基于主成分分析和聚類分析的水培生菜品種綜合評(píng)價(jià)

曹彩紅 曹玲玲 田雅楠 張敬鎖 張松陽(yáng) 蘇鐵 王忠義

摘? ? 要：為篩選出適宜水培生產(chǎn)的優(yōu)良生菜品種，對(duì)11個(gè)參試品種的12個(gè)性狀進(jìn)行調(diào)查與分析，并運(yùn)用主成分和聚類分析方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，不同生菜品種間各指標(biāo)存在顯著差異，變異系數(shù)為4.45%～39.22%。主成分分析提取出4個(gè)主成分，累積貢獻(xiàn)率達(dá)84.842%。聚類分析將參試品種分為4種類型，其中2種類型適宜水培生產(chǎn)，第Ⅰ類為株形美觀、耐抽薹、產(chǎn)量高的綠色奶油生菜類型，第Ⅲ類為植株大、耐抽薹、產(chǎn)量高、營(yíng)養(yǎng)豐富的散葉生菜類型。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，水培生菜可選擇綠玫瑰、奶油綠、北生4號(hào)、芳妮、早生裙舞等5個(gè)品種，同時(shí)為豐富葉色，可適量種植紫蝶和奶油紅。

關(guān)鍵詞：生菜；水培；主成分分析；聚類分析

中圖分類號(hào)：S636.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-2871（2023）09-087-07

Comprehensive evaluation of hydroponically grown lettuce varieties based on principal component analysis and cluster analysis

CAO Caihong1， CAO Lingling1， TIAN Yanan1， ZHANG Jingsuo1， ZHANG Songyang1， SU Tie2， WANG Zhongyi1

（1. Beijing Agricultural Technology Extension Station， Beijing 100029， China; 2. Beijing Miyun District Agricultural Technology Extension Station， Beijing 101500， China）

Abstract： In order to screen out lettuce varieties suitable for hydroponic cultivation， principal component analysis and cluster analysis were used to evaluate the cultivation adaptability of 11 varieties. The results showed that there were significant differences in the 12 agronomic traits among different varieties， and the variation coefficient were ranged from 4.45% to 39.22%. The principal component analysis showed that 12 traits were integrated into four principal components making 84.842% cumulative contribution to the total variance. 11 varieties tested were divided into four categories by cluster analysis， and two of them were suitable for hydroponic production.The category Ⅰ is the green butter Lettuce with beautiful plant architecture， bolting resistance and high yield; the category Ⅲ is the type of leaf lettuce with large plant， bolting resistance， high yield and abundant nutrition. Combined production practices， 5 varieties were suitable for cultivating hydroponically including Lvmeigui， Naiyoulv， Beisheng No. 4， Fangni and Zaoshengqunwu. Meanwhile， we could moderately plant Zidie and Naiyouhong in order to enhance ornamental value.

Key words： Lettuce; Hydroponics; Principal component analysis; PCluster analysis

生菜（Lactuca sativa L.），學(xué)名葉用萵苣，隸屬菊科萵苣屬，是一年生或二年生草本作物，營(yíng)養(yǎng)豐富，富含膳食纖維、蛋白質(zhì)、維生素以及抗氧化物等[1-2]。蔬菜工廠化生產(chǎn)是設(shè)施農(nóng)業(yè)的新型栽培模式，包括水培和基質(zhì)栽培[3]。生菜是國(guó)內(nèi)外水培蔬菜面積最大的作物之一[4]，鮮食脆甜、株形美觀、生長(zhǎng)期短；水培生菜具有環(huán)境潔凈、病蟲(chóng)少、茬口較多、產(chǎn)量高、無(wú)連作障礙、無(wú)土傳病害等優(yōu)點(diǎn)，深受廣大消費(fèi)者的青睞。水培生產(chǎn)通過(guò)營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)模式實(shí)現(xiàn)了節(jié)水節(jié)肥與增產(chǎn)增收的統(tǒng)一，符合農(nóng)業(yè)向資源節(jié)約型、環(huán)境友好型現(xiàn)代化蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)[5]。

