基于主成分分析的氮高效小麥品種的篩選

宋 曉,張珂珂,黃晨晨,黃紹敏,郭斗斗,岳 克,張水清

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002；2.鄭州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450002)

小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要糧食作物,其產(chǎn)量的高低影響著國(guó)家糧食安全[1]。合理施用氮肥有利于提高小麥產(chǎn)量，但過量施用不僅導(dǎo)致肥效下降，還會(huì)造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[1-2]。研究表明，挖掘小麥自身氮高效利用潛力，篩選和推廣氮高效小麥品種已成為控制氮肥用量、穩(wěn)定產(chǎn)量和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的有效途徑[3]。氮高效是多種氮效率指標(biāo)相互作用呈現(xiàn)的一個(gè)復(fù)雜綜合性狀，其中每一個(gè)指標(biāo)都與作物的氮效率有一定的相關(guān)性[4-6]。因此，氮高效評(píng)價(jià)指標(biāo)間存在多重共性問題，增加了計(jì)算量和分析量，一定程度上影響了氮高效評(píng)價(jià)的真實(shí)性。主成分分析法是將原始的多個(gè)變量通過線性組合提煉出較少幾個(gè)彼此獨(dú)立新變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法；分析過程中，可以舍棄一部分主成分,只取前后方差較大的幾個(gè)主成分來代表原變量,從而減少指標(biāo)選擇和計(jì)算的工作量，避免指標(biāo)間的多重共性問題[7]。近年來，國(guó)內(nèi)外主成分分析多用于土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)[8-9]，水稻[10-11]物理特性和遺傳分析，葡萄[12]、茄子[13]等的抗逆性評(píng)價(jià)方面,在氮高效品種篩選、評(píng)價(jià)方面報(bào)道較少，主要涉及棉花[14]、谷子[15]氮高效品種篩選，而關(guān)于小麥氮高效品種篩選、評(píng)價(jià)研究尚未見報(bào)道。為此，以30 a的長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)地為平臺(tái)，選擇能反映氮效率的定量因子,利用主成分分析法綜合評(píng)價(jià)不同基因型小麥品種對(duì)氮素響應(yīng)的差異，根據(jù)綜合評(píng)價(jià)得分篩選出氮高效小麥品種，為小麥氮高效育種提供良好的種質(zhì)資源及篩選依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在全國(guó)潮土肥力和肥料效益長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)站(鄭州)進(jìn)行。土壤類型為潮土，土壤含有機(jī)質(zhì)14.26 g/kg、堿解氮81.4 mg/kg、有效磷14.1 mg/kg、有效鉀88.4 mg/kg、全氮0.8 g/kg。

試驗(yàn)材料選用27份不同基因型的小麥品種(表 1)。氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為磷酸二氫鈣(含P2O512%)，鉀肥為硫酸鉀(含K2O 57%)。

表1 小麥品種名稱

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

所有小麥品種分別于2017年和2018年10月中旬播種，播種量為150 kg/hm2。試驗(yàn)小區(qū)為隨機(jī)排列，每個(gè)小區(qū)面積為54 m2，重復(fù)3次。施N 165 kg/hm2、P2O582.5 kg/hm2、K2O 82.5 kg/hm2。氮肥分為基肥和追肥2次施入，基追比為5∶5，追肥于返青期開溝施入，磷肥和鉀肥在播前作為基肥一次性施入。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

