基于主成分分析的多肉植物营养液配方筛选

李素华，韩浩章，赵 荣，张丽华，蒋亚华

（宿迁学院建筑工程学院，宿迁223800）

多肉植物又称多浆植物或肉质植物，全世界约有一万余种。由于其茎叶独特、造型小巧、繁殖容易等特点，深受年轻人的喜爱［1］。水培是将植物的根系直接浸润于营养液中，以满足植物正常生长所需要的水分及营养需求等，具有观赏性强、清洁环保、养护管理简便等优点，特别适合家庭园艺或办公场所观赏消费需求。近年来，为满足消费者对精品多肉产品的需求、提升多肉产业化水平，研究者尝试将水培技术应用于多肉植物栽培繁育当中，目前已在仙人掌［2］、芦荟［3］、石莲花［4］、条纹十二卷［5］等十多种多肉植物中试验成功。水培重点是前期的水培驯化，即将原有的土生根诱导培育成水生根。新生的水生根与土生根相比在形态与组织结构上发生了显著变化。多肉从土培转为水培后，为了适应高湿环境，水生根须具备发达通气组织。水生根的成功诱导除与根系自身发育特性密切相关外，根系周围的水环境也尤为重要［6］。20 世纪90 年代起，国内学者最先以仙人掌科的多肉植物为材料，进行营养液配方研究，王佩等［7］根据仙人掌科植物需肥特性，筛选出仙人掌最适宜的营养液为日本园试配方。陈永华等［8］通过比较金琥在不同浓度营养液中叶片与根系生长状况，提出山崎配方有利于金琥的水培生长。近年张晟璐等［9］采用水培技术培养出‘紫珍珠’、‘吉娃莲’等景天科多肉植物，进一步证实水培技术在景天科多肉植物上应用是可行的。景天科植物约有38 个属1 600 余种，其中姬胧月（Graptopetalum paraguayense）、黄丽（Sedum‘Golden Glow’）分别属风车草属和景天属，这两种多肉植物叶形叶色美观、观赏期长、适应性强，具有较高的推广应用价值。但目前关于其水培管理技术文献较少。本试验以姬胧月、黄丽为材料，通过水培模式，研究营养液配方对两种植物生长量、叶绿素含量、水肥利用效率的影响，结合主成分分析结果，筛选适宜的营养液配方，以期为景天科多肉植物的水培研究提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

姬胧月和黄丽种苗由宿迁市育美森生物科技发展有限公司所提供，试验材料为两年生茎插苗，冠幅约5~6 cm、株高约12~15 cm。试验时每种植物随机选择5 株测定原有株高、叶数、根数等形态指标。之后将试验材料从花盆中取出，去除根系所带基质，再用纯净水清洗根系，适当修根后将其放置在0.5%的KMnO4溶液中浸泡1 min 进行消毒，再用纯净水将根系冲洗干净，置于阴凉处自然晾干。

1.2 试验方法

1.2.1 水培方法

试验于2019 年9 月下旬开始在宿迁学院校内玻璃温室内进行，室内温度20～25℃，水培2周内搭盖遮阳网。根据幼苗大小及试验要求选择15 L 的塑料中转箱（44 cm×32 cm×14 cm）作为水培容器。选用改良Hoagland 配方（A）、日本山崎配方（B）、低氮配方（C）、斯泰纳配方（D）4种不同营养液配方，试验前按照营养液配方标准，分别配制大量元素20倍母液和微量元素100倍母液，放置冰箱冷藏备用。

每个培养箱中的培养液制备体积为10 L，pH 值调节至6.0，然后将预处理好的水培苗插入带孔的KT 板（聚苯乙烯发泡板），确保茎段下部2~3 cm 浸入营养液，然后用脱脂棉固定插穗，放入自动充氧泵（24 h 充氧），最后盖好KT 板。每3~5 d 观察营养液水面变化，及时补充纯净水以防止营养液水位下降。每一容器定植12 株为1 个处理，每一处理3 次重复，取平均值进行统计分析。

