基于主成分分析的木薯抗旱栽培措施的综合评价

苏必孟 刘子凡 黄洁 朱燕来 魏云霞

摘 要 研究4种栽培措施在中度水分胁迫条件下的综合抗旱效果。木薯苗期干旱胁迫7 d后，测定干旱胁迫和正常供水条件下木薯的干物率、根冠比、叶片相对含水量、质膜透性、叶绿素、类胡萝卜素、可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白含量，并对上述指标的抗旱系数进行主成分分析与综合评价。结果表明：前3项主成分的累积方差贡献率可反映原信息量的87.47%，不同处理的主成分分析综合得分排序为：2%石灰水浸种（0.773）>施用保水剂（0.687）>种茎蜡封（0.477）>CK（0.249）。

关键词 木薯；水分胁迫；抗旱性；主成分分析

中图分类号 S533 文献标识码 A

Abstract The effect of drought resistance for 4 treatments was analyzed under moderate stress conditions in the paper. Content of dry matter， root to top ratio（R/T ratio）， leaf relative water content， membrane permeability， chlorophyll， carotenoid， soluble sugar， proline and soluble protein content were measured at 7th day after drought stress and the drought-resistance effect of 4 treatments were analyzed by principal component analysis and comprehensive evaluation. The results showed that the cumulative variance contribution rate of three principle components were reflected the 87.47% of the original information. And the comprehensive score of principal component analysis in 4 treatments were as follows： 2% of limewater soaked（0.773）> application of super absorbent polymers（0.687）> stem wax（0.477）> CK（0.249）.

Key words cassava； water stress； drought resistance； principal component analysis

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.02.001

木薯（Manihot esculenta Crantz）是糧食、能源和饲料兼用作物，是世界热带农业的重点发展对象[1]。目前木薯基本上都种植在丘陵旱地上，由于土壤保水能力差、自然降水不均衡、水利设施不发达等原因，加之每年出现的不同程度冬旱和春旱，导致木薯出苗率低、生长发育迟缓、木薯的产量和品质下降[2-3]，降低了木薯的经济效益，严重制约了木薯产业的发展。因此，探求高效简易的抗旱栽培技术是提高木薯产量、增加其经济效益、促进木薯产业可持续发展的必由之路。

化学药剂处理具有简便、实用和易于推广应用的优点。在种茎下种之前使用一些化学制剂进行浸泡或土壤处理，能够提高作物的出苗率、幼苗的成活率和作物的产量。前人就石灰水浸种、施用保水剂、蜡封种茎等[4-7]化学药剂处理措施提高木薯抗旱能力进行了相关研究，但均集中在单一栽培措施的分析比较，而对木薯抗旱栽培措施的综合比较与评价上仍是空白。

利用主成分分析进行综合比较与评价可使结果更客观、更可靠[8]。该分析方法可从原始指标中抽提出更少的几个不相关的新指标，来解释原始指标里所包含的信息[9]，在作物多指标耐旱性分析中应用广泛[10-13]。本研究设4种木薯抗旱栽培措施，于木薯苗期干旱胁迫第7天，测定木薯的干物率、根冠比、可溶性蛋白含量等9个指标，并对其进行主成分分析，选出最佳抗旱栽培措施，为木薯抗旱高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

木薯品种为华南8号，由中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所提供；石灰为市场上购买的熟石灰；保水剂为北京汉力森新技术公司提供的BJ-2101XL型保水剂，主要成分为聚丙烯酞胺-丙烯酸钾共聚交联物；液体石蜡为南昌华鑫医药化工有限公司的轻质液体石蜡；复合肥为洋丰牌复合肥[w（N） ∶ w（P2O5） ∶ w（K2O）=10 ∶ 6 ∶ 9]，市售。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验于2015年3～6月在海南大学农科基地大棚进行。设4种栽培措施，分别是：（1）浸种，2%石灰水溶液浸种24 h[2]； （2）蜡封，捏住种茎下端（基部），将种茎上端（顶部）浸入液体石蜡中约1 cm深，待其成蜡膜[6]； （3）保水剂，种植盆先装一半（7.5 kg）过筛土，在面上撒施保水剂1 g，然后再装另一半过筛土[2]； （4）CK，种茎不做任何处理。种茎在盆中平放种植，每处理40盆；种植盆规格为30 cm×25 cm，每盆均装与50 g复合肥混合均匀的过筛土15 kg。2015年3月12日种植，待苗长到5片叶时，各处理均取20盆进行正常供水；另外20盆进行中度水分胁迫，采用称重法控水，使盆土含水量维持在土壤田间持水量的45%～55%[14]。

