基于主成分分析的生活再生水滴灌對蘋果影響的綜合評價(jià)

朱永福，田軍倉，2，3，董思瓊，沈 暉，2，3，閆新房，2，3

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川750021）

0 引言

2020年寧夏廢污水排放量約3 億m3，可生產(chǎn)再生水量達(dá)2.4 億m3，實(shí)際處理利用量約0.6 億m3， 再生水利用率只有20%，與寧夏2025年再生水利用率50%的目標(biāo)差距較大，實(shí)現(xiàn)再生水資源化利用挖掘潛力巨大[1]。蘋果產(chǎn)業(yè)作為寧夏13個(gè)特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，2018年種植面積達(dá)3.8 萬hm2，但寧夏有限的水資源限制了蘋果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，迫切需要尋找替代水源，此時(shí)再生水成為緩解水資源緊張的重要途徑[2-4]。

目前，再生水用于林果業(yè)灌溉研究主要集中在葡萄[5]、油茶[6]、柑橘[7]、枸杞[8]、西柚[9]、檸檬[10,11]、橄欖[12]等，對于采用再生水灌溉蘋果對其微生物的影響有一篇國外文獻(xiàn)報(bào)到[13]，其他研究未見報(bào)道。蘋果水肥組合的研究主要集中在常規(guī)水源灌溉[14-20]，對于采用非常規(guī)水源的生活再生水滴灌蘋果，研究水肥組合對蘋果的影響暫未見文獻(xiàn)報(bào)道。因此，為探究在生活再生水滴灌條件下，水肥組合對蘋果生長、光合、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，本文以矮砧密植禮泉短富蘋果為研究對象，對生活再生水滴灌蘋果水肥最優(yōu)組合方案進(jìn)行研究，旨在為該地區(qū)采用生活再生水水肥高效滴灌蘋果的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020年3月下旬到2020年10月下旬在寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)宣和鎮(zhèn)弘興達(dá)果業(yè)示范基地（105°22′56″E，37°23′26″N）進(jìn)行，生育期內(nèi)降雨量為180.4 mm。試驗(yàn)田土壤為砂礫石土，0~40 cm土壤干容重為1.48 g/cm3，田間質(zhì)量持水率15.1%，pH 值為8.59，有機(jī)質(zhì)為4.16 g/kg，全鹽量為0.51 g/kg，堿解氮為45.8 mg/kg，速效磷為6.1 mg/kg，速效鉀為256 mg/kg。灌溉的黃河水取自中衛(wèi)市南山臺揚(yáng)水三干渠，灌溉的再生水為中衛(wèi)市第四污水處理廠的生活再生水，生活再生水水質(zhì)符合《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB5084-2021），其水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 生活再生水和黃河水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Water quality index of domestic reclaimed water and Yellow River water

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)，設(shè)置灌溉水質(zhì)（Q）、灌溉定額（W）與施肥量（F）3個(gè)因素，每因素設(shè)3個(gè)水平，共9個(gè)處理，每處理重復(fù)3次。通過正交試驗(yàn)，旨在揭示不同水質(zhì)、灌溉定額與施肥量對蘋果的影響規(guī)律，確定各因素的最優(yōu)組合方案。正交試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案Tab.2 Test scheme

1.3 試驗(yàn)實(shí)施

本試驗(yàn)品種選取禮泉短富蘋果，其栽植于2016年4月中旬，樹形采用高紡錘形，東西向種植，株距1.5 m，行間距為4 m。供試基肥為沼液，追肥為磷酸二氫鉀（水溶性P2O5≥52%，K2O≥34%）、尿素（N≥46%）。滴灌管沿種植行進(jìn)行布置，滴灌管直徑為16 mm，滴頭間距50 cm，滴頭流量1.5 L/h。在試驗(yàn)實(shí)施期間，各處理總共灌水18 次，其中降雨時(shí)均不灌水。萌芽開花期（4月上旬-5月中旬）灌水7 次，其中5次隨水施肥；葉片擴(kuò)展期（5月下旬-6月中旬）灌水施肥3 次；果實(shí)膨大期（6月下旬-8月下旬）灌水7 次， 其中4 次隨水施肥；果實(shí)成熟期（9月）灌水施肥1 次，均采用滴灌水肥一體化技術(shù)隨水施肥。

