鞠曉蘭　雷濤　郭向紅　高曉麗　孫西歡　馬娟娟　張明

摘要：為明確不同評價體系下主成分模型對水分［50%E、75%E、100%E（E為水面蒸發(fā)量）］-沸石（0、3、6、9 t/hm²）耦合下交替膜下滴灌番茄生長綜合評價結(jié)果的影響，構(gòu)建了PCAg、PCAq、PCAp、PCAc等4種主成分模型，并對其番茄主成分分析和綜合評價結(jié)果差異進行分析探討。結(jié)果表明，PCAg、PCAq、PCAp、PCAc模型均提取出2個主成分，第1主成分均命名為非水分因子，方差貢獻率分別為79.18%、71.05%、76.83%、77.52%；第2主成分均命名為水分利用因子，方差貢獻率分別為14.51%、21.56%、17.05%、16.31%。在PCAq中，Z₀W₁₀₀條件下番茄種植綜合評價得分最低，Z₃W₅₀條件得分最高；在PCAg、PCAp、PCAc中，均為Z₀W₅₀條件下番茄種植綜合評價得分最低，Z₆W₁₀₀條件得分最高?；赑CAp 和 PCAc 模型的番茄綜合評價結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為1.00，具有較好的一致性，而其他模型之間的評價結(jié)果具有一定差異性，交替滴灌番茄高效種植適宜采用的水分-沸石耦合策略為：水分100%E、沸石量6 t/hm²。

關(guān)鍵詞：交替膜下滴灌；番茄；水分；沸石量；主成分分析；評價模型

中圖分類號：S278；S641.207文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1002-1302（2023）11-0140-06

番茄作為中國種植規(guī)模較大的蔬菜作物之一，以其獨特的風(fēng)味深受廣大消費者的喜愛，被人們稱為“蔬菜中的水果”［1］。目前，國內(nèi)對農(nóng)作物的評價主要是對試驗作物的產(chǎn)量或品質(zhì)性狀進行評價，而忽視了其他性狀的重要性［2］。由于番茄的品質(zhì)是由多種指標(biāo)共同體現(xiàn)的［3］，各指標(biāo)間彼此相關(guān)，簡單的對比分析方法不能充分考慮多個指標(biāo)因子間的關(guān)系［4］，需采用綜合評價方法對番茄生長狀況進行整體評估［5］，這對于全面、客觀、合理地評價番茄生長狀況具有重要意義。主成分分析法是一種常見的綜合評價方法［6］，它利用降維思想將原來具有眾多相關(guān)性的多個指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)，從而能夠更精確地掌握各個指標(biāo)的綜合性表現(xiàn)［7］。主成分分析法在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面已得到廣泛應(yīng)用，Bi等通過建立生長-產(chǎn)量-水分利用效率青椒綜合評價模型，明確了適宜青椒種植的滴灌壓力水頭和滴灌帶埋深［8］。黃媛等通過建立生長-生理-水分利用效率番茄綜合評價模型，明確了番茄苗期最適宜生長晝夜溫度［9］。朱永福等通過建立生長-生理-產(chǎn)量-品質(zhì)蘋果綜合評價模型，明確了生活再生水滴灌蘋果生產(chǎn)的水肥管理方案［10］。王峰等通過建立單果質(zhì)量-品質(zhì)番茄綜合評價模型，明確了溫室冬春茬番茄產(chǎn)量與品質(zhì)相協(xié)調(diào)的虧缺灌溉制度［11］。王秀康等通過建立番茄品質(zhì)評價模型，明確了優(yōu)質(zhì)番茄生產(chǎn)的最優(yōu)水肥策略［12］。這些研究報道中涉及的作物類型、因素及處理水平各不相同，在主成分模型構(gòu)建過程中考慮的評價指標(biāo)類型存在一定差異，評價結(jié)果也各異。那么對于同一類作物而言，如果基于不同評價指標(biāo)體系來構(gòu)建主成分評價模型，進一步綜合分析作物生長狀況好壞，是否會得到不同結(jié)果呢？這方面的研究報道較少，有待進一步研究。本研究基于水分-沸石耦合條件下交替膜下滴灌番茄生長試驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于主成分的生長-產(chǎn)量-WUE模型（PCAg）、品質(zhì)-產(chǎn)量-WUE模型（PCAq）、生理-品質(zhì)-產(chǎn)量-WUE（PCAp）和生長-生理-品質(zhì)-產(chǎn)量-WUE模型（PCAc），對番茄生長狀況進行主成分分析和綜合評價，明確不同評價模型對番茄綜合評價結(jié)果的影響，為進一步優(yōu)化番茄種植提供準(zhǔn)確的評價方法。

