基于主成分分析的雜交稻芽種物理特性評價(jià)研究

陳林濤，馬 旭，曹秀龍，溫志成，季傳棟，李宏偉

基于主成分分析的雜交稻芽種物理特性評價(jià)研究

陳林濤1,2，馬 旭1,2，曹秀龍1，溫志成1，季傳棟1，李宏偉1

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；2. 廣東省水稻移栽機(jī)械裝備工程技術(shù)研究中心，廣州 510642）

雜交稻芽種物理特性研究評價(jià)與水稻機(jī)械化生產(chǎn)密切相關(guān)。為對雜交稻芽種物理特性進(jìn)行系統(tǒng)研究及科學(xué)評價(jià)，該文以華南稻區(qū)常用的雜交稻芽種為試驗(yàn)樣品，分別測定其含水率、千粒質(zhì)量、滑動(dòng)摩擦角、休止角、休止角、芽長、三軸算術(shù)平均粒徑及硬度8個(gè)物理特性指標(biāo)參數(shù)，并運(yùn)用主成分分析法簡化物理特性指標(biāo)，構(gòu)架科學(xué)的量化評價(jià)體系，得到每種樣品的綜合得分。結(jié)果表明，樣品的各個(gè)物理特性指標(biāo)參數(shù)差異明顯，各物理特性指標(biāo)之間存在不同程度的相關(guān)性。千粒質(zhì)量與休止角和休止角呈顯著正相關(guān)；三軸算術(shù)平均粒徑與休止角和休止角呈顯著正相關(guān)；休止角與休止角呈顯著正相關(guān)；千粒質(zhì)量與含水率、三軸算術(shù)平均粒徑及滑動(dòng)摩擦角呈正相關(guān)；含水率與芽長呈正相關(guān)；硬度與休止角呈正相關(guān)；芽長與休止角、休止角和三軸算術(shù)平均粒徑呈正相關(guān)。采用主成分分析法提取前3個(gè)主成分因子，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到80%以上，能夠代表原來8個(gè)物理特性指標(biāo)中的絕大部分信息，具有較好的代表性與客觀性。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果初步確定9種雜交稻芽種樣品物理特性的評價(jià)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，對其做出了適當(dāng)評價(jià)。采用聚類綜合分析法對樣品物理特性綜合得分進(jìn)行分析研究，9種雜交稻芽種被聚合為5類，各雜交稻芽種樣品間物理特性有差異。本研究基于主成分分析法對雜交稻芽種物理特性進(jìn)行評價(jià)，為雜交稻芽種物理特性的科學(xué)評價(jià)提供一種新思路，同時(shí)為水稻精密排種器作業(yè)參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

農(nóng)產(chǎn)品;物理特性；主成分分析；雜交稻芽種；相關(guān)性；累計(jì)貢獻(xiàn)率

0 引 言

中國水稻種植區(qū)域廣，氣候差異大、土地集中程度不等。水稻種植制度復(fù)雜，有單季、雙季及多熟制。種植品種多樣，有粳稻和秈稻，有常規(guī)稻、雜交稻和超級雜交稻。雜交稻品種繁多、千差萬別，有的品種間差異很大，有的品種間差異并不是十分明顯，不同種類雜交稻種子的物理特性存在差異[1-2]。雜交稻種子物理特性指標(biāo)一般有千粒質(zhì)量、密度、含水率、幾何尺寸、孔隙率、摩擦學(xué)特性、流變特性、熱學(xué)特性、光學(xué)特性、電學(xué)特性及粉碎特性等[3]。研究表明，對稻種物理特性的研究評價(jià)與水稻機(jī)械化生產(chǎn)密切相關(guān)，在水稻種植機(jī)械研制中，研究者要對稻種的物理特性進(jìn)行科學(xué)測定，綜合評價(jià)后篩選出外形尺寸相似、物理特性差異不大的稻種進(jìn)行統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，“聚類處理”后才能設(shè)計(jì)出作業(yè)性能穩(wěn)定的精密排種器。雜交稻芽種散粒體是播種器重要的作業(yè)對象，其物理特性研究能為播種器設(shè)計(jì)提供最基本的參數(shù)，也是建立播種機(jī)理相關(guān)數(shù)學(xué)模型（為工作性能分析提供依據(jù)）和進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究（提供種子模型物理參數(shù)和邊界條件）的基礎(chǔ)。目前針對雜交稻芽種的物理特性研究還較少，各個(gè)主要水稻種植地區(qū)氣候差異大、對應(yīng)適宜種植品種也不相同，物理特性又因品種不同存在明顯差異。已有研究成果只能作為借鑒而不能普遍適用，尤其是涉及雜交稻播種機(jī)理數(shù)學(xué)建模與仿真研究方面。雜交稻種子的摩擦學(xué)特性主要包含滑動(dòng)摩擦角和休止角，滑動(dòng)摩擦角用來表示芽種與接觸物體表面的滾動(dòng)摩擦特性。休止角能夠反映芽種本身的品質(zhì)、硬度、粒型、芽種表面光滑程度、芽種之間的摩擦力和含水率等特征，是影響芽種在種箱中運(yùn)動(dòng)的重要參數(shù)，也是計(jì)算種箱存種壓力的重要參數(shù)[4-5]。因此，對稻種物理特性進(jìn)行測定與評價(jià)具有重要意義。

