運用主成分-聚類分析評價切花洋桔梗貴陽引種效果

石樂娟， 王維澤， 唐玲涵， 吳青青， 楊躍虎， 杜致輝， 崔 嵬

(貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所， 貴陽 550006)

洋桔梗(Eustomagrandiflorum(Raf.)Shinners)屬龍膽科草原龍膽屬多年生宿根草本花卉，原產(chǎn)美國中部，生產(chǎn)上常作一、二年生栽培[1-2]。洋桔梗株態(tài)輕盈瀟灑，花色典雅明快，花形別致可愛，是目前國際上十分流行的盆花和切花種類之一，種植經(jīng)濟效益高[3-4]。

我國云南、上海等地自20世紀(jì)90年代從日本、臺灣等地引進新品種并試栽培成功，現(xiàn)已成為洋桔梗在我國的主要生產(chǎn)基地，而洋桔梗在貴州地區(qū)少有種植。2016—2017年貴州黃平縣初步開展試種。為進一步研究洋桔梗在貴州地區(qū)栽培的適應(yīng)性，選取8個洋桔梗品種進行試驗栽培，以期為洋桔梗在貴州的品種篩選及栽培管理提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗安排在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所花卉大棚內(nèi)進行。

1.2 試驗材料

洋桔梗品種分別為驚艷綠色、露西塔2綠色、露西塔3粉色、美人醉3紅色、露西塔2紫邊、優(yōu)勝白色、柯羅馬淺紫改良、蕾娜香檳(具體見表1)，8個品種種苗均購于北京神州克勞沃園藝技術(shù)有限責(zé)任公司。

表1 8個洋桔梗品種特征特性Table 1 Characteristics of 8 varieties of E. grandiflorum

1.3 試驗方法

2017年4月15日種苗抵達貴陽，并于當(dāng)日定植。定植床長7.5 m，寬90 cm，溝寬40 cm。土壤、珍珠巖和蛭石以1∶1∶1的比例混合，同時每床加入復(fù)合肥1.5 kg，有機肥15 kg混勻、耙平。種植株行距15 cm×15 cm，每床種植300株。

從每個品種中隨機抽取6株調(diào)查生長性狀和生育性狀，每10 d調(diào)查其抽薹時間、開花時間。在盛花期調(diào)查其株高、莖粗、葉片對數(shù)、單株花頭數(shù)、花徑等性狀。

物候期觀測采用田間目測，從5%植株開始抽薹起為抽薹時間；從5%的植株開放到20%花蕾開放為初花期；從5%的植株葉片開始變黃算起為枯萎期[5]。株高、花徑采用卷尺測量，莖粗采用游標(biāo)卡尺測量，每品種選擇6株測量后取平均值。用Excel、SPSS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種洋桔梗物候期比較

從表2看出，在同樣的大棚環(huán)境下，所選洋桔梗品種在定植后56～66 d開始抽薹，其中最早的是驚艷綠色品種(56 d)；最晚的是美人醉3紅色(66 d)，其抽薹期相差10 d。各品種開花時間在7月上旬至中旬，驚艷綠色開花時間最早，在2017年7月5日，蕾娜香檳開花時間最晚，時間為2017年7月16日；8個品種洋桔梗凋謝時間在9月上旬至中旬，花期56～69 d。1～8號洋桔梗從定植期到枯萎期時長分別為144 d、140 d、138 d、141 d、141 d、143 d、140 d、148 d，相比之下，各品種定植期到枯萎期時長差距不大。

表2 不同洋桔梗品種在貴州地區(qū)栽培的物候期觀察Table 2 Phenological observation of different varieties of E. grandiflorum cultivated in Guizhou province

2.2 不同品種洋桔梗盛花期性狀比較

從表3可以看出，各品種在大棚長勢各不相同，露西塔3粉色、優(yōu)勝白色株高分別達77.58 cm、72.58 cm；露西塔2紫邊與優(yōu)勝白色莖粗最粗；露西塔2紫邊單株開花數(shù)最多，平均為3.5朵；驚艷綠色、科羅馬淺紫改良、優(yōu)勝白色葉對數(shù)沒有顯著差異，分別為10.5對、11對、11對；蕾娜香檳花徑相對最大，達80.72 mm；在瓶插天數(shù)方面露西塔3粉色、優(yōu)勝白色、蕾娜香檳最好，時長14 d。為進一步客觀、科學(xué)的評價引種效果，使用主成分-聚類分析法對數(shù)據(jù)進行分析。

