2006-2021 年河南省棉花區(qū)域試驗(yàn)參試品種和新科棉系列品種的產(chǎn)量相關(guān)性狀及其發(fā)展趨勢分析

田守芳，朱保全，田蕓溪，劉艷麗，劉桂珍，李軍利，李中敏，胡曉強(qiáng)，陳曦，吳家靜

（1. 河南省新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453002；2. 河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100；4. 河南省種子管理站，鄭州 450046）

高產(chǎn)是當(dāng)代棉花育種的主要目標(biāo)。新中國成立以來，經(jīng)過農(nóng)業(yè)科技工作者的不懈努力，棉花品種的產(chǎn)量大幅提高取得質(zhì)的突破。 與此同時，隨著棉花用途和生產(chǎn)環(huán)境的變化，其他性狀改良包括纖維品質(zhì)優(yōu)、抗逆性強(qiáng)、低酚等也逐漸發(fā)展為新的選育目標(biāo)[1-2]。 黃河流域棉區(qū)作為我國三大棉區(qū)之一，近年來受生產(chǎn)效益、自然災(zāi)害等影響，棉花的種植面積逐年縮小[3]。 采取有效措施提高棉花產(chǎn)量對于提升該區(qū)域棉花生產(chǎn)能力，保證全國棉花產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[4]。 區(qū)域試驗(yàn)（區(qū)試）是棉花品種審定前對其性狀進(jìn)行評價的重要環(huán)節(jié)，參試品種的數(shù)據(jù)能夠反映當(dāng)時的育種水平，其性狀表現(xiàn)可為棉花育種提供參考，同時其變化規(guī)律可以用于未來棉花產(chǎn)量及相關(guān)特征特性發(fā)展趨勢的預(yù)測。

以2006—2021 年河南省棉花品種區(qū)試中春棉（簡稱為“河南省春棉區(qū)試品種”）的數(shù)據(jù)為依據(jù)，對參試品種的產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的表現(xiàn)進(jìn)行分析；同時比較了新科棉系列品種[11-15]與同期（2006—2013年）參試品種農(nóng)藝性狀的差異，其中新科棉1 號、2號、3 號、5 號、6 號參加河南省棉花品種審定試驗(yàn)（區(qū)試＋生產(chǎn)試驗(yàn)） 的年份分別是2006—2008 年、2006—2008 年、2009—2011 年、2009—2011 年、2011—2013 年；并采用GM（1，1）灰色預(yù)測模型對2022—2031 年棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，以期為今后河南省棉花新品種選育提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

GM（1，1）灰色預(yù)測數(shù)據(jù)來自2006—2021 年河南省春棉區(qū)試品種的數(shù)據(jù)， 參試品種共346 個，試驗(yàn)點(diǎn)次128 個。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3 次，每小區(qū)3～4 行，小區(qū)面積≥20 m2。 新科棉系列品種與同期參試品種的產(chǎn)量性狀比較數(shù)據(jù)，為區(qū)域試驗(yàn)及生產(chǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 纖維品質(zhì)由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部（原農(nóng)業(yè)部）棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心測定，每個品種的皮棉產(chǎn)量、單株結(jié)鈴數(shù)、鈴重、衣分、單株果枝數(shù)等性狀的測定均按照當(dāng)年發(fā)布的河南省棉花品種區(qū)域試驗(yàn)實(shí)施方案進(jìn)行。

1.2 數(shù)據(jù)分析

采用GM（1，1）灰色預(yù)測模型對參試品種的產(chǎn)量及主要產(chǎn)量構(gòu)成性狀的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測。模型如下：

式中：t為預(yù)測值的序號；a為發(fā)展系數(shù)， 也稱生成系數(shù)， 反映的是整個數(shù)據(jù)的發(fā)展態(tài)勢；b為灰色作用量，反映的是數(shù)據(jù)的變化關(guān)系。

根據(jù)預(yù)測可行性要求，當(dāng)長期預(yù)測（5～10 年的預(yù)測期）的相對誤差不超過40%，中期預(yù)測（1～5年的預(yù)測期）的相對誤差不超過20%時，模型可以接受[6]。采用后驗(yàn)差檢驗(yàn)的方法檢測模型精度等級，其中方差比C≤0.5，小誤差概率P≥0.8 時，判定模型精度達(dá)到合格要求[7]。 計(jì)算過程均在Matlab 2019a中進(jìn)行操作，參照朱輝[7]的方法推導(dǎo)GM（1，1）灰色預(yù)測模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 2006—2021 年河南省春棉區(qū)試品種產(chǎn)量及構(gòu)成性狀的表現(xiàn)

