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.河南省農業科學院 植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002；2.鄭州大學 生命科學學院，河南 鄭州 450002)

小麥是我國主要糧食作物,其產量的高低影響著國家糧食安全[1]。合理施用氮肥有利于提高小麥產量，但過量施用不僅導致肥效下降，還會造成資源浪費和環境污染[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、穩定產量和保護生態環境的有效途徑[3]。氮高效是多種氮效率指標相互作用呈現的一個復雜綜合性狀，其中每一個指標都與作物的氮效率有一定的相關性[4-6]。因此，氮高效評價指標間存在多重共性問題，增加了計算量和分析量，一定程度上影響了氮高效評價的真實性。主成分分析法是將原始的多個變量通過線性組合提煉出較少幾個彼此獨立新變量的一種多元統計分析方法；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主成分來代表原變量,從而減少指標選擇和計算的工作量，避免指標間的多重共性問題[7]。近年來，國內外主成分分析多用于土壤肥力質量評價[8-9]，水稻[10-11]物理特性和遺傳分析，葡萄[12]、茄子[13]等的抗逆性評價方面,在氮高效品種篩選、評價方面報道較少，主要涉及棉花[14]、谷子[15]氮高效品種篩選，而關于小麥氮高效品種篩選、評價研究尚未見報道。為此，以30 a的長期施肥定位試驗地為平臺，選擇能反映氮效率的定量因子,利用主成分分析法綜合評價不同基因型小麥品種對氮素響應的差異，根據綜合評價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資源及篩選依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗在全國潮土肥力和肥料效益長期監測試驗站(鄭州)進行。土壤類型為潮土，土壤含有機質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 試驗設計

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。試驗小區為隨機排列，每個小區面積為54 m2，重復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 測定項目及方法

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

1.4 數據處理

數據整理使用Excel 2010，數據統計分析使用SPSS 20.0。

2 結果與分析

2.1 不同小麥品種間氮效率指標的差異分析

由表2可見，27個小麥品種在產量、穗數、葉傾角、籽粒含氮量、籽粒總吸氮量、秸稈干質量、秸稈含氮量、秸稈總吸氮量、植株氮積累量、收獲指數、氮利用率、氮吸收效率間存在不同程度的差異。2017年，所有性狀指標的變異系數介于4.98%～23.31%，其中籽粒總吸氮量的變異系數最大，為23.31%，其次為秸稈總吸氮量(23.20%)，收獲指數的變異系數最小，為4.98%。2018年，變異系數介于4.95%～30.91%，其中秸稈總吸氮量的變異系數最大，為30.91%，其次為葉傾角，為25.26%，收獲指數的最小，為4.95%。年際間，各指標的變異系數有一定程度的變化。與2017年相比，2018年葉傾角、籽粒含氮量、秸稈干質量、秸稈含氮量、秸稈總吸氮量、氮利用率的變異系數增加，增加幅度為11.08%～40.39%；產量、穗數、籽粒總吸氮量、植株氮積累量、收獲指數和氮吸收效率的變異系數略微降低，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分析

2.2 不同小麥品種氮效率的綜合評價

2.2.1 氮效率指標主成分提取 氮效率各指標具有不同的量綱與數量級，為了避免其對結果的影響，確保試驗數據科學性，便于各指標綜合比較，主成分分析前必須對原始數據進行標準化處理,主成分確定標準是累積貢獻率>85%[17]。2017年數據分析結果(表3)顯示，前3個主成分的累積貢獻率達到86.289%。第一主成分的特征值為5.599，貢獻率為46.661%，主要包括產量(載荷值為0.349，下同)、籽粒總吸氮量(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，貢獻率為17.045%，主要反映了氮利用率，其載荷值為0.526。

