陳彩錦，張尚沛，師尚禮，曾燕霞，吳 娟，尚繼紅，高 婷，張 蓉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院，甘肅 蘭州 730070；2.寧夏農(nóng)林科學院固原分院，寧夏 固原 756000；3.寧夏農(nóng)林科學院動物科學研究所，寧夏 銀川 756002；4.寧夏農(nóng)林科學院植物保護研究所，寧夏 銀川 756002)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.，以下簡稱苜蓿)營養(yǎng)價值高、適口性好，具有“牧草之王”的美譽[1]，在世界范圍內(nèi)作為栽培作物或飼草廣泛種植。近幾年，隨著草食畜牧業(yè)的快速發(fā)展，寧夏南部山區(qū)(以下簡稱寧南山區(qū))優(yōu)質(zhì)苜蓿的需求量逐年攀升，種植面積也在大范圍擴增。尤其在“十三五”農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展及草畜產(chǎn)業(yè)成為自治區(qū)主導產(chǎn)業(yè)之后，寧南山區(qū)由于獨特的生境成為寧夏苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主戰(zhàn)場[2]。但是，苜蓿生產(chǎn)在該區(qū)域長期以來存在品種退化、混雜、產(chǎn)量低、抗逆性及品質(zhì)差等突出問題[3]。因此，要實現(xiàn)苜蓿的豐產(chǎn)及穩(wěn)產(chǎn)，使其在畜牧業(yè)中充分發(fā)揮作用，首先必須選育或篩選出適宜不同區(qū)域的品種[4]。而牧草新品種選育或篩選需要對品種開展區(qū)域試驗與分析，使得該品種在最適宜的區(qū)域獲得高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，以提高牧草的綜合生產(chǎn)力[5]。品種區(qū)域試驗分析的中心任務是正確把握品種與環(huán)境互作的模式[6]，GGE雙標圖(GGE biplot)是分析多因素相互作用的一種方法，常用于分析基因與環(huán)境互作關系、不同處理條件下各指標間的關系等[7]。它以圖解的方式，借助輔助線有效反映出何品種在何種環(huán)境下表現(xiàn)最好，有利于清晰鑒別出高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的品種及有效分辨力的環(huán)境[8]。GGE雙標圖在作物上應用較多，其中柴繼寬[4]、李四龍[8]、王磊[9]、尚毅[10]、王曉斌[11]、張海娟[12]、嚴威凱[13]、許乃銀[14]、張勇[15]等人利用GGE雙標圖分別對燕麥(AvenasativaL.)、花生(ArachishypogaeaLinn.)、水稻(OryzasativaL.)、甘藍型油菜(BrassicanapusL.)、馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)、大麥(HordeumvulgareL.)、大豆(Glycinemax(Linn.)Merr.)、棉花(Gossypiumspp)、小麥(TriticumaestivumL.)等作物的品種、種質(zhì)資源、雜交組合等開展了分析研究，確定出了具有適應性、豐產(chǎn)性、穩(wěn)定性的品種、資源、雜交材料及經(jīng)濟效益最高的種植密度，篩選出了具有代表性、鑒別力的區(qū)域等。GGE雙標圖在牧草方面應用主要集中在青貯玉米、飼用小黑麥等方面，其中廖正巧[16]利用GGE雙標圖分析了青貯玉米19份材料穩(wěn)定性和豐產(chǎn)性，綜合篩選出了3份高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的品種；劉晶等人[17]利用GGE雙標圖研究了4個小黑麥品種基因型與環(huán)境互作效應的穩(wěn)定性，篩選出了草產(chǎn)量最高、穩(wěn)定、營養(yǎng)品質(zhì)最優(yōu)的小黑麥新品系及其適宜種植的區(qū)域?？傊?，基因型主效應(G)加基因型與環(huán)境互作(G×E)效應的GGE雙標圖模型與變異系數(shù)法、適定性參數(shù)法、回歸分析法、高穩(wěn)系數(shù)法、加性主效應乘積交互作用(additive main effects and multiplicative interaction，AMMI)模型相比較，不僅在分析基因型與環(huán)境互作(G×E)方面具有分析結(jié)果精確的優(yōu)點，而且能鑒定篩選出高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、適應性廣的理想品種，并對試點辨別力和代表性進行篩選，對品種合理布局做出評價[18-19]。因此，本研究應用此方法對引進的6個紫花苜蓿品種在寧南山區(qū)3個不同區(qū)域的適應性、穩(wěn)定性，以及試點的代表性、區(qū)分力進行分析研究，以期篩選出性狀優(yōu)良、適應性強、穩(wěn)定性和豐產(chǎn)性高的品種及品種區(qū)域試驗的理想環(huán)境[8]，為區(qū)域苜蓿種植提供技術依據(jù)及數(shù)據(jù)參考，也為當?shù)氐牟菽翗I(yè)發(fā)展提供品種基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本概況

