花生花针期耐荫性综合评价及鉴定指标筛选

2021-02-13 07:18高世杰宋海玲于海秋蒋春姬赵新华王晓光
沈阳农业大学学报 2021年6期
关键词:荚果主茎单株

高世杰,谢 畅,姚 瑞,徐 爽,宋海玲,于海秋,王 婧,张 正,蒋春姬,赵新华,王晓光

(1.沈阳农业大学农学院,沈阳110161;2.山东省农业科学院,济南250100)

花生(ArachishypogaeaL.)是我国重要的经济作物和油料作物,在国民经济中占有重要地位,因其耐旱、耐瘠薄的特点,在东北农牧交错带的土壤环境上种植具有较强的优势,因此,该地区花生种植面积逐年增加[1-2],这也带来了土壤沙化更加严重的问题。为此,常采用玉米等高秆作物与花生带状间作[3],但是,由于高秆作物的遮荫,不利于花生光合产物的形成,在一定程度上限制花生的产量[4-6]。因此,筛选出适合辽宁省及周边地区种植的耐荫花生品种及其鉴定指标,对选育耐荫花生品种以及指导间作花生大田生产具有重要意义。

近年来,关于遮荫对花生生长发育及产量品质影响的研究已有一些报道[7-14],但大部分集中于荫蔽或弱光胁迫对花生植株形态、生理及产量品质影响等方面。在作物耐荫性综合评价及其指标筛选方面,蒋亚[15]通过不同指标的耐荫系数,对29个不同甘薯品种(系)进行耐荫性评价,并对不同评价方法进行了比较;王小博等[16]研究了不同处理下玉米自交系植株形态、物质生产、产量等11个指标以及各指标耐荫系数的变化,并对自交系的耐荫性进行评价;刘勋等[17]以35个马铃薯品种(系)为材料,测定块茎膨大期遮荫下植株叶片叶绿素含量、光合能力和叶绿素荧光等光合参数及收获后块茎单株产量和淀粉含量等指标,建立马铃薯耐荫性综合评价体系;赵银月等[18]探讨不同基因型大豆品种的耐荫特性,筛选出耐荫性鉴定指标,建立可用于耐荫性评价的数学模型;鲁晓民等[19]采用模拟遮荫的方法,在抽雄前5d,对30个玉米自交系进行50%的遮荫和自然光照(对照)处理,研究玉米抽雄期遮荫对产量的影响,筛选出抽雄期玉米耐荫性评价的次级指标;葛亚英等[20]以12个植物品种为试材,通过对3种遮荫条件下的光合荧光参数等指标进行测定,同时对各项指标进行主成分分析,然后利用隶属函数法分析综合评价值,对12个室内悬挂植物品种进行耐荫性评价;张立军等[21]为探讨大豆耐荫胁迫评价方法,筛选鉴定大豆耐荫性状指标,建立科学可靠的耐荫性评价的数学模型。总之,作物耐荫性评价研究较多的是甘薯、玉米、马铃薯和大豆[22-24],而关于花生耐荫性评价及其鉴定指标筛选的研究鲜有报道[25]。尤其是辽宁省及周边地区花针期采用遮荫网遮荫筛选的研究更未见报道。为此,本试验以国内多地选育的和从国外引进的共45个种花生品种为试材,通过对花生开花下针期进行遮荫处理,分析遮荫对不同花生品种形态和产量的影响,对其进行耐荫性综合评价,筛选出耐荫性较好的花生品种和耐荫性鉴定指标,旨在为花生耐荫品种选育提供理论参考,为指导间作花生大田生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试45个花生品种分别为由辽宁省风沙地改良利用研究所培育的阜花11、阜花12、阜花20和阜花24;由山东省花生研究所培育的花育32、花育34、花育46和花育62;由沈阳农业大学培育的农花5号、农花11、农花15和农花18;由河北省农林科学院培育的冀油4号、冀油5号和冀油98;由徐州农业科学研究所培育的徐花3号、徐花6号和徐花9号;由广东省农业科学院培育的粤油7号、粤油26和粤油85;由潍坊市农业科学院培育的潍花6号和潍花9819;由大连市农业科学院培育的连花6号和连花7号;由青岛农业大学培育的宇花9号和宇花11;由铁岭市农业科学院培育的铁花5号和铁花6号;由辽宁玉宝农业科技有限公司培育的玉宝4号;由锦州市农业科学院培育的锦花21;由河南省农业科学院培育的远杂9102;由濮阳市农业科学院培育的濮花23;由开封市祥符区农业科学研究所培育的百日红;由山东省花生研究所培育的青兰2号;由山东农业大学培育的山花8号;由青岛农业大学培育的青花6号;由湛江市农业科学研究院培育的花小宝103;由广西农业科学院培育的桂花5号;由江西省农科院培育的赣花6号;由中国农业科学院培育的中花5号;由日本引进的日本香香;由日本千叶县农业试验场培育的日本中丰;由加拿大引进的加拿大1号;由沈阳农业大学花生研究所搜集保存的花生品种良青8号。

