主成分散点图分析在烤烟新品种评价中的应用

周绍松，周 敏*，张忠武，陈拾华，杨景华，王建新，段宗颜，鲁 耀，邹炳礼，董石飞，李 伟，张 静



主成分散点图分析在烤烟新品种评价中的应用

周绍松1，周 敏1*，张忠武1，陈拾华1，杨景华1，王建新1，段宗颜1，鲁 耀1，邹炳礼1，董石飞2，李 伟2，张 静2

（1.云南省农业科学院农业环境资源研究所，昆明 650205；2.红云红河烟草（集团）有限责任公司，昆明 650231）

为了挖掘适应昆明地区生态环境的优质烤烟新品种，选择云南省自育，美国、巴西引进和中美合育的16个烤烟新品种的农艺、经济、抗病性、化学成分、外观质量和感官质量等15个性状进行分析，采用主成分分析结合散点图法对参试烤烟新品种进行综合评价。以89.014%的性状累积方差贡献率为标准，确认了5个代表烤烟新品种综合质量的主成分，经过演算得出参试烤烟新品种的主要主成分综合得分，并采用散点图对烤烟新品种进行综合评价。结果表明，PVH2310、AOV405、NCT13、云烟117的综合评价得分较高，且优于对照K326和云烟87，其综合评价结果与区域适应性试验中的表现一致。这4个烤烟新品种可以作为昆明地区烤烟的备选新品种进行大面积推广。

烤烟；新品种；主成分分析；散点图

优良的烤烟品种在烟叶生产中发挥着相当重要的作用。引种在烟叶生产史上发挥过重要作用，通过比较试验可直接用于烟叶生产并产生巨大经济效益[1-2]。云南省的烤烟种植品种较为单一，烤烟主栽品种以K326、红花大金元、云烟87和云烟97为主，占总种植面积的65%左右，经过多年种植后这些品种的退化问题日益显现，抗病性下降，烟叶品质降低[3]。因此，开展烤烟新品种的引种及综合评价显得尤为重要。

烤烟新品种的引进与筛选中，对参试品种从农业性状与工业可用性方向进行综合评价是极其重要的环节。其综合评价结果的客观性和全面性直接关系烤烟生产。目前应用于烤烟品种综合评价的方法主要是灰色关联度分析[4-7]、四元联系数的态势排序[8]、DTOPSIS法[7,9-11]、最优分辨系数法[12]、模糊概率值法[13]和主成分分析法[12,14-16]。主成分分析采取一种降维的方法，用几个综合因子来代表原来众多的变量，使这些综合因子尽可能地反映原来的信息量，而且彼此之间互不相关，从而达到简化的目的，目前已越来越多地应用于农作物数量性状分析中[12,14-16,17-21]，但是这种评价方法仅能根据筛选出的几个主成分的综合评分来评价烤烟品种，而做不到结合专业知识客观、全面地对烤烟新品种进行评价。钟思荣等[22]曾使用散点图对烤烟的耐低氮基因型进行分类评价，取得较好效果，值得借鉴。因此本研究采用主成分分析结合散点图的方法对从美国和巴西引进、云南烟草农业科学研究院选育和中美合育的16个烤烟新育或新引品种以及对照品种K326和云烟87的15个农艺性状、经济性状、抗病性性状、化学品质性状、外观质量性状和感官质量性状进行分析，从而找到一种较为全面、客观的烤烟新品种评价方法，为云烟品牌的引种提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试品种为云南烟草农业科学研究院选育的云烟100、云烟105、云烟116、云烟117、云烟119和云烟207，美国引进的AOV405、NCT6、NCT13、NC71、GL318和NC196，巴西引进的PVH1452、PVH2254和PVH2310，以及中美合育的NC-YATAS-2，用K326和云烟87作为对照品种，共计18个品种。

1.2 试验地点与方法

1.2.1 试验地点 本试验于2014年在昆明市石林县鹿阜镇进行，海拔1650 m，试验田土壤类型为水稻土，土壤质地为砂壤，土壤pH 7.8，有机质30.2g/kg，速效氮140.8 mg/kg、速效磷59.2 mg/kg、速效钾210.5 mg/kg。

