主成分分析篩選設(shè)施葡萄二次果生產(chǎn)適宜品種

李凱 商佳胤 蘇宏 王丹 張鶴 王海波 李敬川

摘??? 要：為了更全面地評(píng)價(jià)并篩選適宜設(shè)施二次果生產(chǎn)的葡萄品種，基于綜合評(píng)分法和主成分分析法綜合考量了二次果的果實(shí)內(nèi)在品質(zhì)、結(jié)果能力、外觀品質(zhì)、產(chǎn)量穩(wěn)定性和成熟期，以及抗病性、勞動(dòng)強(qiáng)度、葉片衰老情況和市場(chǎng)定位9個(gè)因素，對(duì)38個(gè)品種進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。主成分分析結(jié)果顯示，共提取4個(gè)主成分，方差累積貢獻(xiàn)率為75.486%，根據(jù)提取主成分的綜合得分確定了品種排名，‘玫瑰香優(yōu)系、‘戶(hù)太8號(hào)、‘意大利、‘巨玫瑰得分較高，綜合表現(xiàn)突出，‘黃玫瑰、‘巨峰、‘魏可和‘亞歷山大等綜合表現(xiàn)良好，該結(jié)果可以為我國(guó)北方地區(qū)設(shè)施二次果生產(chǎn)提供品種參考。

關(guān)鍵詞：葡萄;設(shè)施栽培;二次果;主成分分析;品種評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào)：S663.1;S628???????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.06.005

Evaluation and Screening of Grape Varieties for Second-harvest Fruit Production in Facilities Based on Principal Component Analysis

LI Kai1， SHANG Jiayin1， SU Hong1， WANG Dan1， ZHANG He1， WANG Haibo2， LI Jingchuan3

（1.Pomology Institute， Tianjin Academy of Agricultural Sciences， Tianjin 300384， China; 2. Pomology Institute， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Xingcheng， Liaoning 125100， China; 3. Hebei Academy of Forestry and Grassland Sciences， Shijiazhuang， Hebei 050061， China）

Abstract： In order to more comprehensively evaluate and select grape varieties suitable for second-harvest fruit production in facilities， 38 grape varieties were analyzed and evaluated. Based on the comprehensive scoring method and the principal component analysis method， 9 factors were comprehensively considered， including the inner fruit quality， bearing capacity， exterior quality， yield stability， ripening period， disease resistance， leaf senescence， labor intensity and market positioning. A total of 4 principal components were extracted in the experiment， and the results showed that the cumulative contribution rate of the variance was 75.486%. The ranking of each variety was determined according to the comprehensive score of the extracted principal components. The comprehensive performance of 'Muscat Hamburg superior strain'， 'Hutai 8'， 'Italy' and 'Jumeigui' was outstanding， with higher scores， followed by 'Yellow Rose'， 'Kyoho'， 'Wink' and 'Alexander'. The results could provide a variety reference for the second-harvest grape production in facilities of northern China.

Key words： grape; facility cultivation; second-harvest fruit; principal component analysis; variety evaluation

葡萄二次果生產(chǎn)技術(shù)是指利用一定栽培措施使葡萄主梢或副梢上當(dāng)年形成的夏芽或者冬芽當(dāng)年萌發(fā)成花結(jié)二次果的技術(shù)[1]，該技術(shù)對(duì)于調(diào)節(jié)葡萄產(chǎn)期、提高果農(nóng)收益具有重要意義。近年來(lái)，二次果生產(chǎn)技術(shù)在‘巨峰[2-3]、‘夏黑[4]、‘玫瑰香[5]、‘戶(hù)太8號(hào)[6]、‘溫克[7]等品種上進(jìn)行了深入研究和廣泛應(yīng)用。二次果生產(chǎn)要建立在適宜的氣候條件上[8]，品種和栽培手段是重要影響因素。

