基于主成分与聚类分析的辣椒主要农艺性状评价

王丹丹 师建华 李燕 张庆银 齐连芬 董灵迪

摘    要：為了筛选出适宜石家庄地区早春塑料大棚栽培的辣椒品种，对来自不同地区的14个辣椒品种的11个农艺性状进行了相关性分析、主成分分析和聚类分析。结果表明：单果质量与果形、商品果纵径呈极显著负相关，与商品果横径呈极显著正相关;单产与熟性呈极显著负相关;商品果纵径与商品果横径、商品果肉厚、辣味呈极显著负相关，与果形呈极显著正相关，与青熟果色呈显著负相关;商品果横径与商品果肉厚、辣味呈极显著正相关，与果形呈极显著负相关，与青熟果色呈显著正相关;商品果肉厚与果形呈极显著负相关，与辣味呈极显著正相关;果形与青熟果色呈显著负相关;熟性与光泽呈显著负相关。经主成分分析，前3个主成分的特征值均大于1，累计方差贡献率达84.865%，能综合辣椒农艺性状的的大部分信息。经聚类分析，在类间距离为10时，14个品种分为五大类。第Ⅰ类为灯笼形黄果，表皮光泽;第Ⅱ类为方灯笼形甜椒;第Ⅲ类为大果型辣椒，单果质量较大;第Ⅳ类为薄果肉的牛角椒，口感好，病毒病抗性强;第Ⅴ类为长果形的薄果肉长羊角椒。经相关性分析、主成分分析和聚类分析3项综合分析，确定‘峰冠单果质量较大，但病毒病抗性较差，建议在石家庄地区早春种植;‘尊虎六号‘改良大果虎皮椒为薄果肉的牛角椒，口感好，病毒病抗性强，产量也较高，适宜在石家庄地区种植;其余品种产量较低、病毒病抗性较差及辣度较大（石家庄地区不喜欢太辣的品种），因此均不适宜在石家庄地区种植。

关键词：辣椒;农艺性状;主成分分析;聚类分析;相关性

中图分类号：S641.3 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2021）02-047-007

Evaluation of main agronomic traits of pepper based on principal component and cluster analysis

WANG Dandan1， SHI Jianhua1， LI Yan1， ZHANG Qingyin1， QI Lianfen1， DONG Lingdi2

（1. Shijiazhuang Academy of Agricultural and Forestry Sciences， Shijiazhuang 050041， Hebei， China; 2. Institute of Cash Crops， Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Shijiazhuang 050051， Hebei， China）

Abstract： In order to screen out the varieties of peppers suitable for cultivation in plasic greenhouse in early spring in Shijiazhuang area， the correlation analysis， principal component analysis and cluster analysis of 11 agronomic traits of 14 pepper materials from different regions were carried out in this research. The results showed that single fruit weight was found a significant negative correlation with fruit shape and longitudinal diameter of commercial fruit， and a significant positive correlation with horizontal diameter of commercial fruit. Yield was extremely negatively correlated with maturity. Vertical diameter of commercial fruit was observed a significant negative correlation with transverse diameter of commercial fruit， thickness of commercial fruit， and spicy taste， which it was discovered a significant positive correlation with fruit shape. Transverse diameter of commercial fruit was exhibited a significant positive correlation with thickness of commercial fruit and spicy taste， but it was found  a significant negative correlation with fruit shape. Thickness of commercial fruit was extremely negatively correlated with fruit shape， but it was extremely positively correlated with spicy taste. Fruit shape was showed a significant negative correlation with color of immature fruit. Maturity was found a significant negative correlation with degree of gloss. Principal component analysis showed that the eigenvalues of the first three principal components were all higher than 1， and the cumulative variance contribution rate was 84.865%， which could synthesize most of the information of agronomic traits of pepper. According to the cluster analysis， when the distance between classes was 10， the 14 varieties were divided into five categories. The first class was lantern-shaped yellow fruit with shiny skin; the second was square-shaped bell pepper; the third was large-fruited pepper; the fourth was thin flesh horn-shaped pepper with a good taste and strong resistance to viral diseases; the fifth type was long fruit type thin flesh long-horned pepper. It was  summarized that ‘Fengguan was adapted to cultivate in early spring in Shijiazhuang because its bigger single fruit weight ‘Zunhu No. 6 and ‘Improved big fruit tiger pepper exhibited thin pulp， good taste， strong resistance to virus disease， and high yield， they were recommended to plant in Shijiazhuang. Other varieties were not suitable for cultivation in Shijiazhuang area because of the low yield， weak virus disease resistance and high spicy degree.

