主成分分析及灰色關聯(lián)度分析綜合評價棉花產(chǎn)量與品質(zhì)

逯 濤,曾慶濤,張 文,王文博,王政洋,楊 芮,孫玉巖

(1.新疆生產(chǎn)建設兵團第七師農(nóng)業(yè)科學研究所,新疆奎屯 833200;2.新疆生產(chǎn)建設兵團第農(nóng)七師農(nóng)業(yè)技術推廣站,新疆奎屯 833200)

0 引 言

【研究意義】2019年新疆棉花總產(chǎn)量已占全國的84.9%[1],新疆兵團棉花生產(chǎn)水平和質(zhì)量較優(yōu)[2]。篩選出適宜七師棉區(qū)種植的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)棉花品種,對第七師棉花整體提質(zhì)增效和棉花產(chǎn)業(yè)高發(fā)展有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】鄧艷鳳等[3]通過變異、相關性、主成分和聚類分析等分析方法對長江流域種植的57份棉花新品系進行綜合評價,篩選出早熟高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)棉材料5份、早熟高產(chǎn)棉材料7份、早熟優(yōu)質(zhì)棉材料11 份。石有太等[4]應用相關分析的方法確定抗旱指標,并根據(jù)直接抗旱鑒定法與綜合抗旱評價法篩選出抗旱品種2個,不抗旱品種5個。李吉琴[5]應用主成分分析法對2012年兵團區(qū)試棉花品種進行比較,篩選出產(chǎn)量和品質(zhì)性狀最優(yōu)的3個區(qū)試棉花是天云0769、天云雜1號和新陸早38號優(yōu)系。楊秀等[6]利用主成分、聚類和相關性分析方法對22份材料的12個主要性狀進行綜合評價分析,篩選出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)材料2份,高產(chǎn)材料3份,優(yōu)質(zhì)材料2份,早熟材料1份。陳榮江等[7]利用主成分分析法對參加河南省春棉品種2003年區(qū)域試驗的13個棉花新品種進行綜合評價,排名前3位的品種依次為同舟棉2號、百棉1號和錦科791。戴茂華等[8]對30份材料的12個主要性狀進行變異性、相關性和聚類分析,推薦5個代表性品種:冀豐106、GK99-1、農(nóng)大棉9號、快育66和邯102。楊利勇等[9]利用相關性及主成分分析法對北疆主推的14個雜交棉品種的17個性狀進行分析,發(fā)現(xiàn)金墾雜1064、七雜5號、新陸早43號的綜合表現(xiàn)較好。尹會會等[10]通過聚類分析和主成分分析法對134份國外棉花種質(zhì)材料進行評價,篩選出美1870、美1884、FM1830等14份品質(zhì)與產(chǎn)量俱佳的優(yōu)異種質(zhì)。王天友等[11]對新疆南疆90份陸地棉種質(zhì)資源的16個表型性狀進行分析,發(fā)現(xiàn)陸地棉品質(zhì)性狀與產(chǎn)量性狀表現(xiàn)為負相關,通過聚類分析將其分為4個類群,且各類群間差異較大,可以篩選不同特性的種質(zhì)材料。李慧琴等[12]對270份陸地棉的12個性狀進行遺傳多樣性、相關性、主成分與聚類分析,發(fā)現(xiàn)該批棉花種質(zhì)資源具有豐富的遺傳多樣性,且各性狀間存在復雜的相關關系,主成分分析顯示第1主成分主要與纖維品質(zhì)有關,第2主成分主要與結(jié)鈴數(shù)、第一果枝長度有關,第3主成分主要與果枝數(shù)有關,第4主成分主要與第一果枝節(jié)位有關。焦藝等[13]通過相關性、主成分、聚類、層次分析及灰色關聯(lián)度法,綜合評價出制汁品質(zhì)較好的品種有瑞光51號、瑞光29號、瑞光18號,而意大利5號制汁品質(zhì)最差?！颈狙芯壳腥朦c】針對新疆北疆陸地棉產(chǎn)量品質(zhì)性狀的綜合分析的研究報道還很少。需研究主成分分析及灰色關聯(lián)度分析綜合評價棉花產(chǎn)量與品質(zhì)。【擬解決的關鍵問題】以兵團第七師種植面積較多的19個棉花品種為材料,利用相關性分析、主成分分析和灰色關聯(lián)度法等方法,研究其農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及品質(zhì)特性,篩選出適宜棉區(qū)種植的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)棉花品種(系),為棉花品種推廣和相應、配套栽培技術提供現(xiàn)代依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2020年在兵團第七師125團進行,試驗地土壤肥力中等,地勢平坦、地力均勻、排灌方便。

