基于GGE 雙標(biāo)圖分析氮肥對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響

孫建軍，丁超明，申培林，郭新海，郭玉璽，王德新

（河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，鄭州 450002）

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，合理有效地施用氮肥在提高作物產(chǎn)量的同時(shí)會(huì)改善其品質(zhì)［1］。21 世紀(jì)以來(lái)，人口、資源、環(huán)境的矛盾日益突出，中國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境面臨多方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，施肥對(duì)環(huán)境的影響受到越來(lái)越多的關(guān)注［2］。主要農(nóng)作物以增加施氮量來(lái)提高產(chǎn)量，但氮肥過(guò)多施用不僅增產(chǎn)效果不顯著，還會(huì)造成環(huán)境污染，給社會(huì)帶來(lái)不利影響。在施氮量較低條件下，產(chǎn)量和氮肥利用率較高的品種具有較高的干物質(zhì)積累量、莖蘗成穗率、葉面積指數(shù)、粒葉比及群體生長(zhǎng)速率［3］。在小麥栽培中，適宜濃度的氮肥能夠促進(jìn)小麥農(nóng)藝性狀，提高小麥的品質(zhì)和產(chǎn)量，施肥水平過(guò)低或過(guò)高均不利于小麥農(nóng)藝性狀特別是產(chǎn)量相關(guān)性狀的表達(dá)。

學(xué)者們對(duì)GGE 雙標(biāo)圖在作物區(qū)試數(shù)據(jù)分析中的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析，并提出在用于分析區(qū)試數(shù)據(jù)的同時(shí)，還可對(duì)任何2 位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［4-6］。GGE 雙標(biāo)圖與其他圖解法相比，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它是綜合品種總體效應(yīng)（G）和品種×環(huán)境互作（GE）的數(shù)學(xué)模型［7］。GGE 雙標(biāo)圖在鮮食糯玉米［8］和普通玉米［9］、水稻［10］、花生［11］、冬油菜［12］等作物的區(qū)試和不同類二維數(shù)據(jù)的分析中得以應(yīng)用。本研究利用方差分析、多重比較和GGE 雙標(biāo)圖分析不同施氮量對(duì)小麥農(nóng)藝性狀表達(dá)的影響，為小麥的合理施氮提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試品種為半冬性、中熟品種周麥16，來(lái)源于河南省周口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020—2021 年在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代化研究基地進(jìn)行，前茬作物為玉米（同一品種，非小區(qū)試驗(yàn)），地勢(shì)平坦、肥力均勻、排灌方便，測(cè)定試驗(yàn)地土壤有機(jī)質(zhì)10.9 mg∕kg，堿解氮41.2 mg∕kg，速效磷27.52mg∕kg，速效鉀97.35mg∕kg，基肥在播種前施入。肥力水平設(shè)置5 個(gè)處理（表1），后期追肥保持一致，組間隨機(jī)排列，設(shè)3 次重復(fù)，小區(qū)面積7.2 m2，6 行區(qū)，播種量一致。

表1 不同氮肥施用量處理

1.3 田間管理

生育期內(nèi)根據(jù)土壤干旱情況適當(dāng)灌水，各小區(qū)灌水量一致，選擇合理的化學(xué)藥劑噴殺病蟲(chóng)害。

1.4 性狀調(diào)查

在小麥整個(gè)生育期內(nèi)，按照《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測(cè)試指南普通小麥小麥DUS 測(cè)試指南GB∕T 19557.2—2017》進(jìn)行觀測(cè)，取20 株進(jìn)行性狀調(diào)查。成熟后選擇典型株40株進(jìn)行取樣、考種。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016 整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用SAS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析和多重比較，用AI軟件處理圖片，利用R 語(yǔ)言的GGEBiplot GUI 包制作GGE 雙標(biāo)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年份、施氮量對(duì)小麥農(nóng)藝性狀的影響

不同施氮量、年份與小麥株高、穗長(zhǎng)度、旗葉寬、旗葉長(zhǎng)、不育小穗率、千粒重和穗粒重的差異顯著性見(jiàn)表2。由表2 可知，小麥所有測(cè)試性狀在不同施氮量處理間差異均達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），而年份間差異不顯著，年份和處理互作中僅有穗長(zhǎng)度差異達(dá)到顯著差異水平（P＜0.05）。

