基于主成分分析及隸屬函數(shù)法評價氮素形態(tài)對油茶苗木的影響

王 瑞，何之龍，張 震，徐 婷，王湘南，張 英，陳永忠

（1.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.國家油茶工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

氮素是植物生長發(fā)育必需的大量營養(yǎng)元素之一，是影響植物生長發(fā)育和產(chǎn)量的重要因素，在植物生命活動中具有不可替代的作用[1]。植物吸收利用的主要氮素形式為銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）和有機氮，其中NH4+-N和NO3--N吸收量最大。氮素形態(tài)不同，對植物生長發(fā)育的影響有著顯著的不同，對植物也會產(chǎn)生不同的生理效應(yīng)[2]。氮素形態(tài)對植物影響的研究對指導(dǎo)施肥具有重要意義。

油茶是我國特有的木本食用油料樹種，主要分布在紅壤區(qū)，氮素是限制油茶生長的重要因子之一。農(nóng)業(yè)上關(guān)于氮素形態(tài)對作物的影響研究較多[3-12]，但并未得出一致性結(jié)論，有學(xué)者認為植物對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的吸收量相似且效果相當(dāng)，但也有大量研究表明多數(shù)植物更易吸收銨態(tài)氮[13-17]，如王胤等[18]認為銨態(tài)氮對馬尾松組培苗生長和養(yǎng)分積累的促進作用優(yōu)于硝態(tài)氮，在培育馬尾松組培苗時，建議全施銨態(tài)氮肥料（硝銨配比=0∶10），近年來越來越多的研究證明硝銨態(tài)氮混施促進植物生長的效果最為顯著[19]，如花蕊等[20]通過研究發(fā)現(xiàn)高比例的硝銨配比（硝銨配比=75∶25）是促進銀杏苗的生長和提高葉品質(zhì)效果最佳的配比，陳永亮等[21]通過對紅松幼苗的研究表明不同氮素混合處理使紅松幼苗各生理指標增加的效應(yīng)大于純銨和純硝處理效果。目前有關(guān)不同氮素形態(tài)對油茶生長影響的報道較少[22-25]。本試驗研究了氮素對油茶苗木營養(yǎng)生長、光合特性、光合生理指標的影響，并利用主成分分析法和隸屬函數(shù)分析法進行了分析，以期為油茶苗木施肥提供依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于湖南省林業(yè)科學(xué)院國家油茶種質(zhì)資源收集保存庫（國家油茶工程技術(shù)研究中心試驗站），（113°01′E，28°06′N），海拔80～100 m，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，春末夏初多雨，夏秋多旱，年均溫16.8 ～17.3 ℃，極端最高溫40.6 ℃，極端最低溫-12 ℃。年平均降水量1 422 mm，無霜期275 d，年均相對濕度80%。土壤為第四紀紅壤，pH值在4.5～5.5之間，有機質(zhì)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，全鉀含量4.53 g·kg-1[24]。

1.2 試驗材料

以‘湘林27號’1年生實生苗為試驗材料。2018年10月采集油茶種子，選取均勻、顆粒飽滿、無病蟲害的種子砂藏，2019年3月選擇露白一致的種子播種于容器中，容器規(guī)格為高 12 cm，上口徑8 cm，栽培基質(zhì)為黃心土、珍珠巖和泥炭，體積比為3∶1∶1，基質(zhì)pH 值為5.88，銨態(tài)氮0.92 mg·L-1，硝態(tài)氮2.34 mg·L-1。上杯后緩苗3個月，2019年6月選取生長狀況一致、無病蟲害的苗木施肥。

1.3 試驗設(shè)計

采用液體澆灌的方式施肥，為了確保苗木在正常營養(yǎng)條件下生長，加入改良的Holgland營養(yǎng)液（無氮素），營養(yǎng)液組成為：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，F(xiàn)eSO4·7H2O 20 mg·L-1。在所有營養(yǎng)液中均加入7 μmol·L-1硝化抑制劑二氰二胺（C2H4N4）抑制硝化作用。