適宜品種篩選是設(shè)施葡萄二次果生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)保證，果實(shí)品質(zhì)是篩選過(guò)程中品種適應(yīng)性評(píng)價(jià)的重要依據(jù)[9]。此外，二次果的結(jié)果能力、外觀品質(zhì)、產(chǎn)量穩(wěn)定性和成熟期以及抗病性、勞動(dòng)強(qiáng)度、葉片衰老情況和市場(chǎng)定位等也是二次果生產(chǎn)效益的重要影響因素，對(duì)品種實(shí)行多因素綜合考量可以進(jìn)一步增加評(píng)價(jià)的客觀性和準(zhǔn)確性。品種評(píng)價(jià)中常采用主成分分析來(lái)綜合多重因素指標(biāo)，采用降維方法獲得幾個(gè)綜合指標(biāo)來(lái)反映原有復(fù)雜信息，使分析結(jié)果更具客觀性[10]。

本研究基于綜合評(píng)分法和主成分分析法綜合考量了二次果的果實(shí)內(nèi)在品質(zhì)、結(jié)果能力、外觀品質(zhì)、產(chǎn)量穩(wěn)定性和成熟期，以及抗病性、勞動(dòng)強(qiáng)度、葉片衰老情況和市場(chǎng)定位等9個(gè)因素，對(duì)38個(gè)葡萄品種進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，旨在探索涉及果實(shí)品質(zhì)、成熟期、勞動(dòng)強(qiáng)度、市場(chǎng)定位等多重因素的品種評(píng)價(jià)篩選方法，為葡萄設(shè)施二次果生產(chǎn)提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試38個(gè)品種均栽植于天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院武清現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新基地日光溫室內(nèi)，株行距為1.0 m×2.0 m，每品種栽植2行，共10株，南北行向，采用傾斜龍干Y型葉幕樹(shù)形。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

參考綜合評(píng)分法[11-12]，并根據(jù)設(shè)施二次果生產(chǎn)技術(shù)特點(diǎn)及葡萄品質(zhì)要求等，設(shè)計(jì)9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)（表1），評(píng)分依據(jù)來(lái)源于課題組對(duì)38個(gè)品種2013—2019年相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)及栽培表現(xiàn)，獲得38×9的原始數(shù)據(jù)矩陣。

1.3 主成分分析

主成分分析采用SPSS v17.0軟件，為避免計(jì)算結(jié)果受變量量綱影響，保證結(jié)果客觀性和科學(xué)性，需對(duì)原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后計(jì)算成分特征值、方差貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率并提取主成分[13]，根據(jù)主成分綜合得分進(jìn)行品種排名。

2 結(jié)果與分析

首先對(duì)38×9原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由相關(guān)矩陣出發(fā)，計(jì)算相關(guān)矩陣的特征向量，得到特征值和貢獻(xiàn)率，共提取了特征值大于1的4個(gè)主成分，方差累積貢獻(xiàn)率為75.486%（表3），基本可以概括品種評(píng)價(jià)指標(biāo)的大部分信息。

主成分載荷矩陣見(jiàn)表4，每個(gè)主成分都濃縮了9個(gè)變量信息，但各主成分和變量之間相關(guān)性不同，X1、X5和X9主要與主成分2正相關(guān)，X2、X4和X6主要與主成分1正相關(guān)，X3主要與主成分3正相關(guān)、與主成分1負(fù)相關(guān)，X7主要與主成分3和主成分4正相關(guān)，X8主要與主成分4正相關(guān)、與主成分3負(fù)相關(guān)。因此，4個(gè)主成分分別從不同方面反映了葡萄品種的綜合性狀，主成分1主要代表二次果結(jié)果能力、產(chǎn)量穩(wěn)定性和抗病性信息，主成分2主要代表市場(chǎng)定位、二次果成熟期和二次果果實(shí)內(nèi)在品質(zhì)信息，主成分3主要代表勞動(dòng)強(qiáng)度和二次果外觀品質(zhì)信息，主成分4主要代表勞動(dòng)強(qiáng)度和葉片衰老情況信息。

