水分传感器位置和基质含水量对一品红生长和品质的影响

倪纪恒 王媛媛 李龙兴 朱恺豪 高洪燕

摘要：水分管理是温室花卉生产中重要的管理措施之一。针对目前花卉研究中未考虑栽培基质内水分空间异质性的问题，以一品红“喜庆红”品种为试验材料，于2019年10月至2020年1月在江苏大学Venlo型温室中开展不同水分传感器位置和基质含水量的试验，并对一品红生长指标和品质指标进行了测定。采用主成分分析法确定了影响一品红生长和品质的主要组分。结果表明，基质含水量显著影响一品红的新增叶长和新增叶展，水分传感器位置显著影响一品红的生长和品质指标。通过主成分分析和综合评分，水分传感位置为H2（距根基8 cm），基质含水量为W3处理（传感器测定含水量为30% ≤w≤ 40%）结果最优。该研究结果可以为温室花卉的自动化管理提供理论依据。

关键词：一品红;水分传感器;基质含水量;主成分分析;生长;品质

中图分类号： S685.230.7文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）12-0110-07

收稿日期：2020-11-12

基金项目：江苏省科技重点项目（编号：1721202133）。

作者简介：倪纪恒（1976—），男，河南许昌人，博士，副研究员，主要从事温室花卉生长研究。E-mail：nijiheng@163.com。

通信作者：高洪燕，博士，助理研究员，主要从事农业信息集成、决策与应用研究。E-mail：gaohy@ujs.edu.cn。

花卉生产是一种高附加值的农业生产。随着我国设施园艺的发展，花卉的设施化栽培得到了大规模应用。目前我国花卉生产存在管理粗放、智能化水平低等问题，且生产中以人工为主，劳动强度大，人均管理面积仅为国外发达国家的1/10。据农业部公布的2019年度花卉产业数据，花卉种植面积达130.55万hm2，同比增长2.78%，产值达 1 302.57 亿元，同比增长1.81%，但是目前，我国农业设施化水平仍落后于世界平均水平，设施化普及率还比较低。这主要由于设施花卉生产过程中管理粗放，导致设施花卉的生产潜力未能得到充分发挥。水分管理是设施花卉管理的重要组成部分。因此，加强对温室花卉水分管理的研究，对提高我国花卉管理水平具有重要的推动作用。

一品红（Euphorbia pulcherrima Willd. et Kl.）属于大戟科观赏灌木，是我国的畅销花卉。水分是一品红生长和品质的重要影响因素。研究表明，灌溉量的大小直接影响花卉生长发育和品质。马福生等认为设定不同的灌溉下限，对红掌的观赏品质有影响，尤其在株高、冠幅方面[1]。袁小环等认为，春秋季节给予适当的灌溉可以延长石竹的观赏期[2]。徐曼等探讨了不同灌水和蛭石处理对盆栽一品红生长和灌溉水利用效率的影响，发现不同水分处理对红叶数量、总叶数量的影响均显著[3]。孙向丽等发现一品红基质含水量在59.28%～66.83%时，可认为是适宜一品红生长发育的基质含水量[4-5]。之后通过作者进一步的研究，从根系形态和生理指标2个方面研究了不同浇水频率和施肥量对盆栽一品红生长的影响，发现不同基质含水量对根系连接数、累计长度、累计表面积、根系生理指标等的影响是大不相同的。

虽然前人研究了不同水分处理对一品红生长及品质的影响，但大多研究均将栽培基质内的水分视为一个均匀分布的介质，未考虑栽培基质内水分的空间异质性。这对于以基质含水量作为启动因子的水分管理系统来说，水分传感器位置不同，灌水量也不相同。鉴于此，本研究主要通過对盆栽一品红进行不同基质含水量（W1、W2、W3）和不同水分传感器位置（H1、H2）处理后，通过测定和计算一品红的叶展、叶片长度、叶片宽度、红叶数量、花苞头数、株高、冠幅、冠高比、损伤叶片数量等，研究不同基质含水量和不同传感器位置处理下对一品红生长状况和品质的影响，以期为温室一品红栽培的水分管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验基本状况

试验于2019年10月12日开始至2020年1月3日结束，在江苏大学venlo型温室（地理位置：119°27′E，32°12′N）进行。温室东西走向，长45 m、跨度6 m、脊高3.2 m。温室内加热系统、帘幕系统、通风系统均由计算机自动控制。试验的花卉品种是喜庆红，挑选90株生长健壮、一致、无病虫害的一品红植株进行试验。试验共设6个处理，每个处理处理15株。所有处理施肥统一采用花多多20-10-20复合肥，稀释1 000倍喷施混用，以防影响水分因子的作用，其他的环境条件都采用常规管理。

