川產(chǎn)楨楠礦物元素因子分析及聚類分析*

盛玉珍時(shí)小東王　麗高繼海莊國(guó)慶**

（1.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，成都　610081；2.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，成都　610064；3.成都中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，四川　成都　611137）

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川產(chǎn)楨楠礦物元素因子分析及聚類分析*

盛玉珍1時(shí)小東2王麗1高繼海3莊國(guó)慶1**

（1.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，成都610081；2.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，成都610064；3.成都中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，四川成都611137）

摘要：采用等離子體原子發(fā)射光譜法測(cè)定了不同苗齡楨楠幼苗和川產(chǎn)楨楠木材中9種礦物元素的含量，并運(yùn)用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了因子分析和聚類分析。結(jié)果表明，不同苗齡楨楠幼苗中Ca和S元素變化呈現(xiàn)出富集的變化趨勢(shì)，其他元素變化較?。徊煌a(chǎn)地楨楠元素間存在一定的關(guān)聯(lián)性，主成分分析表明，其87%以上的貢獻(xiàn)來源于前4個(gè)主成分，對(duì)應(yīng)元素分別為Ca、Mn、Mo、K；聚類分析表明，川西北和西部等地楨楠聚集為一類，川西南和川南等地楨楠聚集為另一類。運(yùn)用該方法初步分析了礦物元素和楨楠生長(zhǎng)的關(guān)系，同時(shí)驗(yàn)證了該方法在楨楠聚類分析中的可行性。

關(guān)鍵詞：川產(chǎn)楨楠；礦物元素；聚類分析

*國(guó)家自然基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：31200504）

楨楠（Phoebe zhennan）是我國(guó)特有的樟科楠[1]，其木材優(yōu)良、堅(jiān)實(shí)，是我國(guó)二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)瀕危樹種，屬亞熱帶常綠喬木，主要集中分布于我國(guó)長(zhǎng)江流域及以南的地區(qū)，如云南、四川、湖北、貴州、廣西等省份[2 - 4 ]。四川是我國(guó)楨楠的歷史分布中心，但目前楨楠的分布星散，群體結(jié)構(gòu)衰退趨勢(shì)明顯，使得資源日趨瀕危[5]。加之楨楠本身生長(zhǎng)發(fā)育緩慢，嚴(yán)重制約了楨楠人工林的發(fā)展和對(duì)楨楠木材的需求。

關(guān)于楨楠元素的研究起步相對(duì)較晚，僅有賀維研究了施肥對(duì)楨楠幼苗生長(zhǎng)和光合作用等方面的作用[6- 11]。目前，指紋圖譜技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于植物產(chǎn)地溯源、藥材質(zhì)量控制等方面[12- 13]，基于礦物元素的指紋圖譜構(gòu)建和輔助資源評(píng)價(jià)，已經(jīng)在多種物種中進(jìn)行了研究，如咖啡、水稻、薯蕷、蕓豆、枸杞等[14 - 18 ]。其中，因子分析和聚類分析是處理化學(xué)計(jì)量學(xué)分析方法中獲得大量數(shù)據(jù)的常用技術(shù)和有力工具[19 ]。主成分分析作為一種常用的多元統(tǒng)計(jì)分析方法，可以分析各指標(biāo)對(duì)主成分的貢獻(xiàn)大小，用最少的因子去解釋待觀測(cè)的事物，以揭示事物本身之間的關(guān)系。系統(tǒng)聚類是目前國(guó)內(nèi)外使用最多的一種聚類方法，其中分類距離是系統(tǒng)聚類分析的依據(jù)和基礎(chǔ)。近年來還沒有關(guān)于楨楠礦物元素方面的研究報(bào)道，并且，基于化學(xué)物質(zhì)或礦物元素的楨楠因子分析和聚類研究等方面也沒有開展。本文以四川楨楠為研究對(duì)象，利用ICP法測(cè)定了楨楠木材中9種礦物元素的含量，并對(duì)不同樹齡中元素差異和因子分析進(jìn)行研究，以期為楨楠規(guī)范化栽培以及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

選取大邑野生楨楠樹木種子，萌發(fā)后種植于四川省林業(yè)科學(xué)研究院沙河堡實(shí)驗(yàn)基地，第3年的12月（2014年12月）選取生長(zhǎng)一致的楨楠苗6棵，自然條件下晾干，去除葉片和側(cè)枝等，分別選取1~3年不同生長(zhǎng)年齡的主莖段，進(jìn)行礦物元素測(cè)定和分析。

