基于主成分分析的山東省中熟棉花新品種（系）的綜合評價

摘要：為了篩選出適宜山東省種植的棉花新品種（系），本研究以中早熟常規組21個新品種（系）為研究對象，對其農藝性狀、產量和品質等進行了變異系數、相關性、主成分分析。結果表明：21份棉花材料15個性狀變異系數為0.62%～30.20%，單株結鈴數變異系數最高（30.20%）；其中有5個性狀變異系數均超過10%（均為農藝性狀），而纖維品質指標均小于10%。生育期與株高、單株結鈴數、單鈴重、衣分、籽棉產量、上半部平均長度、斷裂比強度呈正相關，籽棉產量與單株結鈴數、單鈴重、衣分呈極顯著正相關。主成分分析共提取了6個主成分，累計貢獻率達81.82%，可代表15個性狀的大部分信息。通過每個主成分的得分及其對應的權重求和對參試材料進行了綜合評價，魯棉1142、魯棉271、德棉14號綜合評價較高，表現較好。

關鍵詞：棉花；中熟；相關性分析；主成分分析；綜合評價

Comprehensive Evaluation of New Mid Maturity Cotton Strains in Shandong Province Based on Principal Component Analysis

WEN Xiaoxia，YANG Zhongxu，LI Qing’en，LI Xiaoyu，YIN Huihui，

LI Qiuzhi，LI Haitao，SHANG Na，LI Tong，YU Fagang

（Liaocheng Academy of Agricultural Sciences，Liaocheng 250000，Shandong）

棉花（Gossypium hirsutum L.）屬于抗旱耐鹽堿的經濟作物之一，是人們衣食住行中“衣”的生產制造原料，在人們的生活中起著十分重要的作用[1]。當前，我國植棉區主要包括西北（新疆）棉區、黃河流域棉區和長江流域棉區，受區域經濟發展和農業產業結構調整的影響，國內棉花總播種面積呈下降趨勢[2]。長期以來，棉花產量的改善、品質的改良是農業科研工作者的育種目標。棉花產量、品質受多種因素的影響[3-5]，研究分析農藝性狀、產量和品質性狀的關系對新品種的培育及改良具有重要的意義。本研究以21份山東省中熟常規組棉花新品種（系）為材料，對其農藝性狀、產量和品質性狀進行了描述性分析、相關性分析、主成分分析及綜合評價，旨在為新品種（系）的審定、應用推廣提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地點 試驗材料由山東省種子管理總站提供，來源于多個雜交組合后代，包括不同高產、優質且性狀穩定的棉花新品種（系）。本試驗中21份材料分別為德棉14號、魯棉1142、魯棉1156、魯棉377、魯棉264、山農棉21號、中棉所907、魯棉1177、德棉23號、山農棉22號、魯棉271、魯棉272、魯棉335、中MB903、魯棉3156、魯棉5191、中生棉1、德利農19、魯棉2436、魯棉473、魯棉3218，分別以1～21編號。試驗于2022年在聊城市農業科學院茌平科技示范園進行，試驗地塊土質黏土，土壤肥力較好，有機質含量1.2%，堿解氮含量100mg/kg，有效磷含量32mg/kg，速效鉀含量146mg/kg，前茬作物為棉花。

1.2 試驗設計與田間管理 采取隨機區組排列，重復3次。小區面積34m2，每小區5行，行距 0.8m、株距 0.24m，密度3500株/667m2。播期為4 月24日，定苗時間為6月1日。全生育期共防治棉鈴蟲3次，棉蚜 4次，紅蜘蛛1次，甜菜夜蛾1次，7月15日打頂。

1.3 田間相關性狀調查 每個小區選取具有代表性的植株，調查生育期、果枝著生節位、株高、單株果枝數、單株結鈴數等；吐絮期在取樣行采摘中上部吐絮正常的50鈴，曬干稱重計算平均單鈴籽棉重、衣分等。將棉樣統一送至農業農村部棉花品質監督檢驗測試中心（安陽）檢測纖維品質。

1.4 數據分析 利用Microsoft Excel 2007和IBM SPSS Statistics 26軟件進行描述性分析、相關性分析、主成分分析。

2 結果與分析

2.1 參試材料主要性狀描述性分析 由表1可以看出：參試材料間性狀存在較大差異，變異范圍在0.62%～30.20%之間，變異系數由高到低依次為：單株結鈴數gt;株高gt;第一果枝節位gt;單鈴重gt;果枝數gt;籽指gt;伸長率gt;斷裂比強度gt;籽棉產量gt;馬克隆值gt;紡紗均勻指數gt;衣分gt;上半部平均長度gt;生育期gt;整齊度；變異系數超過10%的有：單株結鈴數（30.20%）、株高（15.43%）、第一果枝節位（11.54%）、單鈴重（11.04%）、果枝數（10.40%）。