1.4 測定指標(biāo)和方法

蘋果新梢長度采用鋼卷尺，新梢莖粗采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺；蘋果光合指標(biāo)（凈光合速率Pn）采用LI-6800 型光合儀[4,21-23]；蘋果產(chǎn)量采收每個(gè)處理3個(gè)小區(qū)的所有果實(shí)并稱重?fù)Q算；蘋果可溶性固形物采用阿爾法折射儀，總糖采用菲林試劑，維生素C采用2，6-二氯靛酚滴定法分別進(jìn)行測定。

采用Office 2019、SPSS 25.0 軟件及Origin 2018 繪圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理對蘋果生長指標(biāo)的影響

2.1.1 各處理對蘋果新梢長度的影響

由圖1可知，各處理蘋果新梢長度生長趨勢大致相同，在果實(shí)成熟期逐漸趨于穩(wěn)定，其中T3處理的蘋果新梢長度最大。對各處理蘋果新梢長度進(jìn)行極差分析可知，3因素影響的主次順序?yàn)楣喔榷~W＞施肥量F＞灌溉水質(zhì)Q。由圖2 可知，蘋果新梢長度分別隨著灌溉定額和施肥量的增加而不斷增大。

圖1 各處理對蘋果新梢長度的影響Fig.1 Effects of different treatments on apple shoot length

圖2 蘋果新梢長度與各因素關(guān)系Fig.2 Relationship between apple shoot length and various factors

由方差分析可知，灌溉定額和施肥量對蘋果新梢長度影響極顯著，灌溉水質(zhì)對蘋果新梢長度影響顯著。參考組合與最優(yōu)組合一致，為Q1W3F3，即采用生活再生水滴灌，灌溉定額為6 480 m3/hm2、施肥量為317 kg/hm2時(shí)，蘋果新梢長度為60.4 cm。

2.1.2 各處理對蘋果新梢莖粗的影響

由圖3可知，各處理蘋果新梢莖粗前期增長速度較快，后期隨著蘋果果實(shí)的膨大，新梢莖粗生長逐漸減緩，其中T3 處理的新梢莖粗最大。對各處理蘋果新梢莖粗進(jìn)行極差分析可知，3 因素影響的主次順序?yàn)楣喔榷~W＞施肥量F＞灌溉水質(zhì)Q。由圖4 可知，蘋果新梢莖粗分別隨著灌溉定額和施肥量的增加而不斷增大。

圖3 各處理對蘋果新梢莖粗的影響Fig.3 Effects of different treatments on shoot diameter of apple

圖4 蘋果新梢莖粗與各因素關(guān)系Fig.4 Relationship between stem diameter of apple new shoots and various factors

由方差分析可知，灌溉定額和施肥量對蘋果新梢莖粗的影響顯著，滴灌水質(zhì)對蘋果新梢莖粗的影響不顯著。參考組合與最優(yōu)組合一致，為Q1W3F3，即采用生活再生水滴灌，灌溉定額為6 480 m3/hm2、施肥量為317 kg/hm2時(shí)，蘋果新梢莖粗為8.37 mm。

2.2 各處理對蘋果凈光合速率Pn的影響

由圖5 可知，各處理蘋果Pn日變化趨勢基本一致，呈現(xiàn)“M”形，其中T3 處理的Pn日變化均值最大。對各處理蘋果Pn日變化的平均值進(jìn)行極差分析可知，3因素影響的主次順序?yàn)楣喔榷~W＞施肥量F＞灌溉水質(zhì)Q。由圖6可知，蘋果Pn分別隨著灌溉定額和施肥量的增加而不斷增大。

圖5 各處理對蘋果凈光合速率日變化的影響Fig.5 Effects of different treatments on diurnal variation of net photosynthetic rate of apple

由方差分析可知，灌溉定額和施肥量對蘋果Pn日變化的平均值影響均顯著，滴灌水質(zhì)對蘋果Pn日變化的平均值影響不顯著。參考組合與最優(yōu)組合一致，為Q1W3F3，即采用生活再生水滴灌，灌溉定額為6 480 m3/hm2、施肥量為317 kg/hm2時(shí)，蘋果Pn日變化的平均值最大為15.44μmol/(m2·s)。

