不同生育期水分脅迫條件下寧夏枸杞果實(shí)的主成分分析與綜合評(píng)價(jià)

鄭國(guó)保，馬 玲，撖志明，李 苗，劉淑瑛，臧婭妮，孫 瑩，馬小榮

（1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心，銀川750002；2.寧夏回族自治區(qū)藥品檢驗(yàn)研究院，銀川750002）

0 引 言

枸杞產(chǎn)業(yè)是寧夏極具特色的戰(zhàn)略支柱性產(chǎn)業(yè)之一。部分枸杞種植區(qū)雖已改變了傳統(tǒng)的灌溉方式，但仍然存在水分生產(chǎn)效益低和品質(zhì)降低的問(wèn)題。因此，開(kāi)展基于水分和品質(zhì)的評(píng)價(jià)研究對(duì)枸杞生產(chǎn)中科學(xué)的水分管理顯得尤為重要。近年來(lái)，有關(guān)學(xué)者主要針對(duì)枸杞不同產(chǎn)地[1,2]、不同品種[3-7]以及主要品質(zhì)性狀[8,9]，利用主成分分析法，結(jié)合聚類分析和模糊評(píng)價(jià)法對(duì)其進(jìn)行建模并綜合評(píng)價(jià)。關(guān)于基于水分脅迫或虧缺灌溉條件下的品質(zhì)性狀綜合評(píng)價(jià)方法的研究多以蘋果[10,11]、黃瓜[12,13]、葡萄[14,15]、冰糖橙[16]、黃果柑[17]、獼猴桃[18]、砂梨[19]和番茄[20-26]等為研究對(duì)象，而水分脅迫條件下枸杞品質(zhì)性狀綜合評(píng)價(jià)尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究以不同生育期水分脅迫條件下“寧杞1號(hào)”枸杞為試材，通過(guò)對(duì)其外觀品質(zhì)（百粒重、粒度和果形指數(shù)）、藥用品質(zhì)（多糖、β-胡蘿卜素、甜菜堿和總黃酮）和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)（蛋白質(zhì)、脂肪和維生素C）等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，運(yùn)用主成分分析法進(jìn)行品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，以期為寧夏地區(qū)枸杞節(jié)水灌溉技術(shù)和多指標(biāo)樣品的綜合評(píng)價(jià)提供可行的方法。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗(yàn)以五年生“寧杞1 號(hào)”主栽品種為材料，定植于2017年4月。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)枸杞生長(zhǎng)特點(diǎn)將其整個(gè)生長(zhǎng)季分為3個(gè)階段：營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和盛花期（StageⅠ）、盛果期（StageⅡ）和秋果期（StageⅢ）。控水時(shí)間為：營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和盛花期（5月15日-7月5日）、盛果期（7月5日-8月10日）和秋果期（8月10日-9月30日）。按Hsiao 方法設(shè)計(jì)土壤含水量占最大持水量的百分率，即輕度脅迫（60%～65%）、中度脅迫（45%～50%）和重度脅迫（30%～35%），合計(jì)3 個(gè)水分脅迫水平，共設(shè)9 個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。具體水分脅迫處理見(jiàn)表1。

表1 水分脅迫試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Water stress test design

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 樣品的采集及處理

2017-2018年在試驗(yàn)地內(nèi)采集不同處理盛果期和秋果期果實(shí)，每個(gè)處理調(diào)查3 株樹(shù)，共調(diào)查9 株，將3 株樹(shù)的果實(shí)混合后取樣，烘干。

1.3.2 果實(shí)品質(zhì)的測(cè)定

（1）外觀品質(zhì)。果形指數(shù)：從各處理采摘后的新鮮果實(shí)中隨機(jī)抽取30 粒果實(shí)，用游標(biāo)卡尺測(cè)量果實(shí)的橫徑和縱徑，并計(jì)算其比值；百粒重和粒度：按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 18672-2002）中的方法測(cè)定。

（2）藥用品質(zhì)。多糖、β-胡蘿卜素和甜菜堿均按照《中華人民共和國(guó)藥典》2015年版一部中的方法進(jìn)行測(cè)定，總黃酮含量采用紫外分光光度法進(jìn)行測(cè)定。

（3）營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。蛋白質(zhì)、脂肪和維生素C含量均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T5009-2003）中的方法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.3 品質(zhì)分析方法

以3 個(gè)時(shí)期的3 個(gè)水分脅迫程度為樣品單元，以果實(shí)的3個(gè)外觀品質(zhì)、4 個(gè)藥用品質(zhì)和3 個(gè)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)為變量進(jìn)行主成分分析，通過(guò)其特征值、貢獻(xiàn)率、累計(jì)貢獻(xiàn)率，對(duì)各處理樣品進(jìn)行品質(zhì)分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 整理數(shù)據(jù)，利用DPS 18.10 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分脅迫處理下果實(shí)品質(zhì)分析

