基于apriori算法對盆栽春小麥生理指標及產量的分析

摘 要：【目的】研究土壤、殘膜、灌溉制度等因素對新疆北疆春小麥的生長發育及產量的影響。

【方法】試驗采用盆栽試驗，運用正交試驗設計，選取土壤質地、灌溉方式、灌水定額、灌水次數、土壤地膜殘留量5因素，各因素設置4水平，研究不同試驗因素組合下春小麥株高、葉綠素含量、有效穗數、穗粒數、產量、水分利用效率和土壤含水率各指標的差異及變化；利用apriori算法分析小麥各生理指標間的關聯性。

【結果】全生育期內不同處理下小麥株高變化趨勢基本一致，對小麥株高影響較大的因素為灌溉制度；小麥全生育期內葉綠素值整體上呈現單峰變化趨勢，適當提高土壤肥力可以增產；土壤含水率與土壤質地和灌水量有明顯的相關性。在灌漿期適度增加灌水能夠提高小麥葉片光合速率，達到增產效果；灌水次數以及灌溉方式對小麥產量及產量構成因素有顯著性影響，滲灌的增產效果表現突出。最高耗水量和最大穗粒數，最大有效穗數，最大株高具有強相關性；最高耗水量與最低干物質重、最低SPAD值有強關聯性；最高株高與最低SPAD值呈強相關性。

【結論】土壤質地為粘壤土，灌水方式為滲灌，灌水700 kg/hm2，地膜殘留量為0時春小麥產量最高，能夠達到71.56 g/盆；灌水定額700 kg/hm2與最高耗水量和最大株高、最低SPAD值、最大有效穗數、最大穗粒數具有強相關性。過高的灌水量和耗水量會導致株高過高，SPAD值小。

關鍵詞：春小麥；生理指標；產量；關聯規則；apriori算法

中圖分類號：S512 ""文獻標志碼：A ""文章編號：1001-4330（2024）08-1861-11

收稿日期（Received）：2024-01-11

基金項目：國家自然科學基金項目（52169013）；新疆維吾爾自治區“十四五”重大專項項目（2020A01003-4）

作者簡介：袁瑩瑩（2000-），女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，研究方向為節水灌溉，（E-mail）yuanyingying136@163.com

通訊作者：趙經華（1979-），男，新疆奇臺人，教授，博士，碩士生/博士生導師，研究方向為節水灌溉，（E-mail）105512275@qq.com

0 引 言

【研究意義】2020年新疆小麥種植面積106.9×104 hm2，總產582.09×104 t，單產5 445.18 kg/hm2，位居全國第6位［1］。關于土壤質地變化對小麥的影響［2-5］，研究文獻主要集中在土壤質地對小麥產量及品質的影響上，而對小麥生育期中的生理特性影響較少。基于apriori算法分析小麥各生理指標間的關聯性，對分析新疆北疆小麥最宜種植制度有重要意義。【前人研究進展】微灌相較于普通灌溉方式有更明顯的優點，滴灌條件下土壤蓄水保墑效果要高于傳統灌溉方式［6］，滴灌與微噴灌能夠明顯增加0～45 cm土層土壤水穩性團聚體的含量和大小，改善土壤微生物環境［7，8］。噴灌使作物根系產生明顯的上移現象，更適合作物生長需要。微噴灌條件下冬小麥葉片光合速率高于漫灌處理［9］。殘留在土壤中的地膜會直接影響農作物根系的自然生長，導致作物根系畸變，降低作物成活率，對作物造成不利影響。陳晶等［10］研究發現，土壤殘膜量與茄子（Solanum melongena）、玉米（Zea mays）產量呈極顯著負相關。馬輝等［11，12］發現玉米莖粗和葉面積均隨殘膜量的增加呈現遞減趨勢。朱金儒等［13］發現試驗區棉花氮主成鈴數較對照組減少0.4～12個，落鈴率增加3.9%～5.5%。 【本研究切入點】關聯規則中的apriori算法在小麥上的應用相對較少。需利用apriori算法分析各生理指標間的關聯性。【擬解決的關鍵問題】采用apriori算法，研究不同土質、灌溉方式、灌水定額、灌水次數和不同地膜殘留量對春小麥的生長指標、水分利用效率及產量的影響，以探求最適宜的新疆北疆春小麥種植制度。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2021年試驗在新疆農業大學水利學院（43°81′N，87°57′E）進行。試驗選取春小麥品種新春52號為試驗材料。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