近年來，對雜交稻種研究主要集中在品種選育、鑒定推廣、營養(yǎng)價(jià)值與加工品質(zhì)評價(jià)，芽種離散元關(guān)鍵參數(shù)標(biāo)定及稻谷品種間快速無損分類等方面。徐賽等[6]運(yùn)用仿生電子鼻技術(shù)獲取常規(guī)稻與雜交稻氣味指紋圖譜，得出應(yīng)用電子鼻對常規(guī)稻與雜交稻進(jìn)行識(shí)別是可行的，該法可作為稻谷機(jī)器檢測識(shí)別的一種補(bǔ)充方法；張桂花等[7]為研制適應(yīng)包衣稻種育秧精量播種要求的播種機(jī)，對包衣水稻的物理特性進(jìn)行測定，認(rèn)為采用機(jī)械式型孔排種器是實(shí)現(xiàn)包衣水稻單粒精量播種的最佳途徑；王睿晗等[8]以黑龍江省常見的稻種為試驗(yàn)材料，對芽種三軸尺寸、千粒質(zhì)量、靜止角及自流角進(jìn)行測量，為播種機(jī)設(shè)計(jì)提供最基本的理論參數(shù)依據(jù)；鹿芳媛等[9-10]進(jìn)行水稻芽種離散元關(guān)鍵參數(shù)標(biāo)定，分析帶種芽稻種的離散元特征，構(gòu)建芽種離散元模型。以上研究主要是測定稻種的各種物理特性指標(biāo)，并利用常規(guī)化學(xué)成分評價(jià)、外觀質(zhì)量評價(jià)、感官評價(jià)及單因子評價(jià)法對稻種物理特性進(jìn)行簡單評價(jià)，未對雜交稻種物理特性進(jìn)行系統(tǒng)全面的量化評價(jià)。外觀質(zhì)量與感官評價(jià)受評價(jià)人員的主觀影響較大，推廣運(yùn)用性較差。單因子評價(jià)法最大的弊端是個(gè)別指標(biāo)不合格就會(huì)導(dǎo)致整體評價(jià)大幅下降。已有研究在分析與評價(jià)稻種物理特性時(shí)，常采用某個(gè)或某幾個(gè)影響因子對某個(gè)或某幾個(gè)特性評價(jià)指標(biāo)的影響來評價(jià)綜合物理特性，存在不夠全面、系統(tǒng)的問題，而這些指標(biāo)間存在交互影響，有時(shí)候會(huì)產(chǎn)生矛盾[11]，給稻種整體物理特性分析評價(jià)帶來一定的困難?？傊槍﹄s交稻芽種的物理特性科學(xué)評價(jià)當(dāng)前缺少一套客觀科學(xué)、有效實(shí)用的評價(jià)方法。

