赤峰市敖汉旗谷子品种主要农艺性状与产量关系的主成分分析及综合评价

李欣　李海东　李小平　闫立伟　黄硕　张葳葳　张岚

摘 要 为研究谷子主要农艺性状与产量的关系、筛选优质高产的谷子品种，从20个品种中初步筛选出适合内蒙古赤峰市敖汉旗种植的优良谷子品种6个，并采用主成分分析法对6个谷子品种的10个性状表现进行分析。结果表明，4个主成分方差累计贡献率达80.374%，主成分1的贡献率最高，为33.583%。主成分标准化特征值说明，第1主成分反映品种的增产信息，归为产量因子；第2主成分反映品种的株高、直径生长特征信息，归为生长因子；在第3主成分反映品种的成熟度信息，归为物候因子；第4主成分反映品种自身丰产性信息，归为品种因子。由主成分分析因子得分和综合得分可知，赤优金苗1、赤优金苗4、赤谷K1、金苗K1、峰红4可作为优势品种于敖汉旗推广种植，黄金苗不适宜在当地大面积推广种植。

关键词 谷子品种；农艺性状；产量；相关性分析；主成分分析；内蒙古赤峰市敖汉旗

中图分类号：S515 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.08.004

谷子是粟类作物的一种，学名粱（Setaria italica），起源于中国，为一年多生禾本科狗尾草属草本植物，在我国有悠久的栽培历史[1]。谷子营养价值丰富，富含维生素、氨基酸和矿物质[2]。目前，我國谷子种植面积约为140万hm2，年产量约为450 t，种质保存量居世界首位[3-4]。

内蒙古赤峰市谷子种植面积近20万hm2，敖汉旗占1/3以上。凭借积温高、温差大等气候优势条件，敖汉旗生产的谷米品质优良。然而，近几年由于品种繁杂、栽培技术不完善等，谷子种植丰产不优质、优质不高产等问题相继出现，制约了当地谷子产业的发展。因此，筛选高产优质的品种、引领地区科学化产业化种植一直是敖汉旗的研究重点，对于敖汉旗谷子产业的发展具有重要意义。

谷子的各种农艺性状受品种遗传特性、栽培方法、环境条件等多种因素影响[5-6]。目前，对谷子农艺性状的研究主要是采用相关分析、主成分分析、聚类分析、通径分析等方法，分析不同谷子品种的株高、穗长、穗粒数等农艺性状与产量的关系[7-9]。本文主要采用主成分分析法对6个谷子品种的10个农艺性状进行研究，分析主要农艺性状与产量的关系，为谷子高效合理栽培、筛选适宜敖汉旗种植的优良品种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间和地点

供试材料分别于2020年、2021年、2022年5月上旬在敖汉旗播种，6个供试品种分别为赤谷K1、赤优金苗1、赤优金苗4、峰红4、黄金苗、金苗K1。对照品种为传统品种黄金苗。试验周期为3年。试验地地势平坦，肥力均匀。

1.2 试验设计和计算方法

1.2.1 试验设计

采用随机区组排列，设6个处理，每个处理3次重复，小区面积为20 ｍ2；大小行距为60 cm、40 cm，株距10 cm。整个生育期内，于谷子成熟期每小区选取中间段15株（取主茎株）进行室内考种，分别记录不同品种的10个农艺性状，取平均值。

农艺性状测量方法参照《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南谷子》（NY/T 2425—2013）：生育期为从出苗到谷穗完熟期之日的天数；株高为所取植株从茎基部到穗基部第一码着生点的长度；茎秆直径为茎秆基部第三生长节节间的直径；穗长为穗从基部第一码到尖端的长度；穗直径为穗中部的直径；单穗质量为单穗的测量质量；穗粒质量为单穗籽粒数的质量；千粒重为1 000个谷粒的质量；出谷率为单穗所获粒质量占单穗质量的百分比；产量为将小区内所收获的谷穗风干至恒质量时，脱粒称质量，并折算成每公顷的产量。

1.2.2 计算方法

主成分分析法是利用降维的思想，把多个变量指标转化为几个主要指标，从而综合衡量整体的方法。通过主成分分析，可提取若干个主分量，并基于主分量的方差贡献率得到权重，建立综合评价函数模型[10-13]。

通过计算每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。

主成分分析方法的具体步骤如下。

1）提取特征值大于1的主成分，并以此为分析对象，分析与产量相关的影响因子。

2）根据戴丽君等人研究方法得出主成分系数矩阵，公式为[11]

式中：Ui为主成分i的系数矩阵；ai为单位向量分量；λi为各成分提取因子特征值[14]。

3）根据主成分系数矩阵，计算各主成分因子得分，公式为

式中：Zx为各性状原始数据标准化后矩阵。

4）计算每个主成分的方差贡献率，公式为

式中：ti为各成分方差贡献率[9、11、15]。

1.3 数据处理

数据采用Microsoft office Excel 2007和SPSS27.0软件进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同谷子品种农艺性状的差异性分析

