主成分散點圖分析在烤煙新品種評價中的應用

周紹松，周 敏*，張忠武，陳拾華，楊景華，王建新，段宗顏，魯 耀，鄒炳禮，董石飛，李 偉，張 靜

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主成分散點圖分析在烤煙新品種評價中的應用

周紹松1，周 敏1*，張忠武1，陳拾華1，楊景華1，王建新1，段宗顏1，魯 耀1，鄒炳禮1，董石飛2，李 偉2，張 靜2

（1.云南省農業科學院農業環境資源研究所，昆明 650205；2.紅云紅河煙草（集團）有限責任公司，昆明 650231）

為了挖掘適應昆明地區生態環境的優質烤煙新品種，選擇云南省自育，美國、巴西引進和中美合育的16個烤煙新品種的農藝、經濟、抗病性、化學成分、外觀質量和感官質量等15個性狀進行分析，采用主成分分析結合散點圖法對參試烤煙新品種進行綜合評價。以89.014%的性狀累積方差貢獻率為標準，確認了5個代表烤煙新品種綜合質量的主成分，經過演算得出參試烤煙新品種的主要主成分綜合得分，并采用散點圖對烤煙新品種進行綜合評價。結果表明，PVH2310、AOV405、NCT13、云煙117的綜合評價得分較高，且優于對照K326和云煙87，其綜合評價結果與區域適應性試驗中的表現一致。這4個烤煙新品種可以作為昆明地區烤煙的備選新品種進行大面積推廣。

烤煙；新品種；主成分分析；散點圖

優良的烤煙品種在煙葉生產中發揮著相當重要的作用。引種在煙葉生產史上發揮過重要作用，通過比較試驗可直接用于煙葉生產并產生巨大經濟效益[1-2]。云南省的烤煙種植品種較為單一，烤煙主栽品種以K326、紅花大金元、云煙87和云煙97為主，占總種植面積的65%左右，經過多年種植后這些品種的退化問題日益顯現，抗病性下降，煙葉品質降低[3]。因此，開展烤煙新品種的引種及綜合評價顯得尤為重要。

烤煙新品種的引進與篩選中，對參試品種從農業性狀與工業可用性方向進行綜合評價是極其重要的環節。其綜合評價結果的客觀性和全面性直接關系烤煙生產。目前應用于烤煙品種綜合評價的方法主要是灰色關聯度分析[4-7]、四元聯系數的態勢排序[8]、DTOPSIS法[7,9-11]、最優分辨系數法[12]、模糊概率值法[13]和主成分分析法[12,14-16]。主成分分析采取一種降維的方法，用幾個綜合因子來代表原來眾多的變量，使這些綜合因子盡可能地反映原來的信息量，而且彼此之間互不相關，從而達到簡化的目的，目前已越來越多地應用于農作物數量性狀分析中[12,14-16,17-21]，但是這種評價方法僅能根據篩選出的幾個主成分的綜合評分來評價烤煙品種，而做不到結合專業知識客觀、全面地對烤煙新品種進行評價。鐘思榮等[22]曾使用散點圖對烤煙的耐低氮基因型進行分類評價，取得較好效果，值得借鑒。因此本研究采用主成分分析結合散點圖的方法對從美國和巴西引進、云南煙草農業科學研究院選育和中美合育的16個烤煙新育或新引品種以及對照品種K326和云煙87的15個農藝性狀、經濟性狀、抗病性性狀、化學品質性狀、外觀質量性狀和感官質量性狀進行分析，從而找到一種較為全面、客觀的烤煙新品種評價方法，為云煙品牌的引種提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試品種為云南煙草農業科學研究院選育的云煙100、云煙105、云煙116、云煙117、云煙119和云煙207，美國引進的AOV405、NCT6、NCT13、NC71、GL318和NC196，巴西引進的PVH1452、PVH2254和PVH2310，以及中美合育的NC-YATAS-2，用K326和云煙87作為對照品種，共計18個品種。

1.2 試驗地點與方法

1.2.1 試驗地點 本試驗于2014年在昆明市石林縣鹿阜鎮進行，海拔1650 m，試驗田土壤類型為水稻土，土壤質地為砂壤，土壤pH 7.8，有機質30.2g/kg，速效氮140.8 mg/kg、速效磷59.2 mg/kg、速效鉀210.5 mg/kg。

1.2.2 試驗設計與調查方法 試驗采用隨機區組設計，18個品種，3次重復，共計54個小區，每個小區60株煙，株行距0.5 m×1.2 m，施純氮105.0 kg/hm2，(N)∶(P2O5)∶(K2O)=1∶1∶3。