由表2可知：水分脅迫對(duì)不同生育期枸杞百粒重和果形指數(shù)均無(wú)顯著影響。在StageⅡ期水分脅迫對(duì)粒度、總黃酮和β-胡蘿卜素均無(wú)顯著影響，枸杞多糖和甜菜堿含量均表現(xiàn)為重度脅迫＞中度脅迫＞輕度脅迫，維生素C 和蛋白質(zhì)含量以中度脅迫最高，脂肪含量隨脅迫程度的加劇而降低。在StageⅢ期水分脅迫，粒度、枸杞多糖和甜菜堿含量均表現(xiàn)為重度脅迫＞中度脅迫＞輕度脅迫，β-胡蘿卜素、維生素C 和蛋白質(zhì)含量以中度脅迫最高，脂肪含量隨脅迫程度的減輕而升高。

表2 不同水分脅迫處理枸杞果實(shí)品質(zhì)分析Tab.2 Fruit quality analysis of wolfberry under different water stress

2.2 果實(shí)品質(zhì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

主成分分析法的前提是不損失或很少損失原有信息，將原來(lái)個(gè)數(shù)較多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為新的個(gè)數(shù)較少的綜合指標(biāo)的分析方法，以避免重復(fù)信息的干擾[18]。用于主成分分析的枸杞干果各品質(zhì)指標(biāo)的表型數(shù)據(jù)是不同的性狀，單位也不相同[19]，為了消除各品質(zhì)指標(biāo)之間的量綱和各品質(zhì)指標(biāo)相對(duì)大小差異對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生的影響，采用Z-Score 標(biāo)準(zhǔn)化法[27]進(jìn)行果實(shí)品質(zhì)原始數(shù)據(jù)（表3）轉(zhuǎn)化成均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1的無(wú)量綱數(shù)據(jù)。

表3 原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化值Tab.3 Standardized values of raw data

2.3 不同水分脅迫處理下寧夏枸杞品質(zhì)的主成分分析

由表4 可知：不同時(shí)期前3 個(gè)主成分品質(zhì)因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率均達(dá)到80.00% 以上（Stage Ⅱ達(dá)82.356 0%、Stage Ⅲ達(dá)85.234 7%），保留了原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息，因此提取前3個(gè)主成分品質(zhì)因子信息進(jìn)行后續(xù)的分析計(jì)算。由各主成分品質(zhì)因子特征向量可知，在StageⅡ期，第1 主成分貢獻(xiàn)率達(dá)43.049 4%，主要代表甜菜堿、β-胡蘿卜素、總黃酮和多糖含量，反映果實(shí)藥用品質(zhì)；第2主成分方差貢獻(xiàn)率達(dá)25.570 4%，主要代表維生素C、蛋白質(zhì)和脂肪含量，反映果實(shí)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)；第3 主成分方差貢獻(xiàn)率達(dá)13.736 2%，主要代表果形指數(shù)和百粒重，反映果實(shí)外觀品質(zhì)。在StageⅢ期，第1 主成分貢獻(xiàn)率達(dá)46.222%，主要代表維生素C、蛋白質(zhì)和脂肪含量，反映果實(shí)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)；第2主成分方差貢獻(xiàn)率達(dá)21.519%，主要代表β-胡蘿卜素、甜菜堿和總黃酮含量，反映果實(shí)藥用品質(zhì)；第3主成分方差貢獻(xiàn)率達(dá)17.493 7%，主要代表果形指數(shù)和粒度，反映果實(shí)外觀品質(zhì)。

表4 10個(gè)主成分的特征向量、特征值、貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率Tab.4 The eigenvectors，eigenvalues，contribution rate and cumulative contribution rate of the 10 principal components

2.4 不同水分脅迫處理下寧夏枸杞品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)

在對(duì)不同水分脅迫處理下果實(shí)品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，因各主成分的貢獻(xiàn)率不同，須結(jié)合主成分的貢獻(xiàn)率并協(xié)調(diào)各主成分品質(zhì)因子。根據(jù)提取前3 個(gè)主成分特征向量值（表4）和品質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值（表3），得出主成分得分因子的表達(dá)式F（表5）。并以各主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，利用主成分值與對(duì)應(yīng)的權(quán)重相乘求和，得出樣本綜合評(píng)價(jià)模型Y（表5）。

表5 主成分得分因子表達(dá)式及樣本綜合評(píng)價(jià)模型Tab.5 Principal component score factor expression and sample comprehensive evaluation model

