我國(guó)北部冬麥區(qū)小麥區(qū)域試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 毅 許乃銀 郭利磊 楊子光 張笑晴 楊曉妮

我國(guó)北部冬麥區(qū)小麥區(qū)域試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 毅1許乃銀2郭利磊1楊子光3張笑晴1楊曉妮2

1全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心, 北京 100125;2江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 江蘇南京 210014;3洛陽(yáng)農(nóng)林科學(xué)院, 河南洛陽(yáng) 471022

農(nóng)作物品種區(qū)域試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量的合理配置有利于提高試驗(yàn)的成本效率和品種選擇效率。本研究分析了2010—2019年期間北部冬麥區(qū)小麥品種區(qū)域試驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量設(shè)置的合理性, 依據(jù)小麥品種試驗(yàn)的信噪比和遺傳力水平隨重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量的變化規(guī)律, 提出了重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明: (1) 北部冬麥區(qū)小麥單點(diǎn)試驗(yàn)的遺傳力平均達(dá)到0.87, 需要的重復(fù)次數(shù)平均值僅為1.4, 說(shuō)明3次重復(fù)可以充分保證試驗(yàn)精確度的需求。(2)北部冬麥區(qū)水地組和旱地組小麥區(qū)域試驗(yàn)達(dá)到0.75的遺傳力水平時(shí), 需要的試點(diǎn)數(shù)量分別為11個(gè)和13個(gè), 目前有效試點(diǎn)數(shù)量分別約為11個(gè)和8個(gè), 分別達(dá)到0.75和0.60的遺傳力水平。(3)小麥品種區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果對(duì)品種的審定和應(yīng)用十分重要, 而每年都可能有少數(shù)試驗(yàn)點(diǎn)因?yàn)楦鞣N異常情況而報(bào)廢, 為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性, 可按= 0.75的水平需求安排試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)量和重復(fù)次數(shù), 即重復(fù)次數(shù)可保持當(dāng)前的3次; 水地組的試點(diǎn)數(shù)量可保持在11個(gè)左右; 旱地組可將試點(diǎn)增加到13個(gè); 如要將遺傳力提高到0.80的水平, 則需約16個(gè)試點(diǎn)。

小麥(L.); 區(qū)域試驗(yàn); 遺傳力; 信噪比; 重復(fù)次數(shù); 試點(diǎn)數(shù)量

小麥(L.)是我國(guó)第三大糧食作物, 種植面積僅次于玉米和水稻。北方冬麥區(qū)主要包括河北大部、河南、山東、山西南部、江蘇和安徽北部、陜西和甘肅部分地區(qū), 是我國(guó)小麥主要產(chǎn)區(qū), 種植面積約占全國(guó)小麥總面積的70%, 總產(chǎn)占75%左右[1]。北部冬麥區(qū)主要包括遼寧南端的營(yíng)口和大連市; 河北省境內(nèi)長(zhǎng)城以南的廊坊、保定、滄州、唐山和秦皇島市全部; 京、津兩市全部; 山西省朔州以南陽(yáng)泉、太原、晉中、長(zhǎng)治和呂梁等市全部和臨汾市北部地區(qū); 陜西省延安市全部、榆林長(zhǎng)城以南大部, 咸陽(yáng)、寶雞和銅川市部分縣; 甘肅省隴東慶陽(yáng)市全部和平?jīng)鍪械牟糠挚h[2]。北部冬麥區(qū)作為北方冬麥區(qū)的重要產(chǎn)區(qū), 提供了其中22%以上的產(chǎn)量[3]。加強(qiáng)適應(yīng)于該區(qū)域生態(tài)條件的小麥新品種選育和推廣應(yīng)用對(duì)保障小麥生產(chǎn)水平和我國(guó)糧食安全具有重要意義。小麥品種區(qū)域試驗(yàn)在多環(huán)境條件下對(duì)新品種的豐產(chǎn)性、穩(wěn)產(chǎn)性、適應(yīng)性、抗逆性、品質(zhì)等性狀進(jìn)行測(cè)試與綜合評(píng)價(jià), 對(duì)促進(jìn)我國(guó)小麥品種更新和保障小麥生產(chǎn)水平起著重要的作用[4]。區(qū)域試驗(yàn)的可靠性主要決定于試驗(yàn)效率, 而試驗(yàn)效率又決定于試驗(yàn)遺傳力[5-6]。遺傳力是遺傳方差占表型方差的比率[7], 區(qū)域試驗(yàn)的遺傳力越高, 對(duì)品種的選擇效率就越高[8]。遺傳力隨著試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量的增加速率呈先快后慢的“邊際收益遞減”規(guī)律[6]。因此, 如何合理設(shè)置試驗(yàn)試點(diǎn)數(shù)量和重復(fù)次數(shù), 既可保持可靠的遺傳力水平和試驗(yàn)效率, 又可合理利用有限的人力、物力和財(cái)力資源, 是優(yōu)化區(qū)域試驗(yàn)設(shè)置方案中亟待解決的問(wèn)題。

