基于主成分分析评价间伐改形对苹果叶片生理指标的影响

牛军强　尹晓宁　董铁　孙文泰　马明

关键词：苹果；富士；间伐改形；主成分分析；叶片质量；陇东

中图分类号：S661.1 文献标志码：A 文章编号：2097-2172（2023）07-0631-08

陇东旱塬区由于其独特的海拔、光照优势，以及昼夜温差大、降水量适中等适宜的气候条件，已成为我国红富士等晚熟苹果栽培的最适宜产区之一，苹果产业也是当地经济发展和乡村振兴的支柱产业。但该产区80%以上的成龄乔化果园出现的树冠郁闭、枝量繁多、光照恶化、病虫害严重、大小年结果明显、果实质量降低等问题，已严重影响苹果产业的健康持续发展，乔化密闭果园树体的合理间伐改形是当地苹果栽培中亟待解决的重大技术问题。

间伐改形是乔化密闭苹果园改造的核心技术，也是苹果优质高效生产的关键环节。科学合理的间伐改形，能够改善果园郁闭状况，优化群体结构，提高冠层相对光照强度和温度，在改善冠层光强和温度分布状况的同时，显著提高花芽分化能力。

主成分分析法能够准确确定所研究各指标的权重，科学找出数目相对较少而且还能够代表所有变量的主成分，从而避免评价结果的片面性和不稳定性。它不但能够把控所要评价指标类型的综合性状表现，而且能够简化评价步骤与程序，是适合综合评价候选个体的一种全面、高效的统计分析方法，并在杂柑、枸杞、樱桃酒、葡萄和苹果等的资源品质评价中得到应用，但利用主成分分析评价间伐改形对密闭果园的影响鲜有报道。为探讨间伐改形不同处理水平对陇东旱塬密闭果园叶片质量指标的影响，我们运用主成分分析法对间伐改形不同处理水平进行综合评价，以筛选出间伐改形最佳处理水平，为密闭果园树体的科学改造提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验区概况

试验于2021—2022年在甘肃省静宁县城川镇试验园（N 35°23′38″、E 105°48′33″）进行。试验园地处陇东黄土高原区，海拔1601 m，年平均气温7.23℃，无霜期160 d，年日照时数2240h，年降水量500 mm左右，春季降水稀少，秋季降水丰沛。供试果园面积为1 850 m²，土壤为黄绵土，耕层土壤含有机质9.60 g/kg、全氮0.88 g/kg、全磷0.87g/kg、全钾21.63 g/kg、碱解氮61.86 mg/kg、有效磷32.56 mg/kg、速效钾212.67 mg/kg，pH8.05。

1.2供试材料

指示苹果品种为长富2号（2003年定植）。砧木为八棱海棠，株行距为3m×4m，密度834株／hm²，授粉树为秦冠和金冠。树形为改良纺锤形，株高380～430 cm，干高55～75 cm，主枝数量7～9个，主枝角度70～85°，树冠交接率160%以上。果园为雨养条件，树盘采用高垄覆盖黑色地膜集雨保墒，行间覆草，综合管理水平中上，在该产区具有典型的代表性。

1.3试验方法

2021年1月上中旬参照牛军强等的试验，试验共设1个间伐改形处理和1个对照处理[不进行间伐改形（CK）]，各77株。处理为果园树体改造（间伐改形），即每行树体中每隔1株树体间伐1株（隔株间伐），使果园树体密度由834株／hm²变为417株/hm²，株行距由3mx4m变为6mx4m。同时配合落头、提干、开角、疏大枝等措施，使树体高度降为320 cm左右，主干高度抬升至100 cm左右。选留层间距合理、枝干比大小适宜、方位均衡分布的主枝4～5个，主枝基部开张角度为90～95°。同时采用乔化富士苹果常用的修剪手法进行冬剪（多长放、不短截、合理疏枝、极少回缩），修剪量为树体枝条总量的30%左右。对照（CK）为果园树体不改造（不进行间伐改形），即定植密度（834株/hm²）和株行距（3m×4m）保持不变，对树体不再采取落头、提干、开角、疏大枝等改造措施。其余修剪手法与间伐改形处理一致，即只采用正常的多长放、不短截、合理疏枝、极少回缩的手法修剪，修剪量也为30%左右。

