極端干旱區(qū)滴灌葡萄水肥適宜用量主成分分析法

侯裕生，王振華*，李文昊，張繼峯，竇允清，溫越

(1. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003； 2. 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003)

吐哈地區(qū)是中國(guó)西北乃至全國(guó)著名的特色林果種植基地，豐富的光熱資源使得當(dāng)?shù)毓瞎焚|(zhì)極佳.葡萄是世界四大水果之一，作為中國(guó)葡萄種植優(yōu)勢(shì)區(qū)域，吐哈地區(qū)占據(jù)全疆60%、中國(guó)20%的無核白葡萄種植面積[1-2].當(dāng)下，吐哈地區(qū)果樹灌溉以漫灌為主，而灌溉量高達(dá)16 500 m3/hm2[3]，農(nóng)業(yè)用水效率低下，滲漏蒸發(fā)量大且生態(tài)用水比例較小，生態(tài)環(huán)境日趨脆弱[4]；同時(shí)，當(dāng)?shù)責(zé)o核白葡萄施肥量不統(tǒng)一，沒有按照科學(xué)施肥技術(shù)進(jìn)行管理.灌水、施肥作為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的兩大重要因素，合理的水肥用量可做到“以肥促水，以水調(diào)肥”，使水肥協(xié)同調(diào)控作用得以充分發(fā)揮，進(jìn)而達(dá)到提高作物產(chǎn)量品質(zhì)及水肥利用效率的目的，對(duì)區(qū)域內(nèi)乃至世界農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義[5-7].

多年來，水肥因素對(duì)滴灌作物的產(chǎn)量、品質(zhì)等指標(biāo)的影響已有較多研究成果，不同作物適宜的水肥制度也有了基本共識(shí).研究表明，作物生理、產(chǎn)量和品質(zhì)受水肥用量影響顯著，合理的水肥用量可以提高作物經(jīng)濟(jì)生態(tài)指標(biāo)，例如產(chǎn)量、品質(zhì)、水肥利用效率和光合能力[8-10].目前在試驗(yàn)研究中，根據(jù)作物響應(yīng)指數(shù)進(jìn)行的最佳水肥處理主要是基于主成分分析法和灰色關(guān)聯(lián)法.有學(xué)者采用2種方法定量分析溫室青椒[11]、溫室番茄[12]、生菜[13]和黃瓜[14]的最佳水肥處理，研究結(jié)果均符合生產(chǎn)實(shí)際.雖然有學(xué)者研究了水肥耦合對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，但沒有研究極端干旱區(qū)滴灌無核白葡萄產(chǎn)量、品質(zhì)及水肥利用效率受水肥用量的影響.

基于以上問題，文中通過田間滴灌施肥，研究不同水肥用量對(duì)葡萄產(chǎn)量、品質(zhì)及灌溉水肥利用效率的影響，以水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用主成分分析法確定最優(yōu)水肥處理；以高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)為目標(biāo)，提出適宜極端干旱區(qū)滴灌無核白葡萄生長(zhǎng)的最佳水肥制度.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

2018年4—10月，試驗(yàn)在新疆某師哈密墾區(qū)灌溉試驗(yàn)站(93°37′22″E，42°41′57″N)進(jìn)行.該地區(qū)位居亞歐板塊內(nèi)陸區(qū)，受天山影響，降水極少，為極端干旱區(qū).該地區(qū)年均溫為9.8 ℃；干旱少雨且蒸發(fā)強(qiáng)烈，年降水量和蒸發(fā)量分別為33.8和3 300 mm；光熱資源豐富，年均日照時(shí)數(shù)為3 358 h，≥10 ℃積溫為4 058.3 ℃，無霜期為182 d.年平均風(fēng)速為3.6 m/s，以東風(fēng)為主.試驗(yàn)區(qū)灌溉水源為井水，試驗(yàn)地塊地下水埋深>8.0 m.試驗(yàn)期內(nèi)溫度t、降雨量P如圖1所示；地塊基本理化性質(zhì)見表1，表中物理量分別為土層h、土壤容重γ、田間持水率θ、肥料質(zhì)量比rf、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比ro.

