基于主成分和隶属函数分析的不同果色番茄品种引种初步评价

李洪磊，王晓敏,2,3,4**，郑福顺，李国花，刘珮君，胡新华，付金军，高艳明,2,3,4，李建设,2,3,4

(1. 宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021；2. 宁夏现代设施园艺工程技术研究中心，宁夏 银川 750021；3. 宁夏优势特色作物现代分子育种重点实验室，宁夏 银川 750021；4. 宁夏设施园艺（宁夏大学）技术创新中心，宁夏 银川 750021；5. 宁夏巨丰种苗有限责任公司，宁夏 银川 750021)

番茄（Solanum lycopersicum）又名西红柿、洋柿子，原产于南美洲，属茄科一年生或多年生草本植物[1]. 目前，番茄种植面积扩展迅猛，已经遍及全球，食用量居蔬菜之首[2]. 中国是全球最大的番茄生产国和消费国之一[3]. 国内番茄播种面积约占蔬菜播种总面积的4.7%，番茄生产已成为农民增收的主导产业和出口创汇的重要途径[4]. 随着经济迅速发展，人民生活水平提高，普通型番茄已经不能满足消费者需求，不同果色番茄因为绚烂的色彩、多汁的口感，受到越来越多消费者的欢迎. 不同果色番茄还可以应用于休闲观光农业，让消费者享受田园采摘的乐趣. 从营养价值来看，不同果色番茄中含有丰富的抗氧化剂，可以保养肌肤，起到美容抗皱的效果[5]，番茄红素可以降低人类患癌症和心脏病的风险[6]. 从经济效益来看，品种优良的不同果色番茄给生产者带来的经济效益远比普通番茄高. 因此，从多方面考虑，不同果色番茄有很好的发展前景，应从外地引入其新品种.

引种是提高农作物产量和品质，增加农民收入的必要途径之一. 关于引种试验，前人对紫花苜蓿[7]、番茄[8]等多种作物进行研究，得出不同品种对不同环境的适应性差别较大，即使在相同的地理环境、气候条件及管理水平下，品种间的适应性仍存在较大的差异. 通过引种可以迅速利用外来优良品种，改善本地品种的组成，解决一个地区番茄产业发展的问题. 宁夏地处温带大陆性气候，四季分明，年平均气温约8.5 ℃，与番茄喜温的气候条件相适应. 再加之，国内外番茄栽培品种繁多，区内自育品种较少，所以积极推广适宜宁夏栽培的不同果色番茄品种，将会带来更大的经济效益.

主成分分析法可以在不损失原有信息的前提下，将原来多个彼此相关的指标转换成新的、个数较少且彼此独立的综合指标，避免了重复信息的干扰[9]. 隶属函数评估法是基于模糊数学原理，通过计算每一个指标相应的隶属函数值，并进行加权得到其综合评价值，可较为全面地对考察指标进行综合评价，结果可靠且具有可比性[10]. 目前，主成分分析法和隶属函数分析法在番茄[11]、辣椒[12]、大白菜[13]等蔬菜研究上均有应用.

本研究根据宁夏地区生产需求，结合当地番茄栽培技术，于2019年3月22日在银川市永宁县宁夏大学实验农场种植引进的7个不同果色番茄品种，调查株高、茎粗、生长势、叶色、果形、果实硬度、可溶性固形物含量、肉质、口感、商品果率、产量等28个指标. 先基于主成分分析法分别对不同果色番茄品种的主要指标数据标准化后，再计算隶属函数值进行累加，评价其综合性状，以期筛选出适合宁夏地区栽培的优良番茄品种，为宁夏番茄引种栽培提供理论参考.

1 材料与方法

1.1 试验材料由哈尔滨农信种子有限公司提供7个不同果色番茄品种，在宁夏大学实验农场进行种植，供试品种编号、名称及来源见表1.

表1 供试番茄品种名称及来源Tab. 1 Name and source of tested tomato varieties

1.2 试验地概况试验地设在宁夏大学实验农场（宁夏中部黄河冲积平原的永宁县）番茄育种基地的露地上，该地位于北纬38°26′～38°38′，东经105°49′～106°22′. 试验地地处中温带干旱气候区，光照充足，昼夜温差大，年平均气温8.7 ℃，降水量201.4 mm，无霜期平均167 d，平均日照时数达2 866.7 h，全年太阳总辐射量141.7 kJ·cm-2[14].