1.4测定指标与方法

1.4.1测定部位 在葉片生理指标测定、叶片显微结构观测、叶片光合参数、叶绿素荧光参数测定取样时，参照牛军强等的方法，将树冠按不同部位分为3个水平，分别是：①中上部，即树体冠层高度大于160 cm，同时与中央领导干距离大于90 cm的冠层空间；②下部外围，即树体冠层高度介于100～160 cm，同时与中央领导干距离大于110 cm的冠层空间；③下部内膛，即树体冠层高度介于100～160 cm，同时与中央领导干距离为30～110 cm的冠层空间。其中间伐改形处理的中上部、下部外围、下部内膛分别用T-Ⅰ、T-Ⅱ、T-Ⅲ表示，对照的中上部、下部外围、下部内膛分别用CK-I、CK-Ⅱ、CK-Ⅲ表示。

1.4.2叶片光合参数、荧光参数测定 参照牛军强等的方法，于2021年8月上旬，各处理选择长势基本一致、中庸健壮的树体各5株。每株在树冠中上部、下部外围东南部生长健壮且长势基本一致的枝条中，从枝条基部向上数第4～6片中选取无病虫害、无损伤、长势健壮的3个功能叶片作为待测叶片；于树冠下部内膛的东南部的生长势健壮的中短枝中，从枝条基部向上数第3～5片中选取无病虫害、无损伤的3片功能叶作为待测叶片。

采用LI-6400光合仪（美国产，Li-COR Inc，Lincoln NE，USA）进行光合参数测定。参照牛军强等的方法，测定于晴朗天气的8：30～10：30时段进行，共测定4次。大气CO2浓度约为390μmol/mol，温度设定为25℃，光强（PAR）控制为1400μmol/ （m²·s），相对湿度60%的条件下，采用开放式气路测定叶片净光合速率等光合参数。

采用FMS-2脉冲调制式荧光仪（英国产，Hansatech，UK）测定荧光参数。参照牛军强等的方法，将待测叶片首先放置在完全黑暗的条件下适应30 min后，再用弱光照射，测定基础荧光等叶绿素荧光参数。

1.4.3叶片显微结构观测 8月下旬仍旧以光合、叶绿素荧光参数测定的树体为试材。测试叶片的选取与光合、叶绿素荧光参数测定一样。参照吕三三等的方法，将采集的叶片即刻在叶片边缘和中部叶脉之间截取小块（面积2～3 mm²）作为测定样品。样品截取后立即在2.5%戊二醛溶液中固定，接着采用梯度乙醇脱水，然后用醋酸异戊酯置换，在液态CO₂中干燥，最后进行样品粘合和喷金处理。采用S-4800型扫描电子显微镜在放大100倍的视野下观测拍摄叶片显微结构，每处理观测9个视野。利用Motic images Plus 2.0软件测量叶片厚度（LF）、栅栏组织厚度（PT）、海绵组织厚度（ST），计算栅栏组织厚度／海绵组织厚度（PT/ST）。

1.4.4叶片生理参数测定 9月上旬，继续将8月中旬用于光合、叶绿素荧光参数测定的树体（每处理3株）作为试材。叶片选取方法和数量与光合、叶绿素荧光参数测定相同。叶片采集后，用ELISA试剂盒测定叶绿素（Chl）、抗坏血酸（ACC）、抗坏血酸氧化酶（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）。将标记有样品、标准物质和HRP的测试抗体添加到预先用捕获抗体包被的微孔中，然后孵育并彻底清洗。以TMB为底物，TMB在过氧化物酶的催化下转化为蓝色，最后在酸的作用下变为黄色。颜色深度与样品中物质的浓度呈正相关。用Rayto RT-6100型酶标仪在450 nm处测量样品的吸光度（OD），然后计算样品浓度。

