蘇欣欣，肖 洋，胡曉航,2，馬亞懷,2，李彥麗,2

（1黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080；2國家糖料改良中心，哈爾濱 150080）

0 引言

中國的甜菜種植主要集中于新疆、內(nèi)蒙古以及黑龍江[1]，在黑龍江甜菜是重要的經(jīng)濟(jì)作物，種植面積為6333 hm2，經(jīng)濟(jì)效益是玉米的兩倍[2]。黑龍江的甜菜種植已有100多年的歷史[3]，對(duì)于全國甜菜的種植面積有很大的影響。

通過對(duì)甜菜品種進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，能夠較為客觀的對(duì)各性狀進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)參試品種的綜合評(píng)價(jià)值對(duì)甜菜品種進(jìn)行排序，這種方法廣泛運(yùn)用于農(nóng)品種的研究[4-5]。近年來灰色關(guān)聯(lián)度分析法廣泛用于新品種的篩選中[6-7]，但在甜菜上的使用很少[8]。主成分分析法將多個(gè)測定指標(biāo)進(jìn)行簡化，減少指標(biāo)之間的相互影響，提取主要因子，然后計(jì)算綜合得分[9]。主成分分析的方法在農(nóng)業(yè)科學(xué)的使用也非常廣泛[10-11]，通過計(jì)算主成分分析的因子排名，為農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、高效的生產(chǎn)提供了品種選擇的依據(jù)。

當(dāng)前對(duì)甜菜品種進(jìn)行主成分分析的方法早已見報(bào)。賈雪峰等[12]通過對(duì)甜菜塊根品質(zhì)相關(guān)元素進(jìn)行主成分分析。胡曉航等[13]通過對(duì)甜菜中的氨基酸進(jìn)行主成分分析，來比較不同品種的氨基酸的含量。關(guān)于甜菜各個(gè)性狀的研究進(jìn)行的主成分分析已有很多報(bào)道，但對(duì)甜菜產(chǎn)量、含糖、產(chǎn)糖量這類性狀進(jìn)行主成分分析的報(bào)道較少。魯兆新等[14-15]通過對(duì)甜菜農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量、含糖、產(chǎn)糖量進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，得出甜菜的相對(duì)株高對(duì)甜菜產(chǎn)量、含糖和產(chǎn)糖量的相關(guān)性很高。已見報(bào)的關(guān)于甜菜的研究僅使用一種分析方法進(jìn)行分析，缺乏科學(xué)性。灰色關(guān)聯(lián)度和主成分分析進(jìn)行結(jié)合的方法大量應(yīng)用于玉米[16-17]品種和小麥[18-19]品種的評(píng)價(jià)中，在糖用甜菜的適應(yīng)性評(píng)價(jià)中鮮見報(bào)道。本文以引種的22個(gè)甜菜品種為試驗(yàn)材料，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度和主成分分析的科學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，目的是為了篩選適宜當(dāng)?shù)胤N植的優(yōu)質(zhì)、抗病、高產(chǎn)的甜菜品種，以期對(duì)糖用甜菜的栽培和種植推廣提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為2020年在黑龍江省哈爾濱市黑龍江大學(xué)呼蘭校區(qū)試驗(yàn)基地參試的22個(gè)糖用甜菜品種，分別 為 KWS9921、KWS0860、KWS9962、KWS8157、KWS0069、KWS0015、KWS5104、KWS7748、KWS1051、KWS0060、KWS9967、KWS0023、KWS1250、KWS6673、KWS1176、KWS5106、KWS7772、KWS8844、KWS1197、KWS6661、KWS9899、BTS2730。以當(dāng)?shù)刂髟云贩NKWS1197為參照品種。

1.2 試驗(yàn)地概述

該試驗(yàn)于2019—2020年在黑龍江省哈爾濱市黑龍江大學(xué)呼蘭校區(qū)試驗(yàn)基地進(jìn)行試驗(yàn)。該地位于黑龍江省南部，屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，該地的氣候差異很小，年平均氣溫3.3℃，年平均降水量為505.4 mm，土壤為黑土，地勢平坦、地力均勻，耕作均在4年以上。在所內(nèi)對(duì)土壤進(jìn)行施肥時(shí)，盡量與當(dāng)?shù)氐钠骄┓仕较喈?dāng)，并且為了保障試驗(yàn)的順利進(jìn)行，在試驗(yàn)地四周設(shè)置保護(hù)行，小區(qū)的保苗應(yīng)在95%以上。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組排列，4次重復(fù)，2行區(qū)，10 m行長，壟間距0.6 m，甜菜的種植密度應(yīng)為82500株/hm2左右。所有參試品種均適時(shí)播種，田間管理均按照試驗(yàn)要求進(jìn)行，及時(shí)進(jìn)行疏苗、定苗、中耕除草等。