1.2 试验设计

试验共设6个处理。以水分传感器位置和基质含水量为因素，具体设计见表1，表中H为水分传感器距根基（一品红基质表面部位和基质交界处）的位置，W为传感器测定含水量。其中水分传感器位置因素设置2个水平（H1—距根基4 cm;H2—距根基8 cm）;将基质含水量55%～70%通过标定试验，设置3个水平（W1：传感器测定含水量为10% ≤W<20%;W2：传感器测定含水量为20% ≤W<30%;W3：传感器测定含水量为30%≤W≤40%）。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生长指标 从2019年10月12日开始测量，此次试验的数据测量作为基础数据，以后每隔 7 d 测量1次，共测量13次。直尺测量叶展（选取顶层新生叶标记测得叶片伸展的最大距离）、叶片长度（叶痕到叶尖的距离）、叶片宽度（叶面最宽的宽度），计数测得红叶数、花苞头数，用卷尺测得株高（根基到最高主干茎的垂直距离）、冠幅（南北方向直径）。在各个处理下，平均每株新增量以处理前测得的各生长指标的数据为基数，13次数据取平均值。

1.3.2 品质指标 上市时，对一品红各处理计算冠高比，计数测定损伤叶片数。

1.3.3 基质含水量 本试验中基质含水量由WatchDog 2900ET气象站自动采集。传感器探头按不同处理分别埋设在距根基4、8 cm处，数据采集频率为每隔10 min采集1次。

1.3.4 数据处理及分析 采用Excel 2010软件对采集的生长和品质指标进行方差分析，采用SPSS 14.0软件对采集的数据进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同基质含水量对一品红生长情况的影响

表2是基质含水量对一品红生长的影响，可知不同基质含水量处理在新增叶宽、新增红叶数、新增株高、新增冠幅、新增花苞数方面无显著差异。在新增叶长方面，W2、W3处理下的增长长度大于W1处理，差异达到极显著水平（P<0.01）。在新增叶展方面，W2处理、W3处理极显著大于W1处理（P<0.01）。综合说明不同基质含水量处理间一品红生长状况基本无显著差异，即我们选择不同基质含水量，对一品红生长无显著影响。

由表3可知，水分传感器位置距根基4.8 cm时，探索感器位置对一品红新增红叶数、新增株高、新增花苞数等方面的影响均无显著差异，但H1处理与H2处理，在新增叶长、新增叶宽、新增叶展、新增冠幅这4个方面都有显著差异，H2处理的增长量均显著大于H1处理（P<0.05）。

2.2 主成分分析

2.2.1 对数据标准化处理及主成分分析适用性检验 主成分分析适用于变量之间存在较强相关性的数据，如果原始数据相关性较弱，应用主成分分析后不能起到很好的降维作用，所得的各主成分浓缩原始变量的能力相差不大。本试验使用SPSS软件进行数据分析，将原始数据进行标准化（Z-score法）处理，得到新的数据。结果如表4，可知相关系数都接近于1，说明各因素之间相关性较强，主成分分析取得的效果较理想。

2.2.2 主成分综合得分 从表5中可以看出，前2个主成分累计贡献率达92.72%，说明通过新增叶长、新增叶宽2个指标可以反映一品红生长状况的主要信息。因此选用这2个成分替代原来7个生长指标评价一品红生长状况，以达到降维的目的。

表6为主成分在各生长指标上的因子载荷矩阵，该矩阵反映了一品红生长指标对此主成分负荷相对大小和作用的方向。由表6可知，主成分1载荷值都为正，说明7个生长指标对主成分产生了正向作用，主成分1越大，X1～X7越大。同理，主成分2中，载荷值较高且符号为正的指标是X5～X7，载荷值分别为0.17、0.23、0.43，这3个生长指标对主成分2产生正向作用，剩余生长指标（X1～X4）的载荷值为负，产生负作用，说明主成分2越大，新增冠幅、新增叶展、新增叶长、新增叶宽会降低。

为了消除不同单位和数据的影响，对各指标原始数据进行标准化处理，转化成均值为0、标准差为1的无量纲数据（Z1～Z7）。用各指标变量的主成分载荷值除以主成分相对应的初始特征值的平方根，即可得到2个主成分中每个指标的特征向量，最终以特征向量为权重构建2个主成分表达函数式（Y1、Y2）。再以2个主成分及每个主成分对应的特征值占所有提取主成分总的特征值之和的比例为权重，计算主成分综合模型（Y）。

