基于GGE 雙標圖分析氮肥對小麥生長的影響

孫建軍，丁超明，申培林，郭新海，郭玉璽，王德新

（河南省農業科學院，鄭州 450002）

氮素是植物生長發育所必需的營養元素，合理有效地施用氮肥在提高作物產量的同時會改善其品質［1］。21 世紀以來，人口、資源、環境的矛盾日益突出，中國農業生態環境面臨多方面的嚴峻挑戰，施肥對環境的影響受到越來越多的關注［2］。主要農作物以增加施氮量來提高產量，但氮肥過多施用不僅增產效果不顯著，還會造成環境污染，給社會帶來不利影響。在施氮量較低條件下，產量和氮肥利用率較高的品種具有較高的干物質積累量、莖蘗成穗率、葉面積指數、粒葉比及群體生長速率［3］。在小麥栽培中，適宜濃度的氮肥能夠促進小麥農藝性狀，提高小麥的品質和產量，施肥水平過低或過高均不利于小麥農藝性狀特別是產量相關性狀的表達。

學者們對GGE 雙標圖在作物區試數據分析中的優勢進行了分析，并提出在用于分析區試數據的同時，還可對任何2 位數據進行分析［4-6］。GGE 雙標圖與其他圖解法相比，具有獨特的優勢，它是綜合品種總體效應（G）和品種×環境互作（GE）的數學模型［7］。GGE 雙標圖在鮮食糯玉米［8］和普通玉米［9］、水稻［10］、花生［11］、冬油菜［12］等作物的區試和不同類二維數據的分析中得以應用。本研究利用方差分析、多重比較和GGE 雙標圖分析不同施氮量對小麥農藝性狀表達的影響，為小麥的合理施氮提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種為半冬性、中熟品種周麥16，來源于河南省周口市農業科學院。

1.2 試驗設計

試驗于2020—2021 年在河南省農業科學院現代化研究基地進行，前茬作物為玉米（同一品種，非小區試驗），地勢平坦、肥力均勻、排灌方便，測定試驗地土壤有機質10.9 mg∕kg，堿解氮41.2 mg∕kg，速效磷27.52mg∕kg，速效鉀97.35mg∕kg，基肥在播種前施入。肥力水平設置5 個處理（表1），后期追肥保持一致，組間隨機排列，設3 次重復，小區面積7.2 m2，6 行區，播種量一致。

表1 不同氮肥施用量處理

1.3 田間管理

生育期內根據土壤干旱情況適當灌水，各小區灌水量一致，選擇合理的化學藥劑噴殺病蟲害。

1.4 性狀調查

在小麥整個生育期內，按照《植物新品種特異性、一致性和穩定性測試指南普通小麥小麥DUS 測試指南GB∕T 19557.2—2017》進行觀測，取20 株進行性狀調查。成熟后選擇典型株40株進行取樣、考種。

1.5 數據處理

采用Excel 2016 整理試驗數據，采用SAS 軟件進行數據方差分析和多重比較，用AI軟件處理圖片，利用R 語言的GGEBiplot GUI 包制作GGE 雙標圖。

2 結果與分析

2.1 不同年份、施氮量對小麥農藝性狀的影響

不同施氮量、年份與小麥株高、穗長度、旗葉寬、旗葉長、不育小穗率、千粒重和穗粒重的差異顯著性見表2。由表2 可知，小麥所有測試性狀在不同施氮量處理間差異均達到極顯著水平（P＜0.01），而年份間差異不顯著，年份和處理互作中僅有穗長度差異達到顯著差異水平（P＜0.05）。

表2 不同年份、處理的農藝性狀的相關系數

根據方差分析結果，由于2 年間各農藝性狀差異不顯著，只對2 年農藝性狀數據處理間進行多重比較，結果見表3。由表3 可知，株高、穗長度隨肥力水平的增加呈先增加后降低的趨勢，N2 處理株高最高，為80.83 cm，N3 處理穗長度最長，為9.72 cm；旗葉長和旗葉寬均隨施氮量先增后減，在N4 處理時均為最大；不育小穗率則隨施氮量的增加而降低，N1處理量最大，為16.34%；千粒重在N4 和N5 處理間呈顯著差異。

表3 不同處理的小麥農藝性狀

2.2 試驗處理與農藝性狀GGE 雙標圖分析

GGE 雙標圖法可直觀地判斷不同處理下表現最好的指標以及各指標的相互關系。將原始數據減去各指標的均值后形成數據集，使數據中只含有處理主效應G 和處理與各指標互作效應GE，對GGE 做單值分解，以第一主成分和第二主成分為代表，按照第一和第二主成分值將所有處理和指標繪于二維圖上即形成GGE 雙標圖。對采用的各指標數據進行標準化處理后，可認為這些指標在各處理中具有同等重要的作用。把處理的標志點（N1、N2 和N5）用直線連接起來，形成一個把所有處理都囊括在內的三角形，從原點（0，0）起作各邊的垂線，把整個雙標圖分為3 個扇區，不同指標落于各個區內，每個區內的頂角處理即為該扇區內所有指標的最優處理。試驗處理與農藝性狀GGE 雙標圖分析見圖1。