1.5数据处理

采用DPS16.05软件对数据进行统计分析。采用单因素（one-way ANOVA）和Duncan法，对光合参数、叶绿素荧光参数、叶片组织结构参数和生理参数等数据进行方差分析和多重比较（a=0.05）。图表中数据均为平均值。用SPSS 20.0统计软件对所有数据进行主成分分析。

2结果与分析

2.1不同处理对苹果树叶片质量指标的影响

2.1.1叶片光合参数 间伐改形对叶片光合参数有显著影响。树体相同冠层部位中，间伐改形处理的P_n、g_s、T_r均显著大于CK，分别比CK提高了11.85%、18.51%、8.11%；G显著小于CK，比CK减小了6.87%。同时，相同处理不同部位间也存在显著差异，间伐改形处理和CK的P_n、g_s、T_r均为冠层中上部>下部外围>下部内膛，而C_i均为冠层中上部<下部外围<下部内膛（表1）。

2.1.2叶片叶绿素荧光参数 间伐改形对叶片叶绿素荧光参数有显著影响。相同冠层条件下，间伐改形处理的F_m、q_N、ABS/RC、ETo/RC、TRo/RC均显著大于CK，分别比CK提高了1.59%、2.05%、10.45%、6.28%、5.49%。且相同处理不同部位间也存在显著差异，间伐改形处理和CK的F_m、g_N、ABS/RC、ETo/RC和TRo/RC均表现为冠层中上部>下部外围>下部内膛，但各处理水平间F_o、F_v/F_m和DIo/RC没有显著差异（表1）。

2.1.3叶片组织结构参数 间伐改形对叶片组织结构参数有显著影响。树体相同冠层部位中，间伐改形处理的LT、PT、ST、PT/ST均显著高于CK，其中LT、PT、ST比分别CK提高了5.5%、9.3%、4.3%。且同一处理中，LT、PT、ST均表现为冠层中上部>下部外围>下部内膛。表明间伐改形可以增加苹果叶片栅栏组织、海绵组织厚度，增大栅栏组织／海绵组织，增加叶片厚度，且在叶片增厚中栅栏组织起的作用更为显著（表1）。

2.1.4叶片生理参数 间伐改形对叶片生理参数同样有显著影响。树体同一冠层部位中，间伐改形处理叶片中的Chl、ACC、RUBP和PEP含量均显著高于CK，分别比CK提高了6.17%、8.80%、11.93%、5.95%；AO和PPO均显著低于CK，分别比CK减小了12.24%、12.23%。且同一处理的不同部位也存在显著差异，不管是间伐改形处理还是CK，叶片的Chl、ACC、RUBP和PEP含量均表现为冠层中上部>下部外围>下部内膛，而AO和PPO含量均表现为冠层中上部<下部外围<下部内膛（表1）。

第2主成分包含了原始信息量的5.35%，其中，仅有ST有较大的正系数值（0.888），对PC2产生正向影响，其余18个参数没有较大的正负系数值，对PC2没有产生明显正负向影响，说明PC2大时，仅有组织参数ST正向指标的值增大，其余18个参数无显著变化，PC2可稱为叶片海绵组织指标。

2.4不同处理水平叶片质量的综合评价

各主成分方差贡献率不同，因此在进行综合评价时，在结合主成分贡献率的基础上，要协调好各主成分之间的侧重关系。根据林海明等的方法，以各主成分相对方差贡献率为权重，对各处理水平前2个主成分得分和相应权重进行线性加权求和构建叶片质量综合评价函数，即：F=（0.908 0F1+0.053 SF2）/0.9615。通过该公式计算可得6个处理水平的综合得分（表4），并按得分大小进行排序，综合得分越高，排名越前，说明该处理水平下的叶片质量越好。6个处理水平叶片质量排名如下，间伐改形中上部（T-Ⅰ）>对照中上部（CK-Ⅰ）>间伐改形下部外围（T-Ⅱ）>间伐改形下部内膛（T-Ⅲ）>对照下部外围（CK-Ⅱ）>对照下部内膛（CK-Ⅲ）。

