基于GGE双标图和比强度选择的棉花品种生态区划分

由于农作物品种区域试验是品种审定和推广应用的前提,而区域试验中基因型与环境的互作效应是普遍存在的,因而探索和利用试验环境在鉴别基因型遗传差异和对品种在目标环境中的平均表现代表性方面的作用以辅助品种选育和推广的问题,越来越受到植物育种家和农技推广人员的高度关注。我们采用GGE双标图分析方法对2000—2010年期间27组长江流域国家级棉花品种区域试验的目标环境中可能存在的基于棉纤维比强度选择的品种生态区进行探索与划分,并对品种生态区划分结果进行信息比(IR)校正,以提高品种生态区划分的可靠性。结果表明:(1)基于纤维比强度选择的GGE双标图分析的总体有效拟合度为68.4%,其中有13次出现过度拟合或拟合不充分现象,总体拟合可靠性一般。而基于IR-GGE模型的总体拟合度为73.7%,比GGE双标图的有效拟合度提高6.0%,说明采用IR对双标图分析的结果进行优化和校正可以提高品种生态区划分的可靠性。(2)根据GGE双标图分析结果,我国长江流域棉区大致可划分为4个基于纤维比强度选择的品种生态区,第1个品种生态区包括安庆、襄樊、南通和岳阳,第2个品种生态区包括常德、九江和武汉,第3个品种生态区包括慈溪、南京、黄冈、荆州和盐城,第4个品种生态区包括南阳、简阳和射洪。而基于IR较正的GGE模型则可划分为3个品种生态区:第1个为主体品种生态区,包括安庆、武汉、九江、襄樊、南阳、岳阳、常德、黄冈、荆州、南京和慈溪11个试验点,第2个品种生态区包括南通和简阳,第3个品种生态区包括盐城和射洪。IR校正后长江流域棉区的品种生态区划分更准确可靠,地理区域特性也更明显,说明地理环境因素对纤维比强度的选择效果仍然有很大的影响力,四川盆地棉区和江苏沿海棉区并不适宜开展针对整个长江流域棉区的广适性棉花纤维比强度选择,从而为长江流域棉区棉花纤维比强度的选择和推荐策略提供了科学的决策依据。     

利用GGE双标图和综合选择指数划分棉花品种生态区

为提高农作物品种多性状选育和应用的可靠性,本研究基于品种选择指数,应用GGE双标图进行了棉花品种生态区划分。首先依据国家棉花品种审定标准构建通用性强的品种选择指数(SI),即SI=0.40×皮棉产量+0.13×纤维比强度+0.09×(纤维长度+马克隆值)+0.11×枯萎病+0.09×黄萎病+0.10×霜前花率。然后,采用GGE双标图方法对2000—2013年期间39组(含585个单点试验)长江流域国家棉花区域试验中品种选择指数的基因型与环境互作效应及环境间关系进行综合评价与分析。研究结果将长江流域棉区划分为四川盆地生态区、南襄盆地生态区、浙江省沿海生态区和长江中下游生态区。其中,长江中下游生态区为长江流域的主要品种生态区,对长江流域的总体环境代表性最强,涵盖了湖南省环洞庭湖棉区、湖北省江汉平原和鄂东南岗地棉区、江西省环鄱阳湖棉区、安徽省沿江棉区、江苏省宁镇丘陵及沿江和沿海棉区;四川盆地生态区、南襄盆地生态区和浙江省沿海生态区均为特殊生态环境条件下的品种生态区,对总体环境代表性较差。因此,将以长江流域棉区为广谱适应性育种目标环境的棉花品种综合性状选择试验优先安排在长江中下游生态区中,有利于提高育种的总体选择效果,而其余品种生态区不适宜作为以长江流域为目标环境的品种综合性状选择环境,可侧重于特殊适应性品种选育。本研究充分展示了GGE双标图在品种生态区划分方面的应用效果,合理划分了长江流域基于选择指数的棉花品种生态区,可为长江流域棉区的品种多性状选择和推荐策略提供决策依据,也为其他棉区和作物品种生态区划分提供参考。     

GGE双标图的信息比校正原理与应用*——以长江流域棉花品种生态区划分为例

GGE双标图方法在农作物品种区域试验中被广泛地应用于品种评价、环境评价和品种生态区划分的统计分析和图形直观展示,但GGE双标图分析只能局限于前两个主成分,不能根据信息比准则恰当地取舍主成分数,因而无法保证对数据的最优拟合效果。本研究以长江流域国家棉花区域试验数据为例,选择信息比IR≥1的主成分对GGE双标图模型进行校正,通过试验环境主成分得分的欧氏距离矩阵的聚类分析,校正通过双标图分析的品种生态区划分方案。结果表明,GGE双标图恰当拟合试验数据的比例仅为28.6%,在68.6%的试验中拟合不足,并在2.9%的试验中拟合过度。信息比校正的GGE(IR-GGE)模型总体拟合度提高了8.7%,而在GGE双标图拟合不足或拟合过度的试验中校正了12.2%的失拟度。GGE双标图模型的离优度系数为15.9%,对区域试验的总体模拟效果较好,仍可以展示基因型与环境互作的基本模式;但IR-GGE模型的拟合度更高,分析结果也更可靠。GGE双标图模型和IR-GGE模型对棉花品种生态区划分的总体架构相似,都将南襄盆地和四川盆地棉区划分为特定生态区,但在长江中下游棉区的划分细节上存在较大差异。IR-GGE模型的生态区划分方案与地理区域和生态特征更加吻合,实用性更强。本研究为GGE双标图的信息比校正研究和应用提供了范例,是对GGE双标图应用的重要补充,在基于GGE双标图的农作物品种区域试验数据分析和利用等方面具有重要的理论意义和应用价值。     