由圖1a可知，第一主成分的效應為PC1=70.91%，第二主成分的效應為PC2=23.11%，GGE 雙標圖上展示了各處理真實信息的94.02%。周麥16 的7 個農藝性狀分別落于3 個扇區中。N1 區內不育小穗率指標值最高。N2 區內株高指標值最高。其中N3、N4 處理包含在N5 區域內，穗長度、旗葉寬、旗葉長、千粒重、穗粒重指標值最高。

圖1b 中單箭頭的橫軸代表各處理在所有性狀下的影響程度，軸上的小圓圈代表平均值，小圓圈箭頭方向表示影響程度，越向右影響程度越高。從圖1b 可知，N4 和N5 在箭頭的右測，均高于均值，其中N5 影響程度最高，隨后分別為N4、N3、N2、N1。縱軸代表各處理與各性狀相互作用的傾向性，處理越偏離平均軸越不穩定，而且具有負作用。其中N2處理最不穩定，N3、N4 處理影響作用則較穩定。

圖1c 中顯示性狀的區分力和代表性。GGE 雙標圖中農藝性狀向量間的夾角可以判斷農藝性狀間的相關性。從坐標原點到農藝性狀標志點的連線作為農藝性狀向量，以某一個農藝性狀向量為起始，順時針方向旋轉，其他農藝性狀向量與該線的夾角余弦值即為二者農藝性狀間的相關系數。農藝性狀向量與平均軸的角度是其對目標農藝性狀代表性的度量，代表性與角度呈負相關，代表性隨著角度變小而變強，隨著角度變大而變弱。向量的長度代表其區分力，向量長度越長，表明農藝性狀對各處理的表現具有較強的區分能力。由圖1c 可知，穗長度、旗葉寬、旗葉長、和穗粒重與平均環境軸的夾角較小，而且向量長度相對較長，表明對各處理差異的區分力和目標農藝性狀的代表性都較好，同時旗葉寬和穗粒重間存在較大的相關性。不育小穗率呈負相關。千粒重和株高具有較長的向量長度，表明對各施肥處理具有較高的區分力，而其夾角過大表明其代表性較弱。

圖1d 表示理想氮肥施用量的選擇，以最佳氮肥量為圓心做多層同心圓，根據與最佳氮肥量的接近程度，GGE 雙標圖對各處理的效應優劣進行排序。越靠近同心圓中心，則表示該處理結果越準確，反之亦然。從圖1d可知，N4靠近最小同心圓，說明其是綜合表現最好；N1、N2 距離同心圓較遠，表現相對較差。

圖1 試驗處理與農藝性狀GGE 雙標圖分析

3 小結與討論

氮素是小麥生長發育所必需的大量營養元素。調控小麥生長發育的多個過程，合理運用氮肥可以協調小麥產量與品質的關系［13］。惠曉麗等［14］研究發現，與不施氮相比，長期施氮小麥平均增產67.1%，生物量提高52.0%，收獲指數提高9.5%，穗數和穗粒數分別提高32.5% 和40.0%，千粒重下降7.1%。宮明波等［15］研究發現，隨施氮量的增加，葉綠素呈增長趨勢，但葉面積、地上干物質量、穗數、穗粒數及產量均呈先增后減的趨勢；蛋白質及濕面筋含量隨施氮量增加而提高，氮肥過量施用會產生鹽害，抑制小麥生長，導致減產。

GGE 雙標圖在國內外作物區試試驗中應用廣泛［16-18］，它可以將不同環境和因素及因素之間的關系以突變的形式直觀表現出來。本研究發現，處理間各農藝性狀差異均達到顯著性水平，而年份間差異均不顯著，小麥穗長度、旗葉寬、旗葉長、千粒重和穗粒重隨著氮肥量增加，整體均呈增長趨勢，但后期增長趨勢不明顯，其中千粒重在N4 和N5 處理間差異顯著。株高隨施氮量的增加呈先增加后降低趨勢，在N2 處理時達到最大。不育小穗率則隨施氮量的增加而降低，年份和處理互作中，僅穗長度達到顯著差異；利用GGE 雙標圖分析方法綜合評價出施肥量在N3 和N4 處理下，各個性狀的表現最為理想。影響小麥農藝性狀標的因素不僅有氮素，還有種植密度、播期、氣候等，這些方面需要做進一步研究。