苗期高溫對草莓果實營養品質影響的模糊綜合評價及模型建立*

徐 超，高 芮，王明田，楊再強，2**，韓 瑋，鄭盛華

（1.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，南京 210044；2.南京信息工程大學濱江學院，無錫 214000；3.四川省氣象臺，成都 610091；4.農業農村部西南山區農業環境重點實驗室，成都 610091）

草莓以其生長周期短，投資見效快和經濟效益高等優勢而成為發展最快的新興產業之一。中國草莓的種植面積呈逐年遞增趨勢，2017年全國草莓種植面積14.13萬hm2，產量高達375.3萬t，產值達到600億元以上[1?2]。但是由于生產設施簡陋，環境調控能力差，設施內常遇到高溫等災害，嚴重制約了草莓的生長發育，進而影響果實品質[3]。

品質是決定商品市場價值的關鍵因素[4]。草莓品質包括外在品質（大小、顏色等）和內在品質（可溶性糖、維生素和酸含量等）[5]。關于溫度對果實內在品質的影響國內外已有報道。Wang等[3]研究表明，草莓營養生長期高溫會導致果實品質下降，包括果實內可溶性固形物（SSC）、可滴定酸（TA）和維生素C（VC）含量。楊洋等[3]研究溫度對葡萄品質的影響表明，夜間高溫除降低果實總酚外，對可溶性糖和類黃酮的積累無影響。薛思嘉等[7]研究表明，花期高溫降低了黃瓜維生素C含量，而可溶性糖的含量隨著溫度升高呈先上升后下降的趨勢。可見，溫度對不同內在品質指標的影響不盡相同。內在品質是一個綜合概念，當需要對果實多種品質指標進行綜合評價時，不同指標之間又相互交叉和重疊，給定量和綜合評價品質指標帶來了挑戰[8?9]。

目前，針對苗期高溫對草莓果實內在品質的影響已有報道，但是草莓品質指標綜合評價的方法以及苗期高溫對綜合內在品質的影響模型尚未見到。本研究通過草莓兩個生長季的實驗，使用2018年的數據定量分析苗期高溫對設施草莓果實內在品質的影響，使用模糊評價來計算不同溫度下果實內在品質的綜合模糊系數，構建綜合模糊系數與不同溫度和不同脅迫天數的模型，并使用2019年實驗數據對模型進行檢驗，旨在為設施草莓溫室環境品質調控提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 實驗地點和材料

實驗在南京信息工程大學農業氣象試驗站Venlo型玻璃溫室進行，溫室的南北長度為30m，東西向由12個跨組成，每跨為6m，檐高和脊高分別為4m和4.73m，溫室內加熱系統、灌溉系統、簾幕開展、通風窗的開張均由計算機自動控制。實驗栽培土壤為沙壤土，pH6.5～6.8，有機質含量176.58mg·kg–1，有效氮、有效磷和有效鉀含量分別為70.52、30.15和179.25mg·kg–1。實驗期間土壤水分、肥料按常規栽培進行管理。

實驗材料為草莓品種“紅顏”（Fragaria× ananassa Duch.‘Benihoppe’），由山東果樹種植基地提供。

1.2 高溫處理

實驗于2018年9月–2019年1月和2019年9月–2020年1月分兩批次在南京信息工程大學人工氣候室（PGC–FLEX，加拿大） 進行，試驗設計參考韋婷婷等[10]方法并適當改進，在草莓苗期9～12片真葉，葉長≥5cm，花芽分化完成后進行不同持續日數的高溫處理。根據韋婷婷等[11]的方法，利用BP神經網絡逐時模擬南京地區氣溫，并以此設置氣候室的溫控程序（圖1），日最高氣溫設置為32、35、38 和41℃共4個水平，日最高溫與日最低溫的溫差均設為10℃，以最高溫/最低溫28℃/18℃為對照。處理期間空氣相對濕度設置65%～70%，光周期為12h/12h，以6：00–18：00為白天，光照強度為800μmol·m–2·s–1。實驗草莓幼苗系盆栽，盆高×上口徑×下口徑為15cm×12cm×8cm，所用土壤與栽培土壤一致。高溫處理持續日數分別設置為2、5、8和11d，在各高溫處理結束后將草莓苗去盆移栽至Venlo型玻璃溫室，定植密度為8株·m–2。故實驗4個高溫處理，4個持續天數，共計16組。每組處理3個重復，每個重復10株，共計480株草莓苗。

圖1 人工氣候室日內溫度變化過程Fig.1 Variation course of daily temperature in artificial climate chamber

