翟亞明， 魏麗萍， 楊 倩

(1.河海大學南方地區(qū)高效灌排與農業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京210098; 2.河海大學水利水電學院，江蘇 南京210098; 3.紹興市水利局，浙江 紹興312000; 4.河南農業(yè)職業(yè)學院園藝園林系，河南 鄭州451450)

中國的設施栽培技術發(fā)展迅速，栽培面積已占據總農業(yè)生產面積的11.6%［3］，且近年來，溫室番茄由于其高回報和高效益，已成為設施蔬菜生產中重要的作物［4］。然而，設施栽培過程中施肥過量、施肥不均衡、灌溉不合理及缺乏淋洗等原因，導致了設施土壤的鹽漬化。土壤鹽漬化嚴重限制了番茄植株的生長發(fā)育，影響了番茄的產量，并引發(fā)臍腐病( Blossom-end rot) 等生理病害［5-6］。針對設施土壤的鹽漬化問題，國內外學者做了很多工作，包括膜下滴灌［7］、暗管排水［8-9］、秸稈覆蓋［10］、施用土壤改良劑［11-12］等，這些技術對改良設施鹽漬化土壤理化特性、提高作物產量和改善作物品質有十分積極的作用。

投影尋蹤分類模型是一種可用于高維數據分析，既可以用作探索性分析又可以用作確定性分析的方法。投影尋蹤分類模型能成功克服“維數禍根”帶來的嚴重困難，排除與數據結構和特征無關的或干擾很小的變量，為使用一維統(tǒng)計方法解決高維問題開辟了途徑。目前，投影尋蹤分類模型已在“多目標、多指標”方案的優(yōu)選與評價中得到廣泛應用［13-14］。

盡管已有不少研究集中在外源添加物調控對設施鹽漬化土壤理化特性和作物產量及品質的影響，但不同外源添加物綜合效益的評價和比較工作仍不多見，關于不同調控方式對“設施鹽漬化土壤-作物”系統(tǒng)影響的長期定位研究則更為匱乏。本研究開展了為期3 年的定位觀測試驗，探索不同調控方式對設施鹽漬化土壤的鹽分、有機質、速效養(yǎng)分含量和番茄產量及品質的影響機制，旨在為設施鹽漬化土壤生態(tài)系統(tǒng)的改良提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于南京市江寧區(qū)橫溪蔬菜花卉研究所( 緯度31°43'N，經度118°46'E) 的設施大棚中進行。試驗地年平均降雨量約為1 106.5 mm，主要降雨時間為6 月末至7 月中旬。年平均溫度為15.7 ℃，年平均濕度約為81%。試驗大棚位于橫溪蔬菜花卉研究所東片試驗區(qū)，主作番茄，土壤由于連作已發(fā)生嚴重的次生鹽漬化。試驗從2010 年5 月10 日開始，至2013 年9 月25 日結束，持續(xù)時間共約3 年。試驗前土壤基本理化性質如下: pH 7.91，有機質含量8.92 g/kg，總氮含量0.85 g/kg，速效磷含量13.13 mg/kg，速效鉀含量78.42 mg/kg，耕層土壤鹽分含量3.32 g/kg。

1.2 試驗設計

共設計3 種外源添加物調控方案修復鹽漬化土壤，包括秸稈覆蓋、土壤結構調理劑和土壤保水劑處理，并設無添加物處理為對照。秸稈覆蓋處理選用4 ～8 cm 的水稻秸稈段，覆蓋量為6 000 kg/hm2，于番茄幼苗移栽后20 d 進行覆蓋;土壤結構調理劑選用“康地寶”( 中國農業(yè)大學研發(fā)，其大分子可與土壤中的鹽離子迅速結合，改善土壤團粒結構) ，施用量為22.5 kg/hm2，在番茄幼苗移栽前按照1/1 500稀釋比例均勻噴灑于土壤表面，隨灌溉次數的增多土壤結構調理劑能均勻地分布在耕層土壤中; 土壤保水劑采用法國進口MP3005KM 牌土壤保水劑( 聚丙烯酸材料，白色晶體，無色無毒) ，用量為30 kg/hm2，番茄幼苗移栽前，將保水劑進行充分吸水處理并施用于耕層土壤。

