基于主成分分析的磁化水灌溉对盐胁迫下葡萄影响的综合分析及评价

汤 英，唐 瑞，徐利岗，于 浩

（1. 宁夏水利科学研究院，宁夏 银川 750021； 2. 宁夏科技特派员创业指导服务中心，宁夏 银川 750001）

0 引 言

葡萄是我国主要水果之一，也是西北地区主要的经济作物，年产量1 400 万t。但在土壤盐渍化地区，水资源缺乏及不合理的灌溉则会导致葡萄产量和品质下降，极大的限制了葡萄产业的可持续发展［1］。因此，大力发展节水灌溉以保证水资源高效利用及葡萄优良品质是葡萄产业发展的重点。而开发新型农业水源是目前节水灌溉发展的热点方向之一［2］。磁化水是通过外加磁场，改变灌溉水理化性质的方法，近年来作为新型农业灌溉水源，已逐渐被广泛关注［3-6］。通过磁场的作用，水的表面张力系数、密度、黏度、pH值等理化性质会发生一定程度上的改变［7-9］。同时，磁化处理可增强Ca2+、Mg2+等金属离子水合化能力，促进细胞膜离子运输［10］。崔路路［11］等发现经过磁化处理可以有效提高种子萌发效果，影响幅度可达100%以上；王俊花等［12］研究表明磁化水可提高甜玉米种子发芽率，并增加叶片叶绿素含量，可有效提高产量；李铮［13］利用磁化水灌溉番茄幼苗，发现叶片总叶绿素提高了4.1%～51.2%；刘秀梅［14］等研究发现磁化微咸水可使欧美杨光合特性提高5.3%～29.3%。但目前关于磁化处理下微咸水灌溉对设施葡萄影响的分析与研究鲜有报道。本文在位于宁夏银川市西夏区的中国灌溉试验宁夏中心站开展田间试验，利用主成分分析法，综合分析评价盐胁迫下磁化水灌溉对葡萄根区土壤水分及盐分、葡萄植株生长生理指标及其产量品质的影响，为微咸水在设施葡萄上的高效利用提供一定的理论依据及参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2021 年4-10 月在宁夏回族自治区银川市西夏区中国灌溉试验宁夏中心站试验

基地（106°42'E，38°27'N，海拔1 115 m）设施大棚内进行，试验期间温室内平均温度为31.6 ℃，平均湿度29.1%（图1），试验区土壤容重为1.47 g∕cm2，田间持水量为23.4%。试验对象为3 年龄的葡萄树，行株距为3 m×0.8 m。灌溉水源为试验基地辐射井抽取的地下水，矿化度为0.53 g∕L，灌溉方式采用内镶式滴灌管，一行两管，滴头流量为2 L∕h，滴头间距为30 cm。

图1 生育期内温室温度及湿度Fig.1 Greenhouse temperature and humidity during growth

1.2 试验设计

试验共设置有灌溉水矿化度以及磁化处理共两个因素（表1），其中灌溉水矿化度设四个水平，分别为2.0 g∕L（S1）、3.0 g∕L（S2）、4.0 g∕L（S3）、5.0 g∕L（S4），以基地灌溉水为对照（地下水，0.53 g∕L，Sck）；磁化处理设两个水平，为非磁化（N，磁场强度为0 mT）与磁化（M，磁场强度为300 mT）；一共设置10 个处理，每个处理重复3 次。每个小区面积72 m2，共有3 行，每行10 棵葡萄树，中间行为观测行，两侧均设有保护行。每个小区分别安装1.5 m3的卧式塑料罐作为独立水源，并安装水位刻度尺，以实现对每个小区矿化度调配和灌溉水量的单独、准确控制（图2）。试验区内葡萄树全生育期灌水15 次，灌溉定额3 300 m3∕hm2；施肥6次，每次施肥量为120 kg∕hm2，采用复合肥（前期以高氮为主、中期以高氮高磷为主、后期以高磷高钾为主）水肥管理方案见表2。其他各项种植、田间管理及病虫草害植保防控措施均一致。

表1 试验设计表Tab.1 Design of experiments table

表2 试验区水肥管理方案表Tab.2 Management scheme of water and fertilizer in experimental area

图2 试验区布设图Fig.2 Arrangement of experiment area

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤含水率及盐分测定

（1）土壤含水率，采用PR2土壤剖面水分速测仪（英国，Delta-T）进行测量。每个处理选择1 个典型样株，在距离树干15 cm 处按照PR2 监测管1 个。全生育期内每10 d 监测一次，灌水前后各加测一次，测定时间为上午10∶00，测量深度为0～100 cm，分层分别为10、20、40、60 及100 cm。每2 个月采用烘干法对器测数据进行校正。