1材料與方法

1.1試驗設(shè)計

本研究數(shù)據(jù)來源于水分-沸石耦合條件下交替膜下滴灌番茄生長試驗。其中，水分設(shè)W₅₀、W₇₅、W₁₀₀等3個水平，分別為50%、75%、100%水面蒸發(fā)量（E）；沸石量設(shè)Z₀、Z₃、Z₆、Z₉等4個水平，分別為0、3、6、9 t/hm²。試驗采用全面試驗設(shè)計，共12個處理，每個處理重復(fù)3次。供試番茄品種為奧冠8號，采用覆膜起壟種植模式。灌溉方式為交替灌溉，每壟鋪設(shè)2條滴灌帶，滴頭間距40 cm，工作流量為1.2 L/h，每4 d灌溉1次，每次灌水采用滴灌帶單側(cè)灌溉。番茄定植時間為2020年6月4日，結(jié)束時間為10月7日。

1.2具體指標(biāo)及測定方法

（1）生長指標(biāo)：苗期選取3株長勢相近的番茄，采用卷尺法測定株高（Kh）；數(shù)顯游標(biāo)卡尺測定莖粗（Kt）［13］；采用根系分析軟件得到根長（RL）、根表面積（RS）、根體積（RV）等根系特征參數(shù)［14］。取3次測量值的平均值作為最終測量值。

（2）生理指標(biāo)：采用Li-6400型便攜式光合儀測定凈光合速率（P_n）、蒸騰速率（T_r）、胞間CO₂濃度（C_i）、氣孔導(dǎo)度（G_s）等生理指標(biāo)參數(shù)［15］。

（3）品質(zhì)指標(biāo)：采用GY-4硬度計測定果實硬度（Ff）［16］，NaOH滴定法測定有機酸（OA）含量［17］，鉬藍比色法測定維生素C（VC）含量［18］，硫酸-水楊酸法測定硝酸鹽（NC）含量［19］，PAL-1手持折射儀測定可溶性固形物（SS）含量［20］。取3次測量值的平均值作為最終測量值。

（4）產(chǎn)量及水分利用效率（WUE）：稱質(zhì)量法測定產(chǎn)量，WUE為產(chǎn)量與總耗水的比值。

1.3模型建立

本研究建立了4種不同評價目標(biāo)主成分模型，分別為：生長-產(chǎn)量-WUE模型，命名為PCAg；品質(zhì)-產(chǎn)量-WUE模型，命名為PCAq；生理-品質(zhì)-產(chǎn)量-WUE模型，命名為PCAp；生長-生理-品質(zhì)-產(chǎn)量-WUE模型，命名為PCAc，各模型具體涵括指標(biāo)如表1所示。

1.4數(shù)據(jù)樣本處理

采用Microsoft Office 2020進行數(shù)據(jù)計算，采用Origin 2018繪圖，采用IBM SPSS Statistics 25進行主成分分析，置信水平為0.05。

2結(jié)果與分析

2.1番茄生長發(fā)育指標(biāo)統(tǒng)計分析

交替膜下滴灌不同水分-沸石處理對番茄生長發(fā)育各項指標(biāo)影響如圖1所示。由圖1可知，水分增加可以促進番茄Kh、Kt、RL、RV、RS、P_n、T_r、G_s、OA和產(chǎn)量，抑制NC、VC、SS、WUE、Ci和Ff；沸石量增加對Kh、Kt、RL、RV、RS、P_n、T_r、G_s、OA、產(chǎn)量（除W50處理）、NC、VC、SS、WUE表現(xiàn)為先促后抑，對Ci和Ff表現(xiàn)為先抑后促。由此可見，水分和沸石量改變對各指標(biāo)的影響未表現(xiàn)出較高的一致性。由圖1可以看出，番茄各評價指標(biāo)并不能在同一水分-沸石處理條件下同時達到最優(yōu)，如果基于單一指標(biāo)評價番茄生長狀況將具有一定的局限性，評價結(jié)果難以客觀全面反映和評價番茄生長優(yōu)劣，有必要采用多指標(biāo)綜合評價方法。

