基于主成分分析的番茄苗期生長評價指標研究

1、 基于主成分分析的番茄苗期生長評價指標研究 黃媛 李瑜玲 高欣娜 張燕 陳誠 武猛 李海杰 杜亞茹 康藝凡 楊英茹摘 要：為研究河北石家莊秋冬茬設施番茄種植過程中環(huán)境溫度對番茄苗生長的影響，選用大果型番茄合作906為試驗材料，在人工氣候室開展苗期番茄不同晝夜溫差試驗，采集本地種植番茄的設施環(huán)境溫度進行統(tǒng)計分析，參照實際晝夜溫度進行試驗設計，晝均溫設置26、29、32、35 ，晝夜溫差設置0、3、6、9 ，夜溫=晝溫-晝夜溫差。通過對番茄苗的株高生長速率、莖粗生長速率、根冠比、壯苗指數(shù)、光合速率、蒸騰速率、水分利用率、氣孔導度、光能利用率等9項指標的測量，并進行了相關性分析和主成分分析，得到3個

2、主成分，其累計貢獻率為77.593%，通過3個主成分的特征值加權計算9個性狀的主成分因子的綜合得分，其中29 /23 為得分最高的晝夜溫度組合，即為苗期的最適宜生長溫度。Key：設施番茄;晝夜溫差;相關性分析;主成分分析：S641.2 文獻標志碼：A ：1673-2871（2021）08-032-06Evaluation indexes of tomato seedling growth based on principal component analysisHUANG Yuan1， Li Yuling1， GAO Xinna1， ZHANG Yan2， CHEN Cheng2， WU Me

3、ng1， LI Haijie1， DU Yaru1， KANG Yifan1， YANG Yingru1（1. Shijiazhuang Agricultural Information Engineering Technology Research Center/Hebei Province City Agriculture Technology Innovation Centers/Shijiazhuang Academy of Agricultural and Forestry Sciences， Shijiazhuang 050041， Hebei， China; 2.Beijing

4、Research Center for Information Technology in Agriculture， Beijing 100000， China）Abstract： In order to study the effect of ambient temperature on tomato seedling growth during greenhouse tomato planting in autumn and winter in local area， the large-fruit tomato Hezuo 906 was used as the experimental

5、 material to carry out different diurnal temperature differences of tomato at seedling stage in an artificial climate chamber. The ambient temperature of greenhouse tomato planted in local area was collected for statistical analysis and the experimental design was carried out with reference to the a

6、ctual diurnal temperature. The daytime average temperature was set to be 26 ， 29 ， 32 ， 35 ， and the diurnal temperature difference was set to be 0 ， 3 ， 6 ， 9 ， and the night temperature = day temperature day temperature difference. Nine indexes of tomato seedlings， such as plant height growth rate

7、， stem diameter growth rate， root to shoot ratio， strong seedling index， photosynthetic rate， transpiration rate， water use efficiency， stomatal conductance and light energy use efficiency， were measured， and correlation analysis and principal component analysis were performed. The results showed th

8、at three principal components accounted for 77.593% of the total contribution rate. The comprehensive scores of the principal component factors of nine traits were calculated by weighting the characteristic values of the three principal components. Among them， 29 /23 was the diurnal temperature comb

9、ination with the highest score， and it was the most suitable temperature for seedling stage.Key words： Greenhouse tomato; Diurnal temperature variations， Correlation analysis; Principal component analysis番茄是我國栽培區(qū)域最為廣泛的蔬菜之一，同時依靠農(nóng)業(yè)設施實現(xiàn)了番茄的周年化生產(chǎn)1-3。北方地區(qū)番茄種植分為春、秋兩茬，秋茬主要在8月中下旬左右定植，翌年2月拉秧4。番茄苗定植后，正值北方盛夏季節(jié)

