劉新華

(新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇 843000)

基于因子分析的土壤水分下限對滴灌作物產量和品質影響評價

劉新華

(新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇 843000)

本文采用因子分析法,從作物生長性狀、果實外觀品質、果實營養(yǎng)品質與產量及水分利用4個方面研究了滴灌方式下不同灌水下限對溫室甜瓜的綜合影響。結果表明:株高、莖粗、地上部干重、果實縱徑、果形指數、游離氨基酸總量與果實數這7項指標是影響灌水下限綜合評價的主要因素;165為溫室滴灌方式下甜瓜最優(yōu)灌水下限,即伸蔓期、開花期和結果期,灌水下限均為土壤田間持水量的65%。研究結果為溫室甜瓜栽培中的合理灌溉提供了理論參考。

滴灌;灌水下限;因子分析;溫室甜瓜

甜瓜為一年生蔓性草本植物，是世界各國普遍栽培的瓜類作物，目前在我國已成為發(fā)展高效、精品農業(yè)的首選作物品種。其生長對水分較為敏感，水分過低容易造成減產，過高則易導致果實品質下降。此外，對于同一種作物來說，在不同生育階段作物生長對水分虧缺的敏感性也各不相同［1］。土壤水分是甜瓜生長發(fā)育過程中的重要影響因子之一，植株在生長過程中通過形態(tài)發(fā)育和一些生理反應變化來調整自身的生長發(fā)育狀態(tài)以適應土壤水分的動態(tài)變化。

土壤水分適宜下限指標是指適宜于作物生長的最低土壤水分含量，該土壤水分適宜下限因土壤類型、作物和作物生育時期的不同而存在差異性，它決定灌水開始時間和灌水次數并影響灌水量的確定［2］。甜瓜不同的生長階段對水分的需求和敏感性也不相同，營養(yǎng)生長是生殖生長的基礎，植株營養(yǎng)生長狀況直接影響到甜瓜后期的生殖生長和果品品質，因此，研究甜瓜生育期間對水分的需求對其生長具有重要理論和現實價值［3-5］。

鑒于此，本文在前人研究的基礎上，采用因子分析法就滴灌栽培條件下，不同土壤水分下限處理對甜瓜產量和品質的影響進行綜合評價，提出適合甜瓜栽培的土壤水分下限，以期為類似甜瓜設施栽培地區(qū)的合理灌溉提供參考。

1 作物灌水下限適宜模式評價體系

根據文獻［6］數據資料，作物灌水下限適宜模式評價體系包括:作物生長性狀、果實外觀品質、果實營養(yǎng)品質、產量及水分利用4個方面。其中作物生長性狀又包括株高、莖粗、葉面積與地上部干重這4項指標;果實外觀品質包括果實縱徑、果實橫徑、果形指數、皮厚與肉厚5項指標;果實營養(yǎng)品質包括可溶性固形物(TotalSolubleSolid，TSS)、可溶性糖、V c、可溶性蛋白質與游離氨基酸總量5項指標;產量及水分利用包括平均單果重、果實數、產量、總灌水量與灌溉水分利用效率(Irrigation WaterUseEfficience，IWU)5項指標。作物灌水下限適宜模式評價指標體系見表1。

在表1評價指標體系中，株高與莖粗是衡量植株健壯與否的一個重要指標，在一定程度上反映了植株輸送營養(yǎng)物質及水分的能力，其值越大越優(yōu);葉面積與地上部干重反映了作物光合作用的強弱，若葉面積與地上部干重越大則表明植株光合作用較強，植株生長勢態(tài)良好;在果實外觀品質方面，若果實縱橫徑越大(果實體積也會越大)、果形指數越接近于1，則表明果實外觀品質較好。此外，若果實皮厚較薄、肉厚較大則表明其品質較優(yōu);甜瓜果實中含有大量可溶性固形物、可溶性糖、VC、可溶性蛋白質和游離氨基酸等營養(yǎng)物質，這些營養(yǎng)物質的含量決定了甜瓜的內在品質，其指標值均為越大越優(yōu);在產量及水分利用方面，平均單果重越大、果實數越多，則相應的產量會越高。在總灌水量保持一定水平的情況下，灌溉水利用效率越高則越優(yōu)，表明其單方水產出較大。

表1 不同灌水下限對作物生長影響的綜合評價指標體系

2 因子分析法

因子分析法的核心思想主要是對原始數據進行降維處理，按照方差貢獻率大于85%的原則選取主成分個數，并以方差貢獻率為權數計算綜合主成分得分，其原理及計算步驟如下。

2.1 基本原理

設有n個評價方案，每個方案有p個評價指標，則可構成n×p階方案矩陣:

利用p個原始變量構成少量新的綜合變量，使得新變量為原始變量的線性組合，這樣定義 x1，x2，…，xp為原變量指標，Z1，Z2，…，Zm(m≤p)為新的綜合變量，則:

2.2 計算步驟

2.2.1 對原始數據進行無量綱處理

式中:xij—第 i個指標第 j個方案的原始值;x-，σi—第i個指標的方案均值與標準差。

2.2.2 形成相關系數矩陣

2.2.3 計算特征值與特征向量

根據特征方程|λ I-R|=0，求出特征值λi(i=1，2，…，p)，并按大小排序，之后求解特征值所對應的特征向量ei(i=1，2，…，p)，‖ei‖=1。

2.2.4 計算主成分貢獻率和累計貢獻率

計算主成分zi貢獻率和累計貢獻率一般取累計貢獻率大于85%的特征值進行因子分析。

2.2.5 因子旋轉

采用方差最大化正交法旋轉因子，以使因子載荷系數盡量接近1或0。

2.2.6 評價指標權重計算

計算式如下:

式中:wi—指標i的權重;ej—主成分j的方差貢獻率;βij—因子得分系數。

2.2.7 方案綜合評價

方案綜合值計算如下:

式中:zij—指標歸一化值;Aj—第j個評價方案的綜合值，其余參數含義同前。綜合值 Aj越大，則表明方案越優(yōu)，反之則越劣。

3 模型應用

3.1 數據來源

根據文獻［6］中的數據資料，采用因子分析法對溫室滴灌方式下甜瓜不同灌水方案進行綜合評價。灌溉方案設計見表2，不同灌水下限的作物生長性狀、果實外在與內在營養(yǎng)品質、產量及水分利用情況見表3。

表2 灌溉方案設計

表3 不同灌水下限作物生長指標值

3.2 因子分析

按照因子分析法計算步驟，首先將表3中不同灌水下限的指標數據進行標準化處理，之后求出指標相關系數矩陣，并解相關系數矩陣的特征方程以計算特征值(見表4)。由于表3中各評價指標間具有一定的相關性，運用所有指標進行方案評價時，會有信息重疊。由表4可知，前3個主成分的累計貢獻率為100%，說明它們基本包含了以上19個評價指標的所有信息。其中，第一個主成分又是最重要的，對評價結果影響最大(方差貢獻率為67.11%)。

此外，對各評價指標進行K MO檢驗和Bartlett球形檢驗，結果表明:評價指標K MO值為0.673，根據統(tǒng)計學家Kaiser給出的標準(K MO大于0.6)，適合因子分析;同時Bartlett球形檢驗給出的相伴概率為0.000小于顯著性水平0.05，因此，拒絕零假設，認為評價指標之間存在相關性，可以進行因子分析。

表4 主成分特征值、貢獻率及累計貢獻率

利用方差極大正交旋轉法求出前3個主成分的荷載值(見表5)。

表5 主成分荷載旋轉矩陣

根據旋轉后的因子得分系數，利用式(5)計算得到19個評價指標的權重 w，得 w=(0.082，0.098，0.031，0.095，0.091，0.018，0.074，0.020，0.036，0.018，0.053，0.052，0.031，0.078，0.036，0.079，0.025，0.034，0.049)。

由評價指標權重可知，株高、莖粗、地上部干重、果實縱徑、果形指數、游離氨基酸總量與果實數這7項指標對評價綜合值的影響較大(上述評價指標權重均大于0.07)

將表3中各處理的指標數據按照指標類型(正指標與負指標)分別進行歸一化處理，之后將各評價方案歸一化結果帶入式(6)，即可得到不同灌水下限綜合評價值及排序(見表6)。

表6 不同灌水下限綜合評價值及排序

3.3 評價結果分析

由表6可知，165為最優(yōu)灌水下限，其綜合值為0.8825，145為最劣灌水下限，其綜合值為0.2948。結合表3數據可知，165有6項指標為最優(yōu)，其余13項指標均為中等或偏上水平。因此，綜合評價165為最優(yōu)灌水下限方案是合理可信的。

此外，將本文計算結果與文獻［6］進行對比，2者結論完全一致(165為最優(yōu)灌水下限)，這充分說明了本文計算結果的準確性。

4 結論

本文構建了基于因子分析法的滴灌溫室甜瓜灌水下限綜合評價模型，結果表明:

(1)株高、莖粗、地上部干重、果實縱徑、果形指數、游離氨基酸總量與果實數這7項指標對灌水下限綜合評價的影響較大，其指標權重均大于0.07。

(2)165為溫室滴灌方式下甜瓜最優(yōu)灌水下限，即伸蔓期、開花期和結果期，甜瓜灌水下限均為土壤田間持水量的65%。

(3)在溫室甜瓜栽培中合理設定灌水下限能提高作物水分生產效率，實現節(jié)水和提質的目的，下一步應當重點研究交替灌水下限對甜瓜生長性狀、產量、品質及水分利用的影響以及水分調控與品質的響應機理。

［1］山侖，張歲岐.節(jié)水農業(yè)及其生物學基礎［J］.水土保持研究，1999，6(01):2-6.

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［3］邵明星.風沙土微灌灌溉方式和水量對玉米生長的影響［J］.水利技術監(jiān)督，2014(02):79-82.

［4］齊肖華.棉花膜下滴灌與常規(guī)灌溉效益比較［J］.水利規(guī)劃與設計，2014(07):65-67.

［5］張軍明.寧南山區(qū)馬鈴薯灌溉技術研究［J］.水利技術監(jiān)督，2014(06):53-56.

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S275.6

A

1008-1305(2016)05-0009-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.005

2015-09-03

劉新華(1978年—)，女，工程師。