西瓜幼苗壮苗指数的构建

2022-03-12王雨露宫彬彬蒿文宇张雨贾琼高洪波

中国瓜菜 2022年2期

王雨露宫彬彬蒿文宇张雨贾琼高洪波

摘要：为构建科学评价西瓜幼苗质量的壮苗指数，本试验以4叶1心西瓜穴盘苗为研究对象，通过加权模糊综合评判法构建出西瓜幼苗的综合评价指数;通过主成分分析法将14项指标进行成分归类以及指标组合;最后利用西瓜幼苗综合评价指数与壮苗指数的相关性分析筛选出最适宜的壮苗指数，并对其进行验证。结果表明，660株幼苗的综合评价指数范围为0.15～0.70;主成分分析结果将14项指标划分为4个主成分，通过相关性分析，得到2个相关性最大的壮苗指数：“总干质量×根干质量×总叶绿素×茎粗”和“地上干质量×根干质量×总叶绿素含量×茎粗”，相关系数分别为0.706、0.713，与京欣2号的相关系数分别为0.784、0.784，与早佳的相关系数分别为0.852、0.839。综上所述，“总干质量×根干质量×总叶绿素含量×茎粗” “地上干质量×根干质量×总叶绿素含量×茎粗”均可作为综合评判西瓜幼苗质量的壮苗指数。

关键词：西瓜;壮苗指数;模糊综合评判;相关性分析;主成分分析

中图分类号：S651 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2022）02-095-06

Construction of seedling index of watermelon seedlings

WANG Yulu， GONG Binbin， HAO Wenyu， ZHANG Yu， JIA Qiong， GAO Hongbo

（College of Horticulture， Hebei Agricultural University， Baoding 071001， Hebei， China）

Abstract： In order to construct a robust seedling index that can be used to scientifically evaluate the quality of watermelon seedlings， this study took watermelon seedlings with four leaves and one heart as the research object， and constructed a comprehensive evaluation index of watermelon seedlings through weighted fuzzy comprehensive evaluation method. The 14 indexes were classified and combined by principal component analysis. Finally， the correlation analysis between the watermelon seedling comprehensive evaluation index and the seedling index was used to select the most appropriate seedling index and verify it. The results showed that the comprehensive evaluation index range of 660 seedlings was 0.15-0.70. The results of principal component analysis divided 14 indexes into four principal components. Through correlation analysis， two seedling indexes with the greatest correlation were obtained： “total dry weight × root dry weight × total chlorophyll × stem diameter” and “ground dry weight × root dry weight × total chlorophyll × stem diameter”， with correlation coefficients of 0.706 and 0.713 respectively. The correlation with Jingxin 2 is 0.784 and 0.784， and that with Zaojia is 0.852 and 0.839， respectively. Therefore， both “total dry weight × total root dry weight × total chlorophyll × stem diameter” and “ground dry weight × total root dry weight × total chlorophyll × stem diameter” could be used as the seedling index for comprehensive evaluation of watermelon seedling quality.

Key words： Watermelon; Comprehensive index of strong seedling; Fuzzy comprehensive evaluation; Correlation analysis; Principal component analysis

我國是世界上最大的西瓜生产国，从2000—2017年，西瓜生产规模持续波动增长，2000年种植面积163.46万hm2，占世界西瓜总种植面积的52.25%，产量5 182.12万t，占世界总产量的67.7%;2017年种植面积达到188.15万hm2，占世界西瓜总种植面积的53.65%，产量7 904.31万t，占世界总产量的67.55%，年均增长率分别为0.95%和2.72%[1]。大规模、大面积的种植促使西瓜育苗集约化的产生。在生产中，西瓜的后期生长与品质很大程度上取决于幼苗的壮硕程度，健壮的种苗不仅移栽成活率高，而且移栽后能迅速恢复生长，产品的产量和质量明显提高[2]。目前，工厂化育苗中缺乏较为科学的蔬菜幼苗的质量评判方法，通常是采用单一指标来进行评判，由于幼苗的生长不仅受到环境因子的影响，还受栽培基质的成分与比例[3]、水肥供应量[4]、根际环境[5]等其他影响，单一指标存在较大的片面性。因此，在评判西瓜幼苗的健壮程度时需要综合考虑影响幼苗生长的关键性指标，否则会导致幼苗质量评价参差不齐。

