不同施肥配比对冈杂棉0623产量影响的主成分分析

赵树琪 张华崇 闫振华 李蔚 黄晓莉 戴宝生

摘要：为探究不同施肥配比对冈杂棉0623产量的影响，以“3414”肥料模型设计试验，利用主成分分析法对14个不同施肥处理下第一果枝节位、果枝数、单株铃数、衣分、单铃重、籽棉产量、株高等7个性状进行分析。通过不同处理间比较分析表明，N2P2K2处理籽棉产量最高，为3145.71 kg/hm2，较对照增产45.65%，肥料贡献率也最高，为31.34%。通过主成分分析，提取初始特征值大于1的3个主成分，解释7个性状85.001%的数据信息。其中，第一主成分主要果枝数、产量、单株铃数和单铃重等性状，是产量相关因子，方差贡献率为52.317%;第二主成分与第一果枝节位相关，方差贡献率18.252%;第三主成分与株高相关，方差贡献率14.433%。各个处理综合因子得分排名前3位为N2P2K3处理、N2P2K2处理和 N1P2K2处理。结合第一主成分得分和产量表现分析结果表明N2P2K2处理（即N、P2O5、K2O施用量分别为300、150、300 kg/hm2）有利于“冈杂棉0623”产量的提高，是适宜的施肥配比。

关键词：施肥配比;冈杂棉0623;产量;主成分分析

中图分类号： S562.062    文献标识码：A    文章编号：2095-3143（2019）06-0015-08

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2019.06.003

Abstract： To explore the effect of different fertilization ratios on the yield of Gangzamian 0623 ， the ‘3414 fertilizer model design test was carried out to analyze the 7 traits including first fruit branch position， number of fruit branches， number of bolls per plant， lint percentage， boll weight， seed cotton yield and plant height under 14 different treatments based on the principal component analysis method. Comparing the results from different treatments， it was found that The yield of seed cotton treated with N2P2K2 was the highest， which was 45.65% higher than that of the contrast at 3145.71 Kg/hm2， and the contribution rate of fertilizer was the highest （31.34%）. Through principal component analysis， three principal components with initial eigenvalues greater than 1 were extracted， and 85.001% of the data information of 7 traits was explained. Among them， the traits including the number of fruit branches， yield， number of bolls per plant， and single boll weight in the first principal component were the factors related to yield， and the variance contribution rate is 52.317%; the second principal component was related to the first fruit branch， and the variance contribution rate was 18.252%; the third principal component was related to the representative plant height， and the variance contribution rate was 14.433%. The top three in the comprehensive factor score are the N2P2K3， N2P2K2 and N1P2K2 treatments. Combined with the first principal component score and yield performance， the results showed that when the N， P2O5， K2O application rates of N2P2K2 were 300， 150， 300 kg/hm2， respectively， it was the appropriate ratio and was conducive to the yield improvement of ‘Gangzamian 0623.

Key words： Fertilizer ratio; Gangzamian 0623; Yield; Principal component analysis

0  引言

主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），將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。又称主分量分析。因为可以从多个变量中筛选目标相关的主要的变量，主成分分析广泛应用在农作物产量及品质性状分析、种质资源鉴定、抗逆性鉴定等方面。朱碧岩[1]、杨泽敏[2]等先后对水稻品质性状进行主成分分析，分析一致认为鉴定水稻品质的主要性状主要包括整精米度、胶稠度、垩白度和碱解值。刘祎，等[3]利用主成分分析筛选出棉花耐盐性评价适宜指标，评价棉花品种的耐盐性。何志华[4]以安豆7号为研究对象，利用主成分分析“3414”试验设计下14个处理9个农艺性状进行分析，提取4个主成分解释原始性状变异的89.89%，获得安豆7号推广最适合的施肥量。另外玉米[5，6]、小麦[7-9]、水稻[10，11]、油菜[12-14]、高粱[15-18]等作物中主成分分析得到应用。

目前，将主成分分析与“3414”肥料配比试验综合应用在棉花研究中尚未见相关文献报道。本试验对“冈杂棉0623”按照 “3414”试验设计，设置14个处理7个农艺性状进行分析，旨在分析在鄂东黄棕壤地区影响“冈杂棉0623”产量的主要产量构成因素在不同肥料配比下的综合表现，以探究影响“冈杂棉0623”高产的性状，获得其高产需要的适宜的肥料配比方案，为其推广和高产栽培提供依据。

1  材料与方法

1.1  试验材料

试验于2016年和2017年在湖北省黄冈市农业科技示范园进行。供试材料为“冈杂棉0623”（鄂审棉2014002）[19]，供试土壤含有机质8.37 g/kg，速效氮143.18 mg/kg，速效磷24.5 mg/kg，速效钾87.5 mg/kg，前茬为油菜作绿肥旋耕还田。播期分别是2016年4月20日和2017年4月16日。移栽密度24000株/hm2。

