張子豪 李想成 吳昊天 付鵬浩 高春保 張運(yùn)波 鄒娟

摘要：為評(píng)價(jià)和篩選出適宜江漢平原種植的豐產(chǎn)高效小麥品種，以34個(gè)近年在湖北省內(nèi)大面積種植且具有高產(chǎn)潛力的品種為試驗(yàn)材料，以灰色關(guān)聯(lián)度分析和聚類分析對(duì)其產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素、農(nóng)藝性狀及氮肥利用率各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，以灰色關(guān)聯(lián)度分析計(jì)算的綜合評(píng)價(jià)值的排序結(jié)果與各品種產(chǎn)量排序結(jié)果存在一定差異，排名的變化幅度因品種而異。通過聚類分析將34個(gè)供試品種分為氮低效、氮中效、氮高效3個(gè)類群，其中氮高效類群占供試品種的50%，這類品種多數(shù)在灰色評(píng)價(jià)值和產(chǎn)量排序中占據(jù)較靠前的排名。綜合灰色關(guān)聯(lián)度分析和聚類分析結(jié)果，篩選出DH16、川麥104、鄂麥170、淮麥35和蘇麥188等5個(gè)品種為適宜在江漢平原推廣種植豐產(chǎn)高效小麥品種。

關(guān)鍵詞：小麥;綜合評(píng)價(jià);品種篩選;灰色關(guān)聯(lián)度分析;聚類分析

中圖分類號(hào)：S512.103.7 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2022）10-0194-07

小麥?zhǔn)俏覈鴥H次于水稻的第二大糧食作物，湖北省常年種植面積和總產(chǎn)量分別穩(wěn)定在110萬hm2和420萬t左右，居全國小麥種植面積及總產(chǎn)量的第6位和第7位[1]。江漢平原作為湖北省小麥主產(chǎn)區(qū)之一，耕地面積占全省小麥播種面積的30%左右，小麥總產(chǎn)量占全省的24%左右。但該地區(qū)小麥產(chǎn)量水平低，較全省平均水平低21%，較全國平均水平低34%[1-2]。小麥品種質(zhì)量參差不齊是導(dǎo)致小麥產(chǎn)量低下的主要原因之一[3]。科學(xué)合理地評(píng)價(jià)及篩選出適宜江漢平原種植的豐產(chǎn)高效小麥品種，對(duì)提高江漢平原小麥產(chǎn)量具有重要意義。

與傳統(tǒng)方差分析或回歸分析等僅以單一指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)的分析方法相比，灰色關(guān)聯(lián)度分析將多項(xiàng)性狀指標(biāo)綜合呈一個(gè)整體來進(jìn)行比較，可以更全面和真實(shí)地反映綜合因素的變化狀況，其綜合評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)準(zhǔn)確[4-6]，近年來，被廣泛應(yīng)用于小麥、水稻、煙草、玉米等多種作物的品種綜合評(píng)價(jià)上[7-11]。此外，聚類分析在作物品種分類及生態(tài)適應(yīng)性研究中也有廣泛應(yīng)用。陳凌等對(duì)100份糜子（學(xué)名為“稷”）材料的耐低氮脅迫指數(shù)和耐低氮綜合評(píng)價(jià)值進(jìn)行聚類分析，將其分為低氮型、不耐低氮型、中間型3類[12]。王亞飛等將黃淮及長(zhǎng)江中下游麥區(qū)20個(gè)小麥品種的農(nóng)藝性狀聚類分析為長(zhǎng)江中下游冬麥區(qū)和黃淮冬麥區(qū)南片品種（系）及黃淮冬麥區(qū)北片品種（系）2個(gè)大的生態(tài)型[13]。杜保見等根據(jù)在不同施氮條件下小麥苗期氮效率綜合值將安徽省44個(gè)小麥品種分別在正常氮和高氮條件下聚類為氮高效型品種、氮中效型品種和氮低效型品種3類[14]。前人研究多以單一的分析方法對(duì)作物產(chǎn)量、氮效率等指標(biāo)進(jìn)行分析[15-16]，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析和聚類分析對(duì)小麥農(nóng)藝性狀和氮肥利用率指標(biāo)進(jìn)行綜合分析的研究較少。