選取土壤質地、灌溉方式、灌水定額、灌水次數、土壤地膜殘留共5個影響小麥生理指標及產量因素的正交試驗（采用正交表L16（45））。每個因素設置4個水平，每組2個重復。表1，表2

選擇盆栽種植方式，每個試驗處理2次重復，共32個。選取底面積（0.36×0.36） m2，高0.6 m盆栽種植小麥，盆栽間隔控制在1 m左右，試驗于4月16日播種，每盆小麥播種30粒，播種深度4 cm。于小麥播種前各小區統一施尿素底肥，以250 kg/hm2折算為盆體用量，一次性于作物播種前施入盆栽體10～20 cm土壤。

灌溉用水采用常規自來水源，使用點源入滲，使用輸液器代替滴灌帶，滲灌將輸液器的一定長度軟管及出水口預埋于設計深度，頂端設有連接器，灌溉時利用輸液器的流量控制器調節至設定流量后，與預埋輸液器管連接。地表滴灌采用輸液器調節好流量后，盆栽土體表面直接灌溉。畦灌則采取地表自由流的方式模擬田間畦灌環境；采用人工布設同等高度的灑水壺模擬田間噴灌環境。根據春小麥不同生育期需水特點選取最適宜的春麥灌水時期。將往年的舊地膜人工粉碎成不規則大小的碎片，折算為盆栽體地膜碎片數量，模仿田間地膜殘留實際狀態均勻的混合在試驗盆栽土壤中。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 株 高

隨機選取測量對象，對每小區的小麥株高進行各生育期的分階段（分蘗期、拔節期、抽穗期、灌漿期和成熟期）測量，采用分度值為0.1 cm的米尺測量盆栽土壤表面距小麥穗頂的高度。

1.2.2.2 葉片相對葉綠素含量

在小麥生長各生育期內，選取長勢良好植株，取旗葉、倒二葉、倒四葉，利用SPAD-502 Plus葉綠素指數儀測定SPAD值。利用葉綠素指數儀測量時避開葉片葉脈部分，測量葉片尖部、中部以及根部SPAD值，取最終平均數用于試驗分析。

1.2.2.3 土壤水分

測定土壤含水率時，在每個重復布設1根觀測管，將土壤每10 cm為一層，共5層，每3～5 d測定一次含水率，若當天有灌水或降雨，則再加測一次。

作物耗水量通過水量平衡原理計算。

ET=I+P0+△W.（1）

式中，ET為作物耗水量（mm）；I為灌溉用水量（mm）；P0為有效降雨量（mm）；△W為全生育期土壤水分消耗，即始末土壤水分差（mm）。

P0=0 "Plt;5 mmP "5 mmlt;Plt;50 mm0.8P "Pgt;50 mm .（2）

式中，P為時段內實際降雨量（mm）。

WUE=YaETa.（3）

IWUE=YaItot.（4）

式中，WUE為水分利用效率［14，15］（kg/（hm2·mm））；IWUE為灌溉水利用效率（kg/（hm2·mm））；Ya為作物產量（kg）；Itot為生育期內總灌水量（mm）。

1.2.2.4 春小麥產量及產量構成因素

于小麥成熟后測定春小麥產量，分別測算小麥有效穗數、千粒重、每穗粒數，單打單收。帶回室內烘干稱重，記錄產量。

1.3 數據處理

研究關聯規則的挖掘是通過apriori算法實現的，apriori算法遵循先驗定理，即：頻繁項集的所有非空子集也一定是頻繁的。Apriori算法是根據數據情況首先設置最小支持度min-sup和最小置信度min-confi。對原始數據庫進行迭代篩選，基于最小支持度進行剪枝，不斷地得到候選項集和頻繁項集。即得到所有關聯規則，再根據支持度sup、置信度con和提升度lift從中篩選出有效規則。