嚴(yán)威凱等[8]利用區(qū)域試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量與遺傳力的函數(shù)關(guān)系, 估算出燕麥品種試驗(yàn)在特定誤差水平下不同遺傳力水平需要的試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量, 并指出通過(guò)增加試點(diǎn)數(shù)和重復(fù)次數(shù)可以快速提高遺傳力的上限為75%, 其后遺傳力提高的速率急劇降低, 故認(rèn)為試驗(yàn)遺傳力達(dá)到0.75水平時(shí)需要的重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量是較適宜的數(shù)量。許乃銀等[5]對(duì)國(guó)家棉花區(qū)試的遺傳力水平及其隨著試點(diǎn)數(shù)量增加的規(guī)律進(jìn)行了定量化分析, 并提出針對(duì)各主產(chǎn)棉區(qū)的區(qū)域試驗(yàn)設(shè)置優(yōu)化方案。關(guān)于小麥品種區(qū)域試驗(yàn)適宜重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量的相關(guān)研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究的目的是綜合利用重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量的估計(jì)方法, 全面分析和評(píng)價(jià)2010—2019年期間我國(guó)北部冬麥區(qū)國(guó)家小麥品種試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量設(shè)置的科學(xué)性和優(yōu)化方案, 為國(guó)家小麥區(qū)域試驗(yàn)的優(yōu)化資源配置提供依據(jù), 并為其他作物品種區(qū)域試驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)置提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2010—2019年期間北部冬麥區(qū)水地組和旱地組小麥品種試驗(yàn)設(shè)置的試點(diǎn)數(shù)量和參試品種數(shù)詳見(jiàn)表1。所有試驗(yàn)均采用隨機(jī)區(qū)組排列, 重復(fù)3次, 小區(qū)面積12~14 m2。2009—2010年度(簡(jiǎn)稱為“2010年”, 下同)水地組區(qū)域試驗(yàn)以“京冬8號(hào)”為對(duì)照, 以“中麥175”輔助對(duì)照品種。其余年份水地組和旱地組小麥品種試驗(yàn)分別以中麥175和“長(zhǎng)6878”為對(duì)照品種。水地組常年在北京市的昌平和順義; 天津市的武清和寶坻; 河北省的保定、遵化、灤南和固安; 山西省的太原、屯留、介休等地共設(shè)置約11個(gè)試點(diǎn)(2015年前在新疆設(shè)有阿拉爾試點(diǎn))。旱地組常年在山西省的高平、長(zhǎng)子、長(zhǎng)治和平?jīng)? 甘肅省的莊浪、定西、鎮(zhèn)原和慶陽(yáng); 寧夏的固原、隆德、彭陽(yáng)等地共設(shè)置約11個(gè)試點(diǎn)。田間栽培管理按當(dāng)?shù)亓?xí)慣和區(qū)域試驗(yàn)方案要求進(jìn)行。本研究分別采用2010—2019年期間北部冬麥區(qū)小麥品種試驗(yàn)的196個(gè)單年單點(diǎn)試驗(yàn)(其中, 水地組112個(gè), 旱地組84個(gè))和20組一年多點(diǎn)試驗(yàn)的產(chǎn)量數(shù)據(jù)分析試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量與遺傳力的關(guān)系, 估算在特定遺傳力水平下對(duì)重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量的需求。