圖1 哈密墾區(qū)灌溉試驗(yàn)站氣象要素Fig.1 Meteorological elements of irrigation test station in Hami reclamation area

表1 試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of test plot soil

1.2 田間試驗(yàn)布置

試驗(yàn)材料為2003年定植的成齡無核白晚熟葡萄，種植方式為深溝搭接棚架，葡萄溝長(zhǎng)、寬、高分別為40.0，1.0，0.5 m.葡萄株行距分別為1.0，5.0 m；試驗(yàn)小區(qū)規(guī)格為240 m2，其中長(zhǎng)、寬各為40.0，6.0 m；每小區(qū)種植80株葡萄樹.各小區(qū)滴灌帶均采用一溝三管模式，分別布置在距樹根部-30，0，30 cm處.滴灌帶類型為單翼迷宮式，工作壓力約為0.10 MPa，滴頭間距和流量分別為30 cm和3.0 L/h.各處理采用水表單獨(dú)量水，采用施肥罐單獨(dú)控肥.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[15-17]，對(duì)灌水施肥量進(jìn)行2因素設(shè)計(jì)，其中灌溉處理為4水平：6 000(W1)，6 750(W2)，7 500(W3)，8 250 m3/hm2(W4)；施肥處理為3水平：450(F1)，750(F2)，1 050 kg/hm2(F3)；施肥比例為ω(N)∶ω(P2O5)∶ω(K2O)=2∶1∶2.試驗(yàn)以上述因素進(jìn)行完全區(qū)組設(shè)計(jì)，12個(gè)處理，3次重復(fù)，共36個(gè)小區(qū).灌水施肥總量見表2，表中I，F(xiàn)分別為灌水量、施肥量.

無核白葡萄各生育期有明顯的界限，根據(jù)其生長(zhǎng)特性，可將生育期劃分為6個(gè)階段：萌芽期、新梢生長(zhǎng)期、花期、漿果生長(zhǎng)期、漿果成熟期和枝蔓成熟期，全生育期共計(jì)152 d.灌水施肥遵循少量多次原則，各處理灌水施肥時(shí)間相同，將肥料溶解于施肥罐內(nèi)30 min后進(jìn)行灌水.各處理不同生育期內(nèi)灌水施肥量詳見表3，表中物理量分別為灌水周期T、灌水次數(shù)n、施肥次數(shù)m.

表2 試驗(yàn)灌水施肥量Tab.2 Test irrigation and fertilization doses

表3 不同生育期內(nèi)灌水施肥量Tab.3 Irrigation and fertilization doses in different growth periods

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4.1 產(chǎn)量及品質(zhì)

產(chǎn)量：在葡萄完全成熟后各小區(qū)均選取5株葡萄樹進(jìn)行完全整株取樣，使用電子天平分別稱量質(zhì)量，以平均值作為小區(qū)單株產(chǎn)量，并換算為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量.

品質(zhì)：各處理隨機(jī)摘取0.5 kg葡萄鮮樣，隨后送往石河子農(nóng)墾科學(xué)院進(jìn)行品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定.其中：可溶性固形物采用手持糖量計(jì)法測(cè)定(PAL-1，ATAGO，Japan)；可滴定酸采用酸堿滴定法測(cè)定；維生素C采用分光光度法測(cè)定.

1.4.2 灌溉水肥利用效率與增產(chǎn)效應(yīng)

灌溉水利用效率(iWUE)計(jì)算公式[18]為

iWUE=Y/I，

(1)

式中：Y為葡萄產(chǎn)量，kg/hm2；I為生育期灌水量，m3/hm2.

肥料偏生產(chǎn)力(PFP)計(jì)算公式[19]為

PFP=Y/F，

(2)

式中：F為各處理施肥量，kg/hm2.