主成分分析法具有能夠減少原始數(shù)據(jù)信息損失、簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、避免主觀隨意性等優(yōu)點(diǎn)，因而在許多領(lǐng)域的綜合評價(jià)中被廣泛應(yīng)用[12-13]。楊潔等[14]研究國內(nèi)外玉米DDGS的物理特性參數(shù)，通過對容重、摩擦特性等參數(shù)測定，并運(yùn)用主成分分析法簡化物理特性指標(biāo)，構(gòu)架了科學(xué)評價(jià)體系，為飼料加工提供理論數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。楊炳南等[15]基于主成分分析對常見馬鈴薯品種特性及加工適宜性進(jìn)行分類，為馬鈴薯原料加工用途劃分提供參考。李世瑤等[16]基于大田灌水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用主成分分析方法將各評價(jià)指標(biāo)的加權(quán)和作為灌水質(zhì)量綜合主成分指標(biāo)，利用該指標(biāo)去評價(jià)和分析灌水質(zhì)量；張洪霞[17]為克服以往評價(jià)稻米質(zhì)量方法的種種弊端，基于稻米力學(xué)流變學(xué)指標(biāo)，應(yīng)用主成分分析的方法，從樣本相關(guān)矩陣出發(fā)，對稻米7個(gè)品種的14個(gè)主要力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了分析，建立稻米的食味值與主成分之間的回歸方程，得出稻米質(zhì)量的評價(jià)模型。羅紅霞等[18]分析不同品種谷子淀粉品質(zhì)特性的差異情況，以谷子淀粉基本特性、質(zhì)構(gòu)特性、透光率等品質(zhì)特性為研究對象，采用主成分分析法對淀粉特性進(jìn)行分析評價(jià)。趙洪衛(wèi)等[19]利用相關(guān)性分析、因子分析等方法判斷小型西瓜在生長過程中的成熟度，研究結(jié)果為小型西瓜品質(zhì)和成熟度光學(xué)無損檢測提供參數(shù)選擇依據(jù)。劉昆侖等[20]結(jié)合糙米物理特性與其碾米度的關(guān)系，通過主成分分析出影響糙米碾米度的主要因子為長度、寬度、長寬比、球面度和容重。以上研究利用主成分分析法對各種農(nóng)作物進(jìn)行分類與評價(jià)，但將主成分分析法應(yīng)用在雜交稻芽種物理特性的評價(jià)研究上少有報(bào)道。

為此，本研究探索性地以華南稻區(qū)常用的催芽雜交稻種樣品為試驗(yàn)材料，測定其含水率、千粒質(zhì)量、滑動(dòng)摩擦角、休止角、休止角、芽長、三軸算術(shù)平均粒徑及硬度8個(gè)物理特性指標(biāo)參數(shù)，運(yùn)用主成分分析法簡化物理特性指標(biāo)，構(gòu)架科學(xué)評價(jià)體系，初步判定各種雜交稻芽種樣本的綜合得分。該文可為雜交稻芽種物理特性的科學(xué)評價(jià)提供一種新思路，同時(shí)為水稻精密排種器作業(yè)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 主成分分析評價(jià)法思路與步驟

主成分分析評價(jià)法的基本思路是通過構(gòu)造原變量適當(dāng)?shù)木€性組合，產(chǎn)生一系列互不相關(guān)且能包含原變量信息的新變量，從中選出少數(shù)幾個(gè)影響較大的新變量代替繁雜的原始變量來分析和解決問題，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜問題的簡單化處理[21-24]。

具體步驟如下：

1）確定對研究對象進(jìn)行特性評價(jià)所需指標(biāo)；

2）獲取各項(xiàng)指標(biāo)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

3）進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)性分析與初步評價(jià)；

4）對指標(biāo)變量進(jìn)行主成分分析；

5）通過主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率和崖底碎石圖選取合適的主成分個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)降維；

6）將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入各主成分表達(dá)式中求得主成分得分，再以各主成分貢獻(xiàn)率為權(quán)重值求得其綜合得分，進(jìn)而進(jìn)行所研究問題最終定量化評價(jià)。

步驟2）中，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，處理公式為

步驟3）中，利用求相關(guān)系數(shù)的方法，求得相關(guān)系數(shù)矩陣。變量和間相關(guān)系數(shù)采用Pearson積矩相關(guān)公式為

式中、為變量和的均值，、為變量和的第個(gè)觀測值

求出特征值與相應(yīng)單位化特征向量。步驟4）與5）中，將特征值按從小到大順序排列選取若干個(gè)較大特征值，計(jì)算貢獻(xiàn)率，計(jì)算公式

式中表示分量個(gè)數(shù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

采集華南稻區(qū)常用的9種雜交稻種為試驗(yàn)樣品，由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院及廣東省金稻種業(yè)有限公司提供。分別是五優(yōu)1179（粵審稻2015014）、五優(yōu)6133（粵審稻20180013）、泰豐優(yōu)208、順兩優(yōu)1179（粵審稻2015059）、培雜泰豐（國審稻2005002）、特優(yōu)2068（粵審稻2013017）、恒豐優(yōu)1179（粵審稻20160038）、軟華優(yōu)1179（粵審稻2015041）、軟華優(yōu)6100。

