基于因子分析的土壤水分下限對滴灌作物產(chǎn)量和品質(zhì)影響評價(jià)

劉新華

(新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇 843000)

基于因子分析的土壤水分下限對滴灌作物產(chǎn)量和品質(zhì)影響評價(jià)

劉新華

(新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇 843000)

本文采用因子分析法,從作物生長性狀、果實(shí)外觀品質(zhì)、果實(shí)營養(yǎng)品質(zhì)與產(chǎn)量及水分利用4個(gè)方面研究了滴灌方式下不同灌水下限對溫室甜瓜的綜合影響。結(jié)果表明:株高、莖粗、地上部干重、果實(shí)縱徑、果形指數(shù)、游離氨基酸總量與果實(shí)數(shù)這7項(xiàng)指標(biāo)是影響灌水下限綜合評價(jià)的主要因素;165為溫室滴灌方式下甜瓜最優(yōu)灌水下限,即伸蔓期、開花期和結(jié)果期,灌水下限均為土壤田間持水量的65%。研究結(jié)果為溫室甜瓜栽培中的合理灌溉提供了理論參考。

滴灌;灌水下限;因子分析;溫室甜瓜

甜瓜為一年生蔓性草本植物，是世界各國普遍栽培的瓜類作物，目前在我國已成為發(fā)展高效、精品農(nóng)業(yè)的首選作物品種。其生長對水分較為敏感，水分過低容易造成減產(chǎn)，過高則易導(dǎo)致果實(shí)品質(zhì)下降。此外，對于同一種作物來說，在不同生育階段作物生長對水分虧缺的敏感性也各不相同［1］。土壤水分是甜瓜生長發(fā)育過程中的重要影響因子之一，植株在生長過程中通過形態(tài)發(fā)育和一些生理反應(yīng)變化來調(diào)整自身的生長發(fā)育狀態(tài)以適應(yīng)土壤水分的動(dòng)態(tài)變化。

土壤水分適宜下限指標(biāo)是指適宜于作物生長的最低土壤水分含量，該土壤水分適宜下限因土壤類型、作物和作物生育時(shí)期的不同而存在差異性，它決定灌水開始時(shí)間和灌水次數(shù)并影響灌水量的確定［2］。甜瓜不同的生長階段對水分的需求和敏感性也不相同，營養(yǎng)生長是生殖生長的基礎(chǔ)，植株?duì)I養(yǎng)生長狀況直接影響到甜瓜后期的生殖生長和果品品質(zhì)，因此，研究甜瓜生育期間對水分的需求對其生長具有重要理論和現(xiàn)實(shí)價(jià)值［3-5］。

鑒于此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用因子分析法就滴灌栽培條件下，不同土壤水分下限處理對甜瓜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響進(jìn)行綜合評價(jià)，提出適合甜瓜栽培的土壤水分下限，以期為類似甜瓜設(shè)施栽培地區(qū)的合理灌溉提供參考。

1 作物灌水下限適宜模式評價(jià)體系

根據(jù)文獻(xiàn)［6］數(shù)據(jù)資料，作物灌水下限適宜模式評價(jià)體系包括:作物生長性狀、果實(shí)外觀品質(zhì)、果實(shí)營養(yǎng)品質(zhì)、產(chǎn)量及水分利用4個(gè)方面。其中作物生長性狀又包括株高、莖粗、葉面積與地上部干重這4項(xiàng)指標(biāo);果實(shí)外觀品質(zhì)包括果實(shí)縱徑、果實(shí)橫徑、果形指數(shù)、皮厚與肉厚5項(xiàng)指標(biāo);果實(shí)營養(yǎng)品質(zhì)包括可溶性固形物(TotalSolubleSolid，TSS)、可溶性糖、V c、可溶性蛋白質(zhì)與游離氨基酸總量5項(xiàng)指標(biāo);產(chǎn)量及水分利用包括平均單果重、果實(shí)數(shù)、產(chǎn)量、總灌水量與灌溉水分利用效率(Irrigation WaterUseEfficience，IWU)5項(xiàng)指標(biāo)。作物灌水下限適宜模式評價(jià)指標(biāo)體系見表1。