表3 盛花期洋桔梗品種性狀調(diào)查Table 3 Investigation on characteritics of E. grandiflorum varieties at flowering stage

2.3 不同品種洋桔梗各指標(biāo)間的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析對于主成分分析具有一定的參考價值，通常相關(guān)系數(shù)高的指標(biāo)很可能會被劃分到同一個主成分，同時，數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)也是劃分主成分的一個因素[6]。從不同品種洋桔梗各指標(biāo)間相關(guān)性系數(shù)矩陣中看出，花徑與瓶插天數(shù)達顯著水平，其他指標(biāo)間未達顯著水平，數(shù)據(jù)中存在相關(guān)性，因此運用主成分分析是可行的。

2.4 主成分分析

主成分分析是將原來的數(shù)據(jù)降維轉(zhuǎn)化為幾個能涵蓋大部分原始變量的綜合指標(biāo)，這種方法不僅簡化了原始變量，還最大限度的保留了原始數(shù)據(jù)[7]。

表4 不同品種洋桔梗各指標(biāo)間相關(guān)性系數(shù)矩陣Table 4 Correlation coefficient matrix of indexes among different varieties of E. grandiflorum

由于本試驗中6個指標(biāo)具有不同量綱，所以要將原始的數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，來排除不同量綱對主成分分析結(jié)果的影響。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后將Z株高、Z莖粗、Z單株花數(shù)、Z葉對數(shù)、Z花徑、Z瓶插天數(shù)為新的指標(biāo)(Z表示標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù))。

將新的指標(biāo)數(shù)據(jù)運用主成分分析，得出各品種洋桔梗的貢獻率和特征值表，特征值是反映主成分影響大小的指標(biāo)，一般情況下，選擇特征值≥1 的作為選擇主成分的原則，當(dāng)累計方差貢獻率大于75% 時，可以確定主成分?jǐn)?shù)量。

對于不同品種洋桔梗，可以提取3個主成分，這3個主成分中包含了株高、莖粗、單株花數(shù)、葉對數(shù)、花徑、瓶插天數(shù)，且具有較高的載荷值。3個主成分中特征值分別為2.295、1.758、1.053，方差貢獻率分別為38.257%、29.299%、17.549%； 3個主成分的累計貢獻率為85.105%>75.00%，說明這3個主成分保留了原始數(shù)據(jù)信息量的85.105%。所以利用這3個主成分來評價不同品種洋桔梗引種效果是可行的。

主成分的特征向量，也叫系數(shù)向量，反映各原始指標(biāo)在主成分中的重要程度，等于相應(yīng)的載荷系數(shù)除以對應(yīng)的特征值的平方根[8]。

本試驗主成分是6個新指標(biāo)的線性組合，其系數(shù)是對應(yīng)各指標(biāo)的特征向量(如表5)，所得的各主成分函數(shù)表達式為：

表5 不同洋桔梗指標(biāo)間主成分分析的特征值與方差貢獻率Table 5 Eigenvalues and variance contribution rate of principal component analysis among different E. grandiflorum indexes

第一主成分F1為：0.405×Z株高+0.562×Z莖粗+0.492×Z單株花數(shù)+0.607×Z葉對數(shù)+0.659×Z花徑+0.646×Z瓶插天數(shù)。

第二主成分F2為：0.462×Z株高+0.642×Z莖粗+0.563×Z單株花數(shù)+0.694×Z葉對數(shù)+0.753×Z花徑+0.738×Z瓶插天數(shù)。

第三主成分F3為：0.597×Z株高+0.829×Z莖粗+0.727×Z單株花數(shù)+0.897×Z葉對數(shù)+0.973×Z花徑+0.953×Z瓶插天數(shù)。

綜合主成分得分是計算每個主成分得分與其對應(yīng)貢獻率之乘積總和，即：

F=F1×38.257%+F2×29.299%+F3×17.549%。

將不同品種洋桔梗標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)分別代入以上函數(shù)表達式中，就能得到引種效果在不同主成分上的得分，并按照綜合得分進行排序(表6)，由表6可知，不同洋桔梗引種效果排序為優(yōu)勝白色>驚艷綠色>蕾娜香檳>露西塔3粉色>露西塔2紫邊>柯羅馬淺紫改良>露西塔2綠色>美人醉3紅色。

