苗期高温对草莓果实营养品质影响的模糊综合评价及模型建立*

徐 超，高 芮，王明田，杨再强，2**，韩 玮，郑盛华

（1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044；2.南京信息工程大学滨江学院，无锡 214000；3.四川省气象台，成都 610091；4.农业农村部西南山区农业环境重点实验室，成都 610091）

草莓以其生长周期短，投资见效快和经济效益高等优势而成为发展最快的新兴产业之一。中国草莓的种植面积呈逐年递增趋势，2017年全国草莓种植面积14.13万hm2，产量高达375.3万t，产值达到600亿元以上[1−2]。但是由于生产设施简陋，环境调控能力差，设施内常遇到高温等灾害，严重制约了草莓的生长发育，进而影响果实品质[3]。

品质是决定商品市场价值的关键因素[4]。草莓品质包括外在品质（大小、颜色等）和内在品质（可溶性糖、维生素和酸含量等）[5]。关于温度对果实内在品质的影响国内外已有报道。Wang等[3]研究表明，草莓营养生长期高温会导致果实品质下降，包括果实内可溶性固形物（SSC）、可滴定酸（TA）和维生素C（VC）含量。杨洋等[3]研究温度对葡萄品质的影响表明，夜间高温除降低果实总酚外，对可溶性糖和类黄酮的积累无影响。薛思嘉等[7]研究表明，花期高温降低了黄瓜维生素C含量，而可溶性糖的含量随着温度升高呈先上升后下降的趋势。可见，温度对不同内在品质指标的影响不尽相同。内在品质是一个综合概念，当需要对果实多种品质指标进行综合评价时，不同指标之间又相互交叉和重叠，给定量和综合评价品质指标带来了挑战[8−9]。

目前，针对苗期高温对草莓果实内在品质的影响已有报道，但是草莓品质指标综合评价的方法以及苗期高温对综合内在品质的影响模型尚未见到。本研究通过草莓两个生长季的实验，使用2018年的数据定量分析苗期高温对设施草莓果实内在品质的影响，使用模糊评价来计算不同温度下果实内在品质的综合模糊系数，构建综合模糊系数与不同温度和不同胁迫天数的模型，并使用2019年实验数据对模型进行检验，旨在为设施草莓温室环境品质调控提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 实验地点和材料

实验在南京信息工程大学农业气象试验站Venlo型玻璃温室进行，温室的南北长度为30m，东西向由12个跨组成，每跨为6m，檐高和脊高分别为4m和4.73m，温室内加热系统、灌溉系统、帘幕开展、通风窗的开张均由计算机自动控制。实验栽培土壤为沙壤土，pH6.5～6.8，有机质含量176.58mg·kg–1，有效氮、有效磷和有效钾含量分别为70.52、30.15和179.25mg·kg–1。实验期间土壤水分、肥料按常规栽培进行管理。

实验材料为草莓品种“红颜”（Fragaria× ananassa Duch.‘Benihoppe’），由山东果树种植基地提供。

1.2 高温处理

实验于2018年9月–2019年1月和2019年9月–2020年1月分两批次在南京信息工程大学人工气候室（PGC–FLEX，加拿大） 进行，试验设计参考韦婷婷等[10]方法并适当改进，在草莓苗期9～12片真叶，叶长≥5cm，花芽分化完成后进行不同持续日数的高温处理。根据韦婷婷等[11]的方法，利用BP神经网络逐时模拟南京地区气温，并以此设置气候室的温控程序（图1），日最高气温设置为32、35、38 和41℃共4个水平，日最高温与日最低温的温差均设为10℃，以最高温/最低温28℃/18℃为对照。处理期间空气相对湿度设置65%～70%，光周期为12h/12h，以6：00–18：00为白天，光照强度为800μmol·m–2·s–1。实验草莓幼苗系盆栽，盆高×上口径×下口径为15cm×12cm×8cm，所用土壤与栽培土壤一致。高温处理持续日数分别设置为2、5、8和11d，在各高温处理结束后将草莓苗去盆移栽至Venlo型玻璃温室，定植密度为8株·m–2。故实验4个高温处理，4个持续天数，共计16组。每组处理3个重复，每个重复10株，共计480株草莓苗。

图1 人工气候室日内温度变化过程Fig.1 Variation course of daily temperature in artificial climate chamber

