基于主成分分析的溫室白蘿卜水氮耦合效應

摘要：為探究不同水氮處理對溫室白蘿卜的影響，設置3個灌溉水平100%ET0（W1）、85%ET0（W2）、70%ET0（W3）和3個施氮水平240（N1）、204（N2）、168 kg/hm2（N3），觀測不同水氮措施下白蘿卜葉片葉綠素含量、果實品質、耗水量、產量、水分生產效率和氮肥偏生產力的變化規律，基于主成分分析法對溫室白蘿卜進行綜合指標評價。結果表明：灌溉對溫室白蘿卜葉片葉綠素含量呈極顯著相關，施氮和水氮交互效應對其影響未達到顯著水平，W3N3處理下葉綠素含量增長最顯著；灌溉對溫室白蘿卜干物質含量和水分利用效率的影響達顯著水平，對其余品質指標、產量和氮肥偏生產力的影響不顯著；施氮和水氮交互作用對溫室白蘿卜氮肥偏生產力影響達到顯著水平，對品質指標、產量和水分利用效率影響不顯著，W1N3處理下溫室白蘿卜的產量和氮肥偏生產力最大，較其他處理產量提高3.75%～22.13%，氮肥偏生產力提高7.25%～74.48%；各個處理全生育期耗水量范圍為208.6～292.4 mm，作物系數值范圍為 1.12～1.68。通過主成分分析綜合指標評價，9個處理的評價得分排序為W1N3＞W2N3＞W2N2＞W2N1＞W3N3＞W3N2＞W1N2＞W1N1＞W3N1。綜上，W1N3處理組合（100%ET0灌水量和168 kg/hm2施氮量）是溫室白蘿卜的最優水氮處理。

關鍵詞：溫室白蘿卜；水分生產效率；氮肥偏生產力；產量；主成分分析

中圖分類號：S631.106；S631.107" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）05-0159-06

白蘿卜屬于根莖類蔬菜、十字花科蘿卜屬植物，在飲食和中醫領域均有廣泛應用，已有千年種植歷史。2020年我國蘿卜種植面積達133萬hm2，收獲面積和產量均居世界第一［1］。目前，我國蔬菜水氮投入量過大，導致蔬菜的水氮利用效率不高［2-5］。水分和氮素都是影響作物生長的關鍵因素，適宜的水氮處理措施是提高蔬菜產量和品質的重要保障［6-8］。因此，探明不同水氮措施對蔬菜的影響，是當前實際生產的迫切需求。

近年來，國內外對不同水氮措施下蔬菜產量和品質的研究較多［9-21］。張娟等在膜下滴灌條件下研究不同灌水上下限對溫室白蘿卜的影響，并提出了適宜的白蘿卜灌水上下限［22-23］。范海燕等基于主成分分析研究了露地白蘿卜滴灌施肥制度，并提出白蘿卜最佳水氮用量［24］。張貴龍等在日光溫室條件下，研究不同氮素供應水平對白蘿卜氮素利用的影響，并提出秋冬季白蘿卜施氮量應在 200 kg/hm2 內［25］。劉杜平通過研究不同氮肥用量對白蘿卜產量和水分利用效率的影響發現，當施氮量為150 kg/hm2時，水分利用效率最高［26］。本研究將白蘿卜作為供試材料，研究不同水氮條件下溫室白蘿卜產量、品質、水分生產效率、氮肥偏生產力等指標的變化規律，并通過主成分分析法對溫室白蘿卜進行綜合分析，以期為實際生產活動提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區基本情況

