不同生育期水分脅迫條件下寧夏枸杞果實的主成分分析與綜合評價

鄭國保，馬 玲，撖志明，李 苗，劉淑瑛，臧婭妮，孫 瑩，馬小榮

（1.寧夏農林科學院農業生物技術研究中心，銀川750002；2.寧夏回族自治區藥品檢驗研究院，銀川750002）

0 引 言

枸杞產業是寧夏極具特色的戰略支柱性產業之一。部分枸杞種植區雖已改變了傳統的灌溉方式，但仍然存在水分生產效益低和品質降低的問題。因此，開展基于水分和品質的評價研究對枸杞生產中科學的水分管理顯得尤為重要。近年來，有關學者主要針對枸杞不同產地[1,2]、不同品種[3-7]以及主要品質性狀[8,9]，利用主成分分析法，結合聚類分析和模糊評價法對其進行建模并綜合評價。關于基于水分脅迫或虧缺灌溉條件下的品質性狀綜合評價方法的研究多以蘋果[10,11]、黃瓜[12,13]、葡萄[14,15]、冰糖橙[16]、黃果柑[17]、獼猴桃[18]、砂梨[19]和番茄[20-26]等為研究對象，而水分脅迫條件下枸杞品質性狀綜合評價尚未見報道。因此，本研究以不同生育期水分脅迫條件下“寧杞1號”枸杞為試材，通過對其外觀品質（百粒重、粒度和果形指數）、藥用品質（多糖、β-胡蘿卜素、甜菜堿和總黃酮）和營養品質（蛋白質、脂肪和維生素C）等指標進行測定，運用主成分分析法進行品質綜合評價，以期為寧夏地區枸杞節水灌溉技術和多指標樣品的綜合評價提供可行的方法。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗以五年生“寧杞1 號”主栽品種為材料，定植于2017年4月。

1.2 試驗設計

依據枸杞生長特點將其整個生長季分為3個階段：營養生長和盛花期（StageⅠ）、盛果期（StageⅡ）和秋果期（StageⅢ）。控水時間為：營養生長和盛花期（5月15日-7月5日）、盛果期（7月5日-8月10日）和秋果期（8月10日-9月30日）。按Hsiao 方法設計土壤含水量占最大持水量的百分率，即輕度脅迫（60%～65%）、中度脅迫（45%～50%）和重度脅迫（30%～35%），合計3 個水分脅迫水平，共設9 個處理，每個處理重復3次。具體水分脅迫處理見表1。

表1 水分脅迫試驗設計Tab.1 Water stress test design

1.3 測定項目與方法

1.3.1 樣品的采集及處理

2017-2018年在試驗地內采集不同處理盛果期和秋果期果實，每個處理調查3 株樹，共調查9 株，將3 株樹的果實混合后取樣，烘干。

1.3.2 果實品質的測定

（1）外觀品質。果形指數：從各處理采摘后的新鮮果實中隨機抽取30 粒果實，用游標卡尺測量果實的橫徑和縱徑，并計算其比值；百粒重和粒度：按照國家標準（GB/T 18672-2002）中的方法測定。

（2）藥用品質。多糖、β-胡蘿卜素和甜菜堿均按照《中華人民共和國藥典》2015年版一部中的方法進行測定，總黃酮含量采用紫外分光光度法進行測定。

（3）營養品質。蛋白質、脂肪和維生素C含量均按照國家標準（GB/T5009-2003）中的方法進行測定。

1.3.3 品質分析方法

以3 個時期的3 個水分脅迫程度為樣品單元，以果實的3個外觀品質、4 個藥用品質和3 個營養品質指標為變量進行主成分分析，通過其特征值、貢獻率、累計貢獻率，對各處理樣品進行品質分析。

1.4 數據處理

采用Excel 2010 整理數據，利用DPS 18.10 軟件進行數據標準化和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同水分脅迫處理下果實品質分析