1.3 样本采集与测定

取首批达商品果采收标准的草莓果实进行测定。果实营养品质（维生素C、可溶性总糖、可滴定酸、花青苷）测定方法参考文献[12]。

1.4 营养品质综合评价模型

1.4.1 模糊矩阵综合评判

（1）建立模糊评判矩阵

实验共观测草莓果实4个内在品质指标，U = （U1，U2，···，U4），每个品质指标有16个处理V = （V1，V2，···，V16），V1−V4分别代表日最高气温32℃持续2、5、8和11d处理组，V5−V8、V9−V12、和V13−V16分别代表日最高气温35、38 和41℃下持续2、5、8和11d处理组，则草莓果实内在品质观测结果的模糊评价矩阵为

（2）评价指标归一化处理

对原始数据R进行标准化处理，即对样本中元素rij（i=1，2，3，4；j=1，2，…，16） 进行标准化处理，以克服评价尺度的不统一。具体标准化方程为

则标准化以后的模糊矩阵变为

（3）评价指标权重计算

采用熵权法计算各指标的权重。首先求出各指标的信息熵Ei，再计算权重Wi。Ei和Wi的计算如式（6）−式（8）。

式中，rij（i=1，2，3，4；j=1，2，…，16） 为标准化的数据；Pij为第i项指标下第j个样本值占该指标的比重值，其中当Pij= 0时，lnPij= 0[13]。

（4）综合评分矩阵

为了得到最终评价结果，需要制定一个参照值，即标准的评价物元[14]。试验初始数据显示，各品质指标在不同处理下变化很大，数据上升和下降交替出现，所以CK值作为标准物元也会影响结果的准确性，为了克服这个缺点，把各组处理标准化的最大值作为标准物元（⁀V）。因此，评价矩阵R′就可写为~R′。即

该评价矩阵中Vj的评分越接近标准物元⁀V，则表明品质越好[15]。计算方法如式（10）和式（11）。

1.4.2 经验模型的建立

利用2018年数据建立模糊矩阵综合评分与胁迫温度（T）和胁迫天数（D）的经验模型，即

1.5 数据分析

1.5.1 数据处理方法

用Excel2017和SPSS17.0进行数据分析，用GraphPad Prism 7.05绘图。

1.5.2 模拟验证

用均方根误差（RMSE，Root Mean Squared Error）和相对误差（RE，Relative Estimation Error）进行经验模型模拟值和模糊矩阵综合评分实测值之间对比，RMSE值越小，表明模拟精度越高，模型越好[15]。RMSE和RE的计算式为

式中，OBSi和SIMi为观测值和拟合值。n为样本量的大小。

2 结果与分析

2.1 苗期高温对草莓果实营养品质的影响

2.1.1 维生素C

由图2可见，CK（苗期不受高温影响）处理成熟果实中VC含量最高，均在93mg·100g−1左右，而苗期经历不同程度高温的各处理，其成熟果实中VC含量均有不同程度的降低，降低程度与高温程度及其持续日数呈正相关。具体来看，高温胁迫2d，各温度处理下果实中VC含量与CK 无差异；高温胁迫5d，32℃和35℃处理后果实中VC含量与CK无差异，而38℃和41℃处理后VC含量显著低于CK，分别比CK减少16.66%和18.75%；高温胁迫8d，各温度处理下果实中VC含量均显著低于CK，32℃、35℃、38℃和41℃处理分别比CK减少17.71%、19.79%、27.08%和32.29%，其中32℃和35℃处理下VC含量与CK无显著差异，但均显著高于38℃和41℃处理；高温胁迫11d，各温度处理下果实中VC含量显著低于CK，分别比CK减少29.16%、39.58%、42.71%和47.91%，其中35℃、38℃和41℃处理后果实中VC含量与CK无显著差异，但均显著低于32℃处理。

图2 苗期不同高温和持续天数处理后成熟草莓果实中VC含量的比较Fig.2 Comparison of the VC content in ripe strawberry fruit among high temperature treatments after different days during seedling stage

2.1.2 花青苷

从图3可以看出，高温胁迫2d，32℃和35℃处理果实花青苷含量与CK无差异，38℃处理显著高于CK，比CK提高18.03%，41℃处理显著小于CK，比CK减少13.85%；高温胁迫5d，32℃处理果实花青苷含量与CK无差异，35℃和38℃处理显著高于CK，分别比CK提高13.85%和20.00%，41℃处理后显著小于CK，比CK减少16.92%；高温胁迫8d，32℃和35℃处理果实花青苷含量显著高于CK，分别提高7.69%和16.92%，38℃和41℃处理显著低于CK，分别比CK降低23.08%和29.23%；高温胁迫11d，32℃和35℃处理果实花青苷含量显著高于CK，分别提高20.00%和23.08%，38℃和41℃处理显著低于CK，分别比CK降低32.31%和38.46%。可见，32℃和35℃处理果实花青苷含量随着处理天数增加而增大，38℃处理随着处理天数延长先增加后减小，41℃处理则随着处理天数增加而减小。