（2）土壤盐分含量，采用电导率法测定。分别在开花坐果期（4 月25 日）、果实膨大期（6 月1 日）、果实成熟期（7 月28 日）和休眠期（10月20日）距典型样株主干15 cm处，根区0～20、20～40、40～60 及60～100 cm，分4 层采取土样。土样经风干、碾磨及过筛后，配置1∶5土水比土壤浸提液，使用电导率仪测定土壤盐分含量。

1.3.2 葡萄树生长及生理指标

（1）葡萄树生长指标。每个处理选取一根长势良好的新生枝条作为代表枝条，挂牌标记。全生育期每10 d 监测1 次新稍生长量、茎粗及叶面积，每个处理重复三次。其中新梢生长量采用精度为1 mm 的钢卷尺测量；新梢茎粗采用精度为0.02 mm的电子游标卡尺测量；叶面积采用叶面系数法测量，量取葡萄叶片样品最大长度L1及最大宽度L2，叶片实际面积为S=L1L2k，k为叶面积系数，经统计测量本试验k取值为0.64。

（2）光合速率使用CI-340手持式光合作用测量系统进行测量（美国，CID），每个生育期选择典型晴天进行观测，测定时间为早上8∶00到下午18∶00，每2 h测定一次，每个处理重复3次。

1.3.3 产量、品质及水分利用效率

（1）产量及品质。每个处理选取三株长势相近的葡萄树作为典型植株进行测产。使用精度为0.01 kg 电子秤测量葡萄果实重量。采用数显折光仪测量可溶性固形物；VC 含量采用钼蓝比色法进行测量，采用蒽酮法测量可溶性糖含量，采用高锰酸钾滴定法测量还原性糖含量。

（2）水分利用效率，采用下式进行计算：

式中：Y为葡萄产量，kg；ET为枸杞整个生育期的蒸发蒸腾量，mm。

（3）土壤贮存水量，计算公式：

式中：V为土壤水分总贮存量，mm；Hi为第i层土层的厚度，cm；mi为第i层土壤的容重，g∕cm3；θit为第i土层t时段末的土壤重量含水率，%；θi（t-1）为第i土层t时段初的土壤重量含水率，%；i=1，2，3。

1.4 数据分析

采用Excel 2019 对采集的试验数据进行整理统计计算，使用SPSS25.0 软件进行软件对各处理试验数据进行分析，采用Origin 2021进行数据绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤含水率及土壤盐分

2.1.1 土壤含水率的时空变化

统计不同矿化度（0.5～4 g∕L，S1～S4）条件下，磁化水处理（M）和非磁化水处理（N）全生育期葡萄根区0～20、20～60 和60～100 cm 各土层土壤含水率并绘制变化过程线（图3）。从图中可以看出，灌水后各处理的土壤含水率均明显升高，磁化处理各土层的土壤含水率差异较大，变化规律基本相似，MS3的土壤含水率均最高，MS4最低，非磁化处理各土层土壤水变幅不大，变化特征基本相同；计算不同处理各次灌水前后0～100 cm 平均土壤含水率的变化量（表3）。从表3 中可以看出，磁化处理的土壤含水率变化量为1.72%～4.63%，非磁化处理的变化量为0.97%～3.54%。各磁化处理各次灌水前后土壤含水率变化量均高于非磁化处理。

表3 不同处理100 cm土层各次灌水前后土壤含水率变化量%Tab.3 Change of soil moisture before and after irrigation under different treatments

图3 不同处理各土层土壤含水率变化过程图Fig.3 Distribution of soil moisture content under different treatments

2.1.2 土壤水贮存量的变化

依据土壤水贮存量计算公式，基于各处理土壤含水率数据，计算每个处理全生育期的土壤贮存总水量（表4）。从表4中可以看出，在水分输入总量相同的条件下，磁化水处理的土壤水贮存量为9.1～16.8 mm，非磁化处理为12.1～37.3 mm，低于非磁化处理的贮存水量1.5～21.9 mm，其在葡萄生育末期（落叶期）留存在土壤里的水分较少。根据水量平衡方程，认为磁化处理葡萄的耗水量比非磁化葡萄的耗水量高。分析认为磁化处理增加了葡萄叶片的光合速率、蒸腾速率及气孔导度，从而促进了葡萄的光合作用和蒸腾耗水能力，提高了葡萄耗水总量，也就消耗了更多土壤水分，造成了磁化水各处理土壤水贮存量的总体偏小。

