基于主成分分析和聚類分析的夏播花生綜合評(píng)價(jià)研究

郭 凱，蔣相國(guó)，李紅梅，蔡金蘭

（1.湖北省襄陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441004；2.河南省鄧州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，河南 鄧州 474150）

花生是中國(guó)重要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物，總產(chǎn)量和單產(chǎn)均居世界首位［1］，約占世界總產(chǎn)量4 398萬(wàn)t的40%［2］。隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的不斷推進(jìn)，花生生產(chǎn)日益受到重視［1，3］。提高單位面積產(chǎn)量和改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量是中國(guó)花生產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵［4］。夏播花生較春播花生，其生長(zhǎng)周期較短，產(chǎn)量、品質(zhì)性狀也具有較大差異［5］。小麥-花生輪作是主要的夏播花生種植方式［6］。薛云云等［7］對(duì)24份山西省花生資源農(nóng)藝性狀進(jìn)行了相關(guān)性和主成分分析，發(fā)現(xiàn)飽果數(shù)與產(chǎn)量性狀有極顯著相關(guān)關(guān)系。殷冬梅等［8］通過(guò)主成分分析和聚類分析對(duì)18個(gè)花生品系的品質(zhì)性狀進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，得到4個(gè)主成分因子，可以代表10個(gè)品質(zhì)性狀80.73%的原始數(shù)據(jù)信息量。范小玉等［9］對(duì)河南省32個(gè)夏播花生品種的農(nóng)藝性狀及品質(zhì)性狀進(jìn)行相關(guān)性及聚類分析，適合夏播種植的品種大多屬于果型較小的品種。

湖北省花生產(chǎn)區(qū)屬長(zhǎng)江流域春夏花生區(qū)［10］，常年種植面積超過(guò)23萬(wàn)hm2［11］。近年來(lái)，湖北省花生播種面積和產(chǎn)量逐年增加［12］，高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)抗病的花生品種越來(lái)越受到育種和推廣部門的重視［13］，然而關(guān)于本地區(qū)花生綜合評(píng)價(jià)分析研究較少。本研究通過(guò)對(duì)11個(gè)花生品種的主要農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀進(jìn)行主成分分析，以期充分了解各品種的優(yōu)良特性和綜合表現(xiàn)，進(jìn)而篩選適宜鄂北地區(qū)夏播種植的花生品種，為推廣優(yōu)良夏播花生品種提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖北省襄陽(yáng)市南漳縣九集鎮(zhèn)泉水堰村襄陽(yáng)市農(nóng)科院花生試驗(yàn)基地，試驗(yàn)地地勢(shì)平坦、四周空曠，土壤類型為黃褐土，肥力均勻，前茬小麥，于2019年6月7日足墑播種，田間管理措施同一般高產(chǎn)田。

1.2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

11個(gè)試驗(yàn)品種為引進(jìn)優(yōu)良品種和當(dāng)?shù)赝茝V品種，品種來(lái)源見表1，隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)。

表1 11個(gè)試驗(yàn)品種及其來(lái)源

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行主成分分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同夏播花生品種農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)

由參試的11個(gè)花生品種農(nóng)藝性狀表現(xiàn)（表2、表3）可知，各品種生育期在111～113 d，符合鄂北地區(qū)麥后夏花生生育期要求，但合花1號(hào)和湘花666出苗率較低；主莖高變化范圍為32.2～53.5 cm，極差為21.3 cm。從主莖高和側(cè)枝長(zhǎng)數(shù)據(jù)得出，杜皮紅植株較高，生產(chǎn)上應(yīng)考慮化控藥劑的使用；百果重最大的花生品種是中花215，為225.6 g，杜皮紅百果重、百仁重均較小，分別為131.0、52.3 g；中花16、天府22、泰花5號(hào)出仁率較高，達(dá)到75%以上；產(chǎn)量較高的品種有中花16、中花215、天府22、寧泰9922。

表2 不同夏播花生品種生育期及農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)

表3 不同夏播花生品種產(chǎn)量性狀的表現(xiàn)

2.2 不同夏播花生品種農(nóng)藝性狀的主成分分析

在SPSS 22.0軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和正向化處理后，對(duì)花生21個(gè)主要農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀進(jìn)行主成分分析，得到特征值、方差貢獻(xiàn)率、累計(jì)方差貢獻(xiàn)率及特征向量（表4、表5）。選取λ大于1的前6個(gè)主成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)90.064%，代表了21個(gè)原始性狀的90.064%的數(shù)據(jù)信息，可以用這6個(gè)主成分代替上述21個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行適應(yīng)性綜合評(píng)價(jià)。第1主成分PC1的方差貢獻(xiàn)率為33.940%，決定PC1的主要指標(biāo)有生育期、總分枝數(shù)、結(jié)果枝數(shù)、單株生產(chǎn)力、百果重、百仁重、產(chǎn)量，PC1反映的主要是分枝特性和產(chǎn)量特性。第2主成分PC2的方差貢獻(xiàn)率為20.141%，決定PC2的主要指標(biāo)有出苗率、飽果重、飽果重率，PC2反映的主要是出苗特性和結(jié)果特性。第3主成分PC3的方差貢獻(xiàn)率為13.447%，決定PC3的主要指標(biāo)有飽仁重率、莢果飽滿度，PC3反映的主要是果仁飽滿特性。第4主成分PC4的方差貢獻(xiàn)率為9.086%，決定PC4的主要指標(biāo)有出仁率、莢果飽滿度，PC4反映的是出仁特性。第5主成分PC5的方差貢獻(xiàn)率為8.034%，決定PC5的主要指標(biāo)有主莖高和側(cè)枝長(zhǎng)，PC5反映的主要是株高特性。第6主成分PC6的方差貢獻(xiàn)率為5.416%，決定PC6的主要指標(biāo)有飽果數(shù)和芽果數(shù)，PC6反映的主要是結(jié)果數(shù)量特性。

