基于主成分分析和聚類分析的磷高效品種篩選和評價

黃晨晨，宋 曉，黃紹敏*，張珂珂，劉亞茹

（1．河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(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 450001；3．河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002）

磷（P）是小麥生長發(fā)育必不可少的營養(yǎng)元素之一［1-4］。研究表明，同一作物的不同品種之間磷素利用效率存在顯著差異［5-9］。篩選磷高效品種是一個復(fù)雜的過程，磷效率的高低是對多個性狀的綜合評價，涉及對多個指標(biāo)進(jìn)行綜合計算和客觀的分析［10］。利用主成分分析可以將復(fù)雜的多個變量簡化為少數(shù)幾個綜合變量，可以有效避免磷高效鑒別過程中多個數(shù)據(jù)問題同時又在最大程度上獲取到各個指標(biāo)的完整信息［11］。聚類分析可以根據(jù)同品種間的近似關(guān)系和親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近對其進(jìn)行合理的分類［12-13］。王林海等［14］利用聚類分析將130個小麥品種（系）根據(jù)農(nóng)藝性狀的不同進(jìn)行分類。周麗艷等［15］利用主成分分析將11個農(nóng)藝性狀簡化提取出5個主成分因子，利用主成分因子進(jìn)行聚類分析將43個小麥品種分為7大類群。目前利用主成分分析、聚類分析的方法針對小麥農(nóng)藝性狀［14-17］、品質(zhì)［18-19］、數(shù)量性狀［20］的研究居多，但對小麥磷素吸收利用差異的研究較少。本研究基于30年長期定位施肥試驗(yàn)，選擇能反映磷效率的定量因子，利用主成分分析法綜合分析不同小麥品種磷效率差異，利用聚類分析進(jìn)行分類，篩選出磷高效小麥品種，以期為小麥磷高效育種提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用27份不同基因型的小麥品種，均已通過審定，其編號、名稱以及品種特性見表1。

表1 小麥品種編號及特性

試驗(yàn)設(shè)低磷、正常磷2個處理，施肥量見表2。

表2 試驗(yàn)處理及施肥量 （kg/hm2）

1.2 測量及測定方法

籽粒產(chǎn)量：成熟期每個處理人工收獲小麥植株樣段面積為0.44 m2（1 m，2行，行距0.22 m），人工脫粒，自然曬干進(jìn)行稱重，計算籽粒產(chǎn)量。籽粒和秸稈全磷含量采用釩鉬藍(lán)比色法進(jìn)行測定［21］。

1.3 計算公式

植株磷積累量（kg/hm2）=秸稈質(zhì)量×秸稈含磷量+籽粒產(chǎn)量×籽粒含磷量

磷收獲指數(shù)（kg/kg）=籽粒磷積累量/收獲期植株總吸磷量

磷利用效率（kg/kg）=籽粒產(chǎn)量/成熟期植株總吸磷量

磷吸收效率（%）=地上部磷積累量/施磷量×100變異系數(shù)（%）=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值×100

100 kg小麥籽粒需磷量（kg）=植株吸磷量/產(chǎn)量×100

1.4 數(shù)據(jù)處理

每個指標(biāo)為2017年和2018年數(shù)據(jù)的平均值，每年數(shù)據(jù)為3次重復(fù)測定的平均值；數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用Excel 2010，主成分分析和聚類分析采用SPSS 25.0軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試小麥品種12個磷效率指標(biāo)間的差異

由表3可知，供試品種指標(biāo)間存在差異。P1處理除磷收獲指數(shù)外，其他指標(biāo)的變異系數(shù)均大于10%；P0處理除籽粒含磷量、磷收獲指數(shù)、100 kg小麥籽粒需磷量、磷利用效率外，其他指標(biāo)的變異系數(shù)均大于10%，說明指標(biāo)間的差異顯著。指標(biāo)之間的差異導(dǎo)致小麥品種間存在差異。表3說明小麥品種具有遺傳多樣性，品種間存在選擇潛力。

2.2 12個磷效率指標(biāo)相關(guān)性分析

低磷處理相關(guān)性分析（表4）表明，籽粒產(chǎn)量與穗數(shù)，籽粒總吸磷量與籽粒產(chǎn)量、穗數(shù)，秸稈質(zhì)量與籽粒產(chǎn)量、穗數(shù)、籽粒總吸磷量，秸稈總吸磷量與籽粒產(chǎn)量、穗數(shù)、籽粒總吸磷量、秸稈質(zhì)量、秸稈含磷量，植株磷積累量與籽粒產(chǎn)量、穗數(shù)、籽粒總吸磷量、秸稈質(zhì)量、秸稈總吸磷量，100 kg小麥籽粒需磷量與籽粒含磷量，磷利用效率與秸稈質(zhì)量，磷吸收效率與籽粒產(chǎn)量、穗數(shù)、籽粒總吸磷量、秸稈含磷量、秸稈總吸磷量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）；磷收獲指數(shù)與秸稈含磷量、秸稈總吸磷量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）；100 kg小麥籽粒需磷量與磷收獲指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。