1.2.2 测定指标及方法 干旱胁迫7 d后，随机选取各处理3盆，采倒二或倒三的完全展开叶，进行生理指标测定。

叶片相对含水量采用称重法[15]测定，叶绿素含量、类胡萝卜素含量采用80%丙酮萃取法[16]测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法[16]测定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法[17]测定，脯氨酸含量采用茚三酮溶液显色法[17]测定，相对电导率采用电导率仪[18]测定。

另外，各处理均取10盆进行木薯地上部干重和地下部干重的测定，按下列公式求出总干物质重、根冠比及各指标的抗旱系数DRC。

总干物质重=地上部干重+地下部干重

根冠比=地下部干重/地上部干重

DRC=×100%

其中，式中正常供水区测定值为相应指标正常供水区测定值3次重复的平均值。

1.3 统计分析

1.3.1 各评价指标抗旱系数的标准化 在评价过程中，不同指标间的量纲可显著影响主成分分析的结果，因此在分析前有必要对所选指标的抗旱系数做标准化无量纲处理[19]。按公式（2）对各指标的抗旱系数进行标准化。

式中，Xij为标准化数据，xij为第i个评价对象的第j项评价指标的抗旱系数，maxxij和minxij分别第j项评价指标抗旱系数的最大值和最小值。

1.3.2 主成分分析及综合评价 用SAS软件对不同处理的各项指标抗旱系数进行新复极差法及主成分分析[20]，最后对4种不同栽培措施的木薯苗期抗旱性强弱进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 各单项指标的抗旱系数及其简单相关分析

作物抗旱性是受多基因控制的复杂数量性状，各抗旱指标间存在着一定的相关性[21]；由单一的指标鉴定出来的结果都可能是片面和不客观的[22]。在本研究中，不同单项指标的抗旱系数呈现出显著或极显著差异，且不同处理的各单项指标抗旱系数的变化幅度还不尽相同（表1），因此，若仅用不同单项指标的抗旱系数来评价各栽培措施对木薯苗期的抗旱性，则结果不尽相同。

数据相关性分析结果表明，各指标之间都存在着或大或小的相关性（表2）。说明它们的作用是相互叠加或相互渗透的，同时各单项指标在木薯苗期抗旱中所起的作用也不尽相同，因此，直接利用这些指标不能准确评价不同栽培措施对木薯苗期抗旱性的影响，故可对变量进行降维。

2.2 主成分分析

为达到获取主要信息并減少指标数量的目的，本研究选择累积方差贡献率达到85%的几项主成分作为主要主成分进行综合评价，结果见表3。

从表3的贡献率可看出，前3项的累计值已经达到87.47%，所以把前3项作为主成分因子，其对应的特征向量为：

第一主成分的方差贡献率为39.32%，代表了全部指标信息的39.32%，是最重要的主成分。除了可溶性蛋白含量和根冠比与其关系较弱外，其余指标均与第一主成分密切相关，说明第一主成分基本上涵盖了各指标的主要信息，是综合因子。

第二主成分的方差贡献率为30.71%，代表了全部性状信息的30.71%，是仅次于第一主成分的重要主成分，叶片相对含水量、类胡萝卜素、可溶性蛋白质含量、可溶性糖含量和根冠比的系数较大，在第二主成分中最重要。

第三主成分的方差贡献率为17.45%，代表了全部性状信息的17.45%，脯氨酸含量、可溶性蛋白含量和总干物质重的系数较大，在第三主成分中最重要。

上述分析结果表明，本试验选用的9种测定指标均可作为木薯苗期抗旱性的鉴定指标。

2.3 综合评价与排名

根据综合总评价公式F=39.32%×Fl+30.71%×F2+17.45%×F3，求出4种不同栽培措施对木薯苗期抗旱性排序值（表4）。4种不同栽培措施对木薯苗期抗旱性大小顺序为：浸种>保水剂>蜡封>CK。