因此，本研究以34個(gè)湖北省內(nèi)大面積種植且具有高產(chǎn)潛力的品種為供試材料，通過灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)其產(chǎn)量及相關(guān)農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析排序，用聚類分析對(duì)其氮肥利用率進(jìn)行分類，明確豐產(chǎn)高效小麥品種產(chǎn)量構(gòu)成和氮素利用率特征，以期為江漢平原豐產(chǎn)高效小麥品種評(píng)價(jià)及篩選工作提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)于2018—2020年2個(gè)小麥生長(zhǎng)季在湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院南湖種植基地（30°4′N、114°32′E）進(jìn)行。生長(zhǎng)季內(nèi)年平均降水量633.7 mm，平均光照時(shí)數(shù)827.5 h，日平均氣溫11.7 ℃。供試品種見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，于每年11月初用小區(qū)播種機(jī)條播，次年5月上旬收獲。小區(qū)面積 20 m2，種植密度為240萬株/hm2，設(shè)置每個(gè)品種設(shè)施氮和不施氮2個(gè)處理。播前以5點(diǎn)法取0～20 cm土樣測(cè)定土壤養(yǎng)分含量（表2）。施氮小區(qū)的施氮（N）量為180 kg/hm2，設(shè)置基肥 ∶拔節(jié)肥為7 ∶3，基肥于播種前施用，拔節(jié)肥于倒3葉期施用。所有小區(qū)施用磷肥（P2O5） 78 kg/hm2、鉀肥（K2O） 42 kg/hm2，全部基施。其余栽培措施及病蟲草害防治同一般大田。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1 產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀相關(guān)指標(biāo)

成熟期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)挑選3個(gè)“1 m”代表樣行，調(diào)查穗數(shù)，再折合為1 hm2的穗數(shù)，隨機(jī)挑選10株整株測(cè)量株高。每行隨機(jī)取10穗考種記錄穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，每小區(qū)實(shí)打?qū)嵤諟y(cè)產(chǎn)，并測(cè)定籽粒的容重。

1.3.2 氮肥利用率相關(guān)指標(biāo)

氮肥農(nóng)學(xué)效率（NAE，kg/kg）=（Y-Y0）/F;氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN，kg/kg）=Y/F;氮素吸收效率（NUPE，%）=（U-U0）/F×100%;氮肥生理效率（NPE，kg/kg）=（Y-Y0）/（U-U0）。式中：Y為施肥后所獲得的作物產(chǎn)量;Y0為不施肥條件下作物的產(chǎn)量;F為氮肥的投入量;U為施氮區(qū)地上部氮素積累量;U0為對(duì)照區(qū)植株氮素積累量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 灰色關(guān)聯(lián)度分析

將供試品種的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量、容重和株高看作一個(gè)灰色系統(tǒng)，分別用X1、X2、X3、X4、X5、X6表示。每個(gè)品種作為該系統(tǒng)中的1個(gè)因素，設(shè)由i個(gè)品種，考察j個(gè)性狀。結(jié)合篩選目標(biāo)需求，將產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、容重、株高各項(xiàng)指標(biāo)的最優(yōu)值設(shè)為參考品種C0。不同品種的各項(xiàng)指標(biāo)設(shè)為比較數(shù)列記作{Cij}。運(yùn)用灰色系統(tǒng)分析法計(jì)算各品種的灰色綜合評(píng)判值Gi，并根據(jù)Gi值對(duì)各品種綜合性狀進(jìn)行排名，按如下程序和公式計(jì)算分析，數(shù)據(jù)處理使用Excel 2016進(jìn)行[17]。

1.4.1.1 無量綱化處理 因原始數(shù)據(jù)單位量綱不統(tǒng)一，為消除指標(biāo)間因量綱和數(shù)量級(jí)產(chǎn)生的差異，保證不同指標(biāo)數(shù)據(jù)間的等效性和有序性，對(duì)其進(jìn)行無量綱化處理，使參考值處在0～1之間記作Cij′。其中，穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、容重、產(chǎn)量均采用正向指標(biāo)測(cè)度;株高采用中等指標(biāo)測(cè)度。

正向指標(biāo)計(jì)算公式為

Cij′=Cij（K）C0（K）;

中等指標(biāo)計(jì)算公式為

Cij′=C0（K）C0（K）+|C0（K）-Cij（K）|。

式中：Cij′（K）為無量綱化后的值;Cij（K）為無量綱化前的值;C0（K）為參考品種的值;K 為性狀數(shù)，K=1～6。

1.4.1.2 計(jì)算無量綱化后的參數(shù)與參考品種數(shù)列差數(shù)的絕對(duì)值Δi（K）

Δi（K）=|C0′（K）-Cij′（K）|。

并求出各性狀的最大差值maxΔi（K）與最小差值minΔi（K）。計(jì)算參試品種（系）各性狀與標(biāo)準(zhǔn)品種各性狀的關(guān)聯(lián)系數(shù)εi（K）：