1.2 統(tǒng)計(jì)分析

采用數(shù)據(jù)分析和管理系統(tǒng)GGEbiplot Pattern Explorer[9]對(duì)2010—2019年期間北部冬麥區(qū)小麥品種試驗(yàn)中196個(gè)單點(diǎn)試驗(yàn)分別進(jìn)行方差分析, 得出遺傳方差和誤差方差, 再依據(jù)Yan等[6,8]和許乃銀等[5]介紹的方法分別計(jì)算單點(diǎn)試驗(yàn)的信噪比、遺傳力及遺傳力為0.75時(shí)需要的試驗(yàn)重復(fù)次數(shù), 并根據(jù)196次單點(diǎn)試驗(yàn)在不同重復(fù)次數(shù)需求范圍內(nèi)的累積頻數(shù)(cumulative frequency, C)分布規(guī)律, 初步分析小麥品種區(qū)域試驗(yàn)的適宜重復(fù)次數(shù)。其次, 對(duì)20組一年多點(diǎn)試驗(yàn)分別進(jìn)行方差分析, 得出遺傳方差、品種與試點(diǎn)互作方差和誤差方差, 計(jì)算一年多點(diǎn)試驗(yàn)的信噪比、遺傳力及遺傳力為0.75時(shí)需要的試點(diǎn)數(shù)量,分別估計(jì)水地組和旱地組試驗(yàn)對(duì)試點(diǎn)數(shù)量的需求。然后, 依據(jù)水地組和旱地組小麥品種試驗(yàn)的多次單點(diǎn)試驗(yàn)平均信噪比(r)和一年多點(diǎn)試驗(yàn)平均信噪比(e)與重復(fù)次數(shù)、試點(diǎn)數(shù)及遺傳力的關(guān)系式, 對(duì)不同重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量條件下的遺傳力水平進(jìn)行定量分析。最后, 依據(jù)遺傳力與信噪比、重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)的關(guān)系式, 在設(shè)定區(qū)間內(nèi)擬合遺傳力增量與重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量增量的響應(yīng)曲線, 從而提出小麥品種試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量設(shè)置的優(yōu)化方案。單年單點(diǎn)和一年多點(diǎn)區(qū)域試驗(yàn)的遺傳力及其增量、信噪比、重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量的計(jì)算公式如下[5-6]:

單年單點(diǎn)試驗(yàn)的遺傳力=g/(g+e/r) (1)

單年單點(diǎn)試驗(yàn)的信噪比r=e/g(2)

單年單點(diǎn)試驗(yàn)所需的重復(fù)數(shù)r= (e/g)×/ (1?) =r×/(1?) (3)

單年單點(diǎn)試驗(yàn)遺傳力與重復(fù)次數(shù)及信噪比的關(guān)系式=r/(r+r) (4)

單年單點(diǎn)試驗(yàn)遺傳力增量D= [r/(r+r)][(r?Dr)/((r?Dr)+r)] (5)

一年多點(diǎn)試驗(yàn)的遺傳力=g/(g+ge/e+e/er) (6)

一年多點(diǎn)試驗(yàn)的信噪比Q= (ge+e/e)/g(7)

一年多點(diǎn)試驗(yàn)所需的試點(diǎn)數(shù)e= [(ge+e/e)/g] ×/(1?) =e×/(1?) (8)

一年多點(diǎn)試驗(yàn)遺傳力與試點(diǎn)數(shù)及信噪比的關(guān)系式=e/(e+e) (9)

一年多點(diǎn)試驗(yàn)遺傳力增量D= [e/(e+e)][(e?De)/((e?De)+e)] (10)

式中,為遺傳力,g為遺傳方差,e為誤差方差,r為重復(fù)數(shù),r為單點(diǎn)試驗(yàn)信噪比,r為單點(diǎn)試驗(yàn)需要的重復(fù)數(shù),ge為品種與試點(diǎn)互作方差,e為試點(diǎn)數(shù)量,e為一年多點(diǎn)試驗(yàn)的信噪比,e為一年多點(diǎn)試驗(yàn)需要的試點(diǎn)數(shù)量,D為試驗(yàn)遺傳力增量,Dr和De分別為單位重復(fù)數(shù)和試點(diǎn)數(shù),(r?Dr)和(e?De)分別為在r和e基礎(chǔ)上減少一個(gè)單位的重復(fù)數(shù)和試點(diǎn)數(shù)。

表1 2010–2019年我國(guó)北部冬麥區(qū)國(guó)家小麥品種區(qū)域試驗(yàn)組數(shù)、品種數(shù)和產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)表