試驗地位于寧夏固原市原州區(qū)頭營鎮(zhèn)徐河村，原州區(qū)彭堡鎮(zhèn)彭堡三隊，以及寧夏固原市隆德縣觀莊鄉(xiāng)前莊村寧夏農(nóng)林科學院試驗基地，3個不同地區(qū)具體地理環(huán)境狀況如表1所示。

表1 試驗地地理環(huán)境狀況

1.2 試驗設計

本試驗采用隨機區(qū)組設計，留苗密度60 萬株·hm-2，試驗6個品種，每個品種設置3次重復，共18個小區(qū)，小區(qū)面積15 m2，小區(qū)行長5 m，每個小區(qū)13行，行間距25 cm，區(qū)間距80 cm，重復間距100 cm，小區(qū)四周設有保護行，人工開溝拉線條播。2015年進行試驗的建植及養(yǎng)護管理，其中E1，E2，E3試驗點土壤基礎理化性質(zhì)分別為：E1土壤類型為黃綿土，有機質(zhì)10.95 g·kg-1，全鹽含量為1.24 g·kg-1，速效氮含量為50.10 mg·kg-1，速效磷含量為10.27 mg·kg-1，速效鉀含量為243.17 mg·kg-1，耕作層pH 7.00，前茬為蕎麥；E2土壤類型為黑壚土，有機質(zhì)含量為40.60 g·kg-1，全鹽含量為0.69 g·kg-1，速效氮含量為98.00 mg·kg-1，速效磷含量為52.20 mg·kg-1，速效鉀含量為265.00 mg·kg-1，耕作層pH 7.80，前茬為冬小麥；E3土壤類型為淺黑壚土，有機質(zhì)含量為42.10 g·kg-1，全鹽含量為0.44 g·kg-1，速效氮含量為104.60 mg·kg-1，速效磷含量為73.00 mg·kg-1，速效鉀含量為318.06 mg·kg-1，耕作層pH 7.80，前茬為馬鈴薯。試驗地土壤肥力和施肥水平等同于大田生產(chǎn)，且肥力均勻。播前秋季翻耕1次，翻深20～30 cm，第二年春季解凍后旋耕耙耱各1次，基施磷酸二銨225 kg·hm-2之后播種，在整個試驗期間，均無灌溉，但由于出苗期間降雨導致板結(jié)，人工破板1次，并對試驗的斷行進行補苗1次，其余管理也等同于大田生產(chǎn)。2016—2017年進行相關產(chǎn)量指標測定，測定方法：每個品種3次重復，每重復選3個樣方，共9個樣方，樣方在初花期刈割前選擇1 m2進行刈割，留茬高度0.06～0.08 m，稱鮮重，然后自然風干并稱干重。

1.3 參試品種

參試品種共6個，品種具體名稱、代碼及來源見表2。

表2 苜蓿品種及來源

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

本試驗的相關數(shù)據(jù)的初步處理采用Excel軟件；采用GGE雙標圖對各品種和環(huán)境的最佳適應區(qū)域，品種的豐產(chǎn)性、穩(wěn)定性，以及試點的代表性及區(qū)分力進行分析；聯(lián)合方差分析采用DPS 16.5高級版統(tǒng)計分析軟件進行統(tǒng)計分析。

1.5 分析方法

GGE雙標圖最初由Gabriel提出，它有2部分構(gòu)成，分別為雙標圖和GGE[20-22]，是利用雙標圖表示基因(G)與基因環(huán)境互作(G×E)兩個因素之間的關系(G+GE)，雙標圖屬于一種2維矩陣圖，通過對含有品種環(huán)境的2維矩陣進行特征值分解(singular value decomposition,SVD)，將一個含有品種環(huán)境的區(qū)域試驗數(shù)據(jù)集進行主成分分析，其中解釋變異最多的主成分叫第一主成分(PC1)，解釋變異處于第二位的叫第二主成分(PC2)[23]。