表4 不同生育期各处理0～100 cm土层土壤水贮存量计算表mmTab.4 The water storage capacity of soil in different growth stages under different treatments

2.1.3 土壤盐分

整理葡萄全生育期各处理不同土层全盐含量数据，统计萌芽期第一次灌水前的土壤盐分基础值与冬灌前相同位置处全盐含量的变化量，以反映磁化处理灌溉水对葡萄根区土壤盐分累计的影响并绘图（图4）。从图4 中可以看出，多数处理不同土层非磁化处理的全盐含量变化量即盐分累积量均高于磁化处理，其中盐分累积量最大的是20～60 cm 的MS4和NS4分别为0.35 和0.32 g∕kg，最小的分别是MS1处理0～20 cm 和MS2处理20～60 cm 的0.14 和0.15 g∕kg。统计相同矿化度的灌溉水处理，磁化与非磁化处理的不同土层全盐含量变化量及其差值（表5）。从表5中可以看出，磁化处理0～20和20～60 cm土层的盐分累积量均小于非磁化处理（除MS4外），其中MS3在0～20 cm 土层的盐分累计量较NS3小29.63%，MS2在20～60 cm 土层的盐分累计量较NS2小32.14%。60～100 cm 土层的磁化及非磁化处理盐分累积规律不显著。由此可见，磁化处理在一定程度上可以降低土壤盐分的累积，改善水土环境。

表5 不同矿化度磁化和非磁化处理各土层全盐含量变化情况表Tab.5 Variation of total salt content in each soil layer under different salinity with magnetization and non-magnetization treatments

图4 不同处理盐分累积量Fig.4 Accumulation of salt in different treatments

2.2 生长生理指标

2.2.1 新梢生长量、茎粗及叶面积

整理各处理典型植株的新梢生长量、茎粗及叶面积数据并绘图（图5）。从图5（a）中可以看出，各处理新梢生长量生长趋势相似，在生长初期增长较快后逐渐稳定。非磁化处理新梢生长量最大的为NSck处理，其次为NS1处理，最低为NS2处理；对于磁化处理，新稍生长量最大的为MS1处理，其次为MSck处理。这说明盐分胁迫会影响到葡萄的枝条生长，但经过磁化处理后，在矿化度较低时，会显著提高作物枝条生长。从图5（b）可知，各处理茎粗的生长规律与新稍生长量相同，前期增长速度较快，后期随着果实膨大，茎粗生长减缓。茎粗在非磁化水进行灌溉时，大小为NSck＞NS1＞NS3＞NS4＞NS2；在使用非磁化水灌溉时，茎粗大小为MS1＞MSck＞MS2＞MS3＞MS4。由此可见，磁化处理可缓解盐分胁迫对作物茎粗生长的影响，在一定程度上可促进茎粗生长。从图5（c）中可以看出，在CK、S1、S2，磁化处理的叶面积均大于非磁化处理，分别提高了1.06%、4.55%和37.51%；但S3处理磁化处理叶面积降低了20.37%。

图5 不同处理葡萄新梢生长量、茎粗及叶面积的变化Fig.5 Shoot growth， leaves varies and stem diameter under different treatments during growth period

2.2.2 生理指标

整理分析不同处理的葡萄叶片光合速率Pn、蒸腾速率Tr及气孔导度Gs数据（表6），分析盐胁迫下，磁化处理对叶片光合生理的影响。由表3可知，随着矿化度增加，Pn、Tr及Gs均呈现先增加后降低的趋势。与NSck相比，非磁化处理NS1的提高幅度最明显，Pn、Tr及Gs分别提高了26.22%、45%和18.62%；磁化处理与非磁化处理相同，MS1的生理指标提高最明显，幅度分别为38%、16.67%和65.77%。由此可见，在一定程度盐胁迫下会促进作物的光合特性。在相同矿化度下，磁化处理对葡萄的生理指标有明显的影响。在盐分胁迫程度较低时，经过磁化处理的灌溉水可提高葡萄光合速率，但随着盐分胁迫程度增加，磁化处理对光合速率的提升不明显。使用磁化水灌溉对葡萄蒸腾速率和气孔导度影响显著，但随着盐分胁迫的增加，磁化处理对Tr和Gs的增加效果逐渐降低。这说明，在盐分胁迫下，磁化处理可提高葡萄的生理特性，促进光合作用、蒸腾速率及气孔导度的增加，但在较高的盐分胁迫程度时，磁化处理提高作用不明显。

