基于主成分分析的葡萄延遲栽培品種綜合評價

李凱，商佳胤，張鶴，王丹，蘇宏

（天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，天津 300384）

葡萄延遲栽培是利用日光溫室進行春季避光、冬季增溫調(diào)控，使其延遲成熟期，實現(xiàn)淡季供應(yīng)的一種高效栽培方式，對保障葡萄全年均衡供應(yīng)具有重要意義[1]。適宜的葡萄品種是設(shè)施延遲栽培健康、高效、可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)保證。葡萄品種篩選評價過程中通常將品質(zhì)表現(xiàn)作為適應(yīng)性評價的重要依據(jù)[2]，果實成熟期、果實硬度、技術(shù)難度、勞動強度和市場定位等作為輔助指標(biāo)，對品種進行綜合考量分析可以進一步增加篩選評價的客觀性和準(zhǔn)確性。

主成分分析采用降維方法獲得幾個綜合指標(biāo)來反映原有復(fù)雜信息，使分析結(jié)果更具客觀性，在品種評價中被廣泛應(yīng)用[3]。魏烈權(quán)等[3]對甘肅嘉峪關(guān)的10個釀酒品種的可溶性糖、可滴定酸和總酚含量等9個常規(guī)理化指標(biāo)進行主成分分析，篩選出3個綜合表現(xiàn)較優(yōu)的品種‘黑比諾’‘佳美’和‘美樂’。史洪琴等[4]對貴州8個葡萄品種的可溶性固形物等5個指標(biāo)進行主成分分析，綜合得分前3名分別是‘紅玫瑰’‘維多利亞’和‘溫克’。劉春艷等[5]對寧夏7個葡萄品種的果實縱橫徑、總糖和可滴定酸等12個品質(zhì)指標(biāo)進行主成分分析，提取出的3個主成分累計貢獻(xiàn)率達(dá)90.07%，是綜合評價果實品質(zhì)的重要參考因素。沈甜等[6]對銀川引種的10個無核鮮食葡萄品種的14個理化指標(biāo)進行主成分分析，綜合得分最高的前3個品種分別是‘無核翠寶’‘夏黑’和‘愛神玫瑰’。采用主成分分析對葡萄品種評價研究多集中于對果實理化指標(biāo)的品質(zhì)評價上，然而，綜合考量技術(shù)難度、成熟期、勞動強度、抗病能力、市場定位等非理化指標(biāo)的研究報道較少。

本研究基于綜合評分法和主成分分析法綜合考量了果實內(nèi)在品質(zhì)、成熟期、晚采果實硬度、果實外觀品質(zhì)、抗病害情況、樹形管理技術(shù)難度、勞動強度、掛樹時間、葉片衰老情況、培養(yǎng)預(yù)備枝情況和市場定位11個因素，對天津設(shè)施延遲栽培條件下32個鮮食葡萄品種進行了綜合評價，旨在探索涉及果實品質(zhì)、勞動強度、技術(shù)難度、市場定位等多重因素的品種評價篩選方法，為葡萄設(shè)施延遲栽培提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試32個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”形葉幕。

1.2 評價指標(biāo)

參考綜合評分法[7-8]，并根據(jù)設(shè)施延遲栽培技術(shù)特點及葡萄品質(zhì)要求等，設(shè)計11個評價指標(biāo)（表1），評分依據(jù)來源于本團隊對32個品種2013—2019年相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)及栽培表現(xiàn)，獲得32×11的原始數(shù)據(jù)矩陣。

表1 設(shè)施延遲栽培葡萄品種評價指標(biāo)Table 1 Evaluation indexes of grape varieties in facility delayed cultivation

1.3 主成分分析

主成分分析采用SPSS v17.0軟件，為避免計算結(jié)果受變量量綱不同的影響，保證結(jié)果客觀性和科學(xué)性，需對原始數(shù)據(jù)矩陣進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后計算各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)、特征值和特征向量、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率，并提取主成分[9]，根據(jù)主成分綜合得分進行品種排名。

2 結(jié)果與分析

首先對32×11原始數(shù)據(jù)矩陣進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，數(shù)據(jù)見表2。由相關(guān)矩陣出發(fā)，計算相關(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＞1的4個主成分，方差累積貢獻(xiàn)率為73.302%（表3），可以概括品種評價指標(biāo)的大部分信息。

表2 標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)矩陣Table 2 Data matrix after normalization processing

