基于主成分分析的雜交稻芽種物理特性評價研究

陳林濤，馬 旭，曹秀龍，溫志成，季傳棟，李宏偉

基于主成分分析的雜交稻芽種物理特性評價研究

陳林濤1,2，馬 旭1,2，曹秀龍1，溫志成1，季傳棟1，李宏偉1

（1. 華南農業大學工程學院，廣州 510642；2. 廣東省水稻移栽機械裝備工程技術研究中心，廣州 510642）

雜交稻芽種物理特性研究評價與水稻機械化生產密切相關。為對雜交稻芽種物理特性進行系統研究及科學評價，該文以華南稻區常用的雜交稻芽種為試驗樣品，分別測定其含水率、千粒質量、滑動摩擦角、休止角、休止角、芽長、三軸算術平均粒徑及硬度8個物理特性指標參數，并運用主成分分析法簡化物理特性指標，構架科學的量化評價體系，得到每種樣品的綜合得分。結果表明，樣品的各個物理特性指標參數差異明顯，各物理特性指標之間存在不同程度的相關性。千粒質量與休止角和休止角呈顯著正相關；三軸算術平均粒徑與休止角和休止角呈顯著正相關；休止角與休止角呈顯著正相關；千粒質量與含水率、三軸算術平均粒徑及滑動摩擦角呈正相關；含水率與芽長呈正相關；硬度與休止角呈正相關；芽長與休止角、休止角和三軸算術平均粒徑呈正相關。采用主成分分析法提取前3個主成分因子，累計貢獻率達到80%以上，能夠代表原來8個物理特性指標中的絕大部分信息，具有較好的代表性與客觀性。結合試驗結果初步確定9種雜交稻芽種樣品物理特性的評價等級劃分標準，對其做出了適當評價。采用聚類綜合分析法對樣品物理特性綜合得分進行分析研究，9種雜交稻芽種被聚合為5類，各雜交稻芽種樣品間物理特性有差異。本研究基于主成分分析法對雜交稻芽種物理特性進行評價，為雜交稻芽種物理特性的科學評價提供一種新思路，同時為水稻精密排種器作業參數的設計優化提供數據依據。

農產品;物理特性；主成分分析；雜交稻芽種；相關性；累計貢獻率

0 引 言

中國水稻種植區域廣，氣候差異大、土地集中程度不等。水稻種植制度復雜，有單季、雙季及多熟制。種植品種多樣，有粳稻和秈稻，有常規稻、雜交稻和超級雜交稻。雜交稻品種繁多、千差萬別，有的品種間差異很大，有的品種間差異并不是十分明顯，不同種類雜交稻種子的物理特性存在差異[1-2]。雜交稻種子物理特性指標一般有千粒質量、密度、含水率、幾何尺寸、孔隙率、摩擦學特性、流變特性、熱學特性、光學特性、電學特性及粉碎特性等[3]。研究表明，對稻種物理特性的研究評價與水稻機械化生產密切相關，在水稻種植機械研制中，研究者要對稻種的物理特性進行科學測定，綜合評價后篩選出外形尺寸相似、物理特性差異不大的稻種進行統計試驗，“聚類處理”后才能設計出作業性能穩定的精密排種器。雜交稻芽種散粒體是播種器重要的作業對象，其物理特性研究能為播種器設計提供最基本的參數，也是建立播種機理相關數學模型（為工作性能分析提供依據）和進行計算機仿真研究（提供種子模型物理參數和邊界條件）的基礎。目前針對雜交稻芽種的物理特性研究還較少，各個主要水稻種植地區氣候差異大、對應適宜種植品種也不相同，物理特性又因品種不同存在明顯差異。已有研究成果只能作為借鑒而不能普遍適用，尤其是涉及雜交稻播種機理數學建模與仿真研究方面。雜交稻種子的摩擦學特性主要包含滑動摩擦角和休止角，滑動摩擦角用來表示芽種與接觸物體表面的滾動摩擦特性。休止角能夠反映芽種本身的品質、硬度、粒型、芽種表面光滑程度、芽種之間的摩擦力和含水率等特征，是影響芽種在種箱中運動的重要參數，也是計算種箱存種壓力的重要參數[4-5]。因此，對稻種物理特性進行測定與評價具有重要意義。