表6 不同洋桔梗主成分分析下各項指標(biāo)的特征向量Table 6 Eigenvectors of principal component analysis of each index in different E. grandiflorum

表7 不同洋桔梗引種效果主成分得分及排序Table 7 Principal component scores and ranking of different introduction effects of E. grandiflorum

以不同洋桔梗引種效果主成分分析得分作為評價引種效果的新指標(biāo)，用歐氏距離作為衡量各處理引種效果差異大小，采用最短距離法將各處理按引種效果的親疏相似程度進行聚類。

由表6和圖1可以看出不同洋桔梗引種效果的歸類情況：優(yōu)勝白色>驚艷綠色>蕾娜香檳>露西塔3粉色、露西塔2紫邊>柯羅馬淺紫改良>露西塔2綠色>美人醉3紅色。也就是不同洋桔梗引種效果分為7個等級：Ⅰ級(優(yōu)勝白色)；Ⅱ級(驚艷綠色)、Ⅲ級(蕾娜香檳)、Ⅳ級(露西塔3粉色、露西塔2紫邊)、Ⅴ級(柯羅馬淺紫改良)、Ⅵ級(露西塔2綠色)、Ⅶ級(美人醉3紅色)。

3 結(jié)論與討論

目前，有關(guān)主成分-聚類分析在引種效果方面的研究較少。降低數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度，主成分聚類分析法可保證數(shù)據(jù)的有效性，被廣泛運用在許多領(lǐng)域。周蓉等[9]運用這種方法對番茄48個品種進行了遺傳多樣性的分析；張夢瀟等[10]對不同品種紫薯進行了主成分及聚類分析；李健等[11]運用主成分分析法對藍莓礦質(zhì)營養(yǎng)吸收進行了綜合評價。

目前，對引種效果的評價指標(biāo)眾多，但沒有統(tǒng)一的評測標(biāo)準(zhǔn)，這可能是因為不同學(xué)者的評價目的不同，側(cè)重的引種效果不同，決定了評價指標(biāo)的多樣性。左小平[12]在研究20種香草花卉引種栽培及適應(yīng)性時，主要對20種香草的株高、莖粗、花徑、成活率等生長指標(biāo)進行統(tǒng)計；劉玉愛等[13]在研究玉米引種材料時則選取了粗蛋白、粗脂肪等指標(biāo)；蔣鵬遠(yuǎn)等[14]在杭州地區(qū)引種酢漿草時，則是對其物候期進行分析。

本試驗側(cè)重于洋桔梗引種后生長方面，所以選取了株高、莖粗、單株花數(shù)、葉對數(shù)、花徑、瓶插天數(shù)等生長指標(biāo)，通過對貴州地區(qū)引種的8種洋桔梗的品種性狀進行分析，發(fā)現(xiàn)不同洋桔梗都有自己優(yōu)勢的性狀，一些品種在有些指標(biāo)上沒有明顯差異，如露西塔3粉色和優(yōu)勝白色在株高上就沒有明顯差異，因此很難從單一指標(biāo)評價其優(yōu)劣。

利用主成分分析方法將株高、莖粗、單株花數(shù)、葉對數(shù)、花徑、瓶插天數(shù)6個生長指標(biāo)進行降維，提取3個主成分，累計貢獻率達85.105%，保留了大部分原始數(shù)據(jù)信息，因此，利用所選的6個指標(biāo)評價洋桔梗引種效果是可靠的。

8個洋桔梗品種從定植至凋謝的時長相近，天數(shù)最多相差10 d，是因為其品種為中生或者中晚生的緣故。貴州天氣夏無酷暑，引進的8個洋桔梗品種花期在56～69 d之間，若岔口安排得當(dāng)，可滿足市場夏季、秋季的用花。

以主成分分析所得值作為新指標(biāo)進行聚類分析，可將不同洋桔梗引種效果進行分類，Ⅰ級(優(yōu)勝白色)；Ⅱ級(驚艷綠色)、Ⅲ級(蕾娜香檳)、Ⅳ級(露西塔3粉色、露西塔2紫邊)、Ⅴ級(柯羅馬淺紫改良)、Ⅵ級(露西塔2綠色)、Ⅶ級(美人醉3紅色)。由此可見，優(yōu)勝白色、驚艷綠色、蕾娜香檳品種適合在貴州栽培，其他品種也有各自的優(yōu)點，在貴州引種時可適量選擇，起到豐富市場的作用。