主成分分析及灰色关联度分析综合评价棉花产量与品质

2023-06-20曾庆涛王文博王政洋孙玉岩

新疆农业科学 2023年5期

逯涛,曾庆涛,张文,王文博,王政洋,杨芮,孙玉岩

(1.新疆生产建设兵团第七师农业科学研究所,新疆奎屯 833200;2.新疆生产建设兵团第农七师农业技术推广站,新疆奎屯 833200)

0 引言

【研究意义】2019年新疆棉花总产量已占全国的84.9%[1],新疆兵团棉花生产水平和质量较优[2]。筛选出适宜七师棉区种植的高产优质棉花品种,对第七师棉花整体提质增效和棉花产业高发展有重要意义。【前人研究进展】邓艳凤等[3]通过变异、相关性、主成分和聚类分析等分析方法对长江流域种植的57份棉花新品系进行综合评价,筛选出早熟高产优质棉材料5份、早熟高产棉材料7份、早熟优质棉材料11 份。石有太等[4]应用相关分析的方法确定抗旱指标,并根据直接抗旱鉴定法与综合抗旱评价法筛选出抗旱品种2个,不抗旱品种5个。李吉琴[5]应用主成分分析法对2012年兵团区试棉花品种进行比较,筛选出产量和品质性状最优的3个区试棉花是天云0769、天云杂1号和新陆早38号优系。杨秀等[6]利用主成分、聚类和相关性分析方法对22份材料的12个主要性状进行综合评价分析,筛选出高产优质材料2份,高产材料3份,优质材料2份,早熟材料1份。陈荣江等[7]利用主成分分析法对参加河南省春棉品种2003年区域试验的13个棉花新品种进行综合评价,排名前3位的品种依次为同舟棉2号、百棉1号和锦科791。戴茂华等[8]对30份材料的12个主要性状进行变异性、相关性和聚类分析,推荐5个代表性品种:冀丰106、GK99-1、农大棉9号、快育66和邯102。杨利勇等[9]利用相关性及主成分分析法对北疆主推的14个杂交棉品种的17个性状进行分析,发现金垦杂1064、七杂5号、新陆早43号的综合表现较好。尹会会等[10]通过聚类分析和主成分分析法对134份国外棉花种质材料进行评价,筛选出美1870、美1884、FM1830等14份品质与产量俱佳的优异种质。王天友等[11]对新疆南疆90份陆地棉种质资源的16个表型性状进行分析,发现陆地棉品质性状与产量性状表现为负相关,通过聚类分析将其分为4个类群,且各类群间差异较大,可以筛选不同特性的种质材料。李慧琴等[12]对270份陆地棉的12个性状进行遗传多样性、相关性、主成分与聚类分析,发现该批棉花种质资源具有丰富的遗传多样性,且各性状间存在复杂的相关关系,主成分分析显示第1主成分主要与纤维品质有关,第2主成分主要与结铃数、第一果枝长度有关,第3主成分主要与果枝数有关,第4主成分主要与第一果枝节位有关。焦艺等[13]通过相关性、主成分、聚类、层次分析及灰色关联度法,综合评价出制汁品质较好的品种有瑞光51号、瑞光29号、瑞光18号,而意大利5号制汁品质最差。【本研究切入点】针对新疆北疆陆地棉产量品质性状的综合分析的研究报道还很少。需研究主成分分析及灰色关联度分析综合评价棉花产量与品质。【拟解决的关键问题】以兵团第七师种植面积较多的19个棉花品种为材料,利用相关性分析、主成分分析和灰色关联度法等方法,研究其农艺性状、产量及品质特性,筛选出适宜棉区种植的高产优质棉花品种(系),为棉花品种推广和相应、配套栽培技术提供现代依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2020年在兵团第七师125团进行,试验地土壤肥力中等,地势平坦、地力均匀、排灌方便。

选取第七师棉区种植面积较多的19个棉花品种(系)为供试材料,分别为中棉所88、中棉所92、中棉所99、中棉所109、中棉所113、中棉201、新陆早71号、新陆早76号、新陆早77号、新陆早84号、Z1112、Z1146、K07-12、金科20、金科21、庄稼汉902、天云0769、创棉508、NH12026。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

19份供试材料均于4月19日播种,种植密度为162 000株/hm2,采用随机区组设计,每个供试材料3次重复,每小区面积1 000 m2,共57个小区,田间管理方法与当地大田管理方式相同。

1.2.2 性状调查

棉花成铃后期,在各小区选取长势均匀的连续10株棉株调查株高、果枝数、始果节位、始果节高、单株结铃数;吐絮后期各小区收取中部铃20个,室内轧花考种单铃重、衣分;考种结束后,分别取各材料的皮棉10～12 g检测棉花纤维品质:纤维长度、断裂比强度、马克隆值、整齐度指数、伸长率、短纤维指数;实收小区籽棉产量折算产量。