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 本试验按照完全随机区组设计，设有7个处理，每个处理种植20株，重复3次，各处理互为对照. 每个小区面积为5.85 m2，试验区两边各设置1垄保护行，各处理田间管理措施一致. 整个试验区长10 m，宽14.65 m，面积为146.5 m2.试验采用膜下滴灌，半高垄双行栽培，垄高 20 cm，东西方向定植，行间距为40 cm×65 cm. 小区施肥标准为（kg/hm2）：有机肥15 000，复合肥600，磷酸二铵300，重过磷酸钙300，纯硫酸钾300，尿素150.

1.3.2 田间管理 试验于2019年3月22日播种育苗，5月9日定植，随后各处理常规水肥管理. 植株主茎留5穂果后进行打顶. 总共采收5次，整个生育期为156～160 d.

1.4 农艺性状测定方法

1.4.1 植株性状测定方法 每个品种随机选择5株进行调查，首花序节位观测在第1花序开花期，主茎第1片真叶到第1花序的叶片数；花序间隔观测每2个花序之间的叶片数；株高用3 m长卷尺测量主茎留5穗果打顶之后的高度；茎粗在打顶之后用电子游标卡尺测量2～3穂果之间主茎的最大直径；生长类型、生长势、叶色参考李锡香等[15]的调查方法.

1.4.2 果实品质测定方法 请5位观察员观察果实颜色，并按照每个观察员的评判结果进行汇总；果肩观测在第2穂果实成熟期，番茄第2穂果实上花萼周围是否形成肩状；果实纵径、果实橫径、果形指数、果形参考李锡香等[15]的调查方法. 果实硬度测量方法为选取第2穂果上有代表性的果实并且达到商品成熟度，用GY-4数字式果实硬度计插入果实纵径中部进行读数，具体参考张泽等[16]的方法；可溶性固形物含量的主要成分是糖分，用TD-45手持式数显糖度计，在每次读数前打开遮光板，滴入2～3滴蒸馏水进行校准，具体参考聂继云等[17]的方法；心室数将番茄横向切开调查；果肉厚剥去果皮，横向切开果实，用电子游标卡尺测量；请5位评尝员对每个品种果实的肉质和口感的评判结果进行汇总，具体参考李锡香等[15]的方法.

1.4.3 抗病性和商品性测定方法 每个品种标记5株，测定裂果率（裂果数/整株果实数×100%）；畸形果率（畸形果数/整株果实数×100%）；商品果率（1-裂果率-畸形果率）；每株番茄随机选取25片叶调查叶霉病发病率（发病叶片数/调查叶片数×100%）；病毒病发病率（发病植株/小区植株数×100%），具体参考陈宇飞[18]的方法.

1.4.4 产量测定方法 在标记的5株番茄中选取5个具有代表性的第2穗果，用电子秤测量单果重（g）；单株产量（kg）每一穂果成熟后测1次，直到第5穂果成熟后的总产量；小区产量（kg），每个小区按照5.85 m2计算，20株番茄的总产量；折合产量（t/hm2）.

1.4.5 农艺性状指标赋值 将所测生长类型、生长势、叶色、果实颜色、果肩、果型、肉质、口感进行赋值以便于数据处理，见表2.

表2 农艺性状指标赋值Tab. 2 Assignment of agronomic characters

1.5 数据统计采用Execl2010进行数据统计、计算及隶属函数分析，DPS7.01统计软件中新复极差法进行数据差异显著性分析，SPSS2.0进行主成分分析.

利用公式计算各不同果色番茄品种标准化后数据的综合指标的隶属函数值[19-20]：

式中，Xj表示第j个综合指标；Xmax和Xmin分别表示第j个综合指标的最大值和最小值.

权重计算公式：

式中，Pj表示不同果色番茄品种第j个综合指标的贡献率.

综合评价D值计算公式：

用SPSS软件进行主成分分析、相关性分析和数据标准化处理，得出因子得分系数矩阵与权重（Wn）计算综合评价F值，计算公式：

其中Wi表示因子为i时的权重，Fi表示因子为i时得分.

2 结果与分析

2.1 不同果色番茄品种的植株性状比较从表3可以看出，紫珍珠的首花序节位最高（8.6），显著高于其余参试品种；花序间隔最大的是紫珍珠（3.4），最小的是黄樱桃和绿香蕉（2.6）；7个品种生长类型均为无限生长；小紫彩、紫珍珠、黄樱桃和黄香蕉生长势均为强；绿皮球和绿香蕉的叶色为浅绿色，其余5个品种均为绿色；黄樱桃植株最高（171.2 cm），极显著高于其余参试品种；黄香蕉茎杆最粗（16.94 mm），黄樱桃茎杆最细（12.60 mm）.