2 結(jié)果與分析

2.1 單年單點(diǎn)小麥區(qū)域試驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)分析

表2表明: (1)在北部冬麥區(qū)共196次單點(diǎn)試驗(yàn)中, 在保證遺傳力達(dá)到0.75水平下需要1次、2次和3次重復(fù)以內(nèi)的試驗(yàn)累積頻率分別約為69%、83%和88%, 需要3~4次重復(fù)、4~5次重復(fù)和5次以上重復(fù)的試驗(yàn)比例分別約為4%、2%和7%。其中, 水地組和旱地組需要3次重復(fù)以內(nèi)的試驗(yàn)累積頻率分別約為87%和89%, 差異不大。可見(jiàn), 采用3次重復(fù)可以保證近90%的單點(diǎn)試驗(yàn)遺傳力達(dá)到0.75的水平, 僅有少數(shù)試點(diǎn)因試驗(yàn)誤差偏大等原因?qū)е逻z傳力偏低; (2)北部冬麥區(qū)共196次單點(diǎn)試驗(yàn)需要的重復(fù)次數(shù)總均值僅為1.4次, 其中, 水地組和旱地組需要的重復(fù)次數(shù)平均都在2次以下, 說(shuō)明北部冬麥區(qū)小麥品種試驗(yàn)采用3次重復(fù)可以充分保證試驗(yàn)遺傳力和試驗(yàn)效率符合試驗(yàn)質(zhì)量要求。

表2 2010–2019年北部冬麥區(qū)單年單點(diǎn)小麥品種試驗(yàn)在遺傳力為0.75時(shí)所需要重復(fù)數(shù)的次數(shù)分布

重復(fù)數(shù)范圍是指在＝0.75時(shí)所需要的試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)的分布范圍。北部冬麥區(qū)包括水地組和旱地組。N、(%)、C(%)、r和r分別為次數(shù)、頻數(shù)、累積頻數(shù)、需要重復(fù)數(shù)和信噪比。

Range ofrmeans the replicates needed to achieve 0.75 of heritability in half-open intervals. The Northern winter wheat region covers Irrigated region and Rainfed region. N,(%), C(%),r,r, and(%) stand for number of times, frequency, cumulative frequency, replicate needed and noise-signal ratio in each interval, respectively.

2.2 小麥品種試驗(yàn)適宜重復(fù)數(shù)和試點(diǎn)數(shù)的定量分析

依據(jù)2010—2019年水地組、旱地組及北部冬麥區(qū)小麥品種試驗(yàn)的單點(diǎn)試驗(yàn)平均信噪比(r)和一年多點(diǎn)試驗(yàn)平均信噪比(e)與重復(fù)次數(shù)或試點(diǎn)數(shù)及遺傳力的關(guān)系式, 在不同重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量條件下對(duì)遺傳力水平的定量分析(圖1和表3)表明: (1)試驗(yàn)遺傳力隨著重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)的增加, 表現(xiàn)為先快后慢的曲線關(guān)系。隨著重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)的增加, 遺傳力在0.75以下時(shí)提升速度非?？? 為遺傳力的“快速增長(zhǎng)期”; 在0.75和0.90期間提升速率明顯減緩, 但仍有顯著的增量, 為遺傳力的“緩慢增長(zhǎng)期”; 達(dá)0.90之后, 再增加重復(fù)次數(shù)或試點(diǎn)數(shù)量對(duì)遺傳力的提高作用微小, 是遺傳力的“增長(zhǎng)停滯期”。(2)在遺傳力為0.75水平下, 水地組、旱地組及北部冬麥區(qū)小麥品種試驗(yàn)需要的重復(fù)次數(shù)都在2次以下; 重復(fù)次數(shù)為3次的情況下, 水地組、旱地組及北部冬麥區(qū)小麥品種試驗(yàn)的遺傳力分別達(dá)到了約0.85、0.88和0.87的水平, 已經(jīng)充分保證了試驗(yàn)的精度要求; 如需將遺傳力提高在0.90水平下, 則需要約4~5次重復(fù), 其后繼續(xù)增加重復(fù)次數(shù)對(duì)提高遺傳力沒(méi)有意義。(3)在遺傳力為0.75水平下, 水地組、旱地組及北部冬麥區(qū)小麥品種試驗(yàn)需要的試點(diǎn)數(shù)量分別約為11個(gè)、13個(gè)和12個(gè); 水地組、旱地組及北部冬麥區(qū)小麥品種試驗(yàn)平均匯總的試點(diǎn)數(shù)分別約為11個(gè)、9個(gè)和10個(gè), 其試驗(yàn)遺傳力分別達(dá)到了約0.75、0.68和0.71的水平, 水地組已經(jīng)符合小麥品種試驗(yàn)的精確度要求, 而旱地組需要增加4個(gè)試點(diǎn)才可以達(dá)到試驗(yàn)的精確度要求; 在條件許可的情況下, 將旱地組試點(diǎn)數(shù)增加到13個(gè), 可將整體試驗(yàn)的遺傳力水平提升到0.75; 如需將遺傳力提高到0.85水平, 則水地組和旱地組分別需要約21個(gè)和24個(gè)試點(diǎn); 如需將遺傳力提高到0.90水平, 則水地組和旱地組分別需要約33個(gè)和38個(gè)試點(diǎn), 其后繼續(xù)增加試點(diǎn)數(shù)沒(méi)有意義。