試驗在北京市灌溉試驗中心站永樂店試驗基地進行。基地位于北京市通州區永樂店鎮（39°20′N，116°20′E），海拔12 m，多年平均降水量為565 mm，多年平均水面蒸發量為1 140 mm，多年平均氣溫為11.5 ℃，無霜期185 d，地下水埋深大于8 m。試驗區土壤質地主要為壤土，容重為1.49 g/cm3，土壤pH值為7.9，田間持水率29%。種植前表層0～20 cm 土壤硝態氮全量為102.46 mg/kg，銨態氮含量為7.05 mg/kg；20～60 cm土壤硝態氮量 98.47 mg/kg，銨態氮含量為4.85 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗在北京市灌溉試驗中心站永樂店試驗基地5號溫室內進行，供試作物均為捷美1410號白蘿卜，于2021年9月24日直播，12月31日收獲。生育期可分為4個周期，分別為發芽期（9月24日至10月10日）、幼苗期（10月11—28日）、葉部生長旺盛期（10月29日至11月24日）、肉質根生長旺盛期（11月25日至12月31日）［24］。試驗設置2個變量因素，分別是施氮量（N）和灌水量（W），灌水量以參考作物蒸發蒸騰量（ET0）為依據，施氮量參照當地推薦施氮量。設置W1（100%ET0）、W2（85%ET0）、W3（70%ET0）3個灌溉水平，N1（240 kg/hm2）、N2（204 kg/hm2）、N3（168 kg/hm2）3個施氮水平，每個處理重復3次，共9個處理（表1）。小區長×寬=7.3 m×5.0 m，每個小區轄4畦，每畦種植2行，畦長7.3 m，寬0.9 m，行距0.4 m，株距 0.35 m，每行種植20株。

灌水方式為滴灌，滴頭間距30 cm，額定壓力0.1 MPa，設計流量1.35 L/h。幼苗期時不進行任何處理，進入葉部生長旺盛期后平均每5 d灌溉1次。參考作物蒸發蒸騰量（ET0）由HOBO小型氣象站采集的逐日氣象信息，經彭曼公式計算得出，ET0和W1處理的變化情況見圖1。

播種前施用有機肥6 000 kg/hm2和復合肥 800 kg/hm2。播種后施尿素（含氮量46%）追肥2次，具體施肥情況如表2所示。

1.3 觀測指標及方法

1.3.1 土壤含水率 試驗在每個小區插入Trime測管，采用Trime-IPH便攜式土壤水分監測儀分層測定土壤含水率，每10 cm為1層，從地表至地下100 cm處。

1.3.2 葉綠素含量 葉片葉綠素含量采用CCM300葉綠素儀測定，每個小區取3株，每株選取3張葉片測定并取平均值。

1.3.3 產量 果實成熟后，按不同小區記錄果實產量，收獲期結束后計算總產量。

1.3.4 品質指標 干物質、維生素C、粗蛋白含量等品質指標等由中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所提供檢測報告。

1.3.5 耗水量 采用水量平衡法計算不同時段內白蘿卜的耗水量：

ETc=W+P+M-D-ΔK。（1）

式中：ETc為耗水量，mm；W為灌水量，mm；P為有效降水量，mm；溫室中無降雨，P為0；M為地下水補給量，mm；試驗區地下水埋深大于8 m，故地下水補給量為0；D為深層滲漏量，mm；ΔK為生育期始末 0～100 cm土壤含水率變化量，mm。

1.3.6 水分生產效率 計算式為：

YUE=Y/ETc。（2）

式中：Y為經濟產量，kg/hm2；ETc為耗水量，mm；YUE為水分生產效率，kg/m3。

1.3.7 氮肥偏生產力 計算式為：

PFPN=Yr/M。（3）

式中：Yr為作物肉質根產量，kg/hm2；M為施氮量，kg/hm2；PFPN為氮肥偏生產力，kg/kg。

1.3.8 作物系數 計算式為：

Kc=ETc/ET0。（4）

式中：Kc為作物系數；ETc為耗水量，mm；ET0為參考作物蒸發蒸騰量，mm。

2 結果與分析

2.1 不同水氮處理對溫室白蘿卜葉綠素含量的影響

由圖2可知，相同灌水條件下葉綠素含量呈現出先減小后增大的變化趨勢，施氮量對葉綠素含量影響不顯著。W1和W2灌水條件下葉綠素含量變化的拐點出現在葉部生長旺盛期，過拐點后葉綠素含量持續增大。W3灌水條件下葉綠素含量變化的拐點出現的較晚，直至肉質根生長旺盛期初才進入拐點，推測是低灌溉水平導致作物在葉部生長旺盛期生長速度減緩，從而一定程度上抑制了作物葉片對葉綠素的合成。