成熟期，每小區(qū)取1 m雙行代表樣段，調(diào)查葉傾角，葉傾角指葉面法線與垂直方向的夾角，對(duì)于葉面直立的葉片，測(cè)量葉脈與莖稈的夾角；對(duì)于葉片彎曲的葉片，將葉片分成2～3段分別測(cè)量葉傾角，再以葉面積為權(quán)重計(jì)算平均葉傾角。人工收割調(diào)查穗數(shù)，并脫粒，自然曬干稱質(zhì)量，計(jì)算產(chǎn)量。將成熟期樣品分為籽粒和秸稈兩部分，置于70 ℃干燥箱內(nèi)恒溫干燥，粉碎，稱取干質(zhì)量，并采用凱氏定氮法測(cè)定秸稈含氮量和籽粒含氮量[16]，并計(jì)算收獲指數(shù)、氮利用率、氮吸收效率、植株氮積累量。植株氮積累量=籽粒含氮量×籽粒干質(zhì)量+秸稈含氮量×秸稈干質(zhì)量，收獲指數(shù)=籽?？偽?植株氮積累量；氮利用率=植株干質(zhì)量/植株氮積累量；氮吸收效率=植株氮積累量/施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理使用Excel 2010，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 20.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小麥品種間氮效率指標(biāo)的差異分析

由表2可見，27個(gè)小麥品種在產(chǎn)量、穗數(shù)、葉傾角、籽粒含氮量、籽?？偽?、秸稈干質(zhì)量、秸稈含氮量、秸稈總吸氮量、植株氮積累量、收獲指數(shù)、氮利用率、氮吸收效率間存在不同程度的差異。2017年，所有性狀指標(biāo)的變異系數(shù)介于4.98%～23.31%，其中籽?？偽康淖儺愊禂?shù)最大，為23.31%，其次為秸稈總吸氮量(23.20%)，收獲指數(shù)的變異系數(shù)最小，為4.98%。2018年，變異系數(shù)介于4.95%～30.91%，其中秸稈總吸氮量的變異系數(shù)最大，為30.91%，其次為葉傾角，為25.26%，收獲指數(shù)的最小，為4.95%。年際間，各指標(biāo)的變異系數(shù)有一定程度的變化。與2017年相比，2018年葉傾角、籽粒含氮量、秸稈干質(zhì)量、秸稈含氮量、秸稈總吸氮量、氮利用率的變異系數(shù)增加，增加幅度為11.08%～40.39%；產(chǎn)量、穗數(shù)、籽?？偽?、植株氮積累量、收獲指數(shù)和氮吸收效率的變異系數(shù)略微降低，降低幅度為0.60%～17.59%。可見，這些性狀在品種間、年際間均有一定的差異。

表2 供試小麥品種氮效率指標(biāo)分析

2.2 不同小麥品種氮效率的綜合評(píng)價(jià)

2.2.1 氮效率指標(biāo)主成分提取 氮效率各指標(biāo)具有不同的量綱與數(shù)量級(jí)，為了避免其對(duì)結(jié)果的影響，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)性，便于各指標(biāo)綜合比較，主成分分析前必須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,主成分確定標(biāo)準(zhǔn)是累積貢獻(xiàn)率>85%[17]。2017年數(shù)據(jù)分析結(jié)果(表3)顯示，前3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到86.289%。第一主成分的特征值為5.599，貢獻(xiàn)率為46.661%，主要包括產(chǎn)量(載荷值為0.349，下同)、籽?？偽?0.407)、植株氮積累量(0.420)和氮吸收效率(0.420)，其中，植株氮積累量和氮吸收效率的載荷較高。第一主成分主要反映了植株氮積累量和氮吸收效率。第二主成分的特征值為2.710，貢獻(xiàn)率為22.583%，主要反映了秸稈含氮量、秸稈總吸氮量和葉傾角，其載荷值分別為0.407、0.463和0.383。第三主成分的特征值為2.045，貢獻(xiàn)率為17.045%，主要反映了氮利用率，其載荷值為0.526。