由表2可知：水分脅迫對不同生育期枸杞百粒重和果形指數均無顯著影響。在StageⅡ期水分脅迫對粒度、總黃酮和β-胡蘿卜素均無顯著影響，枸杞多糖和甜菜堿含量均表現為重度脅迫＞中度脅迫＞輕度脅迫，維生素C 和蛋白質含量以中度脅迫最高，脂肪含量隨脅迫程度的加劇而降低。在StageⅢ期水分脅迫，粒度、枸杞多糖和甜菜堿含量均表現為重度脅迫＞中度脅迫＞輕度脅迫，β-胡蘿卜素、維生素C 和蛋白質含量以中度脅迫最高，脂肪含量隨脅迫程度的減輕而升高。

表2 不同水分脅迫處理枸杞果實品質分析Tab.2 Fruit quality analysis of wolfberry under different water stress

2.2 果實品質數據標準化

主成分分析法的前提是不損失或很少損失原有信息，將原來個數較多指標轉化為新的個數較少的綜合指標的分析方法，以避免重復信息的干擾[18]。用于主成分分析的枸杞干果各品質指標的表型數據是不同的性狀，單位也不相同[19]，為了消除各品質指標之間的量綱和各品質指標相對大小差異對分析結果產生的影響，采用Z-Score 標準化法[27]進行果實品質原始數據（表3）轉化成均值為0，標準差為1的無量綱數據。

表3 原始數據的標準化值Tab.3 Standardized values of raw data

2.3 不同水分脅迫處理下寧夏枸杞品質的主成分分析

由表4 可知：不同時期前3 個主成分品質因子的累計貢獻率均達到80.00% 以上（Stage Ⅱ達82.356 0%、Stage Ⅲ達85.234 7%），保留了原始數據的絕大部分信息，因此提取前3個主成分品質因子信息進行后續的分析計算。由各主成分品質因子特征向量可知，在StageⅡ期，第1 主成分貢獻率達43.049 4%，主要代表甜菜堿、β-胡蘿卜素、總黃酮和多糖含量，反映果實藥用品質；第2主成分方差貢獻率達25.570 4%，主要代表維生素C、蛋白質和脂肪含量，反映果實營養品質；第3 主成分方差貢獻率達13.736 2%，主要代表果形指數和百粒重，反映果實外觀品質。在StageⅢ期，第1 主成分貢獻率達46.222%，主要代表維生素C、蛋白質和脂肪含量，反映果實營養品質；第2主成分方差貢獻率達21.519%，主要代表β-胡蘿卜素、甜菜堿和總黃酮含量，反映果實藥用品質；第3主成分方差貢獻率達17.493 7%，主要代表果形指數和粒度，反映果實外觀品質。

表4 10個主成分的特征向量、特征值、貢獻率及累計貢獻率Tab.4 The eigenvectors，eigenvalues，contribution rate and cumulative contribution rate of the 10 principal components

2.4 不同水分脅迫處理下寧夏枸杞品質的綜合評價

在對不同水分脅迫處理下果實品質進行綜合評價時，因各主成分的貢獻率不同，須結合主成分的貢獻率并協調各主成分品質因子。根據提取前3 個主成分特征向量值（表4）和品質指標標準化值（表3），得出主成分得分因子的表達式F（表5）。并以各主成分的貢獻率為權重，利用主成分值與對應的權重相乘求和，得出樣本綜合評價模型Y（表5）。

表5 主成分得分因子表達式及樣本綜合評價模型Tab.5 Principal component score factor expression and sample comprehensive evaluation model