近年來，對雜交稻種研究主要集中在品種選育、鑒定推廣、營養價值與加工品質評價，芽種離散元關鍵參數標定及稻谷品種間快速無損分類等方面。徐賽等[6]運用仿生電子鼻技術獲取常規稻與雜交稻氣味指紋圖譜，得出應用電子鼻對常規稻與雜交稻進行識別是可行的，該法可作為稻谷機器檢測識別的一種補充方法；張桂花等[7]為研制適應包衣稻種育秧精量播種要求的播種機，對包衣水稻的物理特性進行測定，認為采用機械式型孔排種器是實現包衣水稻單粒精量播種的最佳途徑；王睿晗等[8]以黑龍江省常見的稻種為試驗材料，對芽種三軸尺寸、千粒質量、靜止角及自流角進行測量，為播種機設計提供最基本的理論參數依據；鹿芳媛等[9-10]進行水稻芽種離散元關鍵參數標定，分析帶種芽稻種的離散元特征，構建芽種離散元模型。以上研究主要是測定稻種的各種物理特性指標，并利用常規化學成分評價、外觀質量評價、感官評價及單因子評價法對稻種物理特性進行簡單評價，未對雜交稻種物理特性進行系統全面的量化評價。外觀質量與感官評價受評價人員的主觀影響較大，推廣運用性較差。單因子評價法最大的弊端是個別指標不合格就會導致整體評價大幅下降。已有研究在分析與評價稻種物理特性時，常采用某個或某幾個影響因子對某個或某幾個特性評價指標的影響來評價綜合物理特性，存在不夠全面、系統的問題，而這些指標間存在交互影響，有時候會產生矛盾[11]，給稻種整體物理特性分析評價帶來一定的困難。總之，針對雜交稻芽種的物理特性科學評價當前缺少一套客觀科學、有效實用的評價方法。

主成分分析法具有能夠減少原始數據信息損失、簡化數據結構、避免主觀隨意性等優點，因而在許多領域的綜合評價中被廣泛應用[12-13]。楊潔等[14]研究國內外玉米DDGS的物理特性參數，通過對容重、摩擦特性等參數測定，并運用主成分分析法簡化物理特性指標，構架了科學評價體系，為飼料加工提供理論數據基礎。楊炳南等[15]基于主成分分析對常見馬鈴薯品種特性及加工適宜性進行分類，為馬鈴薯原料加工用途劃分提供參考。李世瑤等[16]基于大田灌水試驗數據，使用主成分分析方法將各評價指標的加權和作為灌水質量綜合主成分指標，利用該指標去評價和分析灌水質量；張洪霞[17]為克服以往評價稻米質量方法的種種弊端，基于稻米力學流變學指標，應用主成分分析的方法，從樣本相關矩陣出發，對稻米7個品種的14個主要力學指標進行了分析，建立稻米的食味值與主成分之間的回歸方程，得出稻米質量的評價模型。羅紅霞等[18]分析不同品種谷子淀粉品質特性的差異情況，以谷子淀粉基本特性、質構特性、透光率等品質特性為研究對象，采用主成分分析法對淀粉特性進行分析評價。趙洪衛等[19]利用相關性分析、因子分析等方法判斷小型西瓜在生長過程中的成熟度，研究結果為小型西瓜品質和成熟度光學無損檢測提供參數選擇依據。劉昆侖等[20]結合糙米物理特性與其碾米度的關系，通過主成分分析出影響糙米碾米度的主要因子為長度、寬度、長寬比、球面度和容重。以上研究利用主成分分析法對各種農作物進行分類與評價，但將主成分分析法應用在雜交稻芽種物理特性的評價研究上少有報道。

為此，本研究探索性地以華南稻區常用的催芽雜交稻種樣品為試驗材料，測定其含水率、千粒質量、滑動摩擦角、休止角、休止角、芽長、三軸算術平均粒徑及硬度8個物理特性指標參數，運用主成分分析法簡化物理特性指標，構架科學評價體系，初步判定各種雜交稻芽種樣本的綜合得分。該文可為雜交稻芽種物理特性的科學評價提供一種新思路，同時為水稻精密排種器作業參數設計優化提供數據依據。