試驗過程中，一年僅種植一季番茄。每年的6 月中旬左右，當其他試驗條件全部落實后，將番茄幼苗( 品種大紅寶) 移植于試驗區(qū)，緩苗期間，各處理采用相同的田間管理方法。為創(chuàng)造適宜的生長環(huán)境，試驗區(qū)進行翻土起壟，壟寬60 cm，每2 個壟之間的間距為100 cm，壟高約6 cm。每條壟種植2 行番茄，行距約40 cm。將每12 株番茄劃分為1 個220 cm×60 cm的微區(qū)，10 個微區(qū)設定為1 個處理，相同處理的調控方式相同。為提供番茄生長發(fā)育所需養(yǎng)分，田間施用700 kg/hm2的復合肥( N∶ P2O5∶ K2O= 1∶ 2∶ 2) ，灌溉及其他田間管理方式按常規(guī)方法進行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 耕層土壤鹽分、有機質、速效養(yǎng)分含量 土壤樣品經自然風干后磨碎，過2 mm 篩，進行相關指標的測定。土壤鹽分、有機質和速效氮磷鉀含量的測定參照文獻［15］。

1.3.2 番茄產量 每個處理隨機取30 個番茄，分別測定番茄單果質量和體積( 采用排水法) 。番茄產量依據平均單果質量與果數計算。

1.3.3 番茄品質 番茄成熟后，每株隨機選擇2 個番茄，沿縱軸方向取10 g 果肉并混合均勻( 每個處理取20 個番茄) 。可溶性固形物采用日本ATAGO公司生產的數字折射儀ACT-1E 測定，總糖采用斐林滴定法測定，總酸采用NaOH 滴定法測定，維生素C 采用2，6-二氯靛酚滴定法測定［16-17］。

在番茄初花期，將熊峰授粉群放入棚室內，進行熊峰授粉。針對設施番茄選擇熊蜂授粉，每棚（1.5-3.0畝）一箱。在番茄初花期開始釋放授粉熊蜂，蜂箱放置地點必須通風、防曬，蜂箱放置高度為距離地面10-20 cm。在棚室內的作物較矮不能為蜂箱遮陰時，可選用木板、泡沫板、遮陽網、硬紙板等材料人工為其遮陰，遮陰材料與蜂箱的距離必須在50 cm以上，重點保證蜂箱南側和西側的遮陰效果。放置時間最好于傍晚放入，靜置1-2 h后再打開蜂門，以避免工蜂撞擊棚膜，造成不必要的傷亡。1-2天后熊蜂可適應環(huán)境，開始訪花。

1.4 數據處理

顯著性分析與番茄品質的主成分分析計算采用SPSS17.0 軟件。

2 結果

2.1 不同調控方式對耕層土壤鹽分的影響

圖1 所示為不同調控方式對耕層土壤鹽分的影響。耕層土壤鹽分整體上波動性下降，每年6-9 月為番茄生育期，鹽分含量由于灌溉作用下降顯著;而6 月之前鹽分整體呈上升趨勢，這可能由于該段時期土壤沒有經過灌溉淋洗，加上蒸發(fā)強烈，出現返鹽現象?？傮w而言，秸稈覆蓋和土壤結構調理劑的去鹽效果要優(yōu)于對照和土壤保水劑，至2013 年9 月，秸稈覆蓋和土壤結構調理劑處理的耕層土壤鹽分分別比對照低49.48%和43.91%。其中秸稈覆蓋處理去鹽效率最高，3 年耕層土壤脫鹽率高達80.72%。

圖1 不同調控方式下耕層土壤鹽分含量的變化Fig.1 Dynamics of soil salinity in topsoil with regulatory methods

