灌溉水質(zhì)水量對番茄影響的主成分分析

王偉娜邵孝侯程 晉常婷婷尹 超王春芳

(1.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098)

灌溉水質(zhì)水量對番茄影響的主成分分析

王偉娜1,2,邵孝侯1,2,程 晉1,2,常婷婷1,2,尹 超1,2,王春芳1,2

(1.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098)

為探討不同灌溉水質(zhì)和水量對設(shè)施大棚番茄品質(zhì)及產(chǎn)量的影響,采用主成分分析法對污水、再生水和清水3種不同水質(zhì)和灌溉水量處理的番茄各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)及產(chǎn)量進(jìn)行綜合評價(jià)。結(jié)果表明,所選取的4個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到89.70%。不同灌溉水質(zhì)水量處理情況下,番茄果實(shí)中所含的維生素C、硝酸鹽、可溶性蛋白差異顯著,可溶性糖、產(chǎn)量、灌溉水利用效率差異不顯著。試驗(yàn)所采用的3種水質(zhì)和水量條件下:數(shù)據(jù)經(jīng)隸屬函數(shù)處理的綜合評價(jià)排名結(jié)果表明,水質(zhì)為再生水、灌溉定額為360 mm的灌溉條件最佳;2種數(shù)據(jù)平均排名結(jié)果表明,水質(zhì)為再生水、灌溉定額為320 mm和360 mm的處理較佳。

設(shè)施農(nóng)業(yè);大棚蕃茄種植;主成分分析;灌溉水質(zhì);灌溉水量;污水灌溉

番茄是我國設(shè)施栽培中最重要的蔬菜品種之一,在我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鄉(xiāng)“菜籃子”供給中占有十分重要的地位[1]。

由于農(nóng)業(yè)水質(zhì)性缺水問題日趨嚴(yán)重,污水經(jīng)一定處理后的再生水應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉已成為研究熱點(diǎn)[2-4]。污水再生回用農(nóng)業(yè),可以增加灌溉水源,且減少化肥用量。然而,未經(jīng)處理的污水直接灌溉農(nóng)田會導(dǎo)致作物貪青晚熟、減產(chǎn)和品質(zhì)劣化[5]。許多研究表明,污水灌溉雖然在一定程度上影響果蔬品質(zhì),但若采用合理的灌溉方式或?qū)⑻幚砗蟮奈鬯儆糜诠喔?作物的品質(zhì)指標(biāo)并不會差于相應(yīng)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)[6-10]。

EM技術(shù)自1992年傳入中國后被廣泛應(yīng)用于種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè),證實(shí)其在促進(jìn)動植物生長、提高農(nóng)畜產(chǎn)品品質(zhì)和改善土壤生態(tài)環(huán)境等諸多方面具有良好的綜合功效。EM技術(shù)已應(yīng)用于有機(jī)污水的處理和回用,效果明顯[11]。

主成分分析法由Hotelling于1993年首先提出,目前主要應(yīng)用于環(huán)境評價(jià)方面[12-14],在農(nóng)業(yè)方面也開始應(yīng)用[15-16]。王峰等[17]應(yīng)用主成分分析法對番茄品質(zhì)進(jìn)行評價(jià),得出節(jié)水高效的虧水灌溉制度;Baert等[18]對干旱脅迫條件下的葡萄品質(zhì)進(jìn)行主成分分析;田賀等[19]應(yīng)用主成分分析法對茶屬植物果實(shí)品質(zhì)的主要性狀進(jìn)行綜合評選,效果較好。主成分分析法用于再生水灌溉條件下設(shè)施栽培作物品質(zhì)綜合評價(jià)的研究還不多,筆者用該方法對不同灌溉水質(zhì)和水量處理的結(jié)果進(jìn)行綜合評價(jià),旨在為設(shè)施栽培番茄再生水灌溉提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)在江蘇省南京市江寧區(qū)橫溪鎮(zhèn)的南京市蔬菜花卉科學(xué)研究所,土壤為黃棕壤,質(zhì)地黏重,有機(jī)質(zhì)含量(質(zhì)量比,下同)14.209 g/kg,全氮含量0.900 g/kg,堿解氮含量129.9 mg/kg,全磷含量0.363 g/kg,速效磷含量27.2 mg/kg,pH值5.87,0～60 cm土壤密度2.6 g/cm3、田間持水量28.0%。當(dāng)?shù)啬昶骄涤晏鞌?shù)117 d,年降雨量1106.5mm,每年6月下旬至7月為梅雨季節(jié),年平均溫度15.7℃,最大平均濕度81%,最大風(fēng)速19.8 m/s,無霜期237 d/a。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在塑料大棚中進(jìn)行,前作為番茄。供試作物番茄的品種為“番茄大紅”。番茄施肥制度按當(dāng)?shù)亓?xí)慣,各處理相同。從橫溪鎮(zhèn)某奶牛場采集污水,灌溉時(shí)分別將污水和污水經(jīng)EM處理的再生水進(jìn)行稀釋。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為裂區(qū)試驗(yàn),以清水灌溉作為對照,設(shè)置3種灌水量,9個(gè)處理分別標(biāo)記為1-1、1-2、1-3、2-1、2-2、2-3、3-1、3-2、3-3,如表1所示,每個(gè)處理重復(fù)3次。不同處理的水質(zhì)指標(biāo)如表2所示。