2.2 物理特性指標(biāo)選擇

雜交稻芽種物理特性指標(biāo)一般有千粒質(zhì)量、密度、含水率、幾何尺寸、孔隙率、表面積、摩擦學(xué)特性、流變特性、熱學(xué)特性、光學(xué)特性、電學(xué)特性及粉碎特性等。參考文獻(xiàn)[7-8]，本文選擇8個(gè)物理特性指標(biāo)進(jìn)行測定，包括含水率、千粒質(zhì)量、滑動(dòng)摩擦角、休止角，休止角、芽長、三軸算術(shù)平均粒徑及硬度[25]。

1）含水率：芽種水分占有的質(zhì)量比，濕基表示法，一般用百分比表示。

2）硬度：衡量稻種的軟硬程度，本文基于壓入法對稻種硬度進(jìn)行測試，以為單位。

3）摩擦特性：摩擦特性用滑動(dòng)摩擦角、休止角等特定參數(shù)加以描述。滑動(dòng)摩擦角是反映物料與接觸固體表面間的摩擦性質(zhì)，休止角是反映物料間的內(nèi)在摩擦性質(zhì)。本文使用內(nèi)部坍塌法測定休止角，使用側(cè)壁坍塌法測定休止角，采用重力平衡法測量芽種在不銹鋼板上的滑動(dòng)摩擦角。

4）千粒質(zhì)量：檢驗(yàn)稻種質(zhì)量與稻種實(shí)顆粒飽滿程度的重要指標(biāo)。芽種千粒質(zhì)量大小與品種、形狀、尺寸、飽滿度、容重和濕度等因素有關(guān)，是影響物料力學(xué)特性的一個(gè)重要因素。千粒質(zhì)量用于確定不同種子種室結(jié)構(gòu)，其大小對播種過程中的充種、投種過程運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響顯著。千粒質(zhì)量為1 000粒稻種的絕對質(zhì)量，以g為單位。

5）三軸算術(shù)平均粒徑：如圖1a所示，為稻種外部結(jié)構(gòu)圖，雜交稻種形狀多為細(xì)長紡錘狀，三軸尺寸相差大。研究人員常用圖形比較法、類似幾何體法、軸向尺寸表示法、粒徑表示法表示和測定農(nóng)業(yè)物料形狀和尺寸。本實(shí)驗(yàn)用軸向尺寸法來確定雜交稻芽種形狀和大小，將芽種放到三維坐標(biāo)系（見圖1b），測量芽種長、寬、高三軸尺寸，統(tǒng)計(jì)各軸平均值，計(jì)算三軸算術(shù)平均粒徑。需要說明，三軸算術(shù)平均粒徑是一個(gè)綜合量，是芽種長、寬和高綜合體現(xiàn)，長徑比、體積等值不在重復(fù)作為測試指標(biāo)。三軸算術(shù)平均粒徑計(jì)算公式

6）芽長：芽種芽長如圖2所示，測定以mm為單位。

2.3 試驗(yàn)儀器

1）電子分析天平：型號(hào)HANGPING JA5003，量程500 g，精度為0.001 g，上海天平儀器廠制造。

2）廣陸電子數(shù)顯卡尺：0～150 mm游標(biāo)卡尺。

3）谷物硬度計(jì)：型號(hào)GWJ-2（分辨率：0.01 N），臺(tái)州市艾測儀器有限公司制造。數(shù)顯硬度計(jì)會(huì)自動(dòng)記錄擠壓過程中作用在顆粒上最大作用力，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存到文件。

圖1 稻種外形測定

圖2 雜交稻種芽長

4）鹵素水分測定儀：型號(hào)為DHS-16（325 mm× 195 mm×195 mm），水分可讀性0.02%，上海菁海儀器有限公司制造。

5）微電腦自動(dòng)數(shù)粒儀：型號(hào)SLY-C（計(jì)數(shù)速度≥1 000粒/3 min），工作電壓220 V，浙江托普儀器有限公司制造。

6）數(shù)顯傾角儀：型號(hào)SANHE（分辨率為0.05°、精度±0.2°。

7）如圖3a所示，內(nèi)部坍塌法測定休止角。內(nèi)部坍塌法，即在底部開有漏料孔的扁平槽狀容器中填充一定體積的種子，靜置后將底部開孔打開，物料向下泄露，在漏料孔下方的圓臺(tái)上將形成休止角，圓臺(tái)表面材料選用不銹鋼板，其它部分材料為有機(jī)玻璃。如圖3b所示，側(cè)壁坍塌法測定休止角。側(cè)壁坍塌法，即在方形容器中填充一定體積的種子，靜置后將一側(cè)擋板突然撤去，容器內(nèi)物料將從此側(cè)臂面發(fā)生坍塌從而形成休止角，方形容器的一面做成有機(jī)玻璃面，便于觀察，其他面均為不銹鋼板。

