劉翔宇,婁善偉，王瑞華，張鵬忠，巴哈爾古麗·先木西，彭 華，任紅松

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院吐魯番農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆吐魯番 838000；2.國家棉花工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】棉花是新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)[1]，哈密瓜是新疆傳統(tǒng)的名優(yōu)特產(chǎn)[2]。發(fā)展多熟立體種植模式，可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增效，化肥、農(nóng)藥減量和節(jié)省水資源的目的[3]。目前，以匍匐生長的西甜瓜與立生的棉花互補搭配，構(gòu)建套作群體，在生產(chǎn)上已有較大面積應(yīng)用，但瓜棉套作模式，對棉花品種的形態(tài)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)量結(jié)構(gòu)和生長發(fā)育進程等要求與棉花單作有著較大差別。在瓜棉套作模式下，開展棉花品種的評價、篩選對發(fā)展立體種植模式和節(jié)本增效具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】近年來，國內(nèi)外有瓜棉套作的栽培技術(shù)[1-4]、化肥和農(nóng)藥減施[5，6]、節(jié)水灌溉[7，8]、提高農(nóng)民收益等[9，10]等研究，同時我國新疆在棉花育種[11，12]、栽培[13]和機械化等[14-16]有研究成果。艾尼江[17]研究了新疆棉花的產(chǎn)量、品質(zhì)、早熟性等遺傳性狀的QTL定位、遺傳性與早熟性相關(guān)的灰色關(guān)聯(lián)分析和新疆不同植棉區(qū)棉花品種早熟性的遺傳多樣性；劉鵬鵬等[18]采用隸屬函數(shù)與綜合抗旱系數(shù)結(jié)合的方法，對眾多棉花品種在新疆的生態(tài)適應(yīng)性進行了抗旱性評價；劉翔宇等[19]在新疆季節(jié)性水分匱乏條件下，自國內(nèi)外引進126份優(yōu)異陸地棉種質(zhì)資源，從棉花的形態(tài)指標、產(chǎn)量指標和品質(zhì)指標進行了分類、評價、篩選?！颈狙芯壳腥朦c】新疆棉花育種研究[20-22]指出區(qū)域試驗確定一個棉區(qū)的主栽品種時，要綜合考慮棉花的各方面指標，不能隨意擬定評價標準。不能片面追求產(chǎn)量、衣分，要綜合考慮棉花的形態(tài)指標、產(chǎn)量指標、品質(zhì)指標等綜合指標。研究篩選適宜瓜棉套作模式的陸地棉品種，評價套作棉花的形態(tài)和產(chǎn)量。【擬解決的關(guān)鍵問題】應(yīng)用主成分分析、聚類分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析等多元分析方法，分析瓜棉套作模式下棉花的形態(tài)指標和產(chǎn)量指標，評價套作棉花的形態(tài)和產(chǎn)量，為瓜棉套作模式下棉花品種篩選提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2018～2019年在新疆農(nóng)科院吐魯番農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所東坎試驗基地完成?；販貛Ц珊祷哪畾夂颍稍锷儆?，年平均降水量16.4 mm，蒸發(fā)量3 000 mm以上，日照充足，晝夜溫差大，年有效活動積溫5 300℃以上，無霜期270 d。

供試14個陸地棉品種，來源不同、具有不同生物學(xué)特征，且在國內(nèi)具有一定代表性或主栽的陸地棉品種。

哈密瓜品種(1個)：西州蜜25號。

棉花品種(14個)及代號：中棉49號(A1)、中棉63號(A2)、中棉66號(A3)、中棉79號(A4)、新陸中40號(A5)、新陸中49號(A6)、新陸中51號(A7)、新陸中56號(A8)、陸地棉系1號(A9)、陸地棉系2號(A10)、興農(nóng)6號(A11)、興農(nóng)7號(A12)、銀康1號(A13)和岱字-80(CK)。瓜株行距為4．5 m×0．45 m，機器鋪地膜。表1