1.2.2 试验设计与调查方法 试验采用随机区组设计，18个品种，3次重复，共计54个小区，每个小区60株烟，株行距0.5 m×1.2 m，施纯氮105.0 kg/hm2，(N)∶(P2O5)∶(K2O)=1∶1∶3。

农艺性状调查方法按YC/T 142—1998[23]在每个处理选取10株烤烟进行调查取平均值，测定指标有株高、总叶数、茎围、节距、腰叶长、腰叶宽。黑胫病和烟草普通花叶病（TMV）病情指数按GB/T 23224—2008[24]在每个处理选取10株烤烟进行调查统计。经济性状调查按照GB 2635—1992[25]方法进行，测定指标有产量、产值、均价、上中等烟比例、单叶重。按王瑞新等[26]的方法进行化学成分测定，并采用《中国烟草种植区划》[27]的方法赋值。按GB 2635—1992[25]进行外观质量评价。按颜克亮等[28]的方法进行感官质量评价。

1.3 数据统计方法

1.3.1 烤烟化学成分评价方法 对烤烟品种的内在化学成分而言，并非化学成分的含量越高，其内在品质就越好，当处在特定界限之内时，内在品质才最佳。一般而言，中间型指标包括总氮、烟碱、还原糖、氮碱比、糖碱比，其最佳范围分别是总氮2.00%~2.50%，烟碱2.20%~2.80%，还原糖18.00%~ 22.00%，氮碱比0.95~1.05，糖碱比8.50~9.50；经济型指标包括钾和钾氯比，他们的数值越大烟叶品质越优[26]。

（3）语音路径(the grapheme to phoneme conversion)朗读。形态刺激直接通过亚词汇水平的形-音对应规则（graphemephoneme correspondences,GPCs）获得语音，并直接将语音输送至语音缓冲器。这一通路完全不需要词典的信息，借助拼音文字所特有的形-音对应规则即可获得书面刺激的语音。

采用指数和法评价烤烟化学成分协调性综合情况=∑C·P，式中代表烤烟化学成分协调性综合指数，为第个化学成分指标量化分值；为第个化学成分指标相对权重[27]。

1.3.2 外观质量评价 外观质量属于效益型指标，采用指数和法评价烤烟外观质量评价综合情况=∑C·P，式中代表烤烟外观质量综合指数，C为第个外观指标的量化分值；P为第个外观指标相对权重[27]。

1.3.3 感官质量评价 感官质量属于效益型指标，（感官总分）=（香气质×0.3+香气量×0.3+杂气×0.08+刺激性×0.15+余味×0.17）×11.11[27]。

1.3.5 主成分分析方法 数据处理采用 Excel 2007进行，主成分分析采用SPSS 22.0，相关分析和散点图综合评价采用DPS 15.0。

2 结 果

2.1 烤烟新品种各个指标的标准化相关系数

从表1中可知，标准化后，不同指标之间的显著相关关系普遍存在，如果进行综合评价时直接采用这些指标分布状况，信息重叠将会不可避免，最终造成评价结果失真。

2.2 主成分分析

对15个成分均值化后的数据进行主成分分析，得出解释的总方差表（表2），分析特征根＞1的主成分，发现成分1、2、3、4、5的特征根分别是7.747、2.222、1.644、1.439和1.191，且5个因子能够解释89.014%的累计方差贡献率，因此确定主成分为1、2、3、4、5。

由表2、3可知，第1主成分1的贡献率为48.418%，株高、茎围、腰叶长、腰叶宽、产量有较大的正系数，所以第1主成分反映的是农艺性状与经济性状的正相关关系，可以称为农艺性状指数。说明烤烟新品种株高、茎围、腰叶长、腰叶宽越大，产量越高。

