基于主成分与聚类分析的小豆品种综合评价

刘振兴 周桂梅 陈健 李秋艳

摘要：为简化评价体系、客观地评价小豆品种的优劣，采用相关、主成分及聚类方法，对30个小豆品种11个主要性状进行分析。结果表明，11个性状的变异系数在5.66%～26.38%，其中主茎分枝的变异系数最大，荚长的变异系数最小。相关分析表明，单株产量与全生育期、生育后期、株高、主茎分枝、单株荚数呈极显著正相关。主成分分析表明，11个主要性状可用5个主成分来表述（累积贡献率达92.3955%）。主成分聚类，筛选出单荚粒数、单株荚数、主茎分枝、生育前期、株高和百粒重6个因子来代替原有的11个性状指标。因此，对小豆进行综合评价时，可只考虑单荚粒数、单株荚数、主茎分枝、生育前期、株高和百粒重这6个因子，简化了评价体系；经综合评价，唐山本地的2个品种排在前2位，综合性状最好；来自东北的几个品种位居最后。

关键词：小豆；相关分析；主成分分析；聚类分析；综合评价

中图分类号：S521.04

文献标志码：A

论文编号：cjas15020017

0引言

小豆（Vigna angularis）起源于中国，属于医食同源作物，是国内传统的出口创汇产品，也是现代农业种植结构调整的重要经济作物及欠发达地区脱贫致富的主要经济来源。但生产上用种较混杂，优良品种推广较少，限制了小豆产量和品质的提高。因此引育高产、稳产优良新品种是育种工作的首要任务。

综合评价是衡量一个品种优劣的手段，它避免了以产量定标准的片面性。在小豆品种综合评价方法上，不少学者采用了灰色关联度法、基于熵权的多目标决策法、GGE法，为小豆资源的合理利用及新品种示范推广提供了理论依据。然而，这些方法没有考虑相关性状间的相互影响，评价结果与生产实际存在着一定的偏差。申慧芳和周桂梅运用了主成分和因子分析方法，把多个相关性状结合起来，综合评价了小豆品种的优劣，但没能进一步地进行性状主成分、主因子的聚类，评价指标较多，因此，这2种综合评价体系还有待进一步优化。本研究在相关性状分析的基础，运用主成分分析法对30个小豆品种进行了综合评价，并对主成分进行了聚类，简化评价因子，旨在为进一步优化品种综合评价体系提供参考。

1材料与方法

1.1试验材料

参试材料为近年来国内各育种单位育成的小豆新品种（系）和个别优异的地方品种，共30份，品种名称及选育单位见表1。

1.2试验设计

试验于2013-2014年在唐山市农业科学研究院试验地进行，数据分析采用2年试验结果的平均值。试验设30个处理，4行区，行长5m，行距0.5m，株距16.7cm。3次重复，随机区组设计。成熟后，小区内随机选取10株进行田间和室内考种。田间调查和室内考种方法参照程须珍等。生长期间田间调查全生育期（growing period，GP）、生育前期（days beforeflowering，DBF）和生育后期（days after flowering，DAF），室内考种调查株高（plant height，PH）、主茎分枝数（numbers of branches，NOB）、主茎节数（node numberof main stem，NOS）、单株荚数（pod number per plant，PNP）、荚长（pod length，PL）、单荚粒数（seed number perpod，SNP）、百粒重（100-seed weight，SW）和单株粒重（yield per plant，YPP）等。

1.3数据统计分析

利用Excel进行数据平均值、标准差及变异系数的分析；利用DPS 7.05软件进行相关性、主成分及聚类分析；依据方差累计贡献率≥90%的标准提取主成分，以各主成分对应的方差贡献率作为权重，对主成分得分和相应的权重进行线性加权，构建小豆品种评价函数；主成分聚类分析按欧式距离类平均法进行系统聚类。