10、，白天氣溫高，夜間保溫性好，因此設施內(nèi)呈現(xiàn)白天氣溫高和夜間溫差小的特點5-6。番茄苗對空氣溫度敏感，許多學者開展過番茄苗期溫度管控研究，高溫對番茄苗的植株形態(tài)、營養(yǎng)生長、生理代謝等方面均能產(chǎn)生威脅6。趙勇竣等7研究表明，38 高溫下，多個番茄品種幼苗葉片內(nèi)抗氧化酶活性表現(xiàn)為先升后降，高溫處理5 d為番茄幼苗感受高溫脅迫的轉(zhuǎn)折點。袁慧敏等8研究表明，在2737 條件下，番茄幼苗株高和節(jié)間高于對照（1525 ），莖粗顯著減小，出現(xiàn)徒長。不同晝夜溫差對番茄苗生長也會產(chǎn)生不同的影響，李莉等9、毛麗萍等10研究表明，均溫20 時，6 以上的晝夜溫差有利于番茄苗期干物質(zhì)積累以及花芽分化。楊再強等11、陳艷

11、秋等12的研究表明，日均溫25 下，番茄的幼果坐果率、果實橫徑、果實縱徑、單果質(zhì)量和單株產(chǎn)量以6 晝夜溫差處理最高。基于多數(shù)學者在試驗溫度設置時沒有依據(jù)具體種植茬口的實際溫度，研究成果與生產(chǎn)實踐有著一定的差距，因此筆者將基于本地設施秋茬番茄定植至現(xiàn)蕾前的實際環(huán)境溫度，開展不同日均溫及晝夜溫差下的番茄生長研究，以期指導本地設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。1 材料與方法1.1 材料試驗品種選擇大果型番茄合作906（撫順市北方農(nóng)業(yè)科學研究所育成），取生長狀態(tài)較為一致、株高1012 cm的番茄苗進行試驗。試驗選用寧波東南儀器有限公司RXZ-600B人工氣候室。生理數(shù)據(jù)采集設備為北京益康農(nóng)有限公司ECA-PB0402光合

12、測定儀。1.2 方法1.2.1 溫度設置 試驗溫度設置依據(jù)為石家莊市農(nóng)林科學研究院趙縣農(nóng)業(yè)科技園區(qū)番茄種植大棚，溫度采集時間為2018年、2019年秋冬茬番茄定植后的21 d，采集設備選用國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中心研制的溫室微型氣象站。溫度采集目標溫室建筑結(jié)構(gòu)一致，建筑面積667 m2，種植面積489 m2，棚膜上下風口可開合進行通風換氣、排濕降溫。溫度采集期間，栽培管理方法一致，均未采取夜溫管理。采集方法為將氣象站懸掛在溫室中心位置，每30 min進行1次空氣溫度采集，全天可獲得48條溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)日出、日落時間，將當日6：0019：30的溫度取平均數(shù)，得到晝均溫，將20：00至次日凌晨

13、5：30溫度取平均數(shù)，得到夜均溫。具體設施環(huán)境溫度統(tǒng)計情況見表1。對目標設施空氣溫度進行描述性統(tǒng)計（表2）可見，晝均溫為25.3137.76 ，夜均溫為17.7928.42 ，晝夜溫差為0.4215.62 。據(jù)此將晝均溫和晝夜溫差作為兩因素，晝均溫設置26、29、32、35 ，晝夜溫差設置0、3、6、9 ，夜溫=晝溫-晝夜溫差，由此獲得16組溫度組合，以T1T16表示，具體見表3。1.2.2 方法 試驗于2020年69月在石家莊市農(nóng)林科學研究院農(nóng)業(yè)信息研究中心試驗室進行。試驗土壤按V蚯蚓土V基質(zhì)土=13配比，水與土壤按體積比38混合，混合后裝入10 cm9 cm的塑料花盆中，每盆240 g并種

14、植1株番茄苗，每天定時注入50 mL水。每組處理選取幼苗30株移入人工氣候室，選7株作為每組的樣本，各組處理設3次重復。人工氣候室白天14 h，光照度700 molm-2s-1，夜間10 h，無光照。1.3 項目測定及方法1.3.1 生長指標測定 株高測量方法為利用精度0.02 mm的游標卡尺測量植株莖基部子葉著生處到莖頂生長點之間的距離，測量3次，取平均值為當日株高數(shù)值。株高測量時間為試驗的0（處理當天）、3、6、9 d。株高相對生長速率的計算公式：Vs=（lnL2-lnL1）/（T2-T1）;其中，VS為番茄苗株高相對生長速率，L1、L2為相鄰2次測量的株高，T1、T2為2次測量株高的時間