2.2主成分分析

經(jīng)統(tǒng)計學(xué)計算，本研究4種主成分模型KMO統(tǒng)計量均大于0.05，Bartlett的球形度檢驗P值均小于0.001，因此，本研究中數(shù)據(jù)樣本適合作主成分分析［21］。主成分的特征值及方差貢獻率是確定主成分的重要參考指標(biāo)［22］。本研究基于特征值大于1和累計貢獻率大于85%的提取標(biāo)準(zhǔn)對番茄生長的主要成分進行提取分析［23-25］。評價因子的方差貢獻率及累積方差貢獻率如表2所示。由表2可知，PCAg、PCAq、PCAp和PCAc模型第1主成分F1的方差貢獻率分別為79.18%、71.05%、76.83%和77.52%，對應(yīng)的特征值分別為5.54、4.97、8.45和8.53；第2主成分F₂的方差貢獻率分別為14.51%、21.56%、17.05%和16.31%，對應(yīng)的特征值分別為1.02、1.51、1.88和1.79。由此可見，這4種主成分模型的F₁和F₂之和均大于92%，且對應(yīng)的特征值大于1，各模型均可以提取2個主成分。表3為4種主成分模型主成分載荷矩陣。由表3可知，在PCAg、PCAq、PCAp和PCAc模型對應(yīng)的第1主成分F₁（Pg-F₁、Pq-F₁、Pp-F₁和Pc-F₁）中，生長指標(biāo)、品質(zhì)指標(biāo)、生理-品質(zhì)指標(biāo)、生長-生理-品質(zhì)的載荷較大。但因F₁包括的指標(biāo)較為復(fù)雜，且與水分利用效率關(guān)聯(lián)較低，為簡便描述，可將Pg-F₁、Pq-F₁、Pp-F₁和Pc-F₁均命名為非水分因子。在4種模型對應(yīng)的第2主成分F₂（Pg-F₂、Pq-F₂、Pp-F₂和Pc-F₂）中WUE均具有較大載荷，因此Pg-F₂、Pq-F₂、Pp-F₂和Pc-F₂均可命名為水分利用因子。

2.3模型綜合得分

將主成分系數(shù)矩陣分別除以2個主成分特征值的平方根，并將得到的系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)相乘，即得到了F₁、F₂的得分函數(shù)［26］。以各主成分所對應(yīng)的方差貢獻率占主成分方差累計貢獻率的比例α₁、α₂作為權(quán)重，分別乘以F₁、F₂得分函數(shù)后求和，得到主成分得分綜合模型［27］。各處理的綜合評價得分F如式（1）～公式（4）所示：

F_Pg=0.845 1×F₁×0.154 9×F₂；（1）

F_Pq=0.767 2×F₁×0.232 8×F₂；（2）

F_Pp=0.818 4×F₁×0.181 6×F₂；（3）

F_Pc=0.826 2×F₁×0.173 8×F₂。（4）

式中：F_Pg、F_Pq、F_Pp、F_Pc分別為PCAg、PCAq、PCAp、PCAc模型各處理的綜合評價得分。

由圖2可知，在PCAq中，Z₀W₁₀₀條件下番茄種植綜合評價得分最低，為 -2.58；Z3W50條件下番茄種植綜合評價得分最高，為2.23。在PCAg、PCAp、PCAc中，均為Z₀W₅₀條件下番茄種植綜合評價得分最低，分別為-3.37、-4.32、-4.21；Z₆W₁₀₀條件下番茄種植綜合評價得分最高，為3.31、3.58、3.49。在PCAp、PCAc模型中，各處理的綜合得分排名一致，均為Z₆W₁₀₀>Z₉W₁₀₀>Z₃W₁₀₀>Z₀W₁₀₀>Z₆W₇₅>Z₉W₇₅>Z₃W₇₅>Z₀W₇₅>Z₆W₅₀>Z₉W₅₀>Z₃W₅₀>Z₀W₁₀₀>Z₀W₅₀。

2.4PCAg、PCAq、PCAp、PCAc模型相關(guān)性分析

為了進一步探明4種主成分模型結(jié)果的關(guān)聯(lián)程度，現(xiàn)將4種模型各主成分得分及綜合得分結(jié)果進行Spearman相關(guān)分析［28］，分析結(jié)果如表4所示。由表4可知，Pc-F₂得分與Pg-F₂、Pq-F₂和Pp-F₂等3個主成分得分之間未達到顯著水平，PCAq模型F₁得分及其總得分均與其他3種模型的對應(yīng)得分呈顯著負相關(guān)（P<0.01），此外其余任意2個模型的主成分得分之間均呈正相關(guān)（P<0.01）。由表4還可知，Pg-F₁、Pq-F₁、Pp-F₁和Pc-F₁得分之間的相關(guān)性與Pg-F、Pq-F、Pp-F 和Pc-F得分之間的相關(guān)性一致，這可能是由4個模型中第2主成分對綜合得分影響較小導(dǎo)致的。由表3可知，Pg-F₂、Pq-F₂、Pp-F₂和Pc-F₂中均只有WUE具有較大正載荷，且載荷值差異較小，對F影響并不明顯，所以導(dǎo)致PCAg、PCAq、PCAp、PCAc模型F1得分之間的關(guān)系與F得分之間的關(guān)系具有一致性。

