適宜瓜棉套作模式陸地棉品種的評(píng)價(jià)與篩選

劉翔宇,婁善偉，王瑞華，張鵬忠，巴哈爾古麗·先木西，彭 華，任紅松

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院吐魯番農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆吐魯番 838000；2.國(guó)家棉花工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】棉花是新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)[1]，哈密瓜是新疆傳統(tǒng)的名優(yōu)特產(chǎn)[2]。發(fā)展多熟立體種植模式，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增效，化肥、農(nóng)藥減量和節(jié)省水資源的目的[3]。目前，以匍匐生長(zhǎng)的西甜瓜與立生的棉花互補(bǔ)搭配，構(gòu)建套作群體，在生產(chǎn)上已有較大面積應(yīng)用，但瓜棉套作模式，對(duì)棉花品種的形態(tài)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)量結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程等要求與棉花單作有著較大差別。在瓜棉套作模式下，開展棉花品種的評(píng)價(jià)、篩選對(duì)發(fā)展立體種植模式和節(jié)本增效具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來，國(guó)內(nèi)外有瓜棉套作的栽培技術(shù)[1-4]、化肥和農(nóng)藥減施[5，6]、節(jié)水灌溉[7，8]、提高農(nóng)民收益等[9，10]等研究，同時(shí)我國(guó)新疆在棉花育種[11，12]、栽培[13]和機(jī)械化等[14-16]有研究成果。艾尼江[17]研究了新疆棉花的產(chǎn)量、品質(zhì)、早熟性等遺傳性狀的QTL定位、遺傳性與早熟性相關(guān)的灰色關(guān)聯(lián)分析和新疆不同植棉區(qū)棉花品種早熟性的遺傳多樣性；劉鵬鵬等[18]采用隸屬函數(shù)與綜合抗旱系數(shù)結(jié)合的方法，對(duì)眾多棉花品種在新疆的生態(tài)適應(yīng)性進(jìn)行了抗旱性評(píng)價(jià)；劉翔宇等[19]在新疆季節(jié)性水分匱乏條件下，自國(guó)內(nèi)外引進(jìn)126份優(yōu)異陸地棉種質(zhì)資源，從棉花的形態(tài)指標(biāo)、產(chǎn)量指標(biāo)和品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了分類、評(píng)價(jià)、篩選?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】新疆棉花育種研究[20-22]指出區(qū)域試驗(yàn)確定一個(gè)棉區(qū)的主栽品種時(shí)，要綜合考慮棉花的各方面指標(biāo)，不能隨意擬定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。不能片面追求產(chǎn)量、衣分，要綜合考慮棉花的形態(tài)指標(biāo)、產(chǎn)量指標(biāo)、品質(zhì)指標(biāo)等綜合指標(biāo)。研究篩選適宜瓜棉套作模式的陸地棉品種，評(píng)價(jià)套作棉花的形態(tài)和產(chǎn)量?！緮M解決的關(guān)鍵問題】應(yīng)用主成分分析、聚類分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析等多元分析方法，分析瓜棉套作模式下棉花的形態(tài)指標(biāo)和產(chǎn)量指標(biāo)，評(píng)價(jià)套作棉花的形態(tài)和產(chǎn)量，為瓜棉套作模式下棉花品種篩選提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2018～2019年在新疆農(nóng)科院吐魯番農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所東坎試驗(yàn)基地完成?；販貛Ц珊祷哪畾夂?，干燥少雨，年平均降水量16.4 mm，蒸發(fā)量3 000 mm以上，日照充足，晝夜溫差大，年有效活動(dòng)積溫5 300℃以上，無霜期270 d。

供試14個(gè)陸地棉品種，來源不同、具有不同生物學(xué)特征，且在國(guó)內(nèi)具有一定代表性或主栽的陸地棉品種。

哈密瓜品種(1個(gè))：西州蜜25號(hào)。

棉花品種(14個(gè))及代號(hào)：中棉49號(hào)(A1)、中棉63號(hào)(A2)、中棉66號(hào)(A3)、中棉79號(hào)(A4)、新陸中40號(hào)(A5)、新陸中49號(hào)(A6)、新陸中51號(hào)(A7)、新陸中56號(hào)(A8)、陸地棉系1號(hào)(A9)、陸地棉系2號(hào)(A10)、興農(nóng)6號(hào)(A11)、興農(nóng)7號(hào)(A12)、銀康1號(hào)(A13)和岱字-80(CK)。瓜株行距為4．5 m×0．45 m，機(jī)器鋪地膜。表1