在表1評價(jià)指標(biāo)體系中，株高與莖粗是衡量植株健壯與否的一個(gè)重要指標(biāo)，在一定程度上反映了植株輸送營養(yǎng)物質(zhì)及水分的能力，其值越大越優(yōu);葉面積與地上部干重反映了作物光合作用的強(qiáng)弱，若葉面積與地上部干重越大則表明植株光合作用較強(qiáng)，植株生長勢態(tài)良好;在果實(shí)外觀品質(zhì)方面，若果實(shí)縱橫徑越大(果實(shí)體積也會(huì)越大)、果形指數(shù)越接近于1，則表明果實(shí)外觀品質(zhì)較好。此外，若果實(shí)皮厚較薄、肉厚較大則表明其品質(zhì)較優(yōu);甜瓜果實(shí)中含有大量可溶性固形物、可溶性糖、VC、可溶性蛋白質(zhì)和游離氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)，這些營養(yǎng)物質(zhì)的含量決定了甜瓜的內(nèi)在品質(zhì)，其指標(biāo)值均為越大越優(yōu);在產(chǎn)量及水分利用方面，平均單果重越大、果實(shí)數(shù)越多，則相應(yīng)的產(chǎn)量會(huì)越高。在總灌水量保持一定水平的情況下，灌溉水利用效率越高則越優(yōu)，表明其單方水產(chǎn)出較大。

表1 不同灌水下限對作物生長影響的綜合評價(jià)指標(biāo)體系

2 因子分析法

因子分析法的核心思想主要是對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，按照方差貢獻(xiàn)率大于85%的原則選取主成分個(gè)數(shù)，并以方差貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)計(jì)算綜合主成分得分，其原理及計(jì)算步驟如下。

2.1 基本原理

設(shè)有n個(gè)評價(jià)方案，每個(gè)方案有p個(gè)評價(jià)指標(biāo)，則可構(gòu)成n×p階方案矩陣:

利用p個(gè)原始變量構(gòu)成少量新的綜合變量，使得新變量為原始變量的線性組合，這樣定義 x1，x2，…，xp為原變量指標(biāo)，Z1，Z2，…，Zm(m≤p)為新的綜合變量，則:

2.2 計(jì)算步驟

2.2.1 對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理

式中:xij—第 i個(gè)指標(biāo)第 j個(gè)方案的原始值;x-，σi—第i個(gè)指標(biāo)的方案均值與標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2.2 形成相關(guān)系數(shù)矩陣

2.2.3 計(jì)算特征值與特征向量

根據(jù)特征方程|λ I-R|=0，求出特征值λi(i=1，2，…，p)，并按大小排序，之后求解特征值所對應(yīng)的特征向量ei(i=1，2，…，p)，‖ei‖=1。

2.2.4 計(jì)算主成分貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率

計(jì)算主成分zi貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率一般取累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%的特征值進(jìn)行因子分析。

2.2.5 因子旋轉(zhuǎn)

采用方差最大化正交法旋轉(zhuǎn)因子，以使因子載荷系數(shù)盡量接近1或0。

2.2.6 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

計(jì)算式如下:

式中:wi—指標(biāo)i的權(quán)重;ej—主成分j的方差貢獻(xiàn)率;βij—因子得分系數(shù)。

2.2.7 方案綜合評價(jià)

方案綜合值計(jì)算如下:

式中:zij—指標(biāo)歸一化值;Aj—第j個(gè)評價(jià)方案的綜合值，其余參數(shù)含義同前。綜合值 Aj越大，則表明方案越優(yōu)，反之則越劣。

3 模型應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)文獻(xiàn)［6］中的數(shù)據(jù)資料，采用因子分析法對溫室滴灌方式下甜瓜不同灌水方案進(jìn)行綜合評價(jià)。灌溉方案設(shè)計(jì)見表2，不同灌水下限的作物生長性狀、果實(shí)外在與內(nèi)在營養(yǎng)品質(zhì)、產(chǎn)量及水分利用情況見表3。

表2 灌溉方案設(shè)計(jì)