1.2 方 法

隨機區(qū)組設(shè)計，重復(fù)3次，每重復(fù)3行，行長5 m，重復(fù)間留走道0.5 m,試驗地面積450 m2。

2018～2019年，均于3月15日地膜上移栽哈密瓜幼苗，拱棚覆蓋；20 d后在拱棚內(nèi)點播棉花：瓜苗間點播4穴，每穴2株，瓜畦中間再點播與瓜苗間相同數(shù)量的棉花。2018年6月21日、2019年6月21日收獲哈密瓜，瓜收獲完畢后，緊接著清除瓜瓤，水肥促棉花生長。2018年9月1～5日收獲棉花一茬花，10月10～15日收獲二茬花；2019年9月6～10日收獲一茬花，10月15～20日收獲二茬花。年際間田間栽培管理方式相同。

株高(X1，cm)、果枝節(jié)位(X2，節(jié))果枝數(shù)(X3，個)；產(chǎn)量指標：吐絮鈴數(shù)(X4，個)、有效鈴數(shù)(X5，個)、單鈴重(X6，g)、衣分(X7，%)、籽棉產(chǎn)量(X8，kg/hm2)、皮棉產(chǎn)量(X9，kg/hm2)、生育期(X4，d)；共10項數(shù)量性狀。形態(tài)指標于各品種成熟期田間觀測記載，產(chǎn)量指標于二茬花收獲后測量記載。為使各性狀均以最大值表示最優(yōu)，對部分性狀的田間試驗結(jié)果進行變換：X10為103/生育期。表1

表1 參試棉花品種及各指標值Table 1 Cotton Varieties and Index Values

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用相關(guān)分析、主成分分析、聚類分析、判別分析和加權(quán)關(guān)聯(lián)度分析，以期找出具有生物學(xué)及專業(yè)意義的統(tǒng)計參數(shù)，為棉花品種綜合評價及篩選決策提供有益的信息。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理應(yīng)用Data Processing System 15.10分析完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 相關(guān)分析

研究表明，10個性狀間，有著正負和強弱復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系，其中，果枝數(shù)與株高、籽棉產(chǎn)量與單鈴重、皮棉產(chǎn)量與籽棉產(chǎn)量這3對數(shù)量性狀相關(guān)性達到極顯著水平(P<0.01)，衣分與果枝數(shù)、有效鈴數(shù)與吐絮鈴數(shù)這2對數(shù)量性狀間相關(guān)性達到顯著水平(P<0.05)。表2

表2 相關(guān)分析Table 2 The correlation analysis data

注：*表示顯著相關(guān)(P<0.05)；**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)
Note:*Means the coefficient is significantly correlation atP< 0.05;** means the coefficient is extremely significantly correlation atP< 0.01

2.2 主成分

研究表明,10個性狀經(jīng)主成分分析，前5個主成分的貢獻率分別為26.89%、21.94%、18.19%、13.23%和9.53%，累積貢獻率達89.77%。前5個主成分對10個指標變量的貢獻為0.655～0.976。經(jīng)主成分降維處理，將10個性狀轉(zhuǎn)換為5個新的主成分，能夠反映10個指標攜帶的絕大部分信息。

果枝節(jié)位、果枝數(shù)、籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量這4個指標在第一主成分上載荷較高，第一主成分基本反映了這4個指標的信息。第一主成分相當(dāng)于2.688個原始指標的作用，可反映原始數(shù)據(jù)信息量的26.89%。表3

株高、果枝數(shù)和衣分這3個指標在第二主成分上載荷較高，第二主成分基本反映了這3個指標的信息,第二主成分相當(dāng)于2.194個原始指標的作用，可反映原始數(shù)據(jù)信息量的21.94%。

