曹玉鑫，曹紅霞，杜婭丹，王 萍(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

營(yíng)養(yǎng)液配方、濃度及用量對(duì)無(wú)土栽培蔬菜的產(chǎn)量與品質(zhì)影響顯著[1-4]。近年來(lái)，研究學(xué)者針對(duì)無(wú)土栽培的不同蔬菜作物提出了不同的優(yōu)化營(yíng)養(yǎng)液配方與濃度，如Saadet Sevil Kilinc通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，霍格蘭配方和休伊特配方對(duì)無(wú)花果樹(shù)幼苗的生長(zhǎng)和生化指標(biāo)有著積極影響，能明顯促進(jìn)植株生長(zhǎng)[5]。但蔬菜作物在不同的栽培基質(zhì)、作物品種、氣候環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)液濃度和灌水水平下對(duì)養(yǎng)分的吸收都有一定的差異，蔬菜作物的產(chǎn)量與品質(zhì)也有一定的差異[6-9]，所以很難綜合各種評(píng)價(jià)因子從而確定最優(yōu)的灌溉模式。

應(yīng)用突變理論對(duì)桶栽番茄營(yíng)養(yǎng)液濃度和用量耦合灌溉模式綜合評(píng)價(jià)是指對(duì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行多層次目標(biāo)分解，運(yùn)用多個(gè)指標(biāo)對(duì)各種灌溉模式進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法[10,11]。這一方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于沒(méi)有對(duì)指標(biāo)采用權(quán)重，對(duì)各目標(biāo)重要性的確定量化是根據(jù)各目標(biāo)在歸一公式中的內(nèi)在機(jī)理決定的，從而減少了人為賦予指標(biāo)權(quán)重的主觀性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成的影響，使評(píng)價(jià)更趨于實(shí)際，計(jì)算簡(jiǎn)便。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年4-7月在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的日光溫室內(nèi)進(jìn)行(34°20′N(xiāo)，108°04′E)，試驗(yàn)站海拔521 m，所屬地理位置屬暖溫帶半濕潤(rùn)氣候帶，年平均氣溫12.5 ℃。以番茄“天碩308”為試材，采用珍珠巖基質(zhì)桶栽(桶底面直徑25 cm，桶高30 cm)，每桶裝珍珠巖0.8 kg。

定植緩苗后進(jìn)行試驗(yàn)處理，試驗(yàn)采用營(yíng)養(yǎng)液濃度和用量2因素設(shè)計(jì)，共設(shè)12個(gè)處理(見(jiàn)表1)，每個(gè)處理15個(gè)重復(fù)，共計(jì)180桶，采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，每桶種植1株番茄。試驗(yàn)選用霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液配方，且以標(biāo)準(zhǔn)配方濃度的1/2為一個(gè)劑量S，灌水采用稱(chēng)重法，依據(jù)蒸發(fā)蒸騰量補(bǔ)充灌溉[12]，采用水肥一體化灌溉，營(yíng)養(yǎng)液澆灌量維持在珍珠巖田間持水量80%處理的單株蒸發(fā)蒸騰量為灌水標(biāo)準(zhǔn)，記為ET0(下同)。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)處理Tab.1 Experimental design

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

(1)生長(zhǎng)指標(biāo)。用電子天平測(cè)量番茄二穗果成熟期的單株果鮮重、葉鮮重、莖鮮重，精確到0.1 g。

(2)果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量。維生素C采用鉬藍(lán)比色法[13]測(cè)定，番茄紅素采用紫外分光光度法[13]測(cè)定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法[13]測(cè)定，有機(jī)酸采用NaOH滴定法[13]測(cè)定。成熟后各處理隨機(jī)選取10株統(tǒng)計(jì)果實(shí)重量。

(3)數(shù)據(jù)分析。采用Excel 2007和DPS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用Duncan新復(fù)極差檢驗(yàn)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Excel 2007作圖。

2 基于突變理論的溫室番茄灌溉模式綜合評(píng)價(jià)