表6 不同处理对生理指标的影响Tab.6 Effects of different treatments on physiological indexes

2.3 葡萄产量及品质

分析不同处理对葡萄产量及品质的影响（表7）。从表中可知，MSCK处理产量最大，为48.29 t∕hm2，其次是MS2，产量为45.83 t∕hm2；产量最低是NS4处理，为9.83 t∕hm2。随着盐分胁迫程度增加，葡萄产量呈现先增大后减小的趋势。但相较于非磁化处理，磁化处理后的葡萄产量在盐胁迫下差异不大或有明显增高，其中S2、S3和S4磁化处理分别为非磁化处理的1.16 倍、1.46倍和1.48倍。磁化处理葡萄WUE高于非磁化处理，盐分胁迫下，磁化处理MS2的WUE最高为9.61 kg∕mm；在非盐分胁迫下，MCK处理的WUE大于NCK。结果表明，轻度盐分胁迫可以促进葡萄产量及WUE的增加，但随着胁迫程度加深，葡萄减产明显。从品质来看（表7），磁化处理和盐分胁迫对于葡萄可溶固形物、可溶性糖、VC 及还原性糖的影响较小。与非磁化处理相比，MS1和MS4处理的可VC 及还原性糖均大于NS1和NS4，分别增加12.52%和9.47%、28.39%和8.02%；MS2及MS3处理的可溶固形物及可溶性糖均小于NS2和NS3，分别降低11.35%和27.61%、27.41%和15.21%。对于可溶性固形物、可溶性糖、VC，最大值均为MS4处理；对于还原性糖，最大值为MS1处理。因此，相较于未磁化处理，磁化对于盐胁迫下的葡萄品质有一定促进作用，但效果并不显著。

表7 不同处理对葡萄产量及品质的影响Tab.7 Effects of different treatments on grape yield and quality

2.4 磁化水灌溉对盐胁迫下葡萄影响的综合评价

主成分分析是一种常用的多指标综合评价方法，其原理时采用降维手段，将多指标转化为几个综合指标的多元统计方法［15-18］。为分析磁化水灌溉对盐胁迫下葡萄的影响，采用主成分分析法对葡萄生长、生理、产量、WUE及品质指标进行综合评价（图6）。从图6 中可以看出，各评价指标之间均存在较好的相关关系。通过降维处理，共得到三个主成分。分析各指标主成分特征值和累积贡献率（表8）可知，第一、二、三主成分的方差贡献率分别为42.57%、23.83%和17.75%，累积贡献率为84.16%。从各指标成分矩阵表（表9）可知，第一主成分主要反映葡萄产量、WUE及叶面积；第二主成分主要反映气孔导度、VC及还原性糖；第三主成分主要反映茎粗。将表6数据对应除以主成分特征值的平方根，可得到各指标主成分的特征向量，利用特征向量和指标标准化值的乘积的和计算出F值，3 个主成分计算公式如下：

表8 各指标参数主成分特征值和累积贡献率Tab.8 Principal component eigenvalue and cumulative contribution rate of each index parameter

表9 各指标成分矩阵表Tab.9 Matrix table of each index component

图6 不同评价指标相关系数热图Fig.6 Heat map of correlation coefficients of different evaluation indexes

式中：x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9、x10、x11、x12分别代表葡萄的产量、可溶固形物、可溶性糖、VC、还原性糖、WUE、新稍生长量、茎粗、叶面积、光合速率、蒸腾速率、气孔导度的标准化值。

将3 个主成分特征值的占比为权树进行加权求均值，从而得到各处理的综合得分（表10）。由表10 可知，各处理对葡萄影响的综合得分从高到底为：MS1＞MS2＞MSck＞ NSck＞MS3＞NS1＞MS4＞ NS3＞NS2＞NS4。根据得分结果可以看出，随着盐分胁迫程度增大，综合排名逐渐降低，在非磁化处理内，排名为NS1＞NS3＞NS2＞NS4；非磁化处理排名为MS1＞MS2＞MS3＞MS4。而在相同的胁迫程度情况下，磁化处理的综合排名均大于非磁化处理。这说明，经过磁化处理，葡萄的各项指标较非磁化处理综合评价较高，有明显的提高作用。

