安麥1132農藝性狀及產量的相關性和主成分分析

薛志偉，楊春玲

(安陽市農業科學院，河南安陽 455000)

農作物產量的高低是多個農藝性狀共同作用的結果，各性狀之間相互作用最終形成作物籽粒產量[1，2]。目前新品種(系)的選育要經過多年多點篩選鑒定，作物育種家關注的焦點不僅是單一的產量水平，還有田間農藝性狀的綜合表現。在育種工作中如果僅僅將產量指標作為唯一評判因素，或者僅對單一性狀指標進行選擇，則可能因主觀影響而出現誤判。

主成分分析主要利用降維的思想，在保證損失較少信息量的前提下，將多個原始并且彼此相關的變量轉化成新的個數較少且彼此獨立的綜合指標的統計方法[3，4]。在多指標的研究中，各個指標之間往往存在一定的相關性。主成分分析通過線性變換后每個成分都能夠反映原始變量的大部分信息，且所含信息互不重復，使數據分析變得簡單直接，評價結果更客觀準確[5]。隨著統計學的發展，主成分分析不僅普遍應用于現代經濟分析、自動化與計算機技術和環境科學工程，還廣泛應用于農作物遺傳多樣性、種質資源研究和農藝性狀綜合篩選等系統綜合評價。目前國內外利用主成分分析法在小麥[6～8]、玉米[9，10]、谷子[11]、大豆[12]等多種作物的改良、創新和抗逆選擇等方面取得了重要的研究進展。

小麥是我國重要的糧食作物，其田間表現是眾多農藝性狀的綜合表達體。為了明確小麥諸多農藝性狀和產量的關系，筆者運用統計學相關分析和主成分分析方法對安麥1132在多個區域試驗點的基本苗數、幼苗生長習性、有效穗數、黑胚率、熟相、出苗至抽穗天數和抽穗至成熟天數等農藝性狀和產量進行綜合研究，以期對小麥品種安麥1132進行科學合理的綜合評價。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以小麥品種安麥1132 于2014—2015年和2015—2016年分別在河南省種子管理站11個和12個區域試驗點的田間觀測數據匯總結果為分析資料。

2014—2015年洛陽點試驗地前茬為綠肥掩青，林州點為旱地休閑，三門峽院點為芝麻，偃師點為大豆，其余各試驗點(嵩縣點、三門峽站點、靈寶點、鶴壁點、濟源點、汝州點、鎮平點)前茬均為玉米。2015—2016年試驗地前茬多為玉米(鶴壁點、靈寶點、汝州點、鎮平點)，寶豐點、濟源點前茬為大豆，林州點、嵩縣點前茬為谷子，洛陽點為綠肥掩青，三門峽院、三門峽站前茬為傳統的曬旱地，鄧州點前茬為煙草。

試驗采用隨機區組設計，3次重復，小區面積12～15 m2，收獲計產面積12 m2以上。播種前精細整地，一次性施足底肥，生育期間不再追肥。每個試驗點均選擇有代表性的旱地進行試驗，小麥生育期間不澆水。

1.2 試驗方法

選取基本苗數、有效穗數、黑胚率、出苗到抽穗天數、抽穗到成熟天數等農藝性狀，按照小麥品種試驗觀察記載項目內容與標準定期觀測。出苗之后選擇有代表性的樣點觀測基本苗數、有效穗數，準確記載生育期、田間管理技術等內容。為了便于應用計算機儲存、分析試驗資料，全部記載均數量化。幼苗生長習性、熟相一般采用五級制，沿用三級制的一些性狀，記載級別由小值到大值，表示幼苗生長習性由匍匐到直立；熟相由好到差。收獲后進行產量測定。

1.3 統計分析

利用Excel對上述農藝性狀進行基本統計分析，利用SPSS 19.0進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 基本統計分析

對安麥1132品種的6個性狀進行統計學分析，結果顯示(表1)：變異系數表現為出苗到抽穗天數<抽穗到成熟天數<基本苗數<產量<有效穗數<黑胚率。出苗到抽穗天數和抽穗到成熟天數的變異系數分別為3.47%和5.85%，黑胚率的變異系數則達到105.20%。

表1 農藝性狀和產量的描述性統計

2.2 相關分析

由表2可知，各性狀與產量的相關系數表現為有效穗數>黑胚率>熟相>抽穗到成熟天數=出苗到抽穗天數>幼苗生長習性>基本苗數，其中有效穗數和黑胚率與產量呈顯著正相關。幼苗生長習性、熟相、出苗到抽穗天數和抽穗到成熟天數與產量正相關，基本苗數與產量負相關。從各性狀之間的相關系數來看，幼苗生長習性與黑胚率極顯著正相關；基本苗數與有效穗數和黑胚率顯著負相關，與熟相和出苗到抽穗天數極顯著負相關；有效穗數與熟相極顯著正相關，與出苗到抽穗天數顯著正相關；黑胚率與熟相和出苗到抽穗天數顯著正相關；出苗到抽穗天數與抽穗到成熟天數負相關。

表2 農藝性狀和產量的相關系數

2.3 主成分分析

2.3.1 判斷主成分分析的適用性

對安麥1132的7個性狀和產量進行主成分分析，各性狀編號為：基本苗數(Z1)、幼苗生長習性(Z2)、有效穗數(Z3)、黑胚率(Z4)、熟相(Z5)、出苗到抽穗天數(Z6)、抽穗到成熟天數(Z7)和產量(Z8)。