图3 苗期不同高温和持续天数处理成熟草莓果实中花青苷含量的比较Fig.3 Comparison of the anthocyanin content in ripe strawberry fruit among high temperature treatments after different days during seedling stage

2.1.3 可溶性糖

从图4可以看出，成熟果实中可溶性糖（TSC）在不同高温处理下的变化趋势与花青苷一致。高温胁迫2d，32℃和35℃处理果实TSC含量与CK无差异，38℃处理显著高于CK，比CK提高9.55%，41℃处理显著小于CK，比CK减少4.74%；高温胁迫5d，32℃处理果实TSC含量与CK无差异，35℃和38℃处理显著高于CK，分别比CK提高7.62%和19.05%，41℃处理显著小于CK，比CK减少10.48%；高温胁迫8d，32℃和35℃处理果实TSC含量显著高于CK，分别比CK提高6.67%和11.43%，38℃和41℃处理显著低于CK，分别比CK降低6.66%和15.24%；高温胁迫11d，32℃和35℃处理果实TSC含量显著高于CK，分别比CK提高9.53%和16.19%，38℃和41℃处理显著低于CK，分别比CK降低14.29%和23.81%。可见，32℃和35℃处理果实TSC含量随着胁迫天数延长而增加，38℃处理随着处理天数的延长先增加后减小，41℃处理则随着处理天数延长而减小。

图4 苗期不同高温和持续天数处理成熟草莓果实中可溶性糖含量的比较Fig.4 Comparison of the total soluble sugar content in ripe strawberry fruit among high temperature treatments after different days during seedling stage

2.1.4 可滴定酸

由图5可见，高温胁迫2d，32℃和35℃处理果实可滴定酸（TA）含量与CK无差异，38℃处理显著低于CK，比CK降低15.40%，41℃处理显著高于CK，比CK提高10.91%；高温胁迫5d，32℃和35℃处理果实TA含量与CK无差异，38℃处理显著低于CK，比CK降低21.07%，41℃处理显著高于CK，比CK提高19.46%；高温胁迫8d，32℃、35℃和38℃处理果实TA含量均显著低于CK，分别比CK提高23.86%、30.46%和36.04%，41℃处理果实TA含量显著高于CK，比CK提高21.92%；高温胁迫11d，32℃和35℃处理果实TA含量显著低于CK，分别降低30.63%和38.07%，38℃和41℃处理显著高于CK，分别提高10.83%和22.83%。可见，32℃和35℃处理果实TA含量随着胁迫天数延长而减小，38℃处理则随着胁迫天数延长先降低后增加，而41℃处理则随着胁迫天数延长而增加。

2.2 苗期高温对草莓果实内在品质影响的综合评价

2.2.1 模型构建

（1）根据式（6）−式（8）求得维生素C、花青苷、可溶性糖和可滴定酸的权重为

（2）根据式（1）−式（5）和式（9），求得评价矩阵~R′ 为

（3）根据式（10）和式（11），求得不同处理下模糊综合品质得分Rδ为

（4）构建模糊综合评价分数Rδ与胁迫温度和胁迫天数的方程。模糊综合得分Rδ与胁迫温度（T）和胁迫天数（D）之间的二次多项式为

式中，T的取值在32～41℃，D的取值在2～11d。

2.2.2 模型验证

使用2019年的数据，根据式（17）计算不同温度和胁迫天数下的Rδ值，并与模糊综合评价模型算出的Rδ值进行对比（图6）。由图6可以看出，利用模型（17）拟合的Rδ值和模糊综合评价模型算出的Rδ值较好地呈现在1：1线附近，基于1：1线的决定系数R2为0.86，说明模型模拟精度较高。

图6 模糊综合得分的模拟值与实测值的比较Fig.6 Comparison of simulated and observed fuzzy evaluation values

图7为模型预测的线性残差图（观测值−模拟值）。从图可以看出，模型模拟值与实测值的误差在0.25以内，模型对果实综合评价值模拟的均方根误差（RMAE）和相对误差（RE）分别为0.01和0.06%，说明模拟值与实测值的一致性较好。