1.3 数据处理

利用Excel 2003进行数据基本整理,采用DPS V7.05计算各性状的平均值、标准差和变异系数,并进行各性状间的主成分分析和灰色关联度分析[13-14]。

2 结果与分析

2.1 19份供试材料的主要农艺性状、产量和品质性状的变异

研究表明,供试材料在 14个农艺性状上均表现较大差异,株高变异系数最大,为15.08%,始果节高的变异系数次之,为13.15%。不同棉花品种(系)之间差异很大,各农艺性状在不同品种之间存在多样性。表1

表1 供试材料主要农艺性状、产量和品质性状的变异

2.2 供试材料各性状间的相关性

研究表明,株高与始果节高、果枝数、籽棉产量、伸长率呈显著或极显著正相关关系;果枝数与衣分呈显著负相关关系;籽棉产量与株高、始果节高、单株结铃数、单铃重呈显著或极显著正相关关系;单铃重与纤维长度呈显著负相关关系,与短纤维指数呈显著正相关关系;籽棉产量与短纤维指数呈显著正相关关系;纤维长度与断裂比强度呈极显著正相关关系,与马克隆值呈显著负相关关系;断裂比强度与整齐度指数呈显著正相关关系,与马克隆值呈显著负相关关系。表2

表2 供试材料各性状间的相关性

2.3 14个产量及品质性状数据标准化后主成分

研究表明,获得 14阶遗传相关矩阵及其特征值和特征向量。前6个主成分累计贡献率达到86.289 4%,基本上可以反映大部分遗传差异信息。

第一主成分的特征值为3.823 1,贡献率为27.307 7%,株高、果枝数、始果节高、伸长率具有正向较大特征向量值;第二主成分的特征值为3.437 4,贡献率为24.552 8%,单铃重、籽棉产量、短纤维指数具有正向较大特征向量值,纤维长度、断裂比强度具有负向较大特征向量值;第三主成分的特征值为1.586 6,贡献率为11.332 8%,单铃重、整齐度指数、伸长率具有正向较大特征向量值,果枝数、单株结铃数具有负向较大特征向量值;第四主成分的特征值为1.166 4,贡献率为8.331 6%,马克隆值具有正向较大的特征向量值,单株结铃数、衣分具有负向较大特征向量值;第五主成分的特征值为1.071 2,贡献率为7.651 7%,始果节位、衣分、短纤维指数具有正向较大特征向量值,马克隆值具有负向较大特征向量值;第六主成分的特征值为0.995 8,贡献率为7.112 6%,始果节位、整齐度指数具有正向较大特征向量值,短纤维指数具有负向较大特征向量值。表3

表3 19份供试材料主成分分析的特征向量及贡献率

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,以特征向量为权重,结合标准化处理后的数据,得到6个主成分的函数式:

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

以各主成分所对应的方差贡献率作为权重,根据主成分得分和对应的权重线性加权求和得到主成分的综合得分模型:

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

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

表4 供试材料的各主成分得分、综合得分及优良排序

2.4 灰色关联度

2.4.1 供试材料与理想品种14个性状的平均值

研究表明,株高接近理想品种的有天云0769、中棉所88,果枝数接近理想品种的有中棉所92、中棉所109,始果节位接近理想品种的有中棉所113、新陆早76号、Z1146、新陆早71号,始果节高接近理想品种的有中棉所113、天云0769、中棉所92,单株结铃数接近理想品种的有新陆早77号、K07-12,单铃重接近理想品种的有K07-12、中棉所99,衣分接近理想品种的有新陆早71号、中棉所113,籽棉产量接近理想品种的有K07-12、Z1112,纤维长度接近理想品种的有中棉所92、中棉所109,整齐度指数接近理想品种的有中棉所109、中棉所88,马克隆值接近理想品种的有Z1146,断裂比强度接近理想品种的有中棉所109、天云0769,伸长率接近理想品种的有中棉所109、Z1112,短纤维指数接近理想品种的有Z1146、新陆早77号。表5

2.4.2 灰色关联度

加权关联度较大的材料有K07-12、Z1112、中棉所92和中棉所113,加权关联度较小的有NH12026、中棉201、金科20、创棉508,表现较好的供试材料依次为K07-12、Z1112、中棉所92和中棉所113。表6,表7