四川楨楠分布廣泛，對(duì)采集地進(jìn)行實(shí)地考察、調(diào)研，2014年10月選取11個(gè)地區(qū)野生成材楨楠樹進(jìn)行研究，截取當(dāng)年生側(cè)枝（距離頂端10 cm莖段）進(jìn)行礦物元素測(cè)定和聚類分析。樣品來源及具體信息見表1。

表1　楨楠樣品的來源

1.2方法

按照DB53/T 288- 2009標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行樣品處理和元素測(cè)定，分別測(cè)定Mo、Zr、Sr、Fe、Mn、Cr、Ca、K、S等9種礦物元素，每個(gè)樣品測(cè)定重復(fù)3次。

1.3數(shù)據(jù)分析

Kaiser- Meyer- Olkin（KMO）檢驗(yàn)和Bartletts’s球形檢驗(yàn)、主成分分析（Principal component analysis，PCA）、Pearson相關(guān)性、余弦相關(guān)性和聚類分析（Hierarchical cluster analysis，HCA）等采用軟件SPSS完成，其他數(shù)據(jù)處理用EXCEL完成。

2　結(jié)果與分析

2.1礦物元素含量隨樹齡變化及分析

由圖1可知，楨楠礦物元素中Ca含量最高，其次是K和S，Sr含量最少。對(duì)于不同苗齡而言，除Fe、Cr和S元素外，其他各元素在不同苗齡之間雖然存在差異，但是相對(duì)差異較小，沒有出現(xiàn)較大的波動(dòng)。這可能是由于在試驗(yàn)環(huán)境中，各種營(yíng)養(yǎng)元素和水分充足，完全能夠滿足楨楠的生長(zhǎng)需要，不會(huì)出現(xiàn)因環(huán)境壓力造成的元素缺乏脅迫。Ca和S元素變化呈現(xiàn)出富集的變化趨勢(shì)，可能是在楨楠樹齡增加的過程中，需要吸收Ca和S元素進(jìn)行生理活動(dòng)，所以在楨楠生長(zhǎng)過程中需要注意Ca和S元素的添加，這一研究結(jié)果與我們對(duì)楨楠不同樹齡的轉(zhuǎn)錄組差異基因分析，發(fā)現(xiàn)了與S元素代謝有關(guān)的結(jié)果一致（數(shù)據(jù)還未發(fā)表）。

2.2不同產(chǎn)地楨楠木材礦物元素測(cè)定及分析

2.2.1測(cè)定結(jié)果及適當(dāng)性量數(shù)檢驗(yàn)

對(duì)11種川產(chǎn)楨楠材料的9種元素進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)各礦物質(zhì)成分指標(biāo)平均含量相差較大，范圍從9.99±2.07~5309.62±1358.97ppm。Ca元素的平均含量最高；其次是K元素和S元素；含量最低的是Sr元素。同時(shí)，各樣本間元素含量變異系數(shù)較大，表明不同川產(chǎn)楨楠元素含量具有較大差異。其中各元素變異系數(shù)大小順序?yàn)椋篊a>K>S>Mn>Mo> Sr>Zr>Cr>Fe，說明川產(chǎn)楨楠中Ca元素的變異程度最大，含量變化范圍較寬；而Fe元素含量在不同樣本間變化較小。

圖1　不同苗齡礦物元素含量的變化

Kaiser- Meyer- Olkin KMO檢驗(yàn)和Bartletts’s球形檢驗(yàn)用于分析變量間的相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)，以及變量間獨(dú)立性的指標(biāo)，以便判斷是否適合進(jìn)行變量主成分分析。對(duì)川產(chǎn)楨楠進(jìn)行KMO和Bartlett's檢驗(yàn)（表2），KMO值為0.549，大于0.5，表明變量間具有相關(guān)性，可以進(jìn)行后續(xù)相關(guān)性分析。另外，Bartlett’s球形檢驗(yàn)值（167.335）顯著性Sig. 為0.000，達(dá)到了顯著水平，說明楨楠元素間存在共性，而并非獨(dú)立，也進(jìn)一步證明了川產(chǎn)楨楠元素間可運(yùn)用主成分分析法進(jìn)行分析。

表2　川產(chǎn)楨楠樣本礦物元素的KMO與Bartalett’s檢驗(yàn)