1.3 樣本采集與測定

取首批達商品果采收標準的草莓果實進行測定。果實營養品質（維生素C、可溶性總糖、可滴定酸、花青苷）測定方法參考文獻[12]。

1.4 營養品質綜合評價模型

1.4.1 模糊矩陣綜合評判

（1）建立模糊評判矩陣

實驗共觀測草莓果實4個內在品質指標，U = （U1，U2，···，U4），每個品質指標有16個處理V = （V1，V2，···，V16），V1?V4分別代表日最高氣溫32℃持續2、5、8和11d處理組，V5?V8、V9?V12、和V13?V16分別代表日最高氣溫35、38 和41℃下持續2、5、8和11d處理組，則草莓果實內在品質觀測結果的模糊評價矩陣為

（2）評價指標歸一化處理

對原始數據R進行標準化處理，即對樣本中元素rij（i=1，2，3，4；j=1，2，…，16） 進行標準化處理，以克服評價尺度的不統一。具體標準化方程為

則標準化以后的模糊矩陣變為

（3）評價指標權重計算

采用熵權法計算各指標的權重。首先求出各指標的信息熵Ei，再計算權重Wi。Ei和Wi的計算如式（6）?式（8）。

式中，rij（i=1，2，3，4；j=1，2，…，16） 為標準化的數據；Pij為第i項指標下第j個樣本值占該指標的比重值，其中當Pij= 0時，lnPij= 0[13]。

（4）綜合評分矩陣

為了得到最終評價結果，需要制定一個參照值，即標準的評價物元[14]。試驗初始數據顯示，各品質指標在不同處理下變化很大，數據上升和下降交替出現，所以CK值作為標準物元也會影響結果的準確性，為了克服這個缺點，把各組處理標準化的最大值作為標準物元（?V）。因此，評價矩陣R′就可寫為~R′。即

該評價矩陣中Vj的評分越接近標準物元?V，則表明品質越好[15]。計算方法如式（10）和式（11）。

1.4.2 經驗模型的建立

利用2018年數據建立模糊矩陣綜合評分與脅迫溫度（T）和脅迫天數（D）的經驗模型，即

1.5 數據分析

1.5.1 數據處理方法

用Excel2017和SPSS17.0進行數據分析，用GraphPad Prism 7.05繪圖。

1.5.2 模擬驗證

用均方根誤差（RMSE，Root Mean Squared Error）和相對誤差（RE，Relative Estimation Error）進行經驗模型模擬值和模糊矩陣綜合評分實測值之間對比，RMSE值越小，表明模擬精度越高，模型越好[15]。RMSE和RE的計算式為

式中，OBSi和SIMi為觀測值和擬合值。n為樣本量的大小。

2 結果與分析

2.1 苗期高溫對草莓果實營養品質的影響

2.1.1 維生素C

由圖2可見，CK（苗期不受高溫影響）處理成熟果實中VC含量最高，均在93mg·100g?1左右，而苗期經歷不同程度高溫的各處理，其成熟果實中VC含量均有不同程度的降低，降低程度與高溫程度及其持續日數呈正相關。具體來看，高溫脅迫2d，各溫度處理下果實中VC含量與CK 無差異；高溫脅迫5d，32℃和35℃處理后果實中VC含量與CK無差異，而38℃和41℃處理后VC含量顯著低于CK，分別比CK減少16.66%和18.75%；高溫脅迫8d，各溫度處理下果實中VC含量均顯著低于CK，32℃、35℃、38℃和41℃處理分別比CK減少17.71%、19.79%、27.08%和32.29%，其中32℃和35℃處理下VC含量與CK無顯著差異，但均顯著高于38℃和41℃處理；高溫脅迫11d，各溫度處理下果實中VC含量顯著低于CK，分別比CK減少29.16%、39.58%、42.71%和47.91%，其中35℃、38℃和41℃處理后果實中VC含量與CK無顯著差異，但均顯著低于32℃處理。

圖2 苗期不同高溫和持續天數處理后成熟草莓果實中VC含量的比較Fig.2 Comparison of the VC content in ripe strawberry fruit among high temperature treatments after different days during seedling stage

2.1.2 花青苷

從圖3可以看出，高溫脅迫2d，32℃和35℃處理果實花青苷含量與CK無差異，38℃處理顯著高于CK，比CK提高18.03%，41℃處理顯著小于CK，比CK減少13.85%；高溫脅迫5d，32℃處理果實花青苷含量與CK無差異，35℃和38℃處理顯著高于CK，分別比CK提高13.85%和20.00%，41℃處理后顯著小于CK，比CK減少16.92%；高溫脅迫8d，32℃和35℃處理果實花青苷含量顯著高于CK，分別提高7.69%和16.92%，38℃和41℃處理顯著低于CK，分別比CK降低23.08%和29.23%；高溫脅迫11d，32℃和35℃處理果實花青苷含量顯著高于CK，分別提高20.00%和23.08%，38℃和41℃處理顯著低于CK，分別比CK降低32.31%和38.46%。可見，32℃和35℃處理果實花青苷含量隨著處理天數增加而增大，38℃處理隨著處理天數延長先增加后減小，41℃處理則隨著處理天數增加而減小。