1.4 測定指標(biāo)

各參試糖用甜菜品種的性狀指標(biāo)（根腐病、產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量）取3次重復(fù)的平均值，在收獲期對(duì)試驗(yàn)小區(qū)塊根進(jìn)行根腐病鑒定并計(jì)數(shù)，稱重法測產(chǎn)，含糖率由農(nóng)業(yè)部甜菜品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心檢測，產(chǎn)糖量為產(chǎn)量與含糖率的積。本研究所考察的性狀指標(biāo)將產(chǎn)量性狀、植物學(xué)性狀和品質(zhì)性狀相結(jié)合，對(duì)評(píng)價(jià)東北地區(qū)糖用甜菜的主要性狀具有較高的代表性，從而使評(píng)價(jià)結(jié)果可以整體反映參試品種的綜合性狀表現(xiàn)，對(duì)參試品種具有很強(qiáng)的綜合評(píng)價(jià)效果。

1.5 分析方法

根據(jù)鄧聚龍灰色系統(tǒng)理論[20]，將22個(gè)甜菜品種的4個(gè)性狀看作是一個(gè)灰色系統(tǒng)。將甜菜品種KWS1197作為對(duì)照CK。運(yùn)用灰色系統(tǒng)分析法計(jì)算各個(gè)品種的關(guān)聯(lián)度，將其綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果進(jìn)行排名，分析最適合當(dāng)?shù)胤N植的甜菜品種。使用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)參試的甜菜品種進(jìn)行主成分分析，同樣將KWS1197作為對(duì)照CK，通過計(jì)算參試品種的因子得分來計(jì)算綜合得分，將其進(jìn)行排名，與CK值進(jìn)行比較。運(yùn)用Excel整理、處理數(shù)據(jù)。

1.5.1 灰色關(guān)聯(lián)度分析法 將甜菜品種KWS1197看作是對(duì)照CK，比較數(shù)列為Xi，其中i=1，2，3…22。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，將各性狀的最?yōu)值看作是參考數(shù)列X0。根腐病取逆向指標(biāo)，即參試品種中的最小值；根產(chǎn)量、產(chǎn)糖量及含糖率取參試品種的正向指標(biāo)，即參試品種中的最大值。由于不同性狀的量綱不同，所以首先要對(duì)數(shù)據(jù)中的比較數(shù)列進(jìn)行無量綱化處理，使結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化，即Xij=Xi/X0，其中Xij為無量綱化后的值。再求X0與Xi各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的絕對(duì)差值，即為Δi=|X0-Xij|，并找出各性狀的最大差值maxΔi與最小差值minΔi。

計(jì)算數(shù)據(jù)中的參考數(shù)列與比較數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，見公式(1)。

其中ρ為分辨系數(shù)，一般取值為0.5。計(jì)算關(guān)聯(lián)度（見公式(2)）和權(quán)重（見公式(3)）公式中n取樣品的數(shù)量。并計(jì)算灰色評(píng)判值（見公式(4)）。

1.5.2 主成分分析法 使用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件，通過描述統(tǒng)計(jì)的方法將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，將標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)通過降維的方式進(jìn)行主成分分析。根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣對(duì)甜菜的4個(gè)性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，在主成分提取表中，主成分按照特征根從大到小進(jìn)行排列，根據(jù)特征根大于1確定主成分的數(shù)量，主成分的特征根用λ表示。

主成分系數(shù)等于各變量因子載荷向量除以各自主成分的特征根的算術(shù)平方根，見公式(5)。

因子載荷值是指確定各個(gè)指標(biāo)對(duì)各成分的影響，在成分矩陣中表示。計(jì)算各品種的綜合得分，見公式(6)。

Wi為主成分提取表中的方差貢獻(xiàn)率，F(xiàn)i表示主成分的特征根對(duì)應(yīng)的特征向量的和。主成分分析的綜合評(píng)價(jià)與馮海萍等[21]采用的方法相同。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，綜合評(píng)價(jià)參試甜菜品種品質(zhì)性狀。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同甜菜品種的灰色關(guān)聯(lián)度分析

