體是葉片光合作用的主要場所，集中分布在柵欄組織中，葉綠素含量與葉肉細胞的柵欄組織厚度／海綿組織厚度有關(guān)，葉綠素含量的增加，可有效促進色素蛋白復(fù)合體的功能的發(fā)揮，進而促進葉綠體對光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化。RuBP羧化酶是一個既可以催化光合碳循環(huán)中CO₂的固定，又可以催化光呼吸的雙功能酶，其存在于光合碳氧化和光合碳還原的兩個相互連鎖且方向相反的循環(huán)交叉點上，直接決定著凈光合速率的大小，是光合碳同化過程中的關(guān)鍵酶。PEP羧化酶也是C4植物光合碳同化中重要的C02固定酶，其羧化產(chǎn)物是草酰乙酸，可進一步轉(zhuǎn)變成蘋果酸和天冬氨酸，也可以反映光合作用的大小。本試驗中，間伐改形后葉片柵欄組織厚度（PT）、柵欄組織厚度／海綿組織厚度（PT/ST）、葉綠素含量、RuBP羧化酶和PEP羧化酶活性均顯著增加，葉片質(zhì)量得到顯著提高，進而促進了葉片凈光合速率，提高了葉片的ABS/RC、ETo/RC、TRo/RC，從而提高了樹體的光合同化能力。

主成分分析法的主要功能是通過對眾多不同數(shù)據(jù)變量進行無量綱化處理，利用線性變化規(guī)律將眾多數(shù)據(jù)變量簡化成少數(shù)綜合變量，各主成分之間相互獨立，可以更加科學(xué)準(zhǔn)確的評價各數(shù)據(jù)變量之間的關(guān)系。本試驗通過主成分分析，對密閉果園間伐改形前后不同處理水平的葉片質(zhì)量進行綜合評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第1主成分主要包含了葉片質(zhì)量的光合特性（P_n、g_s、T_r）、熒光特性（F_m、q_N、ABS/RC、ETo/RC、TRo/RC）、組織結(jié)構(gòu)（LT、PT、PT/ST）和生理指標(biāo)（Chl、ACC、RUBP和PEP）信息，一般光合、熒光特性強、組織結(jié)構(gòu)發(fā)達、生理指標(biāo)越優(yōu)良的處理水平在第1主成分得分越高，第1主成分的方差貢獻率為90.80%，說明第1主成分包含了原始信息量的90.80%，其光合熒光特性、組織結(jié)構(gòu)和生理指標(biāo)在葉片質(zhì)量綜合評價中所占的權(quán)重很大。第2主成分的方差貢獻率為5.35%，說明第2主成分包含了原始信息量的5.35%，其得分大小主要由葉片海綿組織來決定。前2個主成分的累計方差貢獻率達到96.15%，即這2個主成分涵蓋了原始數(shù)據(jù)信息總量的96.15%，分別為光合特性、熒光特性、組織結(jié)構(gòu)和生理指標(biāo)等，這些與蘋果生產(chǎn)實踐中樹體優(yōu)質(zhì)葉片要求的葉片大而厚、光合能力強和葉片質(zhì)量好等完全相符合。對前2個主成分的表達式和貢獻率建立綜合評價模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，6個處理水平葉片質(zhì)量綜合得分排名如下，間伐改形中上部（T-Ⅰ）對照不間伐改形中上部（CK-Ⅰ）>間伐改形下部外圍（T-Ⅱ）>間伐改形下部內(nèi)膛（T-Ⅲ）>對照不間伐改形下部外圍（CK-Ⅱ）>對照不間伐改形下部內(nèi)膛（CK-Ⅲ）。

綜上所述，間伐改形可有效改善葉片組織結(jié)構(gòu)、優(yōu)化葉片生理指標(biāo)、提升葉片光合熒光特性、促進葉片光合效率，是提高成齡喬化密閉果園樹體葉片質(zhì)量的有效措施。