εi（K）=minΔi（K）+ρmaxΔi（K）Δi（K）+ρmaxΔi（K）。

式中：ρ為分辨系數(shù)，常取0.5。

1.4.1.3 計(jì)算關(guān)聯(lián)度γi和權(quán)重Wi

γi=1n∑nK=1εi（K）;

Wi=γi（K）∑nK=1γi（K）。

式中：n為品種數(shù)[18]。

1.4.1.4 求各組合的灰色評(píng)判值Gi

Gi=∑nK=1（εi×Wi）。

根據(jù)Gi值確定各參試品種的優(yōu)劣順序。

1.4.2 聚類分析

使用Excel 2016對(duì)氮肥利用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用IBM SPSS Statistics 25軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，用Origin 2021進(jìn)行聚類分析及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小麥品種產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

從表3可以看出，34個(gè)供試品種中產(chǎn)量的變異系數(shù)最高，為10.1%，容重的變異系數(shù)最低，僅有1.1%，產(chǎn)量構(gòu)成因素和株高變異系數(shù)在4.8%～8.7%之間，說明湖北省小麥品種間產(chǎn)量差異較大，產(chǎn)量構(gòu)成因素（穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量）、農(nóng)藝性狀（容重、株高）差異不明顯。參考品種C0的各項(xiàng)指標(biāo)均來自供試品種，其中穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量分別由C15（浩麥1號(hào)）、C31（襄麥D31）和C11（鄂麥352）提供;產(chǎn)量由C5（鄂麥170）提供;容重和株高分別取自C33（鄭麥119）和供試品種的平均值。

2.2 不同小麥品種產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的灰色關(guān)聯(lián)度分析

2.2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度和權(quán)重

將原始數(shù)據(jù)按“1.4.1”節(jié)中數(shù)據(jù)無量綱化處理方式進(jìn)行換算，結(jié)果見表4。依據(jù)“1.4.1”節(jié)中公式計(jì)算參試品種及產(chǎn)量構(gòu)成因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)εi（k）及各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度γi和權(quán)重Wi，結(jié)果見表5、表6。關(guān)聯(lián)度的高低反映了該指標(biāo)與參考品種的親疏程度。各項(xiàng)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度排序?yàn)橹旮?gt;容重>產(chǎn)量>千粒質(zhì)量>穗數(shù)>穗粒數(shù)。由此可見，在協(xié)調(diào)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的同時(shí)，也應(yīng)關(guān)注株高和容重這些農(nóng)藝性狀對(duì)產(chǎn)量的影響。

2.2.2 根據(jù)Gi值和產(chǎn)量對(duì)參試品種進(jìn)行排序

從表7可以看出，利用灰色關(guān)聯(lián)度法計(jì)算的產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素和農(nóng)藝性狀綜合指標(biāo)Gi值對(duì)不同品種小麥進(jìn)行排序的結(jié)果與根據(jù)產(chǎn)量對(duì)品種小麥進(jìn)行排序的結(jié)果有所不同，且不同品種在2種排序方法下排名上升或下降的變化幅度存在差異。其中，鄂麥DH16、浩麥1號(hào)、淮麥35、蘇麥188、西農(nóng)979、揚(yáng)麥20等品種在產(chǎn)量排序下分別位于第7、第17、第3、第9、第14、第23位，在灰色綜合評(píng)價(jià)值排序中，排名依次上升至第3、第2、第1、第5、第8、第6位;安農(nóng)1124、川麥104、鄂麥170、鄂麥006、 鄂麥580、揚(yáng)麥23等品種在產(chǎn)量排序下的名次均高于Gi值排序中的排名，上述品種灰色綜合評(píng)價(jià)值排名較產(chǎn)量排名分別下降8、2、6、3、8、13個(gè)名次。

2.3 不同小麥品種氮肥利用的聚類分析

2.3.1 不同小麥品種氮肥利用各項(xiàng)指標(biāo)的差異 不同品種小麥氮肥利用各項(xiàng)指標(biāo)存在差異（表8）。氮肥農(nóng)學(xué)效率變化范圍為5.6～17.6 kg/kg，最低為華麥2566，最高為鄂麥580。4項(xiàng)指標(biāo)中氮肥偏生產(chǎn)力的變異系數(shù)最低，為10.1% 其中鄭麥9023最低，為21.9 kg/kg，鄂麥170最高，為33.6 kg/kg。各指標(biāo)波動(dòng)變化的劇烈程度為氮肥農(nóng)學(xué)效率>氮肥生理效率>氮素吸收效率>氮肥偏生產(chǎn)力。各小麥品種間氮肥農(nóng)學(xué)效率的變異程度是最劇烈的，可以作為篩選和改善小麥氮肥肥效的重要指標(biāo)之一。