選取第七師棉區(qū)種植面積較多的19個棉花品種(系)為供試材料,分別為中棉所88、中棉所92、中棉所99、中棉所109、中棉所113、中棉201、新陸早71號、新陸早76號、新陸早77號、新陸早84號、Z1112、Z1146、K07-12、金科20、金科21、莊稼漢902、天云0769、創(chuàng)棉508、NH12026。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

19份供試材料均于4月19日播種,種植密度為162 000株/hm2,采用隨機區(qū)組設計,每個供試材料3次重復,每小區(qū)面積1 000 m2,共57個小區(qū),田間管理方法與當?shù)卮筇锕芾矸绞较嗤?/p>

1.2.2 性狀調(diào)查

棉花成鈴后期,在各小區(qū)選取長勢均勻的連續(xù)10株棉株調(diào)查株高、果枝數(shù)、始果節(jié)位、始果節(jié)高、單株結(jié)鈴數(shù);吐絮后期各小區(qū)收取中部鈴20個,室內(nèi)軋花考種單鈴重、衣分;考種結(jié)束后,分別取各材料的皮棉10～12 g檢測棉花纖維品質(zhì):纖維長度、斷裂比強度、馬克隆值、整齊度指數(shù)、伸長率、短纖維指數(shù);實收小區(qū)籽棉產(chǎn)量折算產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2003進行數(shù)據(jù)基本整理,采用DPS V7.05計算各性狀的平均值、標準差和變異系數(shù),并進行各性狀間的主成分分析和灰色關聯(lián)度分析[13-14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 19份供試材料的主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的變異

研究表明,供試材料在 14個農(nóng)藝性狀上均表現(xiàn)較大差異,株高變異系數(shù)最大,為15.08%,始果節(jié)高的變異系數(shù)次之,為13.15%。不同棉花品種(系)之間差異很大,各農(nóng)藝性狀在不同品種之間存在多樣性。表1

表1 供試材料主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的變異

2.2 供試材料各性狀間的相關性

研究表明,株高與始果節(jié)高、果枝數(shù)、籽棉產(chǎn)量、伸長率呈顯著或極顯著正相關關系;果枝數(shù)與衣分呈顯著負相關關系;籽棉產(chǎn)量與株高、始果節(jié)高、單株結(jié)鈴數(shù)、單鈴重呈顯著或極顯著正相關關系;單鈴重與纖維長度呈顯著負相關關系,與短纖維指數(shù)呈顯著正相關關系;籽棉產(chǎn)量與短纖維指數(shù)呈顯著正相關關系;纖維長度與斷裂比強度呈極顯著正相關關系,與馬克隆值呈顯著負相關關系;斷裂比強度與整齊度指數(shù)呈顯著正相關關系,與馬克隆值呈顯著負相關關系。表2