Y1=0.39Z1+0.39Z2+0.39Z3+0.39Z4+0.37Z5+0.36Z6+0.35Z7;（1）

Y2=-0.04Z1-0.38Z2-0.38Z3-0.35Z4+0.26Z5+0.34Z6+0.64Z7;（2）

Y=86.33%×Y1+6.39%×Y2。（3）

在主成分分析的基础上，根据综合得分模型计算不同处理的综合得分，结果如表7所示，综合得分越高，说明该处理的综合情况越好。在主成分1中，W2H1处理的得分最高。在主成分2中，W1H2处理的得分最高。从综合得分来看，W3H2>W2H1>W1H1>W2H2>W3H1>W1H2，说明W3H2处理可为一品红水分管理提供理论依据。

2.3 不同处理对一品红品质的影响

如表8所示，该表为江苏省地方一品红分级标准，分别在冠高比、冠幅、损伤叶片数、花苞数及上市时间做出了明确的分级标准[6]。

2.3.1 不同基质含水量对一品红品质的影响 为了方便统计查看不同基质含水量对一品红各品质造成的影响，制成表9。表9清晰反映了一品红各品质指标的各级别所占比例。在冠高比方面，不同基质含水量处理的平均冠高比均达到了一级标准，差异不明显，其中仅有基质含水量在W3处理下，极小部分盆栽冠高比大于0.9小于1.0，属于二级标准，说明不同基质含水量处理对一品红冠高比的影响不大。在平均损伤叶片数方面，基质含水量在W2处理与W3处理下的平均损伤叶片数相对较少;W3处理下，一级（损伤叶片数为0张）占比达到33.33%，相对较高，三级（损伤叶片数低于5张）占比为0，优于其他处理组，说明该处理盆花品质较为理想。在花苞数方面，在各处理中，基质含水量在W1处理、W2处理下的平均花苞数较多，W3处理下的平均花苞数较少，而且达一级（3～5朵）的比例为100%，二级、三级占比均为0，整齊度为100%，该处理品质显著;W2处理出现三级（8～10朵）花苞数，占处理数的1/6，盆花品质较不理想。在冠幅方面，W1处理下的平均冠幅最大，W2处理下的平均冠幅最小。从江苏省一品红地方标准来看，在W2处理与W3处理下的冠幅均达一级品质的比例为83.3%，而且2个处理三级占比均为0，均在二级之上，盆花品质较理想。

2.3.2 不同传感器位置处理对一品红品质的影响 表10描述的是不同位点间一品红各品质指标的各级别占比情况。在冠高比方面，不同水分传感器位置处理的平均冠高比大多达到了一级标准，差异不明显，95%以上的处理均达一级，说明不同水分传感器位置处理对一品红冠高比的影响不大。在平均损伤叶片数方面，H2处理下的平均损伤叶片数相对较少，该处理的一级（损伤叶片数为0张）占比达到33.33%，相对较高，三级（损伤叶片数低于5张）占比较低，优于另一组处理，说明该处理的盆花品质较为理想。在花苞数方面，H1处理下的平均花苞数较多，H2处理下的平均花苞数较少，而且一级（3～5朵）的比例高达66.67%，相对较高，三级占比为0，整齐度为66.67%，该处理品质显著。H1处理下的花苞数出现三级（8～10朵）比例，盆花品质较不理想。在冠幅方面，H1处理下的平均冠幅较大，H2处理下的平均冠幅较小。从江苏省一品红地方标准来看，H2处理下的盆花品质一级比例是77.78%，而且三级占比为0，盆花品质较理想。

3 讨论

3.1 不同基质含水量对一品红生长和品质的影响

相关研究表明，水分过高过低都不利于植物生长[7-9]，适当的水分管理显得尤为重要。水分管理系统大多通过灌溉下限[10-12]、灌溉阈值控制灌溉。孙向丽等认为一品红基质含水量在59.28%～66.83%时，是适宜一品红生长发育的基质含水量[4]。本研究通过方差分析方法发现不同基质含水量对一品红生长状况无显著影响，即基质含水量在55%～70%时，可认为是适宜一品红生长的基质含水量。或许是因为地域、季节、基质等因素造成与前人试验结果略有差异。研究还发现基质含水量显著影响一品红的新增叶长和新增叶展，在这2个方面，W3处理下的新增量总是大于W1处理与W2处理。间接说明灌溉量的增加促进了叶长、叶展的生长。水分是影响植物生长和品质的重要因素[13-17]。根据江苏省地方标准，对一品红的品质指标加以研究分析，发现不同基质含水量处理对损伤叶片数、花苞数、冠幅的影响有显著差异，但对冠高比的影响不大，可能与栽培环境、栽培密度等有关。在后续的试验中还应该考虑更多因素，增加不同基质类型、种植密度的研究。

