基于主成分分析的葡萄延迟栽培品种综合评价

李凯，商佳胤，张鹤，王丹，苏宏

（天津市农业科学院果树研究所，天津 300384）

葡萄延迟栽培是利用日光温室进行春季避光、冬季增温调控，使其延迟成熟期，实现淡季供应的一种高效栽培方式，对保障葡萄全年均衡供应具有重要意义[1]。适宜的葡萄品种是设施延迟栽培健康、高效、可持续发展的重要基础保证。葡萄品种筛选评价过程中通常将品质表现作为适应性评价的重要依据[2]，果实成熟期、果实硬度、技术难度、劳动强度和市场定位等作为辅助指标，对品种进行综合考量分析可以进一步增加筛选评价的客观性和准确性。

主成分分析采用降维方法获得几个综合指标来反映原有复杂信息，使分析结果更具客观性，在品种评价中被广泛应用[3]。魏烈权等[3]对甘肃嘉峪关的10个酿酒品种的可溶性糖、可滴定酸和总酚含量等9个常规理化指标进行主成分分析，筛选出3个综合表现较优的品种‘黑比诺’‘佳美’和‘美乐’。史洪琴等[4]对贵州8个葡萄品种的可溶性固形物等5个指标进行主成分分析，综合得分前3名分别是‘红玫瑰’‘维多利亚’和‘温克’。刘春艳等[5]对宁夏7个葡萄品种的果实纵横径、总糖和可滴定酸等12个品质指标进行主成分分析，提取出的3个主成分累计贡献率达90.07%，是综合评价果实品质的重要参考因素。沈甜等[6]对银川引种的10个无核鲜食葡萄品种的14个理化指标进行主成分分析，综合得分最高的前3个品种分别是‘无核翠宝’‘夏黑’和‘爱神玫瑰’。采用主成分分析对葡萄品种评价研究多集中于对果实理化指标的品质评价上，然而，综合考量技术难度、成熟期、劳动强度、抗病能力、市场定位等非理化指标的研究报道较少。

本研究基于综合评分法和主成分分析法综合考量了果实内在品质、成熟期、晚采果实硬度、果实外观品质、抗病害情况、树形管理技术难度、劳动强度、挂树时间、叶片衰老情况、培养预备枝情况和市场定位11个因素，对天津设施延迟栽培条件下32个鲜食葡萄品种进行了综合评价，旨在探索涉及果实品质、劳动强度、技术难度、市场定位等多重因素的品种评价筛选方法，为葡萄设施延迟栽培提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试32个品种均栽植于天津市农业科学院武清现代农业创新基地日光温室内，株行距为1.0 m×2.0 m，每品种栽植2行，共10株，南北行向，采用倾斜龙干“Y”形叶幕。

1.2 评价指标

参考综合评分法[7-8]，并根据设施延迟栽培技术特点及葡萄品质要求等，设计11个评价指标（表1），评分依据来源于本团队对32个品种2013—2019年相关调查数据及栽培表现，获得32×11的原始数据矩阵。

表1 设施延迟栽培葡萄品种评价指标Table 1 Evaluation indexes of grape varieties in facility delayed cultivation

1.3 主成分分析

主成分分析采用SPSS v17.0软件，为避免计算结果受变量量纲不同的影响，保证结果客观性和科学性，需对原始数据矩阵进行标准化处理，然后计算各指标相关系数、特征值和特征向量、贡献率和累积贡献率，并提取主成分[9]，根据主成分综合得分进行品种排名。

2 结果与分析

首先对32×11原始数据矩阵进行标准化处理，数据见表2。由相关矩阵出发，计算相关矩阵的特征向量，得到特征值和贡献率，共提取了特征值＞1的4个主成分，方差累积贡献率为73.302%（表3），可以概括品种评价指标的大部分信息。

表2 标准化处理后的数据矩阵Table 2 Data matrix after normalization processing

表3 主成分方差解释Table 3 Total variance interpretation of principal components

由主成分载荷矩阵（表4）可以看出，第1主成分上X3和X8的载荷最高，分别为0.802和0.801，此外X2、X4和X9载荷也较高，因此第一主成分主要代表晚采果实硬度、挂树时间、成熟期、果实外观品质和叶片衰老情况等信息，浓缩了多个变量信息；第2主成分上X6载荷最高（0.734），其次为X7和X10，因此该主成分主要代表树形管理技术难度、劳动强度和培养预备枝情况信息；第3主成分上X11载荷最高，X7和X1次之，该主成分主要代表市场定位、劳动强度和果实内在品质信息；第4主成分则主要代表抗病害、叶片抗衰老情况和劳动强度等；因此，提取的4个主成分基本涵盖了11个变量的大部分信息。

