西瓜幼苗壯苗指數的構建

王雨露 宮彬彬 蒿文宇 張雨 賈瓊 高洪波

摘 ? ?要：為構建科學評價西瓜幼苗質量的壯苗指數，本試驗以4葉1心西瓜穴盤苗為研究對象，通過加權模糊綜合評判法構建出西瓜幼苗的綜合評價指數;通過主成分分析法將14項指標進行成分歸類以及指標組合;最后利用西瓜幼苗綜合評價指數與壯苗指數的相關性分析篩選出最適宜的壯苗指數，并對其進行驗證。結果表明，660株幼苗的綜合評價指數范圍為0.15～0.70;主成分分析結果將14項指標劃分為4個主成分，通過相關性分析，得到2個相關性最大的壯苗指數：“總干質量×根干質量×總葉綠素×莖粗”和“地上干質量×根干質量×總葉綠素含量×莖粗”，相關系數分別為0.706、0.713，與京欣2號的相關系數分別為0.784、0.784，與早佳的相關系數分別為0.852、0.839。綜上所述，“總干質量×根干質量×總葉綠素含量×莖粗” “地上干質量×根干質量×總葉綠素含量×莖粗”均可作為綜合評判西瓜幼苗質量的壯苗指數。

關鍵詞：西瓜;壯苗指數;模糊綜合評判;相關性分析;主成分分析

中圖分類號：S651 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2022）02-095-06

Construction of seedling index of watermelon seedlings

WANG Yulu， GONG Binbin， HAO Wenyu， ZHANG Yu， JIA Qiong， GAO Hongbo

（College of Horticulture， Hebei Agricultural University， Baoding 071001， Hebei， China）

Abstract： In order to construct a robust seedling index that can be used to scientifically evaluate the quality of watermelon seedlings， this study took watermelon seedlings with four leaves and one heart as the research object， and constructed a comprehensive evaluation index of watermelon seedlings through weighted fuzzy comprehensive evaluation method. The 14 indexes were classified and combined by principal component analysis. Finally， the correlation analysis between the watermelon seedling comprehensive evaluation index and the seedling index was used to select the most appropriate seedling index and verify it. The results showed that the comprehensive evaluation index range of 660 seedlings was 0.15-0.70. The results of principal component analysis divided 14 indexes into four principal components. Through correlation analysis， two seedling indexes with the greatest correlation were obtained： “total dry weight × root dry weight × total chlorophyll × stem diameter” and “ground dry weight × root dry weight × total chlorophyll × stem diameter”， with correlation coefficients of 0.706 and 0.713 respectively. The correlation with Jingxin 2 is 0.784 and 0.784， and that with Zaojia is 0.852 and 0.839， respectively. Therefore， both “total dry weight × total root dry weight × total chlorophyll × stem diameter” and “ground dry weight × total root dry weight × total chlorophyll × stem diameter” could be used as the seedling index for comprehensive evaluation of watermelon seedling quality.

Key words： Watermelon; Comprehensive index of strong seedling; Fuzzy comprehensive evaluation; Correlation analysis; Principal component analysis

我國是世界上最大的西瓜生產國，從2000—2017年，西瓜生產規模持續波動增長，2000年種植面積163.46萬hm2，占世界西瓜總種植面積的52.25%，產量5 182.12萬t，占世界總產量的67.7%;2017年種植面積達到188.15萬hm2，占世界西瓜總種植面積的53.65%，產量7 904.31萬t，占世界總產量的67.55%，年均增長率分別為0.95%和2.72%[1]。大規模、大面積的種植促使西瓜育苗集約化的產生。在生產中，西瓜的后期生長與品質很大程度上取決于幼苗的壯碩程度，健壯的種苗不僅移栽成活率高，而且移栽后能迅速恢復生長，產品的產量和質量明顯提高[2]。目前，工廠化育苗中缺乏較為科學的蔬菜幼苗的質量評判方法，通常是采用單一指標來進行評判，由于幼苗的生長不僅受到環境因子的影響，還受栽培基質的成分與比例[3]、水肥供應量[4]、根際環境[5]等其他影響，單一指標存在較大的片面性。因此，在評判西瓜幼苗的健壯程度時需要綜合考慮影響幼苗生長的關鍵性指標，否則會導致幼苗質量評價參差不齊。