(1)構(gòu)建指標(biāo)體系。在我國(guó)近些年的節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，水分利用效率與灌溉水利用系數(shù)一起被設(shè)定為重要指標(biāo)，用于評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源的管理、利用水平和節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的實(shí)施效果[14]，番茄內(nèi)在品質(zhì)的好壞主要取決于其 VC、番茄紅素、可溶性糖、可滴定酸和可溶性固形物等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量[15]，植株的干重僅代表干物質(zhì)的積累，而植株的鮮重(干重+水分)反映了植株的自然狀態(tài)[16]?；谥笜?biāo)體系的綜合性、科學(xué)性、可比性以及可行性原則，把影響不同灌溉模式選擇的因素分為2個(gè)層級(jí)指標(biāo)。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)采用互補(bǔ)型燕尾突變模型進(jìn)行分析,營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)采用互補(bǔ)型蝴蝶突變模型進(jìn)行分析[10,11]。根據(jù)上述分析，構(gòu)建出不同灌溉模式的綜合評(píng)價(jià)體系(見(jiàn)表2)。

表2 溫室番茄不同灌溉模式的綜合評(píng)價(jià)體系Tab.2 The comprehensive evaluation system of different irrigation modes on the tomato in greenhouse

(2)試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)的突變技術(shù)轉(zhuǎn)變與歸一化處理。由于底層基礎(chǔ)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)取值范圍不同、量綱不同，需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理轉(zhuǎn)換為0～1的突變級(jí)數(shù)，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)的突變級(jí)數(shù)及歸一化處理結(jié)果見(jiàn)表3，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的突變級(jí)數(shù)及歸一化處理結(jié)果見(jiàn)表4，技術(shù)指標(biāo)的突變級(jí)數(shù)及歸一化處理結(jié)果見(jiàn)表5。

注：同列不同字母表示不同處理間在α=0.05水平差異顯著，下同。

表4 基于燕尾突變理論灌溉模式經(jīng)濟(jì)指標(biāo)初始數(shù)據(jù)與底層指標(biāo)突變級(jí)數(shù)Tab.4 The original evaluation data of the economic index and the catastrophe progression of the bottom index of the irrigation modes based on swallowtail catastrophe theory

表5 基于燕尾突變理論灌溉模式技術(shù)指標(biāo)初始評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)與底層指標(biāo)突變級(jí)數(shù)Tab.5 The original evaluation data of the technical index and the catastrophe progression of the bottom index of the irrigation modes based on swallowtail catastrophe theory

(3)綜合因子和總突變隸屬度函數(shù)值計(jì)算。依據(jù)互補(bǔ)原則計(jì)算樣本的綜合評(píng)價(jià)系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表6。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)各指標(biāo)之間存在互補(bǔ)關(guān)系，取其均值計(jì)算來(lái)總突變隸屬函數(shù)值，最終，溫室番茄灌溉模式綜合評(píng)價(jià)總突變隸屬函數(shù)值如表6所示。

3 結(jié)果和分析

(1)不同營(yíng)養(yǎng)液處理對(duì)番茄品質(zhì)影響。由表3可知與其他處理相比S3濃度Hoagland營(yíng)養(yǎng)液處理番茄果實(shí)的番茄紅素，可溶性糖及有機(jī)酸的含量都較高，且以W3S3處理果實(shí)的番茄紅素、可溶性糖、有機(jī)酸的含量均最高，W2S2處理的維生素C含量最高。W2S1處理果實(shí)的番茄紅素含量最低，僅是W3S3處理的21% ，W3S2處理的可溶性糖含量最低，僅是W3S3處理的69% ，W1S2處理的有機(jī)酸含量最低，僅為W3S3處理的57% 。分析可知，低濃度營(yíng)養(yǎng)液不利于番茄果實(shí)品質(zhì)的提高，其中使用W3S3處理最有利于番茄營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累。

(2)不同營(yíng)養(yǎng)液處理對(duì)番茄生長(zhǎng)影響。由表5可知，不同營(yíng)養(yǎng)液處理對(duì)番茄果鮮重，葉鮮重和莖鮮重有顯著影響。在中水(W2)和低水(W3)條件下，番茄莖鮮重和葉鮮重均隨著營(yíng)養(yǎng)液濃度的升高先增加后減小，說(shuō)明在虧水條件下適當(dāng)提高營(yíng)養(yǎng)液濃度有助于番茄植株莖、葉生長(zhǎng)，但過(guò)高濃度會(huì)對(duì)番茄莖、葉生長(zhǎng)不利。在高水(W1)條件下，番茄莖鮮重和葉鮮重均隨著營(yíng)養(yǎng)液濃度的升高而增加，番茄莖鮮重和葉鮮重均在W1S4處理下取得最大值，分別為130.9 g和137.94 g，說(shuō)明在低營(yíng)養(yǎng)液濃度條件下適當(dāng)增加灌水量有助于植株莖葉的生長(zhǎng)。

