基于主成分分析和聚類分析的水培生菜品種綜合評價

曹彩紅 曹玲玲 田雅楠 張敬鎖 張松陽 蘇鐵 王忠義

摘? ? 要：為篩選出適宜水培生產的優良生菜品種，對11個參試品種的12個性狀進行調查與分析，并運用主成分和聚類分析方法進行綜合評價。結果表明，不同生菜品種間各指標存在顯著差異，變異系數為4.45%～39.22%。主成分分析提取出4個主成分，累積貢獻率達84.842%。聚類分析將參試品種分為4種類型，其中2種類型適宜水培生產，第Ⅰ類為株形美觀、耐抽薹、產量高的綠色奶油生菜類型，第Ⅲ類為植株大、耐抽薹、產量高、營養豐富的散葉生菜類型。結合生產實踐，水培生菜可選擇綠玫瑰、奶油綠、北生4號、芳妮、早生裙舞等5個品種，同時為豐富葉色，可適量種植紫蝶和奶油紅。

關鍵詞：生菜；水培；主成分分析；聚類分析

中圖分類號：S636.2 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2023）09-087-07

Comprehensive evaluation of hydroponically grown lettuce varieties based on principal component analysis and cluster analysis

CAO Caihong1， CAO Lingling1， TIAN Yanan1， ZHANG Jingsuo1， ZHANG Songyang1， SU Tie2， WANG Zhongyi1

（1. Beijing Agricultural Technology Extension Station， Beijing 100029， China; 2. Beijing Miyun District Agricultural Technology Extension Station， Beijing 101500， China）

Abstract： In order to screen out lettuce varieties suitable for hydroponic cultivation， principal component analysis and cluster analysis were used to evaluate the cultivation adaptability of 11 varieties. The results showed that there were significant differences in the 12 agronomic traits among different varieties， and the variation coefficient were ranged from 4.45% to 39.22%. The principal component analysis showed that 12 traits were integrated into four principal components making 84.842% cumulative contribution to the total variance. 11 varieties tested were divided into four categories by cluster analysis， and two of them were suitable for hydroponic production.The category Ⅰ is the green butter Lettuce with beautiful plant architecture， bolting resistance and high yield; the category Ⅲ is the type of leaf lettuce with large plant， bolting resistance， high yield and abundant nutrition. Combined production practices， 5 varieties were suitable for cultivating hydroponically including Lvmeigui， Naiyoulv， Beisheng No. 4， Fangni and Zaoshengqunwu. Meanwhile， we could moderately plant Zidie and Naiyouhong in order to enhance ornamental value.

Key words： Lettuce; Hydroponics; Principal component analysis; PCluster analysis

生菜（Lactuca sativa L.），學名葉用萵苣，隸屬菊科萵苣屬，是一年生或二年生草本作物，營養豐富，富含膳食纖維、蛋白質、維生素以及抗氧化物等[1-2]。蔬菜工廠化生產是設施農業的新型栽培模式，包括水培和基質栽培[3]。生菜是國內外水培蔬菜面積最大的作物之一[4]，鮮食脆甜、株形美觀、生長期短；水培生菜具有環境潔凈、病蟲少、茬口較多、產量高、無連作障礙、無土傳病害等優點，深受廣大消費者的青睞。水培生產通過營養液循環模式實現了節水節肥與增產增收的統一，符合農業向資源節約型、環境友好型現代化蔬菜產業發展的趨勢[5]。

目前，關于水培生菜的研究較多，但主要集中于營養液配方[6-9]，光、溫等環境調控[10-12]等因素對其生長及品質方面的影響。而水培生菜主栽品種單一，據初步調查，京郊地區水培生菜以富蘭德里等進口品種為主，價格較高，單粒種子價格約0.12元，約是普通國產品種的10倍，缺乏性價比高的優良水培品種。隨著消費水平的提高，人們對蔬菜營養品質提出了新的要求，在品種選擇上更加注重蔬菜的品質，因此急需獲得優質的水培生菜品種。對于生菜品種的評價，前人研究多利用簡單、直觀、實用的形態學和單一性狀的比較進行評價[13-15]。但這些指標之間存在一定相關性，數據信息會有重疊，加上不同指標量綱不同，難以準確全面綜合考量。為綜合評價品種的優劣，需運用多元統計學方法從不同角度對作物的田間農藝性狀進行全面客觀的分析。主成分分析法和聚類分析法在甘藍[16]、辣椒[17]、番茄[18]、黃瓜[19]及西瓜[20]等蔬菜作物中廣泛應用，但在水培生菜的品種選擇中鮮見應用。

