基于主成分分析的氮高效小麦品种的筛选

宋 晓,张珂珂,黄晨晨,黄绍敏,郭斗斗,岳 克,张水清

(1.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；2.郑州大学 生命科学学院，河南 郑州 450002)

小麦是我国主要粮食作物,其产量的高低影响着国家粮食安全[1]。合理施用氮肥有利于提高小麦产量，但过量施用不仅导致肥效下降，还会造成资源浪费和环境污染[1-2]。研究表明，挖掘小麦自身氮高效利用潜力，筛选和推广氮高效小麦品种已成为控制氮肥用量、稳定产量和保护生态环境的有效途径[3]。氮高效是多种氮效率指标相互作用呈现的一个复杂综合性状，其中每一个指标都与作物的氮效率有一定的相关性[4-6]。因此，氮高效评价指标间存在多重共性问题，增加了计算量和分析量，一定程度上影响了氮高效评价的真实性。主成分分析法是将原始的多个变量通过线性组合提炼出较少几个彼此独立新变量的一种多元统计分析方法；分析过程中，可以舍弃一部分主成分,只取前后方差较大的几个主成分来代表原变量,从而减少指标选择和计算的工作量，避免指标间的多重共性问题[7]。近年来，国内外主成分分析多用于土壤肥力质量评价[8-9]，水稻[10-11]物理特性和遗传分析，葡萄[12]、茄子[13]等的抗逆性评价方面,在氮高效品种筛选、评价方面报道较少，主要涉及棉花[14]、谷子[15]氮高效品种筛选，而关于小麦氮高效品种筛选、评价研究尚未见报道。为此，以30 a的长期施肥定位试验地为平台，选择能反映氮效率的定量因子,利用主成分分析法综合评价不同基因型小麦品种对氮素响应的差异，根据综合评价得分筛选出氮高效小麦品种，为小麦氮高效育种提供良好的种质资源及筛选依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验在全国潮土肥力和肥料效益长期监测试验站(郑州)进行。土壤类型为潮土，土壤含有机质14.26 g/kg、碱解氮81.4 mg/kg、有效磷14.1 mg/kg、有效钾88.4 mg/kg、全氮0.8 g/kg。

试验材料选用27份不同基因型的小麦品种(表 1)。氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为磷酸二氢钙(含P2O512%)，钾肥为硫酸钾(含K2O 57%)。

表1 小麦品种名称

1.2 试验设计

所有小麦品种分别于2017年和2018年10月中旬播种，播种量为150 kg/hm2。试验小区为随机排列，每个小区面积为54 m2，重复3次。施N 165 kg/hm2、P2O582.5 kg/hm2、K2O 82.5 kg/hm2。氮肥分为基肥和追肥2次施入，基追比为5∶5，追肥于返青期开沟施入，磷肥和钾肥在播前作为基肥一次性施入。

1.3 测定项目及方法

成熟期，每小区取1 m双行代表样段，调查叶倾角，叶倾角指叶面法线与垂直方向的夹角，对于叶面直立的叶片，测量叶脉与茎秆的夹角；对于叶片弯曲的叶片，将叶片分成2～3段分别测量叶倾角，再以叶面积为权重计算平均叶倾角。人工收割调查穗数，并脱粒，自然晒干称质量，计算产量。将成熟期样品分为籽粒和秸秆两部分，置于70 ℃干燥箱内恒温干燥，粉碎，称取干质量，并采用凯氏定氮法测定秸秆含氮量和籽粒含氮量[16]，并计算收获指数、氮利用率、氮吸收效率、植株氮积累量。植株氮积累量=籽粒含氮量×籽粒干质量+秸秆含氮量×秸秆干质量，收获指数=籽粒总吸氮量/植株氮积累量；氮利用率=植株干质量/植株氮积累量；氮吸收效率=植株氮积累量/施氮量。

