基于主成分分析和聚类分析的水培生菜品种综合评价

摘    要：为筛选出适宜水培生产的优良生菜品种，对11个参试品种的12个性状进行调查与分析，并运用主成分和聚类分析方法进行综合评价。结果表明，不同生菜品种间各指标存在显著差异，变异系数为4.45%～39.22%。主成分分析提取出4个主成分，累积贡献率达84.842%。聚类分析将参试品种分为4种类型，其中2种类型适宜水培生产，第Ⅰ类为株形美观、耐抽薹、产量高的绿色奶油生菜类型，第Ⅲ类为植株大、耐抽薹、产量高、营养丰富的散叶生菜类型。结合生产实践，水培生菜可选择绿玫瑰、奶油绿、北生4号、芳妮、早生裙舞等5个品种，同时为丰富叶色，可适量种植紫蝶和奶油红。

关键词：生菜；水培；主成分分析；聚类分析

中图分类号：S636.2 文献标志码：A 文章编号：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.），学名叶用莴苣，隶属菊科莴苣属，是一年生或二年生草本作物，营养丰富，富含膳食纤维、蛋白质、维生素以及抗氧化物等[1-2]。蔬菜工厂化生产是设施农业的新型栽培模式，包括水培和基质栽培[3]。生菜是国内外水培蔬菜面积最大的作物之一[4]，鲜食脆甜、株形美观、生长期短；水培生菜具有环境洁净、病虫少、茬口较多、产量高、无连作障碍、无土传病害等优点，深受广大消费者的青睐。水培生产通过营养液循环模式实现了节水节肥与增产增收的统一，符合农业向资源节约型、环境友好型现代化蔬菜产业发展的趋势[5]。

目前，关于水培生菜的研究较多，但主要集中于营养液配方[6-9]，光、温等环境调控[10-12]等因素对其生长及品质方面的影响。而水培生菜主栽品种单一，据初步调查，京郊地区水培生菜以富兰德里等进口品种为主，价格较高，单粒种子价格约0.12元，约是普通国产品种的10倍，缺乏性价比高的优良水培品种。随着消费水平的提高，人们对蔬菜营养品质提出了新的要求，在品种选择上更加注重蔬菜的品质，因此急需获得优质的水培生菜品种。对于生菜品种的评价，前人研究多利用简单、直观、实用的形态学和单一性状的比较进行评价[13-15]。但这些指标之间存在一定相关性，数据信息会有重叠，加上不同指标量纲不同，难以准确全面综合考量。为综合评价品种的优劣，需运用多元统计学方法从不同角度对作物的田间农艺性状进行全面客观的分析。主成分分析法和聚类分析法在甘蓝[16]、辣椒[17]、番茄[18]、黄瓜[19]及西瓜[20]等蔬菜作物中广泛应用，但在水培生菜的品种选择中鲜见应用。

为此，笔者以水培生菜为研究对象，选取11个国内外优新品种，对其主要植物学性状和营养品质性状进行显著性分析，同时采用主成分分析法和聚类分析法进行综合评价，以期筛选出适于水培的生菜品种，为丰富京津冀地区水培生菜品种类型提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

选用11个生菜品种，详见表1。于2022年3月在北京市密云区巨海阔蔬菜种植专业合作社基地进行水培生菜种植。

1.2 方法

以11个生菜品种为试材，于2022年2月10日在小汤山特菜大观园东区日光温室采用椰糠基质块育苗，基质块规格为30 mm×30 mm，将基质块放入72孔穴盘中，进行育苗。苗龄2叶1心时进行1次间苗，4～5片真叶时进行炼苗移栽。3月15日，将生菜成苗定植于密云巨海阔种植合作社日光温室内，11个品种，3次重复，每个重复324株，共33个小区，随机区组排列。采用管道式营养液膜模式进行栽培，栽培管道长10.8 m，行距10 cm，株距10 cm，每3行为1个小区，小区面积为3.28 m2（10.8 m×0.3 m），每小区种植1个品种。生产期间营养液的EC值控制在1.5～1.6 mS·cm-1，pH值控制在5.5～6.5，栽培期间统一管理。

