基于主成分分析法的墨兰品种观赏价值评价

陈 娟，陈 璐，谢泰祥，彭东辉，艾 叶

(福建农林大学园林学院／兰科植物保护与利用国家林业与草原局重点实验室，福建 福州 350002)

墨兰Cymbidium sinense，也称报岁兰，兰科兰属多年生草本植物 。墨兰多分布于中国南部，品种繁多，植株健硕，花朵粗壮且花朵数多；其栽培历史悠久，早在南宋就有墨兰相关品种记载[2]。目前，墨兰的研究主要集中于组培快繁[3—4]、栽培生理[5—6]、病虫害防治[7—8]、杂交育种[9—11]、花期调控[12—13]、遗传多样性[14—16]以及基因功能研究[17—18]等方面，而对于墨兰品种资源的客观评价及合理利用等方面的研究鲜有报道。此外，由于评价指标多、各项指标间有重叠等原因，墨兰品种的观赏价值评价体系难以确定，墨兰优良品种的开发和利用受到严重阻碍。

主成分分析法(Principal Components Analysis，PCA)是利用原始变量之间的相关性，利用少量变量代替多个变量大部分信息，来实现降维的方法，再根据各变量的特征值贡献率作为权重结合特征向量构建评价模型[19]。主成分分析法克服了人为的随意性和主观性，更加客观科学，该方法已经被用于财务管理[20]、土地资源管理[21]、水质评价[22]、品质分析[23]等多方面的比较分析及评价。近年来，主成分分析法被广泛应用于植物的观赏价值评价，如浙江红山茶Camellia chekiangoleosa[24]、芍药Paeonia lactiflora[25]、观赏竹[26]、矮牵牛Petunia hybrida[27]、蝴蝶兰Phalaenopsis aphrodite[28]等，在优良单株的选择和优良品种的推广应用等方面起着重要作用。

本文通过对福州地区栽培多年的30 个墨兰品种20 个观赏性状进行测定，分析墨兰观赏性状的变异范围、性状间的相关性以及主成分因子，并利用主成分分析法对30 个墨兰品种的观赏价值进行评价，为墨兰优良品种的开发和利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为福建农林大学森林兰苑国兰种质资源圃中栽培多年的30 个墨兰品种，品种名称及特点见表1 及图1。

表1 供试墨兰品种特点Table 1 Characteristics of tested cultivars of Cymbidium sinense

1.2 方法

于2016 年2 月～2018 年2 月，随机选取30 个墨兰品种作为调查对象，每个品种挑选生长健壮，具有代表性的5 盆(每盆约10 株)进行观赏性状测量和观察。观赏性状共20 项，其中植株高(P1)、叶片长(P2)、叶片宽(P3)、叶片厚(P4)、叶片数(P5)、花朵数(P6)、花序轴长(P7)、花葶长(P8)、花葶粗(P9)、花径(P10)、萼片长(P11)、萼片宽(P12)、捧瓣长(P13)、捧瓣宽(P14)、唇瓣长(P15)、唇瓣宽(P16)等16个数量性状进行实地测量，花色(P17)、唇瓣斑点(P18)、叶艺(P19)及瓣型(P20)等4 个质量性状采用观察法分析。观赏性状的测量及观察方法参照《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南·兰属》[29]，测量工具有直尺、游标卡尺、比色卡。其中，数量性状取3 年平均值，质量性状则通过打分将定性指标定量化，得分越高，表示其对综合评价的贡献越大。唇瓣斑点：彩心(1 分)、素心(2 分)；花色：褐色(1 分)、紫红色(2 分)、粉红色(3 分)、黄绿色(4 分)、黄色(5 分)；无叶艺(1 分)、叶尾有艺(2 分)、叶面有艺(3 分)、叶边有艺(4 分)、行龙叶艺(5 分)、含有多种叶艺(6 分)；瓣型：竹叶瓣(1 分)、奇瓣(2 分)、水仙瓣(3 分)、梅瓣(4 分)、荷瓣(5 分)。