由表3可知，灌溉對溫室白蘿卜葉片葉綠素含量的影響達極顯著水平，施氮水平和水氮交互效應對葉片葉綠素含量的影響未達到顯著水平。不同水氮措施下W3N3處理的葉綠素平均含量最大，比其他處理高11.51～23.22 mg/m2，其他處理下平均葉綠素含量依次為W1N2＞W2N3＞W3N2＞W2N2＞W3N1＞W1N3＞W2N1＞W1N1。W3N3處理下葉綠素增長效應最顯著，這說明雖然低灌溉水平在葉部生長旺盛期會延緩葉綠素的形成，但對植株葉綠素的積累具有一定的促進作用。

2.2 不同水氮處理對溫室白蘿卜品質的影響

表4表明，灌水對溫室白蘿卜干物質含量的影響達到顯著水平，對維生素C、粗蛋白和可溶性糖含量的影響均未達到顯著水平。施氮水平對溫室白蘿卜干物質、維生素C、粗蛋白和可溶性糖含量的影響均未達到顯著水平。水氮交互效應對溫室白蘿卜粗蛋白含量的影響呈顯著水平，對其余各項指標的影響均不顯著。

W1灌溉條件下，各指標均隨施氮量的增加而減小。W2灌溉條件下，干物質含量呈N1≈N2＞N3變化規律，維生素C含量呈N1≈N3＞N2變化規律，粗蛋白和可溶性糖含量呈N3＞N2＞N1變化規律。W3灌溉條件下，干物質含量呈N1＞N2≈N3變化規律，維生素C和粗蛋白含量呈N3＞N2＞N1變化規律，可溶性糖含量呈N1＞N2＞N3變化規律。與低灌水量低氮處理（W3N3）相比，各處理干物質含量增加0～0.7%，維生素C含量減少0～1.6 mg/100 g，粗蛋白含量增加-3.3%～0.8%，可溶性糖含量增加-0.17%～0.22%。因素P值干物質含量維生素C含量粗蛋白含量可溶性糖含量N1施氮處理下，溫室白蘿卜干物質、維生素C和粗蛋白含量隨灌水量增加呈先增大后減小的趨勢，可溶性糖含量呈W3＞W2＞W1變化趨勢。N2施氮處理下，干物質、粗蛋白和可溶性糖含量隨灌水量增加呈先增加后減小的趨勢，維生素C含量呈W3＞W2＞W1變化趨勢。N3施氮處理下，干物質含量呈W1＞W2＞W3變化規律，維生素C含量呈W3≈W2＞W1變化規律，粗蛋白和可溶性糖含量隨灌水量增加呈現先增大后減小的變化規律。各處理中W1N3處理的干物質含量最多，為4.7%，較其他處理多0.1～0.7百分點。W2N1處理下維生素C含量最多，為23.4 mg/100 g，較其他處理多0.2～1.6 mg/100 g。W2N3處理下粗蛋白含量最多，為18.2%，較其他處理多0.1～4.1百分點。W3N1處理下可溶性糖含量最多，為1.87%，較其他處理多0.02～0.39百分點。

2.3 不同水氮處理對溫室白蘿卜耗水規律的影響

由表5可知，全生育期內W3N1處理耗水量、耗水強度最小，分別為208.6 mm、2.1 mm/d，W1N3處理下耗水量、耗水強度最大，分別為292.4 mm、3.0 mm/d。全生育期內幼苗期耗水量最大，占全生育期的30.99%～44.98%，這是由于幼苗期葉片小，地面蒸發量大［22］。施氮條件相同時，溫室白蘿卜的耗水量與灌水量呈正相關，高、中灌水處理較低灌水處理耗水量分別增加29.95%、10.47%；灌溉條件相同時，施氮量對溫室白蘿卜耗水量的影響并不顯著。

表6顯示，W1N3處理下的Kc值最大，為1.68，W3N1處理下的Kc值最小，為1.12。各處理的Kc值受灌水量影響較為顯著，灌水量越大，Kc值越大。在相同灌水條件下，不同施氮處理對Kc值的影響并不顯著。