試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，硝態(tài)氮源和銨態(tài)氮源分別為分析純硝酸鈉和硫酸銨，硝酸鈉為天津市光復(fù)精細化工研究所生產(chǎn)，NaNO3含量≥99.0%，硫酸銨為天津市大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn)，(NH4)2SO4含量≥99.0%。氮素水平為8.0 mmol·L-1，不同的氮素形態(tài)配比[m(NO3--N)/m(NH4+-N)]=10∶0、7∶3、5∶5、3∶7、0∶10）和對照（不施氮肥）共計6個處理，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，每個重復(fù)200株苗木，具體如表1所示。6月中旬開始第一次施肥處理，之后每隔1周施肥1次，共10次，每株苗澆灌300 mL營養(yǎng)液，澆透。托盤收集的溶液用于再次澆灌，確保氮素不流失。試驗在溫室中進行，溫室光照6 000～8 000 lx，溫度20～25 ℃，濕度80%～85%。除施肥外，正常澆水、除草等管護。

表1 不同處理下的氮素比例Table 1 Nitrogen ratio under different treatments

1.4 試驗方法

苗高用卷尺測量，地徑用游標卡尺測量，用生長增量衡量營養(yǎng)生長情況。即生長增量=W2-W1，W1為試驗開始前采集的數(shù)據(jù)，W2為11月份采集的數(shù)據(jù)。

生物量的測定采用稱質(zhì)量法。

根系形態(tài)指標采用萬深LA-S植物根系分析儀測定。

凈光合速率、光響應(yīng)曲線及熒光參數(shù)使用LI-6400型便攜式光合作用測定儀測定。

葉面積采用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI-3100A葉面積儀測定。

葉片SPAD值采用日本柯尼卡公司的SPAD 502 Plus型葉綠素儀測定。

葉綠素含量的測定采用丙酮-乙醇混合液法[26]。

硝酸還原酶活性的測定采用活體分析法[26]。

GS和GOGAT的活性測定方法參考Miflin[27]、王小純等[28]和杜旭華[3-4]等的方法進行測定。

可溶蛋白含量的測定采用考馬斯亮藍法[29]。

可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法[29-30]。

葉片中全氮含量測定采用凱氏定氮法[31]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel 2007軟件處理數(shù)據(jù)，采用SPSS 25.0軟件進行相關(guān)分析、主成分分析和隸屬函數(shù)分析。

隸屬函數(shù)值的計算方法：

如果某一指標與苗木營養(yǎng)生長呈正相關(guān)，則公式為：U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，i=1，2，3，…，n；如果某一指標與苗木營養(yǎng)生長成負相關(guān)，則公式為：U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，i=1，2，3，…，n。式中：Xi為指標測定值，Xmin和Xmax為所有參試材料某一指標的最小值和最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素形態(tài)對油茶苗木生產(chǎn)力的影響

氮素對生產(chǎn)力的影響包括形態(tài)和生理兩方面。形態(tài)特征是外在表現(xiàn)，生理特性是內(nèi)在因素，二者反映了苗木生產(chǎn)力的特性，二者存在相互影響、相互制約的密切關(guān)系。對與生產(chǎn)力密切相關(guān)的16個指標（形態(tài)指標：苗高增量、地徑增量、地上部生物量、地下部生物量、總生物量、葉長、葉寬、葉面積、根系長度、根系投影面積、根系表面積、根系體積、根系直徑；生理指標：凈光合速率、可溶性糖含量、葉片全氮含量）進行了相關(guān)性分析，分析結(jié)果表明油茶苗木生產(chǎn)力相關(guān)的16個指標間均存在正相關(guān)關(guān)系（表2）。苗高增量與地徑增量、生物量、凈光合速率、可溶性糖含量呈極顯著正相關(guān)，與根系形態(tài)特征（根系投影面積、根系表面積、根系體積）、葉片全氮含量呈顯著正相關(guān)；生物量與苗高增量、凈光合速率、可溶性糖含量呈極顯著正相關(guān)，與地徑增量、根系形態(tài)特征（根系投影面積、根系體積、根系直徑）、葉片全氮含量呈顯著正相關(guān)；凈光合速率與生長指標（苗高增量、地徑增量、生物量、根系投影面積、根系體積）和可溶性糖含量呈顯著或極顯著正相關(guān)；葉片全氮含量與根系投影面積、根系表面積、地徑增量呈極顯著正相關(guān)，與苗高增量、生物量、葉面積、凈光合速率、可溶性糖含量呈顯著正相關(guān)。