1.2 方 法

隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次，每重復(fù)3行，行長(zhǎng)5 m，重復(fù)間留走道0.5 m,試驗(yàn)地面積450 m2。

2018～2019年，均于3月15日地膜上移栽哈密瓜幼苗，拱棚覆蓋；20 d后在拱棚內(nèi)點(diǎn)播棉花：瓜苗間點(diǎn)播4穴，每穴2株，瓜畦中間再點(diǎn)播與瓜苗間相同數(shù)量的棉花。2018年6月21日、2019年6月21日收獲哈密瓜，瓜收獲完畢后，緊接著清除瓜瓤，水肥促棉花生長(zhǎng)。2018年9月1～5日收獲棉花一茬花，10月10～15日收獲二茬花；2019年9月6～10日收獲一茬花，10月15～20日收獲二茬花。年際間田間栽培管理方式相同。

株高(X1，cm)、果枝節(jié)位(X2，節(jié))果枝數(shù)(X3，個(gè))；產(chǎn)量指標(biāo)：吐絮鈴數(shù)(X4，個(gè))、有效鈴數(shù)(X5，個(gè))、單鈴重(X6，g)、衣分(X7，%)、籽棉產(chǎn)量(X8，kg/hm2)、皮棉產(chǎn)量(X9，kg/hm2)、生育期(X4，d)；共10項(xiàng)數(shù)量性狀。形態(tài)指標(biāo)于各品種成熟期田間觀測(cè)記載，產(chǎn)量指標(biāo)于二茬花收獲后測(cè)量記載。為使各性狀均以最大值表示最優(yōu)，對(duì)部分性狀的田間試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行變換：X10為103/生育期。表1

表1 參試棉花品種及各指標(biāo)值Table 1 Cotton Varieties and Index Values

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用相關(guān)分析、主成分分析、聚類分析、判別分析和加權(quán)關(guān)聯(lián)度分析，以期找出具有生物學(xué)及專業(yè)意義的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，為棉花品種綜合評(píng)價(jià)及篩選決策提供有益的信息。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理應(yīng)用Data Processing System 15.10分析完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 相關(guān)分析

研究表明，10個(gè)性狀間，有著正負(fù)和強(qiáng)弱復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系，其中，果枝數(shù)與株高、籽棉產(chǎn)量與單鈴重、皮棉產(chǎn)量與籽棉產(chǎn)量這3對(duì)數(shù)量性狀相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，衣分與果枝數(shù)、有效鈴數(shù)與吐絮鈴數(shù)這2對(duì)數(shù)量性狀間相關(guān)性達(dá)到顯著水平(P<0.05)。表2

表2 相關(guān)分析Table 2 The correlation analysis data

注：*表示顯著相關(guān)(P<0.05)；**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)
Note:*Means the coefficient is significantly correlation atP< 0.05;** means the coefficient is extremely significantly correlation atP< 0.01

2.2 主成分

研究表明,10個(gè)性狀經(jīng)主成分分析，前5個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為26.89%、21.94%、18.19%、13.23%和9.53%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)89.77%。前5個(gè)主成分對(duì)10個(gè)指標(biāo)變量的貢獻(xiàn)為0.655～0.976。經(jīng)主成分降維處理，將10個(gè)性狀轉(zhuǎn)換為5個(gè)新的主成分，能夠反映10個(gè)指標(biāo)攜帶的絕大部分信息。

果枝節(jié)位、果枝數(shù)、籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量這4個(gè)指標(biāo)在第一主成分上載荷較高，第一主成分基本反映了這4個(gè)指標(biāo)的信息。第一主成分相當(dāng)于2.688個(gè)原始指標(biāo)的作用，可反映原始數(shù)據(jù)信息量的26.89%。表3

株高、果枝數(shù)和衣分這3個(gè)指標(biāo)在第二主成分上載荷較高，第二主成分基本反映了這3個(gè)指標(biāo)的信息,第二主成分相當(dāng)于2.194個(gè)原始指標(biāo)的作用，可反映原始數(shù)據(jù)信息量的21.94%。

吐絮鈴、生育期這2個(gè)指標(biāo)在第三主成分上載荷較高，有效鈴數(shù)在第四主成分上載荷較高說明第三、四、五主成分基本反映了這3個(gè)指標(biāo)的信息，第三、四、五主成分合起來相當(dāng)于4.095個(gè)原始指標(biāo)的作用，可反映原始數(shù)據(jù)信息量的40.95%。 表3

