基于主成分與聚類分析的小豆品種綜合評價

劉振興 周桂梅 陳健 李秋艷

摘要：為簡化評價體系、客觀地評價小豆品種的優劣，采用相關、主成分及聚類方法，對30個小豆品種11個主要性狀進行分析。結果表明，11個性狀的變異系數在5.66%～26.38%，其中主莖分枝的變異系數最大，莢長的變異系數最小。相關分析表明，單株產量與全生育期、生育后期、株高、主莖分枝、單株莢數呈極顯著正相關。主成分分析表明，11個主要性狀可用5個主成分來表述（累積貢獻率達92.3955%）。主成分聚類，篩選出單莢粒數、單株莢數、主莖分枝、生育前期、株高和百粒重6個因子來代替原有的11個性狀指標。因此，對小豆進行綜合評價時，可只考慮單莢粒數、單株莢數、主莖分枝、生育前期、株高和百粒重這6個因子，簡化了評價體系；經綜合評價，唐山本地的2個品種排在前2位，綜合性狀最好；來自東北的幾個品種位居最后。

關鍵詞：小豆；相關分析；主成分分析；聚類分析；綜合評價

中圖分類號：S521.04

文獻標志碼：A

論文編號：cjas15020017

0引言

小豆（Vigna angularis）起源于中國，屬于醫食同源作物，是國內傳統的出口創匯產品，也是現代農業種植結構調整的重要經濟作物及欠發達地區脫貧致富的主要經濟來源。但生產上用種較混雜，優良品種推廣較少，限制了小豆產量和品質的提高。因此引育高產、穩產優良新品種是育種工作的首要任務。

綜合評價是衡量一個品種優劣的手段，它避免了以產量定標準的片面性。在小豆品種綜合評價方法上，不少學者采用了灰色關聯度法、基于熵權的多目標決策法、GGE法，為小豆資源的合理利用及新品種示范推廣提供了理論依據。然而，這些方法沒有考慮相關性狀間的相互影響，評價結果與生產實際存在著一定的偏差。申慧芳和周桂梅運用了主成分和因子分析方法，把多個相關性狀結合起來，綜合評價了小豆品種的優劣，但沒能進一步地進行性狀主成分、主因子的聚類，評價指標較多，因此，這2種綜合評價體系還有待進一步優化。本研究在相關性狀分析的基礎，運用主成分分析法對30個小豆品種進行了綜合評價，并對主成分進行了聚類，簡化評價因子，旨在為進一步優化品種綜合評價體系提供參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

參試材料為近年來國內各育種單位育成的小豆新品種（系）和個別優異的地方品種，共30份，品種名稱及選育單位見表1。

1.2試驗設計

試驗于2013-2014年在唐山市農業科學研究院試驗地進行，數據分析采用2年試驗結果的平均值。試驗設30個處理，4行區，行長5m，行距0.5m，株距16.7cm。3次重復，隨機區組設計。成熟后，小區內隨機選取10株進行田間和室內考種。田間調查和室內考種方法參照程須珍等。生長期間田間調查全生育期（growing period，GP）、生育前期（days beforeflowering，DBF）和生育后期（days after flowering，DAF），室內考種調查株高（plant height，PH）、主莖分枝數（numbers of branches，NOB）、主莖節數（node numberof main stem，NOS）、單株莢數（pod number per plant，PNP）、莢長（pod length，PL）、單莢粒數（seed number perpod，SNP）、百粒重（100-seed weight，SW）和單株粒重（yield per plant，YPP）等。

1.3數據統計分析

利用Excel進行數據平均值、標準差及變異系數的分析；利用DPS 7.05軟件進行相關性、主成分及聚類分析；依據方差累計貢獻率≥90%的標準提取主成分，以各主成分對應的方差貢獻率作為權重，對主成分得分和相應的權重進行線性加權，構建小豆品種評價函數；主成分聚類分析按歐式距離類平均法進行系統聚類。