Key words： Pepper; Agronomic traits; Principal component analysis; Cluster analysis; Correlation

辣椒（Capsicum frutescent L.）是茄科（Solanaceae）辣椒属（Capsicum）一年生或多年生草本植物。辣椒作为主要的调味品蔬菜之一[1]，因其独特的口味和丰富的营养价值深受人们的喜爱，在全世界广泛种植[2-3]，也是我国种植面积最大的蔬菜作物之一，尤其是湖南、四川等省份种植面积较大[4]。辣椒的田间农艺性状表现是栽培及育种等科研人员关注的首要问题，尽管育种中各种分子标记和同工酶标记已广泛应用于植物种质资源的鉴定和分类研究中，但田间农艺性状的鉴定和描述仍然是辣椒种质资源最基本的方法和途径[5]，可为辣椒的高产栽培和优质育种提供便利条件。

我国科研人员对辣椒新品种的抗病性、高产性、抗逆性等方面的研究已达到相当高的水平[6]。利用简单、直观、实用的形态学评价方法，借助多元统计分析，能从不同视角对农作物的田间农艺性状表现作全面客观的分析[7]。前人应用主成分分析和聚类分析进行了不同作物的品质、产量、品种、土壤养分等方面的评价[8-14]。布洪凤等[15]对26个辣椒品种主要农艺性状进行了分析与测评，筛选出了适于常德春露地栽培的辣椒品种。乔迺妮等[16]对常德20个辣椒品系的主要农艺性状作了相关性及通径分析，评价了各性状之间的相关性及几个农艺性状对产量的相对重要性。王安乐等[17]分析了湖南16个辣椒品种产量与主要农艺性状的相关系数及通径系数，以探讨湖南辣椒品种主要农艺性状与产量间的相关性。聂楚楚等[18]对57份辣椒材料进行了聚类分析和主成分分析，旨在为辣椒资源分类以及亲本筛选提供依据。

2018年河北省种子管理总站征集了京津冀沪渝五省市通过农业农村部登记的非主要农作物辣椒品种14个，笔者单位受河北省种子管理总站委托，运用相关性分析、主成分分析和聚类分析等方法，对这14个辣椒品种的11个农艺性状进行了筛选试验，以期筛选出适宜石家庄地区种植的辣椒品种，为育种和栽培提供理论依据，为选择适宜本地生产的辣椒品种提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

参试材料共计14个品种，分别来自北京、天津、河北、上海、重庆等地（表 1）。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验在石家庄市农林科学研究院赵县基地冷棚内进行，土壤类型為壤土。试验小区长4.5 m，宽1.6 m，面积7.2 m2，随机排列，3次重复。行距50 cm/90 cm（小行距/大行距），株距50 cm，每穴1株，每小区定植44株。2019年1月24日播种，采用穴盘基质方式育苗。2019年4月1日定植。供试材料为从国内收集的14个辣椒品种（表1）。底肥施入2 000 kg沼液，追肥施入5 L EM菌剂、5 kg大量元素水溶肥1次。有机肥为养猪场发酵3年以上的沼液，主要成分为猪粪、猪尿;EM菌剂由临汾市尧都区汾河氨基酸厂提供，主要成分为有效活菌数≥2×1019个·mL-1;大量元素水溶肥由石家庄市复混肥厂提供，总养分质量分数≥50%，硼质量分数≥2‰，锌质量分数≥2‰，N、P2O5、K2O养分质量比为13∶7∶30。