圖1 北部冬麥區(qū)小麥品種試驗(yàn)的遺傳力(H)及其所需重復(fù)(Nr)或試點(diǎn)數(shù)量(Ne)的關(guān)系

Irrigated和Rainfed分別代表北部冬麥區(qū)的水地組和旱地組小麥品種試驗(yàn);r和e分別代表重復(fù)數(shù)信噪比和試點(diǎn)數(shù)信噪比。

Irrigated and Rainfed stand for the irrigated group and rainfed group in winter wheat variety trials of Northern winter wheat region.randestand for the noise-signal ratio of replicate and test location number, respectively.

表3 北部冬麥區(qū)小麥品種試驗(yàn)在不同遺傳力水平下需要的重復(fù)數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量定量分析

重復(fù)的信噪比(r)為單年單點(diǎn)試驗(yàn)的平均值; 試點(diǎn)的信噪比(e)一年多點(diǎn)試驗(yàn)校正平均值; 合格數(shù)量為2010–2019年期間北部冬麥區(qū)水地組和旱地組實(shí)際匯總的重復(fù)或試點(diǎn)數(shù)量。

The noise-signal ratio of replicate (r) is the mean of all single trials in each group, while locationeis the mean of all one-year multi-locational trials in the group.Nis the mean of replicates or test locations summarized in the annual wheat cultivar trial report of the irrigated group and rainfed group trials in Northern winter wheat region (NWWR) from 2010 to 2019.

2.3 小麥品種試驗(yàn)中重復(fù)數(shù)和試點(diǎn)數(shù)對(duì)遺傳力增量的影響

依據(jù)2010—2019年北部冬麥區(qū)水地組和旱地組小麥品種試驗(yàn)的單點(diǎn)試驗(yàn)平均信噪比(r)和一年多點(diǎn)試驗(yàn)平均信噪比(e)與重復(fù)次數(shù)或試點(diǎn)數(shù)及遺傳力的關(guān)系式, 計(jì)算在設(shè)定區(qū)間內(nèi)與單位增量的重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量相對(duì)應(yīng)的遺傳力增量。圖2表明, (1)水地組和旱地組小麥品種試驗(yàn)重復(fù)數(shù)和試點(diǎn)數(shù)增量對(duì)遺傳力增量的影響趨勢(shì)基本一致, 可合并分析。(2)重復(fù)次數(shù)以0.2為單位, 在區(qū)間[0,1]中每增加一個(gè)單位, 遺傳力依次提升0.30、0.16、0.10、0.07和0.05, 當(dāng)重復(fù)次數(shù)為1時(shí)遺傳力達(dá)到0.68; 在區(qū)間[1,5]中每增加一次重復(fù), 遺傳力依次提升0.13、0.05、0.03和0.02; 其后繼續(xù)增加重復(fù)數(shù), 遺傳力基本不再提升。重復(fù)數(shù)從1次增加到2次、3次和4次, 遺傳力依次從0.68提升到0.81、0.86、0.89和0.91, 可見(jiàn), 第2次重復(fù)的遺傳力增量較大, 第3次重復(fù)的遺傳力增加已經(jīng)很小, 后續(xù)重復(fù)數(shù)增加對(duì)遺傳力的提升效應(yīng)十分微小。(3)試點(diǎn)數(shù)以1為單位, 在區(qū)間[1,5]中每增加1個(gè)試點(diǎn), 遺傳力增量依次為0.20、0.13、0.10、0.07和0.06, 從0.20提高到0.60; 其后繼續(xù)增加試點(diǎn)數(shù), 遺傳力的提升速度減緩, 在試點(diǎn)數(shù)區(qū)間[6,10]中每增加1個(gè)試點(diǎn)約提高遺傳力0.02, 在試點(diǎn)數(shù)區(qū)間[11,15]中每增加1個(gè)試點(diǎn)約提高遺傳力0.01, 其后試點(diǎn)數(shù)增加對(duì)遺傳力的提升效應(yīng)較小。試點(diǎn)數(shù)從5個(gè)增加到10個(gè)、15個(gè)和20個(gè), 遺傳力依次從0.56提升到0.72、0.79和0.84, 后續(xù)試點(diǎn)數(shù)增加對(duì)遺傳力的提升效應(yīng)基本上沒(méi)有意義。