2.2 不同調控方式對耕層土壤有機質含量的影響

土壤有機質含量是評價土壤改良效果的重要指標之一。表1 所示為不同調控方式對耕層土壤有機質含量的影響。從表1 中可以看出，不同調控方式對耕層土壤有機質含量的增加有明顯的促進作用，其中秸稈覆蓋處理各時期耕層土壤有機質含量均顯著高于其他處理( P ＜0.05) 。土壤結構調理劑和保水劑對耕層土壤有機質含量的影響不如秸稈覆蓋明顯。對照土壤有機質含量也有一定上升，這可能是番茄栽培時施肥的結果。

2.3 不同調控方式對耕層土壤速效養(yǎng)分含量的影響

圖2 所示為不同調控方式下耕層土壤速效養(yǎng)分的變化。速效氮含量隨試驗期的推進有所升高，秸稈覆蓋處理增幅最為明顯，2013 年9 月達到峰值(90.29 mg/kg) ，土壤結構調理劑處理次之，土壤保水劑處理增幅相對較小。與速效氮含量變化規(guī)律不同，速效磷含量隨時間呈下降趨勢，3 種調控方式中，土壤結構調理劑處理耕層土壤速效磷含量下降最為明顯，相比而言，秸稈覆蓋處理保留了更多速效磷，3 年 中 分 別 比 對 照 高27.32%、20.63% 和8.48%;而土壤保水劑處理各時期速效磷含量與對照差異不明顯。秸稈覆蓋處理耕層土壤速效鉀含量上升十分明顯，2013 年9 月達到107.90 mg/kg; 相反，土壤結構調理劑處理耕層土壤速效鉀含量較試驗前下降了21.44%，其中2012 -2013 下降尤為明顯。

表1 不同調控方式下耕層土壤有機質含量的變化Table 1 Changes of organic matter content in topsoil with different regulatory methods

圖2 不同調控方式下耕層土壤速效養(yǎng)分含量的變化Fig.2 Changes of soil nutrient in topsoil with different regulatory methods

2.4 不同調控方式對番茄產量的影響

從圖3 中可看出，各時期3 種調控方式番茄產量均顯著高于對照( P ＜0.05) ，這可能是外源添加物的施用有效降低了耕層土壤鹽分，為番茄的生長發(fā)育營造了良好的環(huán)境。3 種調控方式中，秸稈覆蓋處理各時期番茄產量均明顯高于土壤結構調理劑和保水劑處理。

2.5 不同調控方式下番茄品質的主成分分析

番茄品質是一個綜合的概念，涉及指標眾多，評價難度較大［16］。為了明確不同調控方式對番茄品質的影響，本研究采用主成分分析法對番茄的品質指標進行主成分提取。

以2011 年觀測結果( 表2) 為例，番茄密度和單果體積均以秸稈覆蓋處理最高;可溶性固形物含量、Vc 含量和糖酸比均以對照最高;總酸含量以秸稈覆蓋處理最低。對表2 中的指標進行主成分提取，提取原則為特征值＞1、累積貢獻率＞80%［18］。提取所得特征值為5.152，累積貢獻率為85.862%，說明提取結果保留了較多的原始信息。計算番茄綜合品質得分。從計算結果( 圖4) 中可看出，2011 年番茄的綜合品質以對照最優(yōu)，土壤保水劑處理次之，秸稈覆蓋處理最差。

圖3 不同調控方式對番茄產量的影響Fig.3 Effect of different regulatory methods on tomato yield

采用同樣的方法計算2012 與2013 年番茄品質綜合主成分，發(fā)現對照番茄品質均處于較優(yōu)水平;秸稈覆蓋處理2011 年和2012 年番茄綜合品質較差，2013 年有較大改善;土壤結構調理劑處理番茄品質呈下降趨勢; 而土壤保水劑處理番茄品質的變化規(guī)律不明顯。

表2 2011 年番茄主要品質指標Table 2 Major quality indexes of tomato in 2011

圖4 不同調控方式下番茄品質的綜合主成分Fig.4 Comprehensive principal component of tomato quality with different regulatory methods