表3 不同灌水下限作物生長指標(biāo)值

3.2 因子分析

按照因子分析法計(jì)算步驟，首先將表3中不同灌水下限的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，之后求出指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣，并解相關(guān)系數(shù)矩陣的特征方程以計(jì)算特征值(見表4)。由于表3中各評價(jià)指標(biāo)間具有一定的相關(guān)性，運(yùn)用所有指標(biāo)進(jìn)行方案評價(jià)時(shí)，會(huì)有信息重疊。由表4可知，前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為100%，說明它們基本包含了以上19個(gè)評價(jià)指標(biāo)的所有信息。其中，第一個(gè)主成分又是最重要的，對評價(jià)結(jié)果影響最大(方差貢獻(xiàn)率為67.11%)。

此外，對各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行K MO檢驗(yàn)和Bartlett球形檢驗(yàn)，結(jié)果表明:評價(jià)指標(biāo)K MO值為0.673，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)家Kaiser給出的標(biāo)準(zhǔn)(K MO大于0.6)，適合因子分析;同時(shí)Bartlett球形檢驗(yàn)給出的相伴概率為0.000小于顯著性水平0.05，因此，拒絕零假設(shè)，認(rèn)為評價(jià)指標(biāo)之間存在相關(guān)性，可以進(jìn)行因子分析。

表4 主成分特征值、貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率

利用方差極大正交旋轉(zhuǎn)法求出前3個(gè)主成分的荷載值(見表5)。

表5 主成分荷載旋轉(zhuǎn)矩陣

根據(jù)旋轉(zhuǎn)后的因子得分系數(shù)，利用式(5)計(jì)算得到19個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重 w，得 w=(0.082，0.098，0.031，0.095，0.091，0.018，0.074，0.020，0.036，0.018，0.053，0.052，0.031，0.078，0.036，0.079，0.025，0.034，0.049)。

由評價(jià)指標(biāo)權(quán)重可知，株高、莖粗、地上部干重、果實(shí)縱徑、果形指數(shù)、游離氨基酸總量與果實(shí)數(shù)這7項(xiàng)指標(biāo)對評價(jià)綜合值的影響較大(上述評價(jià)指標(biāo)權(quán)重均大于0.07)

將表3中各處理的指標(biāo)數(shù)據(jù)按照指標(biāo)類型(正指標(biāo)與負(fù)指標(biāo))分別進(jìn)行歸一化處理，之后將各評價(jià)方案歸一化結(jié)果帶入式(6)，即可得到不同灌水下限綜合評價(jià)值及排序(見表6)。

表6 不同灌水下限綜合評價(jià)值及排序

3.3 評價(jià)結(jié)果分析

由表6可知，165為最優(yōu)灌水下限，其綜合值為0.8825，145為最劣灌水下限，其綜合值為0.2948。結(jié)合表3數(shù)據(jù)可知，165有6項(xiàng)指標(biāo)為最優(yōu)，其余13項(xiàng)指標(biāo)均為中等或偏上水平。因此，綜合評價(jià)165為最優(yōu)灌水下限方案是合理可信的。

此外，將本文計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［6］進(jìn)行對比，2者結(jié)論完全一致(165為最優(yōu)灌水下限)，這充分說明了本文計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了基于因子分析法的滴灌溫室甜瓜灌水下限綜合評價(jià)模型，結(jié)果表明:

(1)株高、莖粗、地上部干重、果實(shí)縱徑、果形指數(shù)、游離氨基酸總量與果實(shí)數(shù)這7項(xiàng)指標(biāo)對灌水下限綜合評價(jià)的影響較大，其指標(biāo)權(quán)重均大于0.07。

(2)165為溫室滴灌方式下甜瓜最優(yōu)灌水下限，即伸蔓期、開花期和結(jié)果期，甜瓜灌水下限均為土壤田間持水量的65%。

(3)在溫室甜瓜栽培中合理設(shè)定灌水下限能提高作物水分生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)水和提質(zhì)的目的，下一步應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)研究交替灌水下限對甜瓜生長性狀、產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用的影響以及水分調(diào)控與品質(zhì)的響應(yīng)機(jī)理。

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S275.6

A

1008-1305(2016)05-0009-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.005

2015-09-03

劉新華(1978年—)，女，工程師。