圖3 苗期不同高溫和持續天數處理成熟草莓果實中花青苷含量的比較Fig.3 Comparison of the anthocyanin content in ripe strawberry fruit among high temperature treatments after different days during seedling stage

2.1.3 可溶性糖

從圖4可以看出，成熟果實中可溶性糖（TSC）在不同高溫處理下的變化趨勢與花青苷一致。高溫脅迫2d，32℃和35℃處理果實TSC含量與CK無差異，38℃處理顯著高于CK，比CK提高9.55%，41℃處理顯著小于CK，比CK減少4.74%；高溫脅迫5d，32℃處理果實TSC含量與CK無差異，35℃和38℃處理顯著高于CK，分別比CK提高7.62%和19.05%，41℃處理顯著小于CK，比CK減少10.48%；高溫脅迫8d，32℃和35℃處理果實TSC含量顯著高于CK，分別比CK提高6.67%和11.43%，38℃和41℃處理顯著低于CK，分別比CK降低6.66%和15.24%；高溫脅迫11d，32℃和35℃處理果實TSC含量顯著高于CK，分別比CK提高9.53%和16.19%，38℃和41℃處理顯著低于CK，分別比CK降低14.29%和23.81%。可見，32℃和35℃處理果實TSC含量隨著脅迫天數延長而增加，38℃處理隨著處理天數的延長先增加后減小，41℃處理則隨著處理天數延長而減小。

圖4 苗期不同高溫和持續天數處理成熟草莓果實中可溶性糖含量的比較Fig.4 Comparison of the total soluble sugar content in ripe strawberry fruit among high temperature treatments after different days during seedling stage

2.1.4 可滴定酸

由圖5可見，高溫脅迫2d，32℃和35℃處理果實可滴定酸（TA）含量與CK無差異，38℃處理顯著低于CK，比CK降低15.40%，41℃處理顯著高于CK，比CK提高10.91%；高溫脅迫5d，32℃和35℃處理果實TA含量與CK無差異，38℃處理顯著低于CK，比CK降低21.07%，41℃處理顯著高于CK，比CK提高19.46%；高溫脅迫8d，32℃、35℃和38℃處理果實TA含量均顯著低于CK，分別比CK提高23.86%、30.46%和36.04%，41℃處理果實TA含量顯著高于CK，比CK提高21.92%；高溫脅迫11d，32℃和35℃處理果實TA含量顯著低于CK，分別降低30.63%和38.07%，38℃和41℃處理顯著高于CK，分別提高10.83%和22.83%。可見，32℃和35℃處理果實TA含量隨著脅迫天數延長而減小，38℃處理則隨著脅迫天數延長先降低后增加，而41℃處理則隨著脅迫天數延長而增加。

2.2 苗期高溫對草莓果實內在品質影響的綜合評價

2.2.1 模型構建

（1）根據式（6）?式（8）求得維生素C、花青苷、可溶性糖和可滴定酸的權重為

（2）根據式（1）?式（5）和式（9），求得評價矩陣~R′ 為

（3）根據式（10）和式（11），求得不同處理下模糊綜合品質得分Rδ為

（4）構建模糊綜合評價分數Rδ與脅迫溫度和脅迫天數的方程。模糊綜合得分Rδ與脅迫溫度（T）和脅迫天數（D）之間的二次多項式為

式中，T的取值在32～41℃，D的取值在2～11d。

2.2.2 模型驗證

使用2019年的數據，根據式（17）計算不同溫度和脅迫天數下的Rδ值，并與模糊綜合評價模型算出的Rδ值進行對比（圖6）。由圖6可以看出，利用模型（17）擬合的Rδ值和模糊綜合評價模型算出的Rδ值較好地呈現在1：1線附近，基于1：1線的決定系數R2為0.86，說明模型模擬精度較高。

圖6 模糊綜合得分的模擬值與實測值的比較Fig.6 Comparison of simulated and observed fuzzy evaluation values

圖7為模型預測的線性殘差圖（觀測值?模擬值）。從圖可以看出，模型模擬值與實測值的誤差在0.25以內，模型對果實綜合評價值模擬的均方根誤差（RMAE）和相對誤差（RE）分別為0.01和0.06%，說明模擬值與實測值的一致性較好。