2.3 聚類分析與判別

采用離差平方和方法，將14個(gè)品種的主成分值進(jìn)行系統(tǒng)聚類。當(dāng)類間距離為4.75時(shí)，可將14個(gè)品種聚為3大類。圖1

研究表明,以5個(gè)主成分作為判別變量，建立判別函數(shù)。在建立判別函數(shù)前，先對(duì)5個(gè)因子進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，經(jīng)過假設(shè)檢驗(yàn)，X1、X2、X3、X4、X55個(gè)因子的P值均小于顯著水平α的臨界值0.05，結(jié)果可靠，入選。表4

表3 主成分Table 3 Principal component analysis

圖1 參試品種聚類
Fig.1 Cluster diagram of tested varieties

表4 假設(shè)檢驗(yàn)Table 4 Hypothesis Testing

經(jīng)假設(shè)檢驗(yàn)，可得到下列判別分析函數(shù)式：

Y1= -3.1-1.736X1+0.798X2-0.453X3-4.35X4-1.376X5

Y2= -15.311+3.014X1+2.663X2+5.427X3-2.956X4+9.818X5

Y3= -3.754+0.731X1-1.686X2-1.356X3+5.335X4-1.897X5

根據(jù)判別函數(shù)模型，對(duì)14個(gè)品種重新判別歸類。研究表明，判對(duì)概率100%，誤判率為0。建立的3個(gè)判別函數(shù)的判別能力強(qiáng)，聚類分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可用于棉花品種的分類評(píng)價(jià)。在瓜套棉栽培模式下，14個(gè)棉花品種可分為3種類型。表5

表5 聚類分析Table 5 ClusterAnalysis Results

第一類(Ⅰ)形態(tài)不繁茂且低產(chǎn)型，包括興農(nóng)6號(hào)、新陸中49號(hào)、銀康1號(hào)、中棉66號(hào)、中棉79號(hào)和陸地棉系2號(hào)6個(gè)品種。此類籽棉產(chǎn)量均值4.15 t/hm2，皮棉均值1.9 t/hm2，低于對(duì)照岱字-80，說明比現(xiàn)有瓜套棉模式的主栽品種岱字-80還要低。

第二類(Ⅱ)形態(tài)較繁茂且高產(chǎn)型，包括興農(nóng)7號(hào)和新陸中51號(hào)2個(gè)品種。此類棉花品種籽棉產(chǎn)量均值5.11 t/hm2，皮棉產(chǎn)量均值2.29 t/hm2，衣分44.87%，3個(gè)主要產(chǎn)量指標(biāo)均高于對(duì)照岱字-80。

第三類(Ⅲ)形態(tài)繁茂且產(chǎn)量較高型，包括新陸中40號(hào)、中棉49號(hào)、中棉63號(hào)、新陸中56號(hào)、陸地棉系1號(hào)、岱字-80(CK)共6個(gè)品種。此類棉花品種籽棉產(chǎn)量均值4.55 t/hm2，皮棉產(chǎn)量均值1.97 t/hm2，2個(gè)主要產(chǎn)量指標(biāo)低于對(duì)照岱字-80。

2.4 關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析法[23，24]的分析方法：對(duì)表1中各指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理。將無量綱化后的數(shù)據(jù)，利用公式(1)分別計(jì)算出參試品種的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

(1)

式中ρ為分辨系數(shù)，ξi(k)為第i個(gè)品種第k個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

最后，計(jì)算品種的加權(quán)關(guān)聯(lián)度，通過比較品種加權(quán)關(guān)聯(lián)度的大小，對(duì)14個(gè)棉花品種在瓜棉套種模式下的優(yōu)劣進(jìn)行排序。

(2)

式中γ 表示加權(quán)關(guān)聯(lián)度，Wk為第k個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，n為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

用主成分分析法確定指標(biāo)的權(quán)重第一、第二、第三、第四和第五主成分的累積貢獻(xiàn)率高達(dá)89.77%，代表了原始指標(biāo)的大部分信息。以前五個(gè)主成分分析的因子載荷量，計(jì)算各因子在棉花評(píng)比試驗(yàn)中的作用大小，確定權(quán)重。算出各主成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率算出各因子在各主成分上的載荷量，計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重。表6