目前，關(guān)于水培生菜的研究較多，但主要集中于營(yíng)養(yǎng)液配方[6-9]，光、溫等環(huán)境調(diào)控[10-12]等因素對(duì)其生長(zhǎng)及品質(zhì)方面的影響。而水培生菜主栽品種單一，據(jù)初步調(diào)查，京郊地區(qū)水培生菜以富蘭德里等進(jìn)口品種為主，價(jià)格較高，單粒種子價(jià)格約0.12元，約是普通國(guó)產(chǎn)品種的10倍，缺乏性價(jià)比高的優(yōu)良水培品種。隨著消費(fèi)水平的提高，人們對(duì)蔬菜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)提出了新的要求，在品種選擇上更加注重蔬菜的品質(zhì)，因此急需獲得優(yōu)質(zhì)的水培生菜品種。對(duì)于生菜品種的評(píng)價(jià)，前人研究多利用簡(jiǎn)單、直觀、實(shí)用的形態(tài)學(xué)和單一性狀的比較進(jìn)行評(píng)價(jià)[13-15]。但這些指標(biāo)之間存在一定相關(guān)性，數(shù)據(jù)信息會(huì)有重疊，加上不同指標(biāo)量綱不同，難以準(zhǔn)確全面綜合考量。為綜合評(píng)價(jià)品種的優(yōu)劣，需運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法從不同角度對(duì)作物的田間農(nóng)藝性狀進(jìn)行全面客觀的分析。主成分分析法和聚類分析法在甘藍(lán)[16]、辣椒[17]、番茄[18]、黃瓜[19]及西瓜[20]等蔬菜作物中廣泛應(yīng)用，但在水培生菜的品種選擇中鮮見(jiàn)應(yīng)用。

為此，筆者以水培生菜為研究對(duì)象，選取11個(gè)國(guó)內(nèi)外優(yōu)新品種，對(duì)其主要植物學(xué)性狀和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)性狀進(jìn)行顯著性分析，同時(shí)采用主成分分析法和聚類分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期篩選出適于水培的生菜品種，為豐富京津冀地區(qū)水培生菜品種類型提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選用11個(gè)生菜品種，詳見(jiàn)表1。于2022年3月在北京市密云區(qū)巨海闊蔬菜種植專業(yè)合作社基地進(jìn)行水培生菜種植。

1.2 方法

以11個(gè)生菜品種為試材，于2022年2月10日在小湯山特菜大觀園東區(qū)日光溫室采用椰糠基質(zhì)塊育苗，基質(zhì)塊規(guī)格為30 mm×30 mm，將基質(zhì)塊放入72孔穴盤(pán)中，進(jìn)行育苗。苗齡2葉1心時(shí)進(jìn)行1次間苗，4～5片真葉時(shí)進(jìn)行煉苗移栽。3月15日，將生菜成苗定植于密云巨海闊種植合作社日光溫室內(nèi)，11個(gè)品種，3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)324株，共33個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列。采用管道式營(yíng)養(yǎng)液膜模式進(jìn)行栽培，栽培管道長(zhǎng)10.8 m，行距10 cm，株距10 cm，每3行為1個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為3.28 m2（10.8 m×0.3 m），每小區(qū)種植1個(gè)品種。生產(chǎn)期間營(yíng)養(yǎng)液的EC值控制在1.5～1.6 mS·cm-1，pH值控制在5.5～6.5，栽培期間統(tǒng)一管理。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

2022年4月25日，即定植40 d左右進(jìn)行生菜統(tǒng)一采收，參照李錫香等[21]在《萵苣種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》中的具體要求，對(duì)植株葉片數(shù)、最大葉片長(zhǎng)、最大葉片寬、中心柱長(zhǎng)、中心柱粗、單株鮮質(zhì)量、單株干質(zhì)量等性狀進(jìn)行調(diào)查，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)采集5個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)定。葉片數(shù)是指采收期植株葉片大于5 cm的葉片總數(shù)；最大葉片長(zhǎng)指植株最大葉的葉片基部至葉頂端的長(zhǎng)度；最大葉片寬指植株最大葉最寬處的寬度；中心柱長(zhǎng)指植株中心柱從基部到頂端的長(zhǎng)度；中心柱粗指中心柱基本橫切面的中心線寬度；單株鮮質(zhì)量指采收期地上部鮮質(zhì)量；單株干質(zhì)量指植株在烘箱內(nèi)經(jīng)過(guò)105 ℃殺青30 min后，85 ℃烘干至恒質(zhì)量時(shí)的質(zhì)量。采用折光儀法測(cè)定可溶性固形物含量，參照NY/T 2637－2014[22]；采用銅還原碘量法測(cè)定可溶性糖含量，參照NY/T 1278－2007[23]；采用考馬斯亮藍(lán)染色法測(cè)定可溶性蛋白含量[24]，采用2，6－二氯靛酚滴定法測(cè)定維生素C含量，參照GB 5009.5－2016[25]、按第二法要求進(jìn)行，采用氫氧化鉀法測(cè)定硝態(tài)氮含量，按GB 5009.33－2016要求進(jìn)行[26]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2007進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用SPSS 22.0進(jìn)行差異顯著性分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水培生菜品種的植物學(xué)性狀分析

