基于主成分分析與聚類分析的西芹生長適應(yīng)性評價

中圖分類號：S636.3 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：008-038（2025）06-0050-06

DOI： 0.9590/j.cnki.008-038.2025.06.009

Evaluation of Growth Adaptability of Celery Based on Principal Component Analysis and Cluster Analysis

NANBailin'， ZHANG Haijie2， SHI Lili2， ZHANG Hexiao2，XU Chunmiao3，CHENG Yonglong2 （1.Agricultural Technology Extension Service Center of Anding District，Dingxi 743OO0，China; 2.Dingxi Academy of Agricultural Sciences，Dingxi 743ooo， China; 3.Horticultural Station of Anding District， Dingxi City， Dingxi 743000， China）

Abstract：Toaccurately identifyand select superior celery varietiessuitableforcultivation in Dingxi city，this paper comprehensively evaluated 2O introduced varieties based on six indicators using principal component analysisand cluster analysis methods.Theresults showed that through thequantitative function model of two principal component factors constructedby principal component analysis，the varieties‘Curacao’‘French

Gren Sword’‘Venus’‘King Celery’，and‘American King’had the highest comprehensive trait scores.By using the heat map cluster dendrogram to systematically classifydiffrentcelery varieties，the2O varieties were clustered into three major categories based on six trait indicators.Among them，the varieties‘Curacao’， ‘French Green Sword'，and‘Venus’were clustered into one category，characterized by large single fruit weight，high yield，excellnt quality，and good comprehensive traits.Thisresult was basically consistent with thefieldgrowth situation，indicating the high reliability of the comprehensiveevaluation results.The comprehensive analysis indicated that the varieties‘Curacao’‘French Green Sword’，and‘Venus’ were suitable for cultivation in Dingxi cityand were varieties with market potential that were suitable for promotion.

Keywords： Celery; principal component analysis; cluster analysis; comprehensive evaluation

西芹是芹菜（Apium graveolensL.）的一個種類，為傘形科芹屬一、二年生草本植物，是一種重要的葉菜類蔬菜作物I。西芹廣泛種植于世界各地，目前在我國南北地區(qū)種植面積較大，是人們青睞的蔬菜之一。研究顯示，西芹中含有多種人體不可或缺的營養(yǎng)物質(zhì)，如微量元素Zn?Fe?Mn 和 Cu 等含量極高， Ca.Fe 等含量高于白菜、黃瓜、番茄等蔬菜，還含有芹菜素等功能性成分，有調(diào)經(jīng)消炎、降壓、鎮(zhèn)靜和清熱止咳，以及抑制皮膚黑色素瘤的生長、遷移和促進血管生成等功效。

近年來，定西地區(qū)西芹栽培面積不斷擴大，據(jù)統(tǒng)計，定西地區(qū)西芹種植面積2015年為 2 266.7hm²，2024 年為 7 333.3hm² ，增加了3.24倍。西芹貯運設(shè)施逐步更新，市場營銷體系不斷完善，但西芹的品種工作選育較為滯后，嚴重制約著芹菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展4，加快高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆等具有優(yōu)良性狀的西芹新品種的引進篩選，仍然是解決當(dāng)?shù)匚髑燮贩N多而雜、產(chǎn)量低而不穩(wěn)、品質(zhì)不過關(guān)、主栽品種不突出等重要問題的措施7。

目前對西芹各農(nóng)藝性狀的相關(guān)性、主成分分析、多個品種聚類分析的研究還比較缺乏。近年來，品種篩選研究多以品質(zhì)、抗逆性和產(chǎn)量指標(biāo)作為評價因子[8-9]，此類分析方法不能完全綜合評價品種的所有特性，而對品種綜合性狀的疊加評價，涉及多個有關(guān)品質(zhì)、產(chǎn)量性狀指標(biāo)，進而增加了分析的復(fù)雜性，因此需要一種能更好地進行多性狀綜合選擇的方法。主成分分析和聚類分析方法是采用降維的分析方法，通過數(shù)學(xué)運算剔除次要內(nèi)容保留重要信息，用少量綜合指標(biāo)代替原來多個指標(biāo)絕大部分信息III-I2I，，而聚類分析是對給定對象應(yīng)用數(shù)學(xué)方法進行研究和處理的分類方法，該綜合評價方法已用于分析辣椒[9.14]、番茄[15]、蜜橘[大蔥[17]等果蔬產(chǎn)品的多樣性、多指標(biāo)的品質(zhì)分析，并已取得很好效果，然而采用該方法對西芹品質(zhì)、產(chǎn)量的綜合評價報道較少。本文借助相關(guān)性分析、主成分分析與聚類分析等多元統(tǒng)計分析，對不同西芹品種進行綜合評價，以期構(gòu)建一種有效的西芹引種篩選體系，為引進篩選適合當(dāng)?shù)胤N植的優(yōu)良品種提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1 試驗材料