壮苗指数是衡量幼苗壮硕程度的综合性指标，可以较为全面地评判秧苗质量[6]，但是由于不同种类的蔬菜幼苗指标特性不一样，无法用统一的壮苗指数来衡量。近几年对各类植物的壮苗指数开展了较多的研究：（茎粗/根粗+根干质量/地上部干质量）×全株干质量应用于丹参[7];（茎粗/茎高）×全株干质量应用于番茄[8];（茎粗/株高+根干质量/地上部干质量）×全株干质量应用于甜椒[9];地茎/（株高×全株干质量）应用于三色堇[10];茎粗/茎高×全株干质量应用于辣椒[11];（根/冠+茎粗/株高）×总质量应用于甜椒[12]等，但对于西瓜幼苗评价体系研究较少。目前，仍有很多研究通过较少指标甚至单一指标评价幼苗质量，吴学宏等[13]在评价西瓜幼苗质量上，仅通过主根长、须根数、百株鲜质量、子叶长、子叶宽和株高来评判，不能全面地代表幼苗质量;高凤菊等[14]在评价西瓜幼苗质量中直接将番茄的壮苗指数套用在西瓜上，不能准确地代表西瓜幼苗质量。王广印等[15]、李保会等[16]在衡量西瓜幼苗質量上，并没有测定叶片叶绿素含量，而叶绿素含量体现了幼苗光合作用能力，在缺乏叶绿素含量等生理指标下，评价结果也会有所偏差。

笔者在测定西瓜幼苗株高、茎粗、根系长度、根系体积以及叶片总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b含量等14项主要指标的基础上，构建出各指标适宜的隶属函数，通过加权模糊综合评判法[17]构建出较为科学的西瓜幼苗质量评价体系，利用主成分分析的方法，筛选出可以全面代表幼苗质量差异的关键指标，通过相关分析将关键指标的组合与构建出的西瓜幼苗质量评价体系进行比对分析，最终筛选出相关性高且品种间较为稳定的壮苗指数。为工厂化西瓜育苗的质量评判提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料来源

试验于2019年9—11月在河北农业大学试验基地进行。育苗采用50孔穴盘，基质按照V草炭∶V蛭石∶V珍珠岩=3∶1∶1混合配制而成。其中，用于壮苗指数构建的西农8号（西北农林科技大学）共计播种16盘;用于稳定性验证的京欣2号（北京市农林科学院蔬菜研究中心）和早佳8424（长春世嘉农业科技有限公司）分别播种3盘。待西瓜幼苗生长至4叶1心时进行各项指标测定。

1.2 测定指标与方法

随机选取660株西农8号4叶1心西瓜幼苗，洗净并用滤纸擦干，用直尺测量株高;用游标卡尺（日本三丰/IP67）测量茎粗;用剪刀将幼苗地上部与地下部分开，采用万分之一天平（奥豪斯/CP114）分别称量地上部、地下部鲜质量和全株鲜质量，并计算根冠比，根冠比=地下鲜质量/地上鲜质量;用根系扫描仪（GXY-A）扫描地下部并测量根系长度与体积;采用乙醇丙酮浸提法[18]测定叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量;测定完成后将幼苗地上部与地下部分别装入信封袋内置于鼓风干燥箱80 ℃下烘干至恒质量，并称量地上部、地下部和全株干质量。

1.3 西瓜壮苗综合评价指数的建立

1.3.1 单项指标隶属函数的确定依据西瓜幼苗生长特性及现有的成苗指标，将14项指标分为3种类型。其中，株高过高或者过低幼苗品质均较差，隶属函数类型为抛物线型（式1）、幼苗茎粗指标达到一定程度时认为是优质苗，隶属函数为戒上型（式2），根系体积、根系长度、叶片总叶绿素含量、叶绿素a含量、叶绿素b含量、根冠比（鲜样）、总干质量、地下部干质量、地上部干质量、总鲜质量、地下部鲜质量、地上部鲜质量等12项指标在许多研究中认为越大越好，没有明显的上限。因此，本试验中定义为直线型（式3）。