增產(chǎn)效應(yīng)(σ)計(jì)算公式[20]為

σ=(YX-YL)/YL，

(3)

式中：YX為相應(yīng)處理產(chǎn)量，kg/hm2；YL為低水低肥處理W1F1的葡萄產(chǎn)量，kg/hm2.

1.4.3 主成分分析

主成分分析由Matlab完成，具體程序如下：

A=xlsread(′data.xlsx′);% 打開數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)賦予給矩陣A

x=zscore(A);% 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

[coeff,score,latent,tsquare]=princomp(x);% 調(diào)用主成分分析

latent′;% 計(jì)算特征值

y=(100*latent/sum(latent))′;% 計(jì)算貢獻(xiàn)率

根據(jù)Matlab程序計(jì)算的特征值，通過將特征值≥1作為主成分標(biāo)準(zhǔn)以計(jì)算主成分評(píng)價(jià)值，即

Zk=rk1x1+rk2x2+…+rkmxm，k

(4)

式中：Zk為各處理主成分評(píng)價(jià)值；rkm為各處理成分系數(shù)；xm標(biāo)準(zhǔn)化后作物指標(biāo)對(duì)應(yīng)數(shù)值；k=2，m=6.

以主成分評(píng)價(jià)值為基礎(chǔ)計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值，公式為

Z=y1Z1+y2Z2+…+ynZk，n=k，

(5)

式中：Z為綜合評(píng)價(jià)值；Zk為主成分評(píng)價(jià)值；yn為對(duì)應(yīng)于主成分的貢獻(xiàn)率(Matlab計(jì)算).

1.5 數(shù)據(jù)處理

分別使用Excel 2016和Matlab 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和主成分分析法的運(yùn)算，采用雙因素Ducan′s新復(fù)極差法進(jìn)行方差分析，使用Origin Pro 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥用量對(duì)滴灌葡萄產(chǎn)量、水肥利用效率及品質(zhì)的影響

滴灌葡萄產(chǎn)量、水肥利用效率及品質(zhì)受水肥交互作用的影響均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)；可滴定酸受灌水量與施肥量的影響均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，滴灌葡萄產(chǎn)量、灌溉水利用效率、肥料偏生產(chǎn)力、可溶性固形物及維生素C分別受灌水量和施肥量影響均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01).

表4為不同水肥處理下，滴灌葡萄的產(chǎn)量、水肥利用效率及品質(zhì)，表中物理量分別為增產(chǎn)效應(yīng)σ、可滴定酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)τ、可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω、維生素每g溶液質(zhì)量ρ.

表4 不同水肥處理下滴灌葡萄的產(chǎn)量、水肥利用效率及品質(zhì)Tab.4 Drip irrigation grape yield, water and fertilizer utilization efficiency and quality in different water and fertilizer treatments

由表4可知，在相同施肥處理下，處理F1的產(chǎn)量與灌水量呈正相關(guān)，而施肥處理F2和F3的產(chǎn)量與灌水量呈現(xiàn)拋物線趨勢(shì)；在相同灌水處理下，灌水處理W1和W2的產(chǎn)量與施肥量呈正相關(guān)，W3和W4的產(chǎn)量與施肥量呈現(xiàn)拋物線趨勢(shì)，產(chǎn)量最大的處理為W3F2，最小處理為W1F1，相對(duì)提高29.76%；灌溉水利用效率以處理W1F3的最高，達(dá)到了3.54 kg/m3，肥料偏生產(chǎn)力在處理W4F1下達(dá)到最大值54.78 kg/kg，這與產(chǎn)量最高處理并不相同.在相同灌水處理下，施肥量對(duì)灌溉水利用效率的影響趨勢(shì)同產(chǎn)量；而相同施肥處理下，灌水量對(duì)灌溉水利用效率的影響趨勢(shì)與產(chǎn)量指標(biāo)相反，同時(shí)，灌溉水利用效率受灌水水平影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，受施肥量影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.水肥用量對(duì)肥料偏生產(chǎn)力的影響趨勢(shì)總體與灌溉水利用效率變化規(guī)律相反，肥料偏生產(chǎn)力受施肥水平影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，受灌水量影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；從增產(chǎn)效應(yīng)可見低水低肥處理產(chǎn)量最低，增產(chǎn)效果最明顯的是處理W3F2，較處理W1F1增產(chǎn)29.76%，是產(chǎn)量最優(yōu)處理.