表6 指標(biāo)權(quán)重Table 6 Index Weight

根據(jù)14個(gè)品種的主成分值，計(jì)算加權(quán)關(guān)聯(lián)度及排名。

研究表明,岱字-80(CK)加權(quán)關(guān)聯(lián)度值為0.522。中棉79號(hào)、興農(nóng)6號(hào)、新陸中56號(hào)、中棉49號(hào)、陸地棉系2號(hào)、銀康1號(hào)和中棉66號(hào)，這7個(gè)品種的加權(quán)關(guān)聯(lián)度低于岱字-80(CK)；興農(nóng)7號(hào)、陸地棉系1號(hào)、新陸中49號(hào)、新陸中51號(hào)、新陸中40號(hào)和中棉63號(hào)，這6個(gè)品種的加權(quán)關(guān)聯(lián)度高于岱字-80(CK)。表7

表7 加權(quán)關(guān)聯(lián)度Table 7 Weighted Correlation Analysis Results

3 討 論

3.1 評(píng)價(jià)方法的確定

近年來，對(duì)于農(nóng)作物品種的評(píng)價(jià)，逐漸由單一指標(biāo)到多指標(biāo)綜合，由定性到定量發(fā)展變化的趨勢(shì)，由多指標(biāo)數(shù)量性狀構(gòu)建的綜合評(píng)價(jià)體系更接近反映品種的真實(shí)生產(chǎn)能力。數(shù)理統(tǒng)計(jì)、灰色系統(tǒng)理論等學(xué)科的發(fā)展為多元評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建提供了可能。作物品種評(píng)價(jià)主要有：模糊數(shù)學(xué)法、百分制記分法、層次分析法、主成分分析、聚類分析和灰色系統(tǒng)分析法等[25，26]，不同方法對(duì)應(yīng)著不同的數(shù)學(xué)原理。主成分分析是把許多具有相關(guān)性的指標(biāo)簡(jiǎn)化為互不相關(guān)的少許幾個(gè)損失信息輕微的主成分的統(tǒng)計(jì)方法,聚類分析是研究生物資源關(guān)系分類的多元統(tǒng)計(jì)方法。近年來，主成分與聚類分析結(jié)合應(yīng)用于紫薯[27]、甜瓜[28]和野蓮花[29]等農(nóng)作物分類的成果屢見報(bào)道，在棉花上也有研究，董承光等[30]對(duì)84份陸地棉的表型性狀進(jìn)行了主成分及聚類分析，結(jié)果將84個(gè)材料分為4個(gè)類群。材料的簡(jiǎn)化分類為優(yōu)異等位基因的挖掘、親本材料的選擇和創(chuàng)新育種方向提供了技術(shù)支撐。

研究先對(duì)瓜棉套作模式下的棉花形態(tài)指標(biāo)和產(chǎn)量指標(biāo)共10個(gè)性狀進(jìn)行主成分分析，并將其簡(jiǎn)化成5個(gè)主成分，累積方差貢獻(xiàn)率89.77%，包含了10個(gè)性狀的主要信息，對(duì)相關(guān)的性狀進(jìn)行了降維。再利用主成分值進(jìn)行聚類分析，增強(qiáng)了聚類分析結(jié)果的真實(shí)可靠性。用判別分析法驗(yàn)證聚類結(jié)果，統(tǒng)計(jì)分析方法科學(xué)性強(qiáng)。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

在瓜棉套作模式下，考慮棉花產(chǎn)量，又兼顧高溫期哈密瓜和棉花共生階段棉花對(duì)瓜的遮蔽作用的原則，確定了10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。既將株高、果枝數(shù)等反映棉花形態(tài)繁茂度的指標(biāo)考慮在內(nèi)，也將有效鈴、單鈴重、衣分、籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量等反映棉花產(chǎn)量的指標(biāo)納入。

試驗(yàn)過程中，諸品種發(fā)病輕微、差異較小，且條件不能滿足人工接種后再評(píng)價(jià)的要求，所以沒顧及病蟲害對(duì)試驗(yàn)的影響。可專題開展抗病性試驗(yàn)，再將結(jié)果納入評(píng)價(jià)體系里。

表型性狀易受外部環(huán)境影響，控制好環(huán)境因素，聚類結(jié)果才準(zhǔn)確[31]。

4 結(jié) 論

興農(nóng)7號(hào)和新陸中51號(hào)，這2個(gè)品種在吐魯番瓜套棉栽培模式下具有生產(chǎn)潛力和推廣應(yīng)用價(jià)值。陸地棉系1號(hào)、新陸中40號(hào)、新陸中49號(hào)，這3個(gè)品種可作為儲(chǔ)備品種。