基于主成分分析的溫室白蘿卜水氮耦合效應(yīng)

孫世宇 范海燕 劉洪祿 周慧

摘要：為探究不同水氮處理對(duì)溫室白蘿卜的影響，設(shè)置3個(gè)灌溉水平100%ET0（W1）、85%ET0（W2）、70%ET0（W3）和3個(gè)施氮水平240（N1）、204（N2）、168 kg/hm2（N3），觀測(cè)不同水氮措施下白蘿卜葉片葉綠素含量、果實(shí)品質(zhì)、耗水量、產(chǎn)量、水分生產(chǎn)效率和氮肥偏生產(chǎn)力的變化規(guī)律，基于主成分分析法對(duì)溫室白蘿卜進(jìn)行綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：灌溉對(duì)溫室白蘿卜葉片葉綠素含量呈極顯著相關(guān)，施氮和水氮交互效應(yīng)對(duì)其影響未達(dá)到顯著水平，W3N3處理下葉綠素含量增長(zhǎng)最顯著；灌溉對(duì)溫室白蘿卜干物質(zhì)含量和水分利用效率的影響達(dá)顯著水平，對(duì)其余品質(zhì)指標(biāo)、產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力的影響不顯著；施氮和水氮交互作用對(duì)溫室白蘿卜氮肥偏生產(chǎn)力影響達(dá)到顯著水平，對(duì)品質(zhì)指標(biāo)、產(chǎn)量和水分利用效率影響不顯著，W1N3處理下溫室白蘿卜的產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力最大，較其他處理產(chǎn)量提高3.75%～22.13%，氮肥偏生產(chǎn)力提高7.25%～74.48%；各個(gè)處理全生育期耗水量范圍為208.6～292.4 mm，作物系數(shù)值范圍為 1.12～1.68。通過(guò)主成分分析綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)，9個(gè)處理的評(píng)價(jià)得分排序?yàn)閃1N3＞W(wǎng)2N3＞W(wǎng)2N2＞W(wǎng)2N1＞W(wǎng)3N3＞W(wǎng)3N2＞W(wǎng)1N2＞W(wǎng)1N1＞W(wǎng)3N1。綜上，W1N3處理組合（100%ET0灌水量和168 kg/hm2施氮量）是溫室白蘿卜的最優(yōu)水氮處理。

關(guān)鍵詞：溫室白蘿卜；水分生產(chǎn)效率；氮肥偏生產(chǎn)力；產(chǎn)量；主成分分析

中圖分類號(hào)：S631.106；S631.107? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2024）05-0159-06

白蘿卜屬于根莖類蔬菜、十字花科蘿卜屬植物，在飲食和中醫(yī)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，已有千年種植歷史。2020年我國(guó)蘿卜種植面積達(dá)133萬(wàn)hm2，收獲面積和產(chǎn)量均居世界第一［1］。目前，我國(guó)蔬菜水氮投入量過(guò)大，導(dǎo)致蔬菜的水氮利用效率不高［2-5］。水分和氮素都是影響作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，適宜的水氮處理措施是提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的重要保障［6-8］。因此，探明不同水氮措施對(duì)蔬菜的影響，是當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)的迫切需求。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)不同水氮措施下蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的研究較多［9-21］。張娟等在膜下滴灌條件下研究不同灌水上下限對(duì)溫室白蘿卜的影響，并提出了適宜的白蘿卜灌水上下限［22-23］。范海燕等基于主成分分析研究了露地白蘿卜滴灌施肥制度，并提出白蘿卜最佳水氮用量［24］。張貴龍等在日光溫室條件下，研究不同氮素供應(yīng)水平對(duì)白蘿卜氮素利用的影響，并提出秋冬季白蘿卜施氮量應(yīng)在 200 kg/hm2 內(nèi)［25］。劉杜平通過(guò)研究不同氮肥用量對(duì)白蘿卜產(chǎn)量和水分利用效率的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施氮量為150 kg/hm2時(shí)，水分利用效率最高［26］。本研究將白蘿卜作為供試材料，研究不同水氮條件下溫室白蘿卜產(chǎn)量、品質(zhì)、水分生產(chǎn)效率、氮肥偏生產(chǎn)力等指標(biāo)的變化規(guī)律，并通過(guò)主成分分析法對(duì)溫室白蘿卜進(jìn)行綜合分析，以期為實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本情況