3 讨论

干旱胁迫条件下，植物体内会发生不同程度的生理生化变化，干物率、根冠比、叶片相对含水量、质膜透性、叶绿素、类胡萝卜素、可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白含量等一些与抗旱性密切相关的指标可作为抗旱性鉴定指标[23]。李贵全等[24]认为大豆的抗旱性是数量性状遗传，用单一指标难以准确评定其抗旱性。山仑等[25]也指出不同作物品种适应干旱的方式是多种多样的，一些作物和品种具有综合的几种机制共同起作用的抗旱特性，因此，不存在统一的评价作物抗旱性的指标，必须多种指标综合分析。本试验也发现选取的9个指标之间存在着或大或小的相关性，即各指标间表征的信息有一定重叠，单一指标无法准确评价栽培措施对木薯抗旱性的影响。主成分分析可在不损失或很少损失原有信息的前提下，将原来众多具有一定相关性的指标重新组合成一组新的互相无关的综合指标来代替原指标，具有全面性、可比性、合理性和可行性的优点[26]，本研究利用主成分分析方法将9个单项指标综合成为3个主成分，其累计贡献率达87.47%，表示这3个主成分可代表原来9个单项理化指标87.47%的信息，使结果更准确，可信度更高。最后从综合得分可知，在中度水分胁迫的条件下，4种不同抗旱栽培措施的抗旱效果排序为：2%石灰水浸种>施用保水剂>种茎蜡封>CK。

前人研究结果发现，Ca是植物生长发育必需的一种大量营养元素，对稳定和保护细胞质膜结构、维护其功能的完整性具有积极作用[27]；Ca还作为第二信使参与干旱信号的传递[28]，在启动、调节和诱导植物对干旱胁迫适应机制的一系列生理生化反应中具有重要作用[29]。适宜的外源钙浸种处理能够提高小麦[30]、玉米[31]、水稻[32]等作物的幼苗抗旱性。一定浓度的石灰水浸种不仅具有外源钙浸种的抗旱作用，还可在种茎表面上形成一层碳酸钙薄膜，在一定程度上起着灭菌、封闭切口、减少切口的水分和养分流失等作用[33]；适宜浓度的石灰水浸种能增加种茎的含水量，满足种茎萌发所需的生理需水[2]。干旱胁迫下，植物对Ca2+的吸收显著降低[34]，由此造成植物体内Ca2+的缺乏，引起一系列不良反应，适宜浓度的石灰水浸种可中和土壤酸性，促进植株吸收钾肥，满足缺钙土壤上生长的木薯对钙的需要，活跃土中微生物，加速有机态氮肥的矿化，减缓干旱胁迫对钙元素的缺乏，改善木薯的生长发育。

保水剂是一种具有极高的吸水保水能力的高分子聚合物，能快速吸收和保持高于自身重量百倍甚至千倍的水分，具有一定的保水与持水能力，可增加土壤水势[35]，降低水分的渗透速度，提高水分利用率和肥料的利用率[36-37]。木薯施用保水剂可减少土壤水分的无效蒸发、改良土壤结构，提高产量[38-39]。本试验发现施用保水剂可提高木薯苗期的抗旱性，这可能与施用保水剂后土壤水势增加，促进水分向种茎运输，满足了木薯种茎萌发及其苗期生长发育所需的生理需水和生态需水要求，这与前人在木薯上的结论一致[40]。另外，本试验采用的交联聚丙烯酸钾类保水剂，含20%活泼K+，起到增施钾肥的作用[41]，钾素也能在一定程度上提高木薯的抗旱能力。

涂膜蜡封是采用无毒无味涂膜剂，通过浸涂、刷涂和喷涂的方法使生物材料表面形成一层薄膜。在果树嫁接上采用蜡封接穗，可减缓接穗失水，减少病虫侵害的作用[42]，提高嫁接成活率[43-44]。刘海刚等[6]研究发现木薯种茎蜡封能在一定程度上防止水分从种茎内部散失、抑制呼吸，减少营养流失。但也应该注意蜡封木薯种茎虽能防止水分散失，但同样具有防止水分和氧气进入种茎的作用，这对木薯种茎的萌发和幼苗生长均不利。

综上所述，2%石灰水浸种在4种栽培措施中对提高木薯苗期抗旱力的效果最为系统，既有钙离子、氢氧根离子及水分子的作用，还有石灰水的作用等。相反，蜡封种茎措施仅有与石灰水类似的碳酸钙膜的保水和防养分流失的单一作用，这也是4种栽培措施中2%石灰水浸种效果最佳，而蜡封种茎的栽培措施效果仅优于对照的原因。

参考文献

[1] Burns A， Gleadow R， Cliff J， et al. Cassava： The drought， war and famine crop in a changing world[J]. Sustainability， 2010， 11（2）： 3 572-3 607.

