主成分分析及灰色關聯度分析綜合評價棉花產量與品質

逯 濤,曾慶濤,張 文,王文博,王政洋,楊 芮,孫玉巖

(1.新疆生產建設兵團第七師農業科學研究所,新疆奎屯 833200;2.新疆生產建設兵團第農七師農業技術推廣站,新疆奎屯 833200)

0 引 言

【研究意義】2019年新疆棉花總產量已占全國的84.9%[1],新疆兵團棉花生產水平和質量較優[2]。篩選出適宜七師棉區種植的高產優質棉花品種,對第七師棉花整體提質增效和棉花產業高發展有重要意義。【前人研究進展】鄧艷鳳等[3]通過變異、相關性、主成分和聚類分析等分析方法對長江流域種植的57份棉花新品系進行綜合評價,篩選出早熟高產優質棉材料5份、早熟高產棉材料7份、早熟優質棉材料11 份。石有太等[4]應用相關分析的方法確定抗旱指標,并根據直接抗旱鑒定法與綜合抗旱評價法篩選出抗旱品種2個,不抗旱品種5個。李吉琴[5]應用主成分分析法對2012年兵團區試棉花品種進行比較,篩選出產量和品質性狀最優的3個區試棉花是天云0769、天云雜1號和新陸早38號優系。楊秀等[6]利用主成分、聚類和相關性分析方法對22份材料的12個主要性狀進行綜合評價分析,篩選出高產優質材料2份,高產材料3份,優質材料2份,早熟材料1份。陳榮江等[7]利用主成分分析法對參加河南省春棉品種2003年區域試驗的13個棉花新品種進行綜合評價,排名前3位的品種依次為同舟棉2號、百棉1號和錦科791。戴茂華等[8]對30份材料的12個主要性狀進行變異性、相關性和聚類分析,推薦5個代表性品種:冀豐106、GK99-1、農大棉9號、快育66和邯102。楊利勇等[9]利用相關性及主成分分析法對北疆主推的14個雜交棉品種的17個性狀進行分析,發現金墾雜1064、七雜5號、新陸早43號的綜合表現較好。尹會會等[10]通過聚類分析和主成分分析法對134份國外棉花種質材料進行評價,篩選出美1870、美1884、FM1830等14份品質與產量俱佳的優異種質。王天友等[11]對新疆南疆90份陸地棉種質資源的16個表型性狀進行分析,發現陸地棉品質性狀與產量性狀表現為負相關,通過聚類分析將其分為4個類群,且各類群間差異較大,可以篩選不同特性的種質材料。李慧琴等[12]對270份陸地棉的12個性狀進行遺傳多樣性、相關性、主成分與聚類分析,發現該批棉花種質資源具有豐富的遺傳多樣性,且各性狀間存在復雜的相關關系,主成分分析顯示第1主成分主要與纖維品質有關,第2主成分主要與結鈴數、第一果枝長度有關,第3主成分主要與果枝數有關,第4主成分主要與第一果枝節位有關。焦藝等[13]通過相關性、主成分、聚類、層次分析及灰色關聯度法,綜合評價出制汁品質較好的品種有瑞光51號、瑞光29號、瑞光18號,而意大利5號制汁品質最差。【本研究切入點】針對新疆北疆陸地棉產量品質性狀的綜合分析的研究報道還很少。需研究主成分分析及灰色關聯度分析綜合評價棉花產量與品質。【擬解決的關鍵問題】以兵團第七師種植面積較多的19個棉花品種為材料,利用相關性分析、主成分分析和灰色關聯度法等方法,研究其農藝性狀、產量及品質特性,篩選出適宜棉區種植的高產優質棉花品種(系),為棉花品種推廣和相應、配套栽培技術提供現代依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2020年在兵團第七師125團進行,試驗地土壤肥力中等,地勢平坦、地力均勻、排灌方便。

選取第七師棉區種植面積較多的19個棉花品種(系)為供試材料,分別為中棉所88、中棉所92、中棉所99、中棉所109、中棉所113、中棉201、新陸早71號、新陸早76號、新陸早77號、新陸早84號、Z1112、Z1146、K07-12、金科20、金科21、莊稼漢902、天云0769、創棉508、NH12026。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