表4 低磷處理12個磷效率指標(biāo)相關(guān)性分析

正常磷處理相關(guān)性分析（表5）表明，籽粒產(chǎn)量與穗數(shù)、籽粒總吸磷量、秸稈質(zhì)量、植株磷積累量、磷利用效率、磷吸收效率，穗數(shù)與籽粒總吸磷量、秸稈質(zhì)量、植株磷積累量、磷吸收效率，籽粒含磷量、秸稈含磷量、秸稈總吸磷量與100 kg小麥籽粒需磷量，籽粒總吸磷量與秸稈質(zhì)量、植株磷積累量、磷吸收效率，秸稈質(zhì)量與植株磷積累量、磷利用效率、磷吸收效率，植株磷積累量與磷吸收效率之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）；籽粒產(chǎn)量與籽粒含磷量、100 kg小麥籽粒需磷量，籽粒含磷量、100 kg小麥籽粒需磷量與磷利用效率，秸稈含磷量、秸稈總吸磷量與磷收獲指數(shù)之間存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01）；籽粒產(chǎn)量與秸稈含磷量，秸稈含磷量與磷利用效率，磷收獲指數(shù)與100 kg小麥籽粒需磷量之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。

表5 正常磷處理12個磷效率指標(biāo)相關(guān)性分析

上述結(jié)果表明指標(biāo)之間存在顯著或者極顯著相關(guān)性，說明12個指標(biāo)反映磷效率的信息有一定的重疊。因此可以通過主成分分析方法刪除重疊變量，在盡可能保持原有信息的基礎(chǔ)上，全面、客觀地評價磷效率。

2.3 主成分分析

2.3.1 主成分提取

利用SPSS 25.0進(jìn)行主成分分析得到解釋總方差（表6）。根據(jù)主成分分析研究理論，當(dāng)累計貢獻(xiàn)率≥85%即可表征原始數(shù)據(jù)的大部分信息［22］。由表6可知，2種磷處理3個主成分特征值均大于1，累積貢獻(xiàn)率≥88.44%，基本包含了磷效率的總信息量。由表7可知，第1主成分主要包括籽粒產(chǎn)量、籽粒總吸磷量、植株磷積累量，其中籽粒總吸磷量、植株總吸磷量、磷利用效率、磷吸收效率特征向量均為正值，有利于磷效率的提高。第1主成分主要反映了植株磷積累量和磷吸收效率。第2主成分主要受秸稈總吸磷量、100 kg小麥籽粒需磷量、磷利用效率的影響，其中秸稈總吸磷量對第2主成分的影響較大。第3主成分主要包括籽粒含磷量、磷收獲指數(shù)、磷利用效率，這說明適度降低收獲指數(shù)有利于提高磷利用率。

表6 各主成分的初始特征根、方差貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率

表7 各主成分特征向量

?

2.3.2 供試小麥品種主成分得分值

以3個主成分對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重得到綜合方程：

綜合分值越高，表明該品種綜合磷效率越高。供試小麥品種綜合得分值見表8。由表8可知，在2種磷水平得分值均較高的品種為許科168、洛麥34，小麥籽粒產(chǎn)量以及籽粒總吸磷量均較高，對第1主成分貢獻(xiàn)最大，所以綜合值較高，磷高效綜合值較好。在2種磷水平得分值均較低的品種其籽粒產(chǎn)量、籽粒總吸磷量較低，對第1主成分貢獻(xiàn)較小，所以綜合得分較低，磷高效綜合值較差。

表8 供試小麥品種主成分得分及綜合得分

（續(xù)表）

2.4 供試小麥品種聚類分析結(jié)果

基于不同小麥品種的綜合得分值，利用最短距離法將27個小麥品種進(jìn)行聚類分析，以歐式距離為3將所有品種分為4個類群（圖1，圖2），由圖1可知P0處理第1類群有3個品種，分別為許科168、洛麥34、洛麥26，綜合值為3.12～4.28。第2類群有6個品種，分別為偃高21、鄭品麥8號、中育1220、周麥32、中育895、存麥8號，綜合值為0.48～2.17。第3類群有8個品種，分別為偃高58、洛麥31、鄭麥113、新麥29、周麥27、新 麥30、鄭 麥379、漯 麥18，綜 合 值為-0.49～0.09。第4類群有10個品種，分別為周麥30、西農(nóng)979、洛麥29、百農(nóng)4199、西農(nóng)511、蘭考198、中育1211、周麥22、周麥28、豐德存麥5號，綜合值為-2.26～-0.98。