2.6 調控方式的優(yōu)選

調控方案的優(yōu)選與評價問題是多目標多指標的決策問題。以3 季番茄的品質、產量和每年9 月所測耕層土壤鹽分為主要評價指標，建立投影尋蹤分類模型，對不同調控方案的綜合效益進行評價。投影尋蹤分類模型的實質是采用計算機技術，通過把高維數據投影至低維子空間，尋找可以反映原高維數據結構或者特征的投影，在低維空間研究數據的結構，從而達到分析和處理高維數據的目的［19］。投影尋蹤分類模型的建立步驟參照文獻［19］、［20］。

本研究共有4 個評價目標，9 個評價指標，其中土壤鹽分為“越低越優(yōu)”指標，番茄產量和品質綜合主成分為“越大越優(yōu)”指標。利用Matlab7.1 建立投影尋蹤分類模型。在遺傳算法優(yōu)化過程中選定父代初始種群規(guī)模為n=400，交叉概率Pc=0.8，變異概率Pm=0.8，優(yōu)秀個體數目選定為20 個，α =0.05，加速20 次。得到最大投影指標值為0.390 8，最佳投 影 方 向，0.342 8，0.516 2，0.436 6，0.349 8，0.408 4，0.346 4) ，4 個處理的投影值( zi*) 依次為0.248 7、2.450 6、1.767 7、1.086 4。依據投影值越大綜合效益越優(yōu)的準則，秸稈覆蓋為綜合效益最佳的處理，土壤結構調理劑處理次之，土壤保水劑處理較差。

3 討論

秸稈覆蓋、土壤結構調理劑處理和保水劑處理3 種調控方式均有效降低了耕層土壤鹽分含量，脫鹽效果的優(yōu)劣次序為秸稈覆蓋＞土壤結構調理劑＞保水劑。這可能由于秸稈覆蓋有效抑制了土壤水分蒸發(fā)，鹽分從較深層次土壤返至耕層土壤較為困難，而不斷的灌溉淋洗加速了耕層土壤鹽分向深層次土壤遷移，這與劉廣明等［15］的研究結果一致。3 種調控方式均能提高土壤有機質含量，其中秸稈覆蓋處理各時期土壤有機質含量均明顯高于其他調控方式。這可能由于秸稈本身有機質含量較高，也可能由于秸稈覆蓋降低了養(yǎng)分的流失［21］。而對照土壤有機質含量略有上升，可能更多源自番茄栽培時施肥的結果。3 種調控方式下土壤速效氮含量均呈上升趨勢，而土壤結構調理劑不利于保留土壤中的速效磷和速效鉀，這也提示在施用土壤結構調理劑時應適當增加磷肥及鉀肥的施用量。

從番茄產量來看，3 種調控方式具備不同程度的增產效益，其中以秸稈覆蓋處理番茄產量最高，這一結果充分印證并補充了王學征［22］和Qin 等［23］的研究成果。然而，各年份番茄品質均以對照最佳，土壤保水劑處理次之; 秸稈覆蓋處理2011 和2012 年番茄品質較差，2013 年有較大改善。本研究還發(fā)現，較高土壤鹽分有利于番茄品質的形成，這與魯少尉等［24］的研究結果相似，魯少尉等研究發(fā)現，土壤適度鹽脅迫可增強蔗糖轉化酶活性，提高果實中可溶性固形物含量、可溶性糖含量和糖酸比。

投影尋蹤分類模型在多目標多指標的方案優(yōu)選中的應用已相對成熟，然而，單項指標包含的子項數目過多常常使優(yōu)選結果受該項指標的影響過大，從而降低了結果的可靠性。本試驗中，品質指標包含因素眾多，而將其用主成分分析法“化零為整”再用投影尋蹤分類模型進行計算后，各指標權重分配合理，獲得的結果更為客觀、科學，這也為統(tǒng)計學模型在農業(yè)科研中的應用提供了新的思路。

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