茶树种苗质量评价与壮苗指数构建

王雪萍，高士伟，叶 飞，滕 靖，桂安辉，郑鹏程

（湖北省农业科学院 果树茶叶研究所/湖北省茶叶工程技术研究中心，湖北 武汉 430064）

茶树是我国山区重要的经济作物，种苗繁育和良种推广是实现茶产业健康、可持续发展的基础。茶树是异花授粉植物、自交亲和力低，有性繁殖的籽播苗质量参差不齐，易出现性状分离和混杂。压条操作简单、茶苗根系发达、成活率高，但繁殖系数低，对母树长势和产量影响较大。扦插在我国已有200 多年历史，从最初的长穗多叶扦插发展为一芽一叶的短穗扦插，大田露地作畦、小拱棚或高低棚双层覆盖的短穗扦插育苗方式是当前茶树无性繁殖的主要方式[1]。但该法存在育苗周期长、受自然条件制约、移栽缓苗期长、部分品种成活率不高等问题。容器育苗是现代育苗的重要方式，相对于大田露地育苗，具有成活率高、根系完整、育苗周期短、抗逆性强、移栽成活率高、便于工厂化育苗等优点，已广泛应用于蔬菜、花卉、果树及林木育苗[2]。随着设施繁育技术的发展，茶树工厂化容器扦插育苗逐渐发展成为继大田露地短穗扦插育苗后的主流育苗方式，生产中使用最多的育苗容器是穴盘，其次是无纺布袋[3-6]。

优质的茶树种苗是建设高标准茶园的基础，种苗质量评价意义重大。目前，茶树种苗质量标准和分级标准主要包括苗高、茎粗、着叶数和品种纯度等[7]，大部分茶苗生产经营者主要以茶苗株高衡量苗木质量。由于育苗容器内部空间有限、苗木培育时间短，出圃标准较常规大田露地苗低，茶苗整体相对幼嫩，不同种苗间株高、茎粗、着叶数差异相比大田露地苗小，目前的茶树种苗质量评价指标难以综合评判茶树容器苗质量。模糊综合评价是一种基于模糊数学的评价方法，可对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体评价。在种苗质量评价中，梁静等[8]、佘远国等[9]采用模糊数学隶属函数法，根据苗木指标隶属度函数平均值，评价了核桃、油茶苗质量。该法需要测定的指标较多，生产中难以推广。利用较少的指标构建壮苗指数进行种苗质量评价，方法简单、便捷，我国最早在蔬菜上[10]进行了相关研究。茶树是多年生木本植物，种苗质量评价无法直接套用其他作物的研究结果，目前，有关茶树种苗质量评价及壮苗指数构建的研究鲜见报道。为此，以国家级茶树品种鄂茶1 号为研究对象，采用加权模糊综合评价法构建种苗质量综合评价指数，通过主成分分析和相关性分析构建和筛选壮苗指数，为茶树工厂化育苗的质量评判和分级提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2021 年3—9 月在湖北省农业科学院果树茶叶研究所温室大棚内进行。育苗容器为50 孔方形黑色穴盘（545 mm×280 mm），育苗基质为泥炭土∶珍珠岩=5∶1（V∶V）混合配制而成。插穗采自湖北省农业科学院果树茶叶研究所江夏试验基地，选取当年生、健壮、无病虫害的枝条，剪成长约3 cm 的插穗，每穗保留1个健壮腋芽及叶片。

壮苗指数构建所用品种为国家级茶树良种鄂茶1 号，壮苗指数稳定性评价采用的品种为鄂茶1号、中茶108和金观音。

1.2 测定项目及方法

随机抽取生长200 d 的鄂茶1 号茶苗300 株，洗净并用滤纸擦干后测定株高、茎粗、着叶数、新生叶叶面积、SPAD 值、地上部鲜质量、地下部鲜质量、全株鲜质量、地上部干质量、地下部干质量、全株干质量、根冠比（鲜样）（地下部鲜质量/地上部鲜质量）、根冠比（干样）（地下部干质量/地上部干质量）、叶绿素a 含量、叶绿素b 含量、类胡萝卜素含量、总叶绿素含量共17 个指标。其中，叶面积采用LA-S 叶面积分析仪进行测定，地上部、地下部干质量采用烘干法测定，SPAD 值采用叶绿素仪（SPAD-502 Plus）测定；叶绿素含量采用95%乙醇浸提、分光光度计比色测定[11]，并参照改良的ARNON[12]的方法计算所测样品叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量。