試驗(yàn)在北京市灌溉試驗(yàn)中心站永樂(lè)店試驗(yàn)基地進(jìn)行?；匚挥诒本┦型ㄖ輩^(qū)永樂(lè)店鎮(zhèn)（39°20′N，116°20′E），海拔12 m，多年平均降水量為565 mm，多年平均水面蒸發(fā)量為1 140 mm，多年平均氣溫為11.5 ℃，無(wú)霜期185 d，地下水埋深大于8 m。試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地主要為壤土，容重為1.49 g/cm3，土壤pH值為7.9，田間持水率29%。種植前表層0～20 cm 土壤硝態(tài)氮全量為102.46 mg/kg，銨態(tài)氮含量為7.05 mg/kg；20～60 cm土壤硝態(tài)氮量 98.47 mg/kg，銨態(tài)氮含量為4.85 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在北京市灌溉試驗(yàn)中心站永樂(lè)店試驗(yàn)基地5號(hào)溫室內(nèi)進(jìn)行，供試作物均為捷美1410號(hào)白蘿卜，于2021年9月24日直播，12月31日收獲。生育期可分為4個(gè)周期，分別為發(fā)芽期（9月24日至10月10日）、幼苗期（10月11—28日）、葉部生長(zhǎng)旺盛期（10月29日至11月24日）、肉質(zhì)根生長(zhǎng)旺盛期（11月25日至12月31日）［24］。試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)變量因素，分別是施氮量（N）和灌水量（W），灌水量以參考作物蒸發(fā)蒸騰量（ET0）為依據(jù)，施氮量參照當(dāng)?shù)赝扑]施氮量。設(shè)置W1（100%ET0）、W2（85%ET0）、W3（70%ET0）3個(gè)灌溉水平，N1（240 kg/hm2）、N2（204 kg/hm2）、N3（168 kg/hm2）3個(gè)施氮水平，每個(gè)處理重復(fù)3次，共9個(gè)處理（表1）。小區(qū)長(zhǎng)×寬=7.3 m×5.0 m，每個(gè)小區(qū)轄4畦，每畦種植2行，畦長(zhǎng)7.3 m，寬0.9 m，行距0.4 m，株距 0.35 m，每行種植20株。

灌水方式為滴灌，滴頭間距30 cm，額定壓力0.1 MPa，設(shè)計(jì)流量1.35 L/h。幼苗期時(shí)不進(jìn)行任何處理，進(jìn)入葉部生長(zhǎng)旺盛期后平均每5 d灌溉1次。參考作物蒸發(fā)蒸騰量（ET0）由HOBO小型氣象站采集的逐日氣象信息，經(jīng)彭曼公式計(jì)算得出，ET0和W1處理的變化情況見(jiàn)圖1。

播種前施用有機(jī)肥6 000 kg/hm2和復(fù)合肥 800 kg/hm2。播種后施尿素（含氮量46%）追肥2次，具體施肥情況如表2所示。

1.3 觀測(cè)指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤含水率 試驗(yàn)在每個(gè)小區(qū)插入Trime測(cè)管，采用Trime-IPH便攜式土壤水分監(jiān)測(cè)儀分層測(cè)定土壤含水率，每10 cm為1層，從地表至地下100 cm處。

1.3.2 葉綠素含量 葉片葉綠素含量采用CCM300葉綠素儀測(cè)定，每個(gè)小區(qū)取3株，每株選取3張葉片測(cè)定并取平均值。

1.3.3 產(chǎn)量 果實(shí)成熟后，按不同小區(qū)記錄果實(shí)產(chǎn)量，收獲期結(jié)束后計(jì)算總產(chǎn)量。

1.3.4 品質(zhì)指標(biāo) 干物質(zhì)、維生素C、粗蛋白含量等品質(zhì)指標(biāo)等由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所提供檢測(cè)報(bào)告。

