11个谷子新品种渗水地膜穴播种植主要农艺性状的主成分分析

戴丽君 周花 李永平 虎德钰

摘要 采用随机区组设计，对11个谷子品种进行渗水地膜穴播种植比较试验，并进行主要性状指标相关分析和主成分分析。结果表明，品种间产量差异显著;主要性状以穗长、穗重和穗粒重变异系数较大;相关系数由大到小依次为穗重、生育期、穗粗、穗粒重及穗长;以主成分的方差贡献率作为权重，其中第一主成分占36.988%，第二主成分占25.544%，第三主成分占14.760%，合计贡献率达77.29%;主成分标准化特征值说明，第一主成分解释了品种的丰产性和稳定性等性状指标信息，第二主成分反映品种的增产性因子信息，第三主成分反映了品种生态适应性对株高、成熟度等因子信息。筛选出适宜在当地气候和不同生产条件下种植的4个品种可大面积种植。

关键词 谷子品种;地膜穴播;农艺性状;主成分分析

中图分类号 S 515  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）14-0043-05

Abstract A randomized block design was used to conduct a comparative experiment on 11 foxtail millet varieties by hole planting with water seepage and plastic film，and the correlation analysis and principal component analysis of main characters were conducted.The results showed that there were significant differences in yield among varieties;the variation coefficients of spike length，spike weight and grain weight per spike were larger;the correlation coefficients from large to small were spike weight，growth period，ear diameter，grain weight per spike and ear length;the variance contribution rate of principal components was taken as weight，in which the first principal component accounted for 36.988%，the second principal component accounted for 25.544%，the third principal component accounted for 14.760%，and the total contribution rate was 77.29%;the standardized eigenvalues of principal components showed that the first principal component explained the information of yield and stability，the second principal component reflected the information of yield increasing factor，and the third principal component reflected the information of ecological adaptability to plant height maturity.Four varieties suitable for planting in local climate and different production conditions were selected，which could be planted in large area.

Key words Varieties of millet;Hole sowing of plastic film;Agronomic characters;Principal component analysis

基金項目 “科技支宁”东西部合作产业扶贫“六盘山特困区小杂粮精准扶贫技术集成示范”（2018BFF020）;宁夏科技成果推广项目“宁夏贫困区小杂粮高效种植技术示范与推广”。

作者简介 戴丽君（1983—），女，宁夏西吉人，农艺师，硕士，从事农业科技研究与示范工作。*通信作者，研究员，从事旱区节水农业、旱区耕作制度与种植业结构优化及水资源高效利用研究与示范工作。

收稿日期 2020-09-09

谷子是我国北方主要特色杂粮作物，产量水平受制于遗传特性对环境因素的适应性和选择性。不同谷子品种生长发育对当地气候资源和生产条件选择性较强。因此，研究谷子品种对水、肥和气候资源合理利用是不断提升作物生产力水平的重要措施，品种主要农艺性状指标与产量、生育期、抗旱性和抗病性密切关联。笔者研究引进品种在典型半干旱区干旱气候条件下，采用渗水地膜精量穴播种植技术，对品种生态适应性多项生理生态指标进行测定，对主要农艺性状进行相关分析、主成分分析和综合评价，筛选出适合当地种植的优良品种，对促进谷子特色杂粮产业发展具有重要的科技支撑作用。

1 材料与方法

1.1 试验材料 2019年引进11个谷子品种， 其品种为冀杂金谷、黄金苗、陇谷13、小红谷、晋谷40、白良谷、九枝谷、糯谷子、金苗K1、陇2129、张杂谷13。

1.2 试验地概况

试验在宁南山区的彭阳县城阳乡涝池村进行，该地点为我国北方半干旱区长期建立的国家旱农试验区。前茬作物为旱地玉米，地力中等。海拔1 670 m，≥10 ℃积温2 500～2 800 ℃，无霜期150 d左右，年均降水量450 mm，属典型半干旱地区。

1.3 试验设计 采取随机区组设计，每个品种设大区种植和小区控制相结合方法，大区面积为480 m2，小区面积160 m2，重复 3 次，每重复取样测定控制面积为3.75 m2，田间调查和室内考种按统一方案进行，各性状均为均值。

参试品种全部采用渗水地膜穴播种植技术，渗水地膜规格为1 300 mm×0.008 mm，田间覆膜后宽幅为110 cm，人工覆膜方式。采用专用穴播机进行播种，每个覆膜带种植3行。平均行距为40 cm、株距为10 cm，20.05万穴/hm2，各品种田间实际植株生长密度以定苗后调查数据为准。试验于4月27日，播前整地时结合田间机耕或旋耕作业一次性基施磷酸二铵225  kg/hm2和尿素150 kg/hm2，抽穗期遇降水追施尿素150 kg/hm2。苗期及时放苗、补苗和除草等。9月27日成熟，对收获小区植株进行风干脱粒折算产量，并取中间行15株进行主要性状考种。