3討論

本研究分別采用PCAg、PCAq、PCAp、PCAc等4種主成分模型對番茄生長進行綜合評價，從評價結(jié)果整體來看，PCAg、PCAp、PCAc等3種模型評價結(jié)果較為相似，但不同主成分模型中各處理的綜合得分排名存在較大差異，出現(xiàn)這種情況可能是由主成分模型中指標(biāo)因子的選擇差異所引起的主成分載荷和貢獻率變化導(dǎo)致的［29-30］。由表3可知，在PCAg、PCAq、PCAp、PCAc模型中，第1主成分中產(chǎn)量均具有較大的載荷值，分別為0.91、-0.74、0.85、0.84， 第2主成分中WUE均具有較大的載荷值，分別為1.00、0.85、0.89、0.88， 說明在考慮不同指標(biāo)體系時，相同指標(biāo)的載荷是不一樣的，因此會影響第1、第2主成分的方差貢獻率。PCAp模型反映番茄生理、品質(zhì)、產(chǎn)量及WUE情況，而PCAc模型在此基礎(chǔ)上還反映番茄生長情況，盡管2種模型在生長指標(biāo)考慮上存在差異，但PCAp和PCAc模型的番茄綜合評價結(jié)果具有一致性（圖2），這說明生長指標(biāo)對番茄綜合評價結(jié)果的影響效果并不明顯。PCAq模型反映番茄品質(zhì)、產(chǎn)量及WUE情況，而PCAp模型在此基礎(chǔ)上還反映番茄生理情況，但PCAq和PCAp模型的番茄綜合評價結(jié)果并不存在一致性（圖2），這說明生理指標(biāo)會對番茄綜合評價結(jié)果具有較大的影響。綜上，在番茄綜合評價過程中，生長指標(biāo)對番茄生長影響較小，而生理指標(biāo)影響較大。因此，評價指標(biāo)的選取對作物生長綜合評價模型適用性具有一定的影響。

本試驗數(shù)據(jù)還顯示，在Z₀W₅₀處理條件下，番茄生長多項指標(biāo)均達到最低水平（圖1），這與前人的研究結(jié)果［31-32］一致，這是因為水分脅迫（50%～60%田間持水量）會嚴重抑制作物根系的生長［33］，影響根系對水分和營養(yǎng)成分的吸收利用，進而顯著抑制作物生長［34-36］。而由圖2可知，PCAq模型結(jié)果表現(xiàn)為Z₀W₅₀>Z₀W₇₅>Z₀W₁₀₀，說明在不施沸石的前提下，灌水量越低，植株生長越好，這與本研究客觀試驗規(guī)律不符。這可能是由于該模型未能平衡品質(zhì)與產(chǎn)量之間的關(guān)系，更側(cè)重品質(zhì)因子對番茄生長狀況的影響。PCAq模型中第1主成分主要受到Ff、NC、VC、SS的正載荷影響和OA、產(chǎn)量的負載荷影響，且Ff、NC、VC、SS與產(chǎn)量之間均呈負相關(guān)，所以第1主成分中受到的正、負載荷影響并不能抵消，從而導(dǎo)致評價結(jié)果不符合優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的番茄種植目標(biāo)。因此，評價指標(biāo)的選取對作物生長綜合評價結(jié)論合理性具有一定的影響。

綜上，主成分的作物生長綜合評價模型適用性、結(jié)論的合理性與評價指標(biāo)選取等密切相關(guān)，所以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，作物生理與品質(zhì)指標(biāo)相對缺乏時，選擇PCAg模型對番茄進行生長狀況綜合評價也可以獲得較好的評價結(jié)果。在作物生長各項指標(biāo)比較全面時，選擇PCAp、PCAc模型對番茄進行綜合評價均可獲得較好的評價結(jié)果，且評價結(jié)果具有一致性，但PCAc模型可以更全面、客觀地反映出番茄生長狀況。綜上，雖然各種模型適用條件具有一定差異，但均得到交替滴灌番茄高效種植最優(yōu)水分-沸石耦合處理為Z₆W₁₀₀。

4結(jié)論

本研究基于水分-沸石耦合交替膜下滴灌番茄生長試驗數(shù)據(jù)，建立了PCAg、PCAq、PCAp、PCAc等4種主成分評價模型。PCAg、PCAq、PCAp、PCAc模型均提取出2個主成分，第1主成分均命名為非水分因子，方差貢獻率分別為79.18%、71.05%、76.83%、77.52%。第2主成分均命名為水分利用因子，方差貢獻率分別為14.51%、21.56%、17.05%、16.31%?；赑CAp 和 PCAc 模型的番茄綜合評價結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為1.00，具有較好的一致性，而其他模型之間的評價結(jié)果具有一定差異性，交替滴灌番茄高效種植適宜采用的水分-沸石耦合調(diào)控策略為：水分100%E、沸石量6 t/hm²。

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