基于主成分分析的10个葡萄品种果实营养元素比较

任晓琴，文昊，薛晓琦，王芝学，杨静慧，刘艳军

（1. 天津农学院 园艺园林学院，天津 300392；2. 天津市农业科学院果树研究所，天津 300384）

葡萄（Vitis viniferaL.）是葡萄科葡萄属藤本植物，在我国分布广泛，栽培历史悠久[1]，因富含有机酸、维生素等具有较高的营养、药用价值和保健价值[2]，深受消费者青睐。目前葡萄是世界上栽培面积最大、产量最高的果树之一，2018年世界葡萄总产量维持在2 274.2万t，我国葡萄种植面积约为80.0万hm2[3]。随着天津地区农业的不断发展，葡萄种植成为当地的一大主要产业[4]。

主成分分析用少数几个综合指标来代表众多指标，彼此间相互独立，又能综合反映原来多个指标的大部分信息[5]。这是目前对多个指标进行综合分析的最广泛应用方法。MILOSˇEVIOˊ等[6]利用主成分分析，对43种欧洲李和12种丹森李的果实品质及表型性状进行了研究；李伟等[7]采用主成分分析，评价不同地区35个品种杨梅的综合品质，筛选出品质最佳的杨梅品种；董琼等[8]采用主成分分析对7个不同种源树番茄果实品质进行综合分析，为树番茄的良种筛选建立了果实品质评价体系。目前国内外对葡萄的研究主要在品种、外源处理对葡萄抗性及性状的影响[9-10]和部分鲜食葡萄口感及风味[11]等方面，尚未对不同品种葡萄果实中营养元素含量差异进行过报道。

因此，本研究以10个葡萄品种果实为试材，分别测定了葡萄果实中硼、钾、钙、镁、铁、锌6种营养元素含量，并运用相关分析、主成分分析对葡萄品种营养元素进行综合评价，以期为葡萄营养诊断提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试葡萄品种为‘巨峰’‘阳光玫瑰’‘金手指’‘美人指’‘葡之梦’‘翡翠无核’‘小蜜蜂’‘紫甜无核’‘红地球’和‘夏黑’。由天津茶淀葡萄科技园基地提供。

1.2 试验方法

所选葡萄品种均为8年生露地栽培。试验采用随机区组设计，单臂篱架栽植，每个品种选择10株，重复3次。株行距0.5 m×1.5 m。夏季多雨多采用搭棚来避雨栽培，冬季用保温被保温。

取样及前处理方法：选择生长健康、长势基本一致的种植区域，采用“五点取样法”确定样株，从样株上取得成熟度、外形基本一致的果实，采下立即放入10.5 cm×10.5 cm×4.5 cm的保鲜盒中，放入小型冰袋中，以备进行果实营养元素测定；经去离子水洗净并擦干后的果实在105 ℃下杀青 30 min，降至 80 ℃烘干。烘干后研磨并过0.5 mm筛密封保存，于常温下备用。

1.3 项目测定

有效钙、钾和有效镁采用乙酸铵提取 ICPOES法测定、有效铁和有效锌采用 DTPA浸提ICP-OES法测定[12]；硼用沸水浸提-甲亚胺比色法测定[13]。

1.4 数据分析

采用Excel 2019、SPSS 22.0软件对数据进行差异显著性分析、相关性分析及主成分分析。

2 结果与分析

2.1 10个葡萄品种中营养元素含量分析

由表1可知，10个葡萄品种的营养元素含量间均存在显著差异。其中，硼含量最高的‘美人指’（46.956 mg/kg）与‘红地球’（49.112 mg/kg）差异不显著，而显著高于其他葡萄品种，‘紫甜无核’的硼含量最低，为30.021 mg/kg。10个葡萄品种中，‘巨峰’果实中钾含量最高，为4 395.390 mg/kg，且显著高于其他9个葡萄品种，‘小蜜蜂’‘紫甜无核’‘红地球’和‘夏黑’中钾含量无显著差异；钙含量最高的为‘葡之梦’（796.253 mg/kg），与‘小蜜蜂’‘红地球’‘夏黑’间无显著差异，均显著高于其他葡萄品种，钙含量最低为‘翡翠无核’（158.965 mg/kg）；铁含量最高的为‘夏黑’（11.254 mg/kg），与‘红地球’（11.086 mg/kg）无显著差异，均显著高于其他品种，‘金手指’（4.568 mg/kg）、‘葡之梦’（3.425 mg/kg）、‘小蜜蜂’（1.852 mg/kg）和‘紫甜无核’（1.326 mg/kg）间无显著差异，且‘紫甜无核’铁含量最低；镁含量最高为‘红地球’（238.619 mg/kg），显著高于其他品种，最低为‘夏黑’（70.063 mg/kg）；‘金手指’的锌含量最低，为 1.456 mg/kg，最高为‘夏黑’（9.383 mg/kg），且‘夏黑’与‘红地球’的锌含量显著高于其他葡萄品种。