為此，筆者以水培生菜為研究對象，選取11個國內外優新品種，對其主要植物學性狀和營養品質性狀進行顯著性分析，同時采用主成分分析法和聚類分析法進行綜合評價，以期篩選出適于水培的生菜品種，為豐富京津冀地區水培生菜品種類型提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

選用11個生菜品種，詳見表1。于2022年3月在北京市密云區巨海闊蔬菜種植專業合作社基地進行水培生菜種植。

1.2 方法

以11個生菜品種為試材，于2022年2月10日在小湯山特菜大觀園東區日光溫室采用椰糠基質塊育苗，基質塊規格為30 mm×30 mm，將基質塊放入72孔穴盤中，進行育苗。苗齡2葉1心時進行1次間苗，4～5片真葉時進行煉苗移栽。3月15日，將生菜成苗定植于密云巨海闊種植合作社日光溫室內，11個品種，3次重復，每個重復324株，共33個小區，隨機區組排列。采用管道式營養液膜模式進行栽培，栽培管道長10.8 m，行距10 cm，株距10 cm，每3行為1個小區，小區面積為3.28 m2（10.8 m×0.3 m），每小區種植1個品種。生產期間營養液的EC值控制在1.5～1.6 mS·cm-1，pH值控制在5.5～6.5，栽培期間統一管理。

1.3 指標測定

2022年4月25日，即定植40 d左右進行生菜統一采收，參照李錫香等[21]在《萵苣種質資源描述規范和數據標準》中的具體要求，對植株葉片數、最大葉片長、最大葉片寬、中心柱長、中心柱粗、單株鮮質量、單株干質量等性狀進行調查，每個小區隨機采集5個樣品進行測定。葉片數是指采收期植株葉片大于5 cm的葉片總數；最大葉片長指植株最大葉的葉片基部至葉頂端的長度；最大葉片寬指植株最大葉最寬處的寬度；中心柱長指植株中心柱從基部到頂端的長度；中心柱粗指中心柱基本橫切面的中心線寬度；單株鮮質量指采收期地上部鮮質量；單株干質量指植株在烘箱內經過105 ℃殺青30 min后，85 ℃烘干至恒質量時的質量。采用折光儀法測定可溶性固形物含量，參照NY/T 2637－2014[22]；采用銅還原碘量法測定可溶性糖含量，參照NY/T 1278－2007[23]；采用考馬斯亮藍染色法測定可溶性蛋白含量[24]，采用2，6－二氯靛酚滴定法測定維生素C含量，參照GB 5009.5－2016[25]、按第二法要求進行，采用氫氧化鉀法測定硝態氮含量，按GB 5009.33－2016要求進行[26]。

1.4 數據分析

試驗數據使用Excel 2007進行統計，采用SPSS 22.0進行差異顯著性分析和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同水培生菜品種的植物學性狀分析

由表2可知，不同品種間除中心柱粗外，其他6個性狀均存在顯著性差異。紫蝶和奶油紅的葉片數最多，在60片以上，顯著高于其他品種，但其葉片較小，最大葉片長和最大葉片寬均為最小，2種紫色奶油生菜株型小，葉片層次多，外形美觀；而綠色奶油生菜最大葉片長區間為15.57～19.23 cm，寬為14.63～18.63 cm，葉片大小處于中間型，同一品種最大葉片長與最大葉片寬差異較小，散葉生菜葉片長區間為19.50～27.83 cm，葉片寬區間為13.67～16.00 cm，葉片普遍較長，同一品種最大葉片長和最大葉片寬差異較大；中心柱最短的是綠玫瑰，為3.70 cm，最長的是奶油紅，為13.17 cm，中心柱長短與植株是否抽薹相關，可初步判斷耐抽薹特性，初步說明綠玫瑰的耐抽薹特性較強，而奶油紅相對不耐抽薹；在單株鮮質量方面，早生群舞和芳妮較重，分別為289.40、280.68 g，其次為綠玫瑰和奶油綠，最低的2個品種為紫蝶和奶油紅，分別為118.07、117.67 g；品種間單株干質量與鮮質量的差異趨勢基本一致。由此可見，在同樣生育期條件下，散葉生菜產量較高，綠色奶油生菜次之，紫色奶油生菜產量較低。