2.4 不同水氮處理對溫室白蘿卜產量、水分利用效率以及氮肥偏生產力的影響

由表7可知，W1N3處理下產量最大，為 101.77 t/hm2， 較其他處理高3.75%～22.13%。在相同灌水條件下， 溫室白蘿卜產量隨施氮量增加而減小，說明提高施氮量不一定會增加產量，當施氮量超過某一閾值時反而會對產量增長有抑制作用。當施氮量相同時，溫室白蘿卜產量隨灌水量增加而提高，這是由于充足的灌水量促進了作物對土壤中養分的吸收，從而提高了產量［27］。

W3N1處理下水分生產效率最高，為49.67 kg/m3。整體而言，水分生產效率隨產量提高而降低，相同灌溉水平下不同施氮量對水分生產效率無顯著影響。

氮肥偏生產力是反映氮肥利用效率的指標。施氮量和水氮交互效應與溫室白蘿卜的氮肥偏生產力呈極顯著相關。相同灌溉水平下氮肥偏生產力隨氮肥施用量的減少而提高，各處理中W1N3處理的氮肥偏生產力最大，為605.76 kg/kg，較其他處理下的氮肥偏生產力增加7.25%～74.48%，表明在一定限度內灌水量越充足，氮肥偏生產力越高。

圖3表明，溫室白蘿卜產量受灌水量與施氮量的影響并存在一個極大值，即當灌水量為278.45 mm、施氮量為176 kg/hm2時，產量達到極大值 105.64 t/hm2；當灌水量和施氮量超過該值時，產量呈現出下降的變化趨勢。

2.5 基于主成分分析的水氮耦合制度研究

選擇溫室白蘿卜產量、施氮量、葉片平均葉綠素含量、干物質含量、維生素C含量、粗蛋白含量、可溶性糖含量和全生育期灌水量等8個指標進行主成分分析，主成分特征值及貢獻率如表8所示。選取主成分特征值大于1且累計貢獻率大于90%的前4個成分作為主成分來解釋各項指標。

由表9可知，各水氮處理的綜合評分表現為W1N3＞W2N3＞W2N2＞W2N1＞W3N3＞W3N2＞W1N2＞W1N1＞W3N1。其中，W1N3處理的評分最高，此時灌水量為278.09 mm，施氮量為168 kg/hm2，與圖3三維關系曲面分析結果基本吻合。

根據主成分分析結果，在相同灌溉水平下，水氮耦合效果呈現出N3＞N2＞N1的變化趨勢，說明相同灌溉水平下，低施氮量較高施氮量水氮耦合效果更好，更能促進作物的生長。

3 結論

灌水量對溫室白蘿卜葉片葉綠素含量的影響達到極顯水平，施氮量和水氮交互效應對溫室白蘿卜葉綠素含量的影響未達到顯著水平。在不同的水氮措施下，W3N3處理的葉綠素含量最大，增長效應最明顯。灌溉對溫室白蘿卜干物質含量和水分利用效率的影響達顯著水平，對其余品質指標、產量和氮肥偏生產力的影響不顯著。施氮和水氮交互作用對溫室白蘿卜氮肥偏生產力影響達到顯著水平，對品質指標、產量和水分利用效率影響不顯著。W1N3處理下溫室白蘿卜的產量和氮肥偏生產力最大，較其他處理產量提高3.75%～22.13%，氮肥偏生產力提高7.25%～74.48%。

各個處理在全生育期中耗水量總和為208.6～292.4 mm，平均耗水強度范圍為2.11～2.95 mm/d，作物系數值范圍為1.12～1.68。不同水氮條件下作物系數、耗水量、平均耗水強度隨灌水量增加而提高。施氮量對作物系數、耗水量、平均耗水強度無顯著影響。

溫室白蘿卜的主成分分析結果顯示，W1N3處理為最優處理。相同灌溉水平下，水氮耦合效果隨施氮量增大而減弱，這說明水氮耦合對溫室白蘿卜生長的影響存在1個閾值，當灌水量和施氮量超過閾值時，增產效果減弱，甚至會造成減產［24，28］。通過構建的溫室白蘿卜產量、灌水量、施氮量三維關系曲面圖可知，溫室白蘿卜的灌水量閾值約為278.45 mm，施氮量閾值約為176 kg/hm2。

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