表10 磁化水灌溉对盐胁迫下设施葡萄影响的综合评价Tab.10 Comprehensive evaluation of the effects of magnetized water irrigation under salt stress

3 讨 论

3.1 磁化水灌溉对盐胁迫下葡萄生长及生理的影响

磁化水灌溉研究提高了葡萄的生长及生理指标。经研究表明，液态水流过磁场后，水分子的缔合构造发生变化，使得水的渗透压、表面张力、黏度系数、pH 值、介电常数与电导率均会发生不同程度的变化［9］，且磁化水灌溉提高了土壤养分有效性与土壤酶活性，为作物生长发育提供良好的环境。郭学良等［19］研究了滴灌条件下，磁化水对紫花苜蓿生长状况的影响，磁化水灌溉促进紫花苜蓿株高、叶面积以及侧根的生长作用明显；王全九等［20，21］研究结果表明，微咸水经过磁化技术处理，磁场强度为300 mT 时，表面张力减小最明显，溶解氧含量相对增加了8.04%～10.23%，可促进植株根系生长，提高作物对养分的吸收。作物的生长几乎都依赖于光合作用的产物，形成作物产量的有机物都直接或间接来自光合产物，光合作用是作物产量形成的基础［15］。研究表明，磁化水灌溉可有效提高叶绿素含量［16，17］，而叶绿素是影响作物光合作用重要指标之一，在光合作用中吸收和转化光能，因此可有效提高光合作用。

3.2 磁化水灌溉对盐胁迫下葡萄产量的影响

果实中的干物质可占到叶片光合作用生产总量的50%，由此可知光是限制作物生长和繁殖的重要的资源性因素之一［21］。磁化水灌溉可显著影响盐分胁迫下作物水分利用效率、光合作用、提高叶面积等指标。通过影响碳水化合物在作物主要器官内的相互过程，调控光合同化产物的分配，从而进一步影响作物产量［22，23］。同时，在磁场作用下，水分子部分氢键断裂，分子作用力降低，表面张力减小，从而增加了磁化水中氧气含量，从而促进作物根系的生长［24］。盐分胁迫下过多Na+进入植物根系，抑制植株对K+、Ca2+、Mg2+的吸收和定向运输［25，26］，而磁化作用有利于离子稳态平衡的重建，降低盐分胁迫对于作物的影响，从而提高产量。

4 结 论

通过试验研究认为在盐分胁迫下，磁化处理下不同试验小区葡萄根区土壤含水率变幅较大，非磁化处理变幅相对较小，变化规律基本相同。灌水前后磁化处理0～100 cm 土层土壤含水率变化量从土壤水贮存量来看，磁化水处理的土壤水贮存量为9.1～16.8 mm，非磁化处理为12.1～37.3 mm，低于非磁化处理的贮存水量1.5～21.9 mm，其在葡萄生育末期（落叶期）留存在土壤里的水分较少。多数处理不同土层非磁化处理的盐分累积量均高于磁化处理，其中盐分累积量最大的是20～60 cm 的MS4和NS4分别为0.35 g∕kg 和0.32 g∕kg。磁化处理较非磁化处理0～20 cm 土层盐分累积减少了13.04%～29.63%，20～60 cm 土层盐分累积减少21.43%～32.14%；盐分胁迫会影响到葡萄的枝条生长量、茎粗及叶面积，但经过磁化处理后，在矿化度较低时，会显著提高作物生长指标；磁化处理可提高葡萄的生理特性，促进光合作用、蒸腾速率及气孔导度的增加，但在较高的盐分胁迫程度时，磁化处理的提高作用不显著；轻度盐分胁迫可以促进葡萄产量及WUE的增加，但随着胁迫程度加深，葡萄减产显著；使用磁化水灌溉可以提高葡萄产量及WUE。

磁化对于盐胁迫下的葡萄品质有一定促进作用，但效果并不显著。经过主成分分析，各处理对葡萄影响的综合得分从高到底为：MS1＞MS2＞MSCK＞NSCK＞MS3＞NS1＞MS4＞NS3＞ NS2＞NS4。磁化微咸水灌溉对土壤不同土层盐分的累积具有一定的减缓作用，可以有效提高作物光合作用，并在一定程度上提高作物的产量和品质。但建议在作物休眠期时对作物进行一次大水量的洗盐，从而将微咸水灌溉带来的盐分进行有效控制。本研究成果对磁化水在葡萄上的高效利用提供一定的理论依据及参考。