[μ1x=x-x1x2-x1 x1

[μ2x=x-x1x2-x1 x1

[μ3x=x-x1x4-x1。（3）]

式中：μ1（x）为株高函数值，μ2（x）为茎粗函数值，μ3（x）为干鲜质量指标、色素指标和根系指标函数值，x1表示指标数值下限，x2表示指标最优数值下限，x3表示指标最优数值上限，x4表示指标数值上限。

1.3.2 综合评价指数的确定采用多元线性回归法，通过指标的复相关系数确定各项指标权重。再依据加权综合评价指数的方法构建综合评价矩阵B=A×R（公式4，公式5），利用各单项指标权重系数与隶属函数之积求和，可得到各单株西瓜幼苗的综合评价指数。

其中，A为m行n列矩阵，其中m为样本数，n为指标数。R为指标的权重矩阵。

1.4 综合壮苗指标的筛选

将西瓜幼苗14项单项指标采用SPSS 19.0对数据进行归一化处理，对标准化后的指标进行主成分分析，分析筛选对各主成分相关性较大的关键性指标。将贡献率较大的关键性指标进行完全随机组合，初步建立综合壮苗指标。将初步得到的综合壮苗指标与幼苗综合评价指数做相关性分析，再以传统壮苗指数作对照，筛选出相关性较高并优于传统壮苗指数的综合壮苗指标。

1.5 综合壮苗指标稳定性验证

选取京欣2号、早佳各60株4叶1心的幼苗，依次按照权重系数的确定、隶属函数的确定，得出每个品种的综合评价指数。将筛选出的综合壮苗指标与每个品种的综合评价指数作相关性分析，从而验证综合壮苗指标的稳定性。

2 结果与分析

2.1 单项指标权重系数

利用多元相关分析法计算决定系数并得到14項西瓜指标的权重系数。由表1可以看出，西瓜幼苗各指标权重系数整体较低，表明各指标之间联系紧密，相关性较大。其中，茎粗的权重系数最大，达到了0.103，其次为株高的权重系数，为0.096。表明这2个指标较为独立，与其他指标相关性较小。

2.2 单项指标隶属函数

西瓜幼苗单项指标隶属函数按照隶属函数的类型将各指标具体分类，西瓜幼苗株高在13.00～15.00 cm范围内达到最佳，隶属度为1，低于或高于这个范围隶属度降低;西瓜幼苗茎粗达到4.00 mm以上隶属度为1，其余指标均为单向指标，最大值隶属度为1。西瓜幼苗各项指标隶属函数类型和临界值如表2示。

2.3 综合评价指数

利用各项指标权重系数与对应的隶属函数之积求和可得到单株幼苗综合评价指数。将本研究的660株样本综合评价指数汇总，如图1所示。从图中可以看出，综合评价指数在0.15～0.70范围内波动，表明本次试验测试范围较广，样品数量较大，能够较为全面地评价西瓜幼苗质量，测试结果具有一定科学性与可靠性。

2.4 主成分分析

根据14项西瓜幼苗测量指标主成分分析结果（表3），特征值大于1的成分为4个，累计贡献率大于85%。其中，主成分一的贡献率为37.36%，主成分二的贡献率为24.14%，主成分三的贡献率为16.31%，主成分四的贡献率为7.26%，表明幼苗的差异主要体现在这4个方面。因此，作为评价幼苗质量的鉴别指标也需要包括这4个方面。根据西瓜幼苗主成分主要指标分析结果（表4），主成分一为地上生物量指标，由总干质量、地上部干质量、总鲜质量、地上部鲜质量构成;主成分二为地下生物量指标，由根系体积、根系长度、地下部干质量、地下部鲜质量、根冠比（鲜样）构成;主成分三为色素指标，由总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b含量构成;主成分四为形态指标，由茎粗与株高构成。