15、。莖粗的測量方法為測量植株莖基部子葉著生處直徑最大值，每次測量3次，取平均值，測量時間為試驗0（處理當天）、3、6、9 d。莖粗的相對生長速率的計算公式：VZ=（lnW2-lnW1）/（T2-T1）其中，VZ為番茄苗莖粗的相對生長率，W1、W2為2次測量的莖粗，T1、T2為2次測量莖粗的時間13。干質(zhì)量測量方法為在試驗9 d時將苗材從花盆中取出，洗凈根部泥土，將根部和地上部分分離，分別用105 殺青15 min，轉(zhuǎn)80 烘干至恒重放置干燥器降至室溫，用精度0.01 g天平分別稱其干質(zhì)量，計算其根冠比、壯苗指數(shù)。根冠比=根部干質(zhì)量/地上部分干質(zhì)量，壯苗指數(shù)=（莖粗/株高+根部干質(zhì)量/地上部分干質(zhì)

16、量）總干質(zhì)量14，其中莖粗/株高為干質(zhì)量測量前的比值。1.3.2 生理指標測定 生理指標采集時間為試驗3、6、9 d，每個處理的日間時段運行至7 h進行測量。每株選擇上頂端向下第3片完全展開的功能葉，測量葉面積為2 cm2，每株測量3次，取平均值。生理指標包含光合速率（molm-2s-1）、蒸騰速率（mmolm-2s-1）、葉片氣孔導度（mmolm-2s-1）、水分利用率（%）。1.4 數(shù)據(jù)分析試驗數(shù)據(jù)利用SPSS 23.0進行分析，其中顯著性水平設置為0.05。2 結(jié)果與分析2.1 番茄苗生長、生理指標統(tǒng)計及相關性分析由表4可知，將株高生長速率、莖粗生長速率、根冠比、壯苗指數(shù)、光合速率、蒸騰

17、速率、水分利用率、氣孔導度、光能利用率這9項指標分別以X1X9表示，對不同處理的生長、生理指標數(shù)據(jù)進行方差分析得到各處理基本表現(xiàn)。為消除變量之間的量綱關系，將數(shù)據(jù)進行標準化，得到ZX1ZX9，將標準化之后的數(shù)據(jù)進行Pearson相關性分析，由表5可見，莖粗生長速率和壯苗指數(shù)之間呈極顯著正相關;光合速率與水分利用率呈極顯著正相關;蒸騰速率與壯苗指數(shù)呈顯著正相關;光能利用率與根冠比之間呈極顯著正相關，與光合速率、蒸騰速率呈顯著正相關。由于試驗指標較多且關系復雜，僅通過生長或生理某一類指標很難全面衡量番茄幼苗生長的優(yōu)劣，因此需進一步進行因子分析，通過提取主成分，對番茄苗的生長狀況進行綜合評價。2.2

18、 主成分分析由表6總方差解釋表可知，前3項主成分特征根均大于1，前3個主成分的特征根分別是3.561、1.928、1.495，方差貢獻率分別為39.564%、21.417%、16.612%，累計貢獻率為77.593%，可以反映出9項指標的大部分信息，因此選取3個主成分作為主成分因子。將初始因子載荷矩陣中的數(shù)據(jù)命名為變量V1、V2、V3，根據(jù)F1=V1/3.561，F(xiàn)2=V2/1.928，F(xiàn)3=V3/1.495計算得到系數(shù)矩陣，并將得到的系數(shù)與標準化后的數(shù)據(jù)相乘，得到3個主成分的函數(shù)數(shù)式：Z1=0.349 2Z1+0.197 7Z2+0.281 4Z3+0.457 3Z4+0.367 2Z5+0

19、.369 9Z6+0.381 0Z7+0.340 2Z8+0.133 5Z9。Z2=0.035 3Z1+0.563 9Z2-0.010 8Z3-0.067 7Z4+0.391 8Z5-0.431 4Z6+0.287 4Z7-0.457 3Z8-0.211 0Z9。Z3=-0.137 4Z1+0.056 4Z2+0.561 1Z3+0.306 7Z4-0.204 5Z5-0.260 1Z6-0.169 3Z7-0.304 2Z8+0.582 3Z9。按3個主成分的特征值加權計算9個性狀的主成分因子的綜合得分Z，即不同溫度處理綜合評價指標計算公式：Z=3.561Z1+1.928Z2+1.495Z3