1.2.2 指标测定

水培2个月后对姬胧月和黄丽水培苗的各项生长及生理指标测定，统计新叶数、新根数、株高增量、根长（最长根）、根体积（排水法），采用丙酮提取法测定叶绿素的含量，分别采用紫外分光光度法和原子利用吸收分光光度法测定N、P 含量及K、Ca、Mg含量。

1.2.3 数据统计与分析

试验数据采用Excel2010软件统计，SPSS21.0进行方差分析、多重比较（Least significant difference）和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同营养液配方对两种多肉植物生长量的影响

形态器官的生长变化是植物对水培环境适应能力的直观评判标准［10］。由表1 可知，在同一营养液栽培下两种多肉植物的新根数、根长、根体积差异显著，其中黄丽的新根数较多、主根较长、根体积较大，但两者在株高增量和新叶数方面无显著差异。对比不同营养配方下两种植物生长量的统计结果：营养液配方对姬胧月和黄丽新叶数均无显著影响；营养液配方对姬胧月株高增量有显著影响，A、B 配方显著高于C、D 配方，而黄丽株高增量在4个处理间无显著差异；营养液配方对姬胧月和黄丽的根系生长均有显著影响，从测定数据来看B 配方新根数最多、根体积最大、根长最短，C 配方新根数及根体积最小、根长最长，两配方间差异显著，配方A和配方D的根系生长量位于中等。

表1 不同营养液配方对两种植物生长量的影响Tab.1 Effects of different nutrient formulas on the growth of two plants

2.2 不同营养液配方对两种多肉植物叶绿素含量的影响

叶绿素是绿色植物光合作用的基础物质，可反映植物的生长发育状况、生理代谢变化以及营养状况。对两种植物在4 个营养配比中的测定结果（表2）可以看出，在A 配方中黄丽的叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总量显著高于姬胧月，但叶绿素a/b 无显著差异。在B配方中黄丽叶绿素a较低、叶绿素b较高、叶绿素a/b 较低、叶绿素总量差异不显著。与姬胧月相比，黄丽在C 配方中的叶绿素a 显著降低，D配方中叶绿素b 显著升高，在C、D 配方中两者叶绿素总量和叶绿素a/b 值无显著差异。由此可知在不同营养液中两种植物叶绿素含量比较结果不尽相同，因此需要进一步研究营养液配比对叶绿素含量变化的影响；4 个营养配方中姬胧月的叶绿素a、叶绿素b 及叶绿素总量无显著差异，叶绿素a/b 值在B配方中达到最大（2.004），与其他处理间差异显著；4个营养配方中黄丽的叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总量有显著差异，其中A 配方中叶绿素a、叶绿素b 和叶绿素总量均最大，C 配方中叶绿素a、叶绿素b 和叶绿素总量均最小，两者有显著性差异。B、D 配方叶绿素含量位于中等，且两者间四个指标的测定数据均无显著性差异。

表2 不同营养液配方对两种植物叶绿素含量的影响Tab.2 Effects of different nutrient formulas on chlorophyll content of two plants

2.3 不同营养液配方对两种植物水分及营养元素利用效率的影响

水分及营养元素利用效率能够反映植物对水肥营养吸收转化的情况，低耗高效是当前农业技术革新的主要目标。从表3 可以看出，同一营养液处理下两种多肉植物的水分利用率无显著性差异，而各营养元素利用率差异明显，除配方D 中姬胧月Ca利用效率高于黄丽外，其他配方中黄丽的各项营养元素利用率均显著高于姬胧月。分别对比两种植物在不同营养处理下水分及营养利用效率的变化，结果显示，不同处理间两种植物的水分利用率均无显著性变化，而营养元素利用效率变化显著，其两种材料在N、P、Mg、K利用效率方面呈现较为一致的规律，其中各营养配方间N、P 利用效率的高低排序为B＞A＞D＞C，Mg 利用效率的排序为B＞C＞A＞D，K 利用效率在配方A、B 中显著高于配方C，两种植物Ca元素利用效率的变化规律差异较大，其中姬胧月在D配方中达到最高，黄丽在B配方中达到最高。