1.2.2 调查项目及方法 以李锡香等[19]编写的《辣椒种质资源描述规范和标准》为依据，对12项农艺性状进行调查，农艺性状包括2种类型：第1种为数量性状，第2种为质量性状。数量性状包括商品果纵径、商品果横径、商品果肉厚、单果质量、单产;质量性状包括果形、青熟果色、光泽、熟性、辣味、病毒病抗性。

6月6日开始采收青椒，7月2日结束采收，以小区的逐次累计产量为小区产量，再换算成单位面积产量（单产）。

1.2.3 数据分析 采用 Microsoft Excel 2010对试验数据进行整理。将质量性状转化为标准化数据（表2），然后利用SPSS18.0软件对测得的数据进行差异显著性分析、person相关性分析、主成分分析和聚类分析。聚类分析采用系统聚类和组间联接法，度量标准为欧式距离，然后制作为树状聚类图。

变异系数/%=标准差/均值×100。

2 结果与分析

2.1 主要农艺性状分析

通过对14个品种的11个性状进行分析（表3），结果表明，商品果纵径最大的是4号（‘津椒30），为21.57 cm，除5号（‘津丰椒三号，20.87 cm）外，其余的品种与其差异显著;商品果横径最大的是9号（‘峰冠），为7.93 cm，除7号（‘津彩3号，7.80 cm）与其差异不显著外，其他品种的商品果横径均显著小于9号;商品果肉厚最厚的是3号（‘苏菲），为5.37 mm，最薄的是14号（‘改良大果虎皮椒），为2.67 mm;9号（‘峰冠）的单果质量最大，为197.10 g，显著高于其他各个品种，最小的是4号（‘津椒30），为50.53 g;单产最高的是14号（‘改良大果虎皮椒），38.41 t·hm-2，与其他品种差异显著，单产最低的是6号（‘津彩2号），2.46  t·hm-2;病毒病抗性最强的是3号（‘苏菲），其次是1号（‘国禧105）、5号（‘津丰椒三号）和13号（‘尊虎六号）。质量性状中，病毒病抗性和果形的变异系数较大，分别为74.97%和72.52%，青熟果色、光泽、熟性和辣味的变异系数较小，为26.96%～41.15%。数量性状中，单产的变异系数最大，为61.94%，其次是商品果纵径，为48.61%，商品果横径、商品果肉厚和单果质量的变异系数较小，为22.57%～31.10%。由此可知，14个品种的农艺性状互不相同，各有特点。

2.2 主要农艺性状的相关性分析

由表4可知，单果质量与果形、商品果纵径呈极显著负相关，与商品果横径呈极显著正相关;单产与熟性呈极显著负相关;商品果纵径与商品果横径、商品果肉厚、辣味呈极显著负相关，与果形呈极显著正相关，与青熟果色呈显著负相关;商品果横径与商品果肉厚、辣味呈极显著正相关，与果形呈极显著负相关，与青熟果色呈显著正相关;商品果肉厚与果形呈极显著负相关，与辣味呈极显著正相关;果形与青熟果色呈显著负相关;熟性与光泽呈显著负相关;其他农艺性状之间的相关性见表4。

2.3 主成分分析

采用主成分分析法对14个辣椒品种的11种农艺性状进行分析，结果表明，前3个主成分的特征值较大，累计方差贡献率达84.865%（表5），已能综合辣椒农艺性状的的大部分信息。

主成分分析碎石图（图1）中主成分特征值的连线陡峭部分即为应取的主成分数目。前3个主成分的特征值较大，连线较为陡峭，即前3个主成分对解释变量的贡献最大。由表3可知，前3个主成分特征值>1，提取3个主成分最合适，综合了辣椒农艺性状的大部分信息。