其中在不同區(qū)域試驗中，產(chǎn)量一般由以下幾個組分組成：

Yge=μ+αg+βe+φge+εge

其中μ為總體平均值，αg為基因型主效應，βe為環(huán)境主效應，φge為基因型與環(huán)境互作效應，εge為總體誤差，Yge是基因型g在環(huán)境e中的性狀值[4]。假定地點都同等重要，則Yge減去各試點均值，就?；蛐椭餍Е羐和基因型與環(huán)境互作效應φge，合稱GGE[4]。GGE雙標圖不僅在同一個生態(tài)區(qū)域內(nèi)，同時顯示各試驗環(huán)境對品種的區(qū)分力和對目標環(huán)境的代表性，顯示各個品種的高產(chǎn)穩(wěn)定性，還在品種區(qū)域試驗中可以把環(huán)境直觀劃分為若干品種生態(tài)區(qū)，并揭示各生態(tài)區(qū)內(nèi)最適應的品種[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量表現(xiàn)

由表3可知，在3個不同的試驗區(qū)，2016—2017年2年度苜蓿品種產(chǎn)量平均值最高的試驗區(qū)是E2，為14 816.7 kg·hm-2，E3試驗區(qū)最低，為10 314.0 kg·hm-2，且前者比后者高43.7%；在參試品種中，2年度平均產(chǎn)量最高的品種是‘甘農(nóng)7號’，最低的品種是‘阿爾岡金’，前者比后者高44.9%。

表3 寧南山區(qū)2016—2017年苜蓿品種產(chǎn)量平均值

2.2 各品種的變異特性

對表4不同試驗區(qū)苜蓿品種產(chǎn)量結(jié)果聯(lián)合方差分析可知：基因型與環(huán)境互作(G×E)、環(huán)境(E)、基因型(G)內(nèi)部之間均存在顯著的差異(P<0.05)，且產(chǎn)量引起的基因(G)變異、環(huán)境(E)變異、基因型與環(huán)境互作(G×E)變異的平方和分別占總處理的平方和的12.3%，16.3%，19.4%，其中基因型與環(huán)境互作(G×E)變異是3種變異中最主要的變異。這表明，基因型與環(huán)境互作(G×E)、環(huán)境(E)、基因型(G)對苜蓿品種產(chǎn)量影響顯著，其中的基因型與環(huán)境(G×E)互作是引起苜蓿各品種產(chǎn)量之間差異的最主要原因，環(huán)境(E)因素次之，基因型(G)因素最小。

表4 品種試驗方差分析

2.3 各品種與環(huán)境的最佳適應區(qū)域

GGE雙標圖是把一些“角頂”品種的標志點用直線連接起來形成一個多邊形，把其他品種都囊括在內(nèi)，從原點起作各邊的垂線，把整個疊圖分為若干扇形區(qū)域。每個試驗地點自然落于某個區(qū)內(nèi)，每個區(qū)內(nèi)的“角頂”品種就是這個區(qū)內(nèi)在每一試驗地點上表現(xiàn)最好的品種，位于多邊形內(nèi)部，靠近原點的品種是接近平均產(chǎn)量且對環(huán)境變化不敏感的品種。如圖1所示，GGE雙標圖被劃分為3個區(qū)，設以E1，E2試點落于的扇形區(qū)為第1區(qū)，順時針旋轉(zhuǎn)依次為第2區(qū)、第3區(qū)。E1，E2落于第1扇形區(qū)，其中產(chǎn)量最高的是G3，表現(xiàn)最好，E3落于第一扇形和第二扇形的交界處，且在第二扇形區(qū)產(chǎn)量最高、表現(xiàn)最好的品種是G2，G5品種沒有地點可以落到，說明此品種在所有試驗地點表現(xiàn)均不是最好的。由于以上3個試驗地點在2個扇形區(qū)，且其中1個試驗地點落在2個生態(tài)區(qū)域的交接處，另外2個落于1個生態(tài)區(qū)，由此可以將生態(tài)區(qū)劃分為2個，以E1，E2為代表的1個，以E3為代表的1個。品種的產(chǎn)量可能跟環(huán)境溫度、降雨量等存在一定的相關性。因此，G3品種可能耐旱性較好，在寧南半干旱區(qū)產(chǎn)量表現(xiàn)較好，G2品種可能抗寒性強，返青早，從而在寧南半陰濕冷涼地區(qū)產(chǎn)量表現(xiàn)較好。