1 主成分分析評價法思路與步驟

主成分分析評價法的基本思路是通過構造原變量適當的線性組合，產生一系列互不相關且能包含原變量信息的新變量，從中選出少數幾個影響較大的新變量代替繁雜的原始變量來分析和解決問題，實現對復雜問題的簡單化處理[21-24]。

具體步驟如下：

1）確定對研究對象進行特性評價所需指標；

2）獲取各項指標的試驗數據；

3）進行各項指標的相關性分析與初步評價；

4）對指標變量進行主成分分析；

5）通過主成分累計貢獻率和崖底碎石圖選取合適的主成分個數，實現數據降維；

6）將試驗數據代入各主成分表達式中求得主成分得分，再以各主成分貢獻率為權重值求得其綜合得分，進而進行所研究問題最終定量化評價。

步驟2）中，對試驗數據進行標準化處理，處理公式為

步驟3）中，利用求相關系數的方法，求得相關系數矩陣。變量和間相關系數采用Pearson積矩相關公式為

式中、為變量和的均值，、為變量和的第個觀測值

求出特征值與相應單位化特征向量。步驟4）與5）中，將特征值按從小到大順序排列選取若干個較大特征值，計算貢獻率，計算公式

式中表示分量個數。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

采集華南稻區常用的9種雜交稻種為試驗樣品，由華南農業大學、廣東省農業科學院及廣東省金稻種業有限公司提供。分別是五優1179（粵審稻2015014）、五優6133（粵審稻20180013）、泰豐優208、順兩優1179（粵審稻2015059）、培雜泰豐（國審稻2005002）、特優2068（粵審稻2013017）、恒豐優1179（粵審稻20160038）、軟華優1179（粵審稻2015041）、軟華優6100。

2.2 物理特性指標選擇

雜交稻芽種物理特性指標一般有千粒質量、密度、含水率、幾何尺寸、孔隙率、表面積、摩擦學特性、流變特性、熱學特性、光學特性、電學特性及粉碎特性等。參考文獻[7-8]，本文選擇8個物理特性指標進行測定，包括含水率、千粒質量、滑動摩擦角、休止角，休止角、芽長、三軸算術平均粒徑及硬度[25]。

1）含水率：芽種水分占有的質量比，濕基表示法，一般用百分比表示。

2）硬度：衡量稻種的軟硬程度，本文基于壓入法對稻種硬度進行測試，以為單位。

3）摩擦特性：摩擦特性用滑動摩擦角、休止角等特定參數加以描述。滑動摩擦角是反映物料與接觸固體表面間的摩擦性質，休止角是反映物料間的內在摩擦性質。本文使用內部坍塌法測定休止角，使用側壁坍塌法測定休止角，采用重力平衡法測量芽種在不銹鋼板上的滑動摩擦角。

4）千粒質量：檢驗稻種質量與稻種實顆粒飽滿程度的重要指標。芽種千粒質量大小與品種、形狀、尺寸、飽滿度、容重和濕度等因素有關，是影響物料力學特性的一個重要因素。千粒質量用于確定不同種子種室結構，其大小對播種過程中的充種、投種過程運動狀態影響顯著。千粒質量為1 000粒稻種的絕對質量，以g為單位。

5）三軸算術平均粒徑：如圖1a所示，為稻種外部結構圖，雜交稻種形狀多為細長紡錘狀，三軸尺寸相差大。研究人員常用圖形比較法、類似幾何體法、軸向尺寸表示法、粒徑表示法表示和測定農業物料形狀和尺寸。本實驗用軸向尺寸法來確定雜交稻芽種形狀和大小，將芽種放到三維坐標系（見圖1b），測量芽種長、寬、高三軸尺寸，統計各軸平均值，計算三軸算術平均粒徑。需要說明，三軸算術平均粒徑是一個綜合量，是芽種長、寬和高綜合體現，長徑比、體積等值不在重復作為測試指標。三軸算術平均粒徑計算公式

6）芽長：芽種芽長如圖2所示，測定以mm為單位。

2.3 試驗儀器

1）電子分析天平：型號HANGPING JA5003，量程500 g，精度為0.001 g，上海天平儀器廠制造。

2）廣陸電子數顯卡尺：0～150 mm游標卡尺。

3）谷物硬度計：型號GWJ-2（分辨率：0.01 N），臺州市艾測儀器有限公司制造。數顯硬度計會自動記錄擠壓過程中作用在顆粒上最大作用力，并將試驗數據保存到文件。

