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(寧夏農(nóng)林科學(xué)院 園藝研究所,寧夏 銀川 750002)
棗Ziziphus jujuba為鼠李科Rhamnaceae 棗屬Ziziphus植物,是中國(guó)重要的特有果樹[1]。中國(guó)的棗樹種質(zhì)資源極其豐富,至今已發(fā)現(xiàn)和記載的棗樹品種和優(yōu)系多達(dá)944 種,主要分布于河北、河南、山東、山西、陜西,還有近幾年發(fā)展起來(lái)的新疆、甘肅等地[1-2]。鮮食棗因酸甜可口的獨(dú)特風(fēng)味和富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),深受消費(fèi)者歡迎。果實(shí)品質(zhì)是影響果實(shí)商品性的關(guān)鍵因素,也是良種選育和果品選優(yōu)的重要參考依據(jù)[3]。通常采用感官評(píng)定和方差分析相結(jié)合的方法進(jìn)行棗果實(shí)品質(zhì)評(píng)價(jià)。進(jìn)行感官評(píng)定時(shí),主觀性存在差異和良種選育指標(biāo)眾多等因素常導(dǎo)致選育過(guò)程紛繁復(fù)雜且結(jié)果不確定性增大[4],因此評(píng)價(jià)結(jié)果往往存在較大差異。
近年來(lái),學(xué)者們采用多元統(tǒng)計(jì)分析方法,將多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)化來(lái)反映整體品質(zhì),對(duì)多種作物品質(zhì)進(jìn)行了綜合分析與評(píng)價(jià),結(jié)果更加全面、客觀和可靠。其中,主成分分析是目前常用的一種多元統(tǒng)計(jì)方法。劉俊濤等[5]采用主成分分析法,建立千年桐優(yōu)株評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系,篩選出了千年桐優(yōu)株;王彥花等[6]采用該方法建立了茶油綜合品質(zhì)評(píng)價(jià)模型,并基于主成分得分及綜合品質(zhì)得分進(jìn)行了茶油品質(zhì)排序。主成分分析法在果實(shí)品質(zhì)分析上的應(yīng)用更加廣泛。溫靜等[7]采用主成分分析法對(duì)不同歐李品種果實(shí)的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià),建立了一套適合歐李果實(shí)品質(zhì)評(píng)價(jià)的方法;康專苗等[8]采用該方法對(duì)貴州杧果品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),篩選適種的優(yōu)勢(shì)品種;李彥彪等[9]采用該方法進(jìn)一步完善了河西走廊地區(qū)釀酒葡萄果實(shí)品質(zhì)的評(píng)價(jià)體系?;疑P(guān)聯(lián)度分析也是一種常用的多元統(tǒng)計(jì)方法,并已被應(yīng)用于品質(zhì)評(píng)價(jià)研究領(lǐng)域。孫穎等[10]采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)日本野漆樹果實(shí)品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià);楊璐等[11]結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析法和主成分分析法,對(duì)桑葚品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),構(gòu)建了品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)體系。在鮮食棗果實(shí)品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中大多采用主成分分析法[12-14],采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法進(jìn)行鮮食棗果實(shí)品質(zhì)評(píng)價(jià)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究中以25 個(gè)棗實(shí)生優(yōu)選株系為試材,選用10 個(gè)果實(shí)品質(zhì)指標(biāo),采用主成分分析法和灰色關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)果實(shí)品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以期完善鮮食棗果實(shí)品質(zhì)評(píng)價(jià)體系,為鮮食棗果實(shí)品質(zhì)評(píng)價(jià)和優(yōu)質(zhì)品種選育提供參考依據(jù)。
參試的25 個(gè)棗優(yōu)選株系來(lái)自寧夏農(nóng)林科學(xué)院棗實(shí)生選種圃的5 個(gè)群體。該地為典型的溫帶大陸性氣候,年均降水184 mm,平均溫度8.4 ℃,年均日照3 099 h,年均無(wú)霜期168 d[15]。供試材料均為自然授粉產(chǎn)生的種子播種后形成的實(shí)生植株,其中1-、2-、N-群體母本為冬棗,F(xiàn)-、K-群體母本為伏脆蜜,H-群體母本為灰棗,Z-、M-、E-群體母本為早脆王,G-群體母本為哈密大棗。樹齡為3 ~6 a,株行距為0.5 m×1 m,田間管理一致。2019年9—10月采集脆熟期果實(shí),帶回實(shí)驗(yàn)室,測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。供試株系果實(shí)的基本情況見(jiàn)表1。