表2 供試材料各性狀間的相關性

2.3 14個產(chǎn)量及品質(zhì)性狀數(shù)據(jù)標準化后主成分

研究表明,獲得 14階遺傳相關矩陣及其特征值和特征向量 。前6個主成分累計貢獻率達到86.289 4%,基本上可以反映大部分遺傳差異信息。

第一主成分的特征值為3.823 1,貢獻率為27.307 7%,株高、果枝數(shù)、始果節(jié)高、伸長率具有正向較大特征向量值;第二主成分的特征值為3.437 4,貢獻率為24.552 8%,單鈴重、籽棉產(chǎn)量、短纖維指數(shù)具有正向較大特征向量值,纖維長度、斷裂比強度具有負向較大特征向量值;第三主成分的特征值為1.586 6,貢獻率為11.332 8%,單鈴重、整齊度指數(shù)、伸長率具有正向較大特征向量值,果枝數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)具有負向較大特征向量值;第四主成分的特征值為1.166 4,貢獻率為8.331 6%,馬克隆值具有正向較大的特征向量值,單株結(jié)鈴數(shù)、衣分具有負向較大特征向量值;第五主成分的特征值為1.071 2,貢獻率為7.651 7%,始果節(jié)位、衣分、短纖維指數(shù)具有正向較大特征向量值,馬克隆值具有負向較大特征向量值;第六主成分的特征值為0.995 8,貢獻率為7.112 6%,始果節(jié)位、整齊度指數(shù)具有正向較大特征向量值,短纖維指數(shù)具有負向較大特征向量值。表3

表3 19份供試材料主成分分析的特征向量及貢獻率

以F1表示第1主成分、F2表示第2主成分、F3表示第3主成分、F4表示第4主成分、F5表示第5主成分、F6表示第6主成分,以特征向量為權(quán)重,結(jié)合標準化處理后的數(shù)據(jù),得到6個主成分的函數(shù)式:

F1=-0.443 0X1+0.319 0X2+0.128 0X3+0.430 4X4+0.141 8X5+0.119 9X6-0.251 3X7+0.229 4X8+0.155 9X9+0.249 0X10-0.244 4X11+0.288 5X12+0.346 1X13+0.033 4X14

F2=0.139 6X1+0.109 8X2-0.017 4X3+0.178 7X4+0.216 2X5+0.370 8X6-0.032 8X7+0.400 7X8-0.367 7X9-0.249 8X10+0.257 8X11-0.349 9X12-0.221 0X13+0.393 7X14

F3=0.107 1X1-0.302 6X2-0.167 3X3+0.044 6X4-0.460 6X5+0.421 5X6+0.261 9X7-0.069 9X8-0.259 2X9+0.404 6X10+0.209 7X11+0.060 9X12+0.341 6X13+0.090 9X14

F4=-0.107 1X1+0.268 0X2+0.138 9X3-0.128 3X4-0.467 2X5+0.096 2X6-0.481 3X7-0.111 8X8+0.216 4X9-0.190 4X10+0.413 1X11+0.263 0X12-0.035 3X13+0.291 9X14

F5=-0.042 4X1-0.241 2X2+0.418 9X3+0.153 7X4-0.283 2X5-0.099 0X6+0.408 7X7+0.178 8X8+0.202 0X9-0.295 4X10-0.336 6X11+0.093 1X12+0.022 0X13+0.448 7X14

F6=-0.136 4X1-0.044 3X2+0.806 9X3-0.135 4X4-0+0.054 5X5+0.131 5X6-0.033 5X7+0.177 8X8-0.060 7X9+0.316 8X10+0.196 1X11-0.132 9X12-0.046 2X13-0.307 7X14

以各主成分所對應的方差貢獻率作為權(quán)重,根據(jù)主成分得分和對應的權(quán)重線性加權(quán)求和得到主成分的綜合得分模型:

