避雨栽培下番茄茎流通径和灰色关联度分析

邓 升，谭淋露，卢江海，杨 鹏，郭庆冰

(江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029)

避雨栽培能够有效提高和改善作物的产量及品质，在我国南方地区已广泛应用于农作物及果树生产中[1-3]。作物的腾发量可以通过茎液流量直接表征，因此，测定作物茎干的液流量可简便得出其蒸腾量[4-5]。对避雨栽培条件下的作物而言，在覆盖物和不同土壤水分综合作用下,其生长环境与常规条件或封闭式的设施环境不同，导致影响作物耗水量的一些基本条件发生了变化，并进而影响到作物的茎流速度，有关避雨栽培条件下作物茎流与其环境因子关系等方面有待进一步研究。

通径和灰色关联度分析已广泛应用于土壤、医疗、培育等领域[6-8]，通过此分析可以对自变量与因变量之间的表面相关性进行分解，从而得出各自变量对因变量的重要性，揭示各个因子对因变量的影响和关联程度[9-11]。作物茎流速度的大小不但取决于基因类型，而且又受外界环境影响较大，通常难以用常规的统计方法评价多个环境因子与茎流的关系。本文利用通径和灰色关联度分析，对不同水分条件下番茄茎流及其环境影响因子进行分析，旨在为南方避雨条件下番茄栽培实践提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及种植方式

试验于2016年4～8月在河海大学高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室避雨试验区内进行(图1)，试验土壤质地为黏壤土，田间持水量为34.5%，0～30 cm土壤的平均容重为1.35 g/cm3，土壤内养分含量相差无几。此次试验番茄品种，每块区域种植3行，行距为60 cm，株距为50 cm，种植密度为4.17万株/hm2。于4月14日进行幼苗移栽，为确保幼苗的成活率，移栽后14 d内各处理进行3次灌水，灌水量相同。为了提供番茄生长需求的养分，分别于4月24日和5月9日将N∶P2O5∶K2O为15∶15∶15的复合肥以1500 kg/hm2均匀地施在各个小区。本次试验采用各小区的中间行作为观测和试验区，以避免因各小区间的侧向水分运动对研究结果产生影响，最终取长势均衡的6株植物进行标记，并用于观测和试验数据采集。

图1 避雨试验区示意图

1.2 试验处理

试验共设置4种灌溉与排水处理，各处理设计3个重复，以处理1作为对照，各试验处理设计见表1。在避雨小区内埋设0.8 m深暗管，四周围砌1.2 m深的排水农沟，试验期间除了控制灌水外，试验区其他的日常工艺及管理措施均按当地常规操作进行。作物灌溉方式为滴灌。

表1 避雨栽培番茄试验处理

注：CK为对照,灌水下限为田间持水量80%，各个处理灌水时间相同，但灌水量分别为对照处理的70%、60%和50%。试验小区实行暗管排水，暗管埋深为0.8 m。

1.3 观测项目与数据处理

在番茄生育期内，选择各处理有代表性的健康植株，将包裹式植物茎流计(Flow4-DL，Dynamax，USA)，安装于番茄主茎距地面约30 cm处，从早晨7：00开始每15 min自动测定并记录番茄茎流，到傍晚19：00结束测定，后经Dynagage软件分析求得植株茎流流速变化情况。在测定各作物植株茎流期间，还需同时测定各处理0～10、10～30、30～50、50～70 cm等不同深度的土壤含水量。根据试验园区自动气象站和光合仪(Li-Cor，Lincoln,NE,USA)的监测，获取小区的气温、太阳辐射、光合有效辐射、相对湿度等气象因子数据，从而得到饱和水汽压气，采用公式(1)计算得出：

(1)

式中，VPD为饱和水气压差，Ta为气温，RH为相对湿度。

2 结果与分析

2.1 番茄茎流流速的变化规律

2.1.1 不同供水条件下茎流的日变化分析 由图2可以看出，在有避雨措施且低供水条件下茎流日变化曲线变化较为平缓，茎流上升速率较小，日最大值出现较早且持续时间较长，后期茎流的下降也比较缓慢；在无避雨措施且充分供水条件下晴天太阳辐射较强，番茄茎流存在显著的上升和下降阶段。在阴雨天，不同供水条件下的茎流日变化曲线均表现出明显的波动性，作物在供水条件上的差异很难以某一时刻茎流流速的大小来反映。与充分供水下的番茄茎流日变化曲线相比，随着水分亏缺的加重，茎流日变化曲线呈现不同程度的差异，且在番茄水分亏缺到50%时，茎流日变化曲线的差异最为显著。

2.1.2 不同天气状况下茎流的日变化分析 由图2可知，番茄茎流变化呈明显的昼夜节律，晴天日变化过程大致呈单峰曲线，随着辐射强度的增加，茎流处于上升阶段，番茄茎流在8:00左右才开始升高，中午13:00左右茎流流速达到峰值，之后开始逐渐降低，至19:00左右降至最低值，并在晚间维持在最低值。在中午，处理2的茎流变化曲线有明显的波动，产生此特征的原因是：此时间段的辐射强度较高，作物叶片气孔的开度不断变化以维持根系吸水速率与蒸腾速率之间的平衡[12]。而在阴雨天，茎流会因太阳辐射较弱而呈明显波动状态并维持在较低的水平。由此可知，茎流流速的变化不仅与供水条件有关，而且对天气的变化非常敏感，即气象因子对番茄茎流流速变化的影响显著。