图1 部分墨兰品种表型Fig. 1 The phenotype of 4 Cymbidium sinense cultivars

1.3 数据分析

利用Microsoft Office Excel 计算各观赏性状的平均值、标准差、变异系数以及各品种的综合得分，参照关玉梅等[24]、许晶等[30]的方法，利用IBM SPSS Statistics 22.0 软件进行相关性分析及主成分分析。

2 结果与分析

2.1 墨兰品种观赏性状的变异分析

30 个墨兰品种16 个数量性状的变异分析见表2。结果表明，16 个数量性状均存在不同程度的差异。其中，花朵数(P6)的变异系数最大，达到34.42%；其次是花序轴长(P7)(27.05%)、花径(P10)(26.19%)和唇瓣宽(P16)(25.05%)，表明墨兰的花部器官间存在着较大差异。叶部形态中，叶片厚度(P4)差异较大，变异系数为21.07%；叶片长(P2)、叶片宽(P3)、叶片数(P5)的变异系数均较小，分别为14.14%、11.69%和11.07%，说明墨兰叶片的形状和数量变异小。

30 个墨兰品种的4 个质量性状频率分析见表3。结果显示，花色(P17)和叶艺(P19)的遗传多样性较高，指数分别为1.21 和1.20，其中紫红色墨兰品种的频率最高，达57%，黄色品种的频率最低，为3%。63%的墨兰品种不含有叶艺。唇瓣斑点(P18)的遗传多样性最低，90%的墨兰品种为彩心，仅有10%的品种为素心。竹叶瓣型的墨兰品种出现频率为77%，墨兰水仙瓣品种出现频率小，在测试的30 个品种中未出现。

2.2 墨兰品种观赏性状间的相关性

墨兰30 个品种的20 个观赏性状间的相关性分析见表4。墨兰不同性状间存在不同程度的相关性。植株高(P1)与叶片长(P2)、叶片厚(P4)、花序轴长(P7)、花葶长(P8)、花葶粗(P9)、花径(P10)、萼片长(P11)、捧瓣长(P13)和唇瓣长(P15)之间均存在极显著正相关，与花朵数(P6)存在显著正相关。叶部形态中，仅叶片宽(P3)与叶片厚(P4)之间存在显著正相关。花部形态中，花序轴长(P7)、花葶长(P8)、花径(P10)、萼片长(P11)、捧瓣长(P13)和唇瓣长(P15)等六个性状之间均存在极显著或显著正相关。花朵数(P6)与花序轴长(P7)、花葶长(P8)、花葶粗(P9)之间存在极显著正相关，与萼片宽(P12)存在显著正相关。唇瓣宽(P16)与唇瓣长(P15)存在极显著正相关，与花序轴长(P7)、萼片长(P11)、捧瓣长(P13)、捧瓣宽(P14)存在显著正相关。叶部形态和花部形态之间也存在显著相关性，其中，叶片长(P2)与花朵数(P6)、花序轴长(P7)、花葶长(P8)、花葶粗(P9)、萼片长(P11)和唇瓣长(P15)之间存在极显著正相关，与花径(P10)和萼片宽(P12)之间存在显著正相关。叶片宽(P3)与花葶粗(P9)和萼片宽(P12)存在极显著正相关。叶片厚(P4)与花朵数(P6)、花序轴长(P7)、花葶粗(P9)、唇瓣宽(P16)之间存在极显著正相关，与花葶长(P8)、萼片长(P11)、捧瓣长(P13)、唇瓣长(P15)之间存在显著正相关。质量性状中，花色(P17)与唇瓣斑点(P18)存在极显著正相关，与叶艺(P19)存在显著负相关；瓣型(P20)与花径(P10)、萼片长(P11)、花瓣长(P13)、唇瓣长(P15)存在极显著负相关，与萼片宽(P12)存在极显著正相关，与花朵数(P6)存在显著正相关。