觀察數據在進行主成分分析之前，需判斷是否符合Kaiser-Meyer-Olkin度量。本文觀察值數據KMO值為0.71，Bartlett 球形度檢驗的Sig.為0，可以用于主成分分析。

2.3.2 提取主成分

在主成分分析中方差代表了性狀在主成分方向上的分散程度[4]。方差越大，主成分在樣本數據分析中所起的作用越大。由表3 可知，第一主成分的特征值為3.43，貢獻率42.86%；第二主成分的特征值為1.42，貢獻率17.80%；第三主成分的特征值為1.18，貢獻率14.78%，三者的貢獻率累計達75.43%。因此本文選取前3個成分作為主成分代表8個性狀反映的信息，其中第一主成分的貢獻率最大，說明它綜合原有觀察值數據信息的能力最強。

表3 各成分解釋的總方差

2.3.3 主成分變量

根據田間記載項目分類與成分矩陣(表4)提取3個主成分包含的變量：第一主成分特征根從大到小依次是黑胚率(0.81)、熟相(0.79)、有效穗數(0.69)、出苗到抽穗天數(0.66)、幼苗生長習性(0.56)、產量(0.51)、抽穗到成熟天數(0.38)、基本苗數(-0.72)。其中有效穗數、黑胚率、熟相和產量之間有最直接的關系，因而第一主成分可以解析為安麥1132籽粒產量因子。小麥從出苗到成熟橫跨多個生育期。穗部性狀從穗原基經伸長、分化、凸起至羽毛形成期，籽粒經歷乳熟、蠟熟，最終完熟成型。從籽粒的外觀和食用品質考慮，安麥1132可適當提高有效穗數，為高產創造條件，但不宜過分追求單一高產，以免影響籽粒黑胚率和熟相，造成籽粒品質下降。

第二主成分中數值最大的為抽穗到成熟天數(0.77)，最小的為出苗到抽穗天數(-0.44)，因此第二主成分可以解析為物候期因子。小麥從出苗以后到抽穗受到多種發育因子的影響，在北部的冬麥區種植的多為冬性和半冬性小麥品種，小麥在幼苗階段必須經歷一定的低溫春化時期才可以進入幼穗分化，完成頂端發育[13，14]。冬小麥屬跨年生作物，因而可以考慮適當減少第二主成分，延長冬小麥出苗到抽穗的營養器官生長階段，為抽穗到成熟的生殖器官生長階段積蓄能量。

第三主成分的基本苗數(0.49)和幼苗生長習性(-0.38)可以解析為幼苗因子。只有適宜的基本苗數，才能協調小麥群體和個體之間的生長矛盾。群體數量過大會造成個體營養供應不足，影響小麥后期有效穗數以及籽粒產量，因此第三主成分可適當減少。

表4 成分矩陣

3 結論與討論

通過對安麥1132的8個性狀進行分析，發現不同試驗點間出苗到抽穗天數和抽穗到成熟天數變異系數較小，而籽粒黑胚率的變異系數較高。在實際生產中可以延長出苗到抽穗天數，有益于有效穗數的增長，而有效穗數適當增加有益于產量提高，但安麥1132籽粒黑胚率也會隨之增加，籽粒熟相會變差，因而要注意平衡籽粒要素之間的關系。

(1)變異系數在統計學上用來衡量樣本的離散程度，代表本身遺傳多樣性，變化幅度的大小反映了性狀的豐富程度[15]。同一個品種的性狀在不同地點的變異程度越小，說明其變異偏離的程度越小。變異系數大，則性狀變化幅度較大。對安麥1132農藝性狀和產量變異系數綜合分析得出，安麥1132在不同試驗點生育動態變化幅度較小，而籽粒成熟情況受試驗點影響較大。

(2)運用主成分分析法可以減少分析時的維度，同時可以將多個相互關聯性狀指標轉換成較少的獨立的新指標[6，16]。本研究對安麥1132田間7個農藝性狀和產量進行主成分分析，其中前3個主成分可以解析為籽粒產量因子、物候期因子和幼苗因子，累計貢獻率75.43%。這3個因子可以代表8個性狀所代表的遺傳信息。第一主成分因子的方差貢獻率最高為42.86%，第二主成分因子和第三主成分因子方差貢獻率分別為17.80%和14.78%。本文中第一主成分的負荷最大，說明籽粒產量因子(有效穗數、熟相、黑胚率和產量)對安麥1132的品種改良和綜合評價中具有重要的作用。

(3)農藝性狀的表現是遺傳因素和環境因素共同作用的結果，在育種中，將所有的優良性狀集中于一體是很難的。根據前人的研究，氣候變暖的現象正在對包括小麥在內的農作物產生極大的影響，小麥品種的地區適應性發生變化，整個生育期正在變短[17，18]。目前對小麥田間相關性狀的分析，對環境因素考慮較少，原因是氣象因子難以量化且年度間變化較大，這一定程度上影響了田間農藝性狀的表現和品種的改良[19]。因此在研究小麥農藝性狀的表現時應重點考慮氣象因子對其田間表現的影響，這對于品種的田間選育和栽培技術運用具有重要意義。