參試品種有20個，品種代號為 ₁～20 ，分別為‘美奐‘埃菲爾'‘法國綠劍'‘維納斯'‘庫拉索'‘高優(yōu)他'‘文圖拉'‘西芹馬倫戈’‘美皇’‘圣地亞哥’‘凰皇’‘英皇’‘精選加州王‘高優(yōu)它‘鳳凰‘美國嫩脆王‘優(yōu)良加州王‘精選四季”“凱爾文’‘蘭巴達’，均由蘭州市西關(guān)農(nóng)貿(mào)市場引進。

試驗用肥料：生物有機肥（有機質(zhì) ≥40% N+P₂O+ K₂0?5% ，黑金氮磷鉀復(fù)合肥 （N-P₂O₅-K₂O=17-17-17） 。

1.2試驗方法

試驗在甘肅省定西市鳳翔鎮(zhèn) （104.5933%.35.56969%） 進行，當(dāng)?shù)睾０?1 898.7m ，年平均氣溫 6.3^9C ，平均年降水量 400mm ，全年無霜期約 140d; ，屬中溫帶干旱半干旱氣候。試驗設(shè)3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，每小區(qū)面積 3m× 5m ，平地覆白膜栽培，株行距為 25cm×30cm ，每 667m² 株數(shù)為8893株。

2022年3月1日在日光溫室中播種育苗，播種前用55^°C 溫水處理種子后催芽， 70% 的種子露白后，每穴點播3粒，兩葉一心時間苗，每穴留1株，5月10日移栽到大田，7月底開始陸續(xù)收獲。栽前每 667m² 施生物有機肥 320kg （有機質(zhì) ≥40% ，黑金氮磷鉀復(fù)合肥 40kg ，田間管理同常規(guī)管理。試驗區(qū)土壤為中黏土，土壤初始 pH 為 8，0～20cm 耕層土壤有機質(zhì) 11.2g/kg. 全氮 1.3g/kg. 堿解氮 70.5mg/kg 速效磷 47.4mg/kg 速效鉀 88.3mg/kg 試驗地前茬種植玉米。

1.3 測定項目

西芹成熟期，根據(jù)S取樣法，各小區(qū)選取10株植株，詳細調(diào)查株高 （X₁） 、葉柄長 （X₂） 、葉柄寬 （X₃） 、葉片數(shù)（X₄） 、單株質(zhì)量 （X₅） 、每 667m² 產(chǎn)量 （X₆） 、顏色、纖維、中空程度、燒心情況。測定小區(qū)內(nèi) 1m² 產(chǎn)量，重復(fù)3次，再折合每 667m² 產(chǎn)量。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用 Excel2020 進行數(shù)據(jù)整理，利用SPSS25.0對所測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用降維-因子分析法、系統(tǒng)聚類-平方歐氏距離法對各性狀指標(biāo)進行主成分分析及聚類分析9-，，并用Origin2021進行熱圖制作。

2 結(jié)果與分析

2.1參試西芹品種植株主要性狀指標(biāo)