1.4 数据处理

数据整理使用Excel 2010，数据统计分析使用SPSS 20.0。

2 结果与分析

2.1 不同小麦品种间氮效率指标的差异分析

由表2可见，27个小麦品种在产量、穗数、叶倾角、籽粒含氮量、籽粒总吸氮量、秸秆干质量、秸秆含氮量、秸秆总吸氮量、植株氮积累量、收获指数、氮利用率、氮吸收效率间存在不同程度的差异。2017年，所有性状指标的变异系数介于4.98%～23.31%，其中籽粒总吸氮量的变异系数最大，为23.31%，其次为秸秆总吸氮量(23.20%)，收获指数的变异系数最小，为4.98%。2018年，变异系数介于4.95%～30.91%，其中秸秆总吸氮量的变异系数最大，为30.91%，其次为叶倾角，为25.26%，收获指数的最小，为4.95%。年际间，各指标的变异系数有一定程度的变化。与2017年相比，2018年叶倾角、籽粒含氮量、秸秆干质量、秸秆含氮量、秸秆总吸氮量、氮利用率的变异系数增加，增加幅度为11.08%～40.39%；产量、穗数、籽粒总吸氮量、植株氮积累量、收获指数和氮吸收效率的变异系数略微降低，降低幅度为0.60%～17.59%。可见，这些性状在品种间、年际间均有一定的差异。

表2 供试小麦品种氮效率指标分析

2.2 不同小麦品种氮效率的综合评价

2.2.1 氮效率指标主成分提取 氮效率各指标具有不同的量纲与数量级，为了避免其对结果的影响，确保试验数据科学性，便于各指标综合比较，主成分分析前必须对原始数据进行标准化处理,主成分确定标准是累积贡献率>85%[17]。2017年数据分析结果(表3)显示，前3个主成分的累积贡献率达到86.289%。第一主成分的特征值为5.599，贡献率为46.661%，主要包括产量(载荷值为0.349，下同)、籽粒总吸氮量(0.407)、植株氮积累量(0.420)和氮吸收效率(0.420)，其中，植株氮积累量和氮吸收效率的载荷较高。第一主成分主要反映了植株氮积累量和氮吸收效率。第二主成分的特征值为2.710，贡献率为22.583%，主要反映了秸秆含氮量、秸秆总吸氮量和叶倾角，其载荷值分别为0.407、0.463和0.383。第三主成分的特征值为2.045，贡献率为17.045%，主要反映了氮利用率，其载荷值为0.526。

2018年数据分析结果(表3)显示，前4个主成分的累积贡献率达到91.711%，基本包含了氮效率的总信息。第一主成分的特征值为4.910，贡献率达到40.914%，主要包括植株氮积累量(0.437)、氮吸收效率(0.437)、秸秆总吸氮量(0.345)、秸秆干质量(0.310)、籽粒总吸氮量(0.386)和穗数(0.330)，其中，植株氮积累量和氮吸收效率的载荷值较大。第一主成分主要反映了植株氮积累量和氮吸收效率。第二主成分的特征值为2.570，贡献率为21.420%，主要反映了氮利用率和产量；秸秆含氮量的载荷值(-0.510)的绝对值最大，说明在小麦改良过程中，适度降低秸秆含氮量可以提高氮利用率。第三主成分的特征值为2.132，贡献率为17.769%，主要反映了秸秆总吸氮量和氮利用率；但收获指数(-0.521)和籽粒氮含量(-0.462)的载荷值绝对值较大，说明适当降低收获指数和籽粒氮含量有利于氮利用率的提高。第四主成分的特征值为1.393，贡献率为11.607%，主要包括叶倾角，其载荷值为0.757，第四主成分主要反映了植株的表型特征。

表3 氮效率主成分的特征值、贡献率、累计贡献率和成分载荷矩阵

2.2.2 氮效率主成分得分及综合评价 主成分是原各指标的线性组合,各指标的权数为特征向量，它表示各单项指标对于主成分的重要程度并决定了该主成分的实际意义[9]。结合各主成分的方差贡献率，分别得出2017年和2018年的不同小麦品种的氮效率综合评价函数，即F=0.467F1+0.226F2+0.170F3和F=0.409F1+0.214F2+0.178F3+0.116F4。2017年氮效率综合得分F值大于0的品种分别为(综合得分从大到小)新麦29、中育1220、西农979、周麦28、中麦895、许科168、百农4199、存麦8号、周麦22、郑麦379、郑麦113、中育1211、洛麦29和周麦32。2018年氮效率综合得分F值大于0的品种分别是(综合得分从大到小)郑麦113、百农4199、周麦28、周麦22、中育1211、新麦29、许科168、偃高21、西农979、中育1220和周麦32(表4)。

