运用主成分-聚类分析评价切花洋桔梗贵阳引种效果

石乐娟， 王维泽， 唐玲涵， 吴青青， 杨跃虎， 杜致辉， 崔 嵬

(贵州省农业科学院园艺研究所， 贵阳 550006)

洋桔梗(Eustomagrandiflorum(Raf.)Shinners)属龙胆科草原龙胆属多年生宿根草本花卉，原产美国中部，生产上常作一、二年生栽培[1-2]。洋桔梗株态轻盈潇洒，花色典雅明快，花形别致可爱，是目前国际上十分流行的盆花和切花种类之一，种植经济效益高[3-4]。

我国云南、上海等地自20世纪90年代从日本、台湾等地引进新品种并试栽培成功，现已成为洋桔梗在我国的主要生产基地，而洋桔梗在贵州地区少有种植。2016—2017年贵州黄平县初步开展试种。为进一步研究洋桔梗在贵州地区栽培的适应性，选取8个洋桔梗品种进行试验栽培，以期为洋桔梗在贵州的品种筛选及栽培管理提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验安排在贵州省农业科学院园艺研究所花卉大棚内进行。

1.2 试验材料

洋桔梗品种分别为惊艳绿色、露西塔2绿色、露西塔3粉色、美人醉3红色、露西塔2紫边、优胜白色、柯罗马浅紫改良、蕾娜香槟(具体见表1)，8个品种种苗均购于北京神州克劳沃园艺技术有限责任公司。

表1 8个洋桔梗品种特征特性Table 1 Characteristics of 8 varieties of E. grandiflorum

1.3 试验方法

2017年4月15日种苗抵达贵阳，并于当日定植。定植床长7.5 m，宽90 cm，沟宽40 cm。土壤、珍珠岩和蛭石以1∶1∶1的比例混合，同时每床加入复合肥1.5 kg，有机肥15 kg混匀、耙平。种植株行距15 cm×15 cm，每床种植300株。

从每个品种中随机抽取6株调查生长性状和生育性状，每10 d调查其抽薹时间、开花时间。在盛花期调查其株高、茎粗、叶片对数、单株花头数、花径等性状。

物候期观测采用田间目测，从5%植株开始抽薹起为抽薹时间；从5%的植株开放到20%花蕾开放为初花期；从5%的植株叶片开始变黄算起为枯萎期[5]。株高、花径采用卷尺测量，茎粗采用游标卡尺测量，每品种选择6株测量后取平均值。用Excel、SPSS软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同品种洋桔梗物候期比较

从表2看出，在同样的大棚环境下，所选洋桔梗品种在定植后56～66 d开始抽薹，其中最早的是惊艳绿色品种(56 d)；最晚的是美人醉3红色(66 d)，其抽薹期相差10 d。各品种开花时间在7月上旬至中旬，惊艳绿色开花时间最早，在2017年7月5日，蕾娜香槟开花时间最晚，时间为2017年7月16日；8个品种洋桔梗凋谢时间在9月上旬至中旬，花期56～69 d。1～8号洋桔梗从定植期到枯萎期时长分别为144 d、140 d、138 d、141 d、141 d、143 d、140 d、148 d，相比之下，各品种定植期到枯萎期时长差距不大。

表2 不同洋桔梗品种在贵州地区栽培的物候期观察Table 2 Phenological observation of different varieties of E. grandiflorum cultivated in Guizhou province

2.2 不同品种洋桔梗盛花期性状比较

从表3可以看出，各品种在大棚长势各不相同，露西塔3粉色、优胜白色株高分别达77.58 cm、72.58 cm；露西塔2紫边与优胜白色茎粗最粗；露西塔2紫边单株开花数最多，平均为3.5朵；惊艳绿色、科罗马浅紫改良、优胜白色叶对数没有显著差异，分别为10.5对、11对、11对；蕾娜香槟花径相对最大，达80.72 mm；在瓶插天数方面露西塔3粉色、优胜白色、蕾娜香槟最好，时长14 d。为进一步客观、科学的评价引种效果，使用主成分-聚类分析法对数据进行分析。

表3 盛花期洋桔梗品种性状调查Table 3 Investigation on characteritics of E. grandiflorum varieties at flowering stage

2.3 不同品种洋桔梗各指标间的相关性分析

相关性分析对于主成分分析具有一定的参考价值，通常相关系数高的指标很可能会被划分到同一个主成分，同时，数据的结构也是划分主成分的一个因素[6]。从不同品种洋桔梗各指标间相关性系数矩阵中看出，花径与瓶插天数达显著水平，其他指标间未达显著水平，数据中存在相关性，因此运用主成分分析是可行的。

2.4 主成分分析

主成分分析是将原来的数据降维转化为几个能涵盖大部分原始变量的综合指标，这种方法不仅简化了原始变量，还最大限度的保留了原始数据[7]。

表4 不同品种洋桔梗各指标间相关性系数矩阵Table 4 Correlation coefficient matrix of indexes among different varieties of E. grandiflorum

由于本试验中6个指标具有不同量纲，所以要将原始的数据进行标准化处理，来排除不同量纲对主成分分析结果的影响。数据标准化后将Z株高、Z茎粗、Z单株花数、Z叶对数、Z花径、Z瓶插天数为新的指标(Z表示标准化后的数据)。

将新的指标数据运用主成分分析，得出各品种洋桔梗的贡献率和特征值表，特征值是反映主成分影响大小的指标，一般情况下，选择特征值≥1 的作为选择主成分的原则，当累计方差贡献率大于75% 时，可以确定主成分数量。

