西瓜幼苗壯苗指數(shù)的構(gòu)建

王雨露 宮彬彬 蒿文宇 張雨 賈瓊 高洪波

摘 ? ?要：為構(gòu)建科學(xué)評價(jià)西瓜幼苗質(zhì)量的壯苗指數(shù)，本試驗(yàn)以4葉1心西瓜穴盤苗為研究對象，通過加權(quán)模糊綜合評判法構(gòu)建出西瓜幼苗的綜合評價(jià)指數(shù);通過主成分分析法將14項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行成分歸類以及指標(biāo)組合;最后利用西瓜幼苗綜合評價(jià)指數(shù)與壯苗指數(shù)的相關(guān)性分析篩選出最適宜的壯苗指數(shù)，并對其進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，660株幼苗的綜合評價(jià)指數(shù)范圍為0.15～0.70;主成分分析結(jié)果將14項(xiàng)指標(biāo)劃分為4個主成分，通過相關(guān)性分析，得到2個相關(guān)性最大的壯苗指數(shù)：“總干質(zhì)量×根干質(zhì)量×總?cè)~綠素×莖粗”和“地上干質(zhì)量×根干質(zhì)量×總?cè)~綠素含量×莖粗”，相關(guān)系數(shù)分別為0.706、0.713，與京欣2號的相關(guān)系數(shù)分別為0.784、0.784，與早佳的相關(guān)系數(shù)分別為0.852、0.839。綜上所述，“總干質(zhì)量×根干質(zhì)量×總?cè)~綠素含量×莖粗” “地上干質(zhì)量×根干質(zhì)量×總?cè)~綠素含量×莖粗”均可作為綜合評判西瓜幼苗質(zhì)量的壯苗指數(shù)。

關(guān)鍵詞：西瓜;壯苗指數(shù);模糊綜合評判;相關(guān)性分析;主成分分析

中圖分類號：S651 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-2871（2022）02-095-06

Construction of seedling index of watermelon seedlings

WANG Yulu， GONG Binbin， HAO Wenyu， ZHANG Yu， JIA Qiong， GAO Hongbo

（College of Horticulture， Hebei Agricultural University， Baoding 071001， Hebei， China）

Abstract： In order to construct a robust seedling index that can be used to scientifically evaluate the quality of watermelon seedlings， this study took watermelon seedlings with four leaves and one heart as the research object， and constructed a comprehensive evaluation index of watermelon seedlings through weighted fuzzy comprehensive evaluation method. The 14 indexes were classified and combined by principal component analysis. Finally， the correlation analysis between the watermelon seedling comprehensive evaluation index and the seedling index was used to select the most appropriate seedling index and verify it. The results showed that the comprehensive evaluation index range of 660 seedlings was 0.15-0.70. The results of principal component analysis divided 14 indexes into four principal components. Through correlation analysis， two seedling indexes with the greatest correlation were obtained： “total dry weight × root dry weight × total chlorophyll × stem diameter” and “ground dry weight × root dry weight × total chlorophyll × stem diameter”， with correlation coefficients of 0.706 and 0.713 respectively. The correlation with Jingxin 2 is 0.784 and 0.784， and that with Zaojia is 0.852 and 0.839， respectively. Therefore， both “total dry weight × total root dry weight × total chlorophyll × stem diameter” and “ground dry weight × total root dry weight × total chlorophyll × stem diameter” could be used as the seedling index for comprehensive evaluation of watermelon seedling quality.

Key words： Watermelon; Comprehensive index of strong seedling; Fuzzy comprehensive evaluation; Correlation analysis; Principal component analysis

我國是世界上最大的西瓜生產(chǎn)國，從2000—2017年，西瓜生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)波動增長，2000年種植面積163.46萬hm2，占世界西瓜總種植面積的52.25%，產(chǎn)量5 182.12萬t，占世界總產(chǎn)量的67.7%;2017年種植面積達(dá)到188.15萬hm2，占世界西瓜總種植面積的53.65%，產(chǎn)量7 904.31萬t，占世界總產(chǎn)量的67.55%，年均增長率分別為0.95%和2.72%[1]。大規(guī)模、大面積的種植促使西瓜育苗集約化的產(chǎn)生。在生產(chǎn)中，西瓜的后期生長與品質(zhì)很大程度上取決于幼苗的壯碩程度，健壯的種苗不僅移栽成活率高，而且移栽后能迅速恢復(fù)生長，產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高[2]。目前，工廠化育苗中缺乏較為科學(xué)的蔬菜幼苗的質(zhì)量評判方法，通常是采用單一指標(biāo)來進(jìn)行評判，由于幼苗的生長不僅受到環(huán)境因子的影響，還受栽培基質(zhì)的成分與比例[3]、水肥供應(yīng)量[4]、根際環(huán)境[5]等其他影響，單一指標(biāo)存在較大的片面性。因此，在評判西瓜幼苗的健壯程度時(shí)需要綜合考慮影響幼苗生長的關(guān)鍵性指標(biāo)，否則會導(dǎo)致幼苗質(zhì)量評價(jià)參差不齊。