圖1 GGE雙標圖對苜蓿品種的適應性分析

2.4 品種的豐產(chǎn)性與穩(wěn)定性

在特定品種生態(tài)區(qū)內(nèi)，理想的品種既是高產(chǎn)的又是穩(wěn)產(chǎn)的。在GGE雙標圖中，X軸(第一主成分得分-PC1)代表了品種的平均產(chǎn)量，Y軸(第二主成分得分-PC2)代表了品種的穩(wěn)定性(即偏離平均產(chǎn)量的傾向)，此值越接近于0，穩(wěn)定性越好[6]。如圖2所示，參試苜蓿品種平均產(chǎn)量效應為91.5%，品種的穩(wěn)定性(PC2)效應為7.7%，且這兩個效應綜合了大部分的變異信息(99.2%)。因此，根據(jù)此結(jié)果推斷以上的分析具有一定的可靠性。圖中圓圈代表的是平均環(huán)境，經(jīng)過原點和平均環(huán)境的這條帶箭頭的直線為平均環(huán)境軸(AEC)，在平均環(huán)境軸上沿著箭頭的方向產(chǎn)量逐漸增高。且在AEC縱軸左邊的品種產(chǎn)量低于平均值，在縱軸右邊的品種產(chǎn)量高于平均值。因此產(chǎn)量從高到低依次是G3>G6>G4>G1>G2>G5，且G3，G6，G4產(chǎn)量高于平均值。AEC縱軸代表了品種的穩(wěn)定性，AEC橫軸上垂線的長短顯示品種穩(wěn)定性的大小[22]。圖2顯示，穩(wěn)定性最好的品種是G5，G4，G6，但G5品種產(chǎn)量低于平均值，是穩(wěn)定低產(chǎn)的品種，因而是表現(xiàn)最差品種；G3品種產(chǎn)量最高，但不穩(wěn)定，屬于高產(chǎn)不穩(wěn)定品種。因此綜合高產(chǎn)及穩(wěn)定性，表現(xiàn)最好的是G4，G6品種。

圖2 GGE雙標圖對苜蓿品種的穩(wěn)定性和豐產(chǎn)性分析

2.5 區(qū)分力與代表性

理想的試驗環(huán)境應當具備對目標生態(tài)區(qū)的代表性和參試品種較強區(qū)分力。反映在圖示中，理想的試點應具有較大的第一主成分值和接近于0的第二主成分值，這樣的試點能有效鑒別出高產(chǎn)且穩(wěn)定的品種[24]。圖3中的小圓圈代表的是“平均環(huán)境”，它的位置取決于各試驗環(huán)境坐標的平均值，代表目標環(huán)境，帶箭頭且通過原點和平均環(huán)境的稱為平均環(huán)境向量或平均環(huán)境軸(AEA)，各試驗點向量的長度是區(qū)分能力的度量，向量越長，對品種的區(qū)分力越強。試驗點向量與平均環(huán)境向量的角度是其對目標環(huán)境的代表性的度量，角度越小代表性越強，角度越大代表性越弱[21]，如果兩個之間的夾角為鈍角，則這個地方不適合作為試驗點，為此，平均環(huán)境軸箭頭所指方向是對試驗點區(qū)分力和代表性的綜合評價。在圖3中，3個試驗地點與平均環(huán)境軸之間的夾角都明顯小于90°，其中E2

圖3 用GGE雙標圖分析苜蓿各品種的代表性和區(qū)分力

3 討論

產(chǎn)量是飼草作物生產(chǎn)潛力評價最有效的方法和飼草生產(chǎn)中的重要指標[25]。在本研究中，2年度苜蓿平均產(chǎn)量最高的地點是E2，比E1，E3地點高12.5%，30.38%，最高的品種是‘甘農(nóng)7號’，比產(chǎn)量最低品種‘阿爾岡金’高31.0%。以上不同品種在不同區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)量表現(xiàn)存在一定的差異，主要是因為品種與環(huán)境之間存在著一個適應性問題，不同的品種控制其產(chǎn)量的基因不同，外界因素的影響在不同的試點有選擇的進行表達，這與前人的研究結(jié)果相符[26]。同一個品種在不同區(qū)域的表現(xiàn)也存在差異，在本研究中，同一品種在3個試點產(chǎn)量最大相差21.6%～51.0%，這表明一個品種產(chǎn)量表現(xiàn)除自身的基因(G)決定之外，環(huán)境(E)、基因型與環(huán)境的交互作用(G×E)也起關鍵作用。本研究中基因型(G)、環(huán)境(E)、基因型與環(huán)境的交互作用(G×E)對產(chǎn)量的影響均表現(xiàn)為顯著，且基因型與環(huán)境的交互作用(G×E)影響最大，這與孫萬斌等人[27]的研究結(jié)果相符。因此，在種植品種的選擇中，需根據(jù)品種的特性因地制宜選擇具體的環(huán)境，只有將品種與環(huán)境耦合起來，才能最大限度的發(fā)揮地域優(yōu)勢及品種的生產(chǎn)潛力。