1. 有機(jī)玻璃槽 2. 漏料孔 3. 水稻堆 4. 不銹鋼圓臺(tái)面 5. 不銹鋼立方盒 6. 水稻堆 7. 不銹鋼板

8）如圖4所示，自制滑動(dòng)摩擦角測量裝置。工作時(shí)，將單粒芽種放置在不銹鋼平板上，通過螺桿和螺栓將工作臺(tái)架的一端勻速提起，使不銹鋼平板緩慢傾斜，待芽種開始滑動(dòng)時(shí)，平板傾斜角度即為芽種在不銹鋼板的滑動(dòng)摩擦角，用數(shù)顯傾角儀測定角度。

1. 數(shù)顯傾角儀2. 稻種3. 斜面4. 不銹鋼板5. 螺桿6. 螺栓7. 工作臺(tái)架8. 塑料板

2.4 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)前對9種雜交稻種進(jìn)行催芽處理，選擇發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別高于95%和80%的稻種，進(jìn)行曬種、脫芒、選種、消毒、浸種、破胸露白和脫水。采用人工方法將稻種的芒和小枝梗脫掉。采用鹽水選種，鹽水選種后立即用清水淘洗種子，清除谷殼外鹽分，避免影響發(fā)芽；使種子吸足水分，達(dá)到出芽快、出芽整齊的目的，浸種要求達(dá)到種殼半透明、透過稻種殼隱約可見種胚；破胸露白即催芽，選擇專用催芽器進(jìn)行作業(yè)，要保證種子整齊露白，保證稻種發(fā)芽處理時(shí)的外部條件一致，溫度、水分、氧氣、光照均一致。催芽后的種子表面水分很大，用甩干桶甩干稻種。經(jīng)過以上步驟處理完畢，用放大鏡挑選樣品中完整飽滿、無裂紋的籽粒。

催芽選種后，在廣州天河區(qū)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室利用上述儀器對9種雜交稻芽種的物理參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行測定，測量方法見參考文獻(xiàn)[25-26]，這里不再詳述。使用Excel 2016對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用SPSS20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，標(biāo)記字母法表示組間差異顯著性，然后進(jìn)行主成分分析與聚類分析。通過分析簡化物理特性指標(biāo)，構(gòu)架科學(xué)的量化評價(jià)體系，得到每種樣品的綜合得分，利用結(jié)果評選綜合物理特性優(yōu)良、適宜機(jī)械化播種的雜交稻芽種。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 測定結(jié)果

9種雜交稻芽種樣品的含水率、千粒質(zhì)量、滑動(dòng)摩擦角、休止角，休止角、芽長、三軸算術(shù)平均粒徑及硬度8個(gè)物理特性指標(biāo)參數(shù)如表1所示。平均含水率為26.2%，變幅較小，變化范圍為23.5%～28.7%，不同稻種含水率差異不大。千粒質(zhì)量平均值為29.2 g，變幅較大，變化范圍25.3～36.5 g。休止角平均值為39.13°，變幅較大，變化范圍25.96°～48.63°。休止角平均值為38.95°，變幅較大，變化范圍為26.81°～48.37°。滑動(dòng)摩擦角平均值為27.03°，變幅較大，變化范圍19.8°～30.4°。雜交稻芽種平均芽長為2.17 mm，變幅較大，變化范圍為0.68～3.37 mm。雜交稻芽種的三軸算術(shù)平均粒徑平均值4.54 mm,變幅較小，變化范圍4.17～4.92 mm。雜交稻芽種的平均硬度值72.3 N，較大的變幅，變化范圍51.7～89.6 N。

3.2 芽種物理特性主成分分析

主成分分析整個(gè)過程在SPSS軟件實(shí)現(xiàn)[28-30]，具體步驟：

1）指標(biāo)數(shù)據(jù)正向化與標(biāo)準(zhǔn)化。

2）間相關(guān)性判定：用SPSS軟件中表“Correlation Matrix（相關(guān)系數(shù)矩陣）”判定。

3）主成分個(gè)數(shù)：用SPSS軟件表中“Total Variance Explained（總方差解釋）”主成分方差累計(jì)貢獻(xiàn)率≥80%、結(jié)合“Component Matrix（初始因子載荷陣）”中變量不出現(xiàn)丟失確定主成分個(gè)數(shù)。