用成分載荷除以成分特征值的平方根來(lái)計(jì)算成分特征向量，進(jìn)而用特征向量表示主成分得分，4個(gè)主成分分別以y1、y2、y3和y4來(lái)表示，表達(dá)式為：

y1=0.178X1+0.561X2-0.411X3+0.500X4+0.173X5+0.405X6+0.165X7+0.034X8-0.110X9;

y2=0.413X1+0.043X2+0.207X3+0.080X4+0.437X5-0.249X6+0.205X7+0.282X8+0.635X9;

y3=0.137X1+0.145X2+0.364X3+0.092X4-0.451X5+0.105X6+0.469X7-0.578X8+0.227X9;

y4=-0.532X1+0.080X2+0.144X3+0.329X4-0.115X5-0.366X6+0.498X7+0.404X8-0.153X9。

由表5中各主成分得分可知，第1主成分中‘玫瑰香優(yōu)系、‘戶(hù)太8號(hào)和‘巨峰得分較高，這些品種在主成分1代表的二次果結(jié)果能力、產(chǎn)量穩(wěn)定性和抗病性方面表現(xiàn)較好，第2主成分得分最高的‘意大利和‘黃玫瑰，在市場(chǎng)定位和二次果內(nèi)在品質(zhì)方面表現(xiàn)突出，第3主成分得分最高的‘蜜光和‘黑比特，在勞動(dòng)強(qiáng)度和二次果外觀品質(zhì)等指標(biāo)較好，但葉片衰老情況指標(biāo)較差，第4主成分得分最高的是‘無(wú)核白雞心和‘瑞都脆霞，其勞動(dòng)強(qiáng)度和葉片衰老情況指標(biāo)較好，但是成熟期、抗病性和二次果內(nèi)在品質(zhì)指標(biāo)較差。上述品種在某些變量信息上表現(xiàn)突出，但是單獨(dú)使用某一個(gè)主成分難以全面反映所有變量信息，可以通過(guò)4個(gè)主成分的綜合得分，來(lái)反映所有變量信息。將主成分按照貢獻(xiàn)率綜合為加權(quán)綜合得分Y=y1×λ1/（λ1+λ2+λ3+λ4）+y2×λ2/（λ1+λ2+λ3+λ4）+y1×λ3/（λ1+λ2+λ3+λ4）+y1×λ4/（λ1+λ2+λ3+λ4），λi為主成分方差貢獻(xiàn)率，以綜合得分對(duì)38個(gè)品種進(jìn)行排名，綜合得分越高表示該品種的綜合表現(xiàn)越優(yōu)[14]。由表5排名可知，‘玫瑰香優(yōu)系、‘戶(hù)太8號(hào)、‘意大利、‘巨玫瑰排名靠前、綜合表現(xiàn)突出，‘黃玫瑰、‘巨峰、‘魏可和‘亞歷山大等綜合表現(xiàn)良好，‘里扎馬特和‘希姆勞特等品種排名靠后，不適宜設(shè)施二次果生產(chǎn)。

3 結(jié)論與討論

主成分分析法可以在基本保留原有信息的條件下，通過(guò)降維方法將多個(gè)變量聚集到少數(shù)幾個(gè)主成分上，減少了信息的交叉，分析評(píng)估結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確[10]。魏烈權(quán)等[10]對(duì)甘肅嘉峪關(guān)10個(gè)釀酒品種的可溶性糖、可滴定酸和總酚含量等9個(gè)常規(guī)理化指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，篩選出3個(gè)綜合表現(xiàn)較優(yōu)的品種‘黑比諾、‘佳美和‘美樂(lè);史洪琴等[15]對(duì)貴州8個(gè)葡萄品種的可溶性固形物等5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，綜合得分前3名分別是‘紅玫瑰、‘維多利亞和‘溫克;劉春艷等[16]對(duì)寧夏7個(gè)葡萄品種的果實(shí)縱橫徑、總糖和可滴定酸等12個(gè)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提取出的3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)90.07%，是綜合評(píng)價(jià)果實(shí)品質(zhì)的重要參考因素;沈甜等[17]對(duì)銀川引種的10個(gè)無(wú)核鮮食葡萄品種的14個(gè)理化指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，綜合得分最高的前3個(gè)品種分別是‘無(wú)核翠寶、‘夏黑和‘愛(ài)神玫瑰;因此，應(yīng)用主成分分析可以有效地評(píng)價(jià)篩選優(yōu)良葡萄品種。