图7 模糊综合评价值的观测值与模拟值的残差Fig.7 Residual difference between measured and simulated fuzzy evaluation values

2.2.3 评价结果

图5 苗期不同高温和持续天数处理成熟草莓果实中可滴定酸含量的比较Fig.5 Comparison of the titratable acid content in ripe strawberry fruit among high temperature treatments after different days during seedling stage

利用模糊数学综合法评价苗期高温对草莓果实内在品质的影响，结果显示，苗期高温下4种草莓内在品质的权重大小分别是，可滴定酸（0.33）＞花青苷（0.25）＞维生素C（0.23）＞可溶性糖（0.19）。说明苗期高温后，可滴定酸含量决定着草莓内在品质的好坏。模糊综合评价得分显示，苗期V7−V10处理（即35℃高温下处理8d和11d，以及38℃高温下处理2d和5d）下综合果实品质得分最高，均大于0.8，V1−V6处理（即32℃高温下处理2、5、8和11d，以及35℃高温下处理2d和5d）下综合果实品质得分居中（0.6～0.8），V11−V16（即38℃高温下处理8d和11d，以及41℃高温下处理2、5、8和11d）处理综合果实品质得分最低（0～0.6）。说明草莓苗期轻度或中度的高温处理会提高果实的内在品质，而重度高温胁迫则降低果实的内在品质。

3 结论与讨论

3.1 讨论

果实是作物光合有机物的库，作物通过光合作用合成有机物，然后转移到果实中供其生长发育，因此，当植物体受到高温胁迫时，植株的光合作用会随着改变，进而影响果实生长发育和品质[16−17]。本研究通过分析苗期高温对草莓果实最重要的4种内在品质的影响，发现不同高温处理和不同胁迫时间对草莓内在品质的影响不尽相同。32℃和35℃处理后果实中可溶性糖（TSC）含量随着胁迫天数增加而增加，38℃和41℃处理后果实中TSC含量则随着胁迫天数增加先增加后降低。这可能是由于高温胁迫后，光合源（叶片光合作用）的供给反应不同，轻度高温处理通过补偿作用可以完全补给光合源亏缺的负面效应，而重度高温胁迫则使得叶片光合器官受损，源的供给较差，进而导致果实内糖的积累受阻[18−19]。花青苷的变化趋势与TSC含量变化基本一致，这是因为花青苷是一种极性化合物，具有很强的生物活性，它的稳定性取决于糖基化程度，糖基化程度越高，其稳定越大[20−21]。TSC含量与TA的含量比例是果实品质的一个重要指标，二者的动态平衡控制果实口感[22]。这在本研究中也有所体现，TA的变化趋势与TSC基本相反。

目前评判果实品质主要通过主成分分析法和聚类分析综合评价，林蝉蝉等[9]通过基于主成分与聚类分析综合评价葡萄果实品质，Mir等[23]通过基于主成分与聚类分析综合评价苹果果实品质。虽然主成分提取指标应用广泛，但也不可否认其在计算过程中简化了指标，不能包含全部的信息[24]。而模糊数学评价方法则避免了这个问题，并且还避开了主观性，使结果更加客观从而取个更好的评价效果[25]。模糊数学法在评价葡萄品质[25]，小白菜内在品质[26]，南瓜品质[27]和黄瓜品质[14]方面有优势，但是草莓果实品质不仅包括内在品质，还有外在品质（大小、颜色）等，后期应综合考虑开展系统性研究。本研究依据不同温度和胁迫天数与果实综合内在品质模型关系，建立了模糊综合果实内在品质评价模型，很好地预测了苗期高温后草莓果实综合内在品质，可为设施草莓温室温度调控提供理论支持。但是模型还需要不同品种、不同环境和多重指标的验证才有普遍适用性。

3.2 结论

（1）草莓苗期（9～12片真叶，叶长≥5cm）花芽分化完成后，遇到一定程度的高温天气（日最高温度35℃持续11d以内或日最高温度38℃持续5d以内）可适当提高草莓果实内在综合品质。

（2）在高温（T）32～41℃，胁迫时间（D）2～11d区间，构建了综合内在品质得分与高温和胁迫天数的模型，即Rδ=−12.21+0.76T+0.01D−0.01T2−0.003D2（P<0.05，R2=0.73）。模型对综合果实内在品质的预测值与实测值回归估计标准误（RMSE）和相对误差（RE）分别为0.01和0.06%，精度较高，具有较强的实用性。