由圖2可知，P1處理第1類群有4個品種，分別為鄭麥113、偃高21、許科168、洛麥34，綜合值為1.57～2.77。第2類群有5個品種，分別為中麥895、周麥28、周麥22、百農(nóng)4199、鄭品麥8號，綜合值為0.51～1.02。第3類群有7個品種，分別為中育1211、西農(nóng)511、周麥32、偃高58、洛麥29、洛麥26、存麥8號，綜合值為-0.25～0.31。第4類群有11個品種，分別為新麥29、蘭考198、中育1220、鄭麥379、洛麥31、周麥27、周麥30、西農(nóng)979、豐德存麥5號、漯麥18、新麥30，綜合值為-0.56～-1.74。其中第1類群判定為磷高效利用品種；第2類群判定為磷中效利用品種；第3和第4類群判定為磷低效利用品種。2種磷處理均為高效的判定為磷高效品種，P1高效和P0低效判定為磷中效品種；P1低效和P0低效判定為磷低效品種。

綜合2種磷處理，本研究中初步將27個小麥品種分為3種磷效率類型：許科168、洛麥34為磷高效品種；鄭麥113、偃高21、中麥895、鄭品麥8號為磷中效品種；周麥28、周麥22、百農(nóng)4199、中育1220、中育1211、西農(nóng)511、周麥32、偃高58、洛麥29、洛麥26、存麥8號、新麥29、蘭考198、鄭麥379、洛麥31、周麥27、周麥30、西農(nóng)979、豐德存麥5號、漯麥18、新麥30為磷低效品種。

3 討論

磷高效品種篩選是減少磷肥用量、農(nóng)田環(huán)境污染和提高作物磷素利用率的有效途徑［8］。研究表明，植株的農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量、磷素的吸收可作為篩選磷高效品種的指標(biāo)［16，23-24］。周思遠(yuǎn)等［23］的研究表明，變異系數(shù)越大，作物受磷素影響的差異也越大。本研究通過對27個小麥品種的12個磷效率指標(biāo)進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)12個磷效率指標(biāo)的變異系數(shù)范圍為2.72%～36.60%，這說明品種間存在豐富的遺傳變異，具有篩選潛力。本研究相關(guān)性分析結(jié)果顯示，小麥磷效率指標(biāo)之間存在不同程度的相關(guān)性，彼此相互影響。其中植株磷素積累量與籽粒產(chǎn)量、秸稈質(zhì)量極顯著正相關(guān)。這與陽顯斌等［5］關(guān)于小麥不同磷素吸收利用差異的研究發(fā)現(xiàn)不同生育期小麥植株磷素積累量與植株生物量之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)的研究結(jié)果相一致。指標(biāo)之間的相關(guān)性說明指標(biāo)在反映磷效率的信息上有一定的重疊。主成分分析結(jié)果表明，12個小麥磷效率指標(biāo)可轉(zhuǎn)化為3個相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，累積貢獻(xiàn)率為90.04%。根據(jù)主成分綜合得分可知，許科168、洛麥34綜合表現(xiàn)較好。第1主成分貢獻(xiàn)率達(dá)51.99%，綜合考慮要想獲得產(chǎn)量高、磷效率高的小麥，應(yīng)著重考慮籽粒產(chǎn)量、籽粒總吸磷量、穗數(shù)。袁園園等［10］通過以產(chǎn)量為重要指標(biāo)之一篩選出磷高效小麥。本研究在主成分分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行聚類分析，將27個小麥品種分為4個類群3種磷效率類型。兩種方式的結(jié)合，既簡化了指標(biāo)，避免了數(shù)據(jù)的重疊性，又科學(xué)客觀地將供試品種按照不同的磷效率類型進(jìn)行分類。本研究中初步將27個品種進(jìn)行分類，為提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，還需進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本研究利用主成分分析對27個小麥品種的12個指標(biāo)進(jìn)行分析，提取到3個主要成分，累積貢獻(xiàn)率達(dá)90.04%，能夠涵蓋磷效率的大部分信息。在主成分分析的基礎(chǔ)上利用聚類分析初步將27個小麥品種分為3種磷效率類型：許科168、洛麥34為磷高效品種；鄭麥113、偃高21、中麥895、鄭品麥8號為磷中效品種；周麥28、周麥22、百農(nóng)4199、中育1220、中育1211、西農(nóng)511、周麥32、偃高58、洛麥29、洛麥26、存麥8號、新麥29、蘭考198、鄭麥379、洛麥31、周麥27、周麥30、西農(nóng)979、豐德存麥5號、漯麥18、新麥30為磷低效品種。