第3主成分3的贡献率为10.278%，感官质量得分有较大的正系数，是反映感官质量的指标，可以称为感官质量指数。

第4主成分4的贡献率为8.992%，黑胫病病情指数有较大的正系数，是反映抗病性的指标，可以称为抗病性指数。

第5主成分5的贡献率为7.441%，其中化学成分得分有较大的正系数，是反映化学成分协调性的指标，可以称为化学成分指数。

第1主成分的特征向量分别乘以15个原始变量标准化之后的变量即为第1主成分的函数表达式，同理可以得出第2至第5主成分的函数表达式：

1=0.347株高+0.310总叶数+0.345茎围+0.308节距+0.347腰叶长+0.349腰叶宽+0.337产量+0.293产值− 0.093均价−0.208上中等烟比例+0.231单叶重+0.046黑胫病− 0.044TMV+0.023化学成分+0.134外观质量−0.004感官质量2=0.065株高+0.030总叶数+0.040茎围+0.058节距+0.078腰叶长−0.020X腰叶宽+0.158产量+0.342产值+0.557均价+0.323上中等烟比例−0.189单叶重−0.216黑胫病+0.363TMV+0.221化学成分−0.403外观质量+0.118感官质量

表1 指标间的相关系数

注：相关系数临界值α=0.05时，=0.4683，α=0.01时，=0.5897；＊表示相关关系显著（﹤0.05），＊＊表示相关关系极显著（﹤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 解释的总方差

表3 性状主成分的特征向量

3=−0.066株高+0.058总叶数+0.013茎围−0.253节距+0.030腰叶长+0.033腰叶宽－0.030产量−0.094产值−0.148均价−0.176上中等烟比例+0.409单叶重−0.211黑胫病+0.430TMV−0.208化学成分−0.112外观质量+0.642感官质量4=−0.060株高−0.202总叶数+0.109茎围+0.038节距+0.033腰叶长+0.138腰叶宽−0.045产量+0.078产值+0.345均价+0.356上中等烟比例+0.219单叶重+0.474黑胫病−0.313TMV−0.472化学成分−0.001外观质量+0.274感官质量5=0.038株高+0.104总叶数−0.069茎围−0.288节距−0.095腰叶长−0.066腰叶宽+0.107产量+0.090产值−0.111均价−0.175上中等烟比例+0.090单叶重+0.520黑胫病−0.243TMV+0.529化学成分−0.400外观质量+0.214感官质量。

2.3 优良烤烟新品种的筛选

分析结果表明，以上5个主成分能够很好地表述烤烟新品种的重要性状特性，可以表达89.014%的贡献率。因为存在较多的主成分，依靠一个主成分对烤烟新品种进行综合评价不易做出准确的判定。所以在进行加权求和时使用5个主成分的方差贡献率作为权重系数，创建云烟品牌烤烟新品种的综合评价数学模型：

=0.5751+0.1542+0.1043+0.1004+0.0755

式中：1～5为各烤烟新品种主成分分值。

从表4可知，依据烤烟新品种的5个主成分综合得分进行排序，云烟207的综合得分最高，得分较高的新品种依次是PVH2310、AOV405、NCT13、PVH1452、NC-YATAS-2、云烟117和云烟119，而且这些新品种的综合得分均高于K326和云烟87。

2.4 散点图分析

对于烤烟新品种而言，在主成分分析散点图上的分布代表了各个新品种的特征。以18个烤烟品种的15个性状指标的第1主成分值（农艺性状指标）为横坐标，第2主成分值（经济性状指标）为纵坐标生成散点图（图1）时可以看出，PVH2310、AOV405、NCT13、云烟117、NCT6、PVH2254、GL318、云烟100、云烟105和云烟87等9个烤烟新品种在散点图上排列成一条线状带，PVH2310代表农艺性状指标较高、经济性状指标也较高的新品种，NCT6代表农艺性状指标较低、经济性状指标也较低的新品种，说明在这条线状带上的烤烟品种农艺性状指标与经济性状指标存在明显的正相关关系。而偏离线状带较多的云烟207在最高的株高、总叶数、茎围、腰叶长宽、产量、产值和最低的均价和上中等烟比例这9个变量的共同作用下被推向图右下角边缘。NC196、NC71和云烟116则在较低的株高、总叶数、茎围、腰叶长宽、产量、产值和较高的均价、上中等烟比例这9个变量的共同作用下被推向图左侧边缘。NC-YATAS-2和PVH1452则在较低的经济性状和较高的感官质量2个变量共同作用下被推向图底部。K326和云烟87的农艺性状相当，但是因为K326经济性状高于云烟87而远离原点偏向图左上侧，而云烟87则分布在原点附近，说明它的各项农艺性状和经济性状指标较为均衡。

