基于主成分分析的番茄苗期生长评价指标研究

黄媛 李瑜玲 高欣娜 张燕 陈诚 武猛 李海杰 杜亚茹 康艺凡 杨英茹

摘    要：為研究河北石家庄秋冬茬设施番茄种植过程中环境温度对番茄苗生长的影响，选用大果型番茄合作906为试验材料，在人工气候室开展苗期番茄不同昼夜温差试验，采集本地种植番茄的设施环境温度进行统计分析，参照实际昼夜温度进行试验设计，昼均温设置26、29、32、35 ℃，昼夜温差设置0、3、6、9 ℃，夜温=昼温-昼夜温差。通过对番茄苗的株高生长速率、茎粗生长速率、根冠比、壮苗指数、光合速率、蒸腾速率、水分利用率、气孔导度、光能利用率等9项指标的测量，并进行了相关性分析和主成分分析，得到3个主成分，其累计贡献率为77.593%，通过3个主成分的特征值加权计算9个性状的主成分因子的综合得分，其中29 ℃/23 ℃为得分最高的昼夜温度组合，即为苗期的最适宜生长温度。

关键词：设施番茄;昼夜温差;相关性分析;主成分分析

中图分类号：S641.2 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2021）08-032-06

Evaluation indexes of tomato seedling growth based on principal component analysis

HUANG Yuan1， Li Yuling1， GAO Xinna1， ZHANG Yan2， CHEN Cheng2， WU Meng1， LI Haijie1， DU Yaru1， KANG Yifan1， YANG Yingru1

（1. Shijiazhuang Agricultural Information Engineering Technology Research Center/Hebei Province City Agriculture Technology Innovation Centers/Shijiazhuang Academy of Agricultural and Forestry Sciences， Shijiazhuang 050041， Hebei， China; 2.Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture， Beijing 100000， China）

Abstract： In order to study the effect of ambient temperature on tomato seedling growth during greenhouse tomato planting in autumn and winter in local area， the large-fruit tomato Hezuo 906 was used as the experimental material to carry out different diurnal temperature differences of tomato at seedling stage in an artificial climate chamber. The ambient temperature of greenhouse tomato planted in local area was collected for statistical analysis and the experimental design was carried out with reference to the actual diurnal temperature. The daytime average temperature was set to be 26 ℃， 29 ℃， 32 ℃， 35 ℃， and the diurnal temperature difference was set to be 0 ℃， 3 ℃， 6 ℃， 9 ℃， and the night temperature = day temperature –day temperature difference. Nine indexes of tomato seedlings， such as plant height growth rate， stem diameter growth rate， root to shoot ratio， strong seedling index， photosynthetic rate， transpiration rate， water use efficiency， stomatal conductance and light energy use efficiency， were measured， and correlation analysis and principal component analysis were performed. The results showed that three principal components accounted for 77.593% of the total contribution rate. The comprehensive scores of the principal component factors of nine traits were calculated by weighting the characteristic values of the three principal components. Among them， 29 ℃/23 ℃ was the diurnal temperature combination with the highest score， and it was the most suitable temperature for seedling stage.

Key words： Greenhouse tomato; Diurnal temperature variations， Correlation analysis; Principal component analysis

番茄是我國栽培区域最为广泛的蔬菜之一，同时依靠农业设施实现了番茄的周年化生产[1-3]。北方地区番茄种植分为春、秋两茬，秋茬主要在8月中下旬左右定植，翌年2月拉秧[4]。番茄苗定植后，正值北方盛夏季节，白天气温高，夜间保温性好，因此设施内呈现白天气温高和夜间温差小的特点[5-6]。

番茄苗对空气温度敏感，许多学者开展过番茄苗期温度管控研究，高温对番茄苗的植株形态、营养生长、生理代谢等方面均能产生威胁[6]。赵勇竣等[7]研究表明，38 ℃高温下，多个番茄品种幼苗叶片内抗氧化酶活性表现为先升后降，高温处理5 d为番茄幼苗感受高温胁迫的转折点。袁慧敏等[8]研究表明，在27～37 ℃条件下，番茄幼苗株高和节间高于对照（15～25 ℃），茎粗显著减小，出现徒长。不同昼夜温差对番茄苗生长也会产生不同的影响，李莉等[9]、毛丽萍等[10]研究表明，均温20 ℃时，6 ℃以上的昼夜温差有利于番茄苗期干物质积累以及花芽分化。杨再强等[11]、陈艳秋等[12]的研究表明，日均温25 ℃下，番茄的幼果坐果率、果实横径、果实纵径、单果质量和单株产量以6 ℃昼夜温差处理最高。

