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 450001；3．河南農業大學資源與環境學院，河南 鄭州 450002）

磷（P）是小麥生長發育必不可少的營養元素之一［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，涉及對多個指標進行綜合計算和客觀的分析［10］。利用主成分分析可以將復雜的多個變量簡化為少數幾個綜合變量，可以有效避免磷高效鑒別過程中多個數據問題同時又在最大程度上獲取到各個指標的完整信息［11］。聚類分析可以根據同品種間的近似關系和親緣關系的遠近對其進行合理的分類［12-13］。王林海等［14］利用聚類分析將130個小麥品種（系）根據農藝性狀的不同進行分類。周麗艷等［15］利用主成分分析將11個農藝性狀簡化提取出5個主成分因子，利用主成分因子進行聚類分析將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藝性狀［14-17］、品質［18-19］、數量性狀［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，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。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用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

試驗設低磷、正常磷2個處理，施肥量見表2。

表2 試驗處理及施肥量 （kg/hm2）

1.2 測量及測定方法

籽粒產量：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，自然曬干進行稱重，計算籽粒產量。籽粒和秸稈全磷含量采用釩鉬藍比色法進行測定［21］。

1.3 計算公式

植株磷積累量（kg/hm2）=秸稈質量×秸稈含磷量+籽粒產量×籽粒含磷量

磷收獲指數（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（%）=標準差/平均值×100

100 kg小麥籽粒需磷量（kg）=植株吸磷量/產量×100

1.4 數據處理

每個指標為2017年和2018年數據的平均值，每年數據為3次重復測定的平均值；數據統計采用Excel 2010，主成分分析和聚類分析采用SPSS 25.0軟件處理。

2 結果與分析

2.1 供試小麥品種12個磷效率指標間的差異

由表3可知，供試品種指標間存在差異。P1處理除磷收獲指數外，其他指標的變異系數均大于10%；P0處理除籽粒含磷量、磷收獲指數、100 kg小麥籽粒需磷量、磷利用效率外，其他指標的變異系數均大于10%，說明指標間的差異顯著。指標之間的差異導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個磷效率指標相關性分析

低磷處理相關性分析（表4）表明，籽粒產量與穗數，籽粒總吸磷量與籽粒產量、穗數，秸稈質量與籽粒產量、穗數、籽粒總吸磷量，秸稈總吸磷量與籽粒產量、穗數、籽粒總吸磷量、秸稈質量、秸稈含磷量，植株磷積累量與籽粒產量、穗數、籽粒總吸磷量、秸稈質量、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量，磷吸收效率與籽粒產量、穗數、籽粒總吸磷量、秸稈含磷量、秸稈總吸磷量呈極顯著正相關（P<0.01）；磷收獲指數與秸稈含磷量、秸稈總吸磷量呈極顯著負相關（P<0.01）；100 kg小麥籽粒需磷量與磷收獲指數呈顯著負相關關系（P<0.05）。

表4 低磷處理12個磷效率指標相關性分析

正常磷處理相關性分析（表5）表明，籽粒產量與穗數、籽粒總吸磷量、秸稈質量、植株磷積累量、磷利用效率、磷吸收效率，穗數與籽粒總吸磷量、秸稈質量、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量、植株磷積累量、磷吸收效率，秸稈質量與植株磷積累量、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關系（P<0.01）；籽粒產量與籽粒含磷量、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之間存在極顯著負相關關系（P<0.01）；籽粒產量與秸稈含磷量，秸稈含磷量與磷利用效率，磷收獲指數與100 kg小麥籽粒需磷量之間存在顯著負相關關系（P<0.05）。

表5 正常磷處理12個磷效率指標相關性分析

上述結果表明指標之間存在顯著或者極顯著相關性，說明12個指標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進行主成分分析得到解釋總方差（表6）。根據主成分分析研究理論，當累計貢獻率≥85%即可表征原始數據的大部分信息［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、磷利用效率，這說明適度降低收獲指數有利于提高磷利用率。

表6 各主成分的初始特征根、方差貢獻率及累積貢獻率

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個主成分對應的方差貢獻率為權重得到綜合方程：

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，小麥籽粒產量以及籽粒總吸磷量均較高，對第1主成分貢獻最大，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量、籽粒總吸磷量較低，對第1主成分貢獻較小，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

（續表）

2.4 供試小麥品種聚類分析結果

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979、洛麥29、百農4199、西農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4199、中育1220、中育1211、西農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、農田環境污染和提高作物磷素利用率的有效途徑［8］。研究表明，植株的農藝性狀、產量、磷素的吸收可作為篩選磷高效品種的指標［16，23-24］。周思遠等［23］的研究表明，變異系數越大，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個磷效率指標進行測定，發現12個磷效率指標的變異系數范圍為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。本研究相關性分析結果顯示，小麥磷效率指標之間存在不同程度的相關性，彼此相互影響。其中植株磷素積累量與籽粒產量、秸稈質量極顯著正相關。這與陽顯斌等［5］關于小麥不同磷素吸收利用差異的研究發現不同生育期小麥植株磷素積累量與植株生物量之間呈現極顯著正相關的研究結果相一致。指標之間的相關性說明指標在反映磷效率的信息上有一定的重疊。主成分分析結果表明，12個小麥磷效率指標可轉化為3個相互獨立的綜合指標，累積貢獻率為90.04%。根據主成分綜合得分可知，許科168、洛麥34綜合表現較好。第1主成分貢獻率達51.99%，綜合考慮要想獲得產量高、磷效率高的小麥，應著重考慮籽粒產量、籽粒總吸磷量、穗數。袁園園等［10］通過以產量為重要指標之一篩選出磷高效小麥。本研究在主成分分析的基礎上進行聚類分析，將27個小麥品種分為4個類群3種磷效率類型。兩種方式的結合，既簡化了指標，避免了數據的重疊性，又科學客觀地將供試品種按照不同的磷效率類型進行分類。本研究中初步將27個品種進行分類，為提高結果的準確性，還需進行進一步的試驗驗證。

4 結論

本研究利用主成分分析對27個小麥品種的12個指標進行分析，提取到3個主要成分，累積貢獻率達90.04%，能夠涵蓋磷效率的大部分信息。在主成分分析的基礎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4199、中育1220、中育1211、西農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979、豐德存麥5號、漯麥18、新麥30為磷低效品種。