20、。由表7的綜合得分及排名可知，T11表現(xiàn)最好，得分7.22，即29 /23 為緩苗期的最適宜晝夜溫度。3 討論與結(jié)論在晝均溫35 的T1T4組和晝均溫32 的T5T8組中，無晝夜溫差的T1、T5處理得分較低，隨著溫差的增大，番茄苗生長情況綜合得分逐漸提高。根據(jù)Agrawal等15、Bunce 16的研究，晝夜溫差大小與光合作用關鍵酶Rubisco的活性或者數(shù)量高度相關。本試驗的結(jié)果也應證了在較高的白天溫度下隨著夜溫的降低，葉肉細胞的光合活性逐漸提高，逐漸緩解了白天高溫對番茄苗生長的抑制作用。晝均溫為26 的T13T16組中，6 晝夜溫差下綜合評分最優(yōu)，3 和0 溫差下綜合得分差異不大，9 晝夜

21、溫差即夜均溫為17 時表現(xiàn)最差。這可能是由于番茄的適宜生長溫度為1730 ，夜間溫度過低會影響植物細胞的結(jié)構(gòu)和功能，誘導類囊體膜上LHCH構(gòu)成的變化，造成活性氧積累，影響光能的吸收和利用，從而引發(fā)代謝失調(diào)17-19，表現(xiàn)為生長受阻。溫度是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一，荷蘭、日本等國的設施農(nóng)業(yè)已實現(xiàn)周年適溫管控，而我國的農(nóng)業(yè)設施以保溫為主要功能訴求20-21。設施環(huán)境多因素精準調(diào)控必然是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要途徑，因此，今后應繼續(xù)探索外部環(huán)境、建筑結(jié)構(gòu)、控溫設備與設施內(nèi)各項環(huán)境條件的耦合關系，開展設施環(huán)境綜合模型研究，通過物聯(lián)網(wǎng)技術進一步構(gòu)建實時可測、分段可控的智能化設施番茄管控技術22-23。本研究

22、利用主成分分析，通過對番茄苗生長、生理指標進行降維化簡，基于特征向量進行多元分析，綜合和客觀地對各晝夜溫度組合的番茄苗進行評價，得到29 /23 為河北石家莊地區(qū)秋茬番茄苗期最優(yōu)晝夜溫度，為當?shù)卦O施番茄管理提供了依據(jù)。Reference1 趙凌俠，李景富.番茄起源、傳播及分類的回顧J.作物品種資源，1999（3）：3-5.2 王娟娟.我國瓜菜產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展方向J.中國蔬菜，2017（6）：1-6.3 何芬，馬承偉.中國設施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對策分析J.中國農(nóng)學通報，2007，23（3）：462-465.4 盧炳瑞.番茄高產(chǎn)栽培技術M.吉林：吉林攝影出版社，2005.5 周長吉.日光溫室設計荷載探討

23、J.農(nóng)業(yè)工程學報，1994，10（1）：161-166.6 蘇春杰.溫室環(huán)境多因子耦合對番茄生長調(diào)控效應研究及模型構(gòu)建D.陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2018.7 趙勇竣，徐術菁，王釗，等.高溫脅迫對3個番茄品種生長和生理指標的影響J.江蘇農(nóng)業(yè)科學，2019，47（17）：147-149.8 袁慧敏，王革伏，樊佳茹，等.高溫對番茄幼苗生長和花芽分化的影響J.西北植物學報，2019，39（10）：1768-1775.9 李莉，李佳，高青，等.晝夜溫差對番茄生長發(fā)育、產(chǎn)量及果實品質(zhì)的影響J.應用生態(tài)學報，2015，26（9）：2700-2706.10 毛麗萍，李亞靈，溫祥珍.苗期晝夜溫差對番茄產(chǎn)量形成因子的影響分析J.農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28（16）：172-177.11 楊再強，王學林，彭曉丹，等.人工環(huán)境晝夜溫差對番茄營養(yǎng)物質(zhì)和干物質(zhì)分配的影響J.農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30（5）：138-147.12 陳艷秋，趙翔，劉昭霞，等.不同晝夜溫差對設施番茄果實發(fā)育及產(chǎn)量的影響J.北方園藝，2014（24）：38-42.13 張潔，李天來，徐晶.晝間亞高溫對日光溫室番茄生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響J.應用生態(tài)學報，2005，16（6）：1051-1055.14 陸幗一，張和義，周存田.番茄壯苗指標的