2結果與分析

2.1不同品種小豆性狀分析

30個小豆品種的性狀統計見表2。生育期指標中，參試小豆品種全生育期范圍76～100天，生育前期36～53天，生育后期28～64天。其中，‘白紅3號的全生育期最短，僅為76天；‘唐紅37的最長，全生育期為100天；‘唐山紅小豆和‘唐紅372個品種生育前期最短，僅為36天，而生育后期最長，分別為63、64天。這2個品種生殖生長期較其他品種長，為高產奠定了基礎。在農藝性狀指標中，株高的變幅39.0～79.7cm，主莖分枝2.1～6.1個，主莖節數13.7～18.9個。其中，‘吉紅7號的株高最矮，‘唐山紅小豆最高；‘白紅3號的主莖分枝最小，‘唐山紅小豆的分枝最多；‘龍小豆3號的主莖節數最小，‘唐山紅小豆的主莖節數最大。在產量性狀指標中，單株結莢數范圍25.7～62.1個，莢長6.1-8.0cm，單莢粒數5.2～8.0個，百粒重9.4～18.7g，單株產量14.7～38.0g。其中，‘吉紅10號的單株結莢最少，‘唐山紅小豆結莢最多；‘保紅2001-15的莢長最短，‘泥河灣小豆的結莢最長；‘保紅876-16、‘冀紅0001-7的單莢粒數最少，‘唐紅37的單莢粒數最多；‘白紅3號的百粒重最小，‘蘇紅11-1的最大；‘品紅2000-33的單株產量最低，‘唐紅37的單株產量最高。

變異系數是衡量性狀表現差異程度、變異范圍的量。參試的30個小豆品種性狀的變異系數存在明顯差異，變異系數由大到小依次為：主莖分枝>單株產量>單株結莢數>百粒重>株高>生育后期>單莢粒數>生育前期>主莖節數>全生育期>莢長。主莖分枝、單株產量、單株結莢數、百粒重、株高和生育后期的變異系數較高，均在16%以上，這與河北省紅小豆品種資源、‘唐山紅小豆地方品種數量性狀遺傳變異基本一致，說明這些性狀選擇的潛力大，受環境影響較大。莢長、全生育期及主莖節數的變異系數較小，說明這些性狀受本身內在因素決定，受環境因素的影響較小。因此，改善環境，提高分枝數、單株結莢數、百粒重及控制株高是實現小豆高產的有效途徑。

2.2不同品種小豆性狀間的相關分析

由表3可知，株高與生育后期的正相關性最大（γ=0.8402），說明生育后期越長，小豆植株越高；單株莢數與生育期負相關最大（γ=-0.6585），說明小豆生育前期越短，單株結莢數就越多。小豆的生育后期與全生育期呈極顯著的正相關，與生育前期呈極顯著的負相關；株高與全生育期、生育后期呈極顯著正相關，與生育前期呈極顯著負相關；主莖分枝與全生育期、生育后期、株高呈極顯著正相關；主莖節數與生育后期、株高高度正相關；單株結莢數與全生育期、生育后期、株高、主莖分枝、主莖節數呈極顯著正相關；單株粒重與全生育期、生育后期、株高、主莖分枝、單株結莢數呈極顯著正相關。

可見，生育后期、株高、主莖分枝和單株結莢數是小豆最主要的形態性狀，與其他性狀保持高度正相關，這與申慧芳、韓粉霞、曾玲玲等的研究基本一致。因此，在小豆的種質創新中，應把這4個性狀作為首要性狀進行選擇，然后再考慮莢粒數、百粒重等其他性狀；在生產中，應優化小豆栽培條件，調控株高，促進主莖分枝能力，增加單株結莢數，延長葉片功能期，為高產創造條件。

2.3不同品種小豆性狀間的主成分分析

對小豆品種的主要性狀進行主成分分析，結果顯示前5個主成分的累積貢獻率為92.3955%（表4），表明前5個主成分已基本包含了小豆性狀的全部信息，可用前5個主成分對其進行綜合評價。第1主成分的特征值為5.4725，貢獻率為49.7504%。決定第1主成分的主要是生育后期，其次為單株結莢數、株高、單株粒重和主莖分枝，稱為生育期因子。第2主成分的特征值為1.9478，貢獻率為17.7075%。決定第2主成分的主要是百粒重，其次為生育前期、生育期及單株粒重，稱之為粒重因子。第3主成分的特征值為1.5528，貢獻率為14.1162%，起決定作用的是單株結莢數，稱為莢數因子。第4主成分的特征值為0.6503，貢獻率為5.9118%，起決定作用的為單莢粒數，稱為莢粒數因子。第5成分的特征值為0.5401，貢獻率為4.9096%，起決定作用的是主莖分枝，稱為分枝因子。