[2] 陆小静， 刘子凡， 柳红娟， 等. 含钙药剂浸种对木薯产量和品质的影响[J]. 湖南农业大学学报（自然科学版）， 2014， 40（4）： 349-352.

[3] Alves A A C. Cassava botany and physiology[M]//Hil-locks R J， Thresh J M， Bellotti A C. Cassava： Biology， Production and Utilization. New York： CABI Publishing， 2002： 67-89.

[4] 羅兴录. 云大-120浸种对木薯的增产效应[J]. 西南农业学报， 2001， 14（1）： 87-90.

[5] 罗兴录. 不同植物生长调节剂对木薯生长发育和淀粉积累影响的研究[J]. 中国农学通报， 2002， 18（3）： 30-33.

[6] 刘海刚， 黄 洁， 罗会英， 等. 种茎覆膜、浸水和蜡封对木薯抗旱性的影响[J]. 热带作物学报， 2014， 35（4）： 668-672.

[7] 苏文潘， 罗燕春， 金 刚. 保水剂与多效唑联合施用对木薯光合特性的影响[J]. 南方农业学报， 2004， 43（9）： 1 277-1 280.

[8] 冯方剑， 宋 敏， 陈全家， 等. 棉花苗期抗旱相关指标的主成分分析及综合评价[J]. 新疆农业大学学报， 2011， 34（3）： 211-217.

[9] 沈渊编. SPSS17.0统计分析及应用实验教程（中文版）[M]. 杭州： 浙江大学出版社， 2013.

[10] 朱宗河， 郑文寅， 张学昆. 甘蓝型油菜耐旱相关性状的主成分分析及综合评价[J]. 中国农业科学， 2011， 44（9）： 1 775-1 787.

[11] 王贺正， 马 均， 李旭毅， 等. 水稻开花期抗旱性鉴定指标的筛选[J]. 作物学报， 2005， 31（11）： 1 485-1 489.

[12] 白志英， 李存东， 孙红春， 等. 小麦代换系抗旱生理指标的主成分分析及综合评价[J]. 中国农业科学， 2008， 41（12）： 4 264-4 272.

[13] 潘相文， 李文滨， 李艳华， 等. 主成分分析在大豆抗旱性评价上的应用[J]. 大豆科学， 2006， 25（4）： 379-384.

[14] 刘子凡， 黄 洁， 胡体嵘. 中度水分胁迫对木薯叶片光合特性影响[J]. 西南农业学报， 2011， 24（4）： 1 286-1 289.

[15] 张 娟， 张正斌， 谢惠民， 等. 小麦叶片水分利用效率及相关生理性状基因的染色体定位[J]. 西北植物学报， 2005， 25（8）： 1 521-1 527.

[16] 邹 琦. 植物生理学实验指导[M]. 北京： 中国农业出版社， 2000.

[17] 吕淑霞. 基础生物化学实验指导[M]. 北京： 中国农业出版社， 2003.

[18] 缴丽莉， 路丙社， 白志英， 等. 四种园林树木抗寒性的比较分析[J]. 园艺学报， 2006， 33（3）： 667-670.

[19] 舒晓惠， 刘建平. 利用主成分回归法处理多重共线性的若干问题[J]. 统计与决策， 2004， 20（10）： 25-26.

[20] 白志英， 李存东， 孙红春， 等. 小麦代换系抗旱生理指标的主成分分析及综合评价[J]. 中国农业科学， 2008， 41（12）： 4 264-4 272.

[21] 钟希琼， 叶振邦. 综合评价甘蔗的抗旱性及其抗旱生理指标[J]. 华南农业大学学报， 1996， 17（3）： 81-84.