表1 供試株系果實(shí)基本情況Table 1 The basic fruit information of tested strains
隨機(jī)選取20 個(gè)果實(shí),使用游標(biāo)卡尺測(cè)定果實(shí)縱橫徑,使用1/100 天平測(cè)定單果質(zhì)量。將果實(shí)削皮后,打成勻漿,使用折糖儀測(cè)定可溶性固形物含量,采用酸堿滴定法測(cè)定可滴定酸含量,采用蒽酮-濃硫酸比色法測(cè)定可溶性糖含量,采用二氯酚靛酚滴定法測(cè)定維生素C 含量。果形指數(shù)為果實(shí)縱徑與橫徑的比值,固酸比為可溶性固形物含量與可滴定酸含量的比值,糖酸比為可溶性糖含量與可滴定酸含量的比值。
1.3.1 主成分分析
將25 個(gè)棗優(yōu)選株系果實(shí)的10 項(xiàng)指標(biāo),即縱徑、橫徑、果形指數(shù)、單果質(zhì)量、維生素C 含量、可滴定酸含量、可溶性固形物含量、可溶性糖含量、固酸比、糖酸比,分別用I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7、I8、I9、I10表示。使用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行主成分分析。首先,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,計(jì)算特征值、貢獻(xiàn)率、累計(jì)貢獻(xiàn)率及特征向量,提取特征值大于1 的主成分;其次,采用根據(jù)特征值得出的模型公式,計(jì)算各指標(biāo)的主成分分?jǐn)?shù);最后,以方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重,得出各株系的綜合得分模型公式[16]。
1.3.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析
根據(jù)灰色系統(tǒng)理論[17],將25 個(gè)棗優(yōu)選株系的10 項(xiàng)果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)作為一個(gè)灰色系統(tǒng),以各株系品質(zhì)指標(biāo)最優(yōu)值構(gòu)成參考數(shù)列X0(j),以不同株系各指標(biāo)的測(cè)定值構(gòu)成比較數(shù)列Xi(j)。
其中:j表示測(cè)定株系的第j項(xiàng)指標(biāo),j=1,2,…,n(n=10);i表示第i個(gè)株系,i=1,2,…,m(m=25)。
然后對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理,將其化為0 ~1 的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù),求出關(guān)聯(lián)系數(shù)(ξ)和加權(quán)關(guān)聯(lián)度(r)。
其中:|X0(j)-Xi(j)| 為X0數(shù)列與Xi在j點(diǎn)的絕對(duì)差值;為二級(jí)最小差;為二級(jí)最大差;ρ為分辨系數(shù),一般取ρ=0.5;ri為第i個(gè)株系的加權(quán)關(guān)聯(lián)度;Wj為第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值。
對(duì)25 個(gè)供試棗優(yōu)選株系的10 項(xiàng)果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,各品質(zhì)指標(biāo)的變異系數(shù)存在明顯差異。不同株系棗果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)的變異系數(shù)為7.92%~37.92%。果實(shí)外觀品質(zhì)指標(biāo)中,單果質(zhì)量變異系數(shù)最大,為37.29%,縱徑、橫徑、果形指數(shù)的變異系數(shù)為10%~20%。果實(shí)內(nèi)在品質(zhì)指標(biāo)中,維生素C 含量、可滴定酸含量、固酸比、糖酸比的變異系數(shù)相對(duì)較大,為20%~30%,可溶性固形物含量和可溶性糖含量的變異系數(shù)較小,分別為8.36%、7.92%,均小于10%。因此,果實(shí)可溶性固形物含量和可溶性糖含量在各株系中差異較小,表現(xiàn)穩(wěn)定,單果質(zhì)量在各株系中變異范圍廣。
表2 供試株系棗果實(shí)各品質(zhì)指標(biāo)?Table 2 The fruit quality indexes of tested jujube strains
對(duì)25 個(gè)供試棗優(yōu)選株系的10 項(xiàng)果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,根據(jù)特征值大于1 的原則,提取了4個(gè)主成分,結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,第1、2、3、4 主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為39.24%、24.06%、17.33%、10.27%,累計(jì)貢獻(xiàn)率為90.90%,即所提取的4 個(gè)主成分代表了供試株系果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)的絕大部分信息,因此可以選取相對(duì)獨(dú)立的4 個(gè)主成分作為不同棗株系果實(shí)品質(zhì)性狀的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo),達(dá)到降維的目的。