表3 主成分方差解釋Table 3 Total variance interpretation of principal components

由主成分載荷矩陣（表4）可以看出，第1主成分上X3和X8的載荷最高，分別為0.802和0.801，此外X2、X4和X9載荷也較高，因此第一主成分主要代表晚采果實硬度、掛樹時間、成熟期、果實外觀品質(zhì)和葉片衰老情況等信息，濃縮了多個變量信息；第2主成分上X6載荷最高（0.734），其次為X7和X10，因此該主成分主要代表樹形管理技術(shù)難度、勞動強度和培養(yǎng)預(yù)備枝情況信息；第3主成分上X11載荷最高，X7和X1次之，該主成分主要代表市場定位、勞動強度和果實內(nèi)在品質(zhì)信息；第4主成分則主要代表抗病害、葉片抗衰老情況和勞動強度等；因此，提取的4個主成分基本涵蓋了11個變量的大部分信息。

表4 主成分載荷矩陣Table 4 Load matrix of principal components (PCs)

成分載荷除以成分特征值的平方根得出成分特征向量，用特征向量表示主成分得分，4個主成分分別以y1、y2、y3和y4來表示，表達(dá)式為：

由表5可知，第1主成分得分最高的兩個品種為‘里扎馬特’和‘紅地球’，第2主成分得分最高的是‘維多利亞’和‘黃玫瑰’，第3主成分得分最高的是‘亞歷山大’和‘意大利’，第4主成分得分最高的是‘克瑞森無核’和‘維多利亞’。4個主成分分別從不同方面反映了設(shè)施延遲栽培品種的綜合性狀，但是單獨使用某一個主成分難以對不同品種進行綜合評價，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32個品種進行排名，綜合得分越高表示該品種的綜合表現(xiàn)越優(yōu)[10]。由表5可知‘意大利’‘溫克’‘新美人指’和‘紅地球’在設(shè)施延遲栽培條件下綜合表現(xiàn)突出，‘白羅莎里奧’‘里扎馬特’‘克瑞森無核’和‘紅寶石無核’等品種綜合表現(xiàn)較好，‘希姆勞特’‘黑比特’和‘戶太8號’等品種排名靠后，不適宜設(shè)施延遲栽培。

表5 設(shè)施延遲栽培葡萄品種綜合評價得分及排名Table 5 Comprehensive evaluation scoring and ranking of grape varieties in facility delayed cultivation

3 討論與結(jié)論

主成分分析法可以在基本保留原有信息的條件下，通過降維方法將多個變量聚集到少數(shù)幾個主成分上，減少了信息的交叉，分析評估結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確[3]。主成分分析不僅應(yīng)用于葡萄品種評價[2-6]，也常用于蘋果[11-12]、桃[13-14]、獼猴桃[15-16]、柑橘[17]等果樹品種，然而，前人對于品種評價多集中于果實品質(zhì)性狀。優(yōu)良葡萄品種評價篩選時，果實內(nèi)在品質(zhì)固然重要，但面對消費者對果品質(zhì)量安全要求提高以及栽培管理成本增加等新形勢，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)[18]。因此，本研究在設(shè)計品種評價指標(biāo)時，除了果實品質(zhì)，還考量了成熟期、樹形管理技術(shù)難度、勞動強度、抗病性、外觀品質(zhì)和市場定位等，同時針對設(shè)施延遲栽培特點，增加了晚采果實硬度和掛樹時間指標(biāo)。

本研究中各評價指標(biāo)的性質(zhì)和量綱不同，在提升評價全面性的同時也提高了評價難度，無法用統(tǒng)一量綱進行定量分析，因此采用了無量綱的分?jǐn)?shù)進行綜合評價[7-8]。分值設(shè)定時，為體現(xiàn)葡萄延遲栽培時果實內(nèi)在品質(zhì)、成熟期和晚采果實硬度的重要性，賦予它們更高的分值范圍，由本課題組根據(jù)32個品種多年栽培表現(xiàn)給各指標(biāo)賦分，獲得數(shù)據(jù)矩陣，再通過主成分分析，對11個指標(biāo)進行綜合分析，以期更多維地反映在設(shè)施延遲栽培條件下各葡萄品種的綜合表現(xiàn)。

本研究建立了基于綜合評分法和主成分分析的品種評價方法。主成分分析結(jié)果顯示，共提取4個主成分，方差累積貢獻(xiàn)率為73.302%，可以概括11個評價指標(biāo)的大部分信息，根據(jù)4個主成分的綜合得分確定了設(shè)施延遲栽培條件下32個品種的排名，‘意大利’‘溫克’‘新美人指’和‘紅地球’在設(shè)施延遲栽培條件下綜合表現(xiàn)突出，‘白羅莎里奧’‘里扎馬特’‘克瑞森無核’和‘紅寶石無核’等品種綜合表現(xiàn)較好，該結(jié)果可以為我國北方地區(qū)設(shè)施延遲栽培葡萄品種的篩選提供參考。