1.4 调查项目与方法 田间记载品种生育期、分蘖成穗率、苗期叶片（茎）颜色和田间长势等，同时观察后期抗旱性、抗倒伏、抗病性和成熟性等。成熟随机取中间行2 m长样段全部植株，其中15株主茎（穗）进行农艺性状考种，然后将剩余样段内的穗数进行脱粒，求得单穗考种平均值。表1为每个品种15株单株主茎数据。主要指标包括生育期、株高、穗长、穗重、穗粒重、有效穗数、出谷率、千粒重和产量等。

1.5 数据分析 试验数据采用SPSS 25软件和Excel 2010统计完成品种的主要性状变异系数和主成分分析[1-2]。

2 结果与分析

2.1 主要性状变异系数 由表1可知，11个谷子品种主要经济性状由于受遗传基因的控制，表现在相同的气候资源和生产条件下，其主要经济性状差异显著，变异系数为8.0%～20.8%，變异系数较高的依次为穗长（21.9%）、产量（20.8%）、穗粒重（14.3%）、穗重（13.7%）和株高（12.4%），变异系数较小的为千粒重、穗粗、出谷率和生育期。

2.2 主要性状相关性

由表2可知，生育期、有效穗数、穗粗与产量呈极显著正相关（ P<0.01），R2 =0.842～0.591;穗重与穗粒重，穗重与出谷率，穗粒重与出谷率达极相关显著（ P<0.01），R2 =0.566～0.993，而穗长与穗粗、出谷率及产量呈负相关显著（ P<0.05），R2 =-0.438～-0.634。说明谷子品种在适宜生育期范围内，不同品种在地力水平和生产条件基本一致的情况下其生产能力相差悬殊，决定品种产量水平的主要性状取决于穗重、穗粒重、穗粗和穗数指标的变化。同时产量水平亦与品种后期抗旱性、抗病性和抗倒伏密切相关。

2.3 主成分分析

主成分分析（principal components analysis，PCA）是利用因子降维的思维，以SPSS软件对因子分析组件进行主成分分析，在损失较少信息的前提下将多个指标集中转化为综合指标的多元方法[3-5]，其核心是通过主成分分析，提取若干个主分量，并基于主分量的方差贡献率构建权重，从而建立综合评价函数模型[1-2]。计算得到某个主成分的得分和综合得分，按照得分高低进行排序以评价各品种的综合性状指标。

2.3.1 原始数据标准化。原始数据标准化：

2.3.2 提取主成分特征值。主成分提取特征值和贡献率[1，5，7]。

Wi=λini=1λ1（2）

其中，Wi表示贡献率，λi表示非负特征向量，i=（1，2，…，p），p表示非 负特征根数。由此提取出性状各成分的特征值和因子载荷贡献率和总贡献率。

从主成分分析的特征值（表 4）可以看出，根据提取主成分特征值大于1的原则，以主成分的方差贡献率  ak 作为权重，其中第一主成分占36.988%，第二主成分占25.544%，第三主成分占14.760%，累计贡献率为 77.293%，其特征值具有较高的载荷量。因此，提取的3个主成分可以概括谷子品种主要经济性状的绝大部分信息。

2.3.3 初始因子荷载矩阵。

主成分初始因子荷载成分矩阵[1]，其中载荷系数认为是原始指标与各主成分之间的相关系数。由主成分的碎石图，结合特征根曲线的拐点及特征值，前3个主成分的折线坡度趋势由陡度逐渐趋于平缓变化过程，说明提取3个主成分为宜，即得初始因子载荷成分矩阵（表5）。

2.3.4 确定主成分各性状标准化特征向量。

表5为旋转前初始因子载荷成分矩阵，并不是主成分标准系数向量，需进一步对旋转前初始因子载荷矩阵转换为主成分标准化特征向量矩阵。方法以因子载荷矩阵中各分量的系数为单位特征向量乘以相应特征值平方根的结果[1]。主成分标准化特征系数向量[1]公式：

tij=aij/λi （3）

其中，aij表示单位向量分量（表3）。λi为各成分提取因子特征值，λ1=3.699，λ2=2.554，λ3=1.476 ，利用因子分析的结果进行主成分分析。

对表5用公式（3）分别计算主成分性状特征值对应的系数矩 阵t1、t2、t3 （表6）。其转换方法：将 Z1、Z2和Z3 值输入SPSS数据编辑窗口中，步骤：打开“转换→计算变量”，3个变量依次命名为 t1、t2和t3， 并分别输入提取3个主成分因子载荷特征值3.699、2.554和1.476，得主成分各性状特征值对应的系数矩阵（表6）。