主成分分析不僅應(yīng)用于葡萄品種評(píng)價(jià)，也常用于蘋(píng)果[18-19]、桃[20-21]、獼猴桃[22-23]、柑橘[24]等果樹(shù)品種，前人品種評(píng)價(jià)時(shí)對(duì)于果實(shí)品質(zhì)性狀的研究更為深入。品種評(píng)價(jià)篩選時(shí)，果實(shí)內(nèi)在品質(zhì)固然十分重要，但面對(duì)栽培管理成本增加以及消費(fèi)者對(duì)果品質(zhì)量和安全要求提高等新形勢(shì)，葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須轉(zhuǎn)變觀念，以節(jié)本、優(yōu)質(zhì)、高效和綠色為發(fā)展目標(biāo)[25]，這也要求品種結(jié)構(gòu)和栽培模式需要進(jìn)一步升級(jí)，綜合表現(xiàn)突出的品種會(huì)更好地助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，本研究在設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，除了二次果內(nèi)在品質(zhì)，還重點(diǎn)考量了二次果結(jié)果能力、產(chǎn)量穩(wěn)定性、抗病性、成熟期、果實(shí)外觀品質(zhì)、勞動(dòng)強(qiáng)度和市場(chǎng)定位等指標(biāo)，以期更全面地評(píng)價(jià)品種表現(xiàn)。

本研究中評(píng)價(jià)指標(biāo)的性質(zhì)和量綱不同，在提升評(píng)價(jià)全面性的同時(shí)也提高了評(píng)價(jià)難度，無(wú)法用統(tǒng)一量綱進(jìn)行定量分析。因此，采用了無(wú)量綱的分?jǐn)?shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[11-12]。分值設(shè)定時(shí)，為體現(xiàn)葡萄二次果生產(chǎn)時(shí)果實(shí)內(nèi)在品質(zhì)、二次果結(jié)果能力、果實(shí)外觀品質(zhì)和二次果產(chǎn)量穩(wěn)定性的重要性，賦予其更高的分值范圍。天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹(shù)研究所葡萄中心課題組根據(jù)各品種多年栽培表現(xiàn)給各指標(biāo)賦分，獲得數(shù)據(jù)矩陣，再通過(guò)主成分分析，對(duì)38個(gè)品種的9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，以期更多維地反映在設(shè)施葡萄二次果生產(chǎn)目標(biāo)下的品種綜合表現(xiàn)。

本研究建立了基于綜合評(píng)分法和主成分分析的品種評(píng)價(jià)方法，主成分分析結(jié)果顯示，共提取4個(gè)主成分，方差累積貢獻(xiàn)率為75.486%，可以概括9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的大部分信息，根據(jù)4個(gè)主成分的綜合得分確定了設(shè)施二次果生產(chǎn)需求下38個(gè)品種的排名，‘玫瑰香優(yōu)系、‘戶(hù)太8號(hào)、‘意大利、‘巨玫瑰排名靠前、綜合表現(xiàn)突出，‘黃玫瑰、‘巨峰、‘魏可和‘亞歷山大等綜合表現(xiàn)良好，該結(jié)果可以為我國(guó)北方地區(qū)設(shè)施葡萄二次果生產(chǎn)提供品種參考。

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收稿日期：2021-04-01

基金項(xiàng)目：天津市林果現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目（ITTFPRS2018005）

作者簡(jiǎn)介：李 凱（1987—），男，河南汝南人，助理研究員，主要從事葡萄栽培與釀酒方面研究。

通訊作者簡(jiǎn)介：商佳胤（1981—），男，山東陽(yáng)信人，副研究員，主要從事葡萄栽培生理方面研究。