壯苗指數是衡量幼苗壯碩程度的綜合性指標，可以較為全面地評判秧苗質量[6]，但是由于不同種類的蔬菜幼苗指標特性不一樣，無法用統一的壯苗指數來衡量。近幾年對各類植物的壯苗指數開展了較多的研究：（莖粗/根粗+根干質量/地上部干質量）×全株干質量應用于丹參[7];（莖粗/莖高）×全株干質量應用于番茄[8];（莖粗/株高+根干質量/地上部干質量）×全株干質量應用于甜椒[9];地莖/（株高×全株干質量）應用于三色堇[10];莖粗/莖高×全株干質量應用于辣椒[11];（根/冠+莖粗/株高）×總質量應用于甜椒[12]等，但對于西瓜幼苗評價體系研究較少。目前，仍有很多研究通過較少指標甚至單一指標評價幼苗質量，吳學宏等[13]在評價西瓜幼苗質量上，僅通過主根長、須根數、百株鮮質量、子葉長、子葉寬和株高來評判，不能全面地代表幼苗質量;高鳳菊等[14]在評價西瓜幼苗質量中直接將番茄的壯苗指數套用在西瓜上，不能準確地代表西瓜幼苗質量。王廣印等[15]、李保會等[16]在衡量西瓜幼苗質量上，并沒有測定葉片葉綠素含量，而葉綠素含量體現了幼苗光合作用能力，在缺乏葉綠素含量等生理指標下，評價結果也會有所偏差。

筆者在測定西瓜幼苗株高、莖粗、根系長度、根系體積以及葉片總葉綠素、葉綠素a、葉綠素b含量等14項主要指標的基礎上，構建出各指標適宜的隸屬函數，通過加權模糊綜合評判法[17]構建出較為科學的西瓜幼苗質量評價體系，利用主成分分析的方法，篩選出可以全面代表幼苗質量差異的關鍵指標，通過相關分析將關鍵指標的組合與構建出的西瓜幼苗質量評價體系進行比對分析，最終篩選出相關性高且品種間較為穩定的壯苗指數。為工廠化西瓜育苗的質量評判提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 材料來源

試驗于2019年9—11月在河北農業大學試驗基地進行。育苗采用50孔穴盤，基質按照V草炭∶V蛭石∶V珍珠巖=3∶1∶1混合配制而成。其中，用于壯苗指數構建的西農8號（西北農林科技大學）共計播種16盤;用于穩定性驗證的京欣2號（北京市農林科學院蔬菜研究中心）和早佳8424（長春世嘉農業科技有限公司）分別播種3盤。待西瓜幼苗生長至4葉1心時進行各項指標測定。

1.2 測定指標與方法

隨機選取660株西農8號4葉1心西瓜幼苗，洗凈并用濾紙擦干，用直尺測量株高;用游標卡尺（日本三豐/IP67）測量莖粗;用剪刀將幼苗地上部與地下部分開，采用萬分之一天平（奧豪斯/CP114）分別稱量地上部、地下部鮮質量和全株鮮質量，并計算根冠比，根冠比=地下鮮質量/地上鮮質量;用根系掃描儀（GXY-A）掃描地下部并測量根系長度與體積;采用乙醇丙酮浸提法[18]測定葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量;測定完成后將幼苗地上部與地下部分別裝入信封袋內置于鼓風干燥箱80 ℃下烘干至恒質量，并稱量地上部、地下部和全株干質量。

1.3 西瓜壯苗綜合評價指數的建立

1.3.1? ? 單項指標隸屬函數的確定? ? 依據西瓜幼苗生長特性及現有的成苗指標，將14項指標分為3種類型。其中，株高過高或者過低幼苗品質均較差，隸屬函數類型為拋物線型（式1）、幼苗莖粗指標達到一定程度時認為是優質苗，隸屬函數為戒上型（式2），根系體積、根系長度、葉片總葉綠素含量、葉綠素a含量、葉綠素b含量、根冠比（鮮樣）、總干質量、地下部干質量、地上部干質量、總鮮質量、地下部鮮質量、地上部鮮質量等12項指標在許多研究中認為越大越好，沒有明顯的上限。因此，本試驗中定義為直線型（式3）。