2.2 不同果色番茄品种的果实品质比较由表4可知，小紫彩和紫珍珠果实颜色都是紫色，绿皮球果实颜色是绿色，黄虎皮和黄樱桃是黄色，黄香蕉的果实颜色是金黄色，绿香蕉的果实颜色是浅绿色；小紫彩、绿皮球和紫珍珠都有果肩，其余4个品种均无果肩；绿香蕉果形指数最大（1.81），属于长圆形果，极显著高于其余参试品种；黄虎皮的果实硬度最小（1.28 kg/cm2），显著低于其余参试品种，绿皮球的果实硬度最大（2.56 kg/cm2）；黄樱桃的可溶性固形物含量最高（9.94%），极显著高于其余参试品种，黄香蕉最低（6.74%）；绿皮球的心室数最多（4个），极显著高于其余参试品种；黄樱桃的果肉最薄（2.90 mm），极显著低于其余参试品种，黄香蕉果肉最厚（5.77 mm）. 其中，小紫彩、黄虎皮和绿香蕉的肉质属于沙类型，其余4个品种肉质属于软类型；紫珍珠和黄樱桃口感酸甜，其余5个品种口感甜酸.

表4 不同果色番茄品种的果实品质比较Tab. 4 Fruit quality comparison of tomato varieties with different fruit colors

2.3 不同果色番茄品种的抗病性和商品性比较如表5所示，绿皮球的裂果率最高（5.93%），极显著高于其余参试品种；黄虎皮的畸形果率最高（4.89%），极显著高于其余参试品种；紫珍珠的商品果率最低（92.66%），小紫彩、黄樱桃和绿香蕉的商品果率最高（100%），极显著高于其余参试品种；小紫彩的叶霉病发病率最高（10.4%），黄香蕉的叶霉病发病率最低（0.8%），小紫彩与黄樱桃和黄香蕉叶霉病发病率之间存在极显著性差异. 绿皮球的病毒病发病率最高（5%），紫珍珠和黄樱桃病毒病发病率均为0.

表5 不同果色番茄品种的抗病性和商品性比较Tab. 5 Disease resistance and commodity comparisons of tomato varieties with different fruit colors

2.4 不同果色番茄品种的产量比较由产量结果比较（表6）得出，绿皮球的单果重最大（74.58 g），显著高于其余参试品种. 黄樱桃的单果重最小（19.18 g），极显著低于其余参试品种，其中黄虎皮与紫珍珠、黄樱桃、黄香蕉和绿香蕉之间存在极显著性差异. 绿皮球的折合产量最高（87.73 t/hm2），显著高于其余参试品种，黄樱桃的折合产量最低（39.87 t/hm2），极显著低于其余参试品种，其中，小紫彩和绿香蕉的折合产量也存在极显著性差异.

表6 不同果色番茄品种的产量比较Tab. 6 The yield comparison of tomato varieties with different fruit colors

2.5 不同果色番茄品种农艺性状的主成分分析主成分的特征值和贡献率是选择主成分的依据，因此对不同果色番茄品种的27个农艺性状进行了主成分分析. 结果（表7）显示，提取的6个主成分的特征值都在1.0以上，能够更加充分地反映出各品种之间全部指标的信息.

第1主成分特征值最大，为10.625，贡献率为39.353%. 单株产量、小区产量和折合产量的载荷正向值最大，都为0.30，这些性状主要与产量有关.株高和可溶性固形物含量的载荷负向值较高，分别为-0.26和-0.23，说明在第1主成分中株高和可溶性固形物含量会制约不同果色番茄品种的产量.

第2主成分特征值为7.138，贡献率为26.437%.果形指数的载荷正向值最大（0.33），这一性状主要与果实品质有关. 首花序节位的载荷负向值较高（-0.29），主要与植株性状有关，说明在第2主成分中首花序节位会制约番茄品质.

第3主成分特征值为3.245，贡献率为12.019%.叶霉病发病率的载荷正向值最大（0.42），主要与抗病性有关. 茎粗的载荷负向值较高（-0.44），主要与植株性状，说明在第3主成分中茎粗会制约番茄发生病害.

第4主成分特征值为2.772，贡献率为10.266%.花序间隔的载荷正向值最大（0.39），主要与植株性状有关. 叶色赋值结果的载荷负向值较高（-0.46），也与植株性状.

第5主成分特征值为2.218，贡献率为8.216%.果肉厚的载荷正向值最大（0.39），主要与果实品质有关. 生长势赋值结果的载荷负向值较高（-0.38），主要与植株性状有关，说明在第5主成分中长势赋值结果会制约番茄的果实品质.