表2 不同年份、處理的農(nóng)藝性狀的相關(guān)系數(shù)

根據(jù)方差分析結(jié)果，由于2 年間各農(nóng)藝性狀差異不顯著，只對(duì)2 年農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)處理間進(jìn)行多重比較，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3 可知，株高、穗長(zhǎng)度隨肥力水平的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，N2 處理株高最高，為80.83 cm，N3 處理穗長(zhǎng)度最長(zhǎng)，為9.72 cm；旗葉長(zhǎng)和旗葉寬均隨施氮量先增后減，在N4 處理時(shí)均為最大；不育小穗率則隨施氮量的增加而降低，N1處理量最大，為16.34%；千粒重在N4 和N5 處理間呈顯著差異。

表3 不同處理的小麥農(nóng)藝性狀

2.2 試驗(yàn)處理與農(nóng)藝性狀GGE 雙標(biāo)圖分析

GGE 雙標(biāo)圖法可直觀地判斷不同處理下表現(xiàn)最好的指標(biāo)以及各指標(biāo)的相互關(guān)系。將原始數(shù)據(jù)減去各指標(biāo)的均值后形成數(shù)據(jù)集，使數(shù)據(jù)中只含有處理主效應(yīng)G 和處理與各指標(biāo)互作效應(yīng)GE，對(duì)GGE 做單值分解，以第一主成分和第二主成分為代表，按照第一和第二主成分值將所有處理和指標(biāo)繪于二維圖上即形成GGE 雙標(biāo)圖。對(duì)采用的各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，可認(rèn)為這些指標(biāo)在各處理中具有同等重要的作用。把處理的標(biāo)志點(diǎn)（N1、N2 和N5）用直線連接起來(lái)，形成一個(gè)把所有處理都囊括在內(nèi)的三角形，從原點(diǎn)（0，0）起作各邊的垂線，把整個(gè)雙標(biāo)圖分為3 個(gè)扇區(qū)，不同指標(biāo)落于各個(gè)區(qū)內(nèi)，每個(gè)區(qū)內(nèi)的頂角處理即為該扇區(qū)內(nèi)所有指標(biāo)的最優(yōu)處理。試驗(yàn)處理與農(nóng)藝性狀GGE 雙標(biāo)圖分析見(jiàn)圖1。

由圖1a可知，第一主成分的效應(yīng)為PC1=70.91%，第二主成分的效應(yīng)為PC2=23.11%，GGE 雙標(biāo)圖上展示了各處理真實(shí)信息的94.02%。周麥16 的7 個(gè)農(nóng)藝性狀分別落于3 個(gè)扇區(qū)中。N1 區(qū)內(nèi)不育小穗率指標(biāo)值最高。N2 區(qū)內(nèi)株高指標(biāo)值最高。其中N3、N4 處理包含在N5 區(qū)域內(nèi)，穗長(zhǎng)度、旗葉寬、旗葉長(zhǎng)、千粒重、穗粒重指標(biāo)值最高。

圖1b 中單箭頭的橫軸代表各處理在所有性狀下的影響程度，軸上的小圓圈代表平均值，小圓圈箭頭方向表示影響程度，越向右影響程度越高。從圖1b 可知，N4 和N5 在箭頭的右測(cè)，均高于均值，其中N5 影響程度最高，隨后分別為N4、N3、N2、N1。縱軸代表各處理與各性狀相互作用的傾向性，處理越偏離平均軸越不穩(wěn)定，而且具有負(fù)作用。其中N2處理最不穩(wěn)定，N3、N4 處理影響作用則較穩(wěn)定。