壯苗指數(shù)是衡量幼苗壯碩程度的綜合性指標(biāo)，可以較為全面地評判秧苗質(zhì)量[6]，但是由于不同種類的蔬菜幼苗指標(biāo)特性不一樣，無法用統(tǒng)一的壯苗指數(shù)來衡量。近幾年對各類植物的壯苗指數(shù)開展了較多的研究：（莖粗/根粗+根干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量）×全株干質(zhì)量應(yīng)用于丹參[7];（莖粗/莖高）×全株干質(zhì)量應(yīng)用于番茄[8];（莖粗/株高+根干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量）×全株干質(zhì)量應(yīng)用于甜椒[9];地莖/（株高×全株干質(zhì)量）應(yīng)用于三色堇[10];莖粗/莖高×全株干質(zhì)量應(yīng)用于辣椒[11];（根/冠+莖粗/株高）×總質(zhì)量應(yīng)用于甜椒[12]等，但對于西瓜幼苗評價(jià)體系研究較少。目前，仍有很多研究通過較少指標(biāo)甚至單一指標(biāo)評價(jià)幼苗質(zhì)量，吳學(xué)宏等[13]在評價(jià)西瓜幼苗質(zhì)量上，僅通過主根長、須根數(shù)、百株鮮質(zhì)量、子葉長、子葉寬和株高來評判，不能全面地代表幼苗質(zhì)量;高鳳菊等[14]在評價(jià)西瓜幼苗質(zhì)量中直接將番茄的壯苗指數(shù)套用在西瓜上，不能準(zhǔn)確地代表西瓜幼苗質(zhì)量。王廣印等[15]、李保會等[16]在衡量西瓜幼苗質(zhì)量上，并沒有測定葉片葉綠素含量，而葉綠素含量體現(xiàn)了幼苗光合作用能力，在缺乏葉綠素含量等生理指標(biāo)下，評價(jià)結(jié)果也會有所偏差。

筆者在測定西瓜幼苗株高、莖粗、根系長度、根系體積以及葉片總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b含量等14項(xiàng)主要指標(biāo)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出各指標(biāo)適宜的隸屬函數(shù)，通過加權(quán)模糊綜合評判法[17]構(gòu)建出較為科學(xué)的西瓜幼苗質(zhì)量評價(jià)體系，利用主成分分析的方法，篩選出可以全面代表幼苗質(zhì)量差異的關(guān)鍵指標(biāo)，通過相關(guān)分析將關(guān)鍵指標(biāo)的組合與構(gòu)建出的西瓜幼苗質(zhì)量評價(jià)體系進(jìn)行比對分析，最終篩選出相關(guān)性高且品種間較為穩(wěn)定的壯苗指數(shù)。為工廠化西瓜育苗的質(zhì)量評判提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料來源

試驗(yàn)于2019年9—11月在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行。育苗采用50孔穴盤，基質(zhì)按照V草炭∶V蛭石∶V珍珠巖=3∶1∶1混合配制而成。其中，用于壯苗指數(shù)構(gòu)建的西農(nóng)8號（西北農(nóng)林科技大學(xué)）共計(jì)播種16盤;用于穩(wěn)定性驗(yàn)證的京欣2號（北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心）和早佳8424（長春世嘉農(nóng)業(yè)科技有限公司）分別播種3盤。待西瓜幼苗生長至4葉1心時(shí)進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測定。