圖2 北部冬麥區(qū)小麥品種試驗(yàn)的遺傳力增量(ΔH)與單位重復(fù)數(shù)或試點(diǎn)數(shù)的關(guān)系

3 討論

3.1 小麥品種區(qū)域試驗(yàn)效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)探討

農(nóng)作物多環(huán)境品種試驗(yàn)(品種區(qū)域試驗(yàn))是客觀評(píng)價(jià)農(nóng)作物品種的豐產(chǎn)性、穩(wěn)產(chǎn)性和適應(yīng)性及生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值必要環(huán)節(jié)[10]。作物區(qū)域試驗(yàn)的科學(xué)性、可靠性和試驗(yàn)效率主要決定于其對(duì)品種間差異的鑒別能力, 而鑒別力又決定于試驗(yàn)的精確度[11]。試驗(yàn)精確度在區(qū)域試驗(yàn)質(zhì)量評(píng)價(jià)中一直受到廣泛關(guān)注[12-16]。試驗(yàn)的精確度主要與試驗(yàn)誤差有關(guān), 試驗(yàn)誤差越大, 則精確度越低。區(qū)域試驗(yàn)中通常用試驗(yàn)誤差變異系數(shù)(CV, coefficient of error variation)來(lái)表示試驗(yàn)的精確度, 并將CV大于15%的單年單點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)在匯總報(bào)告中剔除。作為更直接的試驗(yàn)對(duì)品種鑒別能力的指標(biāo), 孔繁玲等[11]將品種間多重比較時(shí)的最小顯著差數(shù)(least significant difference, LSD)與總體均值的比率稱為相對(duì)最小顯著差數(shù)(relative least significant difference, RLSD)作為試驗(yàn)精確度的指標(biāo)[17]。然而, 一年多點(diǎn)品種區(qū)域試驗(yàn)的精確度和有效性不僅受到遺傳效應(yīng)和誤差大小的影響, 還受到品種與環(huán)境互作效應(yīng)等因素的影響[18-20]。一組由多個(gè)試驗(yàn)誤差變異都很小的單點(diǎn)試驗(yàn)組成一年多點(diǎn)品種區(qū)域試驗(yàn)并不一定是有效的試驗(yàn)。例如, 2017年北部冬麥區(qū)旱地組小麥區(qū)域試驗(yàn)中全部9個(gè)單點(diǎn)試驗(yàn)中的CV值都在8%以下, 多點(diǎn)聯(lián)合方差分析的CV值僅為3.8%, 但其試驗(yàn)遺傳力卻只有0.30。從CV值來(lái)看這是一個(gè)精確度很好的試驗(yàn), 而從遺傳力來(lái)看又是一個(gè)“壞試驗(yàn)”, 因?yàn)樗鼘?duì)品種的鑒別能力太差, 無(wú)法分辨品種間的真實(shí)遺傳差異。品種與環(huán)境互作方差大而遺傳方差相對(duì)很小是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因。當(dāng)遺傳力接近于0時(shí), 無(wú)論品種間表型差異有多大, 基于表型變異的品種選擇都是完全無(wú)效的[8]。遺傳力表達(dá)了試驗(yàn)對(duì)品種間遺傳差異的鑒別能力和對(duì)品種的選擇效率, 也就是體現(xiàn)了品種區(qū)域試驗(yàn)的效率。在農(nóng)作物品種多環(huán)境試驗(yàn)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中除了用CV表達(dá)試驗(yàn)的誤差控制水平外, 還應(yīng)當(dāng)將試驗(yàn)遺傳力作為試驗(yàn)有效性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[5]。Yan等[6]研究發(fā)現(xiàn)= 0.75是比較適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。許乃銀等[5]研究證實(shí)了遺傳力保持0.75的水平是我國(guó)棉花品種區(qū)域試驗(yàn)質(zhì)量評(píng)價(jià)比較適合的標(biāo)準(zhǔn), 但也需要依據(jù)具體品種試驗(yàn)發(fā)展水平確定其適宜的目標(biāo)遺傳力水平。本研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)北部冬麥區(qū)小麥品種試驗(yàn)水地組和旱地組在正常年份的試驗(yàn)遺傳力平均分別為0.75和0.68, 同時(shí)也考慮到小麥品種區(qū)域試驗(yàn)對(duì)品種推薦審定和應(yīng)用十分重要, 每年都可能有部分試驗(yàn)點(diǎn)因?yàn)楦鞣N異常原因而報(bào)廢, 為充分保證試驗(yàn)匯總結(jié)果的可靠性, 可按遺傳力為0.85的水平需求安排試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)量和重復(fù)次數(shù)。