由表2可以看出：21份參試材料的生育期均在110～114d；株高為110～120cm的材料有13份，超過120cm的有2份；第一果枝節位低于7個的有7份，7～8個節位的有9份；從生育期、株高和第一果枝節位來看，參試材料均符合中熟的要求。果枝數13～14個的材料有12份；單株結鈴數變化幅度較大，其中單株結鈴14個左右的材料居多；單鈴重大多材料在6～7g之間，變化幅度不大；衣分主要集中在41%～43%之間，有12份；籽棉產量超過230kg/667m2的材料有18份。

由表3可以看出：上半部平均長度超過30mm的材料有9份；斷裂比強度超過30cN/tex的材料有19份，其中超過33cN/tex的有3份材料；纖維品質達到“雙30”的材料有9份。馬克隆值4.5～5.0的有12份；紡紗均勻指數140～160的材料有18份；整齊度大部分材料集中在84%～85%之間；伸長率5%～6%的材料有18份，超過6%的材料有2份。

2.2 參試材料主要性狀間的相關性分析 相關分析法用于研究定量數據之間的相關關系，具體關系能以數字的方式準確描述相關程度和方向。由表4可以看出：生育期與株高、單株結鈴數、上半部平均長度呈顯著正相關，與單鈴重、衣分、籽棉產量、斷裂比強度呈極顯著正相關；株高與單株結鈴數、衣分呈顯著正相關；果枝數與馬克隆值呈顯著負相關；單株結鈴數與衣分、籽棉產量呈極顯著正相關；單鈴重與籽棉產量呈極顯著正相關；衣分與籽棉產量、馬克隆值呈極顯著正相關，與整齊度呈顯著負相關，與伸長率呈顯著正相關；上半部平均長度與馬克隆值呈顯著負相關，與整齊度、伸長率分別呈極顯著、顯著正相關；斷裂比強度與伸長率呈顯著正相關；整齊度與伸長率呈顯著正相關。

2.3 主要性狀的主成分分析及綜合評價 由于棉花各農藝性狀、產量和品質性狀之間存在不同程度的相關性，所表達顯示的信息會有一定程度的重疊。為了明確相關數據是否能進行主成分分析，需要將這15個相關性狀通過降維對數據進行KMO和Barlett檢驗（表5）。由表5可知，根據KMO統計值、Barlett檢驗統計量、顯著性等表明原有變量適合做主成分分析。依據特征值大于1的原則，選取前6個主成分，其累計貢獻率為81.82%，能基本代表參試材料絕大部分信息。

由表6可知，第一主成分的特征值為3.53，反映了原始性狀指標信息的23.56%，其中上半部平均長度和紡紗均勻指數正向載荷最大，均為0.86，整齊度0.78、伸長率0.39，因此第一主成分可稱為纖維品質構成因子。該成分得分越高的參試材料表明棉花纖維品質越好，11號、7號、2號此項得分較高

（表7）。第二主成分的特征值為2.85，反映了原始性狀指標信息的19.03%，該成分主要包含第一果枝節位（0.78）、馬克隆值（0.76）、衣分（0.68）、株高（0.56）、果枝數（0.56）等代表性指標，可以稱為株型與品質因子，2號、5號此項得分較高。第三主成分特征值為2.03，反映了原始性狀指標信息的13.52%，載荷較大的為單株結鈴數（0.58）、果枝數（0.43），可稱為結鈴因子，負向載荷最大的為斷裂比強度（-0.82），可見結鈴越多，斷裂比強度越低，6號、5號此項得分較高。第四主成分特征值為1.59，反映了原始性狀指標信息的10.57%，該成分主要包含單鈴重（0.69）、單株結鈴數（0.49）、籽棉產量（0.38）等指標，該成分可稱為產量因子，1號、2號、19號此項得分較高。第五主成分特征值為1.27，反映了原始性狀指標信息的 8.45%，載荷較高的有生育期（0.63）、株高（0.56），該成分可稱為熟性與株高因子，19號、13號此項得分較高。第六主成分特征值為1.00，反映了原始性狀指標信息的 6.69%，載荷較高的指標是籽指（0.48）、果枝數（0.44），該成分可稱為果枝數與籽指綜合選擇因子，2號、11號此項得分較高。

將參試材料相關性狀標準化后，根據特征值和系數計算出各個主成分的計算式。F1=

-0.28Zs1+0.13Zs2+0.08Zs3+0.02Zs4-0.01Zs5-0.19Zs6+0.14Zs7-0.26Zs8-0.2Zs9+0.46Zs10+0.18Zs11-0.26Zs12+0.46Zs13+0.42Zs14+0.21Zs15

