亏缺灌溉与有机肥替代对枸杞（Lycium barbarum L.）光合特性、荧光参数和产量的影响

《Journal of Agriculture and Food Research》：Effects of deficit irrigation and organic fertilizer substitution on photosynthetic traits, fluorescence parameters, and yield of wolfberry ( Lycium barbarum L.)

　　

在干旱和半干旱地区，水肥失衡制约了枸杞（Lycium barbarum L.）的生长和产量。有机肥部分替代化肥是减少化学投入和提高农业生产效率的重要途径。因此，在为期两年的田间试验中，研究人员设置了三个灌溉水平（W1、W2和W3：60% ET_c、80% ET_c和100% ET_c）和五个有机肥替代化肥比例（N1、N2、N3、N4和N5：0%、25%、50%、75%和100%），以评估它们对枸杞荧光参数、光合特性和产量的影响。研究人员进一步采用Mantel检验、随机森林模型和偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）来识别产量的关键指标和驱动因素。在两个生长季中，枸杞的荧光参数、光合特性和产量在W2N2处理下表现最优。与W1N2相比，W2N2显著提高了净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间CO₂浓度（Ci），分别提高了12.02%、17.76%、9.34%和5.7%，同时显著降低了气孔限制值（Ls）达17.18%；叶片瞬时水分利用效率（WUE_L）从花期到果熟期增加最快。在同一施肥水平下，W2下的荧光参数始终高于W1，其中光化学猝灭系数（qP）和非光化学猝灭系数（qN）分别提高了9.19-9.63%和2.8-3.43%。产量在W2N2下最高，平均为11,150.03 kg ha^-1，比W1N2高9.2%。Mantel检验结果进一步揭示了产量与荧光参数和光合特性之间的显著关联。随机森林分析确定非光化学猝灭（NPQ）和蒸腾速率（Tr）是两年中最关键的产量决定因素。偏最小二乘结构方程模型显示拟合优度指数（GOF）分别为0.77和0.75。总体而言，在干旱灌溉区，W2N2方案可改善枸杞的荧光参数和光合特性，从而提高产量。

**论文解读：亏缺灌溉与有机肥替代对枸杞光合特性、荧光参数及产量的影响**

**研究背景与问题**
在干旱和半干旱地区，水肥失衡是制约枸杞（Lycium barbarum L.）生长和产量的关键因素。传统的高投入灌溉和施肥模式虽能短期增产，但长期过量施用化学肥料导致养分通过气体排放、淋溶和径流损失，降低肥料利用效率，并可能最终削弱枸杞产量。同时，灌溉不当—如过度灌溉或重度亏缺—会分别引起根系缺氧或气孔关闭，抑制光合作用。有机肥部分替代化肥被视为减少化学投入、提升农业生产效率的重要途径，但其对枸杞光合特性、叶绿素荧光参数和产量的综合影响尚未系统量化。因此，亟需探索在滴灌条件下，适度亏缺灌溉与有机肥替代组合如何优化枸杞的光合性能和产量，为可持续生产提供理论依据。

**研究内容与结论**
研究人员在宁夏回族自治区同心县（2024-2025年）开展了两年田间试验，以枸杞品种‘宁杞7号’为材料，设置3个灌溉水平（W1: 60% ET_c、W2: 80% ET_c、W3: 100% ET_c）和5个有机肥替代化肥比例（N1: 0%、N2: 25%、N3: 50%、N4: 75%、N5: 100%），共15个处理，每处理3次重复。通过测定荧光参数（光化学猝灭系数qP、非光化学猝灭系数qN、PSII实际光化学效率ΦPSII、电子传递速率ETR、最大光化学效率Fv/Fm、潜在光化学效率Fv/Fo、非光化学猝灭NPQ）和光合特性（净光合速率Pn、蒸腾速率Tr、气孔导度Gs、胞间CO₂浓度Ci、叶片瞬时水分利用效率WUE_L、气孔限制值Ls），并结合Mantel检验、随机森林模型和偏最小二乘结构方程模型（PLS-PM）分析，得出以下结论：W2N2处理（80% ET_c灌溉 + 25%有机肥替代）在两年中均使枸杞的荧光参数、光合特性和产量达到最优，产量平均达11,150.03 kg ha^-1，比W1N2高9.2%。该研究明确了中等亏缺灌溉与适度有机替代的组合能显著提升PSII光化学效率和气体交换能力，从而增产，为宁夏干旱区枸杞水肥管理提供了优化方案。论文发表在《Journal of Agriculture and Food Research》。

**主要关键技术方法**
1. **田间试验设计**：在宁夏同心县（37°18′ N, 105°72′ E，海拔1228 m）进行，土壤为砂壤土，初始理化性质已测定。采用随机区组设计，滴灌系统由压差式灌溉系统供应，灌溉量基于FAO-56作物系数法计算ET_c，每10天累积灌溉一次，遇降雨扣减。有机肥为羊粪，通过环形沟施入。
2. **光合与荧光参数测定**：使用LI-6800便携式光合系统在春梢期、花期、果熟期和落叶期测定Pn、Tr、Gs、Ci、Ls及WUE_L；在果熟期用暗适应30 min后测定Fo、Fm、Fv/Fm、Fv/Fo，再用光适应30 min后测定F′o、F′m、Fs、ΦPSII、qP、qN、NPQ和ETR。
3. **统计与建模方法**：利用Mantel检验分析产量与光合、荧光参数的关联，随机森林模型识别关键产量预测因子，偏最小二乘结构方程模型（PLS-PM）解析处理、光合特性、荧光参数与产量间的路径关系。