图2 不同供水条件在不同天气状况下番茄茎流的日变化

2.2 环境因子指标对作物茎流流速的通径分析

通过分析试验过程中土壤水分状况和气象要素与茎流的相关性及影响程度，经过对番茄生育期内相关数据的甄别和筛选，本文选取光合有效辐射(x1)、太阳辐射(x2)、饱和水汽压(x3)、相对湿度(x4)、气温(x5)和土壤含水量(x6)与茎流流速(y)进行通径分析。选用的统计指标主要包括指标间的相关系数ryi、决定系数dyi、通径系数piy和对回归方程R2的总贡献等。

借助有关通径分析的一些数学算法[13-14]，利用SPSS 14.0和Matlab 7.5计算得到6个环境因子对番茄生育期内茎流的相关系数和通径系数。利用通径分析原理，构建相关方程组，计算各环境因子与结果的相互作用，分析各变量对回归方程估测可靠程度R2的总贡献。计算各环境因子xi及两两指标对茎流的决定系数。

由表2及自变量间的回归分析可得，各环境因子(x1-x6)与茎流(y)间线性回归方程为：

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

(2)

回归方程参数中，F=41.12，P<0.01，极显著，因此避雨栽培番茄茎流和各环境因子间的多元回归关系可用方程(2)表示。

图3 避雨栽培番茄各环境因子与茎流流速的相关分析结果

由表2和表3可以看出，对R2的总贡献最大的前3个因子分别是x2、x3、x5，而决定系数最大的前3个则分别是dy2、dy3、dy5。另外，经过对通径系数进行显著性分析可知，py2、py3和py5均是极显著的。在极显著的系数中，py5的绝对值最小，可近似认为绝对值大于dy5(0.266)的决定系数为显著的，小于dy5则为不显著的。

通过对6个自变量对番茄茎流的通径分析得出：x2对y的决定系数最大，相对决定程度为0.635，而且x2对回归方程R2的总贡献位列第一，表明太阳辐射对番茄的茎流影响最为重要；x3对y的相对决定程度次之，为0.538，直接通径系数为-0.488，且x3对R2的总贡献为-0.253，对R2的总贡献位列第三，表明饱和水汽压也是影响番茄茎流大小的一项重要指标；x3和x5两因子对y的共同决定系数为0.472，且x5对R2的总贡献为0.160，居第三位，说明在关注饱和水汽压对茎流影响的同时，还应该注重气温的高低，若二者皆高，则番茄的茎流也可能是会达到高值。由于r35=0.819，二者同向相关，同时皆高易于实现；x6对y的直接作用为-0.134，其对R2的总贡献为0.033，因此土壤含水量对番茄茎流流速也具有一定的影响；误差项e对y的相对决定系数为0.103，对y的直接作用为0.321，说明本次试验存在一定的观测误差，或者未考虑对番茄茎流影响较大的因子。

表2 环境因子对番茄茎流流速的直接作用与间接作用分析

表3 各环境因子对番茄茎流流速的决定系数

2.3 灰色关联分析

根据灰色系统理论和方法[15-17]，建立各个指标间的相关方程组，计算各环境影响因子对因变量的作用大小。以监测的各自变量试验数据为比较数列，因变量为参考数列，利用Matlab 7.5软件包计算因变量茎流与各自变量间的灰色关联度，计算结果见表4。

表4 番茄茎流与各环境因子间的关联度及排序

由表4可知，不同环境因子与番茄茎流流速的关联度大小依次为太阳辐射>气温>饱和水汽压差>相对湿度>土壤含水量>光合有效辐射。太阳辐射强度与茎流的关联度最大，为0.785，其次为气温和饱和水汽压差，关联度分别为0.614和0.545，最小的为光合有效辐射。由此可见，太阳辐射与茎流的关系最为密切，对茎流速率有最重要的影响。饱和水气压差会随着气温的升高而增大，从而加速扩散水分蒸腾，对作物茎流有直接影响。降低空气湿度会使叶片细胞间的水汽压差与空气的水汽压差增大，导致水分子扩散加快，从而增大茎流速度。另外，作物腾发量在不同的生长阶段受土壤水分状况的影响大小亦不同，通常作物茎流会随土壤水分亏缺程度的增加而减小。

3 结论与讨论

本文研究了不同控水及气候条件下避雨栽培番茄茎流的日变化过程，分析了各环境影响因子对番茄茎流的影响。

在晴天条件下，番茄茎流速率日变化呈单峰曲线，早上启动，中午达到峰值，晚上维持在低值，与太阳辐射、饱和水气压差等环境因子变化相似。

通径分析与灰色关联分析的结果基本一致。太阳辐射、饱和水汽压差、气温是影响番茄茎流流速的3个最重要因子，2种方法关于饱和水汽压差和气温对茎流影响作用大小排序稍有差别，但均表明光合有效辐射强度对茎流大小的影响最小。

本试验仅仅考虑了一些主要环境因子对番茄茎流流速的影响。事实上，在生育期内茎的粗细度和植株的高度对作物的茎流流速也有一定程度的影响；且外部其他气象条件(降水量、风速等)、土壤特性差异都可能会影响作物茎流流速的大小，对此还仍需进一步探讨。