3.2 小麥品種區(qū)域試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量的優(yōu)化策略

小麥品種區(qū)域試驗(yàn)從試驗(yàn)設(shè)計(jì)、田間管理和試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析等各項(xiàng)工作都是為了提高小麥品種試驗(yàn)的遺傳力, 從而提高試驗(yàn)的品種選擇效率[5]。品種多點(diǎn)試驗(yàn)的遺傳力受到試驗(yàn)誤差、品種與試點(diǎn)互作效應(yīng)、試點(diǎn)數(shù)量和試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)等因素的綜合影響。因此, 加強(qiáng)試驗(yàn)田間管理以減少試驗(yàn)誤差、開(kāi)展適當(dāng)?shù)钠贩N生態(tài)區(qū)劃分以減少品種與環(huán)境互作效應(yīng)、適當(dāng)增加試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量區(qū)域試驗(yàn)等措施有利于提高試驗(yàn)遺傳力和試驗(yàn)效率。試驗(yàn)遺傳力隨著重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量增加而提高的速率符合先快后慢的“邊際效應(yīng)遞減”規(guī)律, 在達(dá)到適當(dāng)?shù)臄?shù)量后再增加重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量對(duì)遺傳力的增量貢獻(xiàn)很小, 試驗(yàn)效率提高不大。同時(shí), 重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量的增加也意味著試驗(yàn)投入的人力、物力和財(cái)力成本的增加, 成本投入對(duì)試驗(yàn)效率的提高符合報(bào)酬遞減規(guī)律。因此, 品種區(qū)域試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量的優(yōu)化就是依據(jù)遺傳力隨著重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量增加的遞增規(guī)律, 設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)闹貜?fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量在充分保證試驗(yàn)的可靠性和科學(xué)性的前提下又能節(jié)省試驗(yàn)成本, 減少不必要的資源浪費(fèi)。嚴(yán)威凱等[6]研究指出遺傳力達(dá)到0.75的水平是試驗(yàn)成本和試驗(yàn)效率的產(chǎn)投比“拐點(diǎn)”, 遺傳力大于0.75時(shí)的試點(diǎn)數(shù)量增加對(duì)遺傳力增量效應(yīng)將快速衰退。本研究也證實(shí)了試驗(yàn)遺傳力隨著重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)的增加表現(xiàn)為先快后慢的曲線關(guān)系, 遺傳力在0.75以下時(shí)表現(xiàn)為“快速增長(zhǎng)期”, 在0.75和0.90期間表現(xiàn)為“緩慢增長(zhǎng)期”, 在0.90之后表現(xiàn)為“增長(zhǎng)停滯期”。本研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)北部冬麥區(qū)小麥品種試驗(yàn)第2次重復(fù)的遺傳力增量較大, 第3次重復(fù)的遺傳力增加已經(jīng)很小, 后續(xù)重復(fù)數(shù)增加對(duì)遺傳力的提升效應(yīng)十分微小; 試點(diǎn)數(shù)從5個(gè)增加到10個(gè)、15個(gè)和20個(gè), 遺傳力依次從0.56提升到0.72、0.79和0.84, 后續(xù)試點(diǎn)數(shù)增加對(duì)遺傳力的提升效應(yīng)基本上沒(méi)有意義。因此, 北部冬麥區(qū)小麥品種試驗(yàn)可保持當(dāng)前的3次重復(fù); 水地組的試點(diǎn)數(shù)量可保持在11個(gè)左右; 旱地組可將試點(diǎn)數(shù)增加到13個(gè), 使遺傳力達(dá)到0.75; 在條件許可的前提下, 旱地組和水地組的試點(diǎn)數(shù)可分別增加到15個(gè)和17個(gè), 使遺傳力達(dá)到0.80的水平。