2.2.2主成分分析

主成分分析可以解釋事物本質(zhì)之間的聯(lián)系，其重要指標(biāo)為特征根和方差貢獻(xiàn)率。由表3可知，占總方差87.007%的貢獻(xiàn)率來自前4個(gè)主成分，因此選擇前4個(gè)主成分進(jìn)行進(jìn)一步分析，其中整體共同度的平均值為0.817（表4）。前4個(gè)主成分對(duì)Ca元素的共同度最大，為0.929，其次是對(duì)Mo元素的0.891和K元素的0.843，對(duì)Sr (0.710)元素共同度最小。說明前4個(gè)主成分對(duì)所測(cè)定的9個(gè)元素的共同性較高，足以進(jìn)行主成分分析，但是各主成分間載荷系數(shù)相差不大，不易對(duì)各成分進(jìn)行明確，因此需要進(jìn)行因子載荷矩陣的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后各載荷系數(shù)見表6（采用方差最大化旋轉(zhuǎn)）。

表3　各主成分的特征值和貢獻(xiàn)率

表4　各變量在主成分中的載荷系數(shù)

由表5可知，旋轉(zhuǎn)后各系數(shù)發(fā)生了明顯極化，第一成分中起主要作用的是Ca元素，第二主成分中表現(xiàn)出與Mn元素呈高度的正相關(guān)，第三成分中起主要作用的是Mo元素，第四主成分中表現(xiàn)出與K元素有高度的正相關(guān)。

表5　旋轉(zhuǎn)后各原始變量對(duì)主成分的載荷表

2.2.3樣本相似性和聚類分析

運(yùn)用Pearson相似性對(duì)不同地區(qū)的楨楠基于礦物元素的含量進(jìn)行相似性分析（表6），樣品2:5、3:5的Pearson相關(guān)系數(shù)大于0.8；樣品1:4、2:3、4:5 的Pearson相關(guān)系數(shù)大于0.6，樣品2:9、3:4、5:9的Pearson相關(guān)系數(shù)大于0.5。余弦相關(guān)系數(shù)（表7）和Pearson相關(guān)系數(shù)均相近，表明樣品可分為2類，1、2、3、4、5、9樣本構(gòu)成相近歸為第一類，其余樣本可歸為第二類。

表6　 Pearson相關(guān)系數(shù)

表7　余弦相關(guān)系數(shù)

對(duì)不同產(chǎn)地的楨楠材料的礦物元素含量的平均值作為變量，采用類平均法進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，得到川產(chǎn)楨楠基于礦物元素含量的聚類樹狀圖（圖2），不同的聚類距離下會(huì)出現(xiàn)不同的聚類結(jié)果。當(dāng)聚類距離為0時(shí)，每個(gè)楨楠樣本各自聚集為1類，當(dāng)聚類距離擴(kuò)大時(shí)，不同樣品聚類才依次分開，當(dāng)聚類距離達(dá)到25時(shí)，不同樣品被聚集為1類。

當(dāng)選擇歐式距離dij=15為分級(jí)界限時(shí)，供試川產(chǎn)楨楠可分為3個(gè)類別，6和11樣本劃分為一類，7、8和10樣本劃分為一類，剩余6份樣本劃分為另一類；當(dāng)選擇歐式距離dij=20為分級(jí)界限時(shí)，供試川產(chǎn)楨楠可分為2個(gè)類別，1、2、3、4、5、9樣本劃分為一類，6、7、8、10、11樣本劃分為另一類，與Pearson和夾角余弦相似性得到的結(jié)果相似。總體看來，四川楨楠分布中，川西北和西部等地楨楠聚集為一類，川西南和川南等地楨楠聚集為另一類。