2.1.1 建立原始數(shù)據(jù)矩陣 參試甜菜品種的各性狀見表1可以看出，根腐病的變化幅度很大，最小為0.85%，最大高達(dá)31.93%。產(chǎn)量最高為76594.74 kg/hm2，最低為14167.375 kg/hm2。因此每公頃甜菜的產(chǎn)糖量之間也存在很大的差異，最高為7765.16 kg，最低為1273.29 kg。這表明參試的甜菜品種各農(nóng)藝性狀存在很大的差異。

表1 原始數(shù)據(jù)

2.1.2 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化 由于各性狀之間存在很大的差異并且單位不統(tǒng)一，需要將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化。結(jié)果見表2。

2.1.3 計(jì)算絕對(duì)差序 根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，計(jì)算參試品種與比較數(shù)列之間的差序，并求出最大差序值與最小差序值，結(jié)果見表3。由表3可知maxΔi=0.973486，minΔi=0。

表2 數(shù)據(jù)無量綱化處理結(jié)果

2.1.4 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度 取分辨率ρ=0.5，將表3中的值帶入1.5的公式中，即可求出比較數(shù)列與各參試數(shù)列之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，結(jié)果見表4。根據(jù)1.5.1中的公式計(jì)算甜菜各參試品種的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度越大，引進(jìn)的品種更適宜在當(dāng)?shù)胤N植，反之亦然。

表3 差序列值的兩級(jí)差

續(xù)表3

表4 主要性狀的關(guān)聯(lián)系數(shù)

2.1.5 計(jì)算各參試品種的綜合評(píng)價(jià)值 根據(jù)1.5.1中的公式計(jì)算各參試品種的綜合評(píng)價(jià)值，根據(jù)排名的高低可得出在呼蘭種植的最適宜的品種。根據(jù)表5可得，排名在對(duì)照品種CK前的分別為KWS0023、KWS0015、KWS6661、KWS9921、KWS0860 以 及BTS2730。說明這6個(gè)品種與參考數(shù)列最為接近，綜合性狀好，更適宜在試驗(yàn)區(qū)當(dāng)?shù)胤N植。

2.2 主成分分析結(jié)果

2.2.1 各性狀間的相關(guān)性分析 對(duì)供試的甜菜品種進(jìn)行主成分分析，由表6可得：根產(chǎn)量和產(chǎn)糖量存在高度正相關(guān)(0.934)與含糖率存在輕度負(fù)相關(guān)(-0.078)，含糖率和根腐病存在輕度負(fù)相關(guān)(-0.062)和產(chǎn)糖量存在輕度正相關(guān)(0.275)。根腐病與根產(chǎn)量存在高度負(fù)相關(guān)(-0.870)?？芍a(chǎn)糖量由根產(chǎn)量決定，受含糖率的影響較小，所以為了提高產(chǎn)糖量需要提高根產(chǎn)量。

表6 相關(guān)性矩陣

2.2.2 各主成分的相關(guān)性分析 對(duì)引進(jìn)的22個(gè)品種的性狀指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率≥85%的具有代表性的原則，提取2個(gè)特征值大于1的主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率為95.987%。第一主成分的貢獻(xiàn)率為69.704%，特征值為2.788，第一主成分載荷較高的為產(chǎn)糖量；第二主成分的貢獻(xiàn)率為26.283%，特征值為1.051，第二主成分載荷較高的為含糖率。其他主成分的特征值均小于1。結(jié)果見表7及表8。2個(gè)主成分因子累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到95.987%，因此能夠全面地反映甜菜的品質(zhì)性狀。

表7 主成分提取表

2.2.3 參試品種的綜合得分 根據(jù)1.5.2中的公式，計(jì)算主成分系數(shù)，其中ai為表8中的因子載荷向量，λi為主成分的特征根。結(jié)果見表8、9。從表8可確定前兩個(gè)主成分的函數(shù)表達(dá)式為：（其中Zscore為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值）

表8 成分矩陣

表9 主成分系數(shù)

第一主成分得分F1=-0.564Zscore（根腐?。?0.577Zscore（根產(chǎn)量）+0.084Zscore（含糖率）+0.585Zscore（產(chǎn)糖量）

第二主成分得分F2=0.074Zscore（根腐?。?0.209Zscore（根產(chǎn)量）+0.966Zscore（含糖率）+0.138Zscore（產(chǎn)糖量）

根據(jù)1.5.2中計(jì)算綜合得分的公式，綜合得分的排名見表10，其中W1和W2為主成分貢獻(xiàn)率，分別為69.704%和26.283%。各參試品種的綜合排名存在較大差異，標(biāo)樣CK的綜合排名為6，高于CK的綜合排名的品種分別為KWS0023、KWS0015、KWS6661、KWS9921以及BTS273，說明這5個(gè)品種的性狀較好，在黑龍江省哈爾濱市呼蘭區(qū)種植的適應(yīng)性較強(qiáng)。