1.3 茶树种苗质量综合评价

1.3.1 指标隶属函数的选择 17 个指标分为3 种类型。其中，株高过高不利于根系发育、株高过低为弱苗，隶属函数类型为抛物线型（式1）；茎粗指标达到一定程度时认为是优质苗，隶属函数为正S 型（式2）；着叶数、地上部鲜质量、地下部鲜质量、根冠比、叶绿素含量等15 个指标没有明显的上下限范围，隶属函数选择正态分布偏大型（式3）。

式中：x1表示下限；x2表示最优下限；x3表示最优上限；x4表示上限；S为标准差。

1.3.2 综合评价指数计算 采用多元线性回归分析计算出每个指标的复相关系数，取倒数后归一化处理得到17个指标的权重系数，然后将各个指标权重系数与隶属函数之积求和，得到各单株茶树种苗质量综合评价指数[13]。

1.4 茶树种苗壮苗指数筛选

将17个指标数据归一化后进行主成分分析，分别从每个主成分中选择对该主成分贡献较大的指标作为乘积因子进行完全随机组合，初步建立壮苗指数。以综合评价指数为种苗质量评价标准，对初步建立的壮苗指数与综合评价指数进行相关性分析，初步筛选出与综合评价指数相关性较大的壮苗指数。然后以鄂茶1 号、中茶108 和金观音17 个指标为依据，分别计算出综合评价指数和壮苗指数，同时进行相关性分析，以与3 个茶树品种综合评价指数相关性均较高为壮苗指数稳定性高的判定依据，筛选得到适宜茶树种苗质量评价的壮苗指数[14]。

1.5 茶树种苗质量分级标准划分

将种苗质量分为优质苗、合格苗、弱苗3 个级别，采用K-均值聚类法[15-16]，根据综合评价指数对300 株茶树种苗进行聚类分析，根据聚类结果对壮苗指数进行质量分级，确定3 个不同等级茶树种苗壮苗指数的范围。

2 结果与分析

2.1 茶树种苗质量评价

2.1.1 指标隶属函数参数分析 茶树种苗17 个指标隶属函数类型及其参数如表1所示，其中，株高在10～20 cm 时，隶属函数值等于1，超出这一范围隶属函数值线性降低；茎粗最大时，隶属函数值等于1，小于最大值（不含最小值）时线性降低；其余指标均为单向指标，隶属函数最大值为1。17 个指标的标准差为0.110～35.713，其中叶面积、叶片数、SPAD值、全株鲜质量、地上部鲜质量等指标的标准差较大，说明这些指标在不同种苗间差异较大。

表1 茶树种苗质量指标的隶属函数及其参数Tab.1 Membership function and parameters of quality indicator of tea seedlings

续表1 茶树种苗质量指标的隶属函数及其参数Tab.1（Continued） Membership function and parameters of quality indicator of tea seedlings

2.1.2 指标权重系数分析 由表2 可知，茶树种苗质量各指标权重系数介于0.052 8～0.100 6，存在明显共线性。其中，SPAD 值的权重系数明显高于其他指标，可能是因为SPAD 值与其他指标之间的相关性较低，而不同种苗间SPAD值差异较大。

表2 茶树种苗质量指标权重系数Tab.2 Weight coefficient of quality indicator of tea seedlings

2.1.3 综合评价指数分析 由图1 可知，300 株茶树种苗质量综合评价指数介于0.401～0.968，综合评价指数范围较广，说明本次试验所取样品范围较广，能够全面、准确地评价茶树种苗质量。

图1 茶树种苗质量综合评价指数Fig.1 Comprehensive evaluation index of quality of tea seedlings

2.2 茶树种苗壮苗指数构建

2.2.1 主成分分析 由表3 可知，前3 个主成分特征值大于1，累计贡献率为83.503%，可作为茶树种苗质量的鉴别指标。主成分1主要包括地上部干质量（载荷值0.928）、地上部鲜质量（载荷值为0.903）、株高（载荷值0.893）等种苗地上部指标。主成分2主要包括地下部干质量（载荷值为0.891）、地下鲜质量（载荷值为0.877）、根冠比（鲜样）（载荷值为0.732）等种苗地下部指标。主成分3 主要包括叶绿素a 含量（载荷值为0.727）、类胡萝卜素含量（载荷值为0.726）、总叶绿素含量（载荷值为0.722）等色素指标。

表3 茶树种苗质量主成分的特征值、贡献率、累计贡献率和成分载荷矩阵Tab.3 Eigenvalues，variance contribution rate，cumulative contribution rate and rotated component matrix of the principal components of quality of tea seedlings