1.2 測定指標(biāo)與方法

隨機(jī)選取660株西農(nóng)8號4葉1心西瓜幼苗，洗凈并用濾紙擦干，用直尺測量株高;用游標(biāo)卡尺（日本三豐/IP67）測量莖粗;用剪刀將幼苗地上部與地下部分開，采用萬分之一天平（奧豪斯/CP114）分別稱量地上部、地下部鮮質(zhì)量和全株鮮質(zhì)量，并計(jì)算根冠比，根冠比=地下鮮質(zhì)量/地上鮮質(zhì)量;用根系掃描儀（GXY-A）掃描地下部并測量根系長度與體積;采用乙醇丙酮浸提法[18]測定葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量;測定完成后將幼苗地上部與地下部分別裝入信封袋內(nèi)置于鼓風(fēng)干燥箱80 ℃下烘干至恒質(zhì)量，并稱量地上部、地下部和全株干質(zhì)量。

1.3 西瓜壯苗綜合評價(jià)指數(shù)的建立

1.3.1? ? 單項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)的確定? ? 依據(jù)西瓜幼苗生長特性及現(xiàn)有的成苗指標(biāo)，將14項(xiàng)指標(biāo)分為3種類型。其中，株高過高或者過低幼苗品質(zhì)均較差，隸屬函數(shù)類型為拋物線型（式1）、幼苗莖粗指標(biāo)達(dá)到一定程度時(shí)認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)苗，隸屬函數(shù)為戒上型（式2），根系體積、根系長度、葉片總?cè)~綠素含量、葉綠素a含量、葉綠素b含量、根冠比（鮮樣）、總干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量、地上部干質(zhì)量、總鮮質(zhì)量、地下部鮮質(zhì)量、地上部鮮質(zhì)量等12項(xiàng)指標(biāo)在許多研究中認(rèn)為越大越好，沒有明顯的上限。因此，本試驗(yàn)中定義為直線型（式3）。

[μ1x=x-x1x2-x1? ? ? ? ? ? ? x1

[μ2x=x-x1x2-x1? ? ?x1

[μ3x=x-x1x4-x1。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）]

式中：μ1（x）為株高函數(shù)值，μ2（x）為莖粗函數(shù)值，μ3（x）為干鮮質(zhì)量指標(biāo)、色素指標(biāo)和根系指標(biāo)函數(shù)值，x1表示指標(biāo)數(shù)值下限，x2表示指標(biāo)最優(yōu)數(shù)值下限，x3表示指標(biāo)最優(yōu)數(shù)值上限，x4表示指標(biāo)數(shù)值上限。

1.3.2? ? 綜合評價(jià)指數(shù)的確定? ? 采用多元線性回歸法，通過指標(biāo)的復(fù)相關(guān)系數(shù)確定各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重。再依據(jù)加權(quán)綜合評價(jià)指數(shù)的方法構(gòu)建綜合評價(jià)矩陣B=A×R（公式4，公式5），利用各單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)與隸屬函數(shù)之積求和，可得到各單株西瓜幼苗的綜合評價(jià)指數(shù)。

其中，A為m行n列矩陣，其中m為樣本數(shù)，n為指標(biāo)數(shù)。R為指標(biāo)的權(quán)重矩陣。

1.4 綜合壯苗指標(biāo)的篩選

將西瓜幼苗14項(xiàng)單項(xiàng)指標(biāo)采用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，對標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，分析篩選對各主成分相關(guān)性較大的關(guān)鍵性指標(biāo)。將貢獻(xiàn)率較大的關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行完全隨機(jī)組合，初步建立綜合壯苗指標(biāo)。將初步得到的綜合壯苗指標(biāo)與幼苗綜合評價(jià)指數(shù)做相關(guān)性分析，再以傳統(tǒng)壯苗指數(shù)作對照，篩選出相關(guān)性較高并優(yōu)于傳統(tǒng)壯苗指數(shù)的綜合壯苗指標(biāo)。

1.5 綜合壯苗指標(biāo)穩(wěn)定性驗(yàn)證

選取京欣2號、早佳各60株4葉1心的幼苗，依次按照權(quán)重系數(shù)的確定、隸屬函數(shù)的確定，得出每個品種的綜合評價(jià)指數(shù)。將篩選出的綜合壯苗指標(biāo)與每個品種的綜合評價(jià)指數(shù)作相關(guān)性分析，從而驗(yàn)證綜合壯苗指標(biāo)的穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與分析