2.2 不同水培生菜品種的主要營養品質分析

由表3可知，不同品種間營養品質存在顯著差異?？扇苄蕴呛浚╳，后同）最高的品種是芳妮，達8.20 mg·g-1，最低的為紫蝶2.80 mg·g-1，且含量由高到低為芳妮>奶油紅=早生舞裙>綠玫瑰>北生4號>富蘭德里>意大利>芭拉里娜>綠蝶>奶油綠>紫蝶?？扇苄缘鞍缀孔罡叩氖悄逃图t，為12.16 mg·g-1，其次為意大利，二者均顯著高于其他品種，芳妮和奶油綠含量最低，均為6.72 mg·g-1；可溶性固形物含量最高的是綠玫瑰，含量為3.60%，最低的是富蘭德里，為1.97%；各個品種之間的維生素C含量無顯著差異；硝態氮含量最高的是富蘭德里，次高是奶油綠，分別為599.54、591.78 μg·g-1，最低的是奶油紅，含量為338.67 μg·g-1。

2.3 生菜主要農藝性狀主成分分析

將水培生菜的調查指標進行主成分分析，由表4可知，主成分分析提取了4個主成分PC1、PC2、PC3和PC4，方差貢獻率分別為48.453%、19.052%、9.498%、7.840%，累計貢獻率達到84.842%。結果表明，這4個綜合指標覆蓋了大部分原始數據的信息，可以用來對11個生菜品種進行綜合分析。

由表4可知，PC1中載荷最高的因子為單株干質量，其次為最大葉片寬、中心柱長、單株鮮質量、葉片數、最大葉片長等指標，覆蓋了48.453%的原始數據信息量，這些指標主要與生菜植株生長和產量相關，此外PC3的決定因子是中心柱粗，該指標也主要與生菜生長有關，因此將PC1和PC3歸為植株生長形態因子和產量因子；決定PC2、PC4大小的因子分別為可溶性糖、維生素C、可溶性固形物、硝態氮含量等指標，它們反映了原始數據信息量的19.052%和7.840%，這些指標主要反映了生菜的營養品質，可以概括為營養品質因子。

通過對4個主成分的特征向量分析（表4）和X1～X12性狀指標數值的標準化處理，建立這4個主成分的線性回歸方程如下：

PC1=-0.771X1 + 0.538X2 + 0.920X3-0.921X4 + 0.387X5-0.872X6+0.921X7+0.277X8-0.741X9+0.250X10+0.667X11+0.629X12；

PC2=0.097X1 + 0.675X2 + 0.054X3 +0.099X4- 0.227X5+0.344X6 +0.298X7 +0.768X8+0.301X9-0.477X10-0.593X11-0.649X12；

PC3=0.305X1 + 0.059XX2 + 0.120X3 +0.118X4 + 0.779X5+0.196X6 +0.186X7 -0.231X8-0.293X9-0.196X10-0.287X11-0.100X12；

PC4= 0.003X1 + 0.176X2-0.156X3 +0.269X4 + 0.260X5+0.113X6 +0.147X7 +0.192X8+0.354X9+0.772X10+0.105X11-0.054X12。

通過SPSS 22.0將原始數據進行Z標準化，然

為芳妮、綠玫瑰、早生群舞、奶油綠、北生4號、富蘭德里、意大利、芭拉里娜、綠蝶、紫蝶、奶油紅。

2.4 生菜主要農藝性狀聚類分析

由圖1可知，當歐氏距離為5時，11個水培生菜品種可以分為4類，第1類聚集了綠蝶、北生4號、富蘭德里、綠玫瑰、奶油綠，均為綠色奶油生菜類型，表現為株形美觀，葉片大小中等，葉長葉寬相差較小，葉形指數接近于1，中心柱較短，耐抽薹，單株產量中等偏上，硝態氮含量偏高；第2類包括意大利和芭拉里娜，表現為中心柱長于第1類，采收時即將開始抽薹，單株鮮質量低于200 g；第3類包括芳妮和早生舞裙，均為散葉生菜類型，表現為植株生長旺盛，葉片大，中心柱短，耐抽薹，單株鮮質量高，均在280 g以上，可溶性糖含量高，硝態氮含量低，為兼顧高產高品質的優良品種；第4類包括紫蝶和奶油紅，為紫色奶油生菜類型，表現為株型小但株形美觀，葉片多但單片葉較小，中心柱長，不耐抽薹，單株鮮質量小低于120 g，可溶性蛋白含量高，為產量低、營養品質高、外形美觀的品種類型。

