基于主成分分析的番茄苗期生長評價指標研究

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施番茄種植過程中環境溫度對番茄苗生長的影響，選用大果型番茄合作906為試驗材料，在人工氣候室開展苗期番茄不同晝夜溫差試驗，采集本地種植番茄的設施環境溫度進行統計分析，參照實際晝夜溫度進行試驗設計，晝均溫設置26、29、32、35 ℃，晝夜溫差設置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、光合速率、蒸騰速率、水分利用率、氣孔導度、光能利用率等9項指標的測量，并進行了相關性分析和主成分分析，得到3個主成分，其累計貢獻率為77.593%，通過3個主成分的特征值加權計算9個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。

關鍵詞：設施番茄;晝夜溫差;相關性分析;主成分分析

中圖分類號：S641.2 文獻標志碼：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

番茄是我國栽培區域最為廣泛的蔬菜之一，同時依靠農業設施實現了番茄的周年化生產[1-3]。北方地區番茄種植分為春、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，白天氣溫高，夜間保溫性好，因此設施內呈現白天氣溫高和夜間溫差小的特點[5-6]。

番茄苗對空氣溫度敏感，許多學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、營養生長、生理代謝等方面均能產生威脅[6]。趙勇竣等[7]研究表明，38 ℃高溫下，多個番茄品種幼苗葉片內抗氧化酶活性表現為先升后降，高溫處理5 d為番茄幼苗感受高溫脅迫的轉折點。袁慧敏等[8]研究表明，在27～37 ℃條件下，番茄幼苗株高和節間高于對照（15～25 ℃），莖粗顯著減小，出現徒長。不同晝夜溫差對番茄苗生長也會產生不同的影響，李莉等[9]、毛麗萍等[10]研究表明，均溫20 ℃時，6 ℃以上的晝夜溫差有利于番茄苗期干物質積累以及花芽分化。楊再強等[11]、陳艷秋等[12]的研究表明，日均溫25 ℃下，番茄的幼果坐果率、果實橫徑、果實縱徑、單果質量和單株產量以6 ℃晝夜溫差處理最高。

基于多數學者在試驗溫度設置時沒有依據具體種植茬口的實際溫度，研究成果與生產實踐有著一定的差距，因此筆者將基于本地設施秋茬番茄定植至現蕾前的實際環境溫度，開展不同日均溫及晝夜溫差下的番茄生長研究，以期指導本地設施農業生產。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗品種選擇大果型番茄合作906（撫順市北方農業科學研究所育成），取生長狀態較為一致、株高10～12 cm的番茄苗進行試驗。

試驗選用寧波東南儀器有限公司RXZ-600B人工氣候室。生理數據采集設備為北京益康農有限公司ECA-PB0402光合測定儀。

1.2 方法

1.2.1 溫度設置 試驗溫度設置依據為石家莊市農林科學研究院趙縣農業科技園區番茄種植大棚，溫度采集時間為2018年、2019年秋冬茬番茄定植后的21 d，采集設備選用國家農業信息化工程技術研究中心研制的溫室微型氣象站。溫度采集目標溫室建筑結構一致，建筑面積667 m2，種植面積489 m2，棚膜上下風口可開合進行通風換氣、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進行1次空氣溫度采集，全天可獲得48條溫度數據，根據日出、日落時間，將當日6：00—19：30的溫度取平均數，得到晝均溫，將20：00至次日凌晨5：30溫度取平均數，得到夜均溫。具體設施環境溫度統計情況見表1。

對目標設施空氣溫度進行描述性統計（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 ℃。據此將晝均溫和晝夜溫差作為兩因素，晝均溫設置26、29、32、35 ℃，晝夜溫差設置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 試驗于2020年6—9月在石家莊市農林科學研究院農業信息研究中心試驗室進行。試驗土壤按V蚯蚓土∶V基質土=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3次重復。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 項目測定及方法