2.1 單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

利用多元相關(guān)分析法計(jì)算決定系數(shù)并得到14項(xiàng)西瓜指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。由表1可以看出，西瓜幼苗各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)整體較低，表明各指標(biāo)之間聯(lián)系緊密，相關(guān)性較大。其中，莖粗的權(quán)重系數(shù)最大，達(dá)到了0.103，其次為株高的權(quán)重系數(shù)，為0.096。表明這2個指標(biāo)較為獨(dú)立，與其他指標(biāo)相關(guān)性較小。

2.2 單項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)

西瓜幼苗單項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)按照隸屬函數(shù)的類型將各指標(biāo)具體分類，西瓜幼苗株高在13.00～15.00 cm范圍內(nèi)達(dá)到最佳，隸屬度為1，低于或高于這個范圍隸屬度降低;西瓜幼苗莖粗達(dá)到4.00 mm以上隸屬度為1，其余指標(biāo)均為單向指標(biāo)，最大值隸屬度為1。西瓜幼苗各項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)類型和臨界值如表2示。

2.3 綜合評價(jià)指數(shù)

利用各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)與對應(yīng)的隸屬函數(shù)之積求和可得到單株幼苗綜合評價(jià)指數(shù)。將本研究的660株樣本綜合評價(jià)指數(shù)匯總，如圖1所示。從圖中可以看出，綜合評價(jià)指數(shù)在0.15～0.70范圍內(nèi)波動，表明本次試驗(yàn)測試范圍較廣，樣品數(shù)量較大，能夠較為全面地評價(jià)西瓜幼苗質(zhì)量，測試結(jié)果具有一定科學(xué)性與可靠性。

2.4 主成分分析

根據(jù)14項(xiàng)西瓜幼苗測量指標(biāo)主成分分析結(jié)果（表3），特征值大于1的成分為4個，累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%。其中，主成分一的貢獻(xiàn)率為37.36%，主成分二的貢獻(xiàn)率為24.14%，主成分三的貢獻(xiàn)率為16.31%，主成分四的貢獻(xiàn)率為7.26%，表明幼苗的差異主要體現(xiàn)在這4個方面。因此，作為評價(jià)幼苗質(zhì)量的鑒別指標(biāo)也需要包括這4個方面。根據(jù)西瓜幼苗主成分主要指標(biāo)分析結(jié)果（表4），主成分一為地上生物量指標(biāo)，由總干質(zhì)量、地上部干質(zhì)量、總鮮質(zhì)量、地上部鮮質(zhì)量構(gòu)成;主成分二為地下生物量指標(biāo)，由根系體積、根系長度、地下部干質(zhì)量、地下部鮮質(zhì)量、根冠比（鮮樣）構(gòu)成;主成分三為色素指標(biāo)，由總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b含量構(gòu)成;主成分四為形態(tài)指標(biāo)，由莖粗與株高構(gòu)成。

2.5 綜合壯苗指標(biāo)的初步建立

選取每一類成分中的一項(xiàng)指標(biāo)作為乘積因子與其他3項(xiàng)指標(biāo)之積構(gòu)成綜合壯苗指標(biāo)。通過每一類指標(biāo)的兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)與其他指標(biāo)隨機(jī)排列組合，本研究篩選出16個綜合壯苗指標(biāo)組合形式（表5）。并將3個傳統(tǒng)壯苗指數(shù)：“（莖粗/株高+根干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量）×全株干質(zhì)量” “（根干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量）×全株干質(zhì)量” “（莖粗/莖高）×苗干質(zhì)量”作為對照CK1、CK2和CK3。

2.6 綜合壯苗指標(biāo)與綜合評價(jià)指數(shù)相關(guān)性分析

將16個綜合壯苗指標(biāo)組合與3個對照組分別與西瓜幼苗綜合評價(jià)指數(shù)作相關(guān)性分析，結(jié)果如表6所示。其中，CK1的相關(guān)系數(shù)為0.530;CK2的相關(guān)系數(shù)為0.301;CK3的相關(guān)系數(shù)為0.474，X4的相關(guān)系數(shù)為0.713，是所測綜合壯苗指標(biāo)相關(guān)性最大的一項(xiàng)。篩選得到的4個最高的綜合壯苗指標(biāo)分別是X4、X14、X3、X13，用于后續(xù)穩(wěn)定性驗(yàn)證。