3 討論與結論

不同水培生菜品種因遺傳背景不同，田間性狀指標差異較大，因此適宜的品種對提高生菜品質和產量至關重要。對生菜品種的評價與選擇，研究學者多有報道[27-28]，江曉堯等[29]通過對8個水培生菜品種的產量及品質進行差異顯著性分析，結果表明，小奶油綠、橡葉綠較適宜水培生產；陳永快等[30]研究表明，綠玫瑰具有較高產量和營養價值，適宜南方溫室NFT模式栽培。本研究結果表明，綠色奶油類型的品種推薦奶油綠和綠玫瑰，這一結果與前人研究基本一致。此外，孫劍霞等[31]研究表明，奶油生菜和辛普森生菜產量較高，綜合性狀均優于紫葉生菜，可作為當地水培生菜種植推薦品種。

在生菜的品種選擇過程中，最常用的評價方法是將產量性狀、耐抽薹性狀及其相關的性狀進行分析評價[32-33]，評價時主觀因素太多且分析比較片面。為避免單一性狀評價的片面性，可采用多元統計學方法對作物進行全面客觀的評價[34]。主成分分析法是在保留原始數據的基礎上，將相互關聯的多個指標通過空間降維后，簡化為少數幾個線性組合所構成的綜合指標，能夠更加全面客觀地評價作物特性[35]。聚類分析法是分類學與多元分析相結合的統計方法，能夠根據調查指標的相似性或差異性，定量確定不同品種間的親疏關系，進行分類[36]。本研究結果表明，采用主成分分析從12個主要農藝性狀中提取出4個主成分，分為產量因子和品質因子兩類，PC1、PC3為單株干質量、最大葉片寬、中心柱長、單株鮮質量、葉片數、最大葉片長、中心柱粗等指標，PC2、PC4為可溶性糖、維生素C、可溶性固形物、硝態氮含量等指標，累計貢獻率達到84.842%。這些與實際生產中要求生菜品種產量高和品質佳相符。同時這一結果與馮海萍等[37]和劉永軍等[38]的研究結果基本一致，能夠更全面更客觀地對生菜進行評價。馮海萍等[37]對不同娃娃菜品種比較中提取了2個主成分，第一主成分綜合了葉球橫徑、葉球縱徑、葉球質量、葉球凈質量等產量性狀信息，第二主成分綜合了維生素C含量、可溶性固形物含量等品質性狀信息。劉永軍等[38]通過對11個生菜品種的10個耐熱指標進行評價，提出了主成分Z1（形態指標主成分）和Z2（生理指標主成分）的貢獻率分別是75.11%和18.00%，累計貢獻率達到了93.11%。

此外，生菜的生長和品質除受品種特性影響外，受外界環境影響也較大，不同生產茬口、氣候條件等因素可能影響參試材料的性狀，從而對分析結果造成一定影響。本試驗的生產季節是在春季，而對生菜夏季耐熱性評價和周年生產需進一步研究。因此，在水培生菜生產實踐中，應根據實際情況，選擇滿足不同生產需求的優良品種，科學推廣良種良法配套技術，充分挖掘其生長潛力，促進良品產出。

筆者通過對11個生菜品種進行主成分分析和聚類分析，結果表明水培生菜在生產過程中，可選擇第1類中的綠玫瑰、奶油綠、北生4號和富蘭德里等綠色奶油生菜，但富蘭德里種子價格較高，可優先考慮綠玫瑰和奶油綠這2個性價比高的品種；也可選擇第3類中的芳妮和早生舞裙等散葉生菜，早生舞裙相比芳妮，生長迅速，可提前5～7 d采收，但種子價格較高，在選擇時需結合生產需求；同時為提升水培生菜美觀度，可適量種植第4類中的紫蝶和奶油紅等紫色奶油生菜，在銷售時進行搭配，但高溫季節易抽薹，不宜種植。

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