F=0.273F1+0.246F2+0.113F3+0.083F4+0.077F5+0.071F6

綜合排名前4位的棉花品種(系)依次為K07-12、中棉所92、Z1112和中棉113。表4

表4 供試材料的各主成分得分、綜合得分及優(yōu)良排序

2.4 灰色關聯(lián)度

2.4.1 供試材料與理想品種14個性狀的平均值

研究表明,株高接近理想品種的有天云0769、中棉所88,果枝數(shù)接近理想品種的有中棉所92、中棉所109,始果節(jié)位接近理想品種的有中棉所113、新陸早76號、Z1146、新陸早71號,始果節(jié)高接近理想品種的有中棉所113、天云0769、中棉所92,單株結(jié)鈴數(shù)接近理想品種的有新陸早77號、K07-12,單鈴重接近理想品種的有K07-12、中棉所99,衣分接近理想品種的有新陸早71號、中棉所113,籽棉產(chǎn)量接近理想品種的有K07-12、Z1112,纖維長度接近理想品種的有中棉所92、中棉所109,整齊度指數(shù)接近理想品種的有中棉所109、中棉所88,馬克隆值接近理想品種的有Z1146,斷裂比強度接近理想品種的有中棉所109、天云0769,伸長率接近理想品種的有中棉所109、Z1112,短纖維指數(shù)接近理想品種的有Z1146、新陸早77號。表5

2.4.2 灰色關聯(lián)度

加權(quán)關聯(lián)度較大的材料有K07-12、Z1112、中棉所92和中棉所113,加權(quán)關聯(lián)度較小的有NH12026、中棉201、金科20、創(chuàng)棉508,表現(xiàn)較好的供試材料依次為K07-12、Z1112、中棉所92和中棉所113。表6,表7

表7 供試材料的綜合評價及排序

3 討 論

3.1 供試材料各性狀間的變異

鄧艷鳳等[3]對57份材料的12個性狀進行變異分析,發(fā)現(xiàn)該批材料的變異系數(shù)均較大,有5個性狀的變異系數(shù)大于10%。高進等[15]對江蘇省2013～2014年14個早熟棉區(qū)試品種的早熟性、產(chǎn)量及纖維品質(zhì)等19個性狀進行變異分析,發(fā)現(xiàn)有7個性狀的變異系數(shù)大于10%,其中早熟性狀以霜前花率變異系數(shù)最大,產(chǎn)量性狀以總鈴數(shù)最大,纖維品質(zhì)以馬克隆值最大。董承光等[16]連續(xù)2年對84份陸地棉品種的14個表型性狀進行分析,結(jié)果顯示該批材料的主要性狀變異豐富,特別是籽棉產(chǎn)量、鈴數(shù)、始節(jié)高等性狀具有較大的變異系數(shù)。研究結(jié)果表明,供試材料在 14個農(nóng)藝性狀上均表現(xiàn)較大差異,有3個性狀的變異系數(shù)大于10%,其中株高變異系數(shù)最大,為15.08%,始果節(jié)高的變異系數(shù)次之,為13.15%,不同棉花品種(系)之間差異很大,各農(nóng)藝性狀在不同品種之間存在多樣性。