2.7 綜合壯苗指標(biāo)穩(wěn)定性驗(yàn)證

由表7可以看出，CK1，CK2，CK3在京欣2號和早佳應(yīng)用中相比X3、X4、X13、X14均具有較低的相關(guān)性，且在品種間差異加大，3個對照的差異分別達(dá)到0.082，0.204和0.238。在X3、X4、X13、X14中，X3（與京欣2號的相關(guān)系數(shù)為0.784，與早佳的相關(guān)系數(shù)為0.852），X4（與京欣2號的相關(guān)系數(shù)為0.784，與早佳的相關(guān)系數(shù)為0.839）均表現(xiàn)出較高的相關(guān)性與穩(wěn)定性，表明這2個綜合壯苗指標(biāo)在不同品種西瓜幼苗質(zhì)量評價(jià)上具有比傳統(tǒng)壯苗指數(shù)更為可靠的準(zhǔn)確性，可作為西瓜幼苗健壯程度評判依據(jù)。

3 討論與結(jié)論

前人在對不同蔬菜壯苗指數(shù)研究主要還是集中在傳統(tǒng)育苗壯苗指數(shù)與指標(biāo)之間相關(guān)性分析方面。張世祥等[19]通過對番茄苗各指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析和壯苗指數(shù)影響因素的通徑分析，確定番茄苗壯苗指數(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)：全株干質(zhì)量、莖粗及根數(shù)。韓素芹等[9]同時(shí)用通徑和灰色關(guān)聯(lián)度2種分析方法對甜椒壯苗指數(shù)和苗期相關(guān)性狀進(jìn)行研究，確定適合甜椒穴盤苗的壯苗指數(shù)為：（莖粗/株高+根干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量）×全株干質(zhì)量。李建明等[20]通過回歸分析，建立甜瓜壯苗指數(shù)受有效積溫、日溫差積累及光輻射積累驅(qū)動的Johnso-Schumacher數(shù)學(xué)回歸動態(tài)模型。黃淑華等[7]通過關(guān)聯(lián)度分析確定適合丹參幼苗的壯苗指數(shù)，在此基礎(chǔ)上，依據(jù)丹參苗與環(huán)境因子氣溫、光輻射和空氣濕度的關(guān)系，采用Johnso-Schumacher模型確定壯苗指數(shù)的主要影響參數(shù)。這些研究的方法是通過傳統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行的，缺少對指標(biāo)全面性的分析。本試驗(yàn)在主成分分析的基礎(chǔ)上，將西瓜幼苗14項(xiàng)指標(biāo)劃分為地上指標(biāo)、地下指標(biāo)、色素指標(biāo)和形態(tài)指標(biāo)4類主成分，并將這4個主成分的主要指標(biāo)全部納入到綜合壯苗指標(biāo)中，可以保障指標(biāo)的全面性。本研究將色素指標(biāo)列入到壯苗指數(shù)中，這與張?zhí)K[21]認(rèn)為葉綠素含量能夠代表作物長勢的觀點(diǎn)是一致的。

本試驗(yàn)在全面測定西瓜幼苗的各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)與生理指標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過模糊綜合評判法，建立符合西瓜幼苗實(shí)際的綜合評價(jià)指數(shù)矩陣，再利用主成分分析法篩選出西瓜幼苗的關(guān)鍵指標(biāo)并組合為16個綜合壯苗指標(biāo)，根據(jù)綜合評價(jià)指數(shù)與綜合壯苗指標(biāo)的相關(guān)性，篩選出4個相關(guān)性最大的壯苗指數(shù)：總干質(zhì)量×根干質(zhì)量×總?cè)~綠素含量×莖粗，相關(guān)系數(shù)為0.706;地上干質(zhì)量×根干質(zhì)量×總?cè)~綠素含量×莖粗，相關(guān)系數(shù)為0.713;總干質(zhì)量×根干質(zhì)量×葉綠素a含量×莖粗，相關(guān)系數(shù)為0.699;地上干質(zhì)量×根干質(zhì)量×葉綠素a含量×莖粗，相關(guān)系數(shù)為0.706。通過品種間的穩(wěn)定性驗(yàn)證最終篩選出2個穩(wěn)定性好的壯苗指數(shù)“總干質(zhì)量×根干質(zhì)量×總?cè)~綠素含量×莖粗”“地上干質(zhì)量×根干質(zhì)量×總?cè)~綠素含量×莖粗”，2個壯苗指數(shù)可為西瓜幼苗的質(zhì)量評判提供理論依據(jù)。

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