根據(jù)2006—2021 年河南省春棉區(qū)試品種的產(chǎn)量相關(guān)性狀和產(chǎn)量的變化折線圖（圖1～2），參試品種的單株果枝數(shù)在16 年間變化很?。涸?006—2013 年的變化范圍是13.0～13.9， 平均值為13.6；在2014—2021 年的變化范圍是13.5～14.1， 平均值為13.9。 單株結(jié)鈴數(shù)在2006—2013 年的變化范圍是17.4～21.1，平均值為19.5；在2014—2021 年的變化范圍是18.1～23.0， 平均值為20.5。 衣分在2006—2013 年的變化范圍是39.0%～41.5%，平均值為40.2%； 在2014—2021 年的變化范圍是39.7%～41.7%，平均值為40.6%。單株果枝數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)在2014—2021 年的平均值較2006-2013年的平均值分別增加0.3、1.0，衣分平均增加0.4 百分點(diǎn)，但整體變化無規(guī)律可循（圖1）。

鈴重在2006—2013 年的變化范圍是5.6～6.3 g，平均值為6.1 g； 在2014—2021 年的變化范圍是6.2～6.5 g， 平均值為6.3 g （圖1d）。 皮棉產(chǎn)量在2006—2013 年的變化范圍是1 316.0～1 432.0 kg·hm-2，平均值為1 382.9 kg·hm-2；在2014—2021 年的變化范圍是1 468.0～1 520.0 kg·hm-2，平均值為1 499.1 kg·hm-2（圖2）。 鈴重與皮棉產(chǎn)量2014—2021 年的平均值較2006—2013 年的平均值增加幅度不大，分別增加0.2 g、116.2 kg·hm-2，但整體處于上升趨勢。

圖1 2006—2021 年河南省春棉區(qū)試品種產(chǎn)量相關(guān)性狀變化

圖2 2006—2021 年河南省春棉區(qū)試品種皮棉產(chǎn)量變化

2.2 新科棉系列品種與同期參試品種的產(chǎn)量性狀比較

從表1 可知，新科棉3 號、新科棉5 號、新科棉6 號的生育期分別比同期參試品種短1.4 d、0.2 d、0.4 d； 新科棉2 號的生育期與同期參試品種相當(dāng)，新科棉1 號的生育期較同期參試品種長0.7 d。 新科棉系列品種的單株結(jié)鈴數(shù)和皮棉產(chǎn)量均高于同期參試品種。 除新科棉5 號外，其他新科棉品種的衣分均高于同期參試品種。 新科棉1 號、2 號和6號的纖維上半部平均長度高于同期參試品種。除新科棉6 號外，其他新科棉品種的斷裂比強(qiáng)度均高于同期參試品種。新科棉系列品種的馬克隆值與同期參試品種相當(dāng)或略低。 新科棉系列品種的鈴重、單株果枝數(shù)與同期參試品種相比有高有低。通過以上分析可知， 新科棉系列品種屬高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)型品種，且早熟性較好，單株結(jié)鈴數(shù)和衣分偏高。

表1 新科棉系列品種農(nóng)藝性狀與同期參試品種比較

2.3 河南省春棉區(qū)試品種產(chǎn)量及其構(gòu)成性狀的發(fā)展趨勢

2.3.1建立GM（1，1）灰色預(yù)測模型。 分別建立各指標(biāo)性狀的GM（1，1）灰色預(yù)測模型（表2）。由5 個性狀的GM（1，1）模型可以看出，單株果枝數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)、鈴重、衣分、皮棉產(chǎn)量的發(fā)展系數(shù)a分別為-0.001 9、-0.001 7、-0.003 4、-0.000 2 和-0.008 5，均比較小，說明5 個模型可能具有較高精度[8]。2006—2021 年河南省春棉區(qū)試品種的4 個產(chǎn)量性狀及皮棉產(chǎn)量匯總結(jié)果見表3。

表2 產(chǎn)量相關(guān)性狀和皮棉產(chǎn)量的GM（1，1）灰色模型

表3 河南省春棉試驗(yàn)品種產(chǎn)量及其構(gòu)成性狀的實(shí)際值、預(yù)測值、殘差和相對誤差

2.3.2模型精度檢驗(yàn)。為進(jìn)一步證明模型的精度等級，采用后驗(yàn)差檢驗(yàn)的方法對河南省春棉區(qū)試品種進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表4。 鈴重和皮棉產(chǎn)量的預(yù)測模型的方差比C分別為0.439 0 和0.333 0，小誤差概率P分別為0.875 和0.938。 根據(jù)模型精度劃分標(biāo)準(zhǔn)，鈴重和皮棉產(chǎn)量模型精度均達(dá)到合格。 雖然單株果枝數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)和衣分3 個性狀的模型相對誤差均小于15%（表3），但是模型精度未達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)（表4）。 綜合以上結(jié)果，僅對河南省春棉區(qū)試品種鈴重和皮棉產(chǎn)量發(fā)展趨勢的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分析。

表4 河南省春棉試驗(yàn)品種產(chǎn)量及構(gòu)成性狀的GM（1，1）模型精度檢驗(yàn)