19份供試材料均于4月19日播種,種植密度為162 000株/hm2,采用隨機區組設計,每個供試材料3次重復,每小區面積1 000 m2,共57個小區,田間管理方法與當地大田管理方式相同。

1.2.2 性狀調查

棉花成鈴后期,在各小區選取長勢均勻的連續10株棉株調查株高、果枝數、始果節位、始果節高、單株結鈴數;吐絮后期各小區收取中部鈴20個,室內軋花考種單鈴重、衣分;考種結束后,分別取各材料的皮棉10～12 g檢測棉花纖維品質:纖維長度、斷裂比強度、馬克隆值、整齊度指數、伸長率、短纖維指數;實收小區籽棉產量折算產量。

1.3 數據處理

利用Excel 2003進行數據基本整理,采用DPS V7.05計算各性狀的平均值、標準差和變異系數,并進行各性狀間的主成分分析和灰色關聯度分析[13-14]。

2 結果與分析

2.1 19份供試材料的主要農藝性狀、產量和品質性狀的變異

研究表明,供試材料在 14個農藝性狀上均表現較大差異,株高變異系數最大,為15.08%,始果節高的變異系數次之,為13.15%。不同棉花品種(系)之間差異很大,各農藝性狀在不同品種之間存在多樣性。表1

表1 供試材料主要農藝性狀、產量和品質性狀的變異

2.2 供試材料各性狀間的相關性

研究表明,株高與始果節高、果枝數、籽棉產量、伸長率呈顯著或極顯著正相關關系;果枝數與衣分呈顯著負相關關系;籽棉產量與株高、始果節高、單株結鈴數、單鈴重呈顯著或極顯著正相關關系;單鈴重與纖維長度呈顯著負相關關系,與短纖維指數呈顯著正相關關系;籽棉產量與短纖維指數呈顯著正相關關系;纖維長度與斷裂比強度呈極顯著正相關關系,與馬克隆值呈顯著負相關關系;斷裂比強度與整齊度指數呈顯著正相關關系,與馬克隆值呈顯著負相關關系。表2

表2 供試材料各性狀間的相關性

2.3 14個產量及品質性狀數據標準化后主成分

研究表明,獲得 14階遺傳相關矩陣及其特征值和特征向量 。前6個主成分累計貢獻率達到86.289 4%,基本上可以反映大部分遺傳差異信息。

第一主成分的特征值為3.823 1,貢獻率為27.307 7%,株高、果枝數、始果節高、伸長率具有正向較大特征向量值;第二主成分的特征值為3.437 4,貢獻率為24.552 8%,單鈴重、籽棉產量、短纖維指數具有正向較大特征向量值,纖維長度、斷裂比強度具有負向較大特征向量值;第三主成分的特征值為1.586 6,貢獻率為11.332 8%,單鈴重、整齊度指數、伸長率具有正向較大特征向量值,果枝數、單株結鈴數具有負向較大特征向量值;第四主成分的特征值為1.166 4,貢獻率為8.331 6%,馬克隆值具有正向較大的特征向量值,單株結鈴數、衣分具有負向較大特征向量值;第五主成分的特征值為1.071 2,貢獻率為7.651 7%,始果節位、衣分、短纖維指數具有正向較大特征向量值,馬克隆值具有負向較大特征向量值;第六主成分的特征值為0.995 8,貢獻率為7.112 6%,始果節位、整齊度指數具有正向較大特征向量值,短纖維指數具有負向較大特征向量值。表3

表3 19份供試材料主成分分析的特征向量及貢獻率

以F1表示第1主成分、F2表示第2主成分、F3表示第3主成分、F4表示第4主成分、F5表示第5主成分、F6表示第6主成分,以特征向量為權重,結合標準化處理后的數據,得到6個主成分的函數式:

F1=-0.443 0X1+0.319 0X2+0.128 0X3+0.430 4X4+0.141 8X5+0.119 9X6-0.251 3X7+0.229 4X8+0.155 9X9+0.249 0X10-0.244 4X11+0.288 5X12+0.346 1X13+0.033 4X14

F2=0.139 6X1+0.109 8X2-0.017 4X3+0.178 7X4+0.216 2X5+0.370 8X6-0.032 8X7+0.400 7X8-0.367 7X9-0.249 8X10+0.257 8X11-0.349 9X12-0.221 0X13+0.393 7X14