表1 10个葡萄品种营养元素含量的比较

2.2 10个葡萄品种中营养元素间的相关性分析

仅通过营养元素的比较很难对10个不同葡萄品种进行准确的营养诊断，因此，继续利用SPSS 22.0统计软件对不同品种的6个营养元素（硼、钾、钙、铁、镁、锌）进行相关分析（表2）。其中，硼与铁、镁、锌呈显著正相关；钙与锌呈显著正相关；铁与锌呈显著正相关；且其他营养元素间差异不显著。

表2 不同葡萄品种营养元素间相关性分析

由上得知，10个葡萄品种中所含6个营养元素之间均存在一定的相关性，因此需要进一步采用主成分分析法对10个不同葡萄品种中的营养元素进行简化，从而进一步评价。

2.3 10个葡萄品种中营养元素的主成分分析

用少数几个综合指标来代表众多指标，综合指标彼此相互独立，又能综合反映原来变量的大部分信息。将10个不同葡萄品种的6个营养元素进行主成分分析结果见表3，以特征根≥1为标准，提取了2个主成分，前2个主成分对营养元素的累积贡献率之和为85.412%＞85%，说明这2个主成分可以涵盖原始数据 85.412%的信息。其中，第1主成分的代表指标为锌（0.913）、硼（0.780）、铁（0.742），特征值为2.877，贡献率为57.954%，是最重要的主成分；第2主成分的代表指标为钾（0.664）、钙（0.623），特征值为 1.467，贡献率为34.458%。

表3 因子载荷矩阵、方差贡献率及初始特征值

由图1可知，前2个主成分的特征根＞1，图1中前2个点连线较为陡峭，由此可以得出前2个主成分对原来变量的贡献率最大。因此，进一步验证前2个主成分最为合理，能够涵盖10个葡萄品种中6种营养元素的主要信息。

图1 主成分分析碎石图

由表4可知，将因子得分以方差贡献率为权数进行加权求和，得到10个不同葡萄品种中营养元素的综合得分，综合排名为：‘美人指’＞‘红地球’＞‘巨峰’＞‘阳光玫瑰’＞‘金手指’＞‘葡之梦’＞‘翡翠无核’＞‘夏黑’＞‘小蜜蜂’＞‘紫甜无核’，‘美人指’和‘红地球’果实中营养元素含量较高。

表4 主成分因子得分及营养元素综合得分

3 讨论与结论

果实是果树的栽培目的和最终的利用器官，果实营养元素的吸收和利用特性对调节果树的营养需求至关重要[14]。果实中营养元素的含量可直接影响果实硬度、色泽等品质指标[15]，因此不同葡萄品种果实中营养元素含量的多少是营养诊断主要考虑因素之一。本试验10个不同葡萄品种果实营养元素均存在一定的差异，主要原因之一是不同品种间营养元素含量本就存在差异；其二是不同品种分别用于树体生长发育所消耗的营养量不同，导致在果实生长发育过程中形成的营养积累不同；其三是不同葡萄品种对土壤营养吸收程度不同，导致果实中的营养元素存在一定的差异。

在果实中不同营养元素都不是孤立存在的，一种元素的存在往往会引起其他元素的变化，元素必须达到各自平衡的比例关系，才能发挥其应有的生理功能[16]。在本试验中，硼与铁、镁、锌呈显著正相关；钙与锌呈显著正相关；铁与锌呈显著正相关。可见，钙、锌与锌、铁都是葡萄果实中某些酶的组成元素，两两间具有协同性，在一些代谢反应中，相互配合，共同完成各项代谢作用，进一步促进叶绿素和碳水化合物的形成。

经主成分分析，将10个葡萄品种的6种果实营养元素进行降维，提取了2个主成分，累积方差贡献率达到 85.412%。第一主成分以锌、硼、铁贡献最大；第二主成分以钾、钙贡献最大；同时综合得出葡萄品种中所含营养元素最高的为‘美人指’，其次是‘红地球’‘巨峰’‘阳光玫瑰’‘金手指’‘葡之梦’‘翡翠无核’‘夏黑’‘小蜜蜂’‘紫甜无核’。本试验通过比较10个不同葡萄品种的营养元素能够为葡萄营养诊断提供理论依据。同时在实际应用中，为筛选优良葡萄品种和产品加工等方面提供一定的帮助。