圖1 稻種外形測定

圖2 雜交稻種芽長

4）鹵素水分測定儀：型號為DHS-16（325 mm× 195 mm×195 mm），水分可讀性0.02%，上海菁海儀器有限公司制造。

5）微電腦自動數粒儀：型號SLY-C（計數速度≥1 000粒/3 min），工作電壓220 V，浙江托普儀器有限公司制造。

6）數顯傾角儀：型號SANHE（分辨率為0.05°、精度±0.2°。

7）如圖3a所示，內部坍塌法測定休止角。內部坍塌法，即在底部開有漏料孔的扁平槽狀容器中填充一定體積的種子，靜置后將底部開孔打開，物料向下泄露，在漏料孔下方的圓臺上將形成休止角，圓臺表面材料選用不銹鋼板，其它部分材料為有機玻璃。如圖3b所示，側壁坍塌法測定休止角。側壁坍塌法，即在方形容器中填充一定體積的種子，靜置后將一側擋板突然撤去，容器內物料將從此側臂面發生坍塌從而形成休止角，方形容器的一面做成有機玻璃面，便于觀察，其他面均為不銹鋼板。

1. 有機玻璃槽 2. 漏料孔 3. 水稻堆 4. 不銹鋼圓臺面 5. 不銹鋼立方盒 6. 水稻堆 7. 不銹鋼板

8）如圖4所示，自制滑動摩擦角測量裝置。工作時，將單粒芽種放置在不銹鋼平板上，通過螺桿和螺栓將工作臺架的一端勻速提起，使不銹鋼平板緩慢傾斜，待芽種開始滑動時，平板傾斜角度即為芽種在不銹鋼板的滑動摩擦角，用數顯傾角儀測定角度。

1. 數顯傾角儀2. 稻種3. 斜面4. 不銹鋼板5. 螺桿6. 螺栓7. 工作臺架8. 塑料板

2.4 試驗方法與數據處理

試驗前對9種雜交稻種進行催芽處理，選擇發芽率和發芽勢分別高于95%和80%的稻種，進行曬種、脫芒、選種、消毒、浸種、破胸露白和脫水。采用人工方法將稻種的芒和小枝梗脫掉。采用鹽水選種，鹽水選種后立即用清水淘洗種子，清除谷殼外鹽分，避免影響發芽；使種子吸足水分，達到出芽快、出芽整齊的目的，浸種要求達到種殼半透明、透過稻種殼隱約可見種胚；破胸露白即催芽，選擇專用催芽器進行作業，要保證種子整齊露白，保證稻種發芽處理時的外部條件一致，溫度、水分、氧氣、光照均一致。催芽后的種子表面水分很大，用甩干桶甩干稻種。經過以上步驟處理完畢，用放大鏡挑選樣品中完整飽滿、無裂紋的籽粒。

催芽選種后，在廣州天河區華南農業大學工程學院實驗室利用上述儀器對9種雜交稻芽種的物理參數指標進行測定，測量方法見參考文獻[25-26]，這里不再詳述。使用Excel 2016對數據進行統計分析，利用SPSS20.0統計軟件進行分析，標記字母法表示組間差異顯著性，然后進行主成分分析與聚類分析。通過分析簡化物理特性指標，構架科學的量化評價體系，得到每種樣品的綜合得分，利用結果評選綜合物理特性優良、適宜機械化播種的雜交稻芽種。

3 試驗結果與分析

3.1 測定結果

9種雜交稻芽種樣品的含水率、千粒質量、滑動摩擦角、休止角，休止角、芽長、三軸算術平均粒徑及硬度8個物理特性指標參數如表1所示。平均含水率為26.2%，變幅較小，變化范圍為23.5%～28.7%，不同稻種含水率差異不大。千粒質量平均值為29.2 g，變幅較大，變化范圍25.3～36.5 g。休止角平均值為39.13°，變幅較大，變化范圍25.96°～48.63°。休止角平均值為38.95°，變幅較大，變化范圍為26.81°～48.37°。滑動摩擦角平均值為27.03°，變幅較大，變化范圍19.8°～30.4°。雜交稻芽種平均芽長為2.17 mm，變幅較大，變化范圍為0.68～3.37 mm。雜交稻芽種的三軸算術平均粒徑平均值4.54 mm,變幅較小，變化范圍4.17～4.92 mm。雜交稻芽種的平均硬度值72.3 N，較大的變幅，變化范圍51.7～89.6 N。