2.3.2 基于氮肥利用指標(biāo)的聚類分析

對(duì)參試品種的氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素吸收效率和氮肥生理效率的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，用Group average法進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析（圖1）。34個(gè)品種在歐氏距離為2.2處可聚為3個(gè)類群。第Ⅲ 類群有17個(gè)品種，且氮肥利用各項(xiàng)指標(biāo)的聚類中心均顯著高于Ⅰ類群、Ⅱ 類群（表9）。

3 討論與結(jié)論

不同小麥品種的產(chǎn)量、農(nóng)藝性狀和氮素吸收利用率特征等存在遺傳因素的差異，均可以作為豐產(chǎn)高效品種評(píng)價(jià)和篩選的指標(biāo)[17-18]。研究發(fā)現(xiàn)，各項(xiàng)指標(biāo)間均存在一定程度的關(guān)聯(lián)性，單純以某一指標(biāo)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)過于片面[19]?；疑P(guān)聯(lián)度分析法和聚類分析法憑借可以綜合多個(gè)性狀指標(biāo)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)且運(yùn)算簡(jiǎn)便、結(jié)果清晰、使評(píng)價(jià)結(jié)果更全面公正等優(yōu)勢(shì)，在多種作物性狀、品種評(píng)價(jià)及篩選工作中應(yīng)用廣泛且效果理想[20-23]。

本研究對(duì)34個(gè)小麥品種的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量、容重和株高6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析篩選出綜合性狀優(yōu)的品種。參考品種（C0）的各項(xiàng)指標(biāo)均由供試樣品中的最優(yōu)樣本提供，且通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理消減了各指標(biāo)因量綱不同或氣候條件等因素對(duì)關(guān)聯(lián)度、權(quán)重和灰色綜合評(píng)價(jià)值（Gi值）的影響[17，24-25]。此外，依據(jù)不同性狀關(guān)聯(lián)度的貢獻(xiàn)度結(jié)合灰色系統(tǒng)決策原理計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，避免了人為賦權(quán)的主觀性，使結(jié)果更加客觀全面[18]。通過Gi值和產(chǎn)量2種排序方法，按照排名篩選出在2套排名中均位于前10名的品種為江漢平原適宜種植的豐產(chǎn)小麥品種，分別有鄂麥DH16、川麥104、鄂麥170、淮麥35、蘇麥188。

由于目前沒有統(tǒng)一的小麥氮高效評(píng)價(jià)體系，對(duì)小麥氮高效評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇不盡一致，致使氮高效評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏可比性[14，26]。李淑文等選擇成熟期植株氮積累量、氮效率、吸收效率和生理效率為冬小麥氮高效評(píng)價(jià)指標(biāo)[27]。王曉婧等選擇以氮素利用率、氮素吸收效率和利用效率為山東省氮高效小麥篩選指標(biāo)[28]。董召娣等選擇氮肥表觀利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮素生理效率和氮收獲指數(shù)作為評(píng)價(jià)不同小麥品種氮效率差異的指標(biāo)[29]。綜合前人研究，本研究選擇氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素吸收效率和氮肥生理效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選湖北省適宜推廣的高氮效小麥品種。將數(shù)據(jù)歸一化處理以消除不同指標(biāo)間的量綱差異，進(jìn)而以4項(xiàng)指標(biāo)為基礎(chǔ)進(jìn)行聚類分析。聚類結(jié)果顯示，在歐氏距離為2.2時(shí)將供試品種分為3類，依據(jù)各類群聚類中心的高低將Ⅰ 類中6個(gè)小麥品種定為氮低效品種，Ⅱ 類中11個(gè)小麥品種定為氮中效品種，Ⅲ 類中17個(gè)小麥品種定為氮高效品種，說明湖北省內(nèi)栽種的品種多數(shù)具有較高氮肥吸收利用特征。

結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析和聚類分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)豐產(chǎn)的5個(gè)小麥品種均屬于氮高效品種。本研究?jī)H以高產(chǎn)高效為目標(biāo)，篩選出適宜在湖北省內(nèi)推廣種植的小麥品種，未引入品質(zhì)相關(guān)指標(biāo)，隨著人們生活水平的提高，對(duì)小麥品質(zhì)的要求越來越高，未來僅以高產(chǎn)高效為品種篩選的目標(biāo)難以滿足人們對(duì)優(yōu)質(zhì)專用小麥的需求[30-31]。今后應(yīng)將小麥品質(zhì)指標(biāo)納入綜合評(píng)價(jià)篩選體系，使篩選結(jié)果更全面、公正、貼近實(shí)際生產(chǎn)需求。

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