[22] 周国雁， 伍少云， 隆文杰， 等. 云南省不同小麦资源种子萌发期抗旱性相关性状差异及与抗旱指数、 抗旱系数的相关性[J]. 华南农业大学学报， 2015， 36（2）： 13-18.

[23] 刘 琴， 孙 辉， 何道文. 干旱和高温对植物胁迫效应的研究进展[J]. 西华师范大学学报： （自然科学版）， 2005， 26（4）： 364-369.

[24] 李贵全， 社维俊， 孔照胜， 等. 不同大豆品种抗旱生理生态的研究[J]. 山西农业大学学报， 2003， 2（3）： 197-200.

[25] 山 仑， 陈培元. 旱地农业生理生态基础[M]. 北京： 科学出版社， 1998： 1-17， 98-105.

[26] 何晓群. 现代统计分析方法与应用[M]. 北京： 中国人民大学出版社， 1998： 314.

[27] 关军锋， 李广敏. Ca2+与植物抗旱性的关系[J]. 植物学通报， 2001， 18（4）： 473-488.

[28] Xiong L M， Schumaker K S， Zhu J K. Cell signaling during cold， drought， and salt stress[J]. The Plant Cell， 2002， 14（1）： 165-183.

[29] 郭秀林， 刘子会， 李运朝， 等. Ca2+/CaM对玉米干旱信息传递的介导作用研究[J]. 作物学报， 2005， 31（8）： 1 001-1 006.

[30] 宋新妍， 张崔灿， 韩晓弟. CaCl2對冬小麦抗旱性影响的研究[J]. 安徽农业科学， 2009， 37（30）： 14 637-14 638.

[31] 龚 明， 杜朝昆， 许文忠. 钙和钙调素对玉米幼苗抗旱性的调控[J]. 西北植物学报， 1996， 16（3）： 214-220.

[32] 许 兴， 何 军， 李树华， 等. Ca-GA合剂浸种对水稻萌发及幼苗期抗旱性的影响[J]. 西北植物学报， 2003， 23（1）： 44-48.

[33] 汪廷魁， 崔连珊. 草灰水浸种防病效果及其杀菌原理的探讨[J]. 安徽农业科学， 1980， 8（4）： 49-51.

[34] 杨根平， 高向阳， 荆家海. 水分胁迫下钙对大豆叶片光合作用的改善效应[J]. 作物学报， 1995， 21（6）： 711-716.

[35] 杨永辉， 吴普特， 武继承， 等. 保水剂对冬小麦土壤水分和光合生理特征的影响[J]. 中国水土保持科学， 2010， 8（5）： 36-41.

[36] 李晶晶， 白岗栓. 保水剂在水上保持中的应用及研究进展[J]. 中国水土保持科学， 2012， 10（1）： 114-120.

[37] 尤 晶， 李永胜， 朱国鹏， 等. 保水剂农业应用研究现状与展望[J]. 广东农业科学， 2012， 39（12）： 76-79.

[38] 莫 凡， 罗兴录， 周红英， 等. 保水剂不同用量对土壤理化性状和木薯产量的影响[J]. 广西农业科学， 2010， 41（5）： 459-462.

[39] 刘纪霜， 罗兴录， 樊吴静， 等. 保水剂对土壤理化性状和木薯产量影响研究[J]. 中国农学通报， 2013， 29（33）： 253-258.

[40] 苏文潘， 罗燕春， 金 刚， 等. 保水剂与多效唑联合施用对木薯光合特性的影响[J]. 南方农业学报， 2012， 43（9）： 1 277-1 280.

[41] 李 杨. 保水剂与肥料及土壤的互作机理研究[D]. 北京： 北京林业大学， 2012.

[42] 连丽娜， 张 平， 纪淑娟， 等. 果蔬可食性涂膜保鲜研究现状与展望[J]. 保鲜与加工， 2003， 3（4）： 13-16.

[43] 吴兴松. 贮藏温度、 湿度对枣接穗失水及发芽的影响初探[J]. 农业科技通信， 2012， 41（12）： 89-90.

[44] 张 林. 金白杨新品种快繁技术研究[J]. 内蒙古林业调查设计， 2013， 36（4）： 69-70.