如表1所示，不同谷子品种的667 m2产量处于326.03～

486.21 kg，且存在差异性。赤优金苗1 667 m2产量最高，为486.21 kg，与其他5个品种的产量存在显著差异；对照品种黄金苗667 m2产量最低，为326.03 kg。

6个谷子品种的生育期在110.02～116.01 d，其中赤优金苗4和黄金苗的生育期较短，分别为110.02 d和113.01 d，熟期为早熟；赤谷K1、赤优金苗1和峰红4的生育期最长，为116.01 d，熟期偏中早熟。

不同品种的株高差异很大，在132.10～166.93 cm，峰红4株高最高，为166.93 cm，与黄金苗差异不显著，与其他品种差异显著。不同品种的茎秆直径为6.08～10.40 cm，差异显著。不同谷子品种穗长集中在19.53～28.47 cm，穗直径集中在19.40～24.59 cm，单穗质量分布在12.39～16.42 g，单穗粒质量分布在8.12～11.97 g。

6个谷子品种出谷率在65.72%～78.04%，千粒重在2.52～3.35 g。

通过计算各品种的变异系数得知，不同品种离散系数为2.16%～17.28%。离散系数大小依次为茎秆直径＞667 m2产量＞单穗粒质量＞穗长＞单穗质量＞千粒重＞穗直徑＞株高＞出谷率＞生育期，说明穗直径、株高、出谷率、生育期等性状的离散系数较小，较不易被改变；而茎秆直径和单穗粒质量离散系数大，表明不同谷子品种的单穗粒质量、茎秆直径变异较丰富，可以通过增施钾肥等方法，使其有一定的提高。

2.2 不同谷子品种主要农艺性状的相关性分析

如表2所示，谷子不同性状间的相关系数差异明显。其中，667 m2产量与单穗质量、千粒重呈显著正相关，与单穗粒质量、出谷率呈极显著正相关，说明随着单穗粒质量、出谷率、单穗质量的增加，667 m2产量也会随之提高。因此，在提高谷子产量时，可以从提高单穗粒质量入手。此外，株高与茎秆直径呈显著正相关，穗直径与茎秆直径呈显著负相关，穗直径与出谷率呈极显著负相关，单穗质量与单穗粒质量呈极显著正相关，单穗粒质量与出谷率呈显著正相关。这说明株高越高、茎越粗，出谷率越高，单穗粒越重，667 m2产量越高。同时，说明各农艺性状之间具有相互促进和制约的作用，是一个有机的整体，缺一不可。

2.3 不同品种谷子主要性状的主成分分析

主成分分析结果如表3所示。在所有的主成分中，信息主要集中在4个特征值大于1的主成分上。其中，主成分1贡献率最高，为33.583%。这4个主成分累计贡献率达80.374%，因此可以作为谷子品种主要农艺性状概括的绝大部分信息。

主成分初始因子荷载成分矩阵中，载荷系数认为是原始指标与各主成分之间的相关系数。由表4可知，在主成分1的特征向量中，667 m2产量载荷最高且为正值，为0.826，载荷较高的性状分别是单穗粒质量、单穗质量、出谷率、千粒重，特征向量值均为正值，分别为0.872、0.700、0.733、0.592。可知决定第1主成分大小的主要是这5个因子，可以归为产量构成因子，是谷子产量的综合评价首要指标。在提升谷子产量时，可考虑通过灌浆期增施钾肥和硼钼肥，促进谷子有机物积累，进而提高单穗粒质量、千粒重、667 m2产量。

由表4可知，在主成分2的特征向量中，载荷较高且为负值的是株高和茎秆直径，特征向量值分别为-0.645、-0.743；载荷高且为正值的是穗直径，特征向量值为0.686。主成分2可以归为谷子的生长因子，体现谷子的生长特性。谷子株高、茎秆直径是谷子营养生长阶段的表现，而过多的营养生长会抑制生殖生长，进而影响产量。因此，在谷子栽培管理中，可通过前期中氮、高磷、低钾的施肥方式，在培育壮苗的同时防止前期徒长，确保株高、茎秆直径控制在较为合适的水平。控制株高和茎秆直径的过度生长，还可间接提高抗倒伏性，从而增加谷子的产量。

由表4可知，在主成分3中，载荷较高且为正值的是生育期，特征向量值为0.520。因气候因素的影响，生育期会延长或缩短，因此主成分3可以归于气候因子。特征值为正值，说明生育期越长，干物质积累越多，产量会有相应的提升。在生产中，地域不同，气候不同，因此要结合地域的气候特点，在适当增加生育期天数以获取更高产量，同时满足品种成熟的温度要求。

由表4可知，在主成分4的特征向量中，载荷最高的是穗长，特征向量值为-0.786，说明穗长为主成分4的主要构成因素。在实际谷子生产中，穗长在一定程度上影响产量的提升，也影响其他农艺性状。因此，研究穗长对品种的综合影响也具有一定意义。