表7 供试材料的综合评价及排序

3 讨论

3.1 供试材料各性状间的变异

邓艳凤等[3]对57份材料的12个性状进行变异分析,发现该批材料的变异系数均较大,有5个性状的变异系数大于10%。高进等[15]对江苏省2013～2014年14个早熟棉区试品种的早熟性、产量及纤维品质等19个性状进行变异分析,发现有7个性状的变异系数大于10%,其中早熟性状以霜前花率变异系数最大,产量性状以总铃数最大,纤维品质以马克隆值最大。董承光等[16]连续2年对84份陆地棉品种的14个表型性状进行分析,结果显示该批材料的主要性状变异丰富,特别是籽棉产量、铃数、始节高等性状具有较大的变异系数。研究结果表明,供试材料在 14个农艺性状上均表现较大差异,有3个性状的变异系数大于10%,其中株高变异系数最大,为15.08%,始果节高的变异系数次之,为13.15%,不同棉花品种(系)之间差异很大,各农艺性状在不同品种之间存在多样性。

3.2 供试材料各性状间的相关性

棉花各性状间关系复杂,其相关性的正负及具体数值的大小准确地反映了各性状间对提高产量及纤维品质的影响[17]。齐海坤等[18]对机采棉杂交后代主要株型性状与产量和品质关系的研究发现,株高、单株果枝数和单位面积产量有极显著正相关关系,而单株果枝数又与绒长、断裂比强度呈负相关关系,与马克隆值呈正相关关系,单位面积铃数与绒长、断裂比强度呈正相关关系,与马克隆值呈负相关关系,表明株型性状与产量和品质间存在不可协调的复杂关系,彼此间既有促进作用,也有一定的抑制作用。李慧琴等[12]研究发现株高与整齐度指数、伸长率呈极显著正相关,单铃重与断裂比强度、马克隆值呈极显著正相关,表明棉花株型性状和产量性状对纤维品质有很大影响。刘昌文等[19]研究认为棉花生育期与籽棉产量、皮棉产量及霜前花皮棉产量均呈极显著负相关,单铃重、籽指同生育期呈显著或极显著正相关,与产量性状呈负相关,衣分与生育期呈显著负相关,同棉花产量呈极显著正相关。研究结果表明,株高与始果节高、果枝数、籽棉产量、伸长率呈显著或极显著正相关关系;果枝数与衣分呈显著负相关关系;籽棉产量与株高、始果节高、单株结铃数、单铃重呈显著或极显著正相关关系;单铃重与纤维长度呈显著负相关关系,与短纤维指数呈显著正相关关系;籽棉产量与短纤维指数呈显著正相关关系;纤维长度与断裂比强度呈极显著正相关关系,与马克隆值呈显著负相关关系;断裂比强度与整齐度指数呈显著正相关关系,与马克隆值呈显著负相关关系。与上述学者的研究结果并不完全一致,可能是选用的试验材料、试验地点及管理水平等差异的原因。

3.3 供试材料的主成分

主成分分析是将原始的多个变量通过线性变换以选出较少个数重要变量的一种多元统计分析方法。目前已在水稻[20]、玉米[21]、小麦[22]等作物方面开展了研究。研究通过对19份材料的12个性状进行主成分分析后,简化为6个主成分,累计贡献率达到86.289 4%,基本上包含了14个性状的绝大部分信息。根据主成分分析主因子综合得分,19份棉花品种(系)综合排名前4位的依次为K07-12、中棉所92、Z1112和中棉所113。李飞等[23]以172份陆地棉骨干品种为材料,对棉花19个性状进行了主成分分析,19个性状可简化为彼此不相关的5个主成分,且这5个主成分累计贡献率达到80.253%,其中第2主成分得分值高的材料生育期短、产量高。李武等[24]选取102 个黄河流域棉花品种作为材料,对9 个农艺性状进行主成分分析,通过主成分分析将9 个农艺性状简化为彼此互不相关的5 个主成分,即第一果枝节位因子、果枝数因子、籽指因子、单铃质量因子、生育期因子,其累计贡献率达88.34%。

3.4 供试材料的灰色关联度

刘翔宇等[25]通过主成分分析与灰色关联度分析对10份长绒棉新品系进行评价,认为CRM-8、CRM-6、CRM-3和CRM-1排名靠前,有较为广阔的推广前景。李吉琴[26]采用灰色关联度法对2010年第八师棉花品种展示的9个品种(系)进行综合分析,早42的综合表现最好,其次是早46和石杂3F2,天云杂F2综合表现最差。龚平等[13]通过灰色关联度法筛选出棉花品种贝尔斯诺、A2、9513、205和冀668表现较好。研究通过灰色关联度法对供试材料的14个性状进行综合分析,表现较好的供试材料依次为K07-12、中棉所92、Z1112和中棉所113,与主成分分析的结果基本一致。