表3 不同营养配方对两种植物水分及营养元素利用效率的影响Tab.3 Effectsofdifferentnutritionformulasonnutrientelements and water use efficiency of two plants

2.4 基于主成分分析的两种植物水培营养液配方比较

2.4.1 两种多肉植物生物量、总叶绿素含量、营养及水分效率的相关矩阵

参考徐佳楠［11］、王瑞等［12］的方法以不同营养液配方下两种多肉植物株高增量、新叶数、新根数、根长、根体积、总叶绿素、水分及N、P、K、Ca、Mg元素利用效率为评价指标，为消除不同指标差距数量级过大，对样本观测数据采用Z标准化处理，再对所有指标进行主成分分析，样本相关矩阵R见表4-5。

表4 不同营养配方姬胧月评价参数相关矩阵Tab.4 Correlation matrix of evaluation parameters for different nutritional formulas of G.paraguayense

由分析结果可以看出，姬胧月的根长与其他指标显著负相关，株高增量与新叶数显著正相关，黄丽根体积和新根数极显著正相关，但其他各指标间相关性不显著；姬胧月总叶绿素含量与Mg 吸收效率呈极显著正相关，但黄丽Mg 吸收效率与总叶绿素含量无显著相关；姬胧月的N、P 吸收效率之间，P与水分利用效率之间相关性显著，黄丽N、P 利用效率与K利用效率显著正相关。从生物量与水肥吸收效率来看，姬胧月N、P 利用率与新叶数、株高增量显著正相关，与根长显著负相关，水分利用率与新叶数显著正相关；黄丽根体积和新根数与N、K、Ca利用率显著正相关，新叶数与p、k利用率显著相关，株高增量与Mg相关性显著。

2.4.2 特征值、特征向量和品质综合得分

通过主成分分析计算，相关主成分得分系数、特征值、贡献率见表6。从表可知，姬胧月和黄丽前2 个主成分的累计贡献率分别达到89.926% 和92.131%，超过了85%，包含了原始变量的大部分信息。综合系数能够反映各指标对两种植物水培品质影响力的大小。从表6 两种植物综合系数（F）看出，新根数和根体积的综合系数绝对值较大，总叶绿素含量及水分利用效率的绝对值较小，在5 个测定元素中，姬胧月K和Mg效率与N、P、Ca相差较大，绝对值较低，各营养元素利用效率的绝对值大小在黄丽中较为均衡。将筛选得到的主成分进行综合得分计算，按照综合得分高低进行排序，评价结果如表7。由表可以看出两种植物4种营养液，得分高低排序为B＞A＞D＞C，故B 配方为最适合两种多肉植物水培应用的处理。

表6 主要成分系数和贡献率Tab.6 Main component coefficient and the contribution rate

表7 不同营养配方两种植物参评指标的主成分综合得分Tab.7 The composite score of principal components on two plant evaluation indexes in different nutrition formulas

