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

（天津市農業科學院果樹研究所，天津 300384）

葡萄延遲栽培是利用日光溫室進行春季避光、冬季增溫調控，使其延遲成熟期，實現淡季供應的一種高效栽培方式，對保障葡萄全年均衡供應具有重要意義[1]。適宜的葡萄品種是設施延遲栽培健康、高效、可持續發展的重要基礎保證。葡萄品種篩選評價過程中通常將品質表現作為適應性評價的重要依據[2]，果實成熟期、果實硬度、技術難度、勞動強度和市場定位等作為輔助指標，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確性。

主成分分析采用降維方法獲得幾個綜合指標來反映原有復雜信息，使分析結果更具客觀性，在品種評價中被廣泛應用[3]。魏烈權等[3]對甘肅嘉峪關的10個釀酒品種的可溶性糖、可滴定酸和總酚含量等9個常規理化指標進行主成分分析，篩選出3個綜合表現較優的品種‘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個品質指標進行主成分分析，提取出的3個主成分累計貢獻率達90.07%，是綜合評價果實品質的重要參考因素。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的品質評價上，然而，綜合考量技術難度、成熟期、勞動強度、抗病能力、市場定位等非理化指標的研究報道較少。

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在品質、成熟期、晚采果實硬度、果實外觀品質、抗病害情況、樹形管理技術難度、勞動強度、掛樹時間、葉片衰老情況、培養預備枝情況和市場定位11個因素，對天津設施延遲栽培條件下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、勞動強度、技術難度、市場定位等多重因素的品種評價篩選方法，為葡萄設施延遲栽培提供理論依據和實踐指導。

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業科學院武清現代農業創新基地日光溫室內，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

參考綜合評分法[7-8]，并根據設施延遲栽培技術特點及葡萄品質要求等，設計11個評價指標（表1），評分依據來源于本團隊對32個品種2013—2019年相關調查數據及栽培表現，獲得32×11的原始數據矩陣。

表1 設施延遲栽培葡萄品種評價指標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，為避免計算結果受變量量綱不同的影響，保證結果客觀性和科學性，需對原始數據矩陣進行標準化處理，然后計算各指標相關系數、特征值和特征向量、貢獻率和累積貢獻率，并提取主成分[9]，根據主成分綜合得分進行品種排名。

2 結果與分析

首先對32×11原始數據矩陣進行標準化處理，數據見表2。由相關矩陣出發，計算相關矩陣的特征向量，得到特征值和貢獻率，共提取了特征值＞1的4個主成分，方差累積貢獻率為73.302%（表3），可以概括品種評價指標的大部分信息。

表2 標準化處理后的數據矩陣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難度、勞動強度和培養預備枝情況信息；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、勞動強度和果實內在品質信息；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，將主成分按照貢獻率綜合為加權綜合得分：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越優[10]。由表5可知‘意大利’‘溫克’‘新美人指’和‘紅地球’在設施延遲栽培條件下綜合表現突出，‘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，不適宜設施延遲栽培。

表5 設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幾個主成分上，減少了信息的交叉，分析評估結果更加客觀準確[3]。主成分分析不僅應用于葡萄品種評價[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性狀。優良葡萄品種評價篩選時，果實內在品質固然重要，但面對消費者對果品質量安全要求提高以及栽培管理成本增加等新形勢，葡萄產業發展必須轉變觀念，以節本、優質、高效和綠色為發展目標[18]。因此，本研究在設計品種評價指標時，除了果實品質，還考量了成熟期、樹形管理技術難度、勞動強度、抗病性、外觀品質和市場定位等，同時針對設施延遲栽培特點，增加了晚采果實硬度和掛樹時間指標。

本研究中各評價指標的性質和量綱不同，在提升評價全面性的同時也提高了評價難度，無法用統一量綱進行定量分析，因此采用了無量綱的分數進行綜合評價[7-8]。分值設定時，為體現葡萄延遲栽培時果實內在品質、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32個品種多年栽培表現給各指標賦分，獲得數據矩陣，再通過主成分分析，對11個指標進行綜合分析，以期更多維地反映在設施延遲栽培條件下各葡萄品種的綜合表現。

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。主成分分析結果顯示，共提取4個主成分，方差累積貢獻率為73.302%，可以概括11個評價指標的大部分信息，根據4個主成分的綜合得分確定了設施延遲栽培條件下32個品種的排名，‘意大利’‘溫克’‘新美人指’和‘紅地球’在設施延遲栽培條件下綜合表現突出，‘白羅莎里奧’‘里扎馬特’‘克瑞森無核’和‘紅寶石無核’等品種綜合表現較好，該結果可以為我國北方地區設施延遲栽培葡萄品種的篩選提供參考。