2.2.2 壮苗指数筛选 通过主成分分析，将茶树种苗的17 个指标组合为3 个主成分，分别代表地下部指标、地上部指标和色素指标，分别从每个主成分中选择贡献较大的3个指标作为乘积因子进行完全随机组合，得到27 个壮苗指数（表4），与综合评价指数进行相关性分析，初步筛选得到4 个相关性较高的壮苗指数：地上部干质量×地下部干质量×叶绿素a 含量、地上部干质量×地下部干质量×总叶绿素含量、地上部鲜质量×地下部干质量×叶绿素a 含量、地上部干质量×地下部鲜质量×叶绿素a含量。

表4 茶树种苗质量综合评价指数与壮苗指数的相关性分析Tab.4 Correlation analysis between seedling index and comprehensive evaluation index of quality of tea seedlings

续表4 茶树种苗质量综合评价指数与壮苗指数的相关性分析Tab.4（Continued） Correlation analysis between seedling index and comprehensive evaluation index of quality of tea seedlings

2.2.3 壮苗指数稳定性验证 通过不同茶树品种种苗质量综合评价指数与壮苗指数的相关性分析，对初步筛选的4个壮苗指数进行稳定性验证（表5），4个壮苗指数中，A3B2C1，即地上部干质量×地下部干质量×叶绿素a 含量在3 个茶树品种中相关性均最高，说明其稳定性高，可作为茶树种苗质量评价的壮苗指数。

表5 不同茶树品种种苗质量综合评价指数与壮苗指数的相关性分析Tab.5 Correlation analysis between seedling index and comprehensive evaluation index of quality of different tea varieties

2.3 茶树种苗质量分级

以300 株种苗综合评价指数为依据进行K-均值聚类分析，将种苗分为3 个级别，经过10 次迭代，得出最终聚类结果及方差分析结果，Ⅰ级苗为优质苗，Ⅱ级苗为合格苗，Ⅲ级苗为弱苗。以综合评价指数聚类分析结果为依据，确定Ⅰ—Ⅲ级苗壮苗指数（地上部干质量×地下部干质量×叶绿素a含量）的范围，Ⅰ级苗壮苗指数为0.242～1.089，Ⅱ级苗壮苗指数为0.064～0.239，Ⅲ级苗壮苗指数为0.011～0.063（表6）。对不同级别种苗综合评价指数和壮苗指数进行方差分析，发现不同等级茶树种苗间差异极显著（表6），说明采用综合评价指数和壮苗指数对种苗质量分级效果显著。

表6 茶树种苗质量等级及方差分析Tab.6 Quality grade and variance analysis of tea seedlings

3 结论与讨论

苗木质量受株高、茎粗、生物量等多个指标的综合影响，仅采用单一指标评价苗木质量存在单一性和片面性。主成分分析可将多个指标浓缩成几个综合指标（主成分），在种苗质量评价研究中，主成分综合评价以每个主成分对应的方差贡献率为权重建立综合评价模型，广泛应用于牡丹[17]、菩提[18]、黄连[19]等作物种苗质量评价。利用较少的指标构建壮苗指数进行种苗质量评价具有简单、便捷的优点，更适宜生产推广。壮苗指数构建方法较多，黄淑华等[20]采用相关分析、关联度分析，构建了丹参幼苗壮苗指数。白岩等[21]采用模糊综合评价、相关分析，构建了烟草壮苗指数。本研究借鉴番茄[13]、草莓[14]、莴苣[22]、西瓜[23]等种苗壮苗指数构建方法，将17 个指标数据归一化后进行主成分分析，分别从每个主成分中选择对该主成分贡献较大的指标进行完全随机组合，初步建立壮苗指数；然后以综合评价指数为种苗质量评价标准，对初步建立的壮苗指数与综合评价指数进行相关性分析，初步筛选出与综合评价指数相关性较大的壮苗指数；最后以鄂茶1号、中茶108和金观音的17个指标为依据，分别计算出综合评价指数和壮苗指数，同时进行相关性分析，选出与3 个茶树品种综合评价指数相关性均较高的壮苗指数为适宜茶树种苗质量评价的壮苗指数，并确定壮苗指数分级标准。其中，Ⅰ级苗壮苗指数为0.242～1.089，Ⅱ级苗壮苗指数为0.064～0.239，Ⅲ级苗壮苗指数为0.011～0.063。

本研究发现，地上部干质量×地下部干质量×叶绿素a 含量是适宜茶树种苗质量评价的壮苗指数，该壮苗指数与草莓[14]壮苗指数（地上部干质量×根系表面积×叶绿素a 含量）相似，同样反映了种苗地下部生长、地上部生长、生物量积累和色素因子对种苗质量的综合影响。另外，也说明了叶绿素含量对种苗质量影响的重要性，这与冯海宽等[24]将叶绿素含量作为作物长势评价的重要指标的观点相符。