1.2 试验设计

试验于2019~2020年在沈阳农业大学农学院试验基地进行。采用裂区设计,光照为主区,设自然光照(对照)和遮荫2个处理,不同花生品种为副区。小区5行,行长3m,行距0.58m,穴距0.12m,每穴2粒,3次重复。在全田有50%的花生品种进入开花下针期时,用遮荫网进行遮荫处理。每个处理搭建3个遮荫棚,在棚的周边及棚内插立竹竿,每根直立的竹竿均由4根斜插入地面的竹竿固定。遮荫棚高1.5m,东、西、南三面遮荫网距地面30cm,北面完全敞开,以利通风透气,直至收获。所用遮荫网的额定遮光率为30%,实测遮光率为28.7%,以同一品种自然光照为对照。试验地土壤肥力中等,基施磷酸二铵150kg·hm-2,过磷酸钙300kg·hm-2,硫酸钾150kg·hm-2。2019年于5月14日播种,9月28日收获;2020年于5月12日播种,9月24日收获,其他管理同常规田。

1.3 测定项目与方法

花生成熟时,每小区取中间有代表性的连续10株进行室内考种,测定的项目有:主茎高(X1)、侧枝长(X2)、分枝数(X3)、主茎节数(X4)、SPAD值(X5)、单株荚果数(X6)、单株生产力(X7)、百果重(X8)、百仁重(X9);在收获时测定荚果产量(X10)。

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据整理与分析,IBMSPSSStatistics 22版软件进行主成分分析、聚类分析及逐步回归等多元分析。用2年数据的平均值,计算耐荫系数(Shade tolerance coefficient,STC)、不同品种的花生各综合指标的隶属函数值u(Xj)、各综合指标的权重Wj和各花生品种(系)的综合耐荫评价值D。

式中:j=1,2,3,…,n,Xj为第j个综合指标;Xmax为第j个综合指标的最大值;Xmin为第j个综合指标的最小值;Wj为第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度,即权重;Pj为各花生品种第j个综合指标的贡献率;D值为各花生品种在遮荫条件下由综合指标评价所得的耐荫性综合评价值。

2 结果与分析

2.1 不同花生品种各单项指标的耐荫系数

表1 为不同花生品种各单项指标的耐荫系数。在各单项指标的耐荫系数中,分枝数和百果重的变异系数较大,分别为26.13%和15.04%;其次是单株荚果数、单株生产力和荚果产量,变异系数分别为14.46%、13.57%和11.27%;百仁重和SPAD值的变异系数较小,分别为5.99%和4.84%。可见遮荫对花生的分枝数、百果重、单株荚果数、单株生产力和荚果产量有较大的影响,而对百仁重和SPAD值的影响较小。与对照相比,不同花生品种受遮荫后,主茎高均表现为上升(耐荫系数STC>1),而侧枝长、分枝数、主茎节数、SPAD值、单株荚果数、单株生产力、百果重、百仁重和荚果产量则均表现为下降(STC<1)。

表1 不同花生品种各单项指标的耐荫系数Table 1 Shade tolerance coefficient of each individual index of different peanut varieties

2.2 不同花生品种单项指标耐荫系数间的相关分析

由表2可知,各单项指标至少与其他1个或多个单项指标呈显著或极显著相关,这些指标的耐荫系数存在的相关性或大或小,导致它们所提供的信息发生重叠,表明花生的耐荫性是一个复杂的综合性状。另外,由于各单项指标在花生耐荫中所起的作用不一定相同,如果直接利用单项指标来评价花生的耐荫性是不够准确的。因此,为弥补单项指标耐荫性评价的不足,需在此基础上进一步利用多元统计方法进行分析和评价。

表2 不同花生品种单项指标耐荫系数的相关系数矩阵Table 2 Correlation coefficient matrix of individual index shade tolerance coefficient of each peanut variety

2.3 不同花生品种性状主成分的特征向量及贡献率

由表3可知,前4个主成分已经包含所有考察的耐荫性评价指标的大部分信息,其累积贡献率为66.08%,因此,可以用前4个主成分进行耐荫性分析。第1主成分主要由单株荚果数、单株生产力、百果重、百仁重和荚果产量构成,携带了26.68%的信息;第2主成分主要由主茎高、侧枝长和分枝数构成,携带了17.95%的信息;第3主成分主要包括SPAD值,携带了11.21%的信息;第4主成分主要由主茎节数构成,携带了12.24%的信息。