植物叶片栅栏组织的发达程度是衡量其叶片利用衍射光进行光合作用能力的有效指标，即高度发达的栅栏组织可有效提高叶片光能利用效率。吕三三等认为，叶片栅栏组织细胞的增加，为叶绿素分布提供了充足的空间，从而使得叶绿素含量增加。叶绿体是叶片光合作用的主要场所，集中分布在栅栏组织中，叶绿素含量与叶肉细胞的栅栏组织厚度／海绵组织厚度有关，叶绿素含量的增加，可有效促进色素蛋白复合体的功能的发挥，进而促进叶绿体对光能的吸收、传递和转化。RuBP羧化酶是一个既可以催化光合碳循环中CO₂的固定，又可以催化光呼吸的双功能酶，其存在于光合碳氧化和光合碳还原的两个相互连锁且方向相反的循环交叉点上，直接决定着净光合速率的大小，是光合碳同化过程中的关键酶。PEP羧化酶也是C4植物光合碳同化中重要的C02固定酶，其羧化产物是草酰乙酸，可进一步转变成苹果酸和天冬氨酸，也可以反映光合作用的大小。本试验中，间伐改形后叶片栅栏组织厚度（PT）、栅栏组织厚度／海绵组织厚度（PT/ST）、叶绿素含量、RuBP羧化酶和PEP羧化酶活性均显著增加，叶片质量得到显著提高，进而促进了叶片净光合速率，提高了叶片的ABS/RC、ETo/RC、TRo/RC，从而提高了树体的光合同化能力。

主成分分析法的主要功能是通过对众多不同数据变量进行无量纲化处理，利用线性变化规律将众多数据变量简化成少数综合变量，各主成分之间相互独立，可以更加科学准确的评价各数据变量之间的关系。本试验通过主成分分析，对密闭果园间伐改形前后不同处理水平的叶片质量进行综合評价，结果发现，第1主成分主要包含了叶片质量的光合特性（P_n、g_s、T_r）、荧光特性（F_m、q_N、ABS/RC、ETo/RC、TRo/RC）、组织结构（LT、PT、PT/ST）和生理指标（Chl、ACC、RUBP和PEP）信息，一般光合、荧光特性强、组织结构发达、生理指标越优良的处理水平在第1主成分得分越高，第1主成分的方差贡献率为90.80%，说明第1主成分包含了原始信息量的90.80%，其光合荧光特性、组织结构和生理指标在叶片质量综合评价中所占的权重很大。第2主成分的方差贡献率为5.35%，说明第2主成分包含了原始信息量的5.35%，其得分大小主要由叶片海绵组织来决定。前2个主成分的累计方差贡献率达到96.15%，即这2个主成分涵盖了原始数据信息总量的96.15%，分别为光合特性、荧光特性、组织结构和生理指标等，这些与苹果生产实践中树体优质叶片要求的叶片大而厚、光合能力强和叶片质量好等完全相符合。对前2个主成分的表达式和贡献率建立综合评价模型，结果发现，6个处理水平叶片质量综合得分排名如下，间伐改形中上部（T-Ⅰ）对照不间伐改形中上部（CK-Ⅰ）>间伐改形下部外围（T-Ⅱ）>间伐改形下部内膛（T-Ⅲ）>对照不间伐改形下部外围（CK-Ⅱ）>对照不间伐改形下部内膛（CK-Ⅲ）。

综上所述，间伐改形可有效改善叶片组织结构、优化叶片生理指标、提升叶片光合荧光特性、促进叶片光合效率，是提高成龄乔化密闭果园树体叶片质量的有效措施。