表4 主成分载荷矩阵Table 4 Load matrix of principal components (PCs)

成分载荷除以成分特征值的平方根得出成分特征向量，用特征向量表示主成分得分，4个主成分分别以y1、y2、y3和y4来表示，表达式为：

由表5可知，第1主成分得分最高的两个品种为‘里扎马特’和‘红地球’，第2主成分得分最高的是‘维多利亚’和‘黄玫瑰’，第3主成分得分最高的是‘亚历山大’和‘意大利’，第4主成分得分最高的是‘克瑞森无核’和‘维多利亚’。4个主成分分别从不同方面反映了设施延迟栽培品种的综合性状，但是单独使用某一个主成分难以对不同品种进行综合评价，将主成分按照贡献率综合为加权综合得分：Y=y1×λ1/(λ1＋λ2＋λ3＋λ4)＋y2×λ2/(λ1＋λ2＋λ3＋λ4)＋y1×λ3/(λ1＋λ2＋λ3＋λ4)＋y1×λ4/(λ1＋λ2＋λ3＋λ4)，λi为主成分方差贡献率，以综合得分对32个品种进行排名，综合得分越高表示该品种的综合表现越优[10]。由表5可知‘意大利’‘温克’‘新美人指’和‘红地球’在设施延迟栽培条件下综合表现突出，‘白罗莎里奥’‘里扎马特’‘克瑞森无核’和‘红宝石无核’等品种综合表现较好，‘希姆劳特’‘黑比特’和‘户太8号’等品种排名靠后，不适宜设施延迟栽培。

表5 设施延迟栽培葡萄品种综合评价得分及排名Table 5 Comprehensive evaluation scoring and ranking of grape varieties in facility delayed cultivation

3 讨论与结论

主成分分析法可以在基本保留原有信息的条件下，通过降维方法将多个变量聚集到少数几个主成分上，减少了信息的交叉，分析评估结果更加客观准确[3]。主成分分析不仅应用于葡萄品种评价[2-6]，也常用于苹果[11-12]、桃[13-14]、猕猴桃[15-16]、柑橘[17]等果树品种，然而，前人对于品种评价多集中于果实品质性状。优良葡萄品种评价筛选时，果实内在品质固然重要，但面对消费者对果品质量安全要求提高以及栽培管理成本增加等新形势，葡萄产业发展必须转变观念，以节本、优质、高效和绿色为发展目标[18]。因此，本研究在设计品种评价指标时，除了果实品质，还考量了成熟期、树形管理技术难度、劳动强度、抗病性、外观品质和市场定位等，同时针对设施延迟栽培特点，增加了晚采果实硬度和挂树时间指标。

本研究中各评价指标的性质和量纲不同，在提升评价全面性的同时也提高了评价难度，无法用统一量纲进行定量分析，因此采用了无量纲的分数进行综合评价[7-8]。分值设定时，为体现葡萄延迟栽培时果实内在品质、成熟期和晚采果实硬度的重要性，赋予它们更高的分值范围，由本课题组根据32个品种多年栽培表现给各指标赋分，获得数据矩阵，再通过主成分分析，对11个指标进行综合分析，以期更多维地反映在设施延迟栽培条件下各葡萄品种的综合表现。

本研究建立了基于综合评分法和主成分分析的品种评价方法。主成分分析结果显示，共提取4个主成分，方差累积贡献率为73.302%，可以概括11个评价指标的大部分信息，根据4个主成分的综合得分确定了设施延迟栽培条件下32个品种的排名，‘意大利’‘温克’‘新美人指’和‘红地球’在设施延迟栽培条件下综合表现突出，‘白罗莎里奥’‘里扎马特’‘克瑞森无核’和‘红宝石无核’等品种综合表现较好，该结果可以为我国北方地区设施延迟栽培葡萄品种的筛选提供参考。