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(shè)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(yàn)材料，在人工氣候室開展苗期番茄不同晝夜溫差試驗(yàn)，采集本地種植番茄的設(shè)施環(huán)境溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，參照實(shí)際晝夜溫度進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，晝均溫設(shè)置26、29、32、35 ℃，晝夜溫差設(shè)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(dǎo)度、光能利用率等9項(xiàng)指標(biāo)的測量，并進(jìn)行了相關(guān)性分析和主成分分析，得到3個(gè)主成分，其累計(jì)貢獻(xiàn)率為77.593%，通過3個(gè)主成分的特征值加權(quán)計(jì)算9個(gè)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。

關(guān)鍵詞：設(shè)施番茄;晝夜溫差;相關(guān)性分析;主成分分析

中圖分類號：S641.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-2871（2021）08-032-06

Evaluation indexes of tomato seedling growth based on principal component analysis

HUANG Yuan1， Li Yuling1， GAO Xinna1， ZHANG Yan2， CHEN Cheng2， WU Meng1， 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 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 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 actual 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， 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 that 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 combination 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(shí)依靠農(nóng)業(yè)設(shè)施實(shí)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)，白天氣溫高，夜間保溫性好，因此設(shè)施內(nèi)呈現(xiàn)白天氣溫高和夜間溫差小的特點(diǎn)[5-6]。

番茄苗對空氣溫度敏感，許多學(xué)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(gè)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(diǎn)。袁慧敏等[8]研究表明，在27～37 ℃條件下，番茄幼苗株高和節(jié)間高于對照（15～25 ℃），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(huì)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(shí)，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(qiáng)等[11]、陳艷秋等[12]的研究表明，日均溫25 ℃下，番茄的幼果坐果率、果實(shí)橫徑、果實(shí)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(xué)者在試驗(yàn)溫度設(shè)置時(shí)沒有依據(jù)具體種植茬口的實(shí)際溫度，研究成果與生產(chǎn)實(shí)踐有著一定的差距，因此筆者將基于本地設(shè)施秋茬番茄定植至現(xiàn)蕾前的實(shí)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(dǎo)本地設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)品種選擇大果型番茄合作906（撫順市北方農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所育成），取生長狀態(tài)較為一致、株高10～12 cm的番茄苗進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)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(shè)備為北京益康農(nóng)有限公司ECA-PB0402光合測定儀。

1.2 方法

1.2.1 溫度設(shè)置 試驗(yàn)溫度設(shè)置依據(jù)為石家莊市農(nóng)林科學(xué)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(shí)間為2018年、2019年秋冬茬番茄定植后的21 d，采集設(shè)備選用國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心研制的溫室微型氣象站。溫度采集目標(biāo)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(fēng)口可開合進(jìn)行通風(fēng)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(jìn)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(shí)間，將當(dāng)日6：00—19：30的溫度取平均數(shù)，得到晝均溫，將20：00至次日凌晨5：30溫度取平均數(shù)，得到夜均溫。具體設(shè)施環(huán)境溫度統(tǒng)計(jì)情況見表1。

對目標(biāo)設(shè)施空氣溫度進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)（表2）可見，晝均溫為25.31～37.76 ℃，夜均溫為17.79～28.42 ℃，晝夜溫差為0.42～15.62 ℃。據(jù)此將晝均溫和晝夜溫差作為兩因素，晝均溫設(shè)置26、29、32、35 ℃，晝夜溫差設(shè)置0、3、6、9 ℃，夜溫=晝溫-晝夜溫差，由此獲得16組溫度組合，以T1～T16表示，具體見表3。

1.2.2 方法 試驗(yàn)于2020年6—9月在石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院農(nóng)業(yè)信息研究中心試驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)土壤按V蚯蚓土∶V基質(zhì)土=1∶3配比，水與土壤按體積比3∶8混合，混合后裝入10 cm×9 cm的塑料花盆中，每盆240 g并種植1株番茄苗，每天定時(shí)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(shè)3次重復(fù)。人工氣候室白天14 h，光照度700 μmol·m-2·s-1，夜間10 h，無光照。

1.3 項(xiàng)目測定及方法

1.3.1 生長指標(biāo)測定 株高測量方法為利用精度0.02 mm的游標(biāo)卡尺測量植株莖基部子葉著生處到莖頂生長點(diǎn)之間的距離，測量3次，取平均值為當(dāng)日株高數(shù)值。株高測量時(shí)間為試驗(yàn)的0（處理當(dāng)天）、3、6、9 d。株高相對生長速率的計(jì)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(shí)間。