表10 參試品種的綜合得分

3 討論與結(jié)論

用主成分分析法對(duì)引種的22個(gè)參試糖用甜菜品種進(jìn)行分析，與嚴(yán)圭[22]對(duì)芝麻進(jìn)行分析的方法相同。但與張立明[23]僅對(duì)各性狀的相關(guān)性進(jìn)行分析的方法不同，本文增加了對(duì)各主成分的關(guān)系進(jìn)行分析以及對(duì)參試品種的綜合排名進(jìn)行計(jì)算，使結(jié)論更具有說服力。用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)引種的22個(gè)參試糖用甜菜品種的綜合性狀進(jìn)行分析，通過取最優(yōu)值得出排名，再與標(biāo)樣（對(duì)照品種KWS1197）進(jìn)行比較，來選擇最佳得品種，與魯兆新[15]研究的以甜菜各形狀的最優(yōu)值確定甜菜品種的方法大致相同。與王學(xué)偉[24]、陳彥云[25]所選的性狀大致相同，都以育種為目的對(duì)參試品種進(jìn)行分析，所選的最終產(chǎn)品均是根產(chǎn)量、產(chǎn)糖量高的產(chǎn)品，但是本研究與以往研究的不同是，我們?cè)谶x擇引種的糖用甜菜性狀指標(biāo)時(shí)，除了考慮產(chǎn)質(zhì)量因素，還增加了對(duì)抗病性的因素，即當(dāng)?shù)刂饕『Αじ。@也是利用主成分和灰色關(guān)聯(lián)分析兩種方法對(duì)引種糖用甜菜抗病篩選的新途徑和新方法。

本研究將主成分分析法和灰色關(guān)聯(lián)度分析法結(jié)合使用，用于糖用甜菜引種適應(yīng)性的產(chǎn)質(zhì)量和抗病篩選具有比較鮮明的優(yōu)勢。例如灰色關(guān)聯(lián)度可將樣本最小化，從而能夠得到最大的信息，而主成分分析法可以將有限信息的利用發(fā)揮到最大化，避免重復(fù)信息的干擾?；疑P(guān)聯(lián)度分析法和主成分分析法的結(jié)合可的有效的避免傳統(tǒng)的人為方法的不足，使試驗(yàn)結(jié)果更加科學(xué)。由于以上前人的研究方法與本研究的方法大致相同，因此還可以說明本研究結(jié)果還具有可行性。

但是在研究過程中，也存在很多不足。如在對(duì)糖用甜菜根腐病的調(diào)查時(shí)，存在很大的主觀性，會(huì)產(chǎn)生人為的誤差，將會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性。試驗(yàn)中所選取的甜菜性狀指標(biāo)較少，并且從試驗(yàn)的22個(gè)甜菜品種的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，可以看出這些性狀之間存在著不同程度的制約性?；疑P(guān)聯(lián)系統(tǒng)是一個(gè)不斷變化的系統(tǒng)，受時(shí)間、地點(diǎn)以及品種選擇的數(shù)列的影響[26]，所以對(duì)于品種適應(yīng)性的研究還存在著許多的不足，下一步的工作我們將在進(jìn)行甜菜品種的選擇時(shí)，要經(jīng)過多因素（植物農(nóng)藝性狀、品質(zhì)性狀等）的考量，最終選擇最適宜種植的甜菜品種。

本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析和主成分分析相結(jié)合的方法，優(yōu)選出產(chǎn)量高、含糖率高特性，并且對(duì)根腐病的耐抗性較強(qiáng)的糖用甜菜品種，通過灰色關(guān)聯(lián)分析和主成分分析都得到排名最高的品種即‘KWS0023’。所以對(duì)于黑龍江省哈爾濱市黑龍江大學(xué)呼蘭試驗(yàn)基地當(dāng)?shù)胤N植情況來說，通過科學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)引種的22個(gè)糖用甜菜品種的綜合產(chǎn)質(zhì)量和抗病性指標(biāo)進(jìn)行分析，最適宜種植品種是‘KWS0023’，其次是‘KWS0015’。根據(jù)本文的試驗(yàn)結(jié)果，證明兩種統(tǒng)計(jì)方法的結(jié)合可以作為篩選適宜當(dāng)?shù)匾M(jìn)甜菜種植的優(yōu)質(zhì)、抗病、高產(chǎn)品種的科學(xué)有效的方法之一。