1.3.5 耗水量 采用水量平衡法計(jì)算不同時(shí)段內(nèi)白蘿卜的耗水量：

ETc=W+P+M-D-ΔK。（1）

式中：ETc為耗水量，mm；W為灌水量，mm；P為有效降水量，mm；溫室中無(wú)降雨，P為0；M為地下水補(bǔ)給量，mm；試驗(yàn)區(qū)地下水埋深大于8 m，故地下水補(bǔ)給量為0；D為深層滲漏量，mm；ΔK為生育期始末 0～100 cm土壤含水率變化量，mm。

1.3.6 水分生產(chǎn)效率 計(jì)算式為：

YUE=Y/ETc。（2）

式中：Y為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，kg/hm2；ETc為耗水量，mm；YUE為水分生產(chǎn)效率，kg/m3。

1.3.7 氮肥偏生產(chǎn)力 計(jì)算式為：

PFPN=Yr/M。（3）

式中：Yr為作物肉質(zhì)根產(chǎn)量，kg/hm2；M為施氮量，kg/hm2；PFPN為氮肥偏生產(chǎn)力，kg/kg。

1.3.8 作物系數(shù) 計(jì)算式為：

Kc=ETc/ET0。（4）

式中：Kc為作物系數(shù)；ETc為耗水量，mm；ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理對(duì)溫室白蘿卜葉綠素含量的影響

由圖2可知，相同灌水條件下葉綠素含量呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，施氮量對(duì)葉綠素含量影響不顯著。W1和W2灌水條件下葉綠素含量變化的拐點(diǎn)出現(xiàn)在葉部生長(zhǎng)旺盛期，過(guò)拐點(diǎn)后葉綠素含量持續(xù)增大。W3灌水條件下葉綠素含量變化的拐點(diǎn)出現(xiàn)的較晚，直至肉質(zhì)根生長(zhǎng)旺盛期初才進(jìn)入拐點(diǎn)，推測(cè)是低灌溉水平導(dǎo)致作物在葉部生長(zhǎng)旺盛期生長(zhǎng)速度減緩，從而一定程度上抑制了作物葉片對(duì)葉綠素的合成。

由表3可知，灌溉對(duì)溫室白蘿卜葉片葉綠素含量的影響達(dá)極顯著水平，施氮水平和水氮交互效應(yīng)對(duì)葉片葉綠素含量的影響未達(dá)到顯著水平。不同水氮措施下W3N3處理的葉綠素平均含量最大，比其他處理高11.51～23.22 mg/m2，其他處理下平均葉綠素含量依次為W1N2＞W(wǎng)2N3＞W(wǎng)3N2＞W(wǎng)2N2＞W(wǎng)3N1＞W(wǎng)1N3＞W(wǎng)2N1＞W(wǎng)1N1。W3N3處理下葉綠素增長(zhǎng)效應(yīng)最顯著，這說(shuō)明雖然低灌溉水平在葉部生長(zhǎng)旺盛期會(huì)延緩葉綠素的形成，但對(duì)植株葉綠素的積累具有一定的促進(jìn)作用。

2.2 不同水氮處理對(duì)溫室白蘿卜品質(zhì)的影響

表4表明，灌水對(duì)溫室白蘿卜干物質(zhì)含量的影響達(dá)到顯著水平，對(duì)維生素C、粗蛋白和可溶性糖含量的影響均未達(dá)到顯著水平。施氮水平對(duì)溫室白蘿卜干物質(zhì)、維生素C、粗蛋白和可溶性糖含量的影響均未達(dá)到顯著水平。水氮交互效應(yīng)對(duì)溫室白蘿卜粗蛋白含量的影響呈顯著水平，對(duì)其余各項(xiàng)指標(biāo)的影響均不顯著。