圖1c 中顯示性狀的區(qū)分力和代表性。GGE 雙標(biāo)圖中農(nóng)藝性狀向量間的夾角可以判斷農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性。從坐標(biāo)原點(diǎn)到農(nóng)藝性狀標(biāo)志點(diǎn)的連線作為農(nóng)藝性狀向量，以某一個(gè)農(nóng)藝性狀向量為起始，順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，其他農(nóng)藝性狀向量與該線的夾角余弦值即為二者農(nóng)藝性狀間的相關(guān)系數(shù)。農(nóng)藝性狀向量與平均軸的角度是其對(duì)目標(biāo)農(nóng)藝性狀代表性的度量，代表性與角度呈負(fù)相關(guān)，代表性隨著角度變小而變強(qiáng)，隨著角度變大而變?nèi)?。向量的長(zhǎng)度代表其區(qū)分力，向量長(zhǎng)度越長(zhǎng)，表明農(nóng)藝性狀對(duì)各處理的表現(xiàn)具有較強(qiáng)的區(qū)分能力。由圖1c 可知，穗長(zhǎng)度、旗葉寬、旗葉長(zhǎng)、和穗粒重與平均環(huán)境軸的夾角較小，而且向量長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，表明對(duì)各處理差異的區(qū)分力和目標(biāo)農(nóng)藝性狀的代表性都較好，同時(shí)旗葉寬和穗粒重間存在較大的相關(guān)性。不育小穗率呈負(fù)相關(guān)。千粒重和株高具有較長(zhǎng)的向量長(zhǎng)度，表明對(duì)各施肥處理具有較高的區(qū)分力，而其夾角過(guò)大表明其代表性較弱。

圖1d 表示理想氮肥施用量的選擇，以最佳氮肥量為圓心做多層同心圓，根據(jù)與最佳氮肥量的接近程度，GGE 雙標(biāo)圖對(duì)各處理的效應(yīng)優(yōu)劣進(jìn)行排序。越靠近同心圓中心，則表示該處理結(jié)果越準(zhǔn)確，反之亦然。從圖1d可知，N4靠近最小同心圓，說(shuō)明其是綜合表現(xiàn)最好；N1、N2 距離同心圓較遠(yuǎn)，表現(xiàn)相對(duì)較差。

圖1 試驗(yàn)處理與農(nóng)藝性狀GGE 雙標(biāo)圖分析

3 小結(jié)與討論

氮素是小麥生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素。調(diào)控小麥生長(zhǎng)發(fā)育的多個(gè)過(guò)程，合理運(yùn)用氮肥可以協(xié)調(diào)小麥產(chǎn)量與品質(zhì)的關(guān)系［13］?；輹喳惖龋?4］研究發(fā)現(xiàn)，與不施氮相比，長(zhǎng)期施氮小麥平均增產(chǎn)67.1%，生物量提高52.0%，收獲指數(shù)提高9.5%，穗數(shù)和穗粒數(shù)分別提高32.5% 和40.0%，千粒重下降7.1%。宮明波等［15］研究發(fā)現(xiàn)，隨施氮量的增加，葉綠素呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但葉面積、地上干物質(zhì)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)及產(chǎn)量均呈先增后減的趨勢(shì)；蛋白質(zhì)及濕面筋含量隨施氮量增加而提高，氮肥過(guò)量施用會(huì)產(chǎn)生鹽害，抑制小麥生長(zhǎng)，導(dǎo)致減產(chǎn)。

GGE 雙標(biāo)圖在國(guó)內(nèi)外作物區(qū)試試驗(yàn)中應(yīng)用廣泛［16-18］，它可以將不同環(huán)境和因素及因素之間的關(guān)系以突變的形式直觀表現(xiàn)出來(lái)。本研究發(fā)現(xiàn)，處理間各農(nóng)藝性狀差異均達(dá)到顯著性水平，而年份間差異均不顯著，小麥穗長(zhǎng)度、旗葉寬、旗葉長(zhǎng)、千粒重和穗粒重隨著氮肥量增加，整體均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但后期增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯，其中千粒重在N4 和N5 處理間差異顯著。株高隨施氮量的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，在N2 處理時(shí)達(dá)到最大。不育小穗率則隨施氮量的增加而降低，年份和處理互作中，僅穗長(zhǎng)度達(dá)到顯著差異；利用GGE 雙標(biāo)圖分析方法綜合評(píng)價(jià)出施肥量在N3 和N4 處理下，各個(gè)性狀的表現(xiàn)最為理想。影響小麥農(nóng)藝性狀標(biāo)的因素不僅有氮素，還有種植密度、播期、氣候等，這些方面需要做進(jìn)一步研究。