表3 不同花生品种性状主成分的特征向量及贡献率Table 3 Characteristic vector and contribution rate of principal components of peanut varieties

2.4 不同花生品种耐荫性综合评价

2.4.1 隶属函数分析 根据公式计算不同花生品种的各综合指标的隶属函数值(表4)。在同一综合指标条件下,隶属函数变异范围为0.000~1.000,综合指标为0.000的说明在遮荫条件下,该品种对应的综合指标表现耐荫性差,反之,综合指标越接近1.000,说明在遮荫条件下,该品种对应的综合指标表现耐荫性越强。品种粤油85,第1个综合指标的隶属函数值u(X1)为1.000,表示该品种的第1个综合指标表现耐荫性最强;而花育62,第1个综合指标的隶属函数值u(X1)为0.000,表示该品种的第1个综合指标表现耐荫性差。

2.4.2 权重计算 根据各综合指标贡献率大小,用公式计算其权重(表4),4个综合指标的权重分别为0.404,0.272,0.170,0.155。

2.4.3 综合评价分析 采用欧氏距离,离差平方和法对各花生品种的综合耐荫能力进行聚类(图1),可将45个参试品种分为4大类:第1类包括8个品种,分别是粤油85、潍花9819、青兰2号、山花8号、花育32、阜花12、冀油98和冀油5号,属于强耐荫性品种;第2类包括21个品种,分别是花小宝103、花育46、徐花9号、锦花21、铁花6号、阜花11、宇花11、加拿大1号、连花7号、良青8号、百日红、农花18、赣花6号、花育34、阜花24、连花6号、远杂9102、青花6号、徐花6号、农花15和宇花9号,属于中等耐荫性品种;第3类包括11个品种,分别是日本香香、玉宝4号、阜花20、徐花3号、日本中丰、农花11、桂花5号、粤油26、冀油4号、铁花5号和中花5号,属于较弱耐荫性品种;第4类包括5个品种,分别是粤油7、濮花23、花育62、潍花6号和农花5号,属于弱耐荫性品种。

图1 45个花生品种综合耐荫能力聚类图Figure 1 Cluster diagram of comprehensive shade tolerance of 45 peanut varieties

结合D值(表4)和聚类结果将各花生品种的综合耐荫能力进行排序,耐荫性由强到弱的顺序依次为粤油85、潍花9819、青兰2号、山花8号、花育32、阜花12、冀油98、冀油5号、花小宝103、花育46、徐花9号、锦花21、铁花6号、阜花11、宇花11、加拿大1号、连花7号、良青8号、百日红、农花18、赣花6号、花育34、阜花24、连花6号、远杂9102、青花6号、徐花6号、农花15、宇花9号、日本香香、玉宝4号、阜花20、徐花3号、日本中丰、农花11、桂花5号、粤油26、冀油4号、铁花5号、中花5号、粤油7、濮花23、花育62、潍花6号、农花5号。可以看出品种粤油85、潍花9819的D值最大,分别为0.719和0.686,属于强耐荫品种;潍花6号、农花5号的D值最小,分别为0.276和0.142,属于弱耐荫品种。

表4 不同花生品种的综合指标值、权重、u(Xj)、D值及综合评价Table 4 Comprehensive index value,weight,u(Xj),D value and comprehensive evaluation of each peanut variety

2.5 逐步回归分析及耐荫鉴定指标的筛选

通过进一步分析各单项指标与花生各品种耐荫性之间的关系,筛选可靠的耐荫性鉴定指标,建立可用于花生耐荫性评价的数学模型,把耐荫性综合评价D值作为因变量,各单项指标的耐荫系数为自变量,利用逐步回归分析法建立最优回归方程:

式中:X1为主茎高;X2为侧枝长;X3为分枝数;X4为主茎节数;X5为SPAD值;X6为单株荚果数;X7为单株生产力;X8为百果重;X9为百仁重;X10为荚果产量。

由方程可知,所考察的指标中有10个指标对花生耐荫性有显著影响,分别为主茎高、侧枝长、分枝数、主茎节数、SPAD值、单株荚果数、单株生产力、百果重、百仁重和荚果产量。利用所建立的回归方程对花生耐荫性进行预测,对回归方程的估计精度进行评价(表5),结果表明各品种的估计精度均在99.85%以上,表示方程中的10个指标对花生耐荫性具有较明显的反映,该方程也可用于花生耐荫性评价。同时亦可在相同条件下测定其他品种的上述10个指标,并求得其耐荫系数,利用该方程求得耐荫性综合评价值(D值),即可预测其他花生品种的耐荫性。