供试肥料为尿素（46% N）、过磷酸钙（12% P2O5）、氯化钾（60%K2O）。

1.2  试验设计

采用国家农业部推荐的“3414”方案设计[20]，设氮、磷、钾肥料3个因素，4个施肥水平，即0水平为不施肥，2水平为当地推荐施肥量，1水平为0.5×2水平，3水平为1.5×2水平（过量施肥）。试验设14个处理，其蕾期和花期的氮磷钾施用量见表1，以N0P0K0为对照（CK），设3次重复，共42个小区，随机区组排列。小区面积7 m×3.6 m=25.2 m2。试验为条播，试验2水平的N、P2O5、K2O推荐施肥量分别为300、150、300 kg/hm2。肥料使用方法：蕾期施2/3的氮肥和全部的磷肥、钾肥;花期施1/3的氮肥。

1.3  调查指标及数据处理

棉花打顶后调查株高、果枝数，10月下旬调查单株铃数，每个小区连续调查20株。待吐絮后，收取吐絮较好的中部20铃考种，分批次收花计产，11月20日之后收花不计入产量。

1.4  数据分析

利用主成分分析法对第一果枝着生节位（X1，简称果枝节位）、果枝数（X2）、单株铃数（X3）、衣分（X4）、单铃重（X5）、产量（X6）、株高（X7）共7个性状进行分析。

肥料贡献率（%）=（施肥处理产量-不施肥处理产量）/施肥处理产量×100。

调查数据用Excel2010整理，主成分分析采用SPSS 22.0进行。

2  结果与分析

2.1  对农艺性状的影响

2016年与2017年不同处理下调查果枝数、株高、果枝节位、单株铃数、单铃重和衣分等性状（见表2）。各个性状变异系数为0.80%～7.23%，均小于15%，数据在正常范围波动，没有异常值。株高变异系数差值最大，说明株高受自然环境影响较大。

从表2可看出，就2016年，2017年，13个施肥处理的果枝数、单株铃数、单铃重、衣分等农艺性状两年的平均值均高于不施肥处理。其中N2P2K2、N2P3K2处理果枝数、单株铃数表现较佳，较其他处理增加较多。

2.2  对籽棉产量的影响

从各处理产量调查结果（表3）可以看出，不同施肥处理对“冈杂棉0623”产量影响较大，各处理两年平均产量较对照均有增产，13个处理两年平均产量2705.21～3145.71 kg/hm2，增产幅度25.25%～45.65%。处理N2P2K2平均产量最高，为3145.71 kg/hm2，较对照增产45.65%;处理N2P2K3次之，为3040.05 kg/hm2，较对照增产40.76%。处理N2P2K0两年平均产量仅2705.21 kg/hm2，较对照仅增产25.25%。肥料对产量贡献率来看，处理N2P2K2肥料貢献率最高，为31.34%;其次是处理N2P2K3，为28.96%。在N、P、K任意2个因素2施肥水平条件下，“冈杂棉0623”的籽棉产量呈递增趋势，但当达到3施肥水平时产量有所下降，低于2施肥水平，说明过量施肥，肥料对产量贡献率降低，不利于“冈杂棉0623”产量增加，同时造成肥料浪费。

2.3  各性状的相关性分析

相关系数能够反映2个随机变量的线性关系，通过研究某一指标可以预测其对其他指标的影响。通过表4可知各个性状与产量之间的相关关系，相关系数大小排序为果枝数>单株铃数>株高>单铃重>衣分>果枝节位。其中果枝数和单株铃数与产量呈现极显著正相关，相关系数分别为0.782和0.729;株高和单铃重与产量呈现显著正相关，相关系数分别为0.554和0.544。衣分和果枝节位与产量之间是正相关但是不显著，相关系数分别为0.525和0.197。由此可见，在“冈杂棉0623”栽培管理中要注重果枝数和单株铃数的提升，同时合理施肥、化学调控等措施保证性状间协调发展。

2.4  各个性状的主成分分析

对“冈杂棉0623”不同施肥水平下7个性状原始数据进行KMO和巴特利特球形度检验，KMO值为0.713，大于0.5，说明原始数据适用于因子分析;对原始数据进行巴特利特球形度检验，p=0.002<0.05，说明性状之间存在相关关系，可以进行主成分分析。