表4 不同小麦品种氮效率主成分综合评价及排序

2.3 氮高效小麦品种的筛选

以小麦产量及每个品种的氮效率综合得分做散点图，将27个小麦品种进行分类，大致分为4类(图1)，分别为高产氮高效型、低产氮高效型、低产氮低效型、高产氮低效型。

高产氮高效型：此类小麦的产量和氮效率综合得分均高于27个品种的平均值，位于图1中的Ⅰ区，2017年和2018年均包括西农979、许科168、中育1211、郑麦113、洛麦29、周麦28、周麦22、中育1220、新麦29和百农4199，2 a的重合率达90%。

低产氮高效型：此类小麦的产量低于所有品种产量的平均值，氮效率综合得分则高于平均值，位于图1中的Ⅱ区。2017年包括周麦32、郑麦379、中麦895和存麦8号；2018年包括周麦32。

低产氮低效型：此类小麦的产量和氮效率综合得分均低于27个品种的平均值，位于图1中的Ⅲ区。2017年包括周麦27、周麦30、偃高58、洛麦31、西农511、洛麦26、洛麦34、丰德存麦5号、郑品麦8号和漯麦18；2018年包括偃高58、西农511、郑麦379、中麦895、新麦30、周麦27、周麦30、洛麦31、存麦8号、洛麦26、洛麦34、丰德存麦5号、郑品麦8号、漯麦18和洛麦29。2 a均包括的品种为周麦27、周麦30、偃高58、洛麦31、西农511、洛麦26、洛麦34、丰德存麦5号、郑品麦8号和漯麦18。

高产氮低效型：此类小麦的产量均超过所有品种的平均值，但氮效率综合得分均小于平均值，位于图1中Ⅳ区。2017年包括新麦30、偃高21和兰考198；2018年包括兰考198。

图1 不同氮效率小麦品种分类

综合2 a的平均结果，高产氮高效型小麦品种为西农979、许科168、中育1211、郑麦113、洛麦29、周麦28、周麦22、中育1220、新麦29和百农4199；低产氮低效型品种为周麦27、周麦30、偃高58、洛麦31、西农511、洛麦26、洛麦34、丰德存麦5号、郑品麦8号和漯麦18；低产氮高效型品种为周麦32；高产氮低效型品种为兰考198。

3 结论与讨论

氮素是作物生长发育必需的大量元素，影响作物的产量形成[18]。氮高效材料的筛选鉴定是减少氮肥用量和提高瘠薄地作物产量、氮素利用效率的有效途径，是品种选育的重要基础[19]。小麦是世界主要粮食作物，品种众多，不同基因型小麦在不同生态环境下的表型特征及生态适应性不同[20-21]。研究表明，植株的农艺性状、氮素的吸收、生物量、产量等存在基因型差异，均可作为作物氮高效品种筛选和鉴定的指标[22-24]。李强等[22]认为，品种间氮效率变异系数的大小反映了品种对氮的敏感程度，变异系数越大，品种间受氮影响的差异越大，对不同品种耐低氮能力的贡献也越大。本研究结果表明，各品种氮效率指标间存在不同程度的差异，其变异系数最大为30.91%，说明品种间具有筛选潜力。

外界环境条件影响作物生长发育的多个指标，且对指标的影响程度不尽相同，因此有关作物氮效率评价指标体系和评价指标选用各不同[25-26]。主成分分析法是利用降维思想，在损失很少信息的前提下，把多个指标转化为几个综合指标的多元统计方法[27-28]。本研究将12个小麦氮效率指标通过主成分分析分别转化为3个(2017年)和4个(2018年)相互独立的综合指标，特征值均>1，累计贡献率均大于 85%，其主成分之间包含的信息相互独立，避免了原始信息重叠干扰[24,29]。根据客观赋权法，以相对方差贡献率为各个主成分的权重，基于连续2 a的试验数据，采用无量纲的纯数综合评价，筛选出高产氮高效小麦品种西农979、许科168、中育1211、郑麦113、洛麦29、周麦28、周麦22、中育1220、新麦29和百农4199,低产氮低效品种周麦27、周麦30、偃高58、洛麦31、西农511、洛麦26、洛麦34、丰德存麦5号、郑品麦8号和漯麦18,低产氮高效品种周麦32,高产氮低效品种兰考198。上述结果采用主成分综合得分法分析，消除了评价指标间的相互影响，评价结果可靠性较强。但是不同年份之间，氮效率综合得分有一定差异，这可能与气候、降水等自然环境因素有关，需要进一步深入研究。