基于主成分分析的生活再生水滴灌对苹果影响的综合评价

朱永福，田军仓，2，3，董思琼，沈 晖，2，3，闫新房，2，3

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川750021）

0 引言

2020年宁夏废污水排放量约3 亿m3，可生产再生水量达2.4 亿m3，实际处理利用量约0.6 亿m3， 再生水利用率只有20%，与宁夏2025年再生水利用率50%的目标差距较大，实现再生水资源化利用挖掘潜力巨大[1]。苹果产业作为宁夏13个特色优势产业之一，2018年种植面积达3.8 万hm2，但宁夏有限的水资源限制了苹果产业的发展，迫切需要寻找替代水源，此时再生水成为缓解水资源紧张的重要途径[2-4]。

目前，再生水用于林果业灌溉研究主要集中在葡萄[5]、油茶[6]、柑橘[7]、枸杞[8]、西柚[9]、柠檬[10,11]、橄榄[12]等，对于采用再生水灌溉苹果对其微生物的影响有一篇国外文献报到[13]，其他研究未见报道。苹果水肥组合的研究主要集中在常规水源灌溉[14-20]，对于采用非常规水源的生活再生水滴灌苹果，研究水肥组合对苹果的影响暂未见文献报道。因此，为探究在生活再生水滴灌条件下，水肥组合对苹果生长、光合、产量和品质的影响，本文以矮砧密植礼泉短富苹果为研究对象，对生活再生水滴灌苹果水肥最优组合方案进行研究，旨在为该地区采用生活再生水水肥高效滴灌苹果的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年3月下旬到2020年10月下旬在宁夏回族自治区中卫市沙坡头区宣和镇弘兴达果业示范基地（105°22´56″E，37°23´26″N）进行，生育期内降雨量为180.4 mm。试验田土壤为砂砾石土，0~40 cm土壤干容重为1.48 g/cm3，田间质量持水率15.1%，pH 值为8.59，有机质为4.16 g/kg，全盐量为0.51 g/kg，碱解氮为45.8 mg/kg，速效磷为6.1 mg/kg，速效钾为256 mg/kg。灌溉的黄河水取自中卫市南山台扬水三干渠，灌溉的再生水为中卫市第四污水处理厂的生活再生水，生活再生水水质符合《农田灌溉水质标准》（GB5084-2021），其水质指标如表1所示。

表1 生活再生水和黄河水水质指标Tab.1 Water quality index of domestic reclaimed water and Yellow River water

1.2 试验设计

采用正交试验，设置灌溉水质（Q）、灌溉定额（W）与施肥量（F）3个因素，每因素设3个水平，共9个处理，每处理重复3次。通过正交试验，旨在揭示不同水质、灌溉定额与施肥量对苹果的影响规律，确定各因素的最优组合方案。正交试验方案如表2所示。

表2 试验方案Tab.2 Test scheme

1.3 试验实施

本试验品种选取礼泉短富苹果，其栽植于2016年4月中旬，树形采用高纺锤形，东西向种植，株距1.5 m，行间距为4 m。供试基肥为沼液，追肥为磷酸二氢钾（水溶性P2O5≥52%，K2O≥34%）、尿素（N≥46%）。滴灌管沿种植行进行布置，滴灌管直径为16 mm，滴头间距50 cm，滴头流量1.5 L/h。在试验实施期间，各处理总共灌水18 次，其中降雨时均不灌水。萌芽开花期（4月上旬-5月中旬）灌水7 次，其中5次随水施肥；叶片扩展期（5月下旬-6月中旬）灌水施肥3 次；果实膨大期（6月下旬-8月下旬）灌水7 次， 其中4 次随水施肥；果实成熟期（9月）灌水施肥1 次，均采用滴灌水肥一体化技术随水施肥。

1.4 测定指标和方法

苹果新梢长度采用钢卷尺，新梢茎粗采用数显游标卡尺；苹果光合指标（净光合速率Pn）采用LI-6800 型光合仪[4,21-23]；苹果产量采收每个处理3个小区的所有果实并称重换算；苹果可溶性固形物采用阿尔法折射仪，总糖采用菲林试剂，维生素C采用2，6-二氯靛酚滴定法分别进行测定。

采用Office 2019、SPSS 25.0 软件及Origin 2018 绘图软件进行数据处理及绘图。

2 结果与分析

2.1 各处理对苹果生长指标的影响

2.1.1 各处理对苹果新梢长度的影响

由图1可知，各处理苹果新梢长度生长趋势大致相同，在果实成熟期逐渐趋于稳定，其中T3处理的苹果新梢长度最大。对各处理苹果新梢长度进行极差分析可知，3因素影响的主次顺序为灌溉定额W＞施肥量F＞灌溉水质Q。由图2 可知，苹果新梢长度分别随着灌溉定额和施肥量的增加而不断增大。