農藝性狀調查方法按YC/T 142—1998[23]在每個處理選取10株烤煙進行調查取平均值，測定指標有株高、總葉數、莖圍、節距、腰葉長、腰葉寬。黑脛病和煙草普通花葉病（TMV）病情指數按GB/T 23224—2008[24]在每個處理選取10株烤煙進行調查統計。經濟性狀調查按照GB 2635—1992[25]方法進行，測定指標有產量、產值、均價、上中等煙比例、單葉重。按王瑞新等[26]的方法進行化學成分測定，并采用《中國煙草種植區劃》[27]的方法賦值。按GB 2635—1992[25]進行外觀質量評價。按顏克亮等[28]的方法進行感官質量評價。

1.3 數據統計方法

1.3.1 烤煙化學成分評價方法 對烤煙品種的內在化學成分而言，并非化學成分的含量越高，其內在品質就越好，當處在特定界限之內時，內在品質才最佳。一般而言，中間型指標包括總氮、煙堿、還原糖、氮堿比、糖堿比，其最佳范圍分別是總氮2.00%~2.50%，煙堿2.20%~2.80%，還原糖18.00%~ 22.00%，氮堿比0.95~1.05，糖堿比8.50~9.50；經濟型指標包括鉀和鉀氯比，他們的數值越大煙葉品質越優[26]。

（3）語音路徑(the grapheme to phoneme conversion)朗讀。形態刺激直接通過亞詞匯水平的形-音對應規則（graphemephoneme correspondences,GPCs）獲得語音，并直接將語音輸送至語音緩沖器。這一通路完全不需要詞典的信息，借助拼音文字所特有的形-音對應規則即可獲得書面刺激的語音。

采用指數和法評價烤煙化學成分協調性綜合情況=∑C·P，式中代表烤煙化學成分協調性綜合指數，為第個化學成分指標量化分值；為第個化學成分指標相對權重[27]。

1.3.2 外觀質量評價 外觀質量屬于效益型指標，采用指數和法評價烤煙外觀質量評價綜合情況=∑C·P，式中代表烤煙外觀質量綜合指數，C為第個外觀指標的量化分值；P為第個外觀指標相對權重[27]。

1.3.3 感官質量評價 感官質量屬于效益型指標，（感官總分）=（香氣質×0.3+香氣量×0.3+雜氣×0.08+刺激性×0.15+余味×0.17）×11.11[27]。

1.3.5 主成分分析方法 數據處理采用 Excel 2007進行，主成分分析采用SPSS 22.0，相關分析和散點圖綜合評價采用DPS 15.0。

2 結 果

2.1 烤煙新品種各個指標的標準化相關系數

從表1中可知，標準化后，不同指標之間的顯著相關關系普遍存在，如果進行綜合評價時直接采用這些指標分布狀況，信息重疊將會不可避免，最終造成評價結果失真。

2.2 主成分分析

對15個成分均值化后的數據進行主成分分析，得出解釋的總方差表（表2），分析特征根＞1的主成分，發現成分1、2、3、4、5的特征根分別是7.747、2.222、1.644、1.439和1.191，且5個因子能夠解釋89.014%的累計方差貢獻率，因此確定主成分為1、2、3、4、5。

由表2、3可知，第1主成分1的貢獻率為48.418%，株高、莖圍、腰葉長、腰葉寬、產量有較大的正系數，所以第1主成分反映的是農藝性狀與經濟性狀的正相關關系，可以稱為農藝性狀指數。說明烤煙新品種株高、莖圍、腰葉長、腰葉寬越大，產量越高。

第3主成分3的貢獻率為10.278%，感官質量得分有較大的正系數，是反映感官質量的指標，可以稱為感官質量指數。

第4主成分4的貢獻率為8.992%，黑脛病病情指數有較大的正系數，是反映抗病性的指標，可以稱為抗病性指數。

第5主成分5的貢獻率為7.441%，其中化學成分得分有較大的正系數，是反映化學成分協調性的指標，可以稱為化學成分指數。

第1主成分的特征向量分別乘以15個原始變量標準化之后的變量即為第1主成分的函數表達式，同理可以得出第2至第5主成分的函數表達式：

1=0.347株高+0.310總葉數+0.345莖圍+0.308節距+0.347腰葉長+0.349腰葉寬+0.337產量+0.293產值? 0.093均價?0.208上中等煙比例+0.231單葉重+0.046黑脛病? 0.044TMV+0.023化學成分+0.134外觀質量?0.004感官質量2=0.065株高+0.030總葉數+0.040莖圍+0.058節距+0.078腰葉長?0.020X腰葉寬+0.158產量+0.342產值+0.557均價+0.323上中等煙比例?0.189單葉重?0.216黑脛病+0.363TMV+0.221化學成分?0.403外觀質量+0.118感官質量

表1 指標間的相關系數

注：相關系數臨界值α=0.05時，=0.4683，α=0.01時，=0.5897；＊表示相關關系顯著（﹤0.05），＊＊表示相關關系極顯著（﹤0.01）。

Note:Critical value of correlation coefficient α=0.05，=0.4683，α=0.01，=0.5897;＊indicates significant correlation（﹤0.05），＊＊indicates extremely significant correlation（﹤0.01）.