主成分的載荷矩陣反映了各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)主成分負(fù)荷的作用大小與方向,將各指標(biāo)在主成分中載荷值的絕對(duì)值大于0.5 的指標(biāo)組合成綜合性指標(biāo)[4]。由表3可知,第1 主成分反映了原始信息量的39.24%,縱徑、果形指數(shù)、固酸比、糖酸比有較大的正系數(shù)值,載荷值分別為0.723、0.677、0.890、0.880,可滴定酸含量有較大的負(fù)系數(shù)值,載荷值為-0.810,說(shuō)明第1 主成分大時(shí),果實(shí)縱徑、果形指數(shù)、固酸比、糖酸比的值增大,可滴定酸含量的值減小,其中固酸比、糖酸比、可滴定酸含量荷載值較大,第1 主成分可稱為果實(shí)風(fēng)味指標(biāo)。第2 主成分反映了原始信息量的24.06%,橫徑、單果質(zhì)量有較大的正系數(shù)值,載荷值分別為0.899、0.855,說(shuō)明第2 主成分大時(shí),橫徑、單果質(zhì)量的值增大,第2 主成分可稱為果實(shí)大小指標(biāo)。第3 主成分反映了原始信息量的17.33%,可溶性固形物含量、可溶性糖含量有較大的正系數(shù)值,載荷值分別為0.857、0.823,說(shuō)明第3 主成分大時(shí),可溶性固形物含量、可溶性糖含量的值增大,第3主成分可稱為果實(shí)糖分含量指標(biāo)。第4 主成分反映了原始信息量的10.27%,維生素C 含量有較大的正系數(shù)值,載荷值為0.596,說(shuō)明第4主成分大時(shí),維生素C 含量的值增大,第4 主成分可稱為果實(shí)營(yíng)養(yǎng)成分含量指標(biāo)。
表3 供試株系棗果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)主成分載荷矩陣Table 3 The principal component load matrix of fruit quality indexes of tested jujube strains
基于主成分?jǐn)?shù)學(xué)分析模型[18],根據(jù)特征向量是初始因子載荷矩除以特征值的平方根,得出各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的特征向量,以特征向量為權(quán)重,得出主成分得分模型公式,將標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)(Z)分別代入公式,便可得到25 個(gè)棗株系在4 個(gè)主成分上的得分(F)。以4 個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重,由主成分得分和對(duì)應(yīng)的權(quán)重加權(quán)求和,得出果實(shí)品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)模型(I)。
F1=0.37Z1+0.10Z2+0.34Z3+0.23Z4-0.14Z5-0.41Z6+0.22Z7+0.23Z8+0.45Z9+0.44Z10;
F2=0.34Z1+0.58Z2-0.12Z3+0.55Z4+0.24Z5+0.20Z6+0.10Z7+0.13Z8-0.24Z9-0.22Z10;
F3=-0.1 3Z1-0.1 5Z2-0.0 7Z3-0.1 5Z4-0.13Z5+0.30Z6+0.65Z7+0.63Z8-0.06Z9-0.08Z10;
F4=0.30Z1-0.33Z2+0.62Z3-0.13Z4+0.59Z5+0.19Z6+0.02Z7+0.005Z8-0.11Z9-0.11Z10;
I=0.39F1+0.24F2+0.17F3+0.10F4。
其中:Zj表示第j項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值,j=1,2,…,n(n=10)。
根據(jù)灰色系統(tǒng)理論的要求,選擇10 項(xiàng)指標(biāo)的最大值為最優(yōu)指標(biāo)集,X0(j)={50.12,38.42,1.62,23.61,460.38,0.87,34.73,32.51,98.21,86.49},進(jìn)行無(wú)量綱化處理,計(jì)算絕對(duì)差值,其中二級(jí)最小差為0,二級(jí)最大差為0.662 6,并分別計(jì)算關(guān)聯(lián)度系數(shù),結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 供試株系棗果實(shí)各品質(zhì)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度系數(shù)Table 4 Related coefficients of fruit quality index of tested jujube strains