由表2可知，不同品種間除中心柱粗外，其他6個(gè)性狀均存在顯著性差異。紫蝶和奶油紅的葉片數(shù)最多，在60片以上，顯著高于其他品種，但其葉片較小，最大葉片長(zhǎng)和最大葉片寬均為最小，2種紫色奶油生菜株型小，葉片層次多，外形美觀；而綠色奶油生菜最大葉片長(zhǎng)區(qū)間為15.57～19.23 cm，寬為14.63～18.63 cm，葉片大小處于中間型，同一品種最大葉片長(zhǎng)與最大葉片寬差異較小，散葉生菜葉片長(zhǎng)區(qū)間為19.50～27.83 cm，葉片寬區(qū)間為13.67～16.00 cm，葉片普遍較長(zhǎng)，同一品種最大葉片長(zhǎng)和最大葉片寬差異較大；中心柱最短的是綠玫瑰，為3.70 cm，最長(zhǎng)的是奶油紅，為13.17 cm，中心柱長(zhǎng)短與植株是否抽薹相關(guān)，可初步判斷耐抽薹特性，初步說(shuō)明綠玫瑰的耐抽薹特性較強(qiáng)，而奶油紅相對(duì)不耐抽薹；在單株鮮質(zhì)量方面，早生群舞和芳妮較重，分別為289.40、280.68 g，其次為綠玫瑰和奶油綠，最低的2個(gè)品種為紫蝶和奶油紅，分別為118.07、117.67 g；品種間單株干質(zhì)量與鮮質(zhì)量的差異趨勢(shì)基本一致。由此可見(jiàn)，在同樣生育期條件下，散葉生菜產(chǎn)量較高，綠色奶油生菜次之，紫色奶油生菜產(chǎn)量較低。

2.2 不同水培生菜品種的主要營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)分析

由表3可知，不同品種間營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)存在顯著差異?？扇苄蕴呛浚╳，后同）最高的品種是芳妮，達(dá)8.20 mg·g-1，最低的為紫蝶2.80 mg·g-1，且含量由高到低為芳妮>奶油紅=早生舞裙>綠玫瑰>北生4號(hào)>富蘭德里>意大利>芭拉里娜>綠蝶>奶油綠>紫蝶?？扇苄缘鞍缀孔罡叩氖悄逃图t，為12.16 mg·g-1，其次為意大利，二者均顯著高于其他品種，芳妮和奶油綠含量最低，均為6.72 mg·g-1；可溶性固形物含量最高的是綠玫瑰，含量為3.60%，最低的是富蘭德里，為1.97%；各個(gè)品種之間的維生素C含量無(wú)顯著差異；硝態(tài)氮含量最高的是富蘭德里，次高是奶油綠，分別為599.54、591.78 μg·g-1，最低的是奶油紅，含量為338.67 μg·g-1。

2.3 生菜主要農(nóng)藝性狀主成分分析

將水培生菜的調(diào)查指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，由表4可知，主成分分析提取了4個(gè)主成分PC1、PC2、PC3和PC4，方差貢獻(xiàn)率分別為48.453%、19.052%、9.498%、7.840%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到84.842%。結(jié)果表明，這4個(gè)綜合指標(biāo)覆蓋了大部分原始數(shù)據(jù)的信息，可以用來(lái)對(duì)11個(gè)生菜品種進(jìn)行綜合分析。