W1灌溉條件下，各指標(biāo)均隨施氮量的增加而減小。W2灌溉條件下，干物質(zhì)含量呈N1≈N2＞N3變化規(guī)律，維生素C含量呈N1≈N3＞N2變化規(guī)律，粗蛋白和可溶性糖含量呈N3＞N2＞N1變化規(guī)律。W3灌溉條件下，干物質(zhì)含量呈N1＞N2≈N3變化規(guī)律，維生素C和粗蛋白含量呈N3＞N2＞N1變化規(guī)律，可溶性糖含量呈N1＞N2＞N3變化規(guī)律。與低灌水量低氮處理（W3N3）相比，各處理干物質(zhì)含量增加0～0.7%，維生素C含量減少0～1.6 mg/100 g，粗蛋白含量增加-3.3%～0.8%，可溶性糖含量增加-0.17%～0.22%。因素P值干物質(zhì)含量維生素C含量粗蛋白含量可溶性糖含量N1施氮處理下，溫室白蘿卜干物質(zhì)、維生素C和粗蛋白含量隨灌水量增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，可溶性糖含量呈W3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1變化趨勢(shì)。N2施氮處理下，干物質(zhì)、粗蛋白和可溶性糖含量隨灌水量增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，維生素C含量呈W3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1變化趨勢(shì)。N3施氮處理下，干物質(zhì)含量呈W1＞W(wǎng)2＞W(wǎng)3變化規(guī)律，維生素C含量呈W3≈W2＞W(wǎng)1變化規(guī)律，粗蛋白和可溶性糖含量隨灌水量增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。各處理中W1N3處理的干物質(zhì)含量最多，為4.7%，較其他處理多0.1～0.7百分點(diǎn)。W2N1處理下維生素C含量最多，為23.4 mg/100 g，較其他處理多0.2～1.6 mg/100 g。W2N3處理下粗蛋白含量最多，為18.2%，較其他處理多0.1～4.1百分點(diǎn)。W3N1處理下可溶性糖含量最多，為1.87%，較其他處理多0.02～0.39百分點(diǎn)。

2.3 不同水氮處理對(duì)溫室白蘿卜耗水規(guī)律的影響

由表5可知，全生育期內(nèi)W3N1處理耗水量、耗水強(qiáng)度最小，分別為208.6 mm、2.1 mm/d，W1N3處理下耗水量、耗水強(qiáng)度最大，分別為292.4 mm、3.0 mm/d。全生育期內(nèi)幼苗期耗水量最大，占全生育期的30.99%～44.98%，這是由于幼苗期葉片小，地面蒸發(fā)量大［22］。施氮條件相同時(shí)，溫室白蘿卜的耗水量與灌水量呈正相關(guān)，高、中灌水處理較低灌水處理耗水量分別增加29.95%、10.47%；灌溉條件相同時(shí)，施氮量對(duì)溫室白蘿卜耗水量的影響并不顯著。

表6顯示，W1N3處理下的Kc值最大，為1.68，W3N1處理下的Kc值最小，為1.12。各處理的Kc值受灌水量影響較為顯著，灌水量越大，Kc值越大。在相同灌水條件下，不同施氮處理對(duì)Kc值的影響并不顯著。

2.4 不同水氮處理對(duì)溫室白蘿卜產(chǎn)量、水分利用效率以及氮肥偏生產(chǎn)力的影響

由表7可知，W1N3處理下產(chǎn)量最大，為 101.77 t/hm2， 較其他處理高3.75%～22.13%。在相同灌水條件下， 溫室白蘿卜產(chǎn)量隨施氮量增加而減小，說(shuō)明提高施氮量不一定會(huì)增加產(chǎn)量，當(dāng)施氮量超過(guò)某一閾值時(shí)反而會(huì)對(duì)產(chǎn)量增長(zhǎng)有抑制作用。當(dāng)施氮量相同時(shí)，溫室白蘿卜產(chǎn)量隨灌水量增加而提高，這是由于充足的灌水量促進(jìn)了作物對(duì)土壤中養(yǎng)分的吸收，從而提高了產(chǎn)量［27］。

W3N1處理下水分生產(chǎn)效率最高，為49.67 kg/m3。整體而言，水分生產(chǎn)效率隨產(chǎn)量提高而降低，相同灌溉水平下不同施氮量對(duì)水分生產(chǎn)效率無(wú)顯著影響。

氮肥偏生產(chǎn)力是反映氮肥利用效率的指標(biāo)。施氮量和水氮交互效應(yīng)與溫室白蘿卜的氮肥偏生產(chǎn)力呈極顯著相關(guān)。相同灌溉水平下氮肥偏生產(chǎn)力隨氮肥施用量的減少而提高，各處理中W1N3處理的氮肥偏生產(chǎn)力最大，為605.76 kg/kg，較其他處理下的氮肥偏生產(chǎn)力增加7.25%～74.48%，表明在一定限度內(nèi)灌水量越充足，氮肥偏生產(chǎn)力越高。