2结果与分析

2.1不同品种小豆性状分析

30个小豆品种的性状统计见表2。生育期指标中，参试小豆品种全生育期范围76～100天，生育前期36～53天，生育后期28～64天。其中，‘白红3号的全生育期最短，仅为76天；‘唐红37的最长，全生育期为100天；‘唐山红小豆和‘唐红372个品种生育前期最短，仅为36天，而生育后期最长，分别为63、64天。这2个品种生殖生长期较其他品种长，为高产奠定了基础。在农艺性状指标中，株高的变幅39.0～79.7cm，主茎分枝2.1～6.1个，主茎节数13.7～18.9个。其中，‘吉红7号的株高最矮，‘唐山红小豆最高；‘白红3号的主茎分枝最小，‘唐山红小豆的分枝最多；‘龙小豆3号的主茎节数最小，‘唐山红小豆的主茎节数最大。在产量性状指标中，单株结荚数范围25.7～62.1个，荚长6.1-8.0cm，单荚粒数5.2～8.0个，百粒重9.4～18.7g，单株产量14.7～38.0g。其中，‘吉红10号的单株结荚最少，‘唐山红小豆结荚最多；‘保红2001-15的荚长最短，‘泥河湾小豆的结荚最长；‘保红876-16、‘冀红0001-7的单荚粒数最少，‘唐红37的单荚粒数最多；‘白红3号的百粒重最小，‘苏红11-1的最大；‘品红2000-33的单株产量最低，‘唐红37的单株产量最高。

变异系数是衡量性状表现差异程度、变异范围的量。参试的30个小豆品种性状的变异系数存在明显差异，变异系数由大到小依次为：主茎分枝>单株产量>单株结荚数>百粒重>株高>生育后期>单荚粒数>生育前期>主茎节数>全生育期>荚长。主茎分枝、单株产量、单株结荚数、百粒重、株高和生育后期的变异系数较高，均在16%以上，这与河北省红小豆品种资源、‘唐山红小豆地方品种数量性状遗传变异基本一致，说明这些性状选择的潜力大，受环境影响较大。荚长、全生育期及主茎节数的变异系数较小，说明这些性状受本身内在因素决定，受环境因素的影响较小。因此，改善环境，提高分枝数、单株结荚数、百粒重及控制株高是实现小豆高产的有效途径。

2.2不同品种小豆性状间的相关分析

由表3可知，株高与生育后期的正相关性最大（γ=0.8402），说明生育后期越长，小豆植株越高；单株荚数与生育期负相关最大（γ=-0.6585），说明小豆生育前期越短，单株结荚数就越多。小豆的生育后期与全生育期呈极显著的正相关，与生育前期呈极显著的负相关；株高与全生育期、生育后期呈极显著正相关，与生育前期呈极显著负相关；主茎分枝与全生育期、生育后期、株高呈极显著正相关；主茎节数与生育后期、株高高度正相关；单株结荚数与全生育期、生育后期、株高、主茎分枝、主茎节数呈极显著正相关；单株粒重与全生育期、生育后期、株高、主茎分枝、单株结荚数呈极显著正相关。

可见，生育后期、株高、主茎分枝和单株结荚数是小豆最主要的形态性状，与其他性状保持高度正相关，这与申慧芳、韩粉霞、曾玲玲等的研究基本一致。因此，在小豆的种质创新中，应把这4个性状作为首要性状进行选择，然后再考虑荚粒数、百粒重等其他性状；在生产中，应优化小豆栽培条件，调控株高，促进主茎分枝能力，增加单株结荚数，延长叶片功能期，为高产创造条件。

2.3不同品种小豆性状间的主成分分析

对小豆品种的主要性状进行主成分分析，结果显示前5个主成分的累积贡献率为92.3955%（表4），表明前5个主成分已基本包含了小豆性状的全部信息，可用前5个主成分对其进行综合评价。第1主成分的特征值为5.4725，贡献率为49.7504%。决定第1主成分的主要是生育后期，其次为单株结荚数、株高、单株粒重和主茎分枝，称为生育期因子。第2主成分的特征值为1.9478，贡献率为17.7075%。决定第2主成分的主要是百粒重，其次为生育前期、生育期及单株粒重，称之为粒重因子。第3主成分的特征值为1.5528，贡献率为14.1162%，起决定作用的是单株结荚数，称为荚数因子。第4主成分的特征值为0.6503，贡献率为5.9118%，起决定作用的为单荚粒数，称为荚粒数因子。第5成分的特征值为0.5401，贡献率为4.9096%，起决定作用的是主茎分枝，称为分枝因子。