由表4可知，PC1中載荷最高的因子為單株干質(zhì)量，其次為最大葉片寬、中心柱長(zhǎng)、單株鮮質(zhì)量、葉片數(shù)、最大葉片長(zhǎng)等指標(biāo)，覆蓋了48.453%的原始數(shù)據(jù)信息量，這些指標(biāo)主要與生菜植株生長(zhǎng)和產(chǎn)量相關(guān)，此外PC3的決定因子是中心柱粗，該指標(biāo)也主要與生菜生長(zhǎng)有關(guān)，因此將PC1和PC3歸為植株生長(zhǎng)形態(tài)因子和產(chǎn)量因子；決定PC2、PC4大小的因子分別為可溶性糖、維生素C、可溶性固形物、硝態(tài)氮含量等指標(biāo)，它們反映了原始數(shù)據(jù)信息量的19.052%和7.840%，這些指標(biāo)主要反映了生菜的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，可以概括為營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)因子。

通過(guò)對(duì)4個(gè)主成分的特征向量分析（表4）和X1～X12性狀指標(biāo)數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化處理，建立這4個(gè)主成分的線性回歸方程如下：

PC1=-0.771X1 + 0.538X2 + 0.920X3-0.921X4 + 0.387X5-0.872X6+0.921X7+0.277X8-0.741X9+0.250X10+0.667X11+0.629X12；

PC2=0.097X1 + 0.675X2 + 0.054X3 +0.099X4- 0.227X5+0.344X6 +0.298X7 +0.768X8+0.301X9-0.477X10-0.593X11-0.649X12；

PC3=0.305X1 + 0.059XX2 + 0.120X3 +0.118X4 + 0.779X5+0.196X6 +0.186X7 -0.231X8-0.293X9-0.196X10-0.287X11-0.100X12；

PC4= 0.003X1 + 0.176X2-0.156X3 +0.269X4 + 0.260X5+0.113X6 +0.147X7 +0.192X8+0.354X9+0.772X10+0.105X11-0.054X12。

通過(guò)SPSS 22.0將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行Z標(biāo)準(zhǔn)化，然

為芳妮、綠玫瑰、早生群舞、奶油綠、北生4號(hào)、富蘭德里、意大利、芭拉里娜、綠蝶、紫蝶、奶油紅。

2.4 生菜主要農(nóng)藝性狀聚類分析

由圖1可知，當(dāng)歐氏距離為5時(shí)，11個(gè)水培生菜品種可以分為4類，第1類聚集了綠蝶、北生4號(hào)、富蘭德里、綠玫瑰、奶油綠，均為綠色奶油生菜類型，表現(xiàn)為株形美觀，葉片大小中等，葉長(zhǎng)葉寬相差較小，葉形指數(shù)接近于1，中心柱較短，耐抽薹，單株產(chǎn)量中等偏上，硝態(tài)氮含量偏高；第2類包括意大利和芭拉里娜，表現(xiàn)為中心柱長(zhǎng)于第1類，采收時(shí)即將開(kāi)始抽薹，單株鮮質(zhì)量低于200 g；第3類包括芳妮和早生舞裙，均為散葉生菜類型，表現(xiàn)為植株生長(zhǎng)旺盛，葉片大，中心柱短，耐抽薹，單株鮮質(zhì)量高，均在280 g以上，可溶性糖含量高，硝態(tài)氮含量低，為兼顧高產(chǎn)高品質(zhì)的優(yōu)良品種；第4類包括紫蝶和奶油紅，為紫色奶油生菜類型，表現(xiàn)為株型小但株形美觀，葉片多但單片葉較小，中心柱長(zhǎng)，不耐抽薹，單株鮮質(zhì)量小低于120 g，可溶性蛋白含量高，為產(chǎn)量低、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)高、外形美觀的品種類型。

3 討論與結(jié)論

不同水培生菜品種因遺傳背景不同，田間性狀指標(biāo)差異較大，因此適宜的品種對(duì)提高生菜品質(zhì)和產(chǎn)量至關(guān)重要。對(duì)生菜品種的評(píng)價(jià)與選擇，研究學(xué)者多有報(bào)道[27-28]，江曉堯等[29]通過(guò)對(duì)8個(gè)水培生菜品種的產(chǎn)量及品質(zhì)進(jìn)行差異顯著性分析，結(jié)果表明，小奶油綠、橡葉綠較適宜水培生產(chǎn)；陳永快等[30]研究表明，綠玫瑰具有較高產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，適宜南方溫室NFT模式栽培。本研究結(jié)果表明，綠色奶油類型的品種推薦奶油綠和綠玫瑰，這一結(jié)果與前人研究基本一致。此外，孫劍霞等[31]研究表明，奶油生菜和辛普森生菜產(chǎn)量較高，綜合性狀均優(yōu)于紫葉生菜，可作為當(dāng)?shù)厮嗌朔N植推薦品種。

