基于主成分分析的烤烟新品种筛选

李建峰++张建奎

摘要：对国内新近育成的17个烤烟新品种（系）的18个农艺、经济和化学品质性状进行了调查分析，采用主成分分析方法对参试品种（系）进行综合评价。以性状的累积方差贡献率达到86.236%为标准，确定了5个反映烤烟产质量的主成分，并通过计算参试品种（系）的重要主成分值，对新引进品种进行比较筛选。结果表明，金80530、贵烟2号、云烟110、CF223、金80439等品种（系）分值较高，其结果与品种的实际表现一致，表明可以用主成分分析法对烤烟品种的性状进行综合评价，为优良品种筛选提供依据。

关键词：烤烟；新品种；主成分分析

中图分类号：S572 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）01-0091-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.01.023

Screening of New Flue-cured Tobacco Varieties Based on Principal Component Analysis

LI Jian-feng1，2，ZHANG Jian-kui2

（1.Quxian Forestry Station，Quxian 635200，Sichuan，China；

2.Tobacco Science Research Institute/Chongqing Tobacco Science Research Institute，Southwest University，Chongqing 400716，China）

Abstract： Eighteen indices related to agronomic characteristics， economic characteristics and chemical quality characteristics of seventeen new bred flue-cured tobacco varieties（lines） in recent years were measured. A comprehensive assessment was done to these 17 varieties（lines） by using principal components analysis. By comparing with the cumulative variance proportion of the traits at 86.236%， five principal components reflecting the yield and quality of the flue-cured tobacco were confirmed. The value of the major principal components of the given varieties（lines） were calculated to compare and select the good varieties. The results showed that the value of the major principal components of Jin80530， Gunyan No.2， Yunyan110， CF223， Jin80439 were higher， corresponding to their actual phenotypes. So it was suggested that the principal component analysis could be used to the comprehensive assessment of the traits of the flue-cured tobacco varieties， which would provide a basis for selecting the improved tobaccos varieties.

Key words： flue-cured tobacco； new varieties； principal components analysis

烟草品种是烟叶生产的重要生产资料，通过不断更新品种以适应不断变化的生产需求是实现可持续发展的重要途径。烟草育种以“优质、抗病、适产”为育种目标，对农艺性状、经济性状和品质性状等具有综合要求。烟草的农艺性状指的是具有与生产有关的特征特性，如株高、茎围、节距、叶数、腰叶长等，属于品种的重要遗传特性。烟草的化学品质指的是烟叶的化学成分指标，是评价烟叶质量的重要指标，而化学成分的种类及含量与烟叶品種有着密切的联系。烟草的经济性状反映了烟草种植的经济效益。由于烟草品种的评价指标较多，各个指标之间又有着较强的相关性，给烟草品种的综合评估带来一定的困难。

目前，有关烟草品种的农艺性状、化学成分和经济性状的分析，多限于简单的方差分析，较难全面正确地对烟草品种进行综合评价[1，2]。主成分分析可以将多个相互关联的数量性状综合为少数几个主成分，通过对变量之间的相关系数矩阵内部结构的研究，找出数目较少且能控制所有变量的主成分。主成分分析法是由各个观测指标提供的信息量相对大小来确定指标权重，并将多维数据降低为低维综合指标的多元统计方法，目前已越来越多地应用于农作物数量性状分析中[3-7]。本研究采用主成分分析方法，对国内新近育成的17个烤烟新品种（系）的18个农艺、经济和化学品质性状进行主成分分析，以期为烤烟品种的综合评价和筛选提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

参试烤烟品种共17个，分别为金80439、金80418、金80430、金80530、CF223、CF224、CF26HD、CF8704、CF8701、CF2687、CF9787、CF8799、贵烟2号、2010A4、云烟110、云烟116、云烟97。

1.2 方法

1.2.1 田间试验设计 试验点位于重庆市奉节县太和乡，海拔1 200 m。该试验为小区品比试验，采用随机区组设计，小区面积19.8 m2，行距1.2 m，株距0.55 m，每小区30株，2行区，3次重复。田地周围设两行云烟97作保护行，重复间留过道。所有参试品种于2010年3月7日漂浮育苗，5月15日移栽。栽培技术方案按当年、当地常规实施。适时打顶、抑芽。

1.2.2 指标测定及方法 按照行业标准YC/T 142-1998[8]调查农艺性状，测定指标包括株高（X1）、叶片数（X2）、茎围（X3）、节距（X4）、腰叶长（X5）、腰叶宽（X6）。

参照文献[9]和[10]的方法测定烟叶中化学成分指标，测定指标包括总氮（X7）、烟碱（X8）、钾（X9）、还原糖（X10）、钾氯比（X11）、氮碱比（X12）、糖碱比（X13）。

按常规方法测定经济性状，测定指标包括产量（X14）、产值（X15）、均价（X16）、上等烟率（X17）、上中等烟率（X18）。

1.2.3 数据处理及统计分析

1）化学品质指标原始数据的转化处理。对烟叶化学品质来说，并不是各种化学成分指标的含量越高，其品质就越优，而是当其处于一定范围内其品质较优。对大部分化学成分，如总氮、烟碱、还原糖等来说，其含量偏高、偏低都会造成烟叶品质变差，而有一些指标，如烟叶钾含量，其含量越高，表明烟叶品质越好。一般认为，总氮、烟碱、还原糖、氮碱比、糖碱比为适中型指标，在一定范围内品质最好，偏高、偏低都会造成品质变差，它们的最适值分别是总氮含量为1.90%～2.10%，烟碱含量为2.20%～2.80%，还原糖含量为16%～22%，氮碱比为0.8～1.0，糖碱比为6～10；钾和钾氯比为效益型指标，其含量或比值越高品质越好[9-13]。