從表4還可看出，在相同灌水處理下，可溶性固形物隨施肥量增加呈拋物線趨勢(shì)，在相同施肥處理下，施肥處理F1的可溶性固形物與灌水量增加呈正相關(guān)趨勢(shì)，F(xiàn)2和F3的可溶性固形物隨灌水量增加呈拋物線趨勢(shì)，且在處理W3F2下可溶性固形物達(dá)到最大值；在相同灌水處理下，灌水處理W1和W2的可滴定酸與施肥量增加呈正相關(guān)趨勢(shì)，W3和W4的可滴定酸隨施肥量增加呈拋物線趨勢(shì)；在相同施肥處理下，可滴定酸隨灌水量增加呈正相關(guān)，且在處理W4F2下達(dá)到最大值，而W3F2與其之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；在相同灌水處理下，維生素C含量隨施肥量增加呈正相關(guān)；在相同施肥處理下，施肥處理F1和F2的維生素C含量隨灌水量增加呈拋物線趨勢(shì)，F(xiàn)3的維生素C含量隨灌水量增加呈正相關(guān)，且維生素C在處理W4F3下達(dá)到最大值，W3F2的維生素C含量與其之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).

綜合上述指標(biāo)，處理W3F2能夠達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的預(yù)期結(jié)果，說明合理的水肥施用量能夠激發(fā)植株生產(chǎn)潛力，創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益.

2.2 基于主成分分析法的極端干旱區(qū)滴灌葡萄水肥適宜用量綜合評(píng)價(jià)

從單一指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用效率無法在相同處理下達(dá)到最優(yōu).因此以單一指標(biāo)評(píng)價(jià)水肥處理優(yōu)劣不具有說服力，因此基于主成分分析法，以葡萄產(chǎn)量、可溶性固形物、可滴定酸及維生素C為基礎(chǔ)，再添加灌溉水利用效率、肥料偏生產(chǎn)力共6項(xiàng)單一指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選出表現(xiàn)最優(yōu)的水肥處理.

首先根據(jù)前文給出的Matlab程序?qū)⒃贾笜?biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，隨后計(jì)算出各指標(biāo)成分系數(shù)及特征值，對(duì)貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算.根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果結(jié)合公式(4)和(5)計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值.經(jīng)計(jì)算，基于6項(xiàng)單一指標(biāo)所進(jìn)行的水肥綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表5，表中Z，Z1，Z2分別為綜合評(píng)價(jià)值、第一主成分評(píng)價(jià)值、第二主成分評(píng)價(jià)值.由表可看出，不同水肥處理表現(xiàn)差距較大，其中處理W3F2的綜合評(píng)價(jià)值達(dá)到1.283，其次為W2F3和W3F3，分別達(dá)到0.937和0.884，這說明處理W3F2的各指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)最高，W2F3與W3F3的也較好.施肥水平F1下各灌水處理綜合評(píng)價(jià)值較F2和F3的低，表現(xiàn)最差.這說明只有適宜的水肥用量才能使作物指標(biāo)達(dá)到較高水平，起到增產(chǎn)、提質(zhì)和降低成本的效果.