2.4不同小豆品種的綜合評價

以各主成分對應的方差貢獻率作為權重，對主成分得分和相應的權重進行線性加權，構建小豆品種評價函數γ=49.7504γ₁+17.7075γ₂+14.1162γ₃+5.9118γ₄+4.9096γ₅，計算各品種的綜合評價分值，分值越高表示該品種綜合評價越好。由表5可知，30個小豆品種中，‘唐紅37綜合評價最好，其次為‘唐山紅小豆和‘保紅947，‘白紅3號綜合評價最差。品種優良排序結果與因子分析結果略有不同。

2.5小豆性狀指標的主成分聚類

根據主成分分析結果，對5個主成分中11個性狀指標的特征向量采用歐式距離類平均法（UPGMA）進行系統聚類。同居于一類的性狀間具有密切的相關系，可用一個因素代表同一類中的其他因素；單一性狀單獨聚類的具有相對獨立性。聚類結果表明，在最大距離為0.8788時將11個性狀指標劃分為5類（圖1）：（1）全生育期、莢長、主莖節數、生育后期、株高、單株粒重和百粒重；（2）生育前期；（3）主莖分枝；（4）單株莢數；（5）單莢粒數。結合性狀間的相關性分析結果，最終確定單莢粒數、單株莢數、主莖分枝、生育前期、株高和百粒重6個因子來綜合評價小豆品種的優劣。

3結論與討論

小豆主要性狀的變異系數在5.66%～26.38%，說明性狀間存在豐富的多樣性；主莖分枝、單株產量、單株結莢數、百粒重、株高和生育后期的變異系數較大，且生育后期、株高、主莖分枝和單株結莢數與其他性狀保持高度正相關，因此，在品種選育上，應把這4個性狀作為首要性狀進行選擇；在生產中，應優化小豆栽培條件，調控株高，促進主莖分枝能力，增加單株結莢數，延長葉片功能期，為高產創造條件。

綜合評價結果顯示，‘唐紅37和‘唐山紅小豆綜合評價排名前2位，東北的幾個品種排在最后。劉振興曾指出‘唐紅37和‘唐山紅小豆株型高大、生育期偏長的性狀不適應當代育種目標，更不適合大面積生產利用，但它們具有良好的產量性狀，具有單獨保存的價值，可作為優異資源進行保留，王麗俠也提出同名種質的‘唐山紅小豆具有單獨保存的價值。因此，在本地區大面積推廣的品種應為排在第3位的‘保紅947，‘唐紅37和‘唐山紅小豆作為優異資源進行單獨保存。

試驗結果表明，11個主要性狀可簡化為生育期、粒重、莢數、莢粒數、分枝5個相互獨立的主成分，這5個主成分對變異的累積貢獻率達92.3955%。在此基礎上對30個小豆品種進行綜合評價，評價結果與因子分析的結果基本一致。對主成分進行聚類，結合性狀間的相關性分析，確定單莢粒數、單株莢數、主莖分枝、生育前期、株高和百粒重作為小豆品種綜合評價的指標，簡化了評價體系。

但是，小豆屬短日照作物，光溫敏感，性狀表現受外界環境影響較大。所以，基于表型性狀的綜合評價呈一定的地域性，評價結果也是相對的。主成分分析是將原來較多、彼此相關的因子轉換少量且彼此獨立的因子，從而達到簡化多指標分析的一種方法。在具體的評價中，由于所選的群體和研究的性狀不同，用主成分構造的綜合性狀是有區別的。所選數據越多，評價結果越準確。本試驗是以小豆生育期及形態性狀為原始指標，缺乏籽粒色澤這一主要的商品指標及營養成分含量，評價結果存在一定的局限性，下一步將小豆籽粒的粒型、粒色及養分含量納入評價指標，以完善小豆品種綜合評價體系。