在生菜的品種選擇過(guò)程中，最常用的評(píng)價(jià)方法是將產(chǎn)量性狀、耐抽薹性狀及其相關(guān)的性狀進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[32-33]，評(píng)價(jià)時(shí)主觀因素太多且分析比較片面。為避免單一性狀評(píng)價(jià)的片面性，可采用多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)作物進(jìn)行全面客觀的評(píng)價(jià)[34]。主成分分析法是在保留原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將相互關(guān)聯(lián)的多個(gè)指標(biāo)通過(guò)空間降維后，簡(jiǎn)化為少數(shù)幾個(gè)線性組合所構(gòu)成的綜合指標(biāo)，能夠更加全面客觀地評(píng)價(jià)作物特性[35]。聚類分析法是分類學(xué)與多元分析相結(jié)合的統(tǒng)計(jì)方法，能夠根據(jù)調(diào)查指標(biāo)的相似性或差異性，定量確定不同品種間的親疏關(guān)系，進(jìn)行分類[36]。本研究結(jié)果表明，采用主成分分析從12個(gè)主要農(nóng)藝性狀中提取出4個(gè)主成分，分為產(chǎn)量因子和品質(zhì)因子兩類，PC1、PC3為單株干質(zhì)量、最大葉片寬、中心柱長(zhǎng)、單株鮮質(zhì)量、葉片數(shù)、最大葉片長(zhǎng)、中心柱粗等指標(biāo)，PC2、PC4為可溶性糖、維生素C、可溶性固形物、硝態(tài)氮含量等指標(biāo)，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到84.842%。這些與實(shí)際生產(chǎn)中要求生菜品種產(chǎn)量高和品質(zhì)佳相符。同時(shí)這一結(jié)果與馮海萍等[37]和劉永軍等[38]的研究結(jié)果基本一致，能夠更全面更客觀地對(duì)生菜進(jìn)行評(píng)價(jià)。馮海萍等[37]對(duì)不同娃娃菜品種比較中提取了2個(gè)主成分，第一主成分綜合了葉球橫徑、葉球縱徑、葉球質(zhì)量、葉球凈質(zhì)量等產(chǎn)量性狀信息，第二主成分綜合了維生素C含量、可溶性固形物含量等品質(zhì)性狀信息。劉永軍等[38]通過(guò)對(duì)11個(gè)生菜品種的10個(gè)耐熱指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出了主成分Z1（形態(tài)指標(biāo)主成分）和Z2（生理指標(biāo)主成分）的貢獻(xiàn)率分別是75.11%和18.00%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了93.11%。

此外，生菜的生長(zhǎng)和品質(zhì)除受品種特性影響外，受外界環(huán)境影響也較大，不同生產(chǎn)茬口、氣候條件等因素可能影響參試材料的性狀，從而對(duì)分析結(jié)果造成一定影響。本試驗(yàn)的生產(chǎn)季節(jié)是在春季，而對(duì)生菜夏季耐熱性評(píng)價(jià)和周年生產(chǎn)需進(jìn)一步研究。因此，在水培生菜生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇滿足不同生產(chǎn)需求的優(yōu)良品種，科學(xué)推廣良種良法配套技術(shù)，充分挖掘其生長(zhǎng)潛力，促進(jìn)良品產(chǎn)出。

筆者通過(guò)對(duì)11個(gè)生菜品種進(jìn)行主成分分析和聚類分析，結(jié)果表明水培生菜在生產(chǎn)過(guò)程中，可選擇第1類中的綠玫瑰、奶油綠、北生4號(hào)和富蘭德里等綠色奶油生菜，但富蘭德里種子價(jià)格較高，可優(yōu)先考慮綠玫瑰和奶油綠這2個(gè)性價(jià)比高的品種；也可選擇第3類中的芳妮和早生舞裙等散葉生菜，早生舞裙相比芳妮，生長(zhǎng)迅速，可提前5～7 d采收，但種子價(jià)格較高，在選擇時(shí)需結(jié)合生產(chǎn)需求；同時(shí)為提升水培生菜美觀度，可適量種植第4類中的紫蝶和奶油紅等紫色奶油生菜，在銷售時(shí)進(jìn)行搭配，但高溫季節(jié)易抽薹，不宜種植。

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