由表6可知，第一主成分主要综合了商品果纵径、商品果横径、商品果肉厚、果形、单果质量、辣味的信息，其中，商品果纵径、果形在第一主成分上呈负向分布，商品果横径、商品果肉厚、单果质量、辣味在第一主成分上呈正向分布，即在PC1坐标正向，PC1越大，商品果横径、商品果肉厚、单果质量、辣味的取值越大，商品果纵径、果形的取值越小。PC1可命名为外形辣味因子。第二主成分主要综合了单产、熟性的信息，即在PC2坐标正向，PC2的值越大，单产越高，熟性取值越小。PC2可命名为产量熟性因子。第三主成分主要综合了光泽的信息，即在PC3坐标负向，PC3的值越大，表明辣椒光泽程度越高越亮，反之则越暗。PC3可命名为光泽因子。

本研究中第一主成分PC1、PC2、PC3分别包含了原来信息量的52.303%、19.934%、12.628%。许多研究者采用PCA得分图反映品种与品质指标之间的关系，由图2能够更直观地看出各辣椒品种与PC1、PC2、PC3的关系：3、6、7、10（‘苏菲‘津彩2号‘津彩3号‘申椒一号）落在PC1的正向、PC3的负向区间，表明这4个辣椒品种的商品果横径、商品果肉厚、单果质量的值较大，表面光泽程度高，是辣味较弱（或是较甜）的方灯笼形辣椒品种;1、2、8、11、12（‘国禧105‘中椒107号‘倍利特888‘申椒二号‘申椒二号）落在PC2的正向、PC1的负向区间，表明这5个辣椒品种的单产高，成熟早，辣度取值小，因此这5个辣椒是早熟品种且口感较辣;4、5（‘津椒30‘津丰椒三号）落在PC2的负向、PC3的正向区间，说明这2个品种成熟较晚，单产较低，且外表不光泽、较暗，因此这2个品种不适宜本地种植;9（‘峰冠）落在PC1和PC2的正向区间，表明这个商品果横径、商品果肉厚、单果质量的值较大，单产高，辣度取值大，因此这个品种是早熟的甜椒;13、14（‘尊虎六号‘改良大果虎皮椒）落在PC2的正向、PC3的負向区间，单产越高，熟性取值越小，表明光泽程度高，因此这2个品种是具光泽的早熟性高产品种。

2.4 聚类分析

从聚类分析结果可知，在类间距离为10时，14个品种可分为五大类（图3）。第Ⅰ类聚集了5个品种，分别为1、2、8、11、12（‘国禧105‘中椒107号‘倍利特888‘申椒二号‘申椒三号）;第Ⅱ类聚集了4个品种，分别为3、6、7、10（‘苏菲‘津彩2号‘津彩3号‘申椒一号）;第Ⅲ类只有1个品种9（‘峰冠），第Ⅳ类聚集了2个品种，13和14（‘尊虎六号‘改良大果虎皮椒）;第Ⅴ类也聚集了2个品种，4和5（‘津椒30‘津丰椒三号）。第Ⅰ类为灯笼形黄果，表皮光泽;第Ⅱ类为方灯笼形甜椒;第Ⅲ类为大果型辣椒，单果质量较大;第Ⅳ类为薄果肉的牛角椒，口感好，病毒病抗性强;第Ⅴ类为长果形的薄果肉长羊角椒。因此，在聚类分析类间距离为10时，结果与主成分分析一致。

3 讨论与结论

主成分分析是采用少量综合指标代替原来多个指标大部分信息的一种降维的分析方法。聚类分析是将研究对象关系更接近的合并为一类，明确分类界限，但不会对信息进行删减、不会区分元素重要性，类别间的重要性是等同的。近年来，多元统计分析法是进行农作物品种资源评价和遗传育种[20-26]等工作的重要方法。邹学校等[27]采用主成分分析及数量分类估算了36个辣椒地方品种的主要病害抗性、果实养分含量和农艺性状等15个指标，结果基本反映了辣椒品种间的遗传差异，符合实际情况。杨志刚等[28]采用聚类分析法对92份辣椒资源的色价值及形状指标进行分析，从中筛选出了用于干制红辣椒的优良种质材料17份。夏碧波等[29]对从国外引进的30份辣椒种质资源的39个表型性状进行了遗传多样性分析，结果表明单果质量的变异系数最大，并聚类分为2大类。步洪凤等[15]对26个辣椒品种的13个主要农艺性状进行了相关性和聚类分析，表明果形和产量是影响聚类结果的重要因素，并评选出了适于当地栽培的品种‘湘研青翠‘丰抗21‘更新8号‘兴蔬201等。