采用因子分析法[19]確定果實(shí)各品質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重,詳見(jiàn)表5。由表5可知,縱徑、可滴定酸含量的權(quán)重最大,均為0.114。依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)公式,結(jié)合關(guān)聯(lián)度系數(shù)和指標(biāo)權(quán)重,計(jì)算供試株系果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)的加權(quán)關(guān)聯(lián)度。根據(jù)加權(quán)關(guān)聯(lián)度分析原則,加權(quán)關(guān)聯(lián)度值反映不同棗株系果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)集的差異大小,關(guān)聯(lián)度值越大,排序越靠前,表明供試株系與主要性狀指標(biāo)集的相似程度高,綜合性狀表現(xiàn)越理想,反之,相似程度低,綜合性狀表現(xiàn)越差[20]。
表5 供試株系棗果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重Table 5 The weight of fruit quality index of tested jujube strains
根據(jù)主成分模型公式和加權(quán)關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(表6)。將2 種果實(shí)品質(zhì)評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果表明:2 種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果秩相關(guān)系數(shù)為0.895,具有極顯著(P<0.01)的正相關(guān)性。從表6可知,采用2 種方法得出的果實(shí)品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致,因此這2 種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果具有較好的一致性,相互驗(yàn)證了準(zhǔn)確性。
表6 采用2 種方法得出的供試株系棗果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)的綜合分值及排序Table 6 The comprehensive score and rank of fruit quality of tested strains by two methods
采用主成分分析法得出的果實(shí)品質(zhì)綜合分值為-1.42 ~1.80,平均為0.000 4;采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法得出的果實(shí)品質(zhì)綜合分值為0.46~0.75,平均為0.57。其中,主成分綜合評(píng)價(jià)結(jié)果變異較大,灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定??傮w來(lái)看,主成分分析結(jié)果中綜合評(píng)價(jià)排名前5 位的分別是Z-4、2-2、Z-3、F-4、Z-1,灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果中綜合評(píng)價(jià)排名前5 位的分別是Z-4、2-3、2-2、F-4、Z-3??梢钥闯觯麑?shí)綜合品質(zhì)較佳的3 個(gè)群體是以早脆王、冬棗、伏脆蜜為母本的實(shí)生株系,因此Z-4、2-2、Z-3、F-4 是果實(shí)品質(zhì)優(yōu)良的株系,可作為進(jìn)一步選育的優(yōu)良種質(zhì)。
棗樹是優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)林樹種。受自身遺傳因素和外部環(huán)境的影響,不同棗樹種質(zhì)果實(shí)的品質(zhì)性狀差異較大,對(duì)其進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)是有效利用和選擇優(yōu)異種質(zhì)資源并推廣栽培的基礎(chǔ)和前提[21]。對(duì)25 個(gè)棗優(yōu)選株系的10 項(xiàng)果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)的分析結(jié)果表明,這些指標(biāo)在不同株系間存在不同程度的變異,其中可溶性糖含量的變異系數(shù)小于10%,屬于弱變異,糖酸比、固酸比的變異系數(shù)大于10%,屬于中等變異,與辜夕容等[4]、彭勇菲等[22]的研究結(jié)果類似。果實(shí)品質(zhì)是多個(gè)品質(zhì)指標(biāo)綜合作用的結(jié)果,傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法中主要采用單一指標(biāo)進(jìn)行分析,結(jié)果較為片面,不能說(shuō)明各指標(biāo)之間相互作用的效果。本研究中運(yùn)用主成分分析法和灰色關(guān)聯(lián)度分析法進(jìn)行綜合分析,可以較為全面、客觀地反映棗果實(shí)品質(zhì)狀況。