4）主成分Z表達(dá)式：將SPSS軟件中表“Component Matrix”中的第列向量除以第個(gè)特征根的開根后就得到第個(gè)主成分Z的變量系數(shù)向量（在“transform—compute”中進(jìn)行計(jì)算）由此寫出主成分Z表達(dá)式。

5）主成分Z命名：SPSS軟件表中的“Component Matrix”中的第列中的系數(shù)絕對值大的對應(yīng)變量對Z命名。

7）檢驗(yàn)：綜合主成分（評價(jià)）值用實(shí)際結(jié)果、經(jīng)驗(yàn)與原始數(shù)據(jù)做分析進(jìn)行檢驗(yàn)。

表1 9種雜交稻種的主要物理特性參數(shù)指標(biāo)

注：同一指標(biāo)同列肩標(biāo)不包含相同字母表示差異顯著(< 0.05)。

Note: There is a significant difference between the same index and the same column shoulder mark without the same letter (< 0.05).

采用SPSS20.0分析工具得到相關(guān)系數(shù)矩陣、方差貢獻(xiàn)分析表、主成分荷載矩陣和相應(yīng)的特征向量，如表2至表4所示。

不同樣品各物理特性指標(biāo)參數(shù)差異明顯，樣品各物理特性指標(biāo)之間存在不同程度的相關(guān)性。不同稻種千粒質(zhì)量差異顯著，稻種千粒質(zhì)量與含水率高低有關(guān)，一般含水率越高，千粒質(zhì)量越大；千粒質(zhì)量與休止角和休止角呈顯著正相關(guān)；三軸算術(shù)平均粒徑與休止角和休止角呈顯著正相關(guān)；休止角與休止角呈顯著正相關(guān)；千粒質(zhì)量與含水率、三軸算術(shù)平均粒徑及滑動(dòng)摩擦角呈正相關(guān)；含水率與芽長呈正相關(guān)；芽長與休止角、休止角、三軸算術(shù)平均粒徑呈正相關(guān)；硬度與休止角呈正相關(guān)。雜交稻芽種的各種物理特性指標(biāo)間存在不同程度的相關(guān)性，說明其反映的信息有一定重疊，同時(shí)各單項(xiàng)指標(biāo)對雜交稻芽種的物理特性所起的作用也不盡相同，因此直接利用這些指標(biāo)不能準(zhǔn)確評價(jià)雜交稻芽種的綜合物理特性。

表2 稻種的主要物理特性參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)矩陣

注：*與**分別表示0.05和0.01水平上顯著差異。

Note: * and ** show significant differences at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

表3 方差貢獻(xiàn)分析表

表4 各主成分的載荷矩陣和特征向量

對9種雜交稻芽種樣品的含水率、千粒質(zhì)量、滑動(dòng)摩擦角、休止角、休止角、芽長、三軸算術(shù)平均粒徑及硬度8個(gè)物理特性指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行主成分分析。每個(gè)主成分的方差即特征值，表示對應(yīng)成分能夠描述原有信息的多少，主成分特征值越大，其變量包含的信息就越多，繪制崖底碎石圖，如圖5所示。崖底碎石圖反映了樣本指標(biāo)相關(guān)矩陣特征值（方差）與主成分序號(hào)之間對應(yīng)關(guān)系，并結(jié)合表4，前3個(gè)主成分的特征值大于1，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到80%以上，能代表帶芽稻種物理特性的原始數(shù)據(jù)信息量。圖6可以看出，在第3主成分處出現(xiàn)拐點(diǎn)，第4主成分后的特征值都較小且彼此大小接近；同時(shí)根據(jù)前面求得的累積貢獻(xiàn)率可知，前3個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率已達(dá)80%以上，參考文獻(xiàn)[14-15]，選擇前3個(gè)主成分對帶芽雜交稻種的物理特性進(jìn)行綜合評價(jià)。

圖5 崖底碎石圖

基于上述處理，通過表4的主成分載荷矩陣，得到以每個(gè)載荷量來表示的主成分與對應(yīng)變量的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)建水稻芽種各主成分與物理特性指標(biāo)之間的線性關(guān)系式為