2.3 各處理對蘋果產(chǎn)量的影響

由圖7 可知，T3 處理的蘋果產(chǎn)量最大，為39 250 kg/hm2。對各處理的蘋果產(chǎn)量進(jìn)行極差分析可知，3因素影響的主次順序?yàn)楣喔榷~W＞施肥量F＞灌溉水質(zhì)Q。由圖8 可知，蘋果產(chǎn)量分別隨著灌溉定額和施肥量的增加而不斷增大。

圖8 蘋果產(chǎn)量與各因素關(guān)系Fig.8 Relationship between apple yield and various factors

由表3可知，灌溉定額和施肥量對蘋果產(chǎn)量的影響均達(dá)到極顯著水平，灌溉水質(zhì)對蘋果產(chǎn)量影響顯著。參考組合與最優(yōu)組合一致，為Q1W3F3，即采用生活再生水滴灌，灌溉定額為6 480 m3/hm2、施肥量為317 kg/hm2時(shí)蘋果的產(chǎn)量最高，為39 250 kg/hm2。

表3 產(chǎn)量與3因素關(guān)系的方差分析Tab.3 Analysis of variance of the relationship between yield and three factors

2.4 各處理對蘋果品質(zhì)的影響

2.4.1 各處理對蘋果可溶性固形物的影響

由圖9 可知，T9 處理蘋果可溶性固形物含量最大，為17.2%。對各處理的蘋果可溶性固形物含量進(jìn)行極差分析可知，施肥量F＞滴灌水質(zhì)Q ＞灌溉定額W。由圖10 可知，蘋果可溶性固形物含量分別隨著灌溉定額和施肥量的增加先增加而后降低。

圖9 各處理對蘋果可溶性固形物的影響Fig.9 Effects of different treatments on soluble solids of apple

圖10 蘋果可溶性固形物與各因素關(guān)系Fig.10 The relationship between soluble solids and various factors in apple

由方差分析可知，滴灌水質(zhì)、灌溉定額和施肥量對蘋果可溶性固形物含量的影響均達(dá)到顯著水平。參考組合為Q3W3F2，初次最優(yōu)組合為Q2W2F2，考慮成本、效益等情況，確定最優(yōu)組合為Q3W3F2，即采用黃河水滴灌，灌溉定額為6 480 m3/hm2、施肥量為237 kg/hm2時(shí)，可溶性固形物為17.2%。

2.4.2 各處理對蘋果總糖的影響

由圖11 可知，T2 處理蘋果總糖含量最高，為13.5%。對各處理的蘋果總糖含量進(jìn)行極差分析可知，施肥量F＞灌溉定額W ＞滴灌水質(zhì)Q。由圖12可知，蘋果總糖含量分別隨著灌溉定額和施肥量的增加先增加而后降低。

圖11 各處理對蘋果總糖的影響Fig.11 Effects of different treatments on total sugar of apple

圖12 蘋果總糖與各因素關(guān)系Fig.12 Relationship between apple total sugar and various factors

由方差分析可知，灌溉定額和施肥量對蘋果總糖含量的影響均達(dá)到顯著水平，灌溉水質(zhì)對蘋果總糖含量的影響不顯著。參考組合與最優(yōu)組合一致，為Q1W2F2，即采用生活再生水滴灌，灌溉定額為4 860 m3/hm2、施肥量為237 kg/hm2時(shí)蘋果的總糖含量最高，為13.5%。

2.4.3 各處理對蘋果維生素C的影響

由圖13可知，T5處理蘋果維生素C含量最高，為8.48 mg/(100 g)。對各處理的蘋果維生素C 含量進(jìn)行極差分析可知，施肥量F＞灌溉定額W ＞滴灌水質(zhì)Q。由圖14可知，蘋果維生素C含量隨著灌溉定額的增加先增加而后降低，隨著施肥量的增加而不斷增大。

圖13 各處理對蘋果維生素C的影響Fig.13 Effects of different treatments on vitamin C of apple

圖14 蘋果維生素C與各因素關(guān)系Fig.14 The relationship between vitamin C and various factors in apple