表5 不同水肥處理綜合評(píng)價(jià)Tab.5 Comprehensive evaluation of different water and fertilizer treatments

3 討 論

產(chǎn)量和品質(zhì)是衡量作物種植效果的主要指標(biāo)，適宜的水肥用量既能提高作物產(chǎn)量品質(zhì)，又能降低種植成本，同時(shí)還能獲得較高產(chǎn)出.LIU等[21]認(rèn)為在合理范圍內(nèi)增加灌水施肥量可以提高作物的產(chǎn)量，但超出一定范圍后會(huì)降低增產(chǎn)效果、提高支出并對(duì)品質(zhì)造成負(fù)面影響；SINGANDHUPE等[22]認(rèn)為灌溉水利用效率降低主要是灌水量增加造成的；而ZHANG等[23]認(rèn)為肥料偏生產(chǎn)力隨著施肥量增大會(huì)逐漸降低.文中試驗(yàn)在極端干旱區(qū)開展滴灌葡萄水肥生產(chǎn)制度優(yōu)化試驗(yàn)，結(jié)果表明水肥交互作用對(duì)葡萄產(chǎn)量、品質(zhì)及水肥利用效率產(chǎn)生了顯著影響，產(chǎn)量并未在高水高肥處理W4F3下獲得最大值，而在處理W3F2下獲得了最大值，相對(duì)于產(chǎn)量最小值處理W1F1增產(chǎn)29.76%；品質(zhì)指標(biāo)與產(chǎn)量指標(biāo)相似并未在高水高肥處理獲得最大值，綜合在處理W3F2達(dá)到較優(yōu)水平，這主要是由于過量或少量水肥施用會(huì)對(duì)作物產(chǎn)量品質(zhì)等指標(biāo)產(chǎn)生拮抗作用[24]，說明只有探明當(dāng)?shù)厮蔬m宜用量才能提高葡萄產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用效率.

作物維持良好生理生長(zhǎng)狀態(tài)的主要影響因素是水肥用量，通過優(yōu)化水肥生產(chǎn)制度，在降低水肥用量的基礎(chǔ)上維持甚至大幅提高作物的產(chǎn)量品質(zhì)和生產(chǎn)效率，才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益協(xié)同發(fā)展的目標(biāo)，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要途徑[25].試驗(yàn)結(jié)果表明，各水肥處理對(duì)葡萄各項(xiàng)指標(biāo)影響差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，并未在同一處理下達(dá)到最優(yōu)值，因此采用分析模型對(duì)水肥處理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)是篩選最優(yōu)水肥用量的良好方法.研究中，以滴灌葡萄產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以主成分分析法為評(píng)價(jià)手段，對(duì)不同水肥處理下各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合量化分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)處理W3F2的增產(chǎn)提質(zhì)增效效果最佳，處理W1F1的效果最差.

通過1 a 試驗(yàn)研究，初步給出了極端干旱區(qū)滴灌葡萄的水肥適宜用量區(qū)間.但還有一些問題需進(jìn)行研究：試驗(yàn)開展時(shí)間較短，獲得的結(jié)果需進(jìn)行長(zhǎng)期試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；試驗(yàn)取得的最優(yōu)水肥處理集中在高水中肥，在以后試驗(yàn)開展中需在此范圍內(nèi)增加水肥處理，進(jìn)一步確定水肥適宜用量.

4 結(jié) 論

1) 不同水肥用量對(duì)滴灌葡萄水肥利用效率、產(chǎn)量及品質(zhì)影響存在差異，處理W3F2下取得產(chǎn)量(26 364 kg/hm2)、灌溉水利用效率(3.52 kg/m3)和可溶性固形物(22.45 kg/kg)最大值，可滴定酸及維生素C分別在處理W4F2(值為0.541%)及W4F3(值為8.52×10-2mg/g)下達(dá)到最優(yōu)，但與處理W3F2之間差異均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).合理的水肥用量可以取得較優(yōu)的產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用效率.

2) 基于主成分分析法對(duì)滴灌葡萄產(chǎn)量、肥料偏生產(chǎn)力、灌溉水利用效率、可滴定酸、可溶性固形物及維生素C進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出最優(yōu)水肥處理為W3F2，即灌水量為7 500 m3/hm2；施肥量N，P2O5，K2O分別為300，150和300 kg/hm2.