[μ1x=x-x1x2-x1? ? ? ? ? ? ? x1

[μ2x=x-x1x2-x1? ? ?x1

[μ3x=x-x1x4-x1。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）]

式中：μ1（x）為株高函數值，μ2（x）為莖粗函數值，μ3（x）為干鮮質量指標、色素指標和根系指標函數值，x1表示指標數值下限，x2表示指標最優數值下限，x3表示指標最優數值上限，x4表示指標數值上限。

1.3.2? ? 綜合評價指數的確定? ? 采用多元線性回歸法，通過指標的復相關系數確定各項指標權重。再依據加權綜合評價指數的方法構建綜合評價矩陣B=A×R（公式4，公式5），利用各單項指標權重系數與隸屬函數之積求和，可得到各單株西瓜幼苗的綜合評價指數。

其中，A為m行n列矩陣，其中m為樣本數，n為指標數。R為指標的權重矩陣。

1.4 綜合壯苗指標的篩選

將西瓜幼苗14項單項指標采用SPSS 19.0對數據進行歸一化處理，對標準化后的指標進行主成分分析，分析篩選對各主成分相關性較大的關鍵性指標。將貢獻率較大的關鍵性指標進行完全隨機組合，初步建立綜合壯苗指標。將初步得到的綜合壯苗指標與幼苗綜合評價指數做相關性分析，再以傳統壯苗指數作對照，篩選出相關性較高并優于傳統壯苗指數的綜合壯苗指標。

1.5 綜合壯苗指標穩定性驗證

選取京欣2號、早佳各60株4葉1心的幼苗，依次按照權重系數的確定、隸屬函數的確定，得出每個品種的綜合評價指數。將篩選出的綜合壯苗指標與每個品種的綜合評價指數作相關性分析，從而驗證綜合壯苗指標的穩定性。

2 結果與分析

2.1 單項指標權重系數

利用多元相關分析法計算決定系數并得到14項西瓜指標的權重系數。由表1可以看出，西瓜幼苗各指標權重系數整體較低，表明各指標之間聯系緊密，相關性較大。其中，莖粗的權重系數最大，達到了0.103，其次為株高的權重系數，為0.096。表明這2個指標較為獨立，與其他指標相關性較小。

2.2 單項指標隸屬函數

西瓜幼苗單項指標隸屬函數按照隸屬函數的類型將各指標具體分類，西瓜幼苗株高在13.00～15.00 cm范圍內達到最佳，隸屬度為1，低于或高于這個范圍隸屬度降低;西瓜幼苗莖粗達到4.00 mm以上隸屬度為1，其余指標均為單向指標，最大值隸屬度為1。西瓜幼苗各項指標隸屬函數類型和臨界值如表2示。

2.3 綜合評價指數

利用各項指標權重系數與對應的隸屬函數之積求和可得到單株幼苗綜合評價指數。將本研究的660株樣本綜合評價指數匯總，如圖1所示。從圖中可以看出，綜合評價指數在0.15～0.70范圍內波動，表明本次試驗測試范圍較廣，樣品數量較大，能夠較為全面地評價西瓜幼苗質量，測試結果具有一定科學性與可靠性。

2.4 主成分分析

根據14項西瓜幼苗測量指標主成分分析結果（表3），特征值大于1的成分為4個，累計貢獻率大于85%。其中，主成分一的貢獻率為37.36%，主成分二的貢獻率為24.14%，主成分三的貢獻率為16.31%，主成分四的貢獻率為7.26%，表明幼苗的差異主要體現在這4個方面。因此，作為評價幼苗質量的鑒別指標也需要包括這4個方面。根據西瓜幼苗主成分主要指標分析結果（表4），主成分一為地上生物量指標，由總干質量、地上部干質量、總鮮質量、地上部鮮質量構成;主成分二為地下生物量指標，由根系體積、根系長度、地下部干質量、地下部鮮質量、根冠比（鮮樣）構成;主成分三為色素指標，由總葉綠素、葉綠素a、葉綠素b含量構成;主成分四為形態指標，由莖粗與株高構成。