2018年數據分析結果(表3)顯示，前4個主成分的累積貢獻率達到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，貢獻率達到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)、秸稈干質量(0.310)、籽粒總吸氮量(0.386)和穗數(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，貢獻率為21.420%，主要反映了氮利用率和產量；秸稈含氮量的載荷值(-0.510)的絕對值最大，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(-0.521)和籽粒氮含量(-0.462)的載荷值絕對值較大，說明適當降低收獲指數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、貢獻率、累計貢獻率和成分載荷矩陣

2.2.2 氮效率主成分得分及綜合評價 主成分是原各指標的線性組合,各指標的權數為特征向量，它表示各單項指標對于主成分的重要程度并決定了該主成分的實際意義[9]。結合各主成分的方差貢獻率，分別得出2017年和2018年的不同小麥品種的氮效率綜合評價函數，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979、周麥28、中麥895、許科168、百農4199、存麥8號、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4199、周麥28、周麥22、中育1211、新麥29、許科168、偃高21、西農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價及排序

2.3 氮高效小麥品種的篩選

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

高產氮高效型：此類小麥的產量和氮效率綜合得分均高于27個品種的平均值，位于圖1中的Ⅰ區，2017年和2018年均包括西農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4199，2 a的重合率達90%。

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

低產氮低效型：此類小麥的產量和氮效率綜合得分均低于27個品種的平均值，位于圖1中的Ⅲ區。2017年包括周麥27、周麥30、偃高58、洛麥31、西農511、洛麥26、洛麥34、豐德存麥5號、鄭品麥8號和漯麥18；2018年包括偃高58、西農511、鄭麥379、中麥895、新麥30、周麥27、周麥30、洛麥31、存麥8號、洛麥26、洛麥34、豐德存麥5號、鄭品麥8號、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511、洛麥26、洛麥34、豐德存麥5號、鄭品麥8號和漯麥18。

高產氮低效型：此類小麥的產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。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的平均結果，高產氮高效型小麥品種為西農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4199；低產氮低效型品種為周麥27、周麥30、偃高58、洛麥31、西農511、洛麥26、洛麥34、豐德存麥5號、鄭品麥8號和漯麥18；低產氮高效型品種為周麥32；高產氮低效型品種為蘭考198。

3 結論與討論

氮素是作物生長發育必需的大量元素，影響作物的產量形成[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量、氮素利用效率的有效途徑，是品種選育的重要基礎[19]。小麥是世界主要糧食作物，品種眾多，不同基因型小麥在不同生態環境下的表型特征及生態適應性不同[20-21]。研究表明，植株的農藝性狀、氮素的吸收、生物量、產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[22-24]。李強等[22]認為，品種間氮效率變異系數的大小反映了品種對氮的敏感程度，變異系數越大，品種間受氮影響的差異越大，對不同品種耐低氮能力的貢獻也越大。本研究結果表明，各品種氮效率指標間存在不同程度的差異，其變異系數最大為30.91%，說明品種間具有篩選潛力。

外界環境條件影響作物生長發育的多個指標，且對指標的影響程度不盡相同，因此有關作物氮效率評價指標體系和評價指標選用各不同[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，把多個指標轉化為幾個綜合指標的多元統計方法[27-28]。本研究將12個小麥氮效率指標通過主成分分析分別轉化為3個(2017年)和4個(2018年)相互獨立的綜合指標，特征值均>1，累計貢獻率均大于 85%，其主成分之間包含的信息相互獨立，避免了原始信息重疊干擾[24,29]。根據客觀賦權法，以相對方差貢獻率為各個主成分的權重，基于連續2 a的試驗數據，采用無量綱的純數綜合評價，篩選出高產氮高效小麥品種西農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4199,低產氮低效品種周麥27、周麥30、偃高58、洛麥31、西農511、洛麥26、洛麥34、豐德存麥5號、鄭品麥8號和漯麥18,低產氮高效品種周麥32,高產氮低效品種蘭考198。上述結果采用主成分綜合得分法分析，消除了評價指標間的相互影響，評價結果可靠性較強。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、降水等自然環境因素有關，需要進一步深入研究。