表6 各灌溉模式的總突變隸屬函數(shù)值與排序Tab.6 Ranking the total catastrophe membership function value of each irrigation mode

(3)不同營(yíng)養(yǎng)液處理對(duì)水分利用效率的影響。由圖1可知，不同處理下番茄水分利用效率均以W3S3處理最高，其次為W3S4處理，W1S1處理最低，W3S3處理水分利用效率較W1S1提高了97.9 %。在各Hoagland營(yíng)養(yǎng)液濃度處理下，水分利用效率隨著灌水量的增加而降低。低Hoagland營(yíng)養(yǎng)液濃度S1、S2處理的番茄水分利用效率低于高濃度S3、S4處理。

圖1 不同處理下番茄水分利用效率Fig.1 Effects of the different treatments on water use efficiency of tomato

4 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用突變理論評(píng)價(jià)溫室珍珠巖桶栽番茄的灌溉模式，表6結(jié)果表明各種灌溉模式的優(yōu)劣排序依次為：W3S3>W2S4>W2S3>W3S4>W2S2>W1S4>W1S3>W3S2>W1S2>W2S1>W1S1>W3S1。對(duì)于水分利用效率研究表明減少灌溉水量能提高作物的水分利用效率，但隨著水量增加，水分利用效率會(huì)降低[17,18]。牛曉麗[19]等在研究中發(fā)現(xiàn)增加灌水量能顯著提高番茄產(chǎn)量但灌水過(guò)多會(huì)導(dǎo)致減產(chǎn)，侯維娜[20]的研究發(fā)現(xiàn)，番茄果實(shí)中的VC、番茄紅素、可溶性糖和有機(jī)酸含量均隨著灌水量的增加而呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，本實(shí)驗(yàn)S3濃度處理下，番茄的綜合指標(biāo)隨著灌水量的增大呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。研究表明，低濃度營(yíng)養(yǎng)液由于養(yǎng)分不充分不利于植株的生長(zhǎng)，而高濃度營(yíng)養(yǎng)液會(huì)使作物生長(zhǎng)過(guò)于旺盛，不利于有機(jī)物向果實(shí)的積累，降低作物品質(zhì)，而且也會(huì)降低營(yíng)養(yǎng)液的利用效率，作物只有在適宜的營(yíng)養(yǎng)液濃度下才能生長(zhǎng)良好[21,22]。綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明本實(shí)驗(yàn)除低灌溉水平(0.8ET0)外，在相同灌溉水平(1.0ET0和1.2ET0)，營(yíng)養(yǎng)液濃度越高，溫室番茄的綜合指標(biāo)越好，且S3、S4濃度下綜合指標(biāo)明顯優(yōu)于S2、S1濃度。從產(chǎn)量、品質(zhì)、水分利用率方面綜合考慮，W3S3可作為珍珠巖基質(zhì)溫室桶栽番茄最優(yōu)的灌溉模式。

本文通過(guò)應(yīng)用突變理論對(duì)溫室珍珠巖基質(zhì)培桶栽番茄的不同灌溉模式進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，使用(1/2)S濃度營(yíng)養(yǎng)液澆灌且營(yíng)養(yǎng)液澆灌量維持在0.8ET0能顯著提高番茄產(chǎn)量品質(zhì)，且能實(shí)現(xiàn)較高的水分利用效率，從而達(dá)到高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)的目的。突變理論綜合評(píng)價(jià)法由于減少了人為賦予指標(biāo)權(quán)重的主觀性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成的影響，能夠比較客觀地反映不同營(yíng)養(yǎng)液濃度對(duì)無(wú)土栽培溫室番茄生長(zhǎng)的影響現(xiàn)狀，而且該法操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)，是一種較為科學(xué)而有效的評(píng)價(jià)營(yíng)養(yǎng)液濃度與用量對(duì)番茄生長(zhǎng)影響的方法。

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