2.5 綜合壯苗指標的初步建立

選取每一類成分中的一項指標作為乘積因子與其他3項指標之積構成綜合壯苗指標。通過每一類指標的兩項關鍵指標與其他指標隨機排列組合，本研究篩選出16個綜合壯苗指標組合形式（表5）。并將3個傳統壯苗指數：“（莖粗/株高+根干質量/地上部干質量）×全株干質量” “（根干質量/地上部干質量）×全株干質量” “（莖粗/莖高）×苗干質量”作為對照CK1、CK2和CK3。

2.6 綜合壯苗指標與綜合評價指數相關性分析

將16個綜合壯苗指標組合與3個對照組分別與西瓜幼苗綜合評價指數作相關性分析，結果如表6所示。其中，CK1的相關系數為0.530;CK2的相關系數為0.301;CK3的相關系數為0.474，X4的相關系數為0.713，是所測綜合壯苗指標相關性最大的一項。篩選得到的4個最高的綜合壯苗指標分別是X4、X14、X3、X13，用于后續穩定性驗證。

2.7 綜合壯苗指標穩定性驗證

由表7可以看出，CK1，CK2，CK3在京欣2號和早佳應用中相比X3、X4、X13、X14均具有較低的相關性，且在品種間差異加大，3個對照的差異分別達到0.082，0.204和0.238。在X3、X4、X13、X14中，X3（與京欣2號的相關系數為0.784，與早佳的相關系數為0.852），X4（與京欣2號的相關系數為0.784，與早佳的相關系數為0.839）均表現出較高的相關性與穩定性，表明這2個綜合壯苗指標在不同品種西瓜幼苗質量評價上具有比傳統壯苗指數更為可靠的準確性，可作為西瓜幼苗健壯程度評判依據。

3 討論與結論

前人在對不同蔬菜壯苗指數研究主要還是集中在傳統育苗壯苗指數與指標之間相關性分析方面。張世祥等[19]通過對番茄苗各指標進行相關分析和壯苗指數影響因素的通徑分析，確定番茄苗壯苗指數的關鍵指標：全株干質量、莖粗及根數。韓素芹等[9]同時用通徑和灰色關聯度2種分析方法對甜椒壯苗指數和苗期相關性狀進行研究，確定適合甜椒穴盤苗的壯苗指數為：（莖粗/株高+根干質量/地上部干質量）×全株干質量。李建明等[20]通過回歸分析，建立甜瓜壯苗指數受有效積溫、日溫差積累及光輻射積累驅動的Johnso-Schumacher數學回歸動態模型。黃淑華等[7]通過關聯度分析確定適合丹參幼苗的壯苗指數，在此基礎上，依據丹參苗與環境因子氣溫、光輻射和空氣濕度的關系，采用Johnso-Schumacher模型確定壯苗指數的主要影響參數。這些研究的方法是通過傳統指標進行的，缺少對指標全面性的分析。本試驗在主成分分析的基礎上，將西瓜幼苗14項指標劃分為地上指標、地下指標、色素指標和形態指標4類主成分，并將這4個主成分的主要指標全部納入到綜合壯苗指標中，可以保障指標的全面性。本研究將色素指標列入到壯苗指數中，這與張蘇[21]認為葉綠素含量能夠代表作物長勢的觀點是一致的。

本試驗在全面測定西瓜幼苗的各項形態指標與生理指標的基礎上，通過模糊綜合評判法，建立符合西瓜幼苗實際的綜合評價指數矩陣，再利用主成分分析法篩選出西瓜幼苗的關鍵指標并組合為16個綜合壯苗指標，根據綜合評價指數與綜合壯苗指標的相關性，篩選出4個相關性最大的壯苗指數：總干質量×根干質量×總葉綠素含量×莖粗，相關系數為0.706;地上干質量×根干質量×總葉綠素含量×莖粗，相關系數為0.713;總干質量×根干質量×葉綠素a含量×莖粗，相關系數為0.699;地上干質量×根干質量×葉綠素a含量×莖粗，相關系數為0.706。通過品種間的穩定性驗證最終篩選出2個穩定性好的壯苗指數“總干質量×根干質量×總葉綠素含量×莖粗”“地上干質量×根干質量×總葉綠素含量×莖粗”，2個壯苗指數可為西瓜幼苗的質量評判提供理論依據。

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