1.3 試驗(yàn)分析方法和數(shù)據(jù)處理

番茄果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)測定方法如下:(a)硝酸鹽:酚二璜酸比色法;(b)維生素C(以下簡稱VC):鉬藍(lán)比色法;(c)可溶性蛋白:考馬斯亮藍(lán)染色法;(d)可溶性糖:蒽酮-濃硫酸比色法。

采用SPSS軟件與Excel軟件結(jié)合對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析和主成分分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 不同灌溉水質(zhì)和水量對番茄品質(zhì)的影響分析

不同灌溉水質(zhì)和水量對番茄果實(shí)中硝酸鹽、VC、可溶性蛋白、可溶性糖、產(chǎn)量、灌溉水利用效率的影響結(jié)果及顯著性分析結(jié)果見表3。從表3可以看出,處理相互間硝酸鹽、VC、可溶性蛋白差異性顯著;水質(zhì)為再生水時(shí)硝酸鹽含量差異不顯著,水質(zhì)為清水的硝酸鹽含量明顯高于再生水和污水;不同灌溉水質(zhì)、水量的果實(shí)VC含量差異顯著,說明不同灌溉條件對番茄VC合成影響顯著。果實(shí)中可溶性蛋白含量受灌溉水影響情況為污水＞再生水＞清水,且當(dāng)水質(zhì)為再生水和污水時(shí),隨灌水量增加其可溶性蛋白含量逐漸增加,清水正好相反;可溶性糖、單位面積產(chǎn)量、灌溉水利用效率差異不顯著,當(dāng)灌溉水質(zhì)為污水且灌溉定額為280 mm時(shí)果實(shí)的可溶性糖含量最高,說明在此灌溉條件下有利于番茄糖分積累;不同灌溉條件下單位面積的產(chǎn)量差別不大;處理1-1灌溉水利用效率明顯高于其他處理。鑒于僅從番茄的某一個(gè)品質(zhì)和產(chǎn)量指標(biāo)并不能綜合判斷不同灌溉水質(zhì)、水量條件的優(yōu)劣排序,為得出最佳灌溉條件,還需對指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 利用主成分分析確定最優(yōu)灌溉條件

為得出試驗(yàn)的最佳灌溉條件即最佳灌溉水質(zhì)和水量,對以上指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。數(shù)據(jù)處理采用不轉(zhuǎn)換和將數(shù)據(jù)進(jìn)行隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)換2種方式,處理后利用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析,得到2種數(shù)據(jù)處理方式下的特征值及累積貢獻(xiàn)率。確定主成分的原則如下:特征值大于1.0或累積方差貢獻(xiàn)率85%以上的因子數(shù)定為主成分個(gè)數(shù),該因子即為主成分[20]。將各主成分分值和貢獻(xiàn)率代入式(1)～(3)計(jì)算(正相關(guān)指標(biāo)依據(jù)式(1)計(jì)算,負(fù)相關(guān)指標(biāo)依據(jù)式(2)計(jì)算,文中取硝酸鹽指標(biāo)為負(fù)相關(guān)指標(biāo),其他指標(biāo)均定為正相關(guān)指標(biāo)),得到綜合得分,按照該得分進(jìn)行比較,列出綜合排名即可初步判斷最佳灌溉模式。

隸屬函數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式如下:

主成分分析法得到綜合分值公式如下:

式中:Uin、U′in——第n個(gè)指標(biāo)第i個(gè)處理的原始數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)化后的隸屬函數(shù)值;Xin——第n個(gè)指標(biāo)第i個(gè)處理的原始測定結(jié)果;Xinmax、Xinmin——樣品組中第i個(gè)處理的最大和最小值;Dn——主成分分析法得到的各處理果實(shí)指標(biāo)的綜合分值;Fjn——第n個(gè)指標(biāo)第j個(gè)特征值大于1的主成分分值;m——特征值大于1的主成分個(gè)數(shù);Ej——第j個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率。