表2 油茶各生產(chǎn)力指標相關(guān)性分析?Table 2 Correlation coefficients of indexes of productivity of C.oleifera

2.2 氮素形態(tài)對油茶苗木影響的主成分分析

主成分分析的特征值和貢獻率是選擇主成分的依據(jù)，將不同處理的43個與苗木生長相關(guān)的指標轉(zhuǎn)化為 5個主成分，各主成分的特征值和貢獻率見表3，其中，前5個主成分的特征值分別為27.338、5.960、4.508、2.927和2.267，貢獻率分別為 63.577%、13.860%、10.483%、6.807%和5.273%，根據(jù)貢獻率大于85%的原則，選擇了前3個主成分，前3個主成分的累計貢獻率達到87.920%。因此，前3個主成分可以作為氮素對油茶苗木生長的重要主成分。

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

從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營養(yǎng)生長指標、光合生理指標、光合特征指標等；第2主成分主要為光合氮素利用率；第3主成分為對環(huán)境的響應(yīng)因子（水分利用效率、初始熒光、光補償點）。通過主成分分析，原來43個單項指標轉(zhuǎn)換為3類新的相互獨立的綜合指標，這3類綜合指標代表了原來43個單項指標87.920%的信息。根據(jù)貢獻率大小可知各綜合指標的相對重要性。

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

根據(jù)因子得分值，計算出不同處理的主成分值，根據(jù)主成分值及貢獻率大小計算出綜合得分。由表5綜合得分可知，A0～A5的綜合得分分別為：-4.20，-2.63，0.51，5.46，3.40，-2.53；氮素對油茶苗木的生長按由大到小的順序排列依次為：A3＞A4＞A2＞A5＞A1＞A0，即所有的氮素處理均促進了油茶苗木的生長，A3（NO3-∶NH4+=5∶5）對油茶苗木生長的促進作用最強，其次為A4（NO3-∶NH4+=3∶7）。

表5 不同氮素形態(tài)處理的主成分值和綜合評價值Table 5 Principal component and comprehensive evaluation value under different nitrogen form treatments

2.3 氮素形態(tài)對油茶苗木影響的隸屬函數(shù)分析

氮素對植物生長的影響非常復(fù)雜，是多因素綜合影響的結(jié)果。本研究采用模糊數(shù)學(xué)的隸屬函數(shù)法對不同氮素形態(tài)及配比對油茶苗木生長情況進行綜合評價，由表6數(shù)據(jù)可知，不同處理（A0～A5）隸屬函數(shù)值分別為0.189、0.290、0.515、0.856、0.683、0.300。按照隸屬函數(shù)值越大對苗木生長的促進作用越強的原則，不同氮素處理（A0～A5）對苗木生長的促進作用由強到弱排序為A3＞A4＞A2＞A5＞A1＞A0，與主成分分析結(jié)果一致，A3（NO3-∶NH4+=5∶5）對油茶苗木生長的促進作用最強，其次為A4（NO3-∶NH4+=3∶7）。

表6 油茶苗木生長指標隸屬函數(shù)值Table 6 Subordinate function value of grafting affinity of C.oleifera seedlings

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

相關(guān)分析結(jié)果表明，油茶苗木生產(chǎn)力相關(guān)的16個指標間均存在正相關(guān)關(guān)系，苗高增量與地徑增量、生物量、凈光合速率、可溶性糖含量呈極顯著正相關(guān)，與根系形態(tài)特征（根系投影面積、根系表面積、根系體積）、葉片全氮含量呈顯著正相關(guān)；生物量與苗高增量、凈光合速率、可溶性糖含量呈極顯著正相關(guān)，與地徑增量、根系形態(tài)特征（根系投影面積、根系體積、根系直徑）、葉片全氮含量呈顯著正相關(guān)；凈光合速率與生長指標（苗高增量、地徑增量、生物量、根系投影面積、根系體積）和可溶性糖含量呈顯著或極顯著正相關(guān)；葉片全氮含量與根系投影面積、根系表面積、地徑增量呈極顯著正相關(guān)，與苗高增量、生物量、葉面積、凈光合速率、可溶性糖含量呈顯著正相關(guān)。

