2006-2021 年河南省棉花区域试验参试品种和新科棉系列品种的产量相关性状及其发展趋势分析

田守芳，朱保全，田芸溪，刘艳丽，刘桂珍，李军利，李中敏，胡晓强，陈曦，吴家静

（1. 河南省新乡市农业科学院，河南 新乡 453002；2. 河南工学院，河南 新乡 453000；3. 西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100；4. 河南省种子管理站，郑州 450046）

高产是当代棉花育种的主要目标。新中国成立以来，经过农业科技工作者的不懈努力，棉花品种的产量大幅提高取得质的突破。 与此同时，随着棉花用途和生产环境的变化，其他性状改良包括纤维品质优、抗逆性强、低酚等也逐渐发展为新的选育目标[1-2]。 黄河流域棉区作为我国三大棉区之一，近年来受生产效益、自然灾害等影响，棉花的种植面积逐年缩小[3]。 采取有效措施提高棉花产量对于提升该区域棉花生产能力，保证全国棉花产业可持续发展具有重要的意义[4]。 区域试验（区试）是棉花品种审定前对其性状进行评价的重要环节，参试品种的数据能够反映当时的育种水平，其性状表现可为棉花育种提供参考，同时其变化规律可以用于未来棉花产量及相关特征特性发展趋势的预测。

以2006—2021 年河南省棉花品种区试中春棉（简称为“河南省春棉区试品种”）的数据为依据，对参试品种的产量及其构成要素的表现进行分析；同时比较了新科棉系列品种[11-15]与同期（2006—2013年）参试品种农艺性状的差异，其中新科棉1 号、2号、3 号、5 号、6 号参加河南省棉花品种审定试验（区试＋生产试验） 的年份分别是2006—2008 年、2006—2008 年、2009—2011 年、2009—2011 年、2011—2013 年；并采用GM（1，1）灰色预测模型对2022—2031 年棉花产量及其构成因素的发展趋势进行预测，以期为今后河南省棉花新品种选育提供依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

GM（1，1）灰色预测数据来自2006—2021 年河南省春棉区试品种的数据， 参试品种共346 个，试验点次128 个。试验采用随机区组排列，重复3 次，每小区3～4 行，小区面积≥20 m2。 新科棉系列品种与同期参试品种的产量性状比较数据，为区域试验及生产试验数据。 纤维品质由农业农村部（原农业部）棉花品质监督检验测试中心测定，每个品种的皮棉产量、单株结铃数、铃重、衣分、单株果枝数等性状的测定均按照当年发布的河南省棉花品种区域试验实施方案进行。

1.2 数据分析

采用GM（1，1）灰色预测模型对参试品种的产量及主要产量构成性状的发展趋势进行预测。模型如下：

式中：t为预测值的序号；a为发展系数， 也称生成系数， 反映的是整个数据的发展态势；b为灰色作用量，反映的是数据的变化关系。

根据预测可行性要求，当长期预测（5～10 年的预测期）的相对误差不超过40%，中期预测（1～5年的预测期）的相对误差不超过20%时，模型可以接受[6]。采用后验差检验的方法检测模型精度等级，其中方差比C≤0.5，小误差概率P≥0.8 时，判定模型精度达到合格要求[7]。 计算过程均在Matlab 2019a中进行操作，参照朱辉[7]的方法推导GM（1，1）灰色预测模型。

2 结果与分析

2.1 2006—2021 年河南省春棉区试品种产量及构成性状的表现

根据2006—2021 年河南省春棉区试品种的产量相关性状和产量的变化折线图（图1～2），参试品种的单株果枝数在16 年间变化很小：在2006—2013 年的变化范围是13.0～13.9， 平均值为13.6；在2014—2021 年的变化范围是13.5～14.1， 平均值为13.9。 单株结铃数在2006—2013 年的变化范围是17.4～21.1，平均值为19.5；在2014—2021 年的变化范围是18.1～23.0， 平均值为20.5。 衣分在2006—2013 年的变化范围是39.0%～41.5%，平均值为40.2%； 在2014—2021 年的变化范围是39.7%～41.7%，平均值为40.6%。单株果枝数、单株结铃数在2014—2021 年的平均值较2006-2013年的平均值分别增加0.3、1.0，衣分平均增加0.4 百分点，但整体变化无规律可循（图1）。

铃重在2006—2013 年的变化范围是5.6～6.3 g，平均值为6.1 g； 在2014—2021 年的变化范围是6.2～6.5 g， 平均值为6.3 g （图1d）。 皮棉产量在2006—2013 年的变化范围是1 316.0～1 432.0 kg·hm-2，平均值为1 382.9 kg·hm-2；在2014—2021 年的变化范围是1 468.0～1 520.0 kg·hm-2，平均值为1 499.1 kg·hm-2（图2）。 铃重与皮棉产量2014—2021 年的平均值较2006—2013 年的平均值增加幅度不大，分别增加0.2 g、116.2 kg·hm-2，但整体处于上升趋势。

图1 2006—2021 年河南省春棉区试品种产量相关性状变化

图2 2006—2021 年河南省春棉区试品种皮棉产量变化

2.2 新科棉系列品种与同期参试品种的产量性状比较

从表1 可知，新科棉3 号、新科棉5 号、新科棉6 号的生育期分别比同期参试品种短1.4 d、0.2 d、0.4 d； 新科棉2 号的生育期与同期参试品种相当，新科棉1 号的生育期较同期参试品种长0.7 d。 新科棉系列品种的单株结铃数和皮棉产量均高于同期参试品种。 除新科棉5 号外，其他新科棉品种的衣分均高于同期参试品种。 新科棉1 号、2 号和6号的纤维上半部平均长度高于同期参试品种。除新科棉6 号外，其他新科棉品种的断裂比强度均高于同期参试品种。新科棉系列品种的马克隆值与同期参试品种相当或略低。 新科棉系列品种的铃重、单株果枝数与同期参试品种相比有高有低。通过以上分析可知， 新科棉系列品种属高产稳产型品种，且早熟性较好，单株结铃数和衣分偏高。