圖7 模糊綜合評價值的觀測值與模擬值的殘差Fig.7 Residual difference between measured and simulated fuzzy evaluation values

2.2.3 評價結果

圖5 苗期不同高溫和持續天數處理成熟草莓果實中可滴定酸含量的比較Fig.5 Comparison of the titratable acid content in ripe strawberry fruit among high temperature treatments after different days during seedling stage

利用模糊數學綜合法評價苗期高溫對草莓果實內在品質的影響，結果顯示，苗期高溫下4種草莓內在品質的權重大小分別是，可滴定酸（0.33）＞花青苷（0.25）＞維生素C（0.23）＞可溶性糖（0.19）。說明苗期高溫后，可滴定酸含量決定著草莓內在品質的好壞。模糊綜合評價得分顯示，苗期V7?V10處理（即35℃高溫下處理8d和11d，以及38℃高溫下處理2d和5d）下綜合果實品質得分最高，均大于0.8，V1?V6處理（即32℃高溫下處理2、5、8和11d，以及35℃高溫下處理2d和5d）下綜合果實品質得分居中（0.6～0.8），V11?V16（即38℃高溫下處理8d和11d，以及41℃高溫下處理2、5、8和11d）處理綜合果實品質得分最低（0～0.6）。說明草莓苗期輕度或中度的高溫處理會提高果實的內在品質，而重度高溫脅迫則降低果實的內在品質。

3 結論與討論

3.1 討論

果實是作物光合有機物的庫，作物通過光合作用合成有機物，然后轉移到果實中供其生長發育，因此，當植物體受到高溫脅迫時，植株的光合作用會隨著改變，進而影響果實生長發育和品質[16?17]。本研究通過分析苗期高溫對草莓果實最重要的4種內在品質的影響，發現不同高溫處理和不同脅迫時間對草莓內在品質的影響不盡相同。32℃和35℃處理后果實中可溶性糖（TSC）含量隨著脅迫天數增加而增加，38℃和41℃處理后果實中TSC含量則隨著脅迫天數增加先增加后降低。這可能是由于高溫脅迫后，光合源（葉片光合作用）的供給反應不同，輕度高溫處理通過補償作用可以完全補給光合源虧缺的負面效應，而重度高溫脅迫則使得葉片光合器官受損，源的供給較差，進而導致果實內糖的積累受阻[18?19]。花青苷的變化趨勢與TSC含量變化基本一致，這是因為花青苷是一種極性化合物，具有很強的生物活性，它的穩定性取決于糖基化程度，糖基化程度越高，其穩定越大[20?21]。TSC含量與TA的含量比例是果實品質的一個重要指標，二者的動態平衡控制果實口感[22]。這在本研究中也有所體現，TA的變化趨勢與TSC基本相反。

目前評判果實品質主要通過主成分分析法和聚類分析綜合評價，林蟬蟬等[9]通過基于主成分與聚類分析綜合評價葡萄果實品質，Mir等[23]通過基于主成分與聚類分析綜合評價蘋果果實品質。雖然主成分提取指標應用廣泛，但也不可否認其在計算過程中簡化了指標，不能包含全部的信息[24]。而模糊數學評價方法則避免了這個問題，并且還避開了主觀性，使結果更加客觀從而取個更好的評價效果[25]。模糊數學法在評價葡萄品質[25]，小白菜內在品質[26]，南瓜品質[27]和黃瓜品質[14]方面有優勢，但是草莓果實品質不僅包括內在品質，還有外在品質（大小、顏色）等，后期應綜合考慮開展系統性研究。本研究依據不同溫度和脅迫天數與果實綜合內在品質模型關系，建立了模糊綜合果實內在品質評價模型，很好地預測了苗期高溫后草莓果實綜合內在品質，可為設施草莓溫室溫度調控提供理論支持。但是模型還需要不同品種、不同環境和多重指標的驗證才有普遍適用性。

3.2 結論

（1）草莓苗期（9～12片真葉，葉長≥5cm）花芽分化完成后，遇到一定程度的高溫天氣（日最高溫度35℃持續11d以內或日最高溫度38℃持續5d以內）可適當提高草莓果實內在綜合品質。

（2）在高溫（T）32～41℃，脅迫時間（D）2～11d區間，構建了綜合內在品質得分與高溫和脅迫天數的模型，即Rδ=?12.21+0.76T+0.01D?0.01T2?0.003D2（P<0.05，R2=0.73）。模型對綜合果實內在品質的預測值與實測值回歸估計標準誤（RMSE）和相對誤差（RE）分別為0.01和0.06%，精度較高，具有較強的實用性。