第一主成分：

1=0.4511-0.0382+0.1813+0.4144+0.5085+0.5156+0.2447-0.0918（5）

第二主成分：

2=-0.2141-0.4232+0.0893+0.3364+0.2445-0.0446-0.5007+0.5858（6）

第三主成分：

3=-0.0831+0.5292+0.6743+0.1014-0.0135-0.0106-0.4597-0.1978（7）

結(jié)合表3，第一主成分方差獻(xiàn)率42.237 % ，包含的信息量較大，主要提取千粒質(zhì)量、2種休止角和三軸算術(shù)平均粒徑；第二主成分方差貢獻(xiàn)率20.517% ，主要提取硬度與滑動(dòng)摩擦角；第三主成分方差貢獻(xiàn)率17.783%，主要提取含水率與芽長。

綜合主成分系數(shù)及其對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率，得到綜合評價(jià)公式為0.42210.20520.1783，通過評價(jià)公式計(jì)算帶芽稻種的物理特性指標(biāo)綜合得分。

計(jì)算每種芽種樣品的綜合得分，按照綜合得分值大小對各種雜交稻芽種進(jìn)行排序，結(jié)果見表5，不同種類的雜交稻排列順序?yàn)樘┴S優(yōu)208>軟華優(yōu)1179>五優(yōu)6133>特優(yōu)2068>順兩優(yōu)1179>培雜泰豐>恒豐優(yōu)1179軟華優(yōu)6100>五優(yōu)1179。

表5 各主成分得分及綜合得分

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際機(jī)械化播種過程中各雜交稻芽種樣品排種性能的最終表現(xiàn)，初步確定9個(gè)種物理特性的評價(jià)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表6。

表6 雜交稻芽種樣本物理特性的綜合評價(jià)等級

3.3 雜交稻芽種聚類綜合分析

在各雜交稻芽種提取3個(gè)主成分得分及綜合得分的基礎(chǔ)上，對9種雜交稻芽種樣品進(jìn)行聚類分析。聚類結(jié)果根據(jù)綜合物理特性參數(shù)作出親疏關(guān)系判斷，能更好地解讀數(shù)據(jù)本質(zhì)[31]。聚類方法為離差平方和法，在歐式距離10.0處，將9種雜交稻芽種聚為5類。圖6看出五優(yōu)6133、順兩優(yōu)1179、培雜泰豐被聚為一類，軟華優(yōu)1179聚為一類，特優(yōu)2068、恒豐優(yōu)1179、軟華優(yōu)6100被聚為一類，泰豐優(yōu)208與五優(yōu)1179分別聚為一類。

通過主成分分析和聚類分析，對9種雜交稻芽種8個(gè)物理特性指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明8個(gè)物理特性指標(biāo)參數(shù)隸屬于3個(gè)主成分，代表全部信息的80.53%的信息量，9種雜交稻芽種聚合為5類，各類群之間在物理特性和歐式距離方面都有較大差異。在物理特性評價(jià)過程中，要充分考慮主成分的互補(bǔ)和歐式距離的選擇。后續(xù)研究應(yīng)將繼續(xù)增加樣本容量，完善雜交稻芽種樣本物理特性評價(jià)依據(jù)，提高該評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性和系統(tǒng)性。

圖6 9個(gè)雜交稻芽種的聚類分析樹狀圖

4 結(jié) 論

本文探索性地以華南稻區(qū)常用的催芽雜交稻種樣品為試驗(yàn)材料，測定其含水率、千粒質(zhì)量、滑動(dòng)摩擦角、休止角、休止角、芽長、三軸算術(shù)平均粒徑及硬度8個(gè)物理特性指標(biāo)參數(shù)，運(yùn)用主成分分析法簡化物理特性指標(biāo)，構(gòu)架科學(xué)評價(jià)體系，初步判定各種雜交稻芽種樣本的綜合得分。

1）樣品的各個(gè)物理特性指標(biāo)參數(shù)差異明顯，各物理特性指標(biāo)之間存在不同程度的相關(guān)性。千粒質(zhì)量與休止角和休止角呈顯著正相關(guān)；三軸算術(shù)平均粒徑與休止角和休止角呈顯著正相關(guān)；休止角與休止角呈顯著正相關(guān)；千粒質(zhì)量與含水率、三軸算術(shù)平均粒徑及滑動(dòng)摩擦角呈正相關(guān)；含水率與芽長呈正相關(guān)；硬度與休止角呈正相關(guān)；芽長與休止角、休止角和三軸算術(shù)平均粒徑呈正相關(guān)。

2）利用主成分法提取前3個(gè)主成分因子，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到80%以上，能代表原來8個(gè)物理特性指標(biāo)中的絕大部分信息，具有較好的代表性與客觀性。綜合主成分系數(shù)及其對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率，得到綜合評價(jià)公式0.42210.20520.1783，初步確定9種雜交稻芽種樣本物理特性的評價(jià)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。