2.4 主成分系数矩阵和综合系数矩阵

以初始因子主成分矩阵中各分量的系数除以相应特征值平方根，进一步将初始因子载荷矩阵转换为主成分标准系数矩阵，结果如表5所示。由表5可知，各农艺性状指标主成分得分排序为单穗粒质量＞单穗质量＞667 m2产量＞株高＞千粒重＞出谷率＞生育期＞穗直径＞茎秆直径＞穗长，说明单穗粒质量、单穗质量作为产量构成因子，对产量的影响最大，起主要作用。这与张霞等、任芹勇等的研究结果一致[8，14]。而其他农艺性状指标数值与单穗粒质量、单穗质量差异较大，对产量的影响起次要作用。

2.5 主成分因子得分及综合评价

各主成分因子得分及综合得分见表6。根据结果可以看出，赤优金苗1的综合得分最高，为0.82；赤优金苗4次之，为0.53。赤谷K1、峰红4、金苗K1位于其后，得分最低的是对照品种黄金苗，为-1.09。黄金苗作为种植面积较大的品种，综合性状优势已经不明显。赤优金苗1、赤优金苗4、赤谷K1、峰红4和金苗K1为综合性状优势品种，可加大推广力度，增加当地品种选择多样性。

3 结论与讨论

3.1 结论

6个谷子品种产量差异显著，说明在选择品种时，产量为评定品种的重要因素。在产量构成因子的主成分分析中显示，提取的4个主成分可概括为谷子品种主要农艺性状的大部分信息，累计贡献率达80.374%。主成分1贡献率最高，为33.583%，主要显示谷子的产量及产量构成因子信息，结合主成分农艺性状权重系数得分可知，单穗粒质量、单穗质量、千粒重、出谷率在主成分分析中对产量影响较大，说明可通过优化田间管理来提高穗粒质量、单穗质量、千粒重，进而实现最终产量的提高。

根据对6个谷子品种农艺性状主成分因子综合得分及综合评价，筛选出适宜在敖汉旗大面积示范和推广的品种，依次为赤优金苗1、赤优金苗1、赤谷K1、金苗K1、峰红4。黄金苗产量及综合评价得分较低，已经不适宜在敖汉旗作为主要推广品种。

3.2 讨论

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技术支撑作用。同时，评价一个品种不仅要看产量水平，还要兼顾品种的品质、倒伏、抗病性、适应性、口感、消费者喜爱度等多种指标。在本实验的基础上，可对肥水需求、种植密度等栽培因素对谷子产量的影响进行进一步研究，为筛选优质高产谷子品种提供理论支撑。

参考文献：

[1] 王丹丹，孙宇燕，金砾，等.谷子农艺性状相关性与食味品质分析[J].内蒙古农业大学学报（自然科学版），2015，36（4）：29-37.

[2] 王纶，王星玉，温琪汾.优质谷子品种选育与高产栽培技术[J].山西农业科学，2008，36（11）：53-56.

[3] 闫锋，崔秀辉，李清泉，等.谷子主要农艺性状的遗传参数分析[J].黑龙江农业科学，2010（3）：28-30.

[4] 刘正理，程汝宏，张凤莲，等.同密度条件下3种类型谷子品种产量及其构成要素变化特征研究[J].中国生态农业学报，2007，15（5）：135-138.

[5] 王欢欢，贾亚涛，许鹏飞，等.谷子主要农艺性状与产量的关系[J].山西农业科学，2014，42（7）：657-659.

[6] 袁峰，杨慧卿，王军，等.谷子产量相关性状的主成分分析[J].河北农业科学，2010，14（11）：112-114.

[7] 栾素荣，王占廷，李青松.谷子产量与主要农艺性状的灰色关联度分析[J].河北农业科學，2010，14（11）：115-116.

[8] 张霞，冯永忠.神木县不同谷子品种主要农艺性状及产量分析[J].西北农业学报，2017，26（1）：32-37.

[9] 邓维斌，周玉敏，刘进，等.SPSS 23（中文版）统计分析实用教程[M].2版.北京：电子工业出版社，2017.

[10] 赵朋飞，刘俊，胡少敏.基于SPSS软件的主成分分析法在水质评价中的应用[J].科技创业月刊，2016，29（10）：119-121.

[11] 戴丽君，周花，李永平，等.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[J].安徽农业科学，2021，49（14）：43-47.

[12] 游俊梅，陈能刚，陈惠查，等.优质香稻黔香优302农艺性状与产量的相关性分析[J].种子，2010，29（7）：80-82.

[13] 亓振，赵广才，常旭红，等.小麦产量与农艺性状的相关分析和通径分析[J].作物杂志，2016（3）：45-50.

[14] 任芹勇，任月梅.春播早熟区谷子主要农艺性状相关和通径分析[J].内蒙古农业科技，2004（1）：13.

[15] 张玉．SPSS软件和主成分分析法在牧草营养价值评价中的应用[J].安徽农业科学，2012，40（12）：7186-7188.

（责任编辑：刘宁宁）

收稿日期：2024-03-10

作者简介：李欣（1987—），硕士，农业技术员，主要从事作物生产技术指导。E-mail：15049938639@163.com。