3.2 芽種物理特性主成分分析

主成分分析整個過程在SPSS軟件實現[28-30]，具體步驟：

1）指標數據正向化與標準化。

2）間相關性判定：用SPSS軟件中表“Correlation Matrix（相關系數矩陣）”判定。

3）主成分個數：用SPSS軟件表中“Total Variance Explained（總方差解釋）”主成分方差累計貢獻率≥80%、結合“Component Matrix（初始因子載荷陣）”中變量不出現丟失確定主成分個數。

4）主成分Z表達式：將SPSS軟件中表“Component Matrix”中的第列向量除以第個特征根的開根后就得到第個主成分Z的變量系數向量（在“transform—compute”中進行計算）由此寫出主成分Z表達式。

5）主成分Z命名：SPSS軟件表中的“Component Matrix”中的第列中的系數絕對值大的對應變量對Z命名。

7）檢驗：綜合主成分（評價）值用實際結果、經驗與原始數據做分析進行檢驗。

表1 9種雜交稻種的主要物理特性參數指標

注：同一指標同列肩標不包含相同字母表示差異顯著(< 0.05)。

Note: There is a significant difference between the same index and the same column shoulder mark without the same letter (< 0.05).

采用SPSS20.0分析工具得到相關系數矩陣、方差貢獻分析表、主成分荷載矩陣和相應的特征向量，如表2至表4所示。

不同樣品各物理特性指標參數差異明顯，樣品各物理特性指標之間存在不同程度的相關性。不同稻種千粒質量差異顯著，稻種千粒質量與含水率高低有關，一般含水率越高，千粒質量越大；千粒質量與休止角和休止角呈顯著正相關；三軸算術平均粒徑與休止角和休止角呈顯著正相關；休止角與休止角呈顯著正相關；千粒質量與含水率、三軸算術平均粒徑及滑動摩擦角呈正相關；含水率與芽長呈正相關；芽長與休止角、休止角、三軸算術平均粒徑呈正相關；硬度與休止角呈正相關。雜交稻芽種的各種物理特性指標間存在不同程度的相關性，說明其反映的信息有一定重疊，同時各單項指標對雜交稻芽種的物理特性所起的作用也不盡相同，因此直接利用這些指標不能準確評價雜交稻芽種的綜合物理特性。

表2 稻種的主要物理特性參數間的相關系數矩陣

注：*與**分別表示0.05和0.01水平上顯著差異。

Note: * and ** show significant differences at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

表3 方差貢獻分析表

表4 各主成分的載荷矩陣和特征向量

對9種雜交稻芽種樣品的含水率、千粒質量、滑動摩擦角、休止角、休止角、芽長、三軸算術平均粒徑及硬度8個物理特性指標參數進行主成分分析。每個主成分的方差即特征值，表示對應成分能夠描述原有信息的多少，主成分特征值越大，其變量包含的信息就越多，繪制崖底碎石圖，如圖5所示。崖底碎石圖反映了樣本指標相關矩陣特征值（方差）與主成分序號之間對應關系，并結合表4，前3個主成分的特征值大于1，累計貢獻率達到80%以上，能代表帶芽稻種物理特性的原始數據信息量。圖6可以看出，在第3主成分處出現拐點，第4主成分后的特征值都較小且彼此大小接近；同時根據前面求得的累積貢獻率可知，前3個主成分累積貢獻率已達80%以上，參考文獻[14-15]，選擇前3個主成分對帶芽雜交稻種的物理特性進行綜合評價。