表2 墨兰30 个品种16 个数量性状变异分析Table 2 Variation of 16 quantitative characters of 30 cultivars of Cymbidium sinense

表3 墨兰30 个品种4 个质量性状频率分析Table 3 The frequency analysis of 4 qualitative characters of 30 cultivars of Cymbidium sinense

表4 墨兰品种观赏性状间的相关性分析Table 4 The correlation analysis of ornamental characteristics of Cymbidium sinense cultivars

2.3 品种观赏性状的主成分分析

为了使指标简化，将相关程度较高的观赏性状归于同一个主成分内。由表5 可知，前7 个主成分累积贡献率达87.35%(＞85%)，因此这7 个主成分可以代表原20 个性状具有的大部分信息。对主成分1 影响最大的因子是植株高(P1)，与植株高极显著相关的叶片长(P2)、花序轴长(P7)、花葶长(P8)、萼片长(P11)、捧瓣长(P13)、唇瓣长(P15)等指标均对主成分1 影响较大，所以主成分1 可称为株高因子。在主成分2 中，影响较大的因子为瓣型(P20)和萼片宽(P12)，且瓣型与萼片宽呈极显著正相关，所以主成分2 可称为瓣型因子。对主成分3 影响较大的有花色(P17)和唇瓣斑点(P18)，且花色与唇瓣斑点呈极显著正相关，所以主成分3 可以称为花色因子。对主成分4 影响较大的有叶片数(P5)和叶片长(P2)，其中最大的因子是叶片数，因此主成分4 可称为叶片数因子。对主成分5 影响较大有捧瓣宽(P12)和花径(P10)，且捧瓣宽与花径呈正相关，所以主成分5 可称为花径因子。对主成分6 影响最大的为叶片宽(P3)，可称为叶宽因子。对主成分7 影响最大的为叶艺(P19)，可称为叶艺因子。

表5 墨兰30 个品种观赏性状主成分分析Table 5 Principal component analysis of synthetic evaluation of 30 cultivars of Cymbidium sinense

2.4 品种观赏性状的综合得分和排序

利用主成分分析法，以品种性状的原始数据Xi标准化后作为分值，以每个主成分因子的方差贡献率为权重，求出各个品种观赏性状的综合得分，再累加得到总评分(Z)，按大小排序，结果见表6。依综合得分的高低可将30 个品种分为4 个类别：第Ⅰ类(Z＞10.0)有4 个品种，包括‘白墨’、‘宝山爪’、‘龙梅’、‘金华山’；第Ⅱ类(0＜Z＜10.0)共有9 个品种，包括‘吴字翠’、‘十八娇’、‘镭射’、‘闽南大梅’、‘状元红’、‘企黑’、‘金馥翠’、‘祥玉’、‘龙凤冠’；第Ⅲ类(-10.0＜Z＜0)有14 个品种，包括‘大勋’、‘金鸟’、‘富贵’、‘蜡烛红’、‘凤凰’、‘馥翠’、‘一串红’、‘中国红’、‘日向’、‘文山奇蝶’、‘银龙’、‘王金娇’、‘桃姬’、‘红宝石’；第Ⅳ类(Z＜-10.0)有3 个品种，包括‘复兴宝’、‘阳明锦’、‘玉妃’。

结合整体观赏特征可以看出，第Ⅰ类品种的主成分1(株高因子)和主成分6(叶宽因子)得分高，这一类品种植株健壮、植株高、叶片长、叶片宽、花朵数、花序轴长、花葶长、花葶粗均较大，其中‘白墨’、‘宝山爪’和‘金华山’的株高和花葶长均超过60 cm，花径均超过5 cm。此外，‘龙梅’的主成分2(瓣型因子)得分高。第Ⅱ类品种的主成分1(株高因子)和主成分2(瓣型因子)得分较高，这一类品种植株较高、瓣型奇特，如‘镭射’、‘状元红’、‘企黑’、‘十八娇’和‘闽南大梅’等。第Ⅲ类品种的主成分1(株高因子)、主成分4(叶片数因子)和主成分6(叶宽因子)得分较低，这一类品种植株较低矮、叶片数较少、叶宽较小。第Ⅳ类品种的主成分1(株高因子)和主成分2(瓣型因子)均得分低，这一类品种植株矮小、花葶短且细、花朵数少、瓣型多为竹叶瓣。