对于适中型指标，设该指标含量在[a，b]内品质最好，超出这个范围品质变差，则：

x′ik=■（xikb）

式中，xik为化学指标k的原始检测数据，x′ik为化学指标k经标准化处理后的值，下同。

对于效益型指标，设该指标含量越高，品质越好， 则：x′ik=■，■为m个样本中化学指标k含量最大值。

2）数据标准化处理。由于上述农艺、经济、化学品质指标的量纲不统一，数量级差异也较大，因此， 为消除量纲和数量级对综合评价带来的不良影响， 须对各指标进行标准化处理。利用公式x′ij=■进行了数据转换，式中j为指标个数，i为每个指标的观察值，xij为原始数据（i=1，2，…，107；j=1，2，…，5），x′ij为变换后的数据，■j为第j个指标的算术平均值，Sj为指标的标准差，变换后使得各指标数据的平均值为0，方差为1，呈标准正态分布。

3）主成分分析方法。用 Excel 2003、SPSS 17.0统计软件进行相关分析、主成分分析并对其综合评价。主成分综合得分为各提取主成分得分与该主成分贡献率的乘积之和。

2 结果与分析

2.1 标准化后的烤烟相关系数矩阵

对17个烤烟品种（系）的18个指标进行相关分析，结果见表1。从表1可以看出，极显著相关的有株高与茎围，氮碱比与上中等烟率，钾含量与叶片数、茎围、腰叶长，还原糖含量与株高、茎围、钾含量，糖碱比与节距、腰叶长、腰叶宽，上中等烟率与产量、产值、均价，均价与产量、产值，腰叶宽与节距、腰叶长、上等烟率。由于各指标间具有相关性，所以直接利用这些指标分布状况进行综合评价，将会产生信息的重叠，导致评价结果出现偏差。

2.2 主成分分析

计算18项指标相关矩阵的特征根、贡献率及累计贡献率表明，前5个特征根的累计贡献率为86.236%，因此提取前5个主成分，其特征值和贡献率见表2，其特征向量见表3。

由表2可知，第1主成分的贡献率为30.151%，叶片数、产值、产量、均价、上中等烟率有较大的正系数，与腰叶长、腰叶宽、钾氯比有较大的负系数，所以第一主成分反映的是这几个变量的综合指标。且第一主成分得分越高，其经济性状得分越高。第2主成分的贡献率为25.043%，其中株高、叶片数、茎围、烟碱、氮、钾有较大的正系数。第2主成分反映的是农艺性状株高、叶片数、茎围与化学成分烟碱、氮、钾的正相关关系；第3主成分的贡献率为14.803%，其中还原糖和烟碱有较大的负系数，反映的是烟叶还原糖和烟碱的指标；第4主成分的贡献率为9.532%，其中糖碱比有较大负系数，反映的是烤烟化学成分糖碱比的指标。第5主成分的贡献率为6.707%，反映的是烤烟化学成分糖碱比和氮碱比共有的指标。

2.3 优良品种（系）筛选

主成分的生物学内涵表明，上述5个主成分已较好地綜合了烤烟品种（系）的主要性状特征，其代表性达到86.236%。由于主成分较多，单一主成分难以对各优株综合利用性状作出客观判断。因此，以表3中5个主成分的方差贡献率作为权重进行加权求和，建立优良品种烤烟性状的综合评价数学模型：

F=0.349 6×facl+0.290 4×fac2+0.171 7×fac3+0.110 5×fac4+0.077 8×fac5

式中：fac1～fac5为各优株主成分得分值。

根据其烤烟5个主成分分值进行综合排序（表4），结果表明分值较高的是金80530、贵烟2号、云烟110、CF223、金80439。评价结果与这些品种（系）在区试中的实际表现基本吻合，客观反映了该参试品种（系）的产量和品质特征。

3 小结

主成分分析是一种旨在利用降维把多个指标转化为少数几个综合指标的多元统计分析方法。在多指标的研究中，由于相关的指标个数太多，各个指标之间很可能存在一定的相关性。主成分分析就是通过线性变换，将各指标间相互重叠的信息通过少数几个综合的指标反映出来，使这些综合的因子之间尽量相互独立，而且能够最真实地反映原指标的信息，从而达到简化的目的。主成分分析目前已越来越多地应用于农作物产量相关性状的分析中。

本研究以17个烤烟品种（系）为研究对象，在量化它们的农艺性状、化学成分、经济性状的基础上，通过主成分分析得到它们的5个主成分。这5个主成分代表了烤烟18个性状86.236%的信息，是综合的相互独立的指标，且具有科学性和准确性。根据烤烟品种的18个性状主成分分析的5个主成分分值由高到低进行综合排序，结果为金80530、贵烟2号、云烟110、CF223、金80439、金80418、金80430、CF224、CF8704、CF8799、云烟116、CF8701、2010A4、CF9787、CF2687、CF26HD、云烟97。区域试验和生产试验也表明，金80530、贵烟2号、云烟110、CF223、金80439等品系在重庆山地条件下表现较优，有一定的应用价值。

参考文献：

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