1.3.1 生長指標測定 株高測量方法為利用精度0.02 mm的游標卡尺測量植株莖基部子葉著生處到莖頂生長點之間的距離，測量3次，取平均值為當日株高數值。株高測量時間為試驗的0（處理當天）、3、6、9 d。株高相對生長速率的計算公式：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，測量時間為試驗0（處理當天）、3、6、9 d。莖粗的相對生長速率的計算公式：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次測量莖粗的時間[13]。

干質量測量方法為在試驗9 d時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天平分別稱其干質量，計算其根冠比、壯苗指數。根冠比=根部干質量/地上部分干質量，壯苗指數=（莖粗/株高+根部干質量/地上部分干質量）×總干質量[14]，其中莖粗/株高為干質量測量前的比值。

1.3.2 生理指標測定 生理指標采集時間為試驗3、6、9 d，每個處理的日間時段運行至7 h進行測量。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）、葉片氣孔導度（mmol·m-2·s-1）、水分利用率（%）。

1.4 數據分析

試驗數據利用SPSS 23.0進行分析，其中顯著性水平設置為0.05。

2 結果與分析

2.1 番茄苗生長、生理指標統計及相關性分析

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、光合速率、蒸騰速率、水分利用率、氣孔導度、光能利用率這9項指標分別以X1～X9表示，對不同處理的生長、生理指標數據進行方差分析得到各處理基本表現。

為消除變量之間的量綱關系，將數據進行標準化，得到ZX1～ZX9，將標準化之后的數據進行Pearson相關性分析，由表5可見，莖粗生長速率和壯苗指數之間呈極顯著正相關;光合速率與水分利用率呈極顯著正相關;蒸騰速率與壯苗指數呈顯著正相關;光能利用率與根冠比之間呈極顯著正相關，與光合速率、蒸騰速率呈顯著正相關。由于試驗指標較多且關系復雜，僅通過生長或生理某一類指標很難全面衡量番茄幼苗生長的優劣，因此需進一步進行因子分析，通過提取主成分，對番茄苗的生長狀況進行綜合評價。

2.2 主成分分析

由表6總方差解釋表可知，前3項主成分特征根均大于1，前3個主成分的特征根分別是3.561、1.928、1.495，方差貢獻率分別為39.564%、21.417%、16.612%，累計貢獻率為77.593%，可以反映出9項指標的大部分信息，因此選取3個主成分作為主成分因子。將初始因子載荷矩陣中的數據命名為變量V1、V2、V3，根據F1=V1/[3.561]，F2=V2/[1.928]，F3=V3/[1.495]計算得到系數矩陣，并將得到的系數與標準化后的數據相乘，得到3個主成分的函數數式：

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個主成分的特征值加權計算9個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指標計算公式：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Agrawal等[15]、Bunce [16]的研究，晝夜溫差大小與光合作用關鍵酶——Rubisco的活性或者數量高度相關。本試驗的結果也應證了在較高的白天溫度下隨著夜溫的降低，葉肉細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，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 ℃時表現最差。這可能是由于番茄的適宜生長溫度為17～30 ℃，夜間溫度過低會影響植物細胞的結構和功能，誘導類囊體膜上LHCH構成的變化，造成活性氧積累，影響光能的吸收和利用，從而引發代謝失調[17-19]，表現為生長受阻。

溫度是影響農業生產的重要因素之一，荷蘭、日本等國的設施農業已實現周年適溫管控，而我國的農業設施以保溫為主要功能訴求[20-21]。設施環境多因素精準調控必然是現代農業發展的重要途徑，因此，今后應繼續探索外部環境、建筑結構、控溫設備與設施內各項環境條件的耦合關系，開展設施環境綜合模型研究，通過物聯網技術進一步構建實時可測、分段可控的智能化設施番茄管控技術[22-23]。

本研究利用主成分分析，通過對番茄苗生長、生理指標進行降維化簡，基于特征向量進行多元分析，綜合和客觀地對各晝夜溫度組合的番茄苗進行評價，得到29 ℃/23 ℃為河北石家莊地區秋茬番茄苗期最優晝夜溫度，為當地設施番茄管理提供了依據。

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