吐絮鈴、生育期這2個指標在第三主成分上載荷較高，有效鈴數(shù)在第四主成分上載荷較高說明第三、四、五主成分基本反映了這3個指標的信息，第三、四、五主成分合起來相當(dāng)于4.095個原始指標的作用，可反映原始數(shù)據(jù)信息量的40.95%。 表3

2.3 聚類分析與判別

采用離差平方和方法，將14個品種的主成分值進行系統(tǒng)聚類。當(dāng)類間距離為4.75時，可將14個品種聚為3大類。圖1

研究表明,以5個主成分作為判別變量，建立判別函數(shù)。在建立判別函數(shù)前，先對5個因子進行假設(shè)檢驗，經(jīng)過假設(shè)檢驗，X1、X2、X3、X4、X55個因子的P值均小于顯著水平α的臨界值0.05，結(jié)果可靠，入選。表4

表3 主成分Table 3 Principal component analysis

圖1 參試品種聚類
Fig.1 Cluster diagram of tested varieties

表4 假設(shè)檢驗Table 4 Hypothesis Testing

經(jīng)假設(shè)檢驗，可得到下列判別分析函數(shù)式：

Y1= -3.1-1.736X1+0.798X2-0.453X3-4.35X4-1.376X5

Y2= -15.311+3.014X1+2.663X2+5.427X3-2.956X4+9.818X5

Y3= -3.754+0.731X1-1.686X2-1.356X3+5.335X4-1.897X5

根據(jù)判別函數(shù)模型，對14個品種重新判別歸類。研究表明，判對概率100%，誤判率為0。建立的3個判別函數(shù)的判別能力強，聚類分析結(jié)果準確可靠，可用于棉花品種的分類評價。在瓜套棉栽培模式下，14個棉花品種可分為3種類型。表5

表5 聚類分析Table 5 ClusterAnalysis Results

第一類(Ⅰ)形態(tài)不繁茂且低產(chǎn)型，包括興農(nóng)6號、新陸中49號、銀康1號、中棉66號、中棉79號和陸地棉系2號6個品種。此類籽棉產(chǎn)量均值4.15 t/hm2，皮棉均值1.9 t/hm2，低于對照岱字-80，說明比現(xiàn)有瓜套棉模式的主栽品種岱字-80還要低。

第二類(Ⅱ)形態(tài)較繁茂且高產(chǎn)型，包括興農(nóng)7號和新陸中51號2個品種。此類棉花品種籽棉產(chǎn)量均值5.11 t/hm2，皮棉產(chǎn)量均值2.29 t/hm2，衣分44.87%，3個主要產(chǎn)量指標均高于對照岱字-80。

第三類(Ⅲ)形態(tài)繁茂且產(chǎn)量較高型，包括新陸中40號、中棉49號、中棉63號、新陸中56號、陸地棉系1號、岱字-80(CK)共6個品種。此類棉花品種籽棉產(chǎn)量均值4.55 t/hm2，皮棉產(chǎn)量均值1.97 t/hm2，2個主要產(chǎn)量指標低于對照岱字-80。

2.4 關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析法[23，24]的分析方法：對表1中各指標進行無量綱化處理。將無量綱化后的數(shù)據(jù)，利用公式(1)分別計算出參試品種的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

(1)

式中ρ為分辨系數(shù)，ξi(k)為第i個品種第k個指標的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

最后，計算品種的加權(quán)關(guān)聯(lián)度，通過比較品種加權(quán)關(guān)聯(lián)度的大小，對14個棉花品種在瓜棉套種模式下的優(yōu)劣進行排序。

(2)

式中γ 表示加權(quán)關(guān)聯(lián)度，Wk為第k個指標的權(quán)重，n為指標個數(shù)。

用主成分分析法確定指標的權(quán)重第一、第二、第三、第四和第五主成分的累積貢獻率高達89.77%，代表了原始指標的大部分信息。以前五個主成分分析的因子載荷量，計算各因子在棉花評比試驗中的作用大小，確定權(quán)重。算出各主成分的特征值、貢獻率和累計貢獻率算出各因子在各主成分上的載荷量，計算各指標的權(quán)重。表6