F3=0.107 1X1-0.302 6X2-0.167 3X3+0.044 6X4-0.460 6X5+0.421 5X6+0.261 9X7-0.069 9X8-0.259 2X9+0.404 6X10+0.209 7X11+0.060 9X12+0.341 6X13+0.090 9X14

F4=-0.107 1X1+0.268 0X2+0.138 9X3-0.128 3X4-0.467 2X5+0.096 2X6-0.481 3X7-0.111 8X8+0.216 4X9-0.190 4X10+0.413 1X11+0.263 0X12-0.035 3X13+0.291 9X14

F5=-0.042 4X1-0.241 2X2+0.418 9X3+0.153 7X4-0.283 2X5-0.099 0X6+0.408 7X7+0.178 8X8+0.202 0X9-0.295 4X10-0.336 6X11+0.093 1X12+0.022 0X13+0.448 7X14

F6=-0.136 4X1-0.044 3X2+0.806 9X3-0.135 4X4-0+0.054 5X5+0.131 5X6-0.033 5X7+0.177 8X8-0.060 7X9+0.316 8X10+0.196 1X11-0.132 9X12-0.046 2X13-0.307 7X14

以各主成分所對應的方差貢獻率作為權重,根據主成分得分和對應的權重線性加權求和得到主成分的綜合得分模型:

F=0.273F1+0.246F2+0.113F3+0.083F4+0.077F5+0.071F6

綜合排名前4位的棉花品種(系)依次為K07-12、中棉所92、Z1112和中棉113。表4

表4 供試材料的各主成分得分、綜合得分及優良排序

2.4 灰色關聯度

2.4.1 供試材料與理想品種14個性狀的平均值

研究表明,株高接近理想品種的有天云0769、中棉所88,果枝數接近理想品種的有中棉所92、中棉所109,始果節位接近理想品種的有中棉所113、新陸早76號、Z1146、新陸早71號,始果節高接近理想品種的有中棉所113、天云0769、中棉所92,單株結鈴數接近理想品種的有新陸早77號、K07-12,單鈴重接近理想品種的有K07-12、中棉所99,衣分接近理想品種的有新陸早71號、中棉所113,籽棉產量接近理想品種的有K07-12、Z1112,纖維長度接近理想品種的有中棉所92、中棉所109,整齊度指數接近理想品種的有中棉所109、中棉所88,馬克隆值接近理想品種的有Z1146,斷裂比強度接近理想品種的有中棉所109、天云0769,伸長率接近理想品種的有中棉所109、Z1112,短纖維指數接近理想品種的有Z1146、新陸早77號。表5

2.4.2 灰色關聯度

加權關聯度較大的材料有K07-12、Z1112、中棉所92和中棉所113,加權關聯度較小的有NH12026、中棉201、金科20、創棉508,表現較好的供試材料依次為K07-12、Z1112、中棉所92和中棉所113。表6,表7

表7 供試材料的綜合評價及排序

3 討 論

3.1 供試材料各性狀間的變異

鄧艷鳳等[3]對57份材料的12個性狀進行變異分析,發現該批材料的變異系數均較大,有5個性狀的變異系數大于10%。高進等[15]對江蘇省2013～2014年14個早熟棉區試品種的早熟性、產量及纖維品質等19個性狀進行變異分析,發現有7個性狀的變異系數大于10%,其中早熟性狀以霜前花率變異系數最大,產量性狀以總鈴數最大,纖維品質以馬克隆值最大。董承光等[16]連續2年對84份陸地棉品種的14個表型性狀進行分析,結果顯示該批材料的主要性狀變異豐富,特別是籽棉產量、鈴數、始節高等性狀具有較大的變異系數。研究結果表明,供試材料在 14個農藝性狀上均表現較大差異,有3個性狀的變異系數大于10%,其中株高變異系數最大,為15.08%,始果節高的變異系數次之,為13.15%,不同棉花品種(系)之間差異很大,各農藝性狀在不同品種之間存在多樣性。