從表1可以看出，不同品種西芹的株高差異較大，為62.6～79.3cm ，其中‘法國綠劍'的株高最高，與‘庫拉索'“蘭巴達’‘優(yōu)良加州主'‘維納斯'‘美奐'和‘凱爾文'差異不顯著；‘精選加州王'的株高最低，顯著低于其他品種。不同品種西芹的葉柄長為 29.7～45.1cm ，其中‘庫拉索'最高，與‘法國綠劍'‘維納斯'差異不顯著，顯著高于其他處理；‘精選四季'的葉柄長最低為 29.7cm ，與‘精選加州王'差異不顯著，顯著低于其他品種。不同品種西芹的葉柄寬差異性也較大，為 17.9～30.0mm ，其中‘法國綠劍最高，‘美奐'最低。不同品種西芹的葉片數(shù)不同，其中‘維納斯'最高（18.1片），‘圣地亞哥'最低（10.8片）。不同品種西芹的顏色為黃綠、淺綠和深綠。

表2參試西芹品種的產(chǎn)量及品質(zhì)

2.2 參試西芹產(chǎn)量及品質(zhì)比較

從表2可以看出，不同品種西芹的單株質(zhì)量為0.80～1.33kg ，‘庫拉索’‘美皇’‘維納斯'和‘法國綠劍’顯著高于其他品種；‘優(yōu)良加州王'最小，與‘凰皇’‘凱爾文‘美奐’‘圣地亞哥'和‘美國嫩脆王'的單株質(zhì)量無顯著性差異，與其他品種差異顯著。不同品種西芹的產(chǎn)量差異較顯著，每 667m² 產(chǎn)量最高的是‘英皇' （9490.61kg） 與‘庫拉索’‘維納斯’法國綠劍'差異不顯著，與其他品種差異顯著；‘庫拉索’‘維納斯’‘法國綠劍’的產(chǎn)量居第二、三、四位，分別為 9462.2，9301.0.9035.3kg/667m²， ‘凰皇'產(chǎn)量最低，每 667m² 產(chǎn)量僅為 5 698.6kg 。

不同品種西芹的纖維素含量，除‘美奐’和‘優(yōu)良加州王'較多外，其他品種表現(xiàn)為較少或中等。中空程度方面，除‘美奐'最多外，其他品種較少或無。不同品種西芹的燒心情況，以‘美奐’最多，‘埃菲爾’‘法國綠劍’‘西芹馬倫戈’‘鳳凰’‘美國嫩脆王'較少，其他品種無燒Table4Principa心情況。

2.3主要性狀指標(biāo)的主成分分析

為了更加客觀地描述研究對象，去除冗余信息，對20個西芹品種的6個性狀指標(biāo)進行Bartlett球形檢驗，結(jié)果見表3。由表3可知，卡方值為 181.047，P 值為0.001。當(dāng)KMO取值大于0.5，且Sig值小于0.05，說明各指標(biāo)具有較強的關(guān)聯(lián)性，數(shù)據(jù)可適用主成分分析方法處理。

主成分中不同性狀指標(biāo)影響力的高低與方向可用特征向量值的大小來評價，本文采用DPS降維處理對性狀指標(biāo)進行主成分分析，結(jié)果見表4。由表4可知，依據(jù)其特征值 gt;1.0 的提取標(biāo)準選取了前2個主成分。主成分1的貢獻率為 62.661% ，載荷量從大到小依次為每 667m² 產(chǎn)量、單株質(zhì)量、葉片數(shù)；主成分2的貢獻率為 21.166% ，載荷量較大的為葉柄長、葉柄寬、株高，前2個主成分的累計貢獻率為 83.827% ，涵蓋了西芹6個性狀指標(biāo)絕大部分的信息，說明前兩個主成分的載荷量越大，西芹在當(dāng)?shù)卦耘噙m應(yīng)性越強。因此，影響西芹栽培適應(yīng)性的主要因素依次是每 667m² 產(chǎn)量、單株質(zhì)量、葉片數(shù)、葉柄長、葉柄寬和株高，則前2個主成分可以作為定西市西芹品種栽培適應(yīng)性評價的綜合指標(biāo)。

根據(jù)6個性狀2個主成分因子得分結(jié)果，構(gòu)建主成分 PC1～PC2 的因子關(guān)系式和綜合評價函數(shù)模型 F

F1=-0.002X₁-0.031X₂-0.174X₃+0.229X₄+0.251X₅+ 0.25X₆ （20

F2=0.353X₁-0.011X₂+0.028X₃-0.167X₄+0.24X₅+ 0.781X₆+0.248X₇+0.772X₈

F=λ₁/（λ₁+λ₂）×F1+λ₂/（λ₁+λ₂）×F2 ，得到評價函數(shù)式 F= 0.748F1+0.252F2 。其中， λ₁ 和 λ₂ 分別為 PC1～PC3 對應(yīng)的特征值，綜合得分見表5。位居前五位的品種依次為‘庫拉索’‘法國綠劍'‘維納斯’英皇’‘美皇’。結(jié)合農(nóng)藝性狀發(fā)現(xiàn)，得分越高，說明品種綜合性狀越突出，各因子協(xié)調(diào)程度越高。