对于不同品种洋桔梗，可以提取3个主成分，这3个主成分中包含了株高、茎粗、单株花数、叶对数、花径、瓶插天数，且具有较高的载荷值。3个主成分中特征值分别为2.295、1.758、1.053，方差贡献率分别为38.257%、29.299%、17.549%； 3个主成分的累计贡献率为85.105%>75.00%，说明这3个主成分保留了原始数据信息量的85.105%。所以利用这3个主成分来评价不同品种洋桔梗引种效果是可行的。

主成分的特征向量，也叫系数向量，反映各原始指标在主成分中的重要程度，等于相应的载荷系数除以对应的特征值的平方根[8]。

本试验主成分是6个新指标的线性组合，其系数是对应各指标的特征向量(如表5)，所得的各主成分函数表达式为：

表5 不同洋桔梗指标间主成分分析的特征值与方差贡献率Table 5 Eigenvalues and variance contribution rate of principal component analysis among different E. grandiflorum indexes

第一主成分F1为：0.405×Z株高+0.562×Z茎粗+0.492×Z单株花数+0.607×Z叶对数+0.659×Z花径+0.646×Z瓶插天数。

第二主成分F2为：0.462×Z株高+0.642×Z茎粗+0.563×Z单株花数+0.694×Z叶对数+0.753×Z花径+0.738×Z瓶插天数。

第三主成分F3为：0.597×Z株高+0.829×Z茎粗+0.727×Z单株花数+0.897×Z叶对数+0.973×Z花径+0.953×Z瓶插天数。

综合主成分得分是计算每个主成分得分与其对应贡献率之乘积总和，即：

F=F1×38.257%+F2×29.299%+F3×17.549%。

将不同品种洋桔梗标准化后的数据分别代入以上函数表达式中，就能得到引种效果在不同主成分上的得分，并按照综合得分进行排序(表6)，由表6可知，不同洋桔梗引种效果排序为优胜白色>惊艳绿色>蕾娜香槟>露西塔3粉色>露西塔2紫边>柯罗马浅紫改良>露西塔2绿色>美人醉3红色。

表6 不同洋桔梗主成分分析下各项指标的特征向量Table 6 Eigenvectors of principal component analysis of each index in different E. grandiflorum

表7 不同洋桔梗引种效果主成分得分及排序Table 7 Principal component scores and ranking of different introduction effects of E. grandiflorum

以不同洋桔梗引种效果主成分分析得分作为评价引种效果的新指标，用欧氏距离作为衡量各处理引种效果差异大小，采用最短距离法将各处理按引种效果的亲疏相似程度进行聚类。

由表6和图1可以看出不同洋桔梗引种效果的归类情况：优胜白色>惊艳绿色>蕾娜香槟>露西塔3粉色、露西塔2紫边>柯罗马浅紫改良>露西塔2绿色>美人醉3红色。也就是不同洋桔梗引种效果分为7个等级：Ⅰ级(优胜白色)；Ⅱ级(惊艳绿色)、Ⅲ级(蕾娜香槟)、Ⅳ级(露西塔3粉色、露西塔2紫边)、Ⅴ级(柯罗马浅紫改良)、Ⅵ级(露西塔2绿色)、Ⅶ级(美人醉3红色)。

3 结论与讨论

目前，有关主成分-聚类分析在引种效果方面的研究较少。降低数据的复杂程度，主成分聚类分析法可保证数据的有效性，被广泛运用在许多领域。周蓉等[9]运用这种方法对番茄48个品种进行了遗传多样性的分析；张梦潇等[10]对不同品种紫薯进行了主成分及聚类分析；李健等[11]运用主成分分析法对蓝莓矿质营养吸收进行了综合评价。

目前，对引种效果的评价指标众多，但没有统一的评测标准，这可能是因为不同学者的评价目的不同，侧重的引种效果不同，决定了评价指标的多样性。左小平[12]在研究20种香草花卉引种栽培及适应性时，主要对20种香草的株高、茎粗、花径、成活率等生长指标进行统计；刘玉爱等[13]在研究玉米引种材料时则选取了粗蛋白、粗脂肪等指标；蒋鹏远等[14]在杭州地区引种酢浆草时，则是对其物候期进行分析。

本试验侧重于洋桔梗引种后生长方面，所以选取了株高、茎粗、单株花数、叶对数、花径、瓶插天数等生长指标，通过对贵州地区引种的8种洋桔梗的品种性状进行分析，发现不同洋桔梗都有自己优势的性状，一些品种在有些指标上没有明显差异，如露西塔3粉色和优胜白色在株高上就没有明显差异，因此很难从单一指标评价其优劣。

利用主成分分析方法将株高、茎粗、单株花数、叶对数、花径、瓶插天数6个生长指标进行降维，提取3个主成分，累计贡献率达85.105%，保留了大部分原始数据信息，因此，利用所选的6个指标评价洋桔梗引种效果是可靠的。

8个洋桔梗品种从定植至凋谢的时长相近，天数最多相差10 d，是因为其品种为中生或者中晚生的缘故。贵州天气夏无酷暑，引进的8个洋桔梗品种花期在56～69 d之间，若岔口安排得当，可满足市场夏季、秋季的用花。

以主成分分析所得值作为新指标进行聚类分析，可将不同洋桔梗引种效果进行分类，Ⅰ级(优胜白色)；Ⅱ级(惊艳绿色)、Ⅲ级(蕾娜香槟)、Ⅳ级(露西塔3粉色、露西塔2紫边)、Ⅴ级(柯罗马浅紫改良)、Ⅵ级(露西塔2绿色)、Ⅶ级(美人醉3红色)。由此可见，优胜白色、惊艳绿色、蕾娜香槟品种适合在贵州栽培，其他品种也有各自的优点，在贵州引种时可适量选择，起到丰富市场的作用。