表4 不同夏播花生品種6個(gè)主成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率

表5 主成分載荷矩陣和特征向量

2.3 不同夏播花生品種的綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)6個(gè)主成分的特征向量和21個(gè)性狀指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值（X1+X2+X3……X21）進(jìn)行處理，建立6個(gè)主成分的線性回歸方程如下：

然后以每個(gè)主成分所對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率α1、α2、α3、α4、α5、α6作為權(quán)重系數(shù)，計(jì)算主成分綜合模型為：

得到各主成分得分和綜合得分見表6。評(píng)價(jià)得分較高的有中花16、天府22、寧泰9922、中花215、湘花645，這幾個(gè)品種適應(yīng)性較高，較其他花生品種適宜鄂北地區(qū)夏播種植。

表6 不同夏播花生品種的主成分得分及綜合評(píng)價(jià)

2.4 不同夏播花生品種的聚類分析

采用SPSS 22.0軟件對(duì)這11個(gè)參試夏播花生品種的主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行聚類分析，聚類采用歐氏距離，聚類方法采用最短距離法得到樹狀圖，如圖1所示。當(dāng)閾值為7.5時(shí)，將11個(gè)夏播花生品種聚為3類，中花16、湘花645、中花215、天府26、寧泰9922、泰花5號(hào)聚為第一類，這6個(gè)品種主莖高和側(cè)枝長(zhǎng)表現(xiàn)中等，分枝數(shù)和結(jié)果枝數(shù)較多，百果重在189.7～225.6 g，除天府26外，5個(gè)品種總果數(shù)和飽果數(shù)均較多，產(chǎn)量表現(xiàn)均較好；皖花4號(hào)、合花1號(hào)、湘花666聚為第二類，這3個(gè)品種出苗率較低，分枝數(shù)和結(jié)果數(shù)較少，總分枝數(shù)5.9～6.5個(gè)，單株總結(jié)果數(shù)19.5～20.8個(gè)；天府22和杜皮紅聚為第三類，此類品種果型和子粒較小，百果重分別為156.5、131.0 g，百仁重分別為64.1、52.3 g。

圖1 不同夏播花生品種的聚類分析

3 討論和結(jié)論

植物的生長(zhǎng)發(fā)育、生理特性不僅受自身基因型的控制，水分、光照、溫度等外界環(huán)境條件也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定影響，同一品種在不同生態(tài)環(huán)境下性狀表現(xiàn)也會(huì)有較大差異［14］。環(huán)境效應(yīng)、基因型與環(huán)境互作效應(yīng)降低了農(nóng)作物可重復(fù)的遺傳變異的可靠性［15］，增加了品種推廣應(yīng)用效果的不確定性和生產(chǎn)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)新品種在不同環(huán)境下綜合性狀的全面評(píng)價(jià)，對(duì)于品種的選育和推廣具有重要意義。農(nóng)作物品種的評(píng)價(jià)由于指標(biāo)較多，而且各指標(biāo)之間存在較復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系，給品種篩選帶來(lái)一定的困難［8，9］。主成分分析是利用降維思維，將多個(gè)變量簡(jiǎn)化成少數(shù)綜合變量的一種統(tǒng)計(jì)分析，主成分分析和聚類分析已在水稻、小麥、玉米等多種作物的綜合評(píng)價(jià)上得到了廣泛應(yīng)用［16-20］。

本研究通過(guò)主成分分析法對(duì)參試夏花生品種農(nóng)藝性狀指標(biāo)進(jìn)行了綜合，并采用聚類分析對(duì)不同參試品種進(jìn)行了聚類，將21個(gè)性狀指標(biāo)簡(jiǎn)化為6個(gè)指標(biāo)，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)90.064%，能夠反映原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息，主成分分析可以簡(jiǎn)化分析評(píng)價(jià)流程，根據(jù)各主成分得分和綜合得分情況，對(duì)參試品種的性狀進(jìn)行綜合評(píng)定，篩選適宜本區(qū)域生態(tài)條件種植的夏播花生品種。利用聚類分析，將11個(gè)花生品種分為性狀表現(xiàn)存在差異的3個(gè)類群，第1類群品種與主成分分析評(píng)分較高品種雖大多數(shù)一致，但也存在一定差異，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體情況加以選擇。綜合主成分分析和聚類分析，不僅能夠更準(zhǔn)確地分析評(píng)價(jià)參試品種，而且對(duì)品種性狀差異分級(jí)、品種資源選育、種質(zhì)資源鑒定等都具有重要意義。