圖5 崖底碎石圖

基于上述處理，通過表4的主成分載荷矩陣，得到以每個載荷量來表示的主成分與對應變量的相關關系，構建水稻芽種各主成分與物理特性指標之間的線性關系式為

第一主成分：

1=0.4511-0.0382+0.1813+0.4144+0.5085+0.5156+0.2447-0.0918（5）

第二主成分：

2=-0.2141-0.4232+0.0893+0.3364+0.2445-0.0446-0.5007+0.5858（6）

第三主成分：

3=-0.0831+0.5292+0.6743+0.1014-0.0135-0.0106-0.4597-0.1978（7）

結合表3，第一主成分方差獻率42.237 % ，包含的信息量較大，主要提取千粒質量、2種休止角和三軸算術平均粒徑；第二主成分方差貢獻率20.517% ，主要提取硬度與滑動摩擦角；第三主成分方差貢獻率17.783%，主要提取含水率與芽長。

綜合主成分系數及其對應的方差貢獻率，得到綜合評價公式為0.42210.20520.1783，通過評價公式計算帶芽稻種的物理特性指標綜合得分。

計算每種芽種樣品的綜合得分，按照綜合得分值大小對各種雜交稻芽種進行排序，結果見表5，不同種類的雜交稻排列順序為泰豐優208>軟華優1179>五優6133>特優2068>順兩優1179>培雜泰豐>恒豐優1179軟華優6100>五優1179。

表5 各主成分得分及綜合得分

結合試驗結果與實際機械化播種過程中各雜交稻芽種樣品排種性能的最終表現，初步確定9個種物理特性的評價等級劃分標準見表6。

表6 雜交稻芽種樣本物理特性的綜合評價等級

3.3 雜交稻芽種聚類綜合分析

在各雜交稻芽種提取3個主成分得分及綜合得分的基礎上，對9種雜交稻芽種樣品進行聚類分析。聚類結果根據綜合物理特性參數作出親疏關系判斷，能更好地解讀數據本質[31]。聚類方法為離差平方和法，在歐式距離10.0處，將9種雜交稻芽種聚為5類。圖6看出五優6133、順兩優1179、培雜泰豐被聚為一類，軟華優1179聚為一類，特優2068、恒豐優1179、軟華優6100被聚為一類，泰豐優208與五優1179分別聚為一類。

通過主成分分析和聚類分析，對9種雜交稻芽種8個物理特性指標參數進行分析，結果表明8個物理特性指標參數隸屬于3個主成分，代表全部信息的80.53%的信息量，9種雜交稻芽種聚合為5類，各類群之間在物理特性和歐式距離方面都有較大差異。在物理特性評價過程中，要充分考慮主成分的互補和歐式距離的選擇。后續研究應將繼續增加樣本容量，完善雜交稻芽種樣本物理特性評價依據，提高該評價標準的科學性和系統性。

圖6 9個雜交稻芽種的聚類分析樹狀圖

4 結 論

本文探索性地以華南稻區常用的催芽雜交稻種樣品為試驗材料，測定其含水率、千粒質量、滑動摩擦角、休止角、休止角、芽長、三軸算術平均粒徑及硬度8個物理特性指標參數，運用主成分分析法簡化物理特性指標，構架科學評價體系，初步判定各種雜交稻芽種樣本的綜合得分。

1）樣品的各個物理特性指標參數差異明顯，各物理特性指標之間存在不同程度的相關性。千粒質量與休止角和休止角呈顯著正相關；三軸算術平均粒徑與休止角和休止角呈顯著正相關；休止角與休止角呈顯著正相關；千粒質量與含水率、三軸算術平均粒徑及滑動摩擦角呈正相關；含水率與芽長呈正相關；硬度與休止角呈正相關；芽長與休止角、休止角和三軸算術平均粒徑呈正相關。

2）利用主成分法提取前3個主成分因子，累計貢獻率達到80%以上，能代表原來8個物理特性指標中的絕大部分信息，具有較好的代表性與客觀性。綜合主成分系數及其對應的方差貢獻率，得到綜合評價公式0.42210.20520.1783，初步確定9種雜交稻芽種樣本物理特性的評價等級劃分標準。

3）采用聚類綜合分析法對樣品物理特性綜合得分進行分析，9種雜交稻芽種被聚合為5類，各類群之間在物理特性有差異。評價過程要充分考慮主成分的互補和歐式距離選擇，后續研究應將繼續增加樣本容量，完善芽種物理特性評價依據，提高該評價標準的科學性和系統性。本研究為芽種物理特性的科學評價提供一種新思路，同時為水稻精密排種器作業參數設計優化提供數據依據。