基于多数学者在试验温度设置时没有依据具体种植茬口的实际温度，研究成果与生产实践有着一定的差距，因此笔者将基于本地设施秋茬番茄定植至现蕾前的实际环境温度，开展不同日均温及昼夜温差下的番茄生长研究，以期指导本地设施农业生产。

1 材料与方法

1.1 材料

试验品种选择大果型番茄合作906（抚顺市北方农业科学研究所育成），取生长状态较为一致、株高10～12 cm的番茄苗进行试验。

试验选用宁波东南仪器有限公司RXZ-600B人工气候室。生理数据采集设备为北京益康农有限公司ECA-PB0402光合测定仪。

1.2 方法

1.2.1 温度设置 试验温度设置依据为石家庄市农林科学研究院赵县农业科技园区番茄种植大棚，温度采集时间为2018年、2019年秋冬茬番茄定植后的21 d，采集设备选用国家农业信息化工程技术研究中心研制的温室微型气象站。温度采集目标温室建筑结构一致，建筑面积667 m2，种植面积489 m2，棚膜上下风口可开合进行通风换气、排湿降温。温度采集期间，栽培管理方法一致，均未采取夜温管理。采集方法为将气象站悬挂在温室中心位置，每30 min进行1次空气温度采集，全天可获得48条温度数据，根据日出、日落时间，将当日6：00—19：30的温度取平均数，得到昼均温，将20：00至次日凌晨5：30温度取平均数，得到夜均温。具体设施环境温度统计情况见表1。

对目标设施空气温度进行描述性统计（表2）可见，昼均温为25.31～37.76 ℃，夜均温为17.79～28.42 ℃，昼夜温差为0.42～15.62 ℃。据此将昼均温和昼夜温差作为两因素，昼均温设置26、29、32、35 ℃，昼夜温差设置0、3、6、9 ℃，夜温=昼温-昼夜温差，由此获得16组温度组合，以T1～T16表示，具体见表3。

1.2.2 方法 试验于2020年6—9月在石家庄市农林科学研究院农业信息研究中心试验室进行。试验土壤按V蚯蚓土∶V基质土=1∶3配比，水与土壤按体积比3∶8混合，混合后装入10 cm×9 cm的塑料花盆中，每盆240 g并种植1株番茄苗，每天定时注入50 mL水。每组处理选取幼苗30株移入人工气候室，选7株作为每组的样本，各组处理设3次重复。人工气候室白天14 h，光照度700 μmol·m-2·s-1，夜间10 h，无光照。

1.3 项目测定及方法

1.3.1 生长指标测定 株高测量方法为利用精度0.02 mm的游标卡尺测量植株茎基部子叶着生处到茎顶生长点之间的距离，测量3次，取平均值为当日株高数值。株高测量时间为试验的0（处理当天）、3、6、9 d。株高相对生长速率的计算公式：Vs=（lnL2-lnL1）/（T2-T1）;其中，VS为番茄苗株高相对生长速率，L1、L2为相邻2次测量的株高，T1、T2为2次测量株高的时间。

茎粗的测量方法为测量植株茎基部子叶着生处直径最大值，每次测量3次，取平均值，测量时间为试验0（处理当天）、3、6、9 d。茎粗的相对生长速率的计算公式：VZ=（lnW2-lnW1）/（T2-T1）其中，VZ为番茄苗茎粗的相对生长率，W1、W2为2次测量的茎粗，T1、T2为2次测量茎粗的时间[13]。

干质量测量方法为在试验9 d时将苗材从花盆中取出，洗净根部泥土，将根部和地上部分分离，分别用105 ℃杀青15 min，转80 ℃烘干至恒重放置干燥器降至室温，用精度0.01 g天平分别称其干质量，计算其根冠比、壮苗指数。根冠比=根部干质量/地上部分干质量，壮苗指数=（茎粗/株高+根部干质量/地上部分干质量）×总干质量[14]，其中茎粗/株高为干质量测量前的比值。