表5 回归方程的估计精度分析Table 5 Analysis of evaluation accuracy of equation

2.6 不同花生品种耐荫类型的特征分析

综合聚类分析及逐步回归分析得到的结果,将不同耐荫类型的花生在遮荫及自然光照条件处理下各花生主要性状平均值列于表6,分析遮荫处理后不同耐荫类型花生品种的表现特征。

表6 聚类结果中不同耐荫类型各花生品种性状的表现特征Table 6 Performance characteristics of peanut varieties with different shade tolerance types in cluster results

第Ⅰ类(强耐荫)包括8个品种,占总数的17.78%,主要特征表现为主茎高较矮,侧枝长较长,分枝数、主茎节数和单株荚果数较多,SPAD值较高,单株生产力、百果重、百仁重和荚果产量保持在较高水平;第Ⅱ类(中耐

荫)包括21个品种,占总数的46.67%,主要特征表现为上述各指标值保持在中等水平;第Ⅲ类(较弱耐荫)包括11个品种,占总数的24.44%,主要特征表现为主茎高较高,侧枝长缩短,分枝数、主茎节数和单株荚果数较少,SPAD值较低,单株生产力、百果重、百仁重和荚果产量保持在较低水平;第Ⅳ类(弱耐荫)包括5个品种,占总数的11.11%,主要特征表现为主茎高很矮,侧枝长更短,分枝数、主茎节数和单株荚果数更少,SPAD值更低,单株生产力、百果重、百仁重和荚果产量保持在很低水平。

3 讨论与结论

本试验用遮荫网在花生花针期模拟玉米花生间作的遮荫环境,以正常光照处理作对照,对45份花生材料成熟期的农艺性状及产量性状进行研究,发现遮荫后花生植株出现主茎高增加,而侧枝长、分枝数、主茎节数、SPAD值、单株荚果数、单株生产力、百果重、百仁重减小的现象,最终导致荚果产量降低。这与前人的研究结果基本一致[9-11,13],说明荫蔽胁迫是制约花生产量的重要因子之一。因此,建立适宜辽宁省及周边地区花生耐荫性评价体系是非常必要的。

李春红等[26]为了有效的研究大豆耐荫性的评价指标,采用多元化的分析方法,以大豆各项指标的耐荫系数为基础,对其耐荫性进行了综合性评价,主要通过隶属函数分析,对各品种(系)耐荫性综合指标(D值)进行求解,并根据D值的大小对所研究的各品种的耐荫性予以判断,研究的准确性和有效性较高。前人研究证实,以各项指标的耐荫系数作为衡量耐荫性的指标,通过主成分分析、回归分析和聚类分析,运用多元分析法对作物耐荫性进行综合评价[25,27],能够比较客观地反映各品种的耐荫性。

本试验通过对不同花生品种间各项指标所得出的耐荫系数进行因子分析,计算并得出花生的耐荫性并不仅受单个或几个指标的影响,而是在形态指标(主茎高、侧枝长、分枝数、主茎节数等)、SPAD值与产量指标(单株荚果数、单株生产力、百果重、百仁重等)上均受影响,进而影响花生产量。因此,需要在各个指标基础上进一步利用多元统计方法进行分析和评价。

本试验用隶属函数统计出各品种花生的耐荫性综合评价值,将45个花生品种分为4种耐荫型,分别为强耐荫型(8个品种)、中耐荫型(21个品种)、较弱耐荫型(11个品种)和弱耐荫型(5个品种),从中可以看出,大部分花生属于中间类型,少部分为极端类型,符合正态分布,说明遮荫条件下花生在一定程度上可对荫蔽胁迫产生适应性反应,有关其适应机制有待进一步研究。另外,本试验通过对花生耐荫性与不同指标之间的关系建立了逐步回归方程:D=-1.414+0.229X1+0.215X2+0.214X3+0.476X4-0.264X5+0.030X6+0.142X7+0.374X8+0.705X9+0.255X10(R2=0.999987),并通过逐步回归方程筛选出对花生的耐荫性起到重要影响的10个指标:主茎高、侧枝长、分枝数、主茎节数、SPAD值、单株荚果数、单株生产力、百果重、百仁重及荚果产量。

综上,本试验通过主成分分析,将10个单项指标转换为4个相互独立的综合指标,代表了全部数据66.08%的信息量;利用隶属函数法计算综合耐荫评价值(D),并对其进行系统聚类,将45个花生品种按照耐荫性强弱分为强耐荫、中耐荫、较弱耐荫和弱耐荫4大类。通过逐步回归建立了花生耐荫性评价数学模型,并筛选出主茎高、侧枝长、分枝数、主茎节数、SPAD值、单株荚果数、单株生产力、百果重、百仁重及荚果产量10个指标可作为辽宁省及周边地区间作花生耐荫性鉴定的指标。

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