支持度sup：相互關聯的數據在原始數據集中出現次數占總數據集的比重。

sup（X，Y）=count（XY）count（D）.（5）

式中，sup（X，Y）為X，Y兩項對應的支持度，count（XY）為X，Y兩項事務出現的次數，count（D）為原始數據集的數量大小。

置信度confi：置信度表示數據Y出現后，另一個數據X出現的概率，即數據的條件概率。

confi（XY）=sup（XY）·count（Y）count（D）.（6）

提升度lift：表示Y出現的條件下X出現的概率與X總體發生的概率之比。

lift（XY）=confi（XY）·count（X）count（D）.（7）

提升度表示項集Y對項集X的影響程度，當提升度等于1時，X，Y兩項集的出現是相互獨立的，即關聯規則XY無意義；當提升度小于1時，X，Y兩項集互斥，只有當提升度大于1時Y的出現會使X更頻繁地出現，此時關聯規則才有價值。

2 結果與分析

2.1 不同處理對春小麥生長指標的影響

2.1.1 不同處理對小麥株高的影響

研究表明，比較不同處理全生育期小麥株高變化，各處理小麥株高變化均呈不斷增加的趨勢。分蘗期—拔節期增高速率最大，之后逐漸變緩。T7與T15處理株高顯著（Plt;0.05）高于其余處理，T11、T12處理株高顯著較低（Plt;0.05）。其中T10處理拔節期到抽穗期株高增長速率最大，為1.17 cm/d，T10處理水分供應充沛，噴灌水分利用率相對較高，無地膜殘留，最利于植株生長。T13處理抽穗期后株高持續增長，T13處理采用膜下滴灌，灌水定額較大，粘壤土持水能力強，地膜殘留對植株生長的影響較小。T11處理拔節期至灌漿期增長較慢，當土質為壤土，灌溉方式為滲灌，灌水定額在500～700 m3/hm2，地膜殘留為0～250 kg/hm2時，有利于小麥株高增長。表3

2.1.2 不同處理對SPAD值的影響

研究表明，分蘗期T2 SPAD值最高，較最低T6 處理高84.27%，其余各處理差異不顯著；拔節期T2、T3 處理SPAD 值最高，T11 處理最低，其他各處理無顯著性差異；抽穗期T11 處理葉綠素含量最低，T2、T3和T4處理較其他處理相比葉綠素含量較高，分別超過最低處理T11 63.12%、67.71%和73.70%；灌漿期與抽穗期相似，T2、T3和T4處理葉綠素值表現較好，分別高于最低處理T11 64.20%、68.64%和74.87%，T1處理葉綠素值最高，為29.99，T13 處理SPAD值最低，為16.15。

小麥全生育期內葉綠素值整體上呈單峰變化趨勢，由分蘗期起SPAD值開始升高，直至抽穗期小麥葉片葉綠素值達到最大，其中T2處理SPAD值最大為61.4，超過T11處理 36%，從抽穗期到灌漿期SPAD值并無明顯變化，灌漿期到成熟期葉片開始衰老，葉綠素降解，退綠黃化，SPAD值急速下降。表4

2.2 不同處理對土壤水分變化、小麥耗水特性的影響

2.2.1 不同處理對土壤水分變化規律的影響

研究表明，各生育期內，隨測定深度的增加，土壤含水率的變化趨勢大致相同，從土壤深度10 cm處到土壤深度50 cm處，含水率呈先迅速增大、后緩慢減小的趨勢，各生育期土壤含水率均在20 cm土層深處達到最大。

不同質地的土壤在試驗過程中含水率變化各不相同，其中砂土質含水率最低，含水率變化最為明顯，壤土含水率總體較大，保水性能好。當土壤地膜殘量小于450 kg/ hm2時土壤含水量能夠處于較高水平。地膜殘留量大于450 kg/hm2時一部分處理的土壤含水量同樣處于較高水平。圖1

2.2.2 不同處理對小麥耗水特性的影響

研究表明，不同處理下春小麥各階段耗水強度變化趨勢基本一致，各處理分蘗期小麥耗水強度波動幅度為0.67～2.91 mm/d，分蘗期到拔節期小麥耗水強度呈增加趨勢，增至1.38～5.27 mm/d，自拔節期至抽穗期，日耗水量迅速增加，達到峰值7.99～10.58 mm/d，其中耗水強度最高的處理為T13處理，耗水強度為10.58 mm/d，抽穗期耗水強度最低為T5處理，耗水強度為7.99 mm/d。由抽穗期開始，小麥耗水量逐漸回落，灌漿期小麥耗水強度落至6.69～9.21 mm/d。直至成熟期結束，耗水強度降至最低，為0.81～3.59 mm/d。土壤含水率與土壤質地和灌水量有明顯的相關性。圖2