主成分分析法是將多個(gè)相關(guān)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)相關(guān)性較小的綜合指標(biāo),通過(guò)計(jì)算主成分綜合得分(屬于無(wú)量綱的數(shù)值),使得各株系棗果實(shí)品質(zhì)具有可比性。本研究中,通過(guò)主成分分析,將10 項(xiàng)棗果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為4 項(xiàng)綜合指標(biāo),其累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)90.90%,反映了果實(shí)品質(zhì)的大部分信息。主成分指標(biāo)是相互獨(dú)立的關(guān)系,可避免重復(fù)信息的干擾并簡(jiǎn)化選擇程序,便于綜合評(píng)價(jià)候選個(gè)體,評(píng)價(jià)結(jié)果具有準(zhǔn)確性和科學(xué)性[23]。正確進(jìn)行果實(shí)品質(zhì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)是確定評(píng)價(jià)因子,在果品評(píng)價(jià)過(guò)程中,評(píng)價(jià)因子對(duì)果實(shí)品質(zhì)評(píng)價(jià)效果起重要作用[11]。本研究中,按照方差貢獻(xiàn)率從大到小排序,4 項(xiàng)綜合指標(biāo)依次為果實(shí)風(fēng)味指標(biāo)、大小指標(biāo)、糖分含量指標(biāo)、營(yíng)養(yǎng)成分(維生素C)含量指標(biāo),與段卞慧等[12]、張露荷等[13]提取的綜合指標(biāo)有相同之處。果實(shí)風(fēng)味和口感的直接影響因素是糖含量和酸含量,口感主要由糖酸比決定[24-25],且風(fēng)味佳、果個(gè)大、營(yíng)養(yǎng)成分含量高的果品在市場(chǎng)上更受歡迎,因此這4 項(xiàng)指標(biāo)是決定鮮食棗果實(shí)品質(zhì)多樣性的主要特征。
灰色關(guān)聯(lián)度分析法是以矩陣的形式將所有性狀兩兩間的關(guān)聯(lián)度直觀呈現(xiàn)出來(lái)[20],通過(guò)加權(quán)關(guān)聯(lián)度判斷與理想品種的差距。采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)鮮食棗果實(shí)品質(zhì)進(jìn)行分析,可以擺脫果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)眾多、難以選擇的困境,達(dá)到全方位評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。本研究中通過(guò)因子分析確定指標(biāo)權(quán)重,避免了主觀因素的干擾,再結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析法綜合評(píng)價(jià)鮮食棗果實(shí)品質(zhì),結(jié)果更加客觀、合理。基于灰色關(guān)聯(lián)度分析,相關(guān)學(xué)者已經(jīng)對(duì)桑葚[11]、椪柑[26]、鮮食葡萄[27]的果實(shí)品質(zhì)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。從本研究中主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析的結(jié)果來(lái)看,2 種方法的秩相關(guān)系數(shù)為0.895,說(shuō)明評(píng)價(jià)結(jié)果極顯著相關(guān)。采用這2 種方法選出的具有潛力的群體為Z-、2-、F-,其母本分別為鮮食品質(zhì)極佳的早脆王、冬棗、伏脆蜜,其后代群體的果實(shí)品質(zhì)表現(xiàn)較優(yōu),而以制干品質(zhì)較優(yōu)的灰棗、哈密大棗為母本的群體H-、G-的綜合果實(shí)品質(zhì)整體排序靠后,進(jìn)一步證明了這2 種方法的科學(xué)性。因此上述2種方法適用于果實(shí)品質(zhì)的優(yōu)選,可為鮮食棗果實(shí)品質(zhì)評(píng)價(jià)和品種選育提供可信度較高的參考。
綜上可知,主成分分析法和灰色關(guān)聯(lián)度分析法均可用于鮮食棗果實(shí)品質(zhì)評(píng)價(jià),用這2 種方法建立的評(píng)價(jià)體系具備可靠的統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ),評(píng)價(jià)結(jié)果客觀。鮮食棗果實(shí)品質(zhì)的影響因素較多,但本研究中是基于現(xiàn)有的試驗(yàn)條件和氣候環(huán)境,選用的果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)僅涉及果實(shí)大小和主要的內(nèi)在品質(zhì)指標(biāo),研究的指標(biāo)不夠全面,且未考慮果實(shí)感官的差異,因此對(duì)鮮食棗果實(shí)品質(zhì)的評(píng)價(jià)具有一定局限性。在今后的研究中,應(yīng)進(jìn)一步完善鮮食棗果實(shí)評(píng)價(jià)指標(biāo),如增加果實(shí)外觀色澤、含水量、可食率等指標(biāo),將主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果與果實(shí)感官指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果相結(jié)合,使評(píng)價(jià)結(jié)果兼具客觀性和主觀性,從而使鮮食棗果實(shí)品質(zhì)評(píng)價(jià)體系更加完善。