1.3.2 生理指标测定 生理指标采集时间为试验3、6、9 d，每个处理的日间时段运行至7 h进行测量。每株选择上顶端向下第3片完全展开的功能叶，测量叶面积为2 cm2，每株测量3次，取平均值。生理指标包含光合速率（μmol·m-2·s-1）、蒸腾速率（mmol·m-2·s-1）、叶片气孔导度（mmol·m-2·s-1）、水分利用率（%）。

1.4 数据分析

试验数据利用SPSS 23.0进行分析，其中显著性水平设置为0.05。

2 结果与分析

2.1 番茄苗生长、生理指标统计及相关性分析

由表4可知，将株高生长速率、茎粗生长速率、根冠比、壮苗指数、光合速率、蒸腾速率、水分利用率、气孔导度、光能利用率这9项指标分别以X1～X9表示，对不同处理的生长、生理指标数据进行方差分析得到各处理基本表现。

为消除变量之间的量纲关系，将数据进行标准化，得到ZX1～ZX9，将标准化之后的数据进行Pearson相关性分析，由表5可见，茎粗生长速率和壮苗指数之间呈极显著正相关;光合速率与水分利用率呈极显著正相关;蒸腾速率与壮苗指数呈显著正相关;光能利用率与根冠比之间呈极显著正相关，与光合速率、蒸腾速率呈显著正相关。由于试验指标较多且关系复杂，仅通过生长或生理某一类指标很难全面衡量番茄幼苗生长的优劣，因此需进一步进行因子分析，通过提取主成分，对番茄苗的生长状况进行综合评价。

2.2 主成分分析

由表6总方差解释表可知，前3项主成分特征根均大于1，前3个主成分的特征根分别是3.561、1.928、1.495，方差贡献率分别为39.564%、21.417%、16.612%，累计贡献率为77.593%，可以反映出9项指标的大部分信息，因此选取3个主成分作为主成分因子。将初始因子载荷矩阵中的数据命名为变量V1、V2、V3，根据F1=V1/[3.561]，F2=V2/[1.928]，F3=V3/[1.495]计算得到系数矩阵，并将得到的系数与标准化后的数据相乘，得到3个主成分的函数数式：

Z1=0.349 2×Z1+0.197 7×Z2+0.281 4×Z3+0.457 3×Z4+0.367 2×Z5+0.369 9×Z6+0.381 0×Z7+0.340 2×Z8+0.133 5×Z9。

Z2=0.035 3×Z1+0.563 9×Z2-0.010 8×Z3-0.067 7×Z4+0.391 8×Z5-0.431 4×Z6+0.287 4×Z7-0.457 3×Z8-0.211 0×Z9。

Z3=-0.137 4×Z1+0.056 4×Z2+0.561 1×Z3+0.306 7×Z4-0.204 5×Z5-0.260 1×Z6-0.169 3×Z7-0.304 2×Z8+0.582 3×Z9。

按3個主成分的特征值加权计算9个性状的主成分因子的综合得分Z，即不同温度处理综合评价指标计算公式：Z=3.561×Z1+1.928×Z2+1.495×Z3。由表7的综合得分及排名可知，T11表现最好，得分7.22，即29 ℃/23 ℃为缓苗期的最适宜昼夜温度。

3 讨论与结论

在昼均温35 ℃的T1～T4组和昼均温32 ℃的T5～T8组中，无昼夜温差的T1、T5处理得分较低，随着温差的增大，番茄苗生长情况综合得分逐渐提高。根据Agrawal等[15]、Bunce [16]的研究，昼夜温差大小与光合作用关键酶——Rubisco的活性或者数量高度相关。本试验的结果也应证了在较高的白天温度下随着夜温的降低，叶肉细胞的光合活性逐渐提高，逐渐缓解了白天高温对番茄苗生长的抑制作用。昼均温为26 ℃的T13～T16组中，6 ℃昼夜温差下综合评分最优，3 ℃和0 ℃温差下综合得分差异不大，9 ℃昼夜温差即夜均温为17 ℃时表现最差。这可能是由于番茄的适宜生长温度为17～30 ℃，夜间温度过低会影响植物细胞的结构和功能，诱导类囊体膜上LHCH构成的变化，造成活性氧积累，影响光能的吸收和利用，从而引发代谢失调[17-19]，表现为生长受阻。

