极端干旱区滴灌葡萄水肥适宜用量主成分分析法

侯裕生，王振华*，李文昊，张继峯，窦允清，温越

(1. 石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003； 2. 现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832003)

吐哈地区是中国西北乃至全国著名的特色林果种植基地，丰富的光热资源使得当地瓜果品质极佳.葡萄是世界四大水果之一，作为中国葡萄种植优势区域，吐哈地区占据全疆60%、中国20%的无核白葡萄种植面积[1-2].当下，吐哈地区果树灌溉以漫灌为主，而灌溉量高达16 500 m3/hm2[3]，农业用水效率低下，渗漏蒸发量大且生态用水比例较小，生态环境日趋脆弱[4]；同时，当地无核白葡萄施肥量不统一，没有按照科学施肥技术进行管理.灌水、施肥作为影响农业生产的两大重要因素，合理的水肥用量可做到“以肥促水，以水调肥”，使水肥协同调控作用得以充分发挥，进而达到提高作物产量品质及水肥利用效率的目的，对区域内乃至世界农业可持续发展及生态环境保护具有重要意义[5-7].

多年来，水肥因素对滴灌作物的产量、品质等指标的影响已有较多研究成果，不同作物适宜的水肥制度也有了基本共识.研究表明，作物生理、产量和品质受水肥用量影响显著，合理的水肥用量可以提高作物经济生态指标，例如产量、品质、水肥利用效率和光合能力[8-10].目前在试验研究中，根据作物响应指数进行的最佳水肥处理主要是基于主成分分析法和灰色关联法.有学者采用2种方法定量分析温室青椒[11]、温室番茄[12]、生菜[13]和黄瓜[14]的最佳水肥处理，研究结果均符合生产实际.虽然有学者研究了水肥耦合对作物产量和品质的影响，但没有研究极端干旱区滴灌无核白葡萄产量、品质及水肥利用效率受水肥用量的影响.

基于以上问题，文中通过田间滴灌施肥，研究不同水肥用量对葡萄产量、品质及灌溉水肥利用效率的影响，以水肥利用效率、产量和品质指标为评价指标，利用主成分分析法确定最优水肥处理；以高产优质为目标，提出适宜极端干旱区滴灌无核白葡萄生长的最佳水肥制度.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2018年4—10月，试验在新疆某师哈密垦区灌溉试验站(93°37′22″E，42°41′57″N)进行.该地区位居亚欧板块内陆区，受天山影响，降水极少，为极端干旱区.该地区年均温为9.8 ℃；干旱少雨且蒸发强烈，年降水量和蒸发量分别为33.8和3 300 mm；光热资源丰富，年均日照时数为3 358 h，≥10 ℃积温为4 058.3 ℃，无霜期为182 d.年平均风速为3.6 m/s，以东风为主.试验区灌溉水源为井水，试验地块地下水埋深>8.0 m.试验期内温度t、降雨量P如图1所示；地块基本理化性质见表1，表中物理量分别为土层h、土壤容重γ、田间持水率θ、肥料质量比rf、有机质质量比ro.

图1 哈密垦区灌溉试验站气象要素Fig.1 Meteorological elements of irrigation test station in Hami reclamation area

表1 试验地土壤理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of test plot soil

1.2 田间试验布置

试验材料为2003年定植的成龄无核白晚熟葡萄，种植方式为深沟搭接棚架，葡萄沟长、宽、高分别为40.0，1.0，0.5 m.葡萄株行距分别为1.0，5.0 m；试验小区规格为240 m2，其中长、宽各为40.0，6.0 m；每小区种植80株葡萄树.各小区滴灌带均采用一沟三管模式，分别布置在距树根部-30，0，30 cm处.滴灌带类型为单翼迷宫式，工作压力约为0.10 MPa，滴头间距和流量分别为30 cm和3.0 L/h.各处理采用水表单独量水，采用施肥罐单独控肥.

1.3 试验设计

根据相关文献[15-17]，对灌水施肥量进行2因素设计，其中灌溉处理为4水平：6 000(W1)，6 750(W2)，7 500(W3)，8 250 m3/hm2(W4)；施肥处理为3水平：450(F1)，750(F2)，1 050 kg/hm2(F3)；施肥比例为ω(N)∶ω(P2O5)∶ω(K2O)=2∶1∶2.试验以上述因素进行完全区组设计，12个处理，3次重复，共36个小区.灌水施肥总量见表2，表中I，F分别为灌水量、施肥量.

无核白葡萄各生育期有明显的界限，根据其生长特性，可将生育期划分为6个阶段：萌芽期、新梢生长期、花期、浆果生长期、浆果成熟期和枝蔓成熟期，全生育期共计152 d.灌水施肥遵循少量多次原则，各处理灌水施肥时间相同，将肥料溶解于施肥罐内30 min后进行灌水.各处理不同生育期内灌水施肥量详见表3，表中物理量分别为灌水周期T、灌水次数n、施肥次数m.