表6 墨兰30 个品种的观赏价值评价Table 6 Evaluation of the ornamental value of 30 cultivars of Cymbidium sinense

3 结论与讨论

从墨兰30 个品种的观赏性状综合评价结果来看，以植株壮硕、叶片厚实、花枝出架、花色艳丽的墨兰品种观赏价值最高。第Ⅰ类中的‘白墨’、‘宝山爪’、‘金华山’均属于植株高大、叶片肥厚、花朵直径大、花朵数多、花葶高且花枝粗壮的品种，可作为学校、商场等公共区域摆花的首选，在市场上非常受欢迎。‘龙梅’作为墨兰梅瓣代表品种，瓣型奇特、花朵数多、叶片肥厚、植株高度中等，可作为室内摆花鉴赏。第Ⅱ类的品种植株较高，部分品种在某些质量性状上具有鲜明的特色，如‘十八娇’和‘闽南大梅’瓣型奇特，‘吴字翠’花色素雅，‘祥玉’叶艺多变，可作为优良品种在市场中推广。第Ⅲ类品种的植株较低矮、花葶长不高、花色多为紫红色，均为彩心品种，与墨兰较深的叶色对比不明显，观赏价值中等，但也有红花名品‘桃姬’、黄花名品‘金鸟’、台湾墨兰五大奇花之一的‘文山奇蝶’以及叶艺代表性品种‘银龙’，实际应用中可根据消费者喜好和市场导向来指导生产。第Ⅳ类品种的植株大多不高，花葶短且粗小，其中‘玉妃’花型虽不佳但花色粉嫩，有色花皇后的美誉；‘阳明锦’具有斑缟艺，为墨兰叶艺名品，均可用作居家、办公室等处的小型盆花。综合评价显示，‘白墨’、‘宝山爪’、‘龙梅’和‘金华山’品种的观赏价值最高，可大力推广。

主成分分析法是采用降维的方法，将具有一定相关性的诸多指标转换成少数的主成分因子，以各因子的贡献率作为权重，结果更加客观合理，被广泛应用于优良品种筛选植株的评价。袁圆等[31]利用主成分分析法和结合品种组培及栽培特性，对12 个蝴蝶兰品种进行评价，得出8 个符合当前蝴蝶兰市场需求的优良品种；姚婧等[32]对冬凤兰与‘黄金小神童’大花蕙兰杂交后代的15 个株系进行综合评价，筛选出3 个具有观赏开发价值的优良株系，为其他兰花杂交育种提供参考。关玉梅等[24]以浙江红山茶资源评价为基础，采用主成分分析法对132 株浙江红山茶的10 个观赏性状进行分析，评选出35 个最优单株，为浙江红山茶在园林建设中得到推广应用提供依据。本文通过主成分分析得到评价30 个墨兰品种观赏性状的7 个主成分因子，株高因子、瓣型因子、花色因子、叶片数因子、花径因子、叶宽因子和叶艺因子，从而将具有复杂关系的20 个性状综合成7 个性状群。该7 个性状群包含大部分信息，比较准确地得出品种观赏性状的综合得分，不再局限于评价结果受主观因素影响，减少了筛选墨兰品种的工作量，有效提高墨兰品种目标性状选择，为兰花产业的发展提供理论参考。本研究采用主成分分析法对墨兰30 个品种进行评价，从综合评价结果来看，第Ⅰ类和第Ⅱ类的13 个墨兰品种的观赏价值高，满足市场需要和消费者喜好，可作为墨兰优良品种向市场推广，为后续开展优良品种筛选提供有效依据，对墨兰种质资源的开发具有重要意义。