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Evaluation research of physical characteristics of hybrid rice buds based on principal component analysis

Chen Lintao1,2, Ma Xu1,2, Cao Xiulong1, Wen Zhicheng1, Ji Chuandong1, Li Hongwei1

(1.,,510642,; 2.,510642,)

China possesses a wide area of rice cultivation. The rice planting system is complex and differential from different area, such as single season, double season. The kinds of planting rice are various, mainly consisting of indica and japonica rice, and which also are divided into conventional rice, hybrid rice and super hybrid rice, and the physical characteristic between different planting rice is significant or non-significant. In recent years, the research on hybrid rice seeds mainly focuses on variety selection, identification and promotion, nutritional value and processing quality evaluation, physical property measurement, key parameter calibration of bud seed discrete elements and rapid non-destructive classification among rice varieties. The research on the physical property evaluation of rice seeds currently lacks a kind of objective, scientific, effective and practical evaluation methods. The physical properties of hybrid rice generally have many parameters, such as 1 000-grain weight, density, water content, geometric size, porosity, tribological properties, rheological properties, thermal properties, optical properties, electrical properties and pulverization properties. The research and evaluation of the physical characteristics of hybrid rice buds are closely related to the mechanized production of rice. In order to systematically study and quantitatively evaluate the physical characteristics of hybrid rice buds, 9 kinds of hybrid rice produced in south China area were selected as raw materials to determine eight physical indexes, including moisture content, 1 000-grain weight, sliding friction angle, angle of repose, angle of repose, the bud length, the three-axis arithmetic mean particle size and the hardness. The principal component analysis method was employed to simplify the physical property index and establish the scientific evaluation system, and the comprehensive score of each sample was obtained. The results showed that the physical index of different samples was significantly different, and the correlation between the different physical properties of the samples was also represented. The 1 000-grain weight was significantly positive correlated with the angle of reposeand the angle of repose; the triaxial arithmetic mean particle size was positive correlated between the angle of reposeand the angle of reposeremarkably; the angle of reposeis also obviously positive correlated with the angle of repose. 1 000-grain weight was positively correlated with water content, triaxial arithmetic mean particle size and sliding friction angle; water content was positively correlated with bud length; bud length was positively correlated with resting angle, resting angleand triaxial arithmetic mean particle size. Principal component analysis method was utilized to extract the first three principal component factors, and the cumulative contribution rate reached 80%. The first three principal component factors could represent most of the original eight physical indexes with well representativeness and objectivity, and obtained the evaluation formula0.42210.20520.1783to calculate the comprehensive score of the physical characteristics of hybrid rice buds. In this study, the physical characteristics of hybrid rice buds were comprehensively evaluated based on principal component analysis method, which provided a new method for the scientific evaluation of the physical characteristics of hybrid rice buds, and also provided theoretical data basis for the design and optimization of operating parameters of precision rice seeder in the future.

agricultural products; physical properties; principal component analysis; hybrid rice bud; correlation; cumulative contribution rate

2019-03-20

2019-04-23

國家重點研發計劃課題（2017YFD0700802）；國家自然科學基金項目（51675188）和現代農業產業技術體系建設專項資金項目（CARS-01-43）

陳林濤，博士生，主要從事現代農業技術裝備方面的研究。Email：1574287180@qq.com

馬 旭，教授，博士生導師，主要從事現代農業技術裝備方面的研究。中國農業工程學會高級會員（E041200004S）。Email：maxu1959@scau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.037

TS201.1; O242.1

A

1002-6819(2019)-16-0334-09

陳林濤，馬 旭，曹秀龍，溫志成，季傳棟，李宏偉.基于主成分分析的雜交稻芽種物理特性評價研究[J]. 農業工程學報，2019，35(16)：334－342. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.037 http://www.tcsae.org

Chen Lintao, Ma Xu, Cao Xiulong, Wen Zhicheng, Ji Chuandong, Li Hongwei. Evaluation research of physical characteristics of hybrid rice buds based on principal component analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 334－342. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.037 http://www.tcsae.org