图1 各处理对苹果新梢长度的影响Fig.1 Effects of different treatments on apple shoot length

图2 苹果新梢长度与各因素关系Fig.2 Relationship between apple shoot length and various factors

由方差分析可知，灌溉定额和施肥量对苹果新梢长度影响极显著，灌溉水质对苹果新梢长度影响显著。参考组合与最优组合一致，为Q1W3F3，即采用生活再生水滴灌，灌溉定额为6 480 m3/hm2、施肥量为317 kg/hm2时，苹果新梢长度为60.4 cm。

2.1.2 各处理对苹果新梢茎粗的影响

由图3可知，各处理苹果新梢茎粗前期增长速度较快，后期随着苹果果实的膨大，新梢茎粗生长逐渐减缓，其中T3 处理的新梢茎粗最大。对各处理苹果新梢茎粗进行极差分析可知，3 因素影响的主次顺序为灌溉定额W＞施肥量F＞灌溉水质Q。由图4 可知，苹果新梢茎粗分别随着灌溉定额和施肥量的增加而不断增大。

图3 各处理对苹果新梢茎粗的影响Fig.3 Effects of different treatments on shoot diameter of apple

图4 苹果新梢茎粗与各因素关系Fig.4 Relationship between stem diameter of apple new shoots and various factors

由方差分析可知，灌溉定额和施肥量对苹果新梢茎粗的影响显著，滴灌水质对苹果新梢茎粗的影响不显著。参考组合与最优组合一致，为Q1W3F3，即采用生活再生水滴灌，灌溉定额为6 480 m3/hm2、施肥量为317 kg/hm2时，苹果新梢茎粗为8.37 mm。

2.2 各处理对苹果净光合速率Pn的影响

由图5 可知，各处理苹果Pn日变化趋势基本一致，呈现“M”形，其中T3 处理的Pn日变化均值最大。对各处理苹果Pn日变化的平均值进行极差分析可知，3因素影响的主次顺序为灌溉定额W＞施肥量F＞灌溉水质Q。由图6可知，苹果Pn分别随着灌溉定额和施肥量的增加而不断增大。

图5 各处理对苹果净光合速率日变化的影响Fig.5 Effects of different treatments on diurnal variation of net photosynthetic rate of apple

由方差分析可知，灌溉定额和施肥量对苹果Pn日变化的平均值影响均显著，滴灌水质对苹果Pn日变化的平均值影响不显著。参考组合与最优组合一致，为Q1W3F3，即采用生活再生水滴灌，灌溉定额为6 480 m3/hm2、施肥量为317 kg/hm2时，苹果Pn日变化的平均值最大为15.44µmol/(m²·s)。

2.3 各处理对苹果产量的影响

由图7 可知，T3 处理的苹果产量最大，为39 250 kg/hm2。对各处理的苹果产量进行极差分析可知，3因素影响的主次顺序为灌溉定额W＞施肥量F＞灌溉水质Q。由图8 可知，苹果产量分别随着灌溉定额和施肥量的增加而不断增大。

图8 苹果产量与各因素关系Fig.8 Relationship between apple yield and various factors

由表3可知，灌溉定额和施肥量对苹果产量的影响均达到极显著水平，灌溉水质对苹果产量影响显著。参考组合与最优组合一致，为Q1W3F3，即采用生活再生水滴灌，灌溉定额为6 480 m3/hm2、施肥量为317 kg/hm2时苹果的产量最高，为39 250 kg/hm2。

表3 产量与3因素关系的方差分析Tab.3 Analysis of variance of the relationship between yield and three factors

2.4 各处理对苹果品质的影响

2.4.1 各处理对苹果可溶性固形物的影响

由图9 可知，T9 处理苹果可溶性固形物含量最大，为17.2%。对各处理的苹果可溶性固形物含量进行极差分析可知，施肥量F＞滴灌水质Q ＞灌溉定额W。由图10 可知，苹果可溶性固形物含量分别随着灌溉定额和施肥量的增加先增加而后降低。

图9 各处理对苹果可溶性固形物的影响Fig.9 Effects of different treatments on soluble solids of apple

图10 苹果可溶性固形物与各因素关系Fig.10 The relationship between soluble solids and various factors in apple

由方差分析可知，滴灌水质、灌溉定额和施肥量对苹果可溶性固形物含量的影响均达到显著水平。参考组合为Q3W3F2，初次最优组合为Q2W2F2，考虑成本、效益等情况，确定最优组合为Q3W3F2，即采用黄河水滴灌，灌溉定额为6 480 m3/hm2、施肥量为237 kg/hm2时，可溶性固形物为17.2%。

2.4.2 各处理对苹果总糖的影响

由图11 可知，T2 处理苹果总糖含量最高，为13.5%。对各处理的苹果总糖含量进行极差分析可知，施肥量F＞灌溉定额W ＞滴灌水质Q。由图12可知，苹果总糖含量分别随着灌溉定额和施肥量的增加先增加而后降低。