3）采用聚類綜合分析法對樣品物理特性綜合得分進(jìn)行分析，9種雜交稻芽種被聚合為5類，各類群之間在物理特性有差異。評價(jià)過程要充分考慮主成分的互補(bǔ)和歐式距離選擇，后續(xù)研究應(yīng)將繼續(xù)增加樣本容量，完善芽種物理特性評價(jià)依據(jù)，提高該評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性和系統(tǒng)性。本研究為芽種物理特性的科學(xué)評價(jià)提供一種新思路，同時(shí)為水稻精密排種器作業(yè)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

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Evaluation research of physical characteristics of hybrid rice buds based on principal component analysis

Chen Lintao1,2, Ma Xu1,2, Cao Xiulong1, Wen Zhicheng1, Ji Chuandong1, Li Hongwei1

(1.,,510642,; 2.,510642,)

China possesses a wide area of rice cultivation. The rice planting system is complex and differential from different area, such as single season, double season. The kinds of planting rice are various, mainly consisting of indica and japonica rice, and which also are divided into conventional rice, hybrid rice and super hybrid rice, and the physical characteristic between different planting rice is significant or non-significant. In recent years, the research on hybrid rice seeds mainly focuses on variety selection, identification and promotion, nutritional value and processing quality evaluation, physical property measurement, key parameter calibration of bud seed discrete elements and rapid non-destructive classification among rice varieties. The research on the physical property evaluation of rice seeds currently lacks a kind of objective, scientific, effective and practical evaluation methods. The physical properties of hybrid rice generally have many parameters, such as 1 000-grain weight, density, water content, geometric size, porosity, tribological properties, rheological properties, thermal properties, optical properties, electrical properties and pulverization properties. The research and evaluation of the physical characteristics of hybrid rice buds are closely related to the mechanized production of rice. In order to systematically study and quantitatively evaluate the physical characteristics of hybrid rice buds, 9 kinds of hybrid rice produced in south China area were selected as raw materials to determine eight physical indexes, including moisture content, 1 000-grain weight, sliding friction angle, angle of repose, angle of repose, the bud length, the three-axis arithmetic mean particle size and the hardness. The principal component analysis method was employed to simplify the physical property index and establish the scientific evaluation system, and the comprehensive score of each sample was obtained. The results showed that the physical index of different samples was significantly different, and the correlation between the different physical properties of the samples was also represented. The 1 000-grain weight was significantly positive correlated with the angle of reposeand the angle of repose; the triaxial arithmetic mean particle size was positive correlated between the angle of reposeand the angle of reposeremarkably; the angle of reposeis also obviously positive correlated with the angle of repose. 1 000-grain weight was positively correlated with water content, triaxial arithmetic mean particle size and sliding friction angle; water content was positively correlated with bud length; bud length was positively correlated with resting angle, resting angleand triaxial arithmetic mean particle size. Principal component analysis method was utilized to extract the first three principal component factors, and the cumulative contribution rate reached 80%. The first three principal component factors could represent most of the original eight physical indexes with well representativeness and objectivity, and obtained the evaluation formula0.42210.20520.1783to calculate the comprehensive score of the physical characteristics of hybrid rice buds. In this study, the physical characteristics of hybrid rice buds were comprehensively evaluated based on principal component analysis method, which provided a new method for the scientific evaluation of the physical characteristics of hybrid rice buds, and also provided theoretical data basis for the design and optimization of operating parameters of precision rice seeder in the future.

agricultural products; physical properties; principal component analysis; hybrid rice bud; correlation; cumulative contribution rate

2019-03-20

2019-04-23

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2017YFD0700802）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51675188）和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（CARS-01-43）

陳林濤，博士生，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備方面的研究。Email：1574287180@qq.com

馬 旭，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備方面的研究。中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級會(huì)員（E041200004S）。Email：maxu1959@scau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.037

TS201.1; O242.1

A

1002-6819(2019)-16-0334-09

陳林濤，馬 旭，曹秀龍，溫志成，季傳棟，李宏偉.基于主成分分析的雜交稻芽種物理特性評價(jià)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(16)：334－342. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.037 http://www.tcsae.org

Chen Lintao, Ma Xu, Cao Xiulong, Wen Zhicheng, Ji Chuandong, Li Hongwei. Evaluation research of physical characteristics of hybrid rice buds based on principal component analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 334－342. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.037 http://www.tcsae.org