不同生育期水分胁迫条件下宁夏枸杞果实的主成分分析与综合评价

郑国保，马 玲，撖志明，李 苗，刘淑瑛，臧娅妮，孙 莹，马小荣

（1.宁夏农林科学院农业生物技术研究中心，银川750002；2.宁夏回族自治区药品检验研究院，银川750002）

0 引 言

枸杞产业是宁夏极具特色的战略支柱性产业之一。部分枸杞种植区虽已改变了传统的灌溉方式，但仍然存在水分生产效益低和品质降低的问题。因此，开展基于水分和品质的评价研究对枸杞生产中科学的水分管理显得尤为重要。近年来，有关学者主要针对枸杞不同产地[1,2]、不同品种[3-7]以及主要品质性状[8,9]，利用主成分分析法，结合聚类分析和模糊评价法对其进行建模并综合评价。关于基于水分胁迫或亏缺灌溉条件下的品质性状综合评价方法的研究多以苹果[10,11]、黄瓜[12,13]、葡萄[14,15]、冰糖橙[16]、黄果柑[17]、猕猴桃[18]、砂梨[19]和番茄[20-26]等为研究对象，而水分胁迫条件下枸杞品质性状综合评价尚未见报道。因此，本研究以不同生育期水分胁迫条件下“宁杞1号”枸杞为试材，通过对其外观品质（百粒重、粒度和果形指数）、药用品质（多糖、β-胡萝卜素、甜菜碱和总黄酮）和营养品质（蛋白质、脂肪和维生素C）等指标进行测定，运用主成分分析法进行品质综合评价，以期为宁夏地区枸杞节水灌溉技术和多指标样品的综合评价提供可行的方法。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验以五年生“宁杞1 号”主栽品种为材料，定植于2017年4月。

1.2 试验设计

依据枸杞生长特点将其整个生长季分为3个阶段：营养生长和盛花期（StageⅠ）、盛果期（StageⅡ）和秋果期（StageⅢ）。控水时间为：营养生长和盛花期（5月15日-7月5日）、盛果期（7月5日-8月10日）和秋果期（8月10日-9月30日）。按Hsiao 方法设计土壤含水量占最大持水量的百分率，即轻度胁迫（60%～65%）、中度胁迫（45%～50%）和重度胁迫（30%～35%），合计3 个水分胁迫水平，共设9 个处理，每个处理重复3次。具体水分胁迫处理见表1。

表1 水分胁迫试验设计Tab.1 Water stress test design

1.3 测定项目与方法

1.3.1 样品的采集及处理

2017-2018年在试验地内采集不同处理盛果期和秋果期果实，每个处理调查3 株树，共调查9 株，将3 株树的果实混合后取样，烘干。

1.3.2 果实品质的测定

（1）外观品质。果形指数：从各处理采摘后的新鲜果实中随机抽取30 粒果实，用游标卡尺测量果实的横径和纵径，并计算其比值；百粒重和粒度：按照国家标准（GB/T 18672-2002）中的方法测定。

（2）药用品质。多糖、β-胡萝卜素和甜菜碱均按照《中华人民共和国药典》2015年版一部中的方法进行测定，总黄酮含量采用紫外分光光度法进行测定。

（3）营养品质。蛋白质、脂肪和维生素C含量均按照国家标准（GB/T5009-2003）中的方法进行测定。

1.3.3 品质分析方法

以3 个时期的3 个水分胁迫程度为样品单元，以果实的3个外观品质、4 个药用品质和3 个营养品质指标为变量进行主成分分析，通过其特征值、贡献率、累计贡献率，对各处理样品进行品质分析。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 整理数据，利用DPS 18.10 软件进行数据标准化和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同水分胁迫处理下果实品质分析

由表2可知：水分胁迫对不同生育期枸杞百粒重和果形指数均无显著影响。在StageⅡ期水分胁迫对粒度、总黄酮和β-胡萝卜素均无显著影响，枸杞多糖和甜菜碱含量均表现为重度胁迫＞中度胁迫＞轻度胁迫，维生素C 和蛋白质含量以中度胁迫最高，脂肪含量随胁迫程度的加剧而降低。在StageⅢ期水分胁迫，粒度、枸杞多糖和甜菜碱含量均表现为重度胁迫＞中度胁迫＞轻度胁迫，β-胡萝卜素、维生素C 和蛋白质含量以中度胁迫最高，脂肪含量随胁迫程度的减轻而升高。

表2 不同水分胁迫处理枸杞果实品质分析Tab.2 Fruit quality analysis of wolfberry under different water stress

2.2 果实品质数据标准化

主成分分析法的前提是不损失或很少损失原有信息，将原来个数较多指标转化为新的个数较少的综合指标的分析方法，以避免重复信息的干扰[18]。用于主成分分析的枸杞干果各品质指标的表型数据是不同的性状，单位也不相同[19]，为了消除各品质指标之间的量纲和各品质指标相对大小差异对分析结果产生的影响，采用Z-Score 标准化法[27]进行果实品质原始数据（表3）转化成均值为0，标准差为1的无量纲数据。