3.2 供試材料各性狀間的相關性

棉花各性狀間關系復雜,其相關性的正負及具體數(shù)值的大小準確地反映了各性狀間對提高產(chǎn)量及纖維品質(zhì)的影響[17]。齊海坤等[18]對機采棉雜交后代主要株型性狀與產(chǎn)量和品質(zhì)關系的研究發(fā)現(xiàn),株高、單株果枝數(shù)和單位面積產(chǎn)量有極顯著正相關關系,而單株果枝數(shù)又與絨長、斷裂比強度呈負相關關系,與馬克隆值呈正相關關系,單位面積鈴數(shù)與絨長、斷裂比強度呈正相關關系,與馬克隆值呈負相關關系,表明株型性狀與產(chǎn)量和品質(zhì)間存在不可協(xié)調(diào)的復雜關系,彼此間既有促進作用,也有一定的抑制作用。李慧琴等[12]研究發(fā)現(xiàn)株高與整齊度指數(shù)、伸長率呈極顯著正相關,單鈴重與斷裂比強度、馬克隆值呈極顯著正相關,表明棉花株型性狀和產(chǎn)量性狀對纖維品質(zhì)有很大影響。劉昌文等[19]研究認為棉花生育期與籽棉產(chǎn)量、皮棉產(chǎn)量及霜前花皮棉產(chǎn)量均呈極顯著負相關,單鈴重、籽指同生育期呈顯著或極顯著正相關,與產(chǎn)量性狀呈負相關,衣分與生育期呈顯著負相關,同棉花產(chǎn)量呈極顯著正相關。研究結(jié)果表明,株高與始果節(jié)高、果枝數(shù)、籽棉產(chǎn)量、伸長率呈顯著或極顯著正相關關系;果枝數(shù)與衣分呈顯著負相關關系;籽棉產(chǎn)量與株高、始果節(jié)高、單株結(jié)鈴數(shù)、單鈴重呈顯著或極顯著正相關關系;單鈴重與纖維長度呈顯著負相關關系,與短纖維指數(shù)呈顯著正相關關系;籽棉產(chǎn)量與短纖維指數(shù)呈顯著正相關關系;纖維長度與斷裂比強度呈極顯著正相關關系,與馬克隆值呈顯著負相關關系;斷裂比強度與整齊度指數(shù)呈顯著正相關關系,與馬克隆值呈顯著負相關關系。與上述學者的研究結(jié)果并不完全一致,可能是選用的試驗材料、試驗地點及管理水平等差異的原因。

3.3 供試材料的主成分

主成分分析是將原始的多個變量通過線性變換以選出較少個數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計分析方法。目前已在水稻[20]、玉米[21]、小麥[22]等作物方面開展了研究。研究通過對19份材料的12個性狀進行主成分分析后,簡化為6個主成分,累計貢獻率達到86.289 4%,基本上包含了14個性狀的絕大部分信息。根據(jù)主成分分析主因子綜合得分,19份棉花品種(系)綜合排名前4位的依次為K07-12、中棉所92、Z1112和中棉所113。李飛等[23]以172份陸地棉骨干品種為材料,對棉花19個性狀進行了主成分分析,19個性狀可簡化為彼此不相關的5個主成分,且這5個主成分累計貢獻率達到80.253%,其中第2主成分得分值高的材料生育期短、產(chǎn)量高。李武等[24]選取102 個黃河流域棉花品種作為材料,對9 個農(nóng)藝性狀進行主成分分析,通過主成分分析將9 個農(nóng)藝性狀簡化為彼此互不相關的5 個主成分,即第一果枝節(jié)位因子、果枝數(shù)因子、籽指因子、單鈴質(zhì)量因子、生育期因子,其累計貢獻率達88.34%。

3.4 供試材料的灰色關聯(lián)度

劉翔宇等[25]通過主成分分析與灰色關聯(lián)度分析對10份長絨棉新品系進行評價,認為CRM-8、CRM-6、CRM-3和CRM-1排名靠前,有較為廣闊的推廣前景。李吉琴[26]采用灰色關聯(lián)度法對2010年第八師棉花品種展示的9個品種(系)進行綜合分析,早42的綜合表現(xiàn)最好,其次是早46和石雜3F2,天云雜F2綜合表現(xiàn)最差。龔平等[13]通過灰色關聯(lián)度法篩選出棉花品種貝爾斯諾、A2、9513、205和冀668表現(xiàn)較好。研究通過灰色關聯(lián)度法對供試材料的14個性狀進行綜合分析,表現(xiàn)較好的供試材料依次為K07-12、中棉所92、Z1112和中棉所113,與主成分分析的結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 論

不同棉花品種(系)之間差異很大,各農(nóng)藝性狀在不同品種之間存在多樣性,且表現(xiàn)為較復雜的相關關系,K07-12、Z1112、中棉所92和中棉所113四個棉花品種(系)表現(xiàn)較好,因此推薦品種K07-12、中棉所92、Z1112和中棉所113在第七師棉區(qū)種植和推廣。