本研究对14个辣椒品种的11个主要农艺性状进行了相关性分析、主成分分析和聚类分析，结果与前人研究结果相似，单果质量和病毒病抗性是影响品种选择的重要因素。相关性分析结果表明：单果质量与果形、商品果纵径呈极显著负相关，与商品果横径呈极显著正相关;单产与熟性呈极显著负相关;商品果纵径与商品果横径、商品果肉厚、辣味呈极显著负相关，与果形呈极显著正相关，与青熟果色呈显著负相关;商品果横径与商品果肉厚、辣味呈极显著正相关，与果形呈极显著负相关，与青熟果色呈显著正相关;商品果肉厚与果形呈极显著负相关，与辣味呈极显著正相关;果形与青熟果色呈显著负相关;熟性与光泽呈显著负相关。主成分分析表明，前3个主成分的特征值均大于1，累计方差贡献率达84.865%，能综合辣椒农艺性状的的大部分信息。聚类分析结果表明，在类间距离为10时，14个品种分为五大类：第Ⅰ类（‘国禧105‘中椒107号‘倍利特888‘申椒二号‘申椒三号）为灯笼形黄果，表皮光泽;第Ⅱ类（‘苏菲‘津彩2号‘津彩3号‘申椒一号）为方灯笼形甜椒;第Ⅲ类（‘峰冠）为大果型辣椒，单果质量较大;第Ⅳ类（‘尊虎六号‘改良大果虎皮椒）为薄果肉的牛角椒，口感好，病毒病抗性强;第Ⅴ类（‘津椒30‘津丰椒三号）为长果形的薄果肉长羊角椒。本研究结果表明，‘峰冠单果质量较大，但病毒病抗性较差，由于近年来秋冬茬辣椒病毒病发生较严重，因此建议该品种在石家庄地区早春种植;‘尊虎六号‘改良大果虎皮椒为薄果肉的牛角椒，口感好，病毒病抗性强，产量也较高，适宜在石家庄地区种植。本研究是在石家庄农林科学研究院赵县试验基地进行的春茬番茄试验，但是秋茬抗病毒性的强弱还有待试验观察;其余品种或是产量较低，或是病毒病抗性差（病毒病抗性差会直接导致产量下降），或是辣度较大，均不建议在石家庄地区种植。

参考文献

[1] 马文娟，同延安，高义民，等.平衡施肥对线辣椒产量、品质及养分累积的影响[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2010，38（1）：161-166.

[2] ROSSO F，ZOPPELLARI F，SALA G，et al.Effect of rhizospheric microorganisms inoculum on sweet pepper quality [J].Journal of Biology，2010，150（6）：273-273.

[3] CAO S，YANG Z，ZHENG Y.Effect of 1-methylcyclopene on senescence and quality maintenance of green bell pepper fruit during storage at 20 ℃ [J].Postharvest Biology and Technology，2012，70：1-6.

[4] 罗英.辣椒种质资源主要性状的分析与评价[D].北京：中国农业科学院，2009.

[5] 詹永发，杨红，涂祥敏，等、辣椒品种资源的遗传多样性和聚类分析[J].贵州农业科学，2010，38（11）：12-15.

[6] 耿三省，陈斌，张晓芬，等.我国辣椒育种动态及市场品种分布概况[J].辣椒杂志，2011，9（3）：1-4.

[7] 韩泽群，姜波，加工番茄品种多性状综合评价方法研究[J].中国农业科学，2014，47（2）：357-365.

[8] 王丹丹，齐连芬，张庆银，等.日光温室不同施肥量对番茄果实品质的影响[J].河北农业大学学报，2019，42（3）：71-75.

