錢春陽(yáng)　王建春　李鳳菊　宋治文

摘? ? 要：為研究在日光溫室環(huán)境下多因子對(duì)黃瓜葉面濕度影響情況，采用人造葉片電阻模擬葉面濕度值，試驗(yàn)針對(duì)天津地區(qū)日光溫室環(huán)境安裝小氣候檢測(cè)設(shè)備，分別對(duì)溫室內(nèi)濕度群數(shù)據(jù)（空氣濕度RH，葉片濕度RHL，土壤濕度RH₁₀、RH₂₀、RH₃₀、RH₄₀）和溫度群數(shù)據(jù)（空氣溫度T，土壤溫度T₁₀、T₂₀、T₃₀、T₄₀），以及太陽(yáng)輻射W進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過相關(guān)分析和主成分分析方法探討各指標(biāo)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，除空氣溫度T和土壤溫度T40與土壤濕度RH30以及土壤溫度T20與太陽(yáng)輻射W間無(wú)顯著相關(guān)性（P>0.05）外，其他指標(biāo)間均存在極顯著的相關(guān)性（P<0.01）;經(jīng)主成分可將12個(gè)指標(biāo)分為3個(gè)主成分，主成分I為土壤溫度指標(biāo)（T₁₀、T₂₀、T₃₀、T₄₀）和土壤濕度指標(biāo)中的RH₁₀、RH₂₀、RH₄₀，主成分II為空氣溫濕度指標(biāo)（T、RH）、太陽(yáng)輻射指標(biāo)（W）和葉片濕度指標(biāo)（RHL），主成分III為土壤濕度指標(biāo)中的RH30。綜合而言，本試驗(yàn)所選11個(gè)環(huán)境因子指標(biāo)中，葉面濕度受空氣溫濕度和太陽(yáng)輻射的影響較大，主要表現(xiàn)為空氣溫度和太陽(yáng)輻射高，空氣濕度低，則葉面濕度亦低，其他環(huán)境因子指標(biāo)對(duì)其影響相對(duì)較小。

關(guān)鍵詞：黃瓜葉面濕度;主成分分析;多參數(shù)因子

中圖分類號(hào)：S126，TP23，S642.2 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.04.006

Effects of Multi-parameter Environmental Factors on Cucumber Leaf Surface Humidity

QIAN Chunyang1， WANG Jianchun1， LI Fengju1， SONG Zhiwen2

（1.Information Institute， Tianjin Academy of Agricultural Sciences， Tianjin 300192， China; 2.Tianjin Academy of Agricultural Sciences， Tianjin 300192， China）

Abstract： In order to study the influence of multi-factors on cucumber leaf humidity in solar greenhouse environment， artificial leaf resistance was used to simulate leaf humidity. A microclimate detection device was installed in Tianjin solar greenhouse environment. The humidity group data（air humidity RH， leaf humidity RHL， soil humidity RH10， RH20， RH30， RH40）， temperature group data （air temperature， soil temperature T10， T20， T30， T40）， and solar radiation （W） were collected respectively， the relationship between the indicators were explored by correlation analysis and principal component analysis. The results showed that there was a significant correlation among all the 12 indices in this experiment（P<0.01）， except soil moisture RH30 and air temperature（T）（P>0.05）， soil moisture RH30 and soil temperature（T40）（P>0.05）， soil temperature（T20） and solar radiation （W）（P>0.05）. According to the principal component analysis， the 12 indices were divided to three principal components，in which the principal component I included soil temperature index （T10， T20， T30， T40） and three soil moisture index （RH10， RH20， RH40）， the principal component II included air temperature（T）， air humidity （RH）， solar radiation （W） and leaf humidity （RHL）， the principal component III included only one soil moisture index （RH30）. Generally speaking， among the 11 enviroment factor indexes selected in this experiment， the leaf humidity（RHL） was greatly affected by air temperature， humidity and solar radiation， and the main manifestations were that higher the air temperature and solar radiation were， lower the air humidity was， the leaf humidity was also lower; the other 8 indicators had relatively small impacts on the leaf humidity （RHL）.