3.2 供試材料各性狀間的相關性

棉花各性狀間關系復雜,其相關性的正負及具體數值的大小準確地反映了各性狀間對提高產量及纖維品質的影響[17]。齊海坤等[18]對機采棉雜交后代主要株型性狀與產量和品質關系的研究發現,株高、單株果枝數和單位面積產量有極顯著正相關關系,而單株果枝數又與絨長、斷裂比強度呈負相關關系,與馬克隆值呈正相關關系,單位面積鈴數與絨長、斷裂比強度呈正相關關系,與馬克隆值呈負相關關系,表明株型性狀與產量和品質間存在不可協調的復雜關系,彼此間既有促進作用,也有一定的抑制作用。李慧琴等[12]研究發現株高與整齊度指數、伸長率呈極顯著正相關,單鈴重與斷裂比強度、馬克隆值呈極顯著正相關,表明棉花株型性狀和產量性狀對纖維品質有很大影響。劉昌文等[19]研究認為棉花生育期與籽棉產量、皮棉產量及霜前花皮棉產量均呈極顯著負相關,單鈴重、籽指同生育期呈顯著或極顯著正相關,與產量性狀呈負相關,衣分與生育期呈顯著負相關,同棉花產量呈極顯著正相關。研究結果表明,株高與始果節高、果枝數、籽棉產量、伸長率呈顯著或極顯著正相關關系;果枝數與衣分呈顯著負相關關系;籽棉產量與株高、始果節高、單株結鈴數、單鈴重呈顯著或極顯著正相關關系;單鈴重與纖維長度呈顯著負相關關系,與短纖維指數呈顯著正相關關系;籽棉產量與短纖維指數呈顯著正相關關系;纖維長度與斷裂比強度呈極顯著正相關關系,與馬克隆值呈顯著負相關關系;斷裂比強度與整齊度指數呈顯著正相關關系,與馬克隆值呈顯著負相關關系。與上述學者的研究結果并不完全一致,可能是選用的試驗材料、試驗地點及管理水平等差異的原因。

3.3 供試材料的主成分

主成分分析是將原始的多個變量通過線性變換以選出較少個數重要變量的一種多元統計分析方法。目前已在水稻[20]、玉米[21]、小麥[22]等作物方面開展了研究。研究通過對19份材料的12個性狀進行主成分分析后,簡化為6個主成分,累計貢獻率達到86.289 4%,基本上包含了14個性狀的絕大部分信息。根據主成分分析主因子綜合得分,19份棉花品種(系)綜合排名前4位的依次為K07-12、中棉所92、Z1112和中棉所113。李飛等[23]以172份陸地棉骨干品種為材料,對棉花19個性狀進行了主成分分析,19個性狀可簡化為彼此不相關的5個主成分,且這5個主成分累計貢獻率達到80.253%,其中第2主成分得分值高的材料生育期短、產量高。李武等[24]選取102 個黃河流域棉花品種作為材料,對9 個農藝性狀進行主成分分析,通過主成分分析將9 個農藝性狀簡化為彼此互不相關的5 個主成分,即第一果枝節位因子、果枝數因子、籽指因子、單鈴質量因子、生育期因子,其累計貢獻率達88.34%。

3.4 供試材料的灰色關聯度

劉翔宇等[25]通過主成分分析與灰色關聯度分析對10份長絨棉新品系進行評價,認為CRM-8、CRM-6、CRM-3和CRM-1排名靠前,有較為廣闊的推廣前景。李吉琴[26]采用灰色關聯度法對2010年第八師棉花品種展示的9個品種(系)進行綜合分析,早42的綜合表現最好,其次是早46和石雜3F2,天云雜F2綜合表現最差。龔平等[13]通過灰色關聯度法篩選出棉花品種貝爾斯諾、A2、9513、205和冀668表現較好。研究通過灰色關聯度法對供試材料的14個性狀進行綜合分析,表現較好的供試材料依次為K07-12、中棉所92、Z1112和中棉所113,與主成分分析的結果基本一致。

4 結 論

不同棉花品種(系)之間差異很大,各農藝性狀在不同品種之間存在多樣性,且表現為較復雜的相關關系,K07-12、Z1112、中棉所92和中棉所113四個棉花品種(系)表現較好,因此推薦品種K07-12、中棉所92、Z1112和中棉所113在第七師棉區種植和推廣。