由方差分析可知，滴灌水質(zhì)、灌溉定額和施肥量對蘋果維生素C含量的影響均達(dá)到顯著水平。參考組合為Q2W2F3，初次最優(yōu)組合為Q1W2F3，考慮成本、效益等情況，確定最優(yōu)組合為Q2W2F3，即生活再生水黃河水混合滴灌，灌溉定額為4 860 m3/hm2、施肥量為317 kg/hm2時(shí)蘋果的維生素C 含量適宜，為8.48 mg/(100 g)。

2.5 各處理滴灌對蘋果影響的綜合評價(jià)

生活再生水滴灌對蘋果影響的評價(jià)不應(yīng)只考慮某單一指標(biāo)，而應(yīng)全面的從蘋果生長、光合、產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)、科學(xué)的綜合評價(jià)[24,25]。主成分分析的思想是采用降維手段，將多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)能解釋原本較多指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)分析法[26-30]。

2.5.1 主成分分析檢驗(yàn)

利用KMO 和Bartlett 進(jìn)行因子分析前的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否適合進(jìn)行主成分分析。分析結(jié)果知KMO值0.620，Bartlett球形度檢驗(yàn)中近似卡方值61.577、df21、P值0.000，說明適合進(jìn)行主成分分析。

2.5.2 評價(jià)模型建立

由表4各指標(biāo)主成分的方差貢獻(xiàn)率可知，第一、二、三主成分方差貢獻(xiàn)率分別為58.176%、22.543%和14.615%，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)95.333%。第一主成分（Z1）主要反映蘋果新梢長度、新梢莖粗、凈光合速率和產(chǎn)量，第二主成分（Z2）主要反映可溶性固形物和總糖，第三主成分（Z3）主要反映維生素C。第一、二、三主成分相互不關(guān)聯(lián)，其各自具有代表性，故選用3個(gè)成分代表蘋果7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。

表4 各指標(biāo)主成分的方差貢獻(xiàn)率Tab.4 Variance contribution rate of principal components of each index

由主成分得分系數(shù)矩陣，可得各主成分蘋果指標(biāo)的表達(dá)式如下：

Z1=0.238Y1+0.239Y2+0.243Y3+0.243Y4+0.109Y5+0.004Y6+0.044Y7

Z2=-0.033Y1-0.112Y2-0.059Y3-0.049Y4+0.444Y5+0.599Y6+0.241Y7

Z3=0.116Y1-0.023Y2-0.032Y3-0.015Y4-0.448Y5-0.022Y6+0.872Y7

式中：Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7分別代表蘋果新梢長度、新梢莖粗、凈光合速率、產(chǎn)量、可溶性固形物、總糖、維生素C標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)。

2.5.3 計(jì)算主成分得分和綜合得分

以各主成分方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，構(gòu)建綜合評價(jià)得分函數(shù)：Z=0.610Z1+0.236Z2+0.153Z3，得出各處理綜合得分和排名，如表5所示。由表5 可知，各處理滴灌對蘋果影響綜合得分從高到低為：T3＞T9＞T5＞T2＞T6＞T4＞T8＞T7＞T1。

表5 綜合得分Tab.5 Comprehensive score

3 結(jié)論

通過對生活再生水滴灌4 a 生矮砧密植禮泉短富蘋果，研究對蘋果生長、光合、產(chǎn)量和品質(zhì)共7個(gè)指標(biāo)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，7個(gè)指標(biāo)對應(yīng)各處理的最優(yōu)組合并不一致。采用主成分分析對7 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行降維分析，提取3 個(gè)主成分，其累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)95.333%，能很好代表大部分指標(biāo)，同時(shí)構(gòu)建綜合評價(jià)模型：Z=0.610 Z1+0.236Z2+0.153Z3。利用該模型對各處理進(jìn)行綜合評價(jià)打分排序，結(jié)果表明T3 處理各項(xiàng)指標(biāo)綜合較好，此時(shí)蘋果新梢長度和莖粗分別為60.4 cm 和8.37 mm，Pn為15.44 μmol/(m2·s)，產(chǎn)量為39 250 kg/hm2，可溶性固形物為15.1%，總糖為12.1%，維生素C 含量為6.44 mg/（100 g）。故在砂礫石土、生育期降雨量為180.4 mm 的條件下，對于4 a生矮砧密植禮泉短富蘋果，采用生活再生水滴灌，灌溉定額為6 480 m3/hm2，施肥量為317 kg/hm2，為寧夏蘋果采用生活再生水高效利用的滴灌施肥模式。