Key words： cucumber leaf humidity; principal component analysis; multi-parameter factors

設(shè)施農(nóng)業(yè)具有高投入高產(chǎn)出、抵御自然災(zāi)害能力強(qiáng)等特點(diǎn)，目前已成為天津市現(xiàn)代都市型農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向，其面積已達(dá)4萬(wàn)hm²。高溫、高濕對(duì)設(shè)施溫室環(huán)境下作物的生長(zhǎng)發(fā)育和病害的發(fā)生、生理生化過程均有一定的影響[1]。葉片作為植物的重要營(yíng)養(yǎng)器官，其主要功能是進(jìn)行光合作用和蒸騰作用。當(dāng)葉面長(zhǎng)期積累過量水汽時(shí)，很容易受到真菌和細(xì)菌等感染，導(dǎo)致病害發(fā)生，因此葉面濕度已成為評(píng)價(jià)植物生長(zhǎng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。近年來，有關(guān)設(shè)施溫室小氣候預(yù)警監(jiān)測(cè)等技術(shù)[2-7]的研究發(fā)展迅速，但有關(guān)設(shè)施環(huán)境小氣候?qū)χ参锶~面濕度的影響研究相對(duì)較少。葉面濕度傳感器一般采用人造葉片電阻，置于葉片附近，能夠測(cè)定葉面上濕度的存在以及持續(xù)的時(shí)間，模擬通過電阻阻值變化來反映葉面濕度值，供研究人員或栽培管理人員參考，可預(yù)知疾病的發(fā)生并采取相關(guān)的保護(hù)措施[8]。

本試驗(yàn)通過搭建溫室小氣候環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，定時(shí)采集影響黃瓜葉面濕度變化的溫度群數(shù)據(jù)、濕度群數(shù)據(jù)及太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，研究多參數(shù)環(huán)境因子對(duì)黃瓜葉面濕度的影響作用，旨在通過大量群數(shù)據(jù)參數(shù)采樣，篩選出影響黃瓜葉面濕度的關(guān)鍵因子，為合理控制葉面濕度，以及對(duì)建立植物常見病害監(jiān)測(cè)預(yù)警模型提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)基本情況

試驗(yàn)于2018年3月30日—2018年6月15日在天津市北辰區(qū)實(shí)驗(yàn)基地日光溫室（長(zhǎng)70m，寬12 m）進(jìn)行，供試作物為黃瓜。試驗(yàn)期間分別在溫室東部、中部和西部3個(gè)區(qū)域安裝美國(guó)HOBO公司生產(chǎn)的U30-NRC小氣候環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)備性能指標(biāo)見表1，安裝位置及測(cè)量參數(shù)表2。葉片濕度傳感器水平固定在支架上，測(cè)定由上到下第5片葉。試驗(yàn)期間連續(xù)采樣，時(shí)間間隔采集濕度群數(shù)據(jù)：空氣濕度RH，10～40 cm土壤濕度RH₁₀、RH₂₀、RH₃₀、RH₄₀，葉面濕度RHL;溫度群數(shù)據(jù)：空氣溫度T，10～40 cm土壤溫度T₁₀，T₂₀，T₃₀，T₄₀;以及太陽(yáng)輻射W，共12個(gè)指標(biāo)。

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010、 SPSS 20.0、 Matlab 2012等軟件進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析和主成分分析。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 相關(guān)分析

通過對(duì)空氣濕度RH，10～40 cm土壤濕度值RH10，RH20，RH30，RH40，葉片濕度RHL，空氣溫度T，10～40 cm土壤溫度T10，T20，T30，T40，以及太陽(yáng)輻射W共12個(gè)變量進(jìn)行相關(guān)分析，分析結(jié)果如表3所示。