4 結(jié)論

我國(guó)北部冬麥區(qū)小麥品種試驗(yàn)采用3次重復(fù)可以充分保證試驗(yàn)遺傳力和試驗(yàn)效率符合試驗(yàn)質(zhì)量要求, 目前設(shè)置的試點(diǎn)數(shù)量也可以充分滿足區(qū)域試驗(yàn)的精確度要求。針對(duì)小麥品種試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)和試點(diǎn)數(shù)量的優(yōu)化方案包括,重復(fù)次數(shù)仍可設(shè)計(jì)為3次; 水地組可保持當(dāng)前11個(gè)左右的試點(diǎn)數(shù)量, 旱地組和在國(guó)家財(cái)力、物力和人力等條件許可的情況下, 可以將試點(diǎn)數(shù)量增加到13個(gè)左右, 從而使北部冬麥區(qū)小麥品種試驗(yàn)遺傳力達(dá)到到0.75的水平; 如需將遺傳力提高在0.80水平, 則需要約16個(gè)試點(diǎn); 增加的試點(diǎn)數(shù)量可與增加重復(fù)次數(shù)相比較, 優(yōu)先選擇增加小區(qū)數(shù)量較少的方案, 有利于節(jié)約試驗(yàn)成本。

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Optimization of test location number and replicate frequency in regional winter wheat variety trials in northern winter wheat region in China

ZHANG Yi1, XU Nai-Yin2, GUO Li-Lei1, YANG Zi-Guang3, ZHANG Xiao-Qing1, and YANG Xiao-Ni2

1National Extension and Service Center of Agricultural Technology, Beijing 100125, China;2Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, Jiangsu, China;3Luoyang Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Luoyang 471022, Henan, China

The rational allocation of the replicate frequency and test location number in regional crop trials are highly beneficial to the enhancement of both trial cost efficiency and new cultivar selection efficiency. The rationality of test location number and replicate frequency for national wheat regional trials in the Northern winter wheat region (NWWR) in China was evaluated by using historical experimental datasets during the last 10 years according to the dynamics of trial heritability and noise-signal quotient () with the increase of test locations and replicates within trials in 2010–2019, proposing an optimal design scheme of the replicate frequency and test location number for the wheat planting region. The result indicated three replicates at current achieve 0.87 of the averaged within-trial heritability of single-trials in NWWR, and only 1.4 times of replicates on average was needed to achieve 0.75 of within-trial heritability, so three replicates were obviously sufficient to maintain enough test accuracy. The needed test location number to achieve 0.75 of cross-trial heritability was estimated as 11 for the irrigated group and 13 for the rainfed group in the one-year multi-locational trials in NWWR, while in the current wheat trials that was about 11 and 8 effective test locations, achieving a heritability level of 0.75 and 0.60, respectively. The irrigated group was exactly meet the trial accuracy requirement (= 0.75), while the rainfed group was somewhat insufficient. Considering the importance of the regional wheat trials in recommending new varieties for registration and production, and the possible trial cancellation due to various abnormalities, the practical management should set a heritability level around 0.75, and maintain three replicates, with around 11 test locations for the irrigated group, and 13 locations for the rain-fed group. In order to increase heritability to the level of 0.80, about 16 test locations should be required.

wheat (L.); regional trial; heritability; noise-signal quotient; number of replicate; number of test location

10.3724/SP.J.1006.2020.91069

本研究由國(guó)家農(nóng)作物品種區(qū)域試驗(yàn)專項(xiàng)資助。

This study was supported by the Special Project of National Crop Regional Trials.

E-mail: zhangy@oilcrops.cn, Tel: 010-64194512

2019-11-29;

2020-03-24;

2020-05-08.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20200507.1620.010.html