為了直觀的揭示不同處理果實品質的優劣，根據得分情況并對其進行排序。由表6可知，在StageⅡ期，以第1主成分排序T4、T1、T2的品質較好；以第2 主成分排序T6、T8、T3的品質較好；以第3主成分排序T7、T4、T8的品質較好。在StageⅢ期，以第1 主成分排序T2、T5、T7的品質較好；以第2 主成分排序T9、T2、T6的品質較好；以第3 主成分排序T9、T8、T3的品質較好。根據綜合評價模型，計算出各個處理枸杞的綜合得分（表6），StageⅡ期綜合得分排在前3 位的是T4、T5、T2處理，StageⅢ期綜合得分排在前3 位的是T2、T9、T3處理。說明：在StageⅡ期進行中度（排名2、3）或重度脅迫（排名1）處理后，可以提高盛果期果實綜合品質；在StageⅢ期進行中度（排名1、2）或輕度脅迫（排名3）處理后，可以提高秋果期果實綜合品質。綜合考慮各因素，應在盛果期和秋果期均進行中度脅迫處理可以提高果實的綜合品質。

表6 不同水分脅迫處理下寧夏枸杞果實品質的主成分得分及排序情況Tab.6 Principal component scores and rankings of fruit quality of wolfberry in Ningxia under different water stress treatments

3 討 論

水資源短缺和不合理灌溉是制約寧夏地區枸杞產業發展的突出問題，而造成不合理灌溉的主要原因是生產中的水分管理缺乏科學的量化指標。基于此，本研究分析了不同生育期水分脅迫對枸杞果實品質的影響，運用主成分分析法建立了綜合評價模型，確定了枸杞適宜生長的土壤水分條件，為枸杞園的水分管理提供參考。土壤水分含量過高或過低均會抑制果實的生長發育。劉艷武等[11]采用GC-ITOPSIS 模型對蘋果品質進行綜合評價，確定果園滴灌灌水下限達田間持水量60%時，果實品質最佳；金寧[12]采用主成分分析法對黃瓜果實品質進行綜合評價，在不降低產量，確定灌水下限為70%田間持水量，既提高了果實品質，也提高了水分利用率；侯裕生等[14]、張興國等[15]采用主成分分析法分別對極端干旱區葡萄和日光溫室葡萄不同水肥處理后的果實品質進行綜合評價，均得出中水低肥處理的果實綜合品質最優；王振華等[20]、李文玲等[21]和王秀康等[22]均采用主成分分析法對番茄不同水肥處理后的果實品質進行綜合評價，得出減少灌水量可提高番茄的綜合品質。由此可見，前人通過不同評價方法對不同的作物水肥處理下的果實品質進行綜合評價，得出降低灌水量均可提高果實的綜合品質，這與本研究結果一致。

4 結 論

本文針對不同生育期水分脅迫條件下寧夏枸杞果實的品質分析與綜合評價，得出以下結論。

（1）通過對9 個不同水分脅迫處理和10 個果實品質性狀的主成分分析，共提取到3個主成分因子，盛果期累計貢獻率為82.356 0%、秋果期累計貢獻率為85.234 7%，包含了品質性狀的絕大部分信息，并以方差貢獻率為權重根據主成分值和對應的貢獻率構建樣品綜合評價模型，得到不同水分脅迫處理下果實的綜合得分和排序，為不同水分處理下多指標樣品的綜合評價提供了可行的方法。

（2）通過對9 個不同水分脅迫處理和10 個果實品質指標進行主成分分析，在盛果期藥用品質對枸杞果實品質的影響較大，這些品質因子包括甜菜堿、β-胡蘿卜素、總黃酮和多糖含量的藥用品質；在秋果期營養品質對枸杞果實品質的影響較大，這些品質因子包括維生素C、蛋白質和脂肪含量的營養品質。

（3）通過其貢獻率及主成分值對不同水分脅迫處理的枸杞果實進行綜合評價，結果發現：在盛果期進行中度或重度脅迫處理，可以提高盛果期果實綜合品質；在秋果期進行中度或輕度脅迫處理，可以提高秋果期果實綜合品質。綜合考慮，應在盛果期和秋果期均進行中度脅迫處理可以提高果實的綜合品質。