表2 解釋的總方差

表3 性狀主成分的特征向量

3=?0.066株高+0.058總葉數+0.013莖圍?0.253節距+0.030腰葉長+0.033腰葉寬－0.030產量?0.094產值?0.148均價?0.176上中等煙比例+0.409單葉重?0.211黑脛病+0.430TMV?0.208化學成分?0.112外觀質量+0.642感官質量4=?0.060株高?0.202總葉數+0.109莖圍+0.038節距+0.033腰葉長+0.138腰葉寬?0.045產量+0.078產值+0.345均價+0.356上中等煙比例+0.219單葉重+0.474黑脛病?0.313TMV?0.472化學成分?0.001外觀質量+0.274感官質量5=0.038株高+0.104總葉數?0.069莖圍?0.288節距?0.095腰葉長?0.066腰葉寬+0.107產量+0.090產值?0.111均價?0.175上中等煙比例+0.090單葉重+0.520黑脛病?0.243TMV+0.529化學成分?0.400外觀質量+0.214感官質量。

2.3 優良烤煙新品種的篩選

分析結果表明，以上5個主成分能夠很好地表述烤煙新品種的重要性狀特性，可以表達89.014%的貢獻率。因為存在較多的主成分，依靠一個主成分對烤煙新品種進行綜合評價不易做出準確的判定。所以在進行加權求和時使用5個主成分的方差貢獻率作為權重系數，創建云煙品牌烤煙新品種的綜合評價數學模型：

=0.5751+0.1542+0.1043+0.1004+0.0755

式中：1～5為各烤煙新品種主成分分值。

從表4可知，依據烤煙新品種的5個主成分綜合得分進行排序，云煙207的綜合得分最高，得分較高的新品種依次是PVH2310、AOV405、NCT13、PVH1452、NC-YATAS-2、云煙117和云煙119，而且這些新品種的綜合得分均高于K326和云煙87。

2.4 散點圖分析

對于烤煙新品種而言，在主成分分析散點圖上的分布代表了各個新品種的特征。以18個烤煙品種的15個性狀指標的第1主成分值（農藝性狀指標）為橫坐標，第2主成分值（經濟性狀指標）為縱坐標生成散點圖（圖1）時可以看出，PVH2310、AOV405、NCT13、云煙117、NCT6、PVH2254、GL318、云煙100、云煙105和云煙87等9個烤煙新品種在散點圖上排列成一條線狀帶，PVH2310代表農藝性狀指標較高、經濟性狀指標也較高的新品種，NCT6代表農藝性狀指標較低、經濟性狀指標也較低的新品種，說明在這條線狀帶上的烤煙品種農藝性狀指標與經濟性狀指標存在明顯的正相關關系。而偏離線狀帶較多的云煙207在最高的株高、總葉數、莖圍、腰葉長寬、產量、產值和最低的均價和上中等煙比例這9個變量的共同作用下被推向圖右下角邊緣。NC196、NC71和云煙116則在較低的株高、總葉數、莖圍、腰葉長寬、產量、產值和較高的均價、上中等煙比例這9個變量的共同作用下被推向圖左側邊緣。NC-YATAS-2和PVH1452則在較低的經濟性狀和較高的感官質量2個變量共同作用下被推向圖底部。K326和云煙87的農藝性狀相當，但是因為K326經濟性狀高于云煙87而遠離原點偏向圖左上側，而云煙87則分布在原點附近，說明它的各項農藝性狀和經濟性狀指標較為均衡。

通過散點圖可以把所有參試烤煙品種分為4類。第1類：高農藝性狀高經濟性狀型，包括PVH2310、AOV405、NCT13、云煙117。第2類：低農藝性狀高經濟性狀型，包括NC196、NC71、K326、云煙87；第3類：低農藝性狀低經濟性狀型，包括NCT6、PVH2254、GL318、云煙100、云煙105、云煙116；第4類：高農藝性狀低經濟性狀型，包括云煙119、PVH1452、NC-YATAS-2、云煙207。