F2=-0.04Zs1+0.33Zs2+0.46Zs3+0.33Zs4-0.07Zs5+0.12Zs6+0.4Zs7-0.02Zs8-0.12Zs9-0.01Zs10-0.07Zs11+0.45Zs12-0.18Zs13+0.22Zs14+0.29Zs15

F3=0.1Zs1+0.12Zs2-0.08Zs3.+0.3Zs4+0.41Zs5+

0.01Zs6+0.13Zs7-0.25Zs8+0.18Zs9+0.04Zs10-0.58Zs11-0.13Zs12-0.23Zs13+0.11Zs14-0.22Zs15

F4=-0.22Zs1+0.2Zs2+0.36Zs3+0.06Zs4+0.39Zs5+0.55Zs6+0.28Zs7+0.11Zs8+0.3Zs9+0.16Zs10-0.08Zs11-0.15Zs12+0.02Zs13-0.1Zs14+0.22Zs15

F5=0.56Zs1+0.5Zs2+0.01Zs3-0.06Zs4-0.35Zs5+

0.17Zs6+0.31Zs7+0.26Zs8-0.36Zs9+0.13Zs10-0.15Zs11-

0.08Zs12-0.02Zs13-0.03Zs14+0.03Zs15

F6=0.11Zs1-0.34Zs2-0.21Zs3+0.44Zs4-0.35Zs5-0.2Zs6-0.07Zs7+0.48Zs8+0.16Zs9-0.01Zs11+0.1Zs12+

0.07Zs13+0.35Zs14+0.28Zs15

式中Zs1、Zs2、Zs3.....Zs15為15個性狀標準化的數值。

最后以每個主成分的方差貢獻率為權重，通過每個主成分的得分及其對應的權重求和獲得棉花新品種（系）綜合評價方程，計算式為：F=0.235F1+0.193F2+0.135F3+0.105F4+0.084F5+0.067F6，計算出每個參試材料的最終得分。由表7可以看出：按照總得分由高到低排序依次為：2gt;11gt;1gt;10gt;7gt;15gt;13gt;21gt;14gt;19gt;20gt;5gt;3gt;12gt;16gt;4=6gt;17gt;8gt;9gt;18?？梢妳⒃嚥牧萧斆?142、魯棉271、德棉14號得分較高，表現較好。這也表明評價一個品種優劣不能只以某一個性狀或僅用單一指標進行判斷，棉花綜合評價是多種農藝性狀、產量、品質相關指標整體呈現的結果。

3 結論與討論

通過對21份棉花品種（系）進行描述性分析，發現棉花的農藝性狀（株高、第一果枝節位、果枝數、單株結鈴數、單鈴重）在不同品種間存在較大的差異，這5個性狀的變異系數均超過10%，其中單株結鈴數的變異系數最大，為30.20%；而纖維品質指標（上半部平均長度、斷裂比強度、馬克隆值、整齊度、伸長率）均小于10%，這與尹會會等[6]、鄧艷鳳等[7]的研究結果一致。這種變化趨勢也表明：參試材料的農藝性狀容易受栽培環境的影響，存在較大改良的空間，栽植潛力較大，可在生產中通過改善栽培措施從而獲得高產；而品質性狀具有相對穩定性，受外界影響較小，主要受基因型的影響，在育種過程中可選擇品質較好且穩定的材料作為配置新組合的親本材料。

棉花植株的形態決定著產量和品質，它們之間存在著一定程度的相關性。相關性分析表明，參試材料中大部分農藝性狀、產量和品質性狀之間存在著極顯著或顯著的相關關系，這與張哲等[8]研究結果一致。由此可見，棉花各性狀間并不是孤立存在的，特別是產量與品質等性狀間是相互制約、牽制的關系。在今后工作中育種工作者可以在合理的范圍內適當延長生育期，增加株高、果枝數、鈴數、單鈴重，以確保最終達到產量與品質的相對平衡。

主成分分析是利用降維思想，對多元數據的變量數目進行有效減維壓縮，在保持原始大部分數據信息的基礎上，把多個指標轉化為主要的幾個新的指標，以達到簡化性狀間關系的目的[9]；該方法已被廣泛應用于作物種質資源多樣性研

究[10-12]。將15個性狀指標降維后提取6個主成分，其累計貢獻率達81.82%，能代表大部分的原始數據信息，這與董承光等[13]、張華崇等[14]的研究結果基本一致。綜合比較而言，魯棉1142、魯棉271、德棉14號3個棉花新品種（系）整體評分最高、表現較佳。

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（收稿日期：2024-01-03）