圖3表明，溫室白蘿卜產(chǎn)量受灌水量與施氮量的影響并存在一個(gè)極大值，即當(dāng)灌水量為278.45 mm、施氮量為176 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到極大值 105.64 t/hm2；當(dāng)灌水量和施氮量超過(guò)該值時(shí)，產(chǎn)量呈現(xiàn)出下降的變化趨勢(shì)。

2.5 基于主成分分析的水氮耦合制度研究

選擇溫室白蘿卜產(chǎn)量、施氮量、葉片平均葉綠素含量、干物質(zhì)含量、維生素C含量、粗蛋白含量、可溶性糖含量和全生育期灌水量等8個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，主成分特征值及貢獻(xiàn)率如表8所示。選取主成分特征值大于1且累計(jì)貢獻(xiàn)率大于90%的前4個(gè)成分作為主成分來(lái)解釋各項(xiàng)指標(biāo)。

由表9可知，各水氮處理的綜合評(píng)分表現(xiàn)為W1N3＞W(wǎng)2N3＞W(wǎng)2N2＞W(wǎng)2N1＞W(wǎng)3N3＞W(wǎng)3N2＞W(wǎng)1N2＞W(wǎng)1N1＞W(wǎng)3N1。其中，W1N3處理的評(píng)分最高，此時(shí)灌水量為278.09 mm，施氮量為168 kg/hm2，與圖3三維關(guān)系曲面分析結(jié)果基本吻合。

根據(jù)主成分分析結(jié)果，在相同灌溉水平下，水氮耦合效果呈現(xiàn)出N3＞N2＞N1的變化趨勢(shì)，說(shuō)明相同灌溉水平下，低施氮量較高施氮量水氮耦合效果更好，更能促進(jìn)作物的生長(zhǎng)。

3 結(jié)論

灌水量對(duì)溫室白蘿卜葉片葉綠素含量的影響達(dá)到極顯水平，施氮量和水氮交互效應(yīng)對(duì)溫室白蘿卜葉綠素含量的影響未達(dá)到顯著水平。在不同的水氮措施下，W3N3處理的葉綠素含量最大，增長(zhǎng)效應(yīng)最明顯。灌溉對(duì)溫室白蘿卜干物質(zhì)含量和水分利用效率的影響達(dá)顯著水平，對(duì)其余品質(zhì)指標(biāo)、產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力的影響不顯著。施氮和水氮交互作用對(duì)溫室白蘿卜氮肥偏生產(chǎn)力影響達(dá)到顯著水平，對(duì)品質(zhì)指標(biāo)、產(chǎn)量和水分利用效率影響不顯著。W1N3處理下溫室白蘿卜的產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力最大，較其他處理產(chǎn)量提高3.75%～22.13%，氮肥偏生產(chǎn)力提高7.25%～74.48%。

各個(gè)處理在全生育期中耗水量總和為208.6～292.4 mm，平均耗水強(qiáng)度范圍為2.11～2.95 mm/d，作物系數(shù)值范圍為1.12～1.68。不同水氮條件下作物系數(shù)、耗水量、平均耗水強(qiáng)度隨灌水量增加而提高。施氮量對(duì)作物系數(shù)、耗水量、平均耗水強(qiáng)度無(wú)顯著影響。

溫室白蘿卜的主成分分析結(jié)果顯示，W1N3處理為最優(yōu)處理。相同灌溉水平下，水氮耦合效果隨施氮量增大而減弱，這說(shuō)明水氮耦合對(duì)溫室白蘿卜生長(zhǎng)的影響存在1個(gè)閾值，當(dāng)灌水量和施氮量超過(guò)閾值時(shí)，增產(chǎn)效果減弱，甚至?xí)斐蓽p產(chǎn)［24，28］。通過(guò)構(gòu)建的溫室白蘿卜產(chǎn)量、灌水量、施氮量三維關(guān)系曲面圖可知，溫室白蘿卜的灌水量閾值約為278.45 mm，施氮量閾值約為176 kg/hm2。

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