图11 各处理对苹果总糖的影响Fig.11 Effects of different treatments on total sugar of apple

图12 苹果总糖与各因素关系Fig.12 Relationship between apple total sugar and various factors

由方差分析可知，灌溉定额和施肥量对苹果总糖含量的影响均达到显著水平，灌溉水质对苹果总糖含量的影响不显著。参考组合与最优组合一致，为Q1W2F2，即采用生活再生水滴灌，灌溉定额为4 860 m3/hm2、施肥量为237 kg/hm2时苹果的总糖含量最高，为13.5%。

2.4.3 各处理对苹果维生素C的影响

由图13可知，T5处理苹果维生素C含量最高，为8.48 mg/(100 g)。对各处理的苹果维生素C 含量进行极差分析可知，施肥量F＞灌溉定额W ＞滴灌水质Q。由图14可知，苹果维生素C含量随着灌溉定额的增加先增加而后降低，随着施肥量的增加而不断增大。

图13 各处理对苹果维生素C的影响Fig.13 Effects of different treatments on vitamin C of apple

图14 苹果维生素C与各因素关系Fig.14 The relationship between vitamin C and various factors in apple

由方差分析可知，滴灌水质、灌溉定额和施肥量对苹果维生素C含量的影响均达到显著水平。参考组合为Q2W2F3，初次最优组合为Q1W2F3，考虑成本、效益等情况，确定最优组合为Q2W2F3，即生活再生水黄河水混合滴灌，灌溉定额为4 860 m3/hm2、施肥量为317 kg/hm2时苹果的维生素C 含量适宜，为8.48 mg/(100 g)。

2.5 各处理滴灌对苹果影响的综合评价

生活再生水滴灌对苹果影响的评价不应只考虑某单一指标，而应全面的从苹果生长、光合、产量和品质指标进行系统、科学的综合评价[24,25]。主成分分析的思想是采用降维手段，将多指标转化为少数几个能解释原本较多指标的多元统计分析法[26-30]。

2.5.1 主成分分析检验

利用KMO 和Bartlett 进行因子分析前的检验，检验数据是否适合进行主成分分析。分析结果知KMO值0.620，Bartlett球形度检验中近似卡方值61.577、df21、P值0.000，说明适合进行主成分分析。

2.5.2 评价模型建立

由表4各指标主成分的方差贡献率可知，第一、二、三主成分方差贡献率分别为58.176%、22.543%和14.615%，累积方差贡献率达95.333%。第一主成分（Z1）主要反映苹果新梢长度、新梢茎粗、净光合速率和产量，第二主成分（Z2）主要反映可溶性固形物和总糖，第三主成分（Z3）主要反映维生素C。第一、二、三主成分相互不关联，其各自具有代表性，故选用3个成分代表苹果7个指标进行分析。

表4 各指标主成分的方差贡献率Tab.4 Variance contribution rate of principal components of each index

由主成分得分系数矩阵，可得各主成分苹果指标的表达式如下：

Z1=0.238Y1+0.239Y2+0.243Y3+0.243Y4+0.109Y5+0.004Y6+0.044Y7

Z2=-0.033Y1-0.112Y2-0.059Y3-0.049Y4+0.444Y5+0.599Y6+0.241Y7

Z3=0.116Y1-0.023Y2-0.032Y3-0.015Y4-0.448Y5-0.022Y6+0.872Y7

式中：Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7分别代表苹果新梢长度、新梢茎粗、净光合速率、产量、可溶性固形物、总糖、维生素C标准化后数据。

2.5.3 计算主成分得分和综合得分

以各主成分方差贡献率为权重，构建综合评价得分函数：Z=0.610Z1+0.236Z2+0.153Z3，得出各处理综合得分和排名，如表5所示。由表5 可知，各处理滴灌对苹果影响综合得分从高到低为：T3＞T9＞T5＞T2＞T6＞T4＞T8＞T7＞T1。

表5 综合得分Tab.5 Comprehensive score

3 结论

通过对生活再生水滴灌4 a 生矮砧密植礼泉短富苹果，研究对苹果生长、光合、产量和品质共7个指标的影响，研究发现，7个指标对应各处理的最优组合并不一致。采用主成分分析对7 个指标进行降维分析，提取3 个主成分，其累积方差贡献率达95.333%，能很好代表大部分指标，同时构建综合评价模型：Z=0.610 Z1+0.236Z2+0.153Z3。利用该模型对各处理进行综合评价打分排序，结果表明T3 处理各项指标综合较好，此时苹果新梢长度和茎粗分别为60.4 cm 和8.37 mm，Pn为15.44 µmol/(m²·s)，产量为39 250 kg/hm2，可溶性固形物为15.1%，总糖为12.1%，维生素C 含量为6.44 mg/（100 g）。故在砂砾石土、生育期降雨量为180.4 mm 的条件下，对于4 a生矮砧密植礼泉短富苹果，采用生活再生水滴灌，灌溉定额为6 480 m3/hm2，施肥量为317 kg/hm2，为宁夏苹果采用生活再生水高效利用的滴灌施肥模式。