表3 原始数据的标准化值Tab.3 Standardized values of raw data

2.3 不同水分胁迫处理下宁夏枸杞品质的主成分分析

由表4 可知：不同时期前3 个主成分品质因子的累计贡献率均达到80.00% 以上（Stage Ⅱ达82.356 0%、Stage Ⅲ达85.234 7%），保留了原始数据的绝大部分信息，因此提取前3个主成分品质因子信息进行后续的分析计算。由各主成分品质因子特征向量可知，在StageⅡ期，第1 主成分贡献率达43.049 4%，主要代表甜菜碱、β-胡萝卜素、总黄酮和多糖含量，反映果实药用品质；第2主成分方差贡献率达25.570 4%，主要代表维生素C、蛋白质和脂肪含量，反映果实营养品质；第3 主成分方差贡献率达13.736 2%，主要代表果形指数和百粒重，反映果实外观品质。在StageⅢ期，第1 主成分贡献率达46.222%，主要代表维生素C、蛋白质和脂肪含量，反映果实营养品质；第2主成分方差贡献率达21.519%，主要代表β-胡萝卜素、甜菜碱和总黄酮含量，反映果实药用品质；第3主成分方差贡献率达17.493 7%，主要代表果形指数和粒度，反映果实外观品质。

表4 10个主成分的特征向量、特征值、贡献率及累计贡献率Tab.4 The eigenvectors，eigenvalues，contribution rate and cumulative contribution rate of the 10 principal components

2.4 不同水分胁迫处理下宁夏枸杞品质的综合评价

在对不同水分胁迫处理下果实品质进行综合评价时，因各主成分的贡献率不同，须结合主成分的贡献率并协调各主成分品质因子。根据提取前3 个主成分特征向量值（表4）和品质指标标准化值（表3），得出主成分得分因子的表达式F（表5）。并以各主成分的贡献率为权重，利用主成分值与对应的权重相乘求和，得出样本综合评价模型Y（表5）。

表5 主成分得分因子表达式及样本综合评价模型Tab.5 Principal component score factor expression and sample comprehensive evaluation model

为了直观的揭示不同处理果实品质的优劣，根据得分情况并对其进行排序。由表6可知，在StageⅡ期，以第1主成分排序T4、T1、T2的品质较好；以第2 主成分排序T6、T8、T3的品质较好；以第3主成分排序T7、T4、T8的品质较好。在StageⅢ期，以第1 主成分排序T2、T5、T7的品质较好；以第2 主成分排序T9、T2、T6的品质较好；以第3 主成分排序T9、T8、T3的品质较好。根据综合评价模型，计算出各个处理枸杞的综合得分（表6），StageⅡ期综合得分排在前3 位的是T4、T5、T2处理，StageⅢ期综合得分排在前3 位的是T2、T9、T3处理。说明：在StageⅡ期进行中度（排名2、3）或重度胁迫（排名1）处理后，可以提高盛果期果实综合品质；在StageⅢ期进行中度（排名1、2）或轻度胁迫（排名3）处理后，可以提高秋果期果实综合品质。综合考虑各因素，应在盛果期和秋果期均进行中度胁迫处理可以提高果实的综合品质。

表6 不同水分胁迫处理下宁夏枸杞果实品质的主成分得分及排序情况Tab.6 Principal component scores and rankings of fruit quality of wolfberry in Ningxia under different water stress treatments

3 讨 论

水资源短缺和不合理灌溉是制约宁夏地区枸杞产业发展的突出问题，而造成不合理灌溉的主要原因是生产中的水分管理缺乏科学的量化指标。基于此，本研究分析了不同生育期水分胁迫对枸杞果实品质的影响，运用主成分分析法建立了综合评价模型，确定了枸杞适宜生长的土壤水分条件，为枸杞园的水分管理提供参考。土壤水分含量过高或过低均会抑制果实的生长发育。刘艳武等[11]采用GC-ITOPSIS 模型对苹果品质进行综合评价，确定果园滴灌灌水下限达田间持水量60%时，果实品质最佳；金宁[12]采用主成分分析法对黄瓜果实品质进行综合评价，在不降低产量，确定灌水下限为70%田间持水量，既提高了果实品质，也提高了水分利用率；侯裕生等[14]、张兴国等[15]采用主成分分析法分别对极端干旱区葡萄和日光温室葡萄不同水肥处理后的果实品质进行综合评价，均得出中水低肥处理的果实综合品质最优；王振华等[20]、李文玲等[21]和王秀康等[22]均采用主成分分析法对番茄不同水肥处理后的果实品质进行综合评价，得出减少灌水量可提高番茄的综合品质。由此可见，前人通过不同评价方法对不同的作物水肥处理下的果实品质进行综合评价，得出降低灌水量均可提高果实的综合品质，这与本研究结果一致。

4 结 论

本文针对不同生育期水分胁迫条件下宁夏枸杞果实的品质分析与综合评价，得出以下结论。

（1）通过对9 个不同水分胁迫处理和10 个果实品质性状的主成分分析，共提取到3个主成分因子，盛果期累计贡献率为82.356 0%、秋果期累计贡献率为85.234 7%，包含了品质性状的绝大部分信息，并以方差贡献率为权重根据主成分值和对应的贡献率构建样品综合评价模型，得到不同水分胁迫处理下果实的综合得分和排序，为不同水分处理下多指标样品的综合评价提供了可行的方法。

（2）通过对9 个不同水分胁迫处理和10 个果实品质指标进行主成分分析，在盛果期药用品质对枸杞果实品质的影响较大，这些品质因子包括甜菜碱、β-胡萝卜素、总黄酮和多糖含量的药用品质；在秋果期营养品质对枸杞果实品质的影响较大，这些品质因子包括维生素C、蛋白质和脂肪含量的营养品质。

（3）通过其贡献率及主成分值对不同水分胁迫处理的枸杞果实进行综合评价，结果发现：在盛果期进行中度或重度胁迫处理，可以提高盛果期果实综合品质；在秋果期进行中度或轻度胁迫处理，可以提高秋果期果实综合品质。综合考虑，应在盛果期和秋果期均进行中度胁迫处理可以提高果实的综合品质。