2018年數(shù)據(jù)分析結(jié)果(表3)顯示，前4個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到91.711%，基本包含了氮效率的總信息。第一主成分的特征值為4.910，貢獻(xiàn)率達(dá)到40.914%，主要包括植株氮積累量(0.437)、氮吸收效率(0.437)、秸稈總吸氮量(0.345)、秸稈干質(zhì)量(0.310)、籽?？偽?0.386)和穗數(shù)(0.330)，其中，植株氮積累量和氮吸收效率的載荷值較大。第一主成分主要反映了植株氮積累量和氮吸收效率。第二主成分的特征值為2.570，貢獻(xiàn)率為21.420%，主要反映了氮利用率和產(chǎn)量；秸稈含氮量的載荷值(-0.510)的絕對(duì)值最大，說明在小麥改良過程中，適度降低秸稈含氮量可以提高氮利用率。第三主成分的特征值為2.132，貢獻(xiàn)率為17.769%，主要反映了秸稈總吸氮量和氮利用率；但收獲指數(shù)(-0.521)和籽粒氮含量(-0.462)的載荷值絕對(duì)值較大，說明適當(dāng)降低收獲指數(shù)和籽粒氮含量有利于氮利用率的提高。第四主成分的特征值為1.393，貢獻(xiàn)率為11.607%，主要包括葉傾角，其載荷值為0.757，第四主成分主要反映了植株的表型特征。

表3 氮效率主成分的特征值、貢獻(xiàn)率、累計(jì)貢獻(xiàn)率和成分載荷矩陣

2.2.2 氮效率主成分得分及綜合評(píng)價(jià) 主成分是原各指標(biāo)的線性組合,各指標(biāo)的權(quán)數(shù)為特征向量，它表示各單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)于主成分的重要程度并決定了該主成分的實(shí)際意義[9]。結(jié)合各主成分的方差貢獻(xiàn)率，分別得出2017年和2018年的不同小麥品種的氮效率綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，即F=0.467F1+0.226F2+0.170F3和F=0.409F1+0.214F2+0.178F3+0.116F4。2017年氮效率綜合得分F值大于0的品種分別為(綜合得分從大到小)新麥29、中育1220、西農(nóng)979、周麥28、中麥895、許科168、百農(nóng)4199、存麥8號(hào)、周麥22、鄭麥379、鄭麥113、中育1211、洛麥29和周麥32。2018年氮效率綜合得分F值大于0的品種分別是(綜合得分從大到小)鄭麥113、百農(nóng)4199、周麥28、周麥22、中育1211、新麥29、許科168、偃高21、西農(nóng)979、中育1220和周麥32(表4)。

表4 不同小麥品種氮效率主成分綜合評(píng)價(jià)及排序

2.3 氮高效小麥品種的篩選

以小麥產(chǎn)量及每個(gè)品種的氮效率綜合得分做散點(diǎn)圖，將27個(gè)小麥品種進(jìn)行分類，大致分為4類(圖1)，分別為高產(chǎn)氮高效型、低產(chǎn)氮高效型、低產(chǎn)氮低效型、高產(chǎn)氮低效型。

高產(chǎn)氮高效型：此類小麥的產(chǎn)量和氮效率綜合得分均高于27個(gè)品種的平均值，位于圖1中的Ⅰ區(qū)，2017年和2018年均包括西農(nóng)979、許科168、中育1211、鄭麥113、洛麥29、周麥28、周麥22、中育1220、新麥29和百農(nóng)4199，2 a的重合率達(dá)90%。

低產(chǎn)氮高效型：此類小麥的產(chǎn)量低于所有品種產(chǎn)量的平均值，氮效率綜合得分則高于平均值，位于圖1中的Ⅱ區(qū)。2017年包括周麥32、鄭麥379、中麥895和存麥8號(hào)；2018年包括周麥32。

低產(chǎn)氮低效型：此類小麥的產(chǎn)量和氮效率綜合得分均低于27個(gè)品種的平均值，位于圖1中的Ⅲ區(qū)。2017年包括周麥27、周麥30、偃高58、洛麥31、西農(nóng)511、洛麥26、洛麥34、豐德存麥5號(hào)、鄭品麥8號(hào)和漯麥18；2018年包括偃高58、西農(nóng)511、鄭麥379、中麥895、新麥30、周麥27、周麥30、洛麥31、存麥8號(hào)、洛麥26、洛麥34、豐德存麥5號(hào)、鄭品麥8號(hào)、漯麥18和洛麥29。2 a均包括的品種為周麥27、周麥30、偃高58、洛麥31、西農(nóng)511、洛麥26、洛麥34、豐德存麥5號(hào)、鄭品麥8號(hào)和漯麥18。