表6 指標權(quán)重Table 6 Index Weight

根據(jù)14個品種的主成分值，計算加權(quán)關(guān)聯(lián)度及排名。

研究表明,岱字-80(CK)加權(quán)關(guān)聯(lián)度值為0.522。中棉79號、興農(nóng)6號、新陸中56號、中棉49號、陸地棉系2號、銀康1號和中棉66號，這7個品種的加權(quán)關(guān)聯(lián)度低于岱字-80(CK)；興農(nóng)7號、陸地棉系1號、新陸中49號、新陸中51號、新陸中40號和中棉63號，這6個品種的加權(quán)關(guān)聯(lián)度高于岱字-80(CK)。表7

表7 加權(quán)關(guān)聯(lián)度Table 7 Weighted Correlation Analysis Results

3 討 論

3.1 評價方法的確定

近年來，對于農(nóng)作物品種的評價，逐漸由單一指標到多指標綜合，由定性到定量發(fā)展變化的趨勢，由多指標數(shù)量性狀構(gòu)建的綜合評價體系更接近反映品種的真實生產(chǎn)能力。數(shù)理統(tǒng)計、灰色系統(tǒng)理論等學(xué)科的發(fā)展為多元評價體系的構(gòu)建提供了可能。作物品種評價主要有：模糊數(shù)學(xué)法、百分制記分法、層次分析法、主成分分析、聚類分析和灰色系統(tǒng)分析法等[25，26]，不同方法對應(yīng)著不同的數(shù)學(xué)原理。主成分分析是把許多具有相關(guān)性的指標簡化為互不相關(guān)的少許幾個損失信息輕微的主成分的統(tǒng)計方法,聚類分析是研究生物資源關(guān)系分類的多元統(tǒng)計方法。近年來，主成分與聚類分析結(jié)合應(yīng)用于紫薯[27]、甜瓜[28]和野蓮花[29]等農(nóng)作物分類的成果屢見報道，在棉花上也有研究，董承光等[30]對84份陸地棉的表型性狀進行了主成分及聚類分析，結(jié)果將84個材料分為4個類群。材料的簡化分類為優(yōu)異等位基因的挖掘、親本材料的選擇和創(chuàng)新育種方向提供了技術(shù)支撐。

研究先對瓜棉套作模式下的棉花形態(tài)指標和產(chǎn)量指標共10個性狀進行主成分分析，并將其簡化成5個主成分，累積方差貢獻率89.77%，包含了10個性狀的主要信息，對相關(guān)的性狀進行了降維。再利用主成分值進行聚類分析，增強了聚類分析結(jié)果的真實可靠性。用判別分析法驗證聚類結(jié)果，統(tǒng)計分析方法科學(xué)性強。

3.2 評價指標

在瓜棉套作模式下，考慮棉花產(chǎn)量，又兼顧高溫期哈密瓜和棉花共生階段棉花對瓜的遮蔽作用的原則，確定了10個評價指標。既將株高、果枝數(shù)等反映棉花形態(tài)繁茂度的指標考慮在內(nèi)，也將有效鈴、單鈴重、衣分、籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量等反映棉花產(chǎn)量的指標納入。

試驗過程中，諸品種發(fā)病輕微、差異較小，且條件不能滿足人工接種后再評價的要求，所以沒顧及病蟲害對試驗的影響?？蓪ｎ}開展抗病性試驗，再將結(jié)果納入評價體系里。

表型性狀易受外部環(huán)境影響，控制好環(huán)境因素，聚類結(jié)果才準確[31]。

4 結(jié) 論

興農(nóng)7號和新陸中51號，這2個品種在吐魯番瓜套棉栽培模式下具有生產(chǎn)潛力和推廣應(yīng)用價值。陸地棉系1號、新陸中40號、新陸中49號，這3個品種可作為儲備品種。