2.5 综合壮苗指标的初步建立

选取每一类成分中的一项指标作为乘积因子与其他3项指标之积构成综合壮苗指标。通过每一类指标的两项关键指标与其他指标随机排列组合，本研究筛选出16个综合壮苗指标组合形式（表5）。并将3个传统壮苗指数：“（茎粗/株高+根干质量/地上部干质量）×全株干质量” “（根干质量/地上部干质量）×全株干质量” “（茎粗/茎高）×苗干质量”作为对照CK1、CK2和CK3。

2.6 综合壮苗指标与综合评价指数相关性分析

将16个综合壮苗指标组合与3个对照组分别与西瓜幼苗综合评价指数作相关性分析，结果如表6所示。其中，CK1的相关系数为0.530;CK2的相关系数为0.301;CK3的相关系数为0.474，X4的相关系数为0.713，是所测综合壮苗指标相关性最大的一项。筛选得到的4个最高的综合壮苗指标分别是X4、X14、X3、X13，用于后续稳定性验证。

2.7 综合壮苗指标稳定性验证

由表7可以看出，CK1，CK2，CK3在京欣2号和早佳应用中相比X3、X4、X13、X14均具有较低的相关性，且在品种间差异加大，3个对照的差异分别达到0.082，0.204和0.238。在X3、X4、X13、X14中，X3（与京欣2号的相关系数为0.784，与早佳的相关系数为0.852），X4（与京欣2号的相关系数为0.784，与早佳的相关系数为0.839）均表现出较高的相关性与稳定性，表明这2个综合壮苗指标在不同品种西瓜幼苗质量评价上具有比传统壮苗指数更为可靠的准确性，可作为西瓜幼苗健壮程度评判依据。

3 讨论与结论

前人在对不同蔬菜壮苗指数研究主要还是集中在传统育苗壮苗指数与指标之间相关性分析方面。张世祥等[19]通过对番茄苗各指标进行相关分析和壮苗指数影响因素的通径分析，确定番茄苗壮苗指数的关键指标：全株干质量、茎粗及根数。韩素芹等[9]同时用通径和灰色关联度2种分析方法对甜椒壮苗指数和苗期相关性状进行研究，确定适合甜椒穴盘苗的壮苗指数为：（茎粗/株高+根干质量/地上部干质量）×全株干质量。李建明等[20]通过回归分析，建立甜瓜壮苗指数受有效积温、日温差积累及光辐射积累驱动的Johnso-Schumacher数学回归动态模型。黄淑华等[7]通过关联度分析确定适合丹参幼苗的壮苗指数，在此基础上，依据丹参苗与环境因子气温、光辐射和空气湿度的关系，采用Johnso-Schumacher模型确定壮苗指数的主要影响参数。这些研究的方法是通过传统指标进行的，缺少对指标全面性的分析。本试验在主成分分析的基础上，将西瓜幼苗14项指标划分为地上指标、地下指标、色素指标和形态指标4类主成分，并将这4个主成分的主要指标全部纳入到综合壮苗指标中，可以保障指标的全面性。本研究将色素指标列入到壮苗指数中，这与张苏[21]认为叶绿素含量能够代表作物长势的观点是一致的。

本试验在全面测定西瓜幼苗的各项形态指标与生理指标的基础上，通过模糊综合评判法，建立符合西瓜幼苗实际的综合评价指数矩阵，再利用主成分分析法筛选出西瓜幼苗的关键指标并组合为16个综合壮苗指标，根据综合评价指数与综合壮苗指标的相关性，筛选出4个相关性最大的壮苗指数：总干质量×根干质量×总叶绿素含量×茎粗，相关系数为0.706;地上干质量×根干质量×总叶绿素含量×茎粗，相关系数为0.713;总干质量×根干质量×叶绿素a含量×茎粗，相关系数为0.699;地上干质量×根干质量×叶绿素a含量×茎粗，相关系数为0.706。通过品种间的稳定性验证最终筛选出2个稳定性好的壮苗指数“总干质量×根干质量×总叶绿素含量×茎粗”“地上干质量×根干质量×总叶绿素含量×茎粗”，2个壮苗指数可为西瓜幼苗的质量评判提供理论依据。

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