雖然云煙207主成分綜合評價分值最高，但是經濟性狀較低，這主要是因為第1主成分（農藝性狀指標）的貢獻率較高推高了云煙207 的綜合評價分值，因此云煙207 不是云煙品牌烤煙新品種的推薦品種。而排在云煙207 之后的PVH2310、AOV405、NCT13、云煙117 無論是經濟性狀指標、農藝性狀指標還是綜合評價均優于對照K326 和云煙87。所以這4 個新品種可以作為云煙品牌的推薦烤煙品種，而且他們的綜合評價結果與區域適應性試驗中的表現基本一致，在一定程度上反映了這4 個烤煙新品種的經濟性狀和農藝性狀特征。

表4 不同品種的主成分分值

圖1 散點圖

3 討 論

主成分分析評價方法可以將各指標間相互重疊的信息通過少數幾個主要指標反映出來，使這些主要因子之間盡量相互獨立，而且能夠最真實地反映原指標的信息，從而達到簡化分析的目的。本研究應用主成分分析結合散點圖對18個烤煙品種的15個農藝、經濟、抗病性、化學成分、外觀質量和感官質量性狀進行分析，所選擇的評價項目具有普遍性，與前人的評價項目大體一致[4-16]。應用主成分分析評價烤煙品種通常僅應用主成分分析法[14]或者在主成分分析后再進行聚類分析[12,15-16]，但是主成分分析綜合得分和聚類分析得出的分類對綜合評價并不全面，而應用散點圖則可以通過影響烤煙品種綜合評價的兩個主要主成分的表現進行分類，然后結合主成分評價綜合得分就能較為全面地評價烤煙品種。

散點圖現今多用于醫學[29]、工程學[30]、經濟學[31]和環境科學[32]等的統計上，農業上的應用僅見于對烤煙的耐低氮基因型進行分類評價[21]，而應用于烤煙品種的評價則未見報道。在烤煙生產中，煙農、商業企業以及工業企業更關心烤煙的經濟性狀外觀質量和感官質量，因此在進行烤煙新品種評價時，除了通過主成分分析得出各個品種的綜合評價得分外，還應當采用散點圖結合烤煙專業知識進行具體的分析評價，從而更全面、客觀、科學地評價烤煙新品種。如果要更全面的綜合評價烤煙品種，則還應根據工業需求加入致香成分、物理指標、工業驗證等評價項目。

4 結 論

本研究采用主成分分析結合散點圖的綜合評價方法研究表明，PVH2310、AOV405、NCT13、云煙117綜合評價較好，且優于對照K326和云煙87，他們的綜合評價結果與區域適應性試驗中的表現一致。這4個烤煙新品種可以作為云煙品牌的備選新品種進行大面積推廣。

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Application of Principal Scatter Diagram Analysis in Evaluation of New Flue-cured Tobacco Varieties

ZHOU Shaosong1, ZHOU Min1*, ZHANG Zhongwu1, CHEN Shihua1, YANG Jinghua1, WANG Jianxin1, DUAN Zongyan1, LU Yao1, ZOU Bingli1, DONG Shifei2, LI Wei2, ZHANG Jing2

(1. Institute of Agricultural Resource & Environment, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650205, China; 2. Hongyunhonghe Tobacco(Group) Co., Ltd., Kunming 650231,China)

In order to identify new flue-cured tobacco variety suitable for the ecological environment in Kunming region, 15 traits including agronomic, economic, disease resistance, chemical components, appearance quality and sensory quality of 16 new varieties of flue-cured tobacco from Yunnan, the United States and Brazil were selected, and the main component analysis combined with the scatter plot method was used to evaluate the new flue cured tobacco. Based on the cumulative variance contribution rate of 89.014%, 5 main components representing the comprehensive quality of the new varieties of flue-cured tobacco were identified, and the main composition of the main components of the new varieties was obtained by the calculation, and then the new varieties were evaluated by the scatter plot. The results showed that the comprehensive evaluation scores of PVH2310, AOV405, NCT13 and Yunyan 117 were higher than that of the control K326 and Yunyan 87, and their comprehensive evaluation results were consistent with the performance in the regional adaptability test. These 4 new varieties of flue-cured tobacco can be widely promoted in Kunming region.

flue-cured tobacco; new varieties; principal components analysis; scatter plot

TS41+1

1007-5119（2018）04-0071-09

10.13496/j.issn.1007-5119.2018.04.010

云南省中煙工業有限責任公司資助項目“原料基地煙葉質量維護及提高技術研究”（2016YL05）、“云煙品牌特色優質原料烤煙新品種篩選及應用研究”（2013YL02）

周紹松（1974-），男，碩士，副研究員，主要從事土壤肥料及植物營養與施肥研究。E-mail：375946547@qq.com

，E-mail：187358711@qq.com

2018-03-19

2018-05-24