T13處理的耗水量最高為453.93 mm，高于T16處理35.3 mm，與其余各處理有顯著性差異（Plt;0.05），T5處理耗水量最低，為270.89 mm。T5與T8處理WUE較高，與其他各處理有顯著性差異（Plt;0.05）。T2與T1處理IWUE最高，T4、T10、T13處理灌溉水利用效率最低，與其他各處理由顯著性差異（Plt;0.05），IWUE最高T2處理與最低組T13處理相差0.65（kg·hm2）/mm。

土壤質地與灌水模式對小麥耗水量影響大，對WUE和IWUE影響最大的試驗因素均為灌水定額。當灌水定額設定為500～700 m3/hm2時水分利用效率最高，當灌水定額增加至800 m3/hm2時，WUE與IWUE有所降低，當灌水次數分別為5次、6次時，小麥WUE值與IWUE達到最佳水平。表5

2.2.3 不同處理對小麥產量及產量構成因素的影響

研究表明，T5處理小麥的有效穗數最高，還有T8、T9處理，高于其他處理并與其他處理的有效穗數具有顯著性差異（Plt;0.05）； T1處理有效穗數最少，約為28個。T15處理的穗粒數表現最好，與其余各處理間存在顯著性差異（Plt;0.05），高于最低T16處理，為50.8%。T8處理千粒重與T4、T5和T9處理間無顯著性差異，高于其余各處理。

灌水次數對最終有效穗數有著顯著的影響，試驗中灌水8次（灌漿期灌水3次）時春小麥有效穗數最多，在灌漿期適當增加灌水次數可提高小麥有效穗數、穗粒數、千粒重、干物質積累以及產量。

滲灌的增產效果與其他灌溉方式相比較表現更為突出，春小麥的穗粒數、千粒重、干物質積累量以及產量均在灌溉方式為滲灌時達到最高，產量最高可達71.56 g/盆。表6，圖3

2.2.4 關聯規則

研究表明，將各指標按照大小分別分為4類。

試驗設計為700 m3/hm2灌溉定額、中壤土時更容易出現最高耗水量，最高耗水量和最大穗粒數，最大有效穗數，最大株高具有強相關性，而耗水量最高并沒有使SPAD值、千粒重、干物質重達到最大，與之相反的是，最高耗水與最低干物質重、最低SPAD值表現出了強相關性。700 m3/hm2的灌溉定額、最大耗水、最高株高、最大穗粒數有強相關性。圖4，表7

3 討 論

地膜殘留量大，影響土壤水分入滲及根系生長和養分吸收［12，16］。通過采用一定的措施提高土壤肥力，能夠顯著的延緩小麥功能葉片的退綠黃化的衰老過程，維持較長的有效光合時間，增加干物質的積累，保障后期干物質轉運效率［17，18］。為達到節水增產的目的，灌水量可適度增加，但需控制在一定范圍之內，與楊曉亞等［19］的研究結果一致。灌漿期適度增加灌水次數可以提高灌溉水利用效率，是因為小麥的產量重要來源為灌漿期冠層葉［20］，即在灌漿期適度增加灌水能夠促進小麥旗葉生長，提高小麥葉片光合速率，達到增產效果。增加灌溉次數可以增加小麥的根長根重以及地上部生物累積量，從而提高產量和水分利用率［21］。趙世偉等［22］通過盆栽試驗得到了相同的試驗結果，即在灌漿—成熟期進行調虧處理會對穗粒數以及千粒重產生較大影響。試驗所得結果與于振文等［23］得到的結果一致：灌水次數增加時，產量構成因素隨之增加。

玉米莖粗和葉面積均隨殘膜量的增加呈遞減趨勢［24］，對玉米一類苗具有顯著不利影響［7］、土壤殘膜量與茄子、玉米產量呈極顯著負相關［10］。除此之外，殘膜可造成棉花現蕾期推遲，地膜殘留量大時棉花主成鈴數減少，落鈴率也會增加。與試驗結果大體吻合，在試驗中，當殘膜量小于650 kg/hm2時，土壤含水量較高，對小麥生長影響較小。殘膜水平大于650 kg/hm2時，也存在小部分處理的土壤含水量較高，可能是較多的地膜在土壤中造成土壤的異質性，產生優勢流，使得土壤水分運動加速，減少與土壤基質反應時間，使土壤濕潤面積增大。