主成分分析結(jié)果與隸屬函數(shù)分析結(jié)果一致，即不同處理（A0～A5）對苗木生長的促進作用由強到弱排序為A3＞A4＞A2＞A5＞A1＞A0，A3（NO3-∶NH4+=5∶5）對油茶苗木生長的促進作用最強，其次為A4（NO3-∶NH4+=3∶7）。

3.2 討 論

主成分分析是將多個指標進行組合，轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標的統(tǒng)計分析方法，從而達到簡化的目的[32]。本研究利用主成分分析法和模糊數(shù)學(xué)的隸屬函數(shù)法對氮素形態(tài)及配比影響油茶苗木生長的指標進行了分析，2種方法得出的結(jié)果一致。不同氮素形態(tài)配比對油茶苗木生長的促進作用由強到弱排序為A3＞A4＞A2＞A5＞A1＞A0；在氮素總量為8 mmol·L-1時，所有氮素處理均促進了油茶苗木的生長，混合氮源（A3、A4、A2）對油茶苗木的促進作用均大于單一氮源（A1、A5）和對照（A0）。在單一氮素中，全銨處理（A5）大于全硝處理（A1），在混合氮源中，NO3-∶NH4+=5∶5對油茶苗木生長的促進作用最強，其次為NO3-∶NH4+=3∶7。說明油茶苗木對銨態(tài)氮具有偏好性，混合氮源（銨硝等比）對油茶苗木的生長更有利。

同時選用2種不同的方法對氮素形態(tài)及配比影響油茶苗木生長的指標進行分析。主成分分析法在不損失或很少損失原有信息的前提下，將多個彼此相關(guān)的指標轉(zhuǎn)換成個數(shù)較少且彼此獨立的綜合指標，根據(jù)各自貢獻率的大小可以判斷各綜合指標的相對重要性，依據(jù)綜合評價值進行科學(xué)的評價。隸屬函數(shù)分析提供了一條在多指標測定基礎(chǔ)上對材料特性進行綜合評價的途徑，可以克服只利用少數(shù)指標進行評價的不足，2種分析方法相輔相成，確保了分析結(jié)果的準確性。

氮素形態(tài)對植物的生長發(fā)育有著重要的影響，多數(shù)植物在同時施用硝銨態(tài)氮時的生長量會大于單獨供應(yīng)，且表現(xiàn)出“聯(lián)合效應(yīng)”。使用一定比例的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮均能促進植物的生長量、產(chǎn)量、新梢長度等[13-14,33]，在NH4+-N中添加NO3--N可以緩解NH4+-N引起的代謝失調(diào)，在NO3--N中添加NH4+-N可以減少較高濃度NO3-消耗的大量還原力和光量子能量[34]，這與本研究結(jié)果一致。混合氮源有利于促進苗木生長，隨著混合氮源中銨態(tài)氮比例的提高，苗木生長變快，當(dāng)銨態(tài)氮比例超過50%或70%時苗木生長速度降低。之所以混合氮源營養(yǎng)可以促進苗木生長，可能是因為混合氮源有利于維持栽培介質(zhì)的pH值，從而促進了植物的生理代謝和生長發(fā)育；也可能是由于NO3-作為信號物質(zhì)誘導(dǎo)產(chǎn)生細胞分裂素，調(diào)節(jié)干物質(zhì)在植物體內(nèi)的分配從而促進植物生長[35]。

油茶對氮素的吸收、代謝和利用是一系列生理反應(yīng)和物質(zhì)代謝的結(jié)果，同時植物對氮素的吸收也會影響對其他元素的吸收利用。本試驗僅研究了氮素形態(tài)對油茶苗木生長指標、光合特性及生理指標的影響，氮素及磷、鉀肥協(xié)同吸收利用的機制值得后續(xù)研究。