高產(chǎn)氮低效型：此類小麥的產(chǎn)量均超過所有品種的平均值，但氮效率綜合得分均小于平均值，位于圖1中Ⅳ區(qū)。2017年包括新麥30、偃高21和蘭考198；2018年包括蘭考198。

圖1 不同氮效率小麥品種分類

綜合2 a的平均結(jié)果，高產(chǎn)氮高效型小麥品種為西農(nóng)979、許科168、中育1211、鄭麥113、洛麥29、周麥28、周麥22、中育1220、新麥29和百農(nóng)4199；低產(chǎn)氮低效型品種為周麥27、周麥30、偃高58、洛麥31、西農(nóng)511、洛麥26、洛麥34、豐德存麥5號(hào)、鄭品麥8號(hào)和漯麥18；低產(chǎn)氮高效型品種為周麥32；高產(chǎn)氮低效型品種為蘭考198。

3 結(jié)論與討論

氮素是作物生長(zhǎng)發(fā)育必需的大量元素，影響作物的產(chǎn)量形成[18]。氮高效材料的篩選鑒定是減少氮肥用量和提高瘠薄地作物產(chǎn)量、氮素利用效率的有效途徑，是品種選育的重要基礎(chǔ)[19]。小麥?zhǔn)鞘澜缰饕Z食作物，品種眾多，不同基因型小麥在不同生態(tài)環(huán)境下的表型特征及生態(tài)適應(yīng)性不同[20-21]。研究表明，植株的農(nóng)藝性狀、氮素的吸收、生物量、產(chǎn)量等存在基因型差異，均可作為作物氮高效品種篩選和鑒定的指標(biāo)[22-24]。李強(qiáng)等[22]認(rèn)為，品種間氮效率變異系數(shù)的大小反映了品種對(duì)氮的敏感程度，變異系數(shù)越大，品種間受氮影響的差異越大，對(duì)不同品種耐低氮能力的貢獻(xiàn)也越大。本研究結(jié)果表明，各品種氮效率指標(biāo)間存在不同程度的差異，其變異系數(shù)最大為30.91%，說明品種間具有篩選潛力。

外界環(huán)境條件影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的多個(gè)指標(biāo)，且對(duì)指標(biāo)的影響程度不盡相同，因此有關(guān)作物氮效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)指標(biāo)選用各不同[25-26]。主成分分析法是利用降維思想，在損失很少信息的前提下，把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)方法[27-28]。本研究將12個(gè)小麥氮效率指標(biāo)通過主成分分析分別轉(zhuǎn)化為3個(gè)(2017年)和4個(gè)(2018年)相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，特征值均>1，累計(jì)貢獻(xiàn)率均大于 85%，其主成分之間包含的信息相互獨(dú)立，避免了原始信息重疊干擾[24,29]。根據(jù)客觀賦權(quán)法，以相對(duì)方差貢獻(xiàn)率為各個(gè)主成分的權(quán)重，基于連續(xù)2 a的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用無(wú)量綱的純數(shù)綜合評(píng)價(jià)，篩選出高產(chǎn)氮高效小麥品種西農(nóng)979、許科168、中育1211、鄭麥113、洛麥29、周麥28、周麥22、中育1220、新麥29和百農(nóng)4199,低產(chǎn)氮低效品種周麥27、周麥30、偃高58、洛麥31、西農(nóng)511、洛麥26、洛麥34、豐德存麥5號(hào)、鄭品麥8號(hào)和漯麥18,低產(chǎn)氮高效品種周麥32,高產(chǎn)氮低效品種蘭考198。上述結(jié)果采用主成分綜合得分法分析，消除了評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相互影響，評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性較強(qiáng)。但是不同年份之間，氮效率綜合得分有一定差異，這可能與氣候、降水等自然環(huán)境因素有關(guān)，需要進(jìn)一步深入研究。