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(shí)間為試驗(yàn)0（處理當(dāng)天）、3、6、9 d。莖粗的相對生長速率的計(jì)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(shí)間[13]。

干質(zhì)量測量方法為在試驗(yàn)9 d時(shí)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(jì)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)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(biāo)測定 生理指標(biāo)采集時(shí)間為試驗(yàn)3、6、9 d，每個(gè)處理的日間時(shí)段運(yùn)行至7 h進(jìn)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(biāo)包含光合速率（μmol·m-2·s-1）、蒸騰速率（mmol·m-2·s-1）、葉片氣孔導(dǎo)度（mmol·m-2·s-1）、水分利用率（%）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS 23.0進(jìn)行分析，其中顯著性水平設(shè)置為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄苗生長、生理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)及相關(guān)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、蒸騰速率、水分利用率、氣孔導(dǎo)度、光能利用率這9項(xiàng)指標(biāo)分別以X1～X9表示，對不同處理的生長、生理指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)系，將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到ZX1～ZX9，將標(biāo)準(zhǔn)化之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)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(guān);光合速率與水分利用率呈極顯著正相關(guān);蒸騰速率與壯苗指數(shù)呈顯著正相關(guān);光能利用率與根冠比之間呈極顯著正相關(guān)，與光合速率、蒸騰速率呈顯著正相關(guān)。由于試驗(yàn)指標(biāo)較多且關(guān)系復(fù)雜，僅通過生長或生理某一類指標(biāo)很難全面衡量番茄幼苗生長的優(yōu)劣，因此需進(jìn)一步進(jìn)行因子分析，通過提取主成分，對番茄苗的生長狀況進(jìn)行綜合評價(jià)。

2.2 主成分分析

由表6總方差解釋表可知，前3項(xiàng)主成分特征根均大于1，前3個(gè)主成分的特征根分別是3.561、1.928、1.495，方差貢獻(xiàn)率分別為39.564%、21.417%、16.612%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為77.593%，可以反映出9項(xiàng)指標(biāo)的大部分信息，因此選取3個(gè)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(jì)算得到系數(shù)矩陣，并將得到的系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)相乘，得到3個(gè)主成分的函數(shù)數(shù)式：

Z1=0.349 2×Z1+0.197 7×Z2+0.281 4×Z3+0.457 3×Z4+0.367 2×Z5+0.369 9×Z6+0.381 0×Z7+0.340 2×Z8+0.133 5×Z9。

Z2=0.035 3×Z1+0.563 9×Z2-0.010 8×Z3-0.067 7×Z4+0.391 8×Z5-0.431 4×Z6+0.287 4×Z7-0.457 3×Z8-0.211 0×Z9。

Z3=-0.137 4×Z1+0.056 4×Z2+0.561 1×Z3+0.306 7×Z4-0.204 5×Z5-0.260 1×Z6-0.169 3×Z7-0.304 2×Z8+0.582 3×Z9。

按3個(gè)主成分的特征值加權(quán)計(jì)算9個(gè)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(jià)指標(biāo)計(jì)算公式：Z=3.561×Z1+1.928×Z2+1.495×Z3。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T1～T4組和晝均溫32 ℃的T5～T8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(guān)鍵酶——Rubisco的活性或者數(shù)量高度相關(guān)。本試驗(yàn)的結(jié)果也應(yīng)證了在較高的白天溫度下隨著夜溫的降低，葉肉細(xì)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T13～T16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 ℃晝夜溫差即夜均溫為17 ℃時(shí)表現(xiàn)最差。這可能是由于番茄的適宜生長溫度為17～30 ℃，夜間溫度過低會(huì)影響植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能，誘導(dǎo)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(shè)施農(nóng)業(yè)已實(shí)現(xiàn)周年適溫管控，而我國的農(nóng)業(yè)設(shè)施以保溫為主要功能訴求[20-21]。設(shè)施環(huán)境多因素精準(zhǔn)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(yīng)繼續(xù)探索外部環(huán)境、建筑結(jié)構(gòu)、控溫設(shè)備與設(shè)施內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境條件的耦合關(guān)系，開展設(shè)施環(huán)境綜合模型研究，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)一步構(gòu)建實(shí)時(shí)可測、分段可控的智能化設(shè)施番茄管控技術(shù)[22-23]。

本研究利用主成分分析，通過對番茄苗生長、生理指標(biāo)進(jìn)行降維化簡，基于特征向量進(jìn)行多元分析，綜合和客觀地對各晝夜溫度組合的番茄苗進(jìn)行評價(jià)，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(dāng)?shù)卦O(shè)施番茄管理提供了依據(jù)。

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