表2 试验灌水施肥量Tab.2 Test irrigation and fertilization doses

表3 不同生育期内灌水施肥量Tab.3 Irrigation and fertilization doses in different growth periods

1.4 测定项目及方法

1.4.1 产量及品质

产量：在葡萄完全成熟后各小区均选取5株葡萄树进行完全整株取样，使用电子天平分别称量质量，以平均值作为小区单株产量，并换算为标准产量.

品质：各处理随机摘取0.5 kg葡萄鲜样，随后送往石河子农垦科学院进行品质指标测定.其中：可溶性固形物采用手持糖量计法测定(PAL-1，ATAGO，Japan)；可滴定酸采用酸碱滴定法测定；维生素C采用分光光度法测定.

1.4.2 灌溉水肥利用效率与增产效应

灌溉水利用效率(iWUE)计算公式[18]为

iWUE=Y/I，

(1)

式中：Y为葡萄产量，kg/hm2；I为生育期灌水量，m3/hm2.

肥料偏生产力(PFP)计算公式[19]为

PFP=Y/F，

(2)

式中：F为各处理施肥量，kg/hm2.

增产效应(σ)计算公式[20]为

σ=(YX-YL)/YL，

(3)

式中：YX为相应处理产量，kg/hm2；YL为低水低肥处理W1F1的葡萄产量，kg/hm2.

1.4.3 主成分分析

主成分分析由Matlab完成，具体程序如下：

A=xlsread(′data.xlsx′);% 打开数据，将数据赋予给矩阵A

x=zscore(A);% 标准化数据

[coeff,score,latent,tsquare]=princomp(x);% 调用主成分分析

latent′;% 计算特征值

y=(100*latent/sum(latent))′;% 计算贡献率

根据Matlab程序计算的特征值，通过将特征值≥1作为主成分标准以计算主成分评价值，即

Zk=rk1x1+rk2x2+…+rkmxm，k

(4)

式中：Zk为各处理主成分评价值；rkm为各处理成分系数；xm标准化后作物指标对应数值；k=2，m=6.

以主成分评价值为基础计算综合评价值，公式为

Z=y1Z1+y2Z2+…+ynZk，n=k，

(5)

式中：Z为综合评价值；Zk为主成分评价值；yn为对应于主成分的贡献率(Matlab计算).

1.5 数据处理

分别使用Excel 2016和Matlab 2016进行数据分析和主成分分析法的运算，采用双因素Ducan′s新复极差法进行方差分析，使用Origin Pro 2017进行数据绘图.

2 结果与分析

2.1 水肥用量对滴灌葡萄产量、水肥利用效率及品质的影响

滴灌葡萄产量、水肥利用效率及品质受水肥交互作用的影响均具有统计学意义(P<0.01)；可滴定酸受灌水量与施肥量的影响均具有统计学意义(P<0.05)，滴灌葡萄产量、灌溉水利用效率、肥料偏生产力、可溶性固形物及维生素C分别受灌水量和施肥量影响均具有统计学意义(P<0.01).

表4为不同水肥处理下，滴灌葡萄的产量、水肥利用效率及品质，表中物理量分别为增产效应σ、可滴定酸质量分数τ、可溶性固形物质量分数ω、维生素每g溶液质量ρ.

表4 不同水肥处理下滴灌葡萄的产量、水肥利用效率及品质Tab.4 Drip irrigation grape yield, water and fertilizer utilization efficiency and quality in different water and fertilizer treatments

由表4可知，在相同施肥处理下，处理F1的产量与灌水量呈正相关，而施肥处理F2和F3的产量与灌水量呈现抛物线趋势；在相同灌水处理下，灌水处理W1和W2的产量与施肥量呈正相关，W3和W4的产量与施肥量呈现抛物线趋势，产量最大的处理为W3F2，最小处理为W1F1，相对提高29.76%；灌溉水利用效率以处理W1F3的最高，达到了3.54 kg/m3，肥料偏生产力在处理W4F1下达到最大值54.78 kg/kg，这与产量最高处理并不相同.在相同灌水处理下，施肥量对灌溉水利用效率的影响趋势同产量；而相同施肥处理下，灌水量对灌溉水利用效率的影响趋势与产量指标相反，同时，灌溉水利用效率受灌水水平影响具有统计学意义，受施肥量影响不具有统计学意义.水肥用量对肥料偏生产力的影响趋势总体与灌溉水利用效率变化规律相反，肥料偏生产力受施肥水平影响具有统计学意义，受灌水量影响不具有统计学意义；从增产效应可见低水低肥处理产量最低，增产效果最明显的是处理W3F2，较处理W1F1增产29.76%，是产量最优处理.

从表4还可看出，在相同灌水处理下，可溶性固形物随施肥量增加呈抛物线趋势，在相同施肥处理下，施肥处理F1的可溶性固形物与灌水量增加呈正相关趋势，F2和F3的可溶性固形物随灌水量增加呈抛物线趋势，且在处理W3F2下可溶性固形物达到最大值；在相同灌水处理下，灌水处理W1和W2的可滴定酸与施肥量增加呈正相关趋势，W3和W4的可滴定酸随施肥量增加呈抛物线趋势；在相同施肥处理下，可滴定酸随灌水量增加呈正相关，且在处理W4F2下达到最大值，而W3F2与其之间差异不具有统计学意义(P>0.05)；在相同灌水处理下，维生素C含量随施肥量增加呈正相关；在相同施肥处理下，施肥处理F1和F2的维生素C含量随灌水量增加呈抛物线趋势，F3的维生素C含量随灌水量增加呈正相关，且维生素C在处理W4F3下达到最大值，W3F2的维生素C含量与其之间差异不具有统计学意义(P>0.05).