3 结论与讨论

水培后能否正常生长，取决于植物的生物习性和生理结构，通过对水培苗外部形态及内部生理变化测定可以评价植株对水环境的适应性和生产潜能。目前常用的形态指标有株高、茎粗、叶数、根数、根长、根表面积、根体积等［13］，内部生理指标有根系活力［14］、光合色素含量［15］、抗氧化酶活性等［16］。本试验分析结果显示，水培2个月后，不同植物种类及营养配方处理下的新根数、根长及根体积有显著性差异，但新叶数变化不显著。在水培过程中，水生根系的诱导及其正常生长是关键，植物根系的组织结构、生理性状发生适应水环境变化，能够在水培初期快速生产不定根，便于植物通过根系从营养液中吸收水分、养分和氧气，才能在生长形态及内部生理代谢上不断变化。在水培条件下，根系摄取水分及营养极为方便，此时的水分及营养主要供根系生长，根数、根长、根体积变化明显，而茎叶生长较为缓慢，新叶数和株高变化不明显。通过主成分分析，将生长量、总叶绿素和水分营养元素利用率12 个评价指标压缩成了两个主要成分。从形态及生理指标综合系数可以看出根体积和根数绝对值较大，新叶数、总叶绿素绝对值较小，说明根体积和根数对水培苗生长量影响较大，而新叶数、总叶绿素影响较小，这与实际测量结果一致。包蕾［17］及李标［18］在研究营养液浓度对雾培马铃薯生长的影响时指出，营养液浓度与喷雾频率对雾培马铃薯叶片数的影响不大，与本试验结论一致。

营养液配方组成和浓度直接影响到水培试验的成功及水培苗质量，营养液大量、中量元素配比是水培技术的核心。缺素或者过剩的营养液会使植物产生生长障碍，影响植物正常的生长发育，严重时可能会导致死亡［19］。前人大多在常用营养配方基础上，根据植物生长习性、发育阶段等对主要营养元素及其含量进行调整［20］。从本试验四个配方中营养元素的含量来看，所有配方中P含量相同，其他元素含量差异较大，整体来看配方C 的N、Mg、K 含量均最低，植物生长量最小，配方B 的N、Mg 含量最高，植物生长量最大。但N、Mg 含量并非越高越有利于生长，如D 配方的N、Mg 含量高于A 配方，但配方A 的生长量整体高于配方D。方舒玲在对生菜水培研究时提出植物水分及矿质元素利用效率决定植物生长量，水分及养分利用效率越高，产量积累效应就越好［21］。从本试验结果来看，两种植物在配方A 和B 的N、P、K 的利用效率均高于配方C 和D，其在生长量及综合得分方面也明显高于配方C和D，因此在对营养液配方筛选时营养元素利用效率是重要的考察指标。此外根系数量及体积对N、P利用效率有较大影响，从表4 和表5 相关性分析结果来看，根数、根体积与N、P 利用效率的相关系数至少达到0.781，在两种植物的生长量及营养利用效率的对比中发现：在4个营养处理中黄丽的根数、根体积显著高于姬胧月，其N、P 利用效率也明显增加。

表5 不同营养配方黄丽评价参数相关矩阵Tab.5 Correlation matrix of evaluation parameters for different nutritional formulas of S.‘Golden Glow’

花卉品种都有其独特的养分需求，营养液配方在使用过程中均存在一定程度的专一性。相关性分析结果表明，姬胧月新叶数、株高增量和根长与N、P 利用效率密切相关，N、P 利用效率越高新叶数越多、株高增量越大，根长越短。黄丽生长量与K元素利用效率密切相关，K 利用效率越高，新叶数、根数、根体积均显著增加。由此来看，在姬胧月的栽培中应重视N、P 肥的施用，黄丽的栽培中应重视K肥的施用。但营养元素之间存在复杂的交互作用，本试验中姬胧月的N、P 利用效率之间，黄丽N、P 利用效率与K利用效率显著正相关。何春雨等［22］研究表明氮、磷及钾肥之间存在一定的交互作用，互相影响肥效的发挥，在一定施肥范围内，配合施用能提高肥效，任一因素过量施用均会导致产量显著降低。

因此，在多肉植物栽培过程中除考虑营养元素自身的含量外，元素之间的配比也至关重要。综合不同营养配方下两种多肉植物的生长量、叶绿素含量及矿质元素利用率等指标的主成分分析结果，两种植物4种营养液得分排名，由高到低排序是B＞A＞D＞C，其中B 配方明显高于其他处理，在生长量及营养元素利用效率方面均最优，适合作为景天科姬胧月和黄丽水培的最佳营养液配方。