表5參試西芹品種的綜合得分

2.4不同西芹品種聚類分析

依據(jù)主成分分析中6個性狀指標(biāo)結(jié)果，對20個西芹品種進行系統(tǒng)分類，聚類熱圖顏色變化反映數(shù)據(jù)的大小及差異（如圖1）。20個品種依據(jù)6個性狀指標(biāo)聚成三大類，1類包括‘庫拉索’‘法國綠劍'和‘維納斯'3個品種，表現(xiàn)為每 667m² 的產(chǎn)量和株高較高，葉柄長較長，品質(zhì)較好，綜合性狀好，顯著優(yōu)于其他類別。Ⅱ類包括‘英皇‘美皇’‘高優(yōu)他’‘鳳凰’‘文圖拉’‘精選四季’‘西芹馬倫戈和‘精選加州王'這8個品種，表現(xiàn)為單果質(zhì)量較高，其他各指標(biāo)中等；Ⅱ類包括‘蘭巴達‘埃菲爾’‘圣地亞哥‘美奐‘優(yōu)良加州王‘凱爾文’‘凰皇’‘美國嫩脆王’和‘津美西芹'這9個品種，表現(xiàn)為品種株高中等，產(chǎn)量較低，綜合性狀低于其他類別。結(jié)果證明，聚類分析和主成分分析結(jié)果基本一致，主成分分析得分相近的品種基本歸為同類。

3討論與結(jié)論

基于主成分分析、聚類分析、相關(guān)性分析的農(nóng)藝性狀鑒定是評價黃瓜[18、番茄[5]、辣椒[9.4]、大蔥[7等品種最基礎(chǔ)的方法，這種方法可以簡單、直觀、全面地分析各蔬菜品種特性及在種植地的適應(yīng)性，也是鑒定和描述種質(zhì)資源研究最基本的方法和途徑[19-20]，為目標(biāo)育種和品種篩選提供參考依據(jù)。

本研究對20個西芹品種6個性狀指標(biāo)進行了主成分分析和聚類分析。主成分分析評價結(jié)果表明，得分前5位的品種依次是‘庫拉索’‘法國綠劍’‘維納斯’‘英皇’“美皇’，這5個品種綜合性狀突出，產(chǎn)量均較高。經(jīng)過對6個性狀指標(biāo)繪制聚類分析，將20品種分為3類，其中I類包含的3個品種‘庫拉索’‘法國綠劍'和‘維納斯’，表現(xiàn)為每 667m² 的產(chǎn)量和株高較高，葉柄較長，品質(zhì)也優(yōu)，綜合性狀好。該結(jié)果與田間生長情況基本一致，說明綜合評價結(jié)果的可靠性較高；Ⅱ類包括‘英皇’‘美皇’“高優(yōu)他’‘鳳凰’‘文圖拉’‘精選四季'‘西芹馬倫戈'和精選加州王'8個品種，表現(xiàn)為單果質(zhì)量較高，其他各指標(biāo)中等；Ⅲ類包括‘蘭巴達'‘埃菲爾‘圣地亞哥’‘美奐’‘優(yōu)良加州王'‘凱爾文'‘凰皇’‘美國嫩脆王'和‘津美西芹'9個品種，表現(xiàn)為產(chǎn)量較低，綜合性狀較差，經(jīng)濟價值不高，不建議在本地推廣種植。綜合分析表明，‘庫拉索’法國綠劍'和‘維納斯'共3個品種表現(xiàn)為綜合性狀優(yōu)，產(chǎn)量高，綜合得分高，說明各因子之間的協(xié)調(diào)性較好，適合在定西地區(qū)進行栽培，是適宜推廣并具有應(yīng)用潛力的品種。

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