精確的試點對于品種評價至關重要。一個合適的試點決定了一個品種的適應性、推廣價值和利用價值。本研究中利用GGE雙標圖模型將3個試點劃分為2個不同的生態(tài)區(qū)域，其中E1，E2為1個，E3為1個。這與當前的具體實際環(huán)境存在一致性，其中E1，E2位于寧南半干旱區(qū)域，E3位于寧南半陰濕冷涼區(qū)域。E1，E2試點同一品種的產(chǎn)量也存在較大的差異，這可能是因為以上2個區(qū)域降雨量雖然相同，但其余氣候因子、土壤因子及生物因子等還存在差異，或者是因為同一品種受2個地區(qū)相同環(huán)境的影響程度不同，從而產(chǎn)量存在較大差異，以上可能原因還有待于進一步研究確定。試點的選擇既要考慮對各產(chǎn)區(qū)環(huán)境的代表性，也要考慮對品種差異的區(qū)分能力[4]。利用GGE雙標圖對本研究中3個試點的代表性和區(qū)分力進行分析可知，E2的代表性最好，但區(qū)分力最差，E1的代表性處于3個試點的第2位，但區(qū)分力最好，E3代表性最差，但區(qū)分力處于3個試點的第2位。E2試點因?qū)ζ贩N沒有區(qū)分力，此試點作用不大，可以淘汰，E3有一定的區(qū)分能力但代表性不強，可以用于淘汰G3等不穩(wěn)定品種，但不能用于優(yōu)良品種的選擇，因此3個試點中最理想的試點是E1。以上試點出現(xiàn)代表性很好，但對品種沒有區(qū)分力的原因可能是包括環(huán)境因素在內(nèi)其它因素引起的，因此對于品種對試點的適應需進行多年多點試驗研究。

豐產(chǎn)性和穩(wěn)定性也是決定一個品種是否有推廣利用價值的重要指標。在本研究中，利用GGE雙標圖模型，篩選出了飼草高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的品種G4和G6，也篩選出了在E1試點高產(chǎn)的品種G3，同時也得到了一個結(jié)果，豐產(chǎn)性和穩(wěn)定性之間存在一定差異，本研究中最穩(wěn)定的品種G5產(chǎn)量最低，是穩(wěn)定低產(chǎn)的品種。因此，在寧南山區(qū)大范圍推廣應用的品種首選G4和G6。但在局部半干旱區(qū)域，G3品種也是一個很好的選擇?？傊瑸槭蛊贩N的區(qū)域布局合理化，發(fā)揮增產(chǎn)潛力，應對品種最佳適應區(qū)域進行分析[28]。

以上僅為苜蓿品種建植后2年的數(shù)據(jù)，結(jié)果在當?shù)鼐哂幸欢ǖ膮⒖純r值，但需進一步試驗驗證。同時品種的適應性還需綜合分析品種生育期、農(nóng)藝性狀、抗逆性、抗病性等方面，環(huán)境因素還需分析各試驗點土壤理化性質(zhì)等方面，這些研究將在后續(xù)進一步開展。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，基因型(G)、環(huán)境(E)、基因型與環(huán)境互作(G×E)3者引起的變異對苜蓿各品種產(chǎn)量的影響顯著，但基因與環(huán)境互作效應是引起變異的最主要原因。同時利用GGE雙標圖模型分析可知，在寧南山區(qū)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的苜蓿品種是‘三得利’和‘苜蓿王’；試點頭營鎮(zhèn)徐河村和彭堡鎮(zhèn)彭堡三隊生態(tài)區(qū)相似，與觀莊鄉(xiāng)前莊村不同，最理想試點為頭營鎮(zhèn)徐河村。