3.2 主成分分析

Hazell等指出主成分分析是被广泛接受的建模技术之一，并通过该项评估技术探讨了蝴蝶生物多样性指数的设计和实现，效果显著[18]。对一品红的生长指标进行主成分分析，对于掌握一品红的生长状况具有重要的现实意义。一方面，有利于帮助设施花卉从业者找出一品红关键的生长指标，从而为后续的建模奠定良好的基础;另一方面，有利于找出最佳的处理组合，从而帮助设施花卉从业者更好地进行灌溉策略的制定。本研究基于前人的研究，选取测定了一品红的7项生长指标，进而使用Pearson相关系数对其进一步筛选。结果发现，7项指标的相关系数均接近于1，相关性较强。进一步选取这7项指标通过主成分分析（PCA）理论构建一个基于生长指标的综合得分模型。最终发现，通过新增叶长（尤毅等也选用新增叶片长度[19]）、新增叶宽2个指标可以反映主体的主要信息，即可以解释一品红生长状况的92.72%。在贡献率分析基础上，主成分综合模型得分最高的是W3H2处理。

主成分分析的结果能为温室花卉的自动化管理提供一定的理论依据，但是由于现实条件的局限性，本研究仅考虑了7项生长指标。因此，在未来的研究中，为了全面掌握花卉的生长状况，将更多花卉的生长指标、生理指标纳入也是非常必要的，具体研究结果有待进一步研究。

3.3 不同传感器位置对一品红生长和品质的影响

关于土壤水分异质性的规律，国内外已有较多相关的研究。不同的土壤类型水分运移的规律是不同的[20-23]，并且在不同的地点、土壤深度上表现出很明显的空间异质性[24-26]。随着社会的发展，无土栽培已作为一门已经发展应用到许多领域的年轻科学，但是基质内水分空间的异質性鲜少报道。郑佳琦认为农业用水一直存在供需矛盾，较多的灌水不仅不利于植株生长，也不利于经济效益[27]。精准灌溉是解决农业用水日趋矛盾、水资源高效利用的基础，解决水分传感器的埋设位置是实现精准灌溉的关键。因此，本研究中针对目前花卉研究中未考虑栽培基质内水分空间异质性的问题，开展了不同水分传感器位置的试验。

水分传感器位置的确定不仅为节水农业做了良好的铺垫，更为自动化灌溉提供理论支持。合理选择传感器位置的方法有很多种[28-31]。很早之前，国内外研究就有表明，在滴灌条件下，根据不同作物的根系特征，传感器垂直埋设位置应为较浅处理的2倍[32-33]。本研究中水分传感器位置因素设置2个水平，分别为H1（距根基4 cm）、H2（距根基 8 cm）。传感器位置因素对植物生长和品质有影响。王风姣等研究发现，水分传感器位置因素对籽棉产量的影响具有统计学意义[34]。曹少娜等研究发现，水分传感器埋设位置对温室基质栽培番茄生长特性有影响[35]。本研究分析结果与前人研究结果一致，水分传感器位置对一品红生长特性有影响，显著影响其生长和品质。经过H1处理与H2处理，在新增叶长、新增叶宽、新增叶展、新增冠幅这4个方面都有显著差异，H2处理的增长量均显著大于H1处理。这是因为同一基质含水量下，不同位点下的灌溉量不同，H2处理下的灌溉量更多一些，造成了差异，并且通过对比分析得到H2处理下的盆花品质较佳，间接说明一品红喜湿润的特点。研究结果与前人的研究成果相符，即适当地提高灌水量有利于植物的生长[36-37]和品质[38-39]。由于一品红生长状况及品质还受生长季节、地区条件等影响，加之感官评价的主观性，故分析结果存在主观性。在今后的研究中，应增加采集样本的范围，加强深入研究，使研究更具有实用性，为灌溉提供更为有效的依据。

4 结论

基质含水量显著影响一品红的新增叶长和新增叶展，并且当基质含水量在55%～70%时可认为是适宜一品红生长的基质含水量。新增叶长、新增叶宽2个指标可以反映主体的主要信息，可以解释一品红生长状况的92.72%。在贡献率分析基础上，主成分综合模型得分最高的是W3H2处理，即认为水分传感位置为H2，基质含水量为W3的处理结果最优。

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