第6主成分特征值为1.001，贡献率为3.709%.首花序节位的载荷正向值最大（0.41），主要与植株性状有关. 口感赋值结果的载荷负向值较高（-0.24），与果实品质有关，说明在第6主成分中口感赋值结果会制约番茄的植株性状.

2.6 不同果色番茄品种农艺性状的隶属函数分析

采用隶属函数法，对标准化后的综合指标利用公式（1）计算隶属函数值u(Xj)，然后运用公式（2）计算6个主成分的权重，分别为0.393、0.264、0.120、0.102、0.082和0.370 （表8）. 最后按照公式（3）计算综合指标D值，并依据D值的大小进行综合排序：绿皮球＞黄虎皮＞绿香蕉＞小紫彩＞黄香蕉＞紫珍珠＞黄樱桃. 从中可见绿皮球D值最大（0.698），说明其综合性状在这7个品种中最优；黄樱桃D值最小（0.306），说明其综合性状在这7个品种中最差.

表7 主成分特征向量及累计贡献率Tab. 7 Principal component eigenvectors and cumulative contribution rates

3 讨论

国内很多农业研究者进行了番茄品种引种栽培试验，对引种后番茄的植物学特性、果实品质、产量及抗病性进行了综合研究，并相应的提出了一些高产栽培技术措施，促进了番茄品种交流及产业发展[21-23]. 目前，国内外番茄栽培品种繁多，区内自育品种较少，符合观光农业发展需求的新品种更少，因此选择优质、高产、高抗的不同果色番茄新品种是改善宁夏当地番茄品质、增加经济效益的必要途径.

表8 不同果色番茄品种综合指标值、隶属函数值、权重、D值及综合评价值Tab. 8 Comprehensive index value, subordinate function value, weight, D value and comprehensive evaluation value of different fruit color tomato varieties

番茄的品质除了果实大小、形状、色泽等，可溶性固形物含量、风味及耐裂性等均是重要指标[24]. 番茄风味品质在很大程度上不仅取决于糖和酸的含量，而且与糖酸比也有很大关系[25]. 在番茄果实糖和酸含量均高的情况下，则番茄风味浓郁；低酸高糖会导致番茄淡而无味；高酸低糖就会显得酸味比较重；低酸低糖的番茄风味一定不会好[26].赵云霞等[27]通过试验筛选出适合宁夏设施冬春茬栽培番茄品种有粉果品种001、004、580、590和巴特，红果品种929、凯立娜. 钟勇等[8]和张松等[28]对红果番茄和粉果番茄进行引种试验，筛选出产量、抗病性、品质和商品性等方面优良的品种. 本研究选取了哈尔滨的7个不同果色番茄品种在银川进行试种，对其植株性状、果实品质、抗病性和商品性、产量等进行比较分析，并且发现在果实品质方面，酸多略甜、口感较脆或较软的品种比甜多略酸、口感较面或较沙的品种更加适合评尝员的口味. 与普通型粉果番茄和红果番茄相比，不同果色番茄色泽更加鲜艳、果型更美观、口味更受消费者欢迎. 可见，不同果色的番茄品种不仅符合宁夏当地观光农业的发展要求，而且符合目前宁夏市场消费趋势.

在番茄引种试验中很少有人运用主成分和隶属函数分析法. 本研究运用主成分分析法提取出了6个主成分，更加充分地反映出不同果色番茄品种之间全部指标的信息，并且得出了产量、品质和商品性在实际生产中占有的重要地位. 模糊隶属函数分析方法则是全面、客观地反映番茄品种综合性状的优异，并依据D值得出从大到小排名为绿皮球＞黄虎皮＞绿香蕉＞小紫彩＞黄香蕉＞紫珍珠＞黄樱桃. 由试验结果可知，黄樱桃番茄虽然产量最低，但是肉质、口感和商品性都很好，可以作为高品质栽培品种，是宁夏休闲农业和旅游观光农业的最佳选择；若农民以及小型企业兼顾产量、品质和抗病性，绿香蕉为最佳选择；小紫彩、绿皮球和紫珍珠的硬度较高，可作为贮运品种. 绿皮球是以上品种中产量最高的，但是该品种裂果率、病毒病发病率都比较高，原因有以下几点：①气候和栽培条件，不适应当地气候造成商品果率下降；②定植后的防治措施不到位，没有及时炼苗，培育壮苗，导致抗病性下降. 因此，为了创造更好的经济效益，满足当地消费者需求，农户可以根据本研究的理论依据，以不同的栽培目的，选择不同的品种进行栽植，从而达到理想化的收益.