為了直觀的揭示不同處理果實(shí)品質(zhì)的優(yōu)劣，根據(jù)得分情況并對(duì)其進(jìn)行排序。由表6可知，在StageⅡ期，以第1主成分排序T4、T1、T2的品質(zhì)較好；以第2 主成分排序T6、T8、T3的品質(zhì)較好；以第3主成分排序T7、T4、T8的品質(zhì)較好。在StageⅢ期，以第1 主成分排序T2、T5、T7的品質(zhì)較好；以第2 主成分排序T9、T2、T6的品質(zhì)較好；以第3 主成分排序T9、T8、T3的品質(zhì)較好。根據(jù)綜合評(píng)價(jià)模型，計(jì)算出各個(gè)處理枸杞的綜合得分（表6），StageⅡ期綜合得分排在前3 位的是T4、T5、T2處理，StageⅢ期綜合得分排在前3 位的是T2、T9、T3處理。說(shuō)明：在StageⅡ期進(jìn)行中度（排名2、3）或重度脅迫（排名1）處理后，可以提高盛果期果實(shí)綜合品質(zhì)；在StageⅢ期進(jìn)行中度（排名1、2）或輕度脅迫（排名3）處理后，可以提高秋果期果實(shí)綜合品質(zhì)。綜合考慮各因素，應(yīng)在盛果期和秋果期均進(jìn)行中度脅迫處理可以提高果實(shí)的綜合品質(zhì)。

表6 不同水分脅迫處理下寧夏枸杞果實(shí)品質(zhì)的主成分得分及排序情況Tab.6 Principal component scores and rankings of fruit quality of wolfberry in Ningxia under different water stress treatments

3 討 論

水資源短缺和不合理灌溉是制約寧夏地區(qū)枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展的突出問(wèn)題，而造成不合理灌溉的主要原因是生產(chǎn)中的水分管理缺乏科學(xué)的量化指標(biāo)?；诖?，本研究分析了不同生育期水分脅迫對(duì)枸杞果實(shí)品質(zhì)的影響，運(yùn)用主成分分析法建立了綜合評(píng)價(jià)模型，確定了枸杞適宜生長(zhǎng)的土壤水分條件，為枸杞園的水分管理提供參考。土壤水分含量過(guò)高或過(guò)低均會(huì)抑制果實(shí)的生長(zhǎng)發(fā)育。劉艷武等[11]采用GC-ITOPSIS 模型對(duì)蘋果品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定果園滴灌灌水下限達(dá)田間持水量60%時(shí)，果實(shí)品質(zhì)最佳；金寧[12]采用主成分分析法對(duì)黃瓜果實(shí)品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，在不降低產(chǎn)量，確定灌水下限為70%田間持水量，既提高了果實(shí)品質(zhì)，也提高了水分利用率；侯裕生等[14]、張興國(guó)等[15]采用主成分分析法分別對(duì)極端干旱區(qū)葡萄和日光溫室葡萄不同水肥處理后的果實(shí)品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，均得出中水低肥處理的果實(shí)綜合品質(zhì)最優(yōu)；王振華等[20]、李文玲等[21]和王秀康等[22]均采用主成分分析法對(duì)番茄不同水肥處理后的果實(shí)品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出減少灌水量可提高番茄的綜合品質(zhì)。由此可見(jiàn)，前人通過(guò)不同評(píng)價(jià)方法對(duì)不同的作物水肥處理下的果實(shí)品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出降低灌水量均可提高果實(shí)的綜合品質(zhì)，這與本研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)不同生育期水分脅迫條件下寧夏枸杞果實(shí)的品質(zhì)分析與綜合評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論。

（1）通過(guò)對(duì)9 個(gè)不同水分脅迫處理和10 個(gè)果實(shí)品質(zhì)性狀的主成分分析，共提取到3個(gè)主成分因子，盛果期累計(jì)貢獻(xiàn)率為82.356 0%、秋果期累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.234 7%，包含了品質(zhì)性狀的絕大部分信息，并以方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重根據(jù)主成分值和對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率構(gòu)建樣品綜合評(píng)價(jià)模型，得到不同水分脅迫處理下果實(shí)的綜合得分和排序，為不同水分處理下多指標(biāo)樣品的綜合評(píng)價(jià)提供了可行的方法。

（2）通過(guò)對(duì)9 個(gè)不同水分脅迫處理和10 個(gè)果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，在盛果期藥用品質(zhì)對(duì)枸杞果實(shí)品質(zhì)的影響較大，這些品質(zhì)因子包括甜菜堿、β-胡蘿卜素、總黃酮和多糖含量的藥用品質(zhì)；在秋果期營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)對(duì)枸杞果實(shí)品質(zhì)的影響較大，這些品質(zhì)因子包括維生素C、蛋白質(zhì)和脂肪含量的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。

（3）通過(guò)其貢獻(xiàn)率及主成分值對(duì)不同水分脅迫處理的枸杞果實(shí)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在盛果期進(jìn)行中度或重度脅迫處理，可以提高盛果期果實(shí)綜合品質(zhì)；在秋果期進(jìn)行中度或輕度脅迫處理，可以提高秋果期果實(shí)綜合品質(zhì)。綜合考慮，應(yīng)在盛果期和秋果期均進(jìn)行中度脅迫處理可以提高果實(shí)的綜合品質(zhì)。