由表6可知，第一主成分标准化特征主要反映品种的丰产性和稳定性。其有效穗数、穗粗和产量的因子信息，其中产量、穗数和穗粗特征值向量分别为0.471、0.468、0.466，说明有效穗数和穗粗与产量呈正显著相关;第二主成分主要反映品种的增产性对穗重、穗粒重和出谷率等因子信息。其中穗粒重、穗重和出谷率特征向量值分别为0.603、0.591和0.451，反映穗重、穗粒重和出谷率与产量呈正相关;第三主成分反映谷子品种适应性对株高和成熟性影响因子信息。其中千粒重和株高特征向量值分别为0.710和0.618。说明作物品种生态适应性是决定能否在该地区推广应用至关重要，作物株高在一定程度上可反映品种的抗旱性和抗逆性，进而灌浆速度和成熟度决定千粒重对产量的贡献程度。

2.3.5 主成分分析及综合评价。

将主成分性状标准化特征向量（表6） t1、t2和t3值 分别与主要性状原始数据标准化矩阵Zx值的乘积[1，8-10]，即可得到3个主成分的得分。

Yi=Zx×t（4）

式中，Zx为各性状原始数据标准化后矩阵（表3），t为主成分特征值 对应的系数矩阵（表6）。利用Excel统计完成3个主成分的得分线性组合：

y1=0.356X1-0.167X2-0.358X3+0.466X4+0.035X5+0.044X6+0.468X7+0.221X8+0.080X9+0.471X10

y2=-0.265X1+0.063X2-0.024X3-0.056X4+0.591X5+0.603X6-0.072X7+0.451X8+0.028X9+0.016X10

y3=-0.154X+0.618X2+0.120X3+0.072X4-0.004X5-0.027X6+0.141X7-0.147X8+0.710X9+0.167X10

由线性组合得 第一主成分（y1）、第二主成分（y2）和第三主成分（y3）。 同时以每个主成分的方差贡献率 ak 作为权重，完成主成分得分和综合因子得分及排序（表7），综合因子得分： Y=0.369 9y1+0.255 4y2+0.147 6y3 。

根据函数值大小进行依次排序的原则，对11个谷子品种主成分得分 y1、y2、y3和y综 合得分及排序。表7表明，经过对11个谷子品种农艺性状进行主成分分析和综合得分及综合评价，筛选出适宜在半干旱区可进行大面积示范和推广的4个品种，依次为晋谷40（1.131）、张杂谷13（0.896）、白良谷（0.761）和陇谷13（0.528），排列最后一位为陇2129（-1.688），其余品种均不适应在该地区推广应用。

3 结论与讨论

3.1 渗水膜穴播种植模式增产潜力显著 该试验结果表明，晋谷40产量为7 954.5 kg/hm2，张杂谷13对照（CK）产量为 6 679.5 kg/hm2，白良谷为5 376.0 kg/hm2和陇谷13为5 286.0 kg/hm2，晋谷40较对照品种增产19.1%，白良谷和陇谷13较对照品种减产20.6%，品种间产量差异显著。主要性状变异系数分析表明，谷子品种穗长、穗重和穗粒重变异系数较大。除品种遗传特性对性状参数影响外，谷子品种可通过采用现代节水高效种植技术，改善栽培措施等方法使性状值得到较大幅度的提高，从而提升作物生产能力和收益率。

3.2 主成分分析及综合评价方法科学

第一主成分标准化特征主要反映品种的丰产性和稳定性。其有效穗数、穗粗和产量的因子信息，其中产量、穗数和穗粗特征值向量分别为0.471、0.468、0.466，说明有效穗数和穗粗与产量呈显著正相关;第二主成分主要反映品种的增产性对穗重、穗粒重和出谷率等因子信息，其中穗粒重、穗重和出谷率特征向量值分别为0.603、0.591和0.451，说明穗重、穗粒重和出谷率与产量呈正相关;第三主成分反映谷子品种适应性对株高和成熟性影响因子信息，其中千粒重和株高特征向量值分别为0.710和0.618。说明作物品种生态适应性决定能否在该地区推广应用，作物株高在一定程度上可反映品种的抗旱性和抗逆性，进而灌浆速度和成熟度决定千粒重对产量的贡献程度。

对11个谷子品种农艺性状进行主成分分析和综合得分及综合评价，筛选出适宜在半干旱区可进行大面积示范和推广的4个品种，依次为张杂谷13、白良谷、陇谷13和晋谷40（适合在中部干旱带有补充灌溉区种植）。主成分分析方法能较全面地评价谷子品种的优劣，对在生产中综合判断和选择优良品种具有重要科技支撑作用。

3.3 建议

评价一个品种不仅要看产量水平，更要全面考察品种的丰产性、增产性、稳定性、抗逆性和生态适应性等多项指标，要经受多种干旱气候年份的考验才能科学评价品种的优劣。由于2019年为丰水年份早霜来临较迟，冀杂金谷、晋谷40和金苗K1等晚熟品种基本正常成熟，但在生产中仍有一定的风险性。如晋谷40属晚熟品种，生育期达142 d左右，在半干旱区旱地种植风险性较大，建议在宁夏中部干旱半干旱區的引黄灌溉区推广种植。张杂谷13、白良谷和陇谷13属中早熟品种，在半干旱区可进行大面积种植推广。

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