2.1.1 濕度指標(biāo)間相關(guān)性?葉面濕度RHL、空氣濕度RH和土壤濕度RH40指標(biāo)間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），葉面濕度RHL、空氣濕度RH均與土壤濕度RH10，RH20和RH30呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01），各層土壤濕度指標(biāo)間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），由于土壤濕度RH40在空間上與溫室內(nèi)環(huán)境存在一定距離，在黃瓜根系生長(zhǎng)過程中，此層土壤主要起到對(duì)于深層水分的滲漏作用，與葉面濕度RHL、空氣濕度RH相關(guān)性較弱。此外，土壤濕度RH30與葉面濕度RHL之間相關(guān)性較其它層土壤絕對(duì)值最大，同時(shí)從采樣數(shù)據(jù)可以看出同一時(shí)刻該層土壤濕度較其他三層也最大，分析可能是由于30 cm土層充分持水，含水量達(dá)到最大值，從而濕度值也最大。

2.1.2 溫度指標(biāo)間相關(guān)性?空氣溫度T和各層土壤溫度T₁₀，T₂₀，T₃₀，T₄₀指標(biāo)間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），說明空氣溫度越高，各層土壤溫度亦越高。

2.1.3 溫度、濕度和太陽(yáng)輻射指標(biāo)間相關(guān)性? ? 葉面濕度RHL、空氣濕度RH與空氣溫度T、土壤溫度T₁₀和T₂₀以及太陽(yáng)輻射W均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系T，而與土壤溫度T₃₀和T₄₀呈極顯著正相關(guān)關(guān)系T;除空氣溫度T和土壤溫度T₄₀與土壤濕度RH₃₀以及土壤溫度T₂₀與太陽(yáng)輻射W間無(wú)顯著相關(guān)性外，空氣、土壤溫度、各層土壤濕度以及太陽(yáng)輻射W指標(biāo)之間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）;太陽(yáng)輻射W與空氣溫度和土壤溫度T₁₀存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），而與土壤溫度T₃₀和T₄₀之間存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系?？諝鉂穸萊H、空氣溫度T、太陽(yáng)輻射W在空間上與葉片直接接觸，直接作用于光合作用，影響氣孔開度及能量耗散等，較其他因子對(duì)葉面濕度影響更為直接，其表現(xiàn)為空氣溫度越高，太陽(yáng)輻射越大，空氣濕度和葉面濕度越低;對(duì)于10～40 cm土壤溫度、濕度因子則通過由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)水分從土壤到葉片直至大氣，從而影響葉片的蒸騰及能量耗散，起到間接作用，表現(xiàn)為10～20 cm土壤溫度越高，10～30 cm土壤濕度亦越高，空氣濕度和葉面濕度越低。

2.2 葉面濕度主成分分析

通過對(duì)影響日光溫室智能灌溉控制系統(tǒng)的濕度群和溫度群以及太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，初步了解相關(guān)群數(shù)據(jù)特征及對(duì)葉面濕度的影響和作用方式，對(duì)于篩選更具價(jià)值的影響因子、提高關(guān)鍵因子在預(yù)測(cè)模型中的權(quán)重、有效地簡(jiǎn)化模型維度、提高模型的計(jì)算速度均有著至關(guān)重要的作用[9-12]。采用主成分分析方法對(duì)輸入樣本進(jìn)行預(yù)處理，可把多個(gè)影響灌溉用水的變量轉(zhuǎn)化為較少的彼此不相關(guān)的綜合變量[13-17]。

對(duì)6個(gè)濕度群指標(biāo)、5個(gè)溫度群指標(biāo)和1個(gè)太陽(yáng)輻射指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果（表5）表明，KMO檢測(cè)結(jié)果P=0.000<0.05，說明數(shù)據(jù)主成分分析效果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其中前3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為89.701%，故取前3項(xiàng)主成分作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