1.3 指标测定

2022年4月25日，即定植40 d左右进行生菜统一采收，参照李锡香等[21]在《莴苣种质资源描述规范和数据标准》中的具体要求，对植株叶片数、最大叶片长、最大叶片宽、中心柱长、中心柱粗、单株鲜质量、单株干质量等性状进行调查，每个小区随机采集5个样品进行测定。叶片数是指采收期植株叶片大于5 cm的叶片总数；最大叶片长指植株最大叶的叶片基部至叶顶端的长度；最大叶片宽指植株最大叶最宽处的宽度；中心柱长指植株中心柱从基部到顶端的长度；中心柱粗指中心柱基本横切面的中心线宽度；单株鲜质量指采收期地上部鲜质量；单株干质量指植株在烘箱内经过105 ℃杀青30 min后，85 ℃烘干至恒质量时的质量。采用折光仪法测定可溶性固形物含量，参照NY/T 2637－2014[22]；采用铜还原碘量法测定可溶性糖含量，参照NY/T 1278－2007[23]；采用考马斯亮蓝染色法测定可溶性蛋白含量[24]，采用2，6－二氯靛酚滴定法测定维生素C含量，参照GB 5009.5－2016[25]、按第二法要求进行，采用氢氧化钾法测定硝态氮含量，按GB 5009.33－2016要求进行[26]。

1.4 数据分析

试验数据使用Excel 2007进行统计，采用SPSS 22.0进行差异显著性分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同水培生菜品种的植物学性状分析

由表2可知，不同品种间除中心柱粗外，其他6个性状均存在显著性差异。紫蝶和奶油红的叶片数最多，在60片以上，显著高于其他品种，但其叶片较小，最大叶片长和最大叶片宽均为最小，2种紫色奶油生菜株型小，叶片层次多，外形美观；而绿色奶油生菜最大叶片长区间为15.57～19.23 cm，宽为14.63～18.63 cm，叶片大小处于中间型，同一品种最大叶片长与最大叶片宽差异较小，散叶生菜叶片长区间为19.50～27.83 cm，叶片宽区间为13.67～16.00 cm，叶片普遍较长，同一品种最大叶片长和最大叶片宽差异较大；中心柱最短的是绿玫瑰，为3.70 cm，最长的是奶油红，为13.17 cm，中心柱长短与植株是否抽薹相关，可初步判断耐抽薹特性，初步说明绿玫瑰的耐抽薹特性较强，而奶油红相对不耐抽薹；在单株鲜质量方面，早生群舞和芳妮较重，分别为289.40、280.68 g，其次为绿玫瑰和奶油绿，最低的2个品种为紫蝶和奶油红，分别为118.07、117.67 g；品种间单株干质量与鲜质量的差异趋势基本一致。由此可见，在同样生育期条件下，散叶生菜产量较高，绿色奶油生菜次之，紫色奶油生菜产量较低。

2.2 不同水培生菜品种的主要营养品质分析

由表3可知，不同品种间营养品质存在显著差异。可溶性糖含量（w，后同）最高的品种是芳妮，达8.20 mg·g-1，最低的为紫蝶2.80 mg·g-1，且含量由高到低为芳妮>奶油红=早生舞裙>绿玫瑰>北生4号>富兰德里>意大利>芭拉里娜>绿蝶>奶油绿>紫蝶。可溶性蛋白含量最高的是奶油红，为12.16 mg·g-1，其次为意大利，二者均显著高于其他品种，芳妮和奶油绿含量最低，均为6.72 mg·g-1；可溶性固形物含量最高的是绿玫瑰，含量为3.60%，最低的是富兰德里，为1.97%；各个品种之间的维生素C含量无显著差异；硝态氮含量最高的是富兰德里，次高是奶油绿，分别为599.54、591.78 μg·g-1，最低的是奶油红，含量为338.67 μg·g-1。

2.3 生菜主要农艺性状主成分分析

将水培生菜的调查指标进行主成分分析，由表4可知，主成分分析提取了4个主成分PC1、PC2、PC3和PC4，方差贡献率分别为48.453%、19.052%、9.498%、7.840%，累计贡献率达到84.842%。结果表明，这4个综合指标覆盖了大部分原始数据的信息，可以用来对11个生菜品种进行综合分析。

由表4可知，PC1中载荷最高的因子为单株干质量，其次为最大叶片宽、中心柱长、单株鲜质量、叶片数、最大叶片长等指标，覆盖了48.453%的原始数据信息量，这些指标主要与生菜植株生长和产量相关，此外PC3的决定因子是中心柱粗，该指标也主要与生菜生长有关，因此将PC1和PC3归为植株生长形态因子和产量因子；决定PC2、PC4大小的因子分别为可溶性糖、维生素C、可溶性固形物、硝态氮含量等指标，它们反映了原始数据信息量的19.052%和7.840%，这些指标主要反映了生菜的营养品质，可以概括为营养品质因子。