2.4不同小豆品种的综合评价

以各主成分对应的方差贡献率作为权重，对主成分得分和相应的权重进行线性加权，构建小豆品种评价函数γ=49.7504γ₁+17.7075γ₂+14.1162γ₃+5.9118γ₄+4.9096γ₅，计算各品种的综合评价分值，分值越高表示该品种综合评价越好。由表5可知，30个小豆品种中，‘唐红37综合评价最好，其次为‘唐山红小豆和‘保红947，‘白红3号综合评价最差。品种优良排序结果与因子分析结果略有不同。

2.5小豆性状指标的主成分聚类

根据主成分分析结果，对5个主成分中11个性状指标的特征向量采用欧式距离类平均法（UPGMA）进行系统聚类。同居于一类的性状间具有密切的相关系，可用一个因素代表同一类中的其他因素；单一性状单独聚类的具有相对独立性。聚类结果表明，在最大距离为0.8788时将11个性状指标划分为5类（图1）：（1）全生育期、荚长、主茎节数、生育后期、株高、单株粒重和百粒重；（2）生育前期；（3）主茎分枝；（4）单株荚数；（5）单荚粒数。结合性状间的相关性分析结果，最终确定单荚粒数、单株荚数、主茎分枝、生育前期、株高和百粒重6个因子来综合评价小豆品种的优劣。

3结论与讨论

小豆主要性状的变异系数在5.66%～26.38%，说明性状间存在丰富的多样性；主茎分枝、单株产量、单株结荚数、百粒重、株高和生育后期的变异系数较大，且生育后期、株高、主茎分枝和单株结荚数与其他性状保持高度正相关，因此，在品种选育上，应把这4个性状作为首要性状进行选择；在生产中，应优化小豆栽培条件，调控株高，促进主茎分枝能力，增加单株结荚数，延长叶片功能期，为高产创造条件。

综合评价结果显示，‘唐红37和‘唐山红小豆综合评价排名前2位，东北的几个品种排在最后。刘振兴曾指出‘唐红37和‘唐山红小豆株型高大、生育期偏长的性状不适应当代育种目标，更不适合大面积生产利用，但它们具有良好的产量性状，具有单独保存的价值，可作为优异资源进行保留，王丽侠也提出同名种质的‘唐山红小豆具有单独保存的价值。因此，在本地区大面积推广的品种应为排在第3位的‘保红947，‘唐红37和‘唐山红小豆作为优异资源进行单独保存。

试验结果表明，11个主要性状可简化为生育期、粒重、荚数、荚粒数、分枝5个相互独立的主成分，这5个主成分对变异的累积贡献率达92.3955%。在此基础上对30个小豆品种进行综合评价，评价结果与因子分析的结果基本一致。对主成分进行聚类，结合性状间的相关性分析，确定单荚粒数、单株荚数、主茎分枝、生育前期、株高和百粒重作为小豆品种综合评价的指标，简化了评价体系。

但是，小豆属短日照作物，光温敏感，性状表现受外界环境影响较大。所以，基于表型性状的综合评价呈一定的地域性，评价结果也是相对的。主成分分析是将原来较多、彼此相关的因子转换少量且彼此独立的因子，从而达到简化多指标分析的一种方法。在具体的评价中，由于所选的群体和研究的性状不同，用主成分构造的综合性状是有区别的。所选数据越多，评价结果越准确。本试验是以小豆生育期及形态性状为原始指标，缺乏籽粒色泽这一主要的商品指标及营养成分含量，评价结果存在一定的局限性，下一步将小豆籽粒的粒型、粒色及养分含量纳入评价指标，以完善小豆品种综合评价体系。