**研究结果**
**3.1 荧光参数**
- **3.1.1 qP和qN**：在同一灌溉水平下，qP随有机替代比例先升后降，以N2最高、N5最低；在同一施肥水平下，qP顺序为W2 > W3 > W1。W2N2处理下qP和qN均显著高于W1N2，表明适度亏缺灌溉与25%有机替代增加了PSII反应中心开放度和热耗散能力。
- **3.1.2 ΦPSII和ETR**：ΦPSII和ETR在W2N2处理下最高，且W2显著高于W1和W3。例如，W2下ΦPSII较W1提高14.88-19.85%，ETR提高24.15-28.23%，说明中等灌溉和有机替代促进了PSII实际光化学效率和电子传递。
- **3.1.3 Fv/Fm和Fv/Fo**：Fv/Fm值在0.79-0.82之间，未出现显著PSII损伤；N2处理下Fv/Fm和Fv/Fo最高，N5最低。W2较W1提升Fv/Fm 1.62-2.83%，表明适度灌溉维持了PSII最大光化学效率。
- **3.1.4 NPQ**：W2N2处理下NPQ显著高于其他处理，W2下N3处理NPQ较W1增加28.5%（2024）和27.6%（2025），表明适度亏缺和有机替代增强了热耗散保护机制。

**3.2 光合特性**
- **3.2.1 净光合速率（Pn）**：Pn在各发育阶段先升后降，果熟期达峰值。W2N2处理下Pn最高，较W1N2显著提高；W2较W1在春梢期平均提升53.46%，说明适度灌溉和25%有机替代显著增强了光合碳同化能力。
- **3.2.2 蒸腾速率（Tr）**：Tr在W2N2处理下最高，W2较W1在春梢期提升21.99-32.19%，表明中等灌溉促进了蒸腾冷却和水分运输。
- **3.2.3 气孔导度（Gs）**：Gs在W2N2处理下最高，W2较W1在果熟期提升5.7%，说明适度灌溉和有机替代增加了气孔开放度，有利于CO₂扩散。
- **3.2.4 胞间CO₂浓度（Ci）**：Ci在W2N2处理下较高，W2较W1在花期和果熟期分别提升8.29%和9.34%，表明光合作用底物供应充足。
- **3.2.5 叶片瞬时水分利用效率（WUE_L）**：WUE_L从花期到果熟期增加最快，W2N2下WUE_L并非最高，但N5处理在部分阶段高于N2，说明高有机替代可能提高水分利用效率但牺牲光合潜力。
- **3.2.6 气孔限制值（Ls）**：Ls在W2N2处理下最低，W2较W1在果熟期降低13.63-17.18%，表明气孔限制不是主要限制因素，非气孔因素（如光合酶活性）受适度灌溉和有机替代改善。

**3.3 产量**
产量在同一灌溉水平下随有机替代比例先升后降，N2最高、N1最低；在同一施肥水平下，W2显著高于W1和W3。W2N2处理两年平均产量11,150.03 kg ha^-1，较W1N2高9.2%，较W1N1高约11.11%。

**3.5 相关分析与随机森林**
Mantel检验和Pearson相关分析显示产量与光合及荧光参数显著正相关。随机森林模型解释93.4%和91.8%的产量变异，NPQ和Tr是两年中最关键的预测因子，其次为ΦPSII和Ci。

**3.6 结构方程模型（SEM）**
PLS-PM模型拟合良好（GOF=0.77和0.75），解释产量变异96%和95%。处理对荧光参数有显著正向影响，处理、光合特性和荧光参数均直接正向作用于产量，且光合特性对荧光参数有显著直接效应，从而间接促进产量。

**讨论与结论**
讨论部分指出，W2（80% ET_c）灌溉下荧光参数最优，因为适度亏缺维持了类囊体完整性和光保护调节，而过度灌溉（100% ET_c）导致土壤通气不良，重度亏缺（60% ET_c）引起细胞膨压下降和PSII反应中心损伤。有机肥替代25%时，缓释氮补充矿物氮，避免瞬时过量，促进PSII效率和电子传递，同时改善土壤结构和养分缓冲能力。光合特性方面，W2N2通过缓解气孔限制、提高CO₂扩散和羧化效率，增强了气体交换。产量响应呈非线性，25%替代为最优，过高替代（≥50%）因有机肥矿化慢导致养分供应不足而减产。

**结论翻译**：基于连续两年田间试验，研究人员发现，在同一施肥水平下，与W1（60% ET_c）和W3（100% ET_c）相比，W2灌溉处理（80% ET_c）对枸杞光合特性、荧光参数和产量产生了显著影响。此外，在同一灌溉水平下，与纯化肥处理相比，N2处理（25%有机肥替代化肥）对枸杞光合特性、荧光参数和产量的改善最为显著。Mantel检验结果表明，枸杞产量与光合特性和荧光参数均显著相关。随机森林分析确定NPQ和Tr是枸杞产量的最重要预测因子。偏最小二乘路径模型（PLS-PM）进一步阐明了在节水条件下有机肥替代化肥对光合特性、荧光参数和产量的影响。总体而言，研究结果表明，宁夏中部干旱区枸杞高效生产的最佳灌施肥方案是W2N2处理，即80% ET_c灌溉结合25%有机肥替代化肥。