主成分載荷是主成分與變量因子之間的相關(guān)系數(shù)，系數(shù)絕對(duì)值越大表明該主成分與指標(biāo)間的聯(lián)系越密切。從表6中可以看出，X₂、X₃、X₄、X₅、X₇、X₈、X₁₀在第一主成分的載荷較大，均與主成分Ⅰ正相關(guān)，說明主成分Y_i可以看成是由溫室內(nèi)環(huán)境中10～40 cm土壤溫度與10，20，40 cm的土壤濕度組成的綜合指標(biāo);X₁、X₆、X₁₁、X₁₂在第二主成分載荷較大，其中X₆、X₁₂與主成分Ⅱ正相關(guān)，與主成分Ⅱ負(fù)相關(guān)，故主成分Y_Ⅱ可以看成是環(huán)境空氣溫度、空氣濕度、太陽(yáng)輻射值以及葉面濕度組成的綜合指標(biāo)，這也間接表明葉面濕度與空氣溫濕度和太陽(yáng)輻射的相關(guān)性較強(qiáng);X₉在第三主成分中的載荷較大，與主成分Ⅲ負(fù)相關(guān)，故主成分YⅢ可以看成是RH30組成的綜合指標(biāo)，也進(jìn)一步印證了本文對(duì)于30 cm土層土壤濕度的相關(guān)分析。綜上所述，主成分分析結(jié)果體現(xiàn)了設(shè)施溫室環(huán)境中多參數(shù)環(huán)境因子間相互作用情況。

3 結(jié)論與討論

有研究表明，溫室絕大部分的空氣相對(duì)濕度在85%以上[18]，采用日光溫室冠層溫濕度預(yù)測(cè)模型可以有效模擬黃瓜夜間冠層溫濕度[19]，適當(dāng)降低土壤濕度（60%～80%）可以提高黃瓜幼苗的耐冷性，以保證低溫冷害環(huán)境中幼苗黃瓜葉片光合作用酶的活性[20]。同時(shí)，有研究認(rèn)為，引起葉面濕度不同的原因主要是植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)在生長(zhǎng)中期和后期的差異所致[21]。在日光溫室環(huán)境當(dāng)中黃瓜全生育期葉面濕度主要受溫室內(nèi)溫度群數(shù)據(jù)、濕度群數(shù)據(jù)，以及環(huán)境光照等條件的影響，本試驗(yàn)采用人造葉片電阻模擬葉面濕度值，采集與植物葉面濕度相關(guān)的集群數(shù)據(jù)，通過相關(guān)性和主成分分析對(duì)以葉面濕度、空氣濕度和土壤濕度組成的濕度群數(shù)據(jù)，以空氣溫度和土壤溫度組成的溫度群數(shù)據(jù)，以及太陽(yáng)輻射等指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行研究，相關(guān)分析結(jié)果表明，葉面濕度與空氣和土壤的溫濕度指標(biāo)及太陽(yáng)輻射均存在著極顯著的相關(guān)性;經(jīng)主成分可將12個(gè)指標(biāo)分為3個(gè)主成分，主成分I為土壤溫度指標(biāo)（T₁₀、T₂₀、T₃₀、T₄₀）和土壤濕度指標(biāo)中的RH₁₀、RH₂₀、RH₄₀，主成分II為空氣溫濕度指標(biāo)（T、RH）、太陽(yáng)輻射指標(biāo)（W）和葉面濕度指標(biāo)（RHL），主成分III為土壤濕度指標(biāo)中的RH₃₀。綜合而言，葉面濕度受空氣溫濕度和太陽(yáng)輻射的影響較大，主要表現(xiàn)為空氣溫度和太陽(yáng)輻射高，空氣濕度低，則葉面濕度亦低，而有關(guān)葉面濕度與各指標(biāo)之間的具體關(guān)系可根據(jù)主成分對(duì)指標(biāo)群降維后建立植物全生育期葉面濕度預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)通過對(duì)葉面濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來及時(shí)調(diào)整溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，同時(shí)結(jié)合植物常見病害建立的植物病害監(jiān)測(cè)預(yù)警模型，以適應(yīng)植物當(dāng)前生長(zhǎng)需求。

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