圖2　川產(chǎn)楨楠的聚類分析圖

3　　討論

3.1微量元素在生物體內(nèi)含量極少，但其與植物的生長(zhǎng)息息相關(guān)，在植物體內(nèi)具有重要的生物學(xué)功能，含量過多或過少都會(huì)導(dǎo)致植物不正常的生理生化變化[20 ]。目前微量元素與植物生長(zhǎng)關(guān)系的研究是一大熱點(diǎn)，同時(shí)也將為植物的營(yíng)養(yǎng)調(diào)控提供重要的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)意義。研究表明，微量元素鐵參與植物葉綠素形成，同時(shí)對(duì)植物呼吸作用和光合作用產(chǎn)生影響[21- 24]。同時(shí)有研究表明，礦物元素之間存在著相互影響現(xiàn)象[25]。楨楠前50年左右材積生長(zhǎng)緩慢，之后才進(jìn)入快速生長(zhǎng)期[ 4 ]，其生長(zhǎng)速度與礦物元素，特別是微量元素之間限制關(guān)系的研究至今沒有開展。通過楨楠不同礦物元素積累呈現(xiàn)的不同規(guī)律，可以探索出礦物元素與楨楠生長(zhǎng)緩慢生長(zhǎng)的關(guān)系，為楨楠的高效栽培提供科學(xué)指導(dǎo)。本研究對(duì)楨楠幼苗中9中礦物元素進(jìn)行測(cè)定，初步分析表明Ca和S元素含量波動(dòng)相對(duì)較大，一定程度上說明該兩種元素可能是限制楨楠幼苗生長(zhǎng)緩慢的制約礦物元素，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)注意該元素的跟蹤分析，并及時(shí)降低該元素對(duì)楨楠生長(zhǎng)的制約。

3.2基于礦物元素因子分析和聚類分析的方法已經(jīng)在植物中得到了廣泛的應(yīng)用[ 26 - 27 ]，本研究對(duì)不同產(chǎn)地楨楠木材中9種礦物元素進(jìn)行測(cè)定，并利用SPSS軟件進(jìn)行分析，結(jié)果表明，不同產(chǎn)地和生長(zhǎng)環(huán)境中的楨楠木材中所含有的礦物元素存在差別，這種地域特征可能來源于生長(zhǎng)環(huán)境、種植方式、大氣環(huán)境、人類活動(dòng)等多方面[17 ]。通過聚類分析表明，川西北和西部等地楨楠聚集為一類，川西南和川南等地楨楠聚集為另一類，這為楨楠木材的鑒定和區(qū)分提供了指導(dǎo)。

3.3本文初步探索了礦物元素對(duì)楨楠生長(zhǎng)的影響，并運(yùn)用礦物元素指標(biāo)進(jìn)行了楨楠聚類分析的研究，為其指紋圖譜建立提供了參考。鑒于楨楠分布廣泛和生活環(huán)境的復(fù)雜多樣性，采集難度較大，加之生長(zhǎng)緩慢，造成實(shí)驗(yàn)存在一定的局限性。可通過測(cè)定楨楠中存在的其他礦物元素，以及采取更多的樣本量，來進(jìn)一步確定數(shù)據(jù)的可靠性。這將更加有助于分析楨楠生長(zhǎng)和礦物元素之間的內(nèi)在關(guān)系，打破礦物元素對(duì)楨楠生長(zhǎng)的限制，為加快楨楠生長(zhǎng)速度和人工林發(fā)展進(jìn)程提供指導(dǎo)。同時(shí)借助分子生物學(xué)方法，挖掘內(nèi)在相關(guān)的調(diào)控機(jī)制，為楨楠品種改良和速生品種的培育奠定基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：張亞楠）

Factor Analysis and Clustering Analysis of Mineral Elements in Sichuan Phoebe zhennan

SHENGYuzhen
（Sichuan Academy of Forestry, Chengdu 610081）

Abstract The content of mineral elements of Sichuan Phoebe zhennan in different seedling age and areas was determined by using inductively coupled plasmatorch-atomic emission spectrometry. The factor analysis and clustering analysis in SPSS were applied to analyze and compare the determination results. Ca and S were richened on different seedling age of Phoebe zhennan, and the content of other element were steady. The factor analysis results showed that the first four principal components accounted for above 87% of the total variance, which indicated that Ca, Mn, Mo and K were the characteristic mineral elements. The results of clustering analysis showed that Phoebe zhennan of northwest Sichuan and western Sichuan were culstered into one group, southwest Sichuan and south Sichuan as the second group. This paper preliminarily analyzes the relationship between mineral elements and seedling growth, verified the feasibility of the method and lay the foundation for the development and utilization of Phoebe zhennan resources in different areas.

Key words Sichuan Phoebe zhennan；Mineral Elements；Clustering Analysis

收稿日期：2015 - 12 - 19

通訊作者：莊國(guó)慶(1977- )，男，副研究院，主要從事林學(xué)方面研究工作。

作者簡(jiǎn)介：第1盛玉珍（1989-），女，碩士，研究方向是林產(chǎn)品加工及檢測(cè)。

文章編號(hào)：1001 - 9499（2016）01 - 0016 - 05

中圖分類號(hào)：S792. 24, S718. 55+4. 2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A