[9] 原远，李光光，郑岩松，等.基于主成分分析的菜心营养品质判定[J].南方农业学报，2018，49（8）：1568-1574.

[10] 公丽艳，孟宪军，刘乃侨，等.基于主成分与聚类分析的苹果加工品质评价[J].农业工程学报， 2014，30（13）：276-285.

[11] 乔源，胡笑涛，王瑞，等.基于主成分分析的水培芹菜最佳钾浓度筛选[J].北方园艺，2016（22）：5-10.

[12] 牟红梅，于强，李庆余，等.基于主成分分析的烟台地区西洋梨果实品质综合评价[J].果树学报，2019，36（8）：1084-1092.

[13] 崔静宇，关小康，杨明达，等.基于主成分分析的玉米萌发期抗旱性综合评定[J].玉米科学，2019，27（5）：62-72.

[14] 吴湘琳，陈署晃，赖宁，等.基于主成分分析和聚类分析果园土壤养分综合评价[J].新疆农业科学，2018，55（7）：1286-1292.

[15] 步洪凤，张忠武，邓正春，等.26个辣椒品种主要农艺性状分析与测评[J].热带作物学报， 2019，40（7）：1290-1296.

[16] 乔迺妮，陈益元.辣椒主要农艺性状的相关性及通径分析[J].长江蔬菜， 2013（22）：16-19.

[17] 王安乐，邓稳桥，吉甫成.湖南主要辣椒品种产量与主要农艺性状的相关性及通径分析[J].湖南农业科学，2015（5）：1-3.

[18] 聂楚楚，王秀峰，毛芙蓉，等.辣椒品种的聚类及主成分分析[J].北方园艺，2017（17）：86-91.

[19] 李锡香，张宝玺.辣椒种质资源描述规范和数据标准[M].北京：中国农业出版社，2006.

[20] KARLSEN A M，AABY K，SIVERTSEN H，et al.Instrumental and sensory analysis of fresh Norwegian and imported apples-operator and instrument differences[J].Food Quality and Preference，1999，10（4/5）：305-314.

[21] BARALDI C， BODECCHI L M，COCCHI M，et al.Chemical composition and characterization of seeds from two varieties（pure and hybrid） of Aesculus hippocastanum[J].Food Chemistry，2007，104（1）：229- 236.

[22] PATRAS A，BRUNTON N P，DOWNEY G，et al.Application of principal component and hierarchical cluster analysis to classify fruits and vegetables commonly consumed in Ireland based on in vitro antioxidant activity[J].Journal of Food Composition and Analysis，2011，24（2）：250-256.

[23] 赫衛，张慧，董延龙，等.辣椒种质资源形态学性状相关性、主成分与聚类分析[J].北方园艺，2018（4）：9-17.

[24] SCHNACKENBERG B J，SAINI U T，ROBINSON B L，et al.An acute dose of gamma-hydroxybutyric acid alters gene expression in multiple mouse brain region[J].Neuroscience，2010，170（2）：523-541.

[25] KEENAN D F，VALVERDE J，GORMLEY R，et al.Selecting apple cultivars for use in ready-to-eat desserts based on multivariate analyses of physico-chemical properties[J].LWT-Food Science and Technology，2012，48（2）：308-315.

[26] GEOCZE K C，BARBOSA L C A，FIDENCIO P H，et al.Essential oils from pequi fruits from the Brazilian Cerrado ecosystem[J].Food Research International，2013，54（1）：1-8.

[27] 邹学校，侯喜林，戴雄泽，等.辣椒地方品种的主成分分析及数量分类[J].湖南农业大学学报（自然科学版），2004，30（3）：243-246.

[28] 杨志刚，胡栓红，王勇，等.辣椒种质色价及主要果实性状指标的聚类分析[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2015，43（5）：149-155.

[29] 夏碧波，李颖，王恒明，等.国外引进辣椒资源形态学性状的聚类分析[J].分子植物育种，2017，15（8）：3318-3330.