2.3.3河南省春棉區(qū)試品種鈴重及皮棉產(chǎn)量的發(fā)展趨勢預(yù)測。 應(yīng)用上述GM（1，1）灰色預(yù)測模型對河南省春棉區(qū)試品種鈴重及皮棉產(chǎn)量發(fā)展趨勢的預(yù)測結(jié)果見圖3。 可見，預(yù)測河南省春棉區(qū)試品種鈴重在2022—2031 年呈上升趨勢，到2031 年上升到6.64 g。 預(yù)測2022—2026 年河南省春棉區(qū)試品種鈴重平均值是6.49 g， 比前16 年 （2006—2021年，下同）的平均鈴重6.20 g 增加0.29 g，增幅為4.68%；預(yù)測2022—2031 年河南省春棉區(qū)試品種鈴重平均值為6.54 g，比前16 年增加0.34 g，增幅為5.48%。

圖3 2022—2031 年河南省春棉區(qū)試品種鈴重變化趨勢預(yù)測

如圖4 所示，預(yù)測河南省春棉區(qū)試品種皮棉產(chǎn)量在2022—2031 年呈上升趨勢， 且模型精度檢驗(yàn)合格， 預(yù)測到2026 年皮棉產(chǎn)量達(dá)到1 604.8 kg·hm-2，到2031 年皮棉產(chǎn)量上升到1 674.9 kg·hm-2。2022—2026 年河南省春棉區(qū)試品種皮棉產(chǎn)量的預(yù)測平均值為1 577.7 kg·hm-2， 比前16 年的平均值1 441.0 kg·hm-2增加136.7 kg·hm-2， 增產(chǎn)9.49%；2022—2031 年皮棉產(chǎn)量預(yù)測平均值為1 612.2 kg·hm-2，比前16 年的平均值增加171.2 kg·hm-2，增產(chǎn)11.88%。

圖4 2022—2031 年河南省春棉區(qū)試品種產(chǎn)量變化趨勢預(yù)測

3 討論與結(jié)論

3.1 河南省春棉區(qū)試品種2006—2021 年產(chǎn)量及其構(gòu)成因素狀況

通過對2006—2021 年河南省春棉區(qū)試品種產(chǎn)量及其構(gòu)成因素分析可知： 單株果枝數(shù)在13.0 與14.1 之間波動， 極差為1.1； 單株結(jié)鈴數(shù)在17.4～23.0 之間變化，變化幅度較大，極差為5.6，這可能是因?yàn)榻Y(jié)鈴數(shù)受栽培管理及氣象因素影響較大[9]；衣分在39.0%～41.7%之間波動， 極差為2.7 百分點(diǎn)；鈴重變化范圍是5.6～6.5 g，極差為0.9 g；皮棉產(chǎn)量在1 316.0～1 520.0 kg·hm-2，極差為204.0 kg·hm-2。 單株果枝數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)、衣分3 個性狀在16 年內(nèi)的變化均無明顯規(guī)律； 鈴重與皮棉產(chǎn)量在16 年內(nèi)變化不大，但整體處于上升趨勢。 這與劉桂珍等[10]分析的1985—2019 年河南省審定的棉花品種性狀變化特點(diǎn)一致。

3.2 新科棉系列品種與同期參試品種比較及河南省春棉參試品種未來10 年發(fā)展趨勢預(yù)測

通過對新科棉系列品種與同期河南省春棉區(qū)試品種比較發(fā)現(xiàn)，新科棉系列品種屬高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)型品種，早熟性較好，單株結(jié)鈴數(shù)和衣分偏高，鈴重、單株果枝數(shù)、纖維品質(zhì)等農(nóng)藝性狀無明顯優(yōu)勢。

應(yīng)用上述GM （1，1） 灰色預(yù)測模型對2022—2031 年河南省春棉區(qū)試品種產(chǎn)量及其構(gòu)成性狀的發(fā)展趨勢預(yù)測，基于目前的選育手段和目標(biāo)，河南省春棉區(qū)試品種在未來10 年間鈴重、 皮棉產(chǎn)量整體呈上升趨勢。但棉花的產(chǎn)量及其構(gòu)成性狀增減變化均較小，若要在棉花新品種選育方面取得質(zhì)的突破，應(yīng)探索新的技術(shù)手段。 全基因組測序?yàn)榉肿釉O(shè)計(jì)育種奠定基礎(chǔ)， 隨著棉花基因組測序的完成，通過在全基因組水平上對纖維品質(zhì)、產(chǎn)量等相關(guān)基因和分子標(biāo)記的挖掘， 可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化克隆產(chǎn)量、品質(zhì)性狀相關(guān)基因，結(jié)合棉花基因芯片技術(shù)在棉花育種和種質(zhì)資源鑒定中的廣泛應(yīng)用以及不斷完善的棉花功能基因鑒定體系，最終同步改良產(chǎn)量、纖維品質(zhì)、早熟等性狀，選育出適合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)氣候環(huán)境以及適宜機(jī)械化生產(chǎn)的新品種[1-2]。