表1 新科棉系列品种农艺性状与同期参试品种比较

2.3 河南省春棉区试品种产量及其构成性状的发展趋势

2.3.1建立GM（1，1）灰色预测模型。 分别建立各指标性状的GM（1，1）灰色预测模型（表2）。由5 个性状的GM（1，1）模型可以看出，单株果枝数、单株结铃数、铃重、衣分、皮棉产量的发展系数a分别为-0.001 9、-0.001 7、-0.003 4、-0.000 2 和-0.008 5，均比较小，说明5 个模型可能具有较高精度[8]。2006—2021 年河南省春棉区试品种的4 个产量性状及皮棉产量汇总结果见表3。

表2 产量相关性状和皮棉产量的GM（1，1）灰色模型

表3 河南省春棉试验品种产量及其构成性状的实际值、预测值、残差和相对误差

2.3.2模型精度检验。为进一步证明模型的精度等级，采用后验差检验的方法对河南省春棉区试品种进行检验，结果见表4。 铃重和皮棉产量的预测模型的方差比C分别为0.439 0 和0.333 0，小误差概率P分别为0.875 和0.938。 根据模型精度划分标准，铃重和皮棉产量模型精度均达到合格。 虽然单株果枝数、单株结铃数和衣分3 个性状的模型相对误差均小于15%（表3），但是模型精度未达到合格标准（表4）。 综合以上结果，仅对河南省春棉区试品种铃重和皮棉产量发展趋势的预测结果进行分析。

表4 河南省春棉试验品种产量及构成性状的GM（1，1）模型精度检验

2.3.3河南省春棉区试品种铃重及皮棉产量的发展趋势预测。 应用上述GM（1，1）灰色预测模型对河南省春棉区试品种铃重及皮棉产量发展趋势的预测结果见图3。 可见，预测河南省春棉区试品种铃重在2022—2031 年呈上升趋势，到2031 年上升到6.64 g。 预测2022—2026 年河南省春棉区试品种铃重平均值是6.49 g， 比前16 年 （2006—2021年，下同）的平均铃重6.20 g 增加0.29 g，增幅为4.68%；预测2022—2031 年河南省春棉区试品种铃重平均值为6.54 g，比前16 年增加0.34 g，增幅为5.48%。

图3 2022—2031 年河南省春棉区试品种铃重变化趋势预测

如图4 所示，预测河南省春棉区试品种皮棉产量在2022—2031 年呈上升趋势， 且模型精度检验合格， 预测到2026 年皮棉产量达到1 604.8 kg·hm-2，到2031 年皮棉产量上升到1 674.9 kg·hm-2。2022—2026 年河南省春棉区试品种皮棉产量的预测平均值为1 577.7 kg·hm-2， 比前16 年的平均值1 441.0 kg·hm-2增加136.7 kg·hm-2， 增产9.49%；2022—2031 年皮棉产量预测平均值为1 612.2 kg·hm-2，比前16 年的平均值增加171.2 kg·hm-2，增产11.88%。

图4 2022—2031 年河南省春棉区试品种产量变化趋势预测

3 讨论与结论

3.1 河南省春棉区试品种2006—2021 年产量及其构成因素状况

通过对2006—2021 年河南省春棉区试品种产量及其构成因素分析可知： 单株果枝数在13.0 与14.1 之间波动， 极差为1.1； 单株结铃数在17.4～23.0 之间变化，变化幅度较大，极差为5.6，这可能是因为结铃数受栽培管理及气象因素影响较大[9]；衣分在39.0%～41.7%之间波动， 极差为2.7 百分点；铃重变化范围是5.6～6.5 g，极差为0.9 g；皮棉产量在1 316.0～1 520.0 kg·hm-2，极差为204.0 kg·hm-2。 单株果枝数、单株结铃数、衣分3 个性状在16 年内的变化均无明显规律； 铃重与皮棉产量在16 年内变化不大，但整体处于上升趋势。 这与刘桂珍等[10]分析的1985—2019 年河南省审定的棉花品种性状变化特点一致。

3.2 新科棉系列品种与同期参试品种比较及河南省春棉参试品种未来10 年发展趋势预测

通过对新科棉系列品种与同期河南省春棉区试品种比较发现，新科棉系列品种属高产、稳产型品种，早熟性较好，单株结铃数和衣分偏高，铃重、单株果枝数、纤维品质等农艺性状无明显优势。

应用上述GM （1，1） 灰色预测模型对2022—2031 年河南省春棉区试品种产量及其构成性状的发展趋势预测，基于目前的选育手段和目标，河南省春棉区试品种在未来10 年间铃重、 皮棉产量整体呈上升趋势。但棉花的产量及其构成性状增减变化均较小，若要在棉花新品种选育方面取得质的突破，应探索新的技术手段。 全基因组测序为分子设计育种奠定基础， 随着棉花基因组测序的完成，通过在全基因组水平上对纤维品质、产量等相关基因和分子标记的挖掘， 可以实现规模化克隆产量、品质性状相关基因，结合棉花基因芯片技术在棉花育种和种质资源鉴定中的广泛应用以及不断完善的棉花功能基因鉴定体系，最终同步改良产量、纤维品质、早熟等性状，选育出适合当地生态气候环境以及适宜机械化生产的新品种[1-2]。