數(shù)據(jù)經(jīng)隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行主成分分析,得到特征值和相應(yīng)的貢獻(xiàn)率(表4)。根據(jù)主成分判斷原則,特征值大于1,從表中選擇3個(gè)主成分方可,但是其累積貢獻(xiàn)率為77.24%(不到80%),故選擇4個(gè)主成分。第一主成分的特征值為2.32,其貢獻(xiàn)率為33.11%;第二主成分的特征值為1.80,其對應(yīng)的貢獻(xiàn)率為25.76%;第三主成分的特征值為1.29,其對應(yīng)的貢獻(xiàn)率18.38%;第四主成分的特征值為0.87,其對應(yīng)的貢獻(xiàn)率為12.46%。

將主成分系數(shù)矩陣和標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)相乘得到各主成分的得分,然后將所得主成分得分和權(quán)重系數(shù)分別相乘得到最后得分,即可得到9種灌溉條件的得分排名。得分越高,其對應(yīng)灌溉條件下的番茄綜合評價(jià)越好,即番茄質(zhì)量和產(chǎn)量均相對較好。將表4數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)代入式(3)計(jì)算,再綜合得分排名,結(jié)果見表5。

若將2種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式下的綜合排名平均,則處理2-3排名第二。所以灌溉水質(zhì)為再生水、灌溉定額為360 mm時(shí)番茄品質(zhì)較優(yōu),產(chǎn)量較高。根據(jù)最后平均排名得出最佳灌溉條件為處理1-1。但從節(jié)水和污水再生利用的角度考慮,處理2-3和處理3-1為適宜的設(shè)施番茄灌溉模式,它們不但能解決污水直接排放造成污染環(huán)境的后顧之憂,而且番茄生長可利用污水和再生水中的養(yǎng)分資源,減少施肥量,降低生產(chǎn)成本。

3 結(jié) 論

a.不同灌溉水質(zhì)水量導(dǎo)致番茄中VC含量差異顯著;當(dāng)灌溉水質(zhì)為再生水時(shí)番茄中的硝酸鹽含量差異不顯著,當(dāng)水質(zhì)為清水時(shí)番茄中硝酸鹽含量明顯高于再生水和污水;從不同灌溉水質(zhì)來看,污水灌溉時(shí)番茄中可溶性蛋白含量大于再生水時(shí)的可溶性蛋白含量,再生水時(shí)的可溶性蛋白含量大于清水時(shí)的可溶性蛋白含量;可溶性糖、單位面積產(chǎn)量、灌溉水利用效率差異不顯著。

b.因試驗(yàn)處理對相關(guān)指標(biāo)影響差異不明顯且單一指標(biāo)無法綜合評價(jià)處理優(yōu)劣的情況,故選擇主成分分析綜合評價(jià)的方法。該方法具有客觀性,避免了主觀隨意性[14]。分析結(jié)果表明,選擇4個(gè)主成分,其累積貢獻(xiàn)率達(dá)到89.70%(即提供了原來數(shù)據(jù)89.70%的信息),經(jīng)隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)后計(jì)算綜合得分,處理2-3綜合排名第二。

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Principal component analysis of effects of irrigation water quality and quantity on tomato quality

WANG Weina1,2,SHAO Xiaohou1,2,CHENG Jin1,2,CHANG Tingting1,2,YIN Chao1,2,WANG Chunfang1,2
(1.Key Laboratory of Efficient Irrigation-Drainage and Agricultural Soil-Water Environment in Southern China, Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In order to investigate the effects of different irrigation water quality and quantity levels on the quality and yield of greenhouse tomatoes,principal component analysis was conducted for comprehensive evaluation of the effects of three types of water,which were sewage,reclaimed water,and fresh water,and the irrigation amount on the quality and yield of tomatoes.The results show that the accumulative contribution rate of four selected principal components was 89.70%.There existed significant differences in vitamin C,nitrate,and soluble protein,but insignificant differences in soluble sugar,yield,and irrigation water utilization efficiency with different irrigation water quality and quantity treatments.Under the experimental conditions introduced above,the comprehensive evaluation results of the data handled by the membership function ranking showed that reclaimed water with an irrigation amount of 360 mm was the optimal irrigation condition.Average ranking results of the two sets of data showed that reclaimed water with irrigation amounts of 320 mm and 360 mm had a better effect.

controlled environmental agriculture;greenhouse tomato cultivation;principal component analysis; irrigation water quality;irrigation water quantity;sewage irrigation

S274

:A

:1000-1980(2014)04-0372-05

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.04.017

2013-04 15

國家自然科學(xué)基金(51179054);國家科技支撐計(jì)劃(2012BAB03B03);水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201301017)

王偉娜(1988—),女,黑龍江鶴崗人,碩士研究生,主要從事農(nóng)業(yè)污水灌溉理論及技術(shù)研究。E-mail:wangweinaqingzhu1110@ 126.com

邵孝侯,教授。E-mail:shaoxiaohou@163.com