对调查数据进行主成分分析，设置特征值大于1得出各个主成分因子贡献率、旋转后的成分矩阵和特征向量矩阵。由表5的主成分分析结果提取前3个主成分，其贡献率第一主成分为52.317%，第二主成分为18.252%，第三主成分为14.433%，累计贡献率达85.001%，说明前3个主成分解释了14个处理7个性状85%以上的数据信息。

主成分矩阵（见表6）反映出各性状在每个主成分上的载荷，由表6可知，第一主成分与果枝数、单株铃数和产量密切相关，认为是产量相关因子;第二主成分和第三主成分分别与果枝节位和株高密切相关，可以认为是株型相关因子。根据各主成分得分系数（见表6）得到前3主成分因子Z1（主成分1）Z2（主成分2）和Z3（主成分3）相应表达式如下。

Z1=0.098X1+0.254X2+0.226X3+0.166X4+0.200X5+0.246X6+0.140X7;

Z2=0.565X1+0.007X2-0.305X3+0.452X4-0.386X5-0.020X6+0.132X7;

Z3=0.463X1+0.135X2+0.068X3-0.026X4+0.347X5-0.215X6-0.765X7 ;

Z1代表产量相关因子，可以解释所有原始性状数据信息的52.317%，Z2、Z3均代表株型相关因子，分别解释原始性状信息的18.252%和14.443%。

2.5  各处理主成分因子得分评价

为更加直观评价产量在不同施肥处理下表现，提取前3个主成分，以每个主成分方差贡献值为权重，构造综合评价指数：F综合=0.5232Z1+0.1825Z2+0.1443Z3。并根据各个施肥水平主成分得分计算综合影响（见表7）。由表7可知，N2P2K3处理、N2P2K2处理和N1P2K2处理综合值排在前三位，因为这些处理在占比重较大的主成分1的分值较高。N2P2K3处理在主成分1的得分仅次于N2P2K2处理，而在主成分2和主成分3均为正值，所以综合排名最高;N2P2K2处理和N1P2K2处理均在主成分2的得分为负值且在主成分3的得分较低，因此在综合排序中位于第二、三位。由此可见，不同的施肥水平下，棉花表现出不同的优异性状，要根据不同的研究目的，选择合适的施肥水平。结合表2，主成分1主要是产量相关的性状，与产量相关度高。在主成分1中N2P2K2处理得分最高，其次为N2P2K3处理和N1P2K2处理。主成分2、主成分3中得分最高的分别是N3P2K2处理和N0P0K0处理。综合得分最高的为N2P2K3处理，其次为N2P2K2处理，而实际产量分别为3040.05 kg/hm2和3145.71 kg/hm2。

3  结论和讨论

本研究通过对“冈杂棉0623”不同肥力水平下7个性状进行表型变异分析，变异幅度在0.8%～8.33%，其中产量变异范围最大，说明产量受到构成因素及环境条件的影响变化较大。比较2016年和2017年各个性状变异系数发现株高在这两年变异系数差值最大，说明株高对环境变化敏感，在栽培管理中要根据不同环境合理进行化学调控。

相关性分析得出果枝数、单株铃数是与产量呈极显著正相关，铃重、株高与产量呈现显著相关。本研究中，第一主成分是产量相关的主因子;第二主成分和第三主成分主要是株型相关因子。第三主成分与株高相关，株高在相关分析中与产量呈现显著性正相关，因此，“冈杂棉0623”要获得高产，不仅要关注单株铃数、果枝数等主要因子，还要兼顾株高和铃重等因子。

通过主成分分析得到各处理的综合得分，以N2P2K3处理、N2P2K2处理和N1P2K2处理的综合值得分排在前三位，结合表型变异分析、第一主成分各处理得分等进行综合分析，“冈杂棉0623”产量随施肥量增加而呈现递增的趋势。施肥量为N2P2K2处理时产量最高，较对照增产45.65%，肥料利用率亦最高，为31.34%;当施肥量高于N2P2K2处理时，籽棉产量不增反减，肥料贡献率也降低，说明施肥过量亦不利于增产，易造成肥料的浪费，这与前人[21-23]研究结果一致。

棉花产量提高与施肥量有密切关系，但不能够从单一的产量构成因素选择合理施肥量。本研究对14个处理7个性状进行表型变异分析、相关性分析和主成分分析（对各性状变异提取前3个主成分），分析结果表明，N2P2K2处理（即N、P2O5、K2O施用量分别为300、150、300 kg/hm2时）有利于“冈杂棉0623”产量提高。

节肥减药是绿色农业发展的必然要求，当前我国农业生产中化肥农药使用较多，不但造成了农业成本投入的增加，而且造成环境污染和资源浪费。通过对“冈杂棉0623”高产的施肥量试验，确定适宜施肥配比，有利于降低生产成本，保护环境。

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