温度是影响农业生产的重要因素之一，荷兰、日本等国的设施农业已实现周年适温管控，而我国的农业设施以保温为主要功能诉求[20-21]。设施环境多因素精准调控必然是现代农业发展的重要途径，因此，今后应继续探索外部环境、建筑结构、控温设备与设施内各项环境条件的耦合关系，开展设施环境综合模型研究，通过物联网技术进一步构建实时可测、分段可控的智能化设施番茄管控技术[22-23]。

本研究利用主成分分析，通过对番茄苗生长、生理指标进行降维化简，基于特征向量进行多元分析，综合和客观地对各昼夜温度组合的番茄苗进行评价，得到29 ℃/23 ℃为河北石家庄地区秋茬番茄苗期最优昼夜温度，为当地设施番茄管理提供了依据。

参考文献

[1] 赵凌侠，李景富.番茄起源、传播及分类的回顾[J].作物品种资源，1999（3）：3-5.

[2] 王娟娟.我国瓜菜产业现状与发展方向[J].中国蔬菜，2017（6）：1-6.

[3] 何芬，马承伟.中国设施农业发展现状与对策分析[J].中国农学通报，2007，23（3）：462-465.

[4] 卢炳瑞.番茄高产栽培技术[M].吉林：吉林摄影出版社，2005.

[5] 周长吉.日光温室设计荷载探讨[J].农业工程学报，1994，10（1）：161-166.

[6] 苏春杰.温室环境多因子耦合对番茄生长调控效应研究及模型构建[D].陕西杨凌：西北农林科技大学，2018.

[7] 赵勇竣，徐术菁，王钊，等.高温胁迫对3个番茄品种生长和生理指标的影响[J].江苏农业科学，2019，47（17）：147-149.

[8] 袁慧敏，王革伏，樊佳茹，等.高温对番茄幼苗生长和花芽分化的影响[J].西北植物学报，2019，39（10）：1768-1775.

[9] 李莉，李佳，高青，等.昼夜温差对番茄生长发育、产量及果实品质的影响[J].应用生态学报，2015，26（9）：2700-2706.

[10] 毛丽萍，李亚灵，温祥珍.苗期昼夜温差对番茄产量形成因子的影响分析[J].农业工程学报，2012，28（16）：172-177.

[11] 杨再强，王学林，彭晓丹，等.人工环境昼夜温差对番茄营养物质和干物质分配的影响[J].农业工程学报，2014，30（5）：138-147.

[12] 陈艳秋，赵翔，刘昭霞，等.不同昼夜温差对设施番茄果实发育及产量的影响[J].北方园艺，2014（24）：38-42.

[13] 张洁，李天来，徐晶.昼间亚高温对日光温室番茄生长发育、产量及品质的影响[J].应用生态学报，2005，16（6）：1051-1055.

[14] 陆帼一，张和义，周存田.番茄壮苗指标的初步研究[J].中国蔬菜，1984（1）：11-17.

[15] AGRAWAL M，KRIZEK D T，AGRAWAL S B，et al.Influence of inverse day/night temperature on ozone sensitivity and selected morphological and physiological responses of cucumber[J].Journal of the American Society for Horticultural Science，1993，118（5）：649-654.

[16] BUNCE J A.Effects of day and night temperature and temperature variation on photosynthetice characteristics[J].Photosynthesis Research，1985，6（2）：175-181.

[17] 弓志青.溫室温度与番茄生长、生产关系的分析[D].山西太谷：山西农业大学，2003.

[18] 李艳军.外源化学物质诱导对番茄苗期抗冷性的影响[D].哈尔滨：东北农业大学，2005.

[19] 王孝宣，李树德，东惠茹，等.低温胁迫对番茄苗期和花期若干性状的影响[J].园艺学报，1996，23（4）：349-354.

[20] 刘峰，张明宇.国内外设施农业发展现状及问题分析[J].农业技术与装备，2014（14）：23-24.

[21] 葛志军，傅理.国内外温室产业发展现状与研究进展[J].安徽农业科学，2008，36（35）：15751-15753.

[22] 李明，周长吉，魏晓明.日光温室墙体蓄热层厚度确定方法[J].农业工程学报，2015，31（2）：177-183.

[23] 李小芳.日光温室的热环境数学模拟及其结构优化[D].北京：中国农业大学，2005.