4 結 論

4.1 灌水定額小于800 m3/hm2時，小麥株高隨灌水定額的增加而增加，滲灌較其他灌溉方式更有利于小麥植株的生長。

4.2 提高土壤肥力可以減輕水分脅迫對小麥最終產量造成的不利影響。在灌漿期適度增加灌水次數能夠促進小麥旗葉生長，提高小麥葉片光合速率，達到增產效果。

4.3 土質為壤土、灌水700 m3/hm2，灌溉7次時土壤含水率較高，保水性好；使用膜下滴灌可以進一步保持土壤水分。當地膜殘留小于650 kg/hm2時土壤含水率能夠保持在較高水平。

4.4 使用壤土種植能夠有效的提高小麥水分利用效率與灌溉水利用效率，當灌水定額設定為500 m3/hm2，灌水次數為6次時水分利用效率最高。

4.5 當土質為粘壤土，灌溉方式為滲灌，灌水500 m3/hm2，灌溉次數為8，地膜殘留量為0時春小麥產量達到最大值71.56 g/盆。

4.6 最高耗水量和最大穗粒數，最大有效穗數，最大株高具有強相關性；最高耗水量與最低干物質重、最低SPAD值有強關聯性；最高株高與最低SPAD值呈強相關性。

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Study on physiological indexes and yield analysis of spring wheat

in pots based on apriori algorithm

YUAN Yingying1， ZHAO Jinghua1， Dilimulati Simayi2， YANG Tingrui1

（1.College of Water Conservancy and Civil Engineering， Xinjiang Agricultural University / Xinjiang Key Laboratory of Water Conservancy Engineering Safety and Water Disaster Prevention，" Urumqi 830052， China; 2. Kashgar Water Conservancy Bureau， Kashgar Xinjiang 844000， China）

Abstract：【Objective】 To provide a theoretical basis for wheat planting in northern Xinjiang.

【Methods】 Five factors （soil texture， irrigation mode， irrigation quota， irrigation frequency and soil mulch film residue） were selected， and four levels were set for each factor， and the difference of spring wheat plant height， chlorophyll value， effective ear number， ear grain number， yield， water use efficiency and soil moisture content under different experimental factors were explored. Meanwhile， the apriori algorithm was used to explore the association rules between physiological indicators.

【Results】 The change trend of wheat plant height under different treatments during the whole growth period was basically the same， and the factor that had a greater influence on wheat plant height was the irrigation system. The chlorophyll value of wheat showed a unimodal trend during the whole growth period， and appropriate improvement of soil fertility could increase yield. There was a significant correlation between soil moisture content and soil texture and irrigation volume. Moderately increasing irrigation during the filling period could increase the photosynthetic rate of wheat leaves and achieve the effect of increasing yield. The frequency of irrigation and the irrigation method had a significant impact on the yield and yield composition factors of wheat， and the yield increase effect of infiltration irrigation was outstanding. The highest water consumption， maximum number of ear grains， maximum effective ear number and maximum plant height were strongly correlated. The highest water consumption was strongly correlated with the lowest dry matter weight and the lowest SPAD value. The highest plant height was strongly correlated with the lowest SPAD value.

【Conclusion】 The soil texture is clay loam， the irrigation method is seepage irrigation with 700 kg/hm2， and the highest yield of spring wheat is achieved when the residual amount of mulch is 0， which is able to reach 71.56 g/pot. The irrigation quota of 700 kg/hm2 is strongly correlated with the highest water consumption， maximum plant height， minimum SPAD value， maximum effective panicle number， maximum ear grain number. Excessive irrigation and consumption will lead to high plant height， and low SPAD value.

Key words：spring wheat; physiological characters; yield; association rules; apriori algorithm

Fund projects：The Project of National Natural Foundation of China （52169013）; The Major Special Project of the 14th Five Year Plan of Xinjiang Uygur Autonomous Region（2020A01003-4）

Correspondence author：ZHAO Jinghua（1979-）， male， from Qitai， Xinjiang， Dr. professor， research direction：water-saving irrigation technology， （E-mail）105512275@qq.com