综合上述指标，处理W3F2能够达到高产优质的预期结果，说明合理的水肥施用量能够激发植株生产潜力，创造较大的经济效益.

2.2 基于主成分分析法的极端干旱区滴灌葡萄水肥适宜用量综合评价

从单一指标评价结果可以看出，产量、品质和水肥利用效率无法在相同处理下达到最优.因此以单一指标评价水肥处理优劣不具有说服力，因此基于主成分分析法，以葡萄产量、可溶性固形物、可滴定酸及维生素C为基础，再添加灌溉水利用效率、肥料偏生产力共6项单一指标进行综合评价，筛选出表现最优的水肥处理.

首先根据前文给出的Matlab程序将原始指标数据进行标准化处理，随后计算出各指标成分系数及特征值，对贡献率及累积贡献率进行进一步计算.根据以上计算结果结合公式(4)和(5)计算综合评价值.经计算，基于6项单一指标所进行的水肥综合评价结果见表5，表中Z，Z1，Z2分别为综合评价值、第一主成分评价值、第二主成分评价值.由表可看出，不同水肥处理表现差距较大，其中处理W3F2的综合评价值达到1.283，其次为W2F3和W3F3，分别达到0.937和0.884，这说明处理W3F2的各指标综合评价最高，W2F3与W3F3的也较好.施肥水平F1下各灌水处理综合评价值较F2和F3的低，表现最差.这说明只有适宜的水肥用量才能使作物指标达到较高水平，起到增产、提质和降低成本的效果.

表5 不同水肥处理综合评价Tab.5 Comprehensive evaluation of different water and fertilizer treatments

3 讨 论

产量和品质是衡量作物种植效果的主要指标，适宜的水肥用量既能提高作物产量品质，又能降低种植成本，同时还能获得较高产出.LIU等[21]认为在合理范围内增加灌水施肥量可以提高作物的产量，但超出一定范围后会降低增产效果、提高支出并对品质造成负面影响；SINGANDHUPE等[22]认为灌溉水利用效率降低主要是灌水量增加造成的；而ZHANG等[23]认为肥料偏生产力随着施肥量增大会逐渐降低.文中试验在极端干旱区开展滴灌葡萄水肥生产制度优化试验，结果表明水肥交互作用对葡萄产量、品质及水肥利用效率产生了显著影响，产量并未在高水高肥处理W4F3下获得最大值，而在处理W3F2下获得了最大值，相对于产量最小值处理W1F1增产29.76%；品质指标与产量指标相似并未在高水高肥处理获得最大值，综合在处理W3F2达到较优水平，这主要是由于过量或少量水肥施用会对作物产量品质等指标产生拮抗作用[24]，说明只有探明当地水肥适宜用量才能提高葡萄产量、品质和水肥利用效率.

作物维持良好生理生长状态的主要影响因素是水肥用量，通过优化水肥生产制度，在降低水肥用量的基础上维持甚至大幅提高作物的产量品质和生产效率，才能实现经济生态效益协同发展的目标，是农业可持续发展的主要途径[25].试验结果表明，各水肥处理对葡萄各项指标影响差异具有统计学意义，并未在同一处理下达到最优值，因此采用分析模型对水肥处理进行综合评价是筛选最优水肥用量的良好方法.研究中，以滴灌葡萄产量、品质和水肥利用效率为评价指标，以主成分分析法为评价手段，对不同水肥处理下各评价指标进行综合量化分析，结果发现处理W3F2的增产提质增效效果最佳，处理W1F1的效果最差.

通过1 a 试验研究，初步给出了极端干旱区滴灌葡萄的水肥适宜用量区间.但还有一些问题需进行研究：试验开展时间较短，获得的结果需进行长期试验进行验证；试验取得的最优水肥处理集中在高水中肥，在以后试验开展中需在此范围内增加水肥处理，进一步确定水肥适宜用量.

4 结 论

1) 不同水肥用量对滴灌葡萄水肥利用效率、产量及品质影响存在差异，处理W3F2下取得产量(26 364 kg/hm2)、灌溉水利用效率(3.52 kg/m3)和可溶性固形物(22.45 kg/kg)最大值，可滴定酸及维生素C分别在处理W4F2(值为0.541%)及W4F3(值为8.52×10-2mg/g)下达到最优，但与处理W3F2之间差异均不具有统计学意义(P>0.05).合理的水肥用量可以取得较优的产量、品质和水肥利用效率.

2) 基于主成分分析法对滴灌葡萄产量、肥料偏生产力、灌溉水利用效率、可滴定酸、可溶性固形物及维生素C进行综合评价，得出最优水肥处理为W3F2，即灌水量为7 500 m3/hm2；施肥量N，P2O5，K2O分别为300，150和300 kg/hm2.