通过散点图可以把所有参试烤烟品种分为4类。第1类：高农艺性状高经济性状型，包括PVH2310、AOV405、NCT13、云烟117。第2类：低农艺性状高经济性状型，包括NC196、NC71、K326、云烟87；第3类：低农艺性状低经济性状型，包括NCT6、PVH2254、GL318、云烟100、云烟105、云烟116；第4类：高农艺性状低经济性状型，包括云烟119、PVH1452、NC-YATAS-2、云烟207。

虽然云烟207主成分综合评价分值最高，但是经济性状较低，这主要是因为第1主成分（农艺性状指标）的贡献率较高推高了云烟207 的综合评价分值，因此云烟207 不是云烟品牌烤烟新品种的推荐品种。而排在云烟207 之后的PVH2310、AOV405、NCT13、云烟117 无论是经济性状指标、农艺性状指标还是综合评价均优于对照K326 和云烟87。所以这4 个新品种可以作为云烟品牌的推荐烤烟品种，而且他们的综合评价结果与区域适应性试验中的表现基本一致，在一定程度上反映了这4 个烤烟新品种的经济性状和农艺性状特征。

表4 不同品种的主成分分值

图1 散点图

3 讨 论

主成分分析评价方法可以将各指标间相互重叠的信息通过少数几个主要指标反映出来，使这些主要因子之间尽量相互独立，而且能够最真实地反映原指标的信息，从而达到简化分析的目的。本研究应用主成分分析结合散点图对18个烤烟品种的15个农艺、经济、抗病性、化学成分、外观质量和感官质量性状进行分析，所选择的评价项目具有普遍性，与前人的评价项目大体一致[4-16]。应用主成分分析评价烤烟品种通常仅应用主成分分析法[14]或者在主成分分析后再进行聚类分析[12,15-16]，但是主成分分析综合得分和聚类分析得出的分类对综合评价并不全面，而应用散点图则可以通过影响烤烟品种综合评价的两个主要主成分的表现进行分类，然后结合主成分评价综合得分就能较为全面地评价烤烟品种。

散点图现今多用于医学[29]、工程学[30]、经济学[31]和环境科学[32]等的统计上，农业上的应用仅见于对烤烟的耐低氮基因型进行分类评价[21]，而应用于烤烟品种的评价则未见报道。在烤烟生产中，烟农、商业企业以及工业企业更关心烤烟的经济性状外观质量和感官质量，因此在进行烤烟新品种评价时，除了通过主成分分析得出各个品种的综合评价得分外，还应当采用散点图结合烤烟专业知识进行具体的分析评价，从而更全面、客观、科学地评价烤烟新品种。如果要更全面的综合评价烤烟品种，则还应根据工业需求加入致香成分、物理指标、工业验证等评价项目。

4 结 论

本研究采用主成分分析结合散点图的综合评价方法研究表明，PVH2310、AOV405、NCT13、云烟117综合评价较好，且优于对照K326和云烟87，他们的综合评价结果与区域适应性试验中的表现一致。这4个烤烟新品种可以作为云烟品牌的备选新品种进行大面积推广。

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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

云南省中烟工业有限责任公司资助项目“原料基地烟叶质量维护及提高技术研究”（2016YL05）、“云烟品牌特色优质原料烤烟新品种筛选及应用研究”（2013YL02）

周绍松（1974-），男，硕士，副研究员，主要从事土壤肥料及植物营养与施肥研究。E-mail：375946547@qq.com

，E-mail：187358711@qq.com

2018-03-19

2018-05-24