GGE双标图在陆地棉高产稳产和适应性分析中的应用——以长江流域棉区国审棉花新品种‘鄂杂棉30’为例

农作物品种的高产稳产和广适性一直是产量育种的主要目标,而农作物品种多环境试验中普遍存在的基因型与环境互作效应增加了广适性品种选育的难度,科学评价品种的高产稳产和适应性有助于提高新品种的选育和应用效率。本研究采用GGEbiplot~?软件分析了2012—2013年长江流域国家棉花品种区域试验中‘鄂杂棉30’等参试品种丰产性、稳产性和适应性,并采用"成对比较"功能图比较了‘鄂杂棉30’与对照品种‘鄂杂棉10号’在目标区域的适应性表现。结果表明:1)‘鄂杂棉30’在两年多环境品种试验中的丰产性突出,稳产性表现优良。2)‘鄂杂棉30’在两年区域试验中的高产稳产性综合表现(即理想指数)显著优于对照品种‘鄂杂棉10号’及其余各参试品种。3)‘鄂杂棉30’为所有参试品种中适应性最广的品种,其最适宜种植区域涵盖了长江流域大部分棉区。4)‘鄂杂棉30’在长江流域的绝大部分棉区都比对照品种更有产量优势,同时也优于其余参试品种,在长江流域棉区种植优势明显。本研究展示了GGE双标图在品种的丰产性与稳产性分析和适宜种植区域划分等方面的应用效果,明确了‘鄂杂棉30’是兼备丰产性、稳定性和广适性的理想品种,可为‘鄂杂棉30’的合理利用提供理论依据,也为其他作物品种的综合评价提供了参考方法。     

基于GGE分析的西北内陆棉区纤维品质生态区划分

本文选用2005—2014年我国棉花区域试验西北内陆早熟棉区7个和早中熟棉区10个试验点作为试验环境进行纤维品质区域分布分析。运用GGE模型划出双标图,研究西北内陆棉区的试验环境与参试品种纤维品质性状互作模式,对参试品种性状选择适宜的生态区进行探讨与划分,并基于GGE双标图对纤维物理性能指标相关性进行研究,为西北内陆棉区棉花品种区域化种植和理想试验环境选择提供依据。结果表明:(1)棉花各纤维品质性状相互之间存在着一定的相关关系,纺纱均匀性指数与长度、比强度和整齐度指数表现极显著或显著正相关。(2)西北内陆棉区早熟组纤维品质性状可划分为3个生态区:优质棉纤维生态区(精河)、普通优质纤维生态区(兵团第六师昌吉、乌苏)、普通纤维生态区(兵团第七师125团、兵团第八师121团、石河子以及敦煌)。(3)西北内陆棉区早中熟组品质性状由优质到普通亦可划分为3个生态区:优质纤维生态区(莎车、轮台、巴州、库车、疏附、兵团第一师阿拉尔13团以及新疆塔河10团)、普通优质纤维生态区(麦盖提和兵团第三师喀什)、普通纤维生态区(阿克苏)。因此西北内陆早熟棉区应在注重品种早熟性选育的基础上,注重优质纤维综合品质性状的培育,提高纤维的长度和比强度。南疆的早中熟棉区,注重推选适合机采棉的长度和比强度的棉花品种外,应精准掌握合理的棉花采摘期,提高纤维成熟度,但要注重降低马克隆值,划分优化种植区域为棉纺企业合理用棉提供多层次的原棉材料。     

我国主产棉区棉花纤维品质性状的区域分布特征

我国主产棉区及其亚区的棉纤维品质区域特征明显,适时评价各棉区的纤维品质发展现状有助于稳定优势棉花产区和促进特色棉花产区的发展。本研究采用GGE双标图分析了2011—2015年全国棉花品种区域试验中各亚区环境与纤维品质性状的互作模式,分析比较了各主产棉区和亚区的纤维品质特征。结果表明:1)在主产棉区尺度上,长江流域棉区纤维长度和比强度最好,并且都达到了国家棉花品种审定的Ⅱ级标准,而马克隆值和纺纱均匀性指数居中;黄河流域棉区的纤维长度和比强度较好,但马克隆值偏高;西北内陆棉区的马克隆值和纺纱均匀性指数表现最好,纤维长度和马克隆值达到了国家棉花品种审定的Ⅱ级标准,但比强度在三大棉区中表现最差。2)在棉花亚区尺度上,纤维长度表现以长江下游和长江上游亚区为最好,黄土高原亚区稍差,其余亚区表现较好;比强度表现以长江下游、长江中游、淮北平原、南襄盆地和黄土高原最好,而南疆棉区、长江上游和北疆棉区比强度稍差;马克隆值以北疆棉区、南疆棉区和长江上游表现最好,而黄土高原、淮北平原、长江中游和华北平原的马克隆值偏高。3)在纤维品质的综合表现上,北疆棉区、长江下游、长江上游和南疆棉区的纤维品质综合表现最好,淮北平原、长江中游和南襄盆地次之,华北平原和黄土高原稍差。本研究展示了GGE双标图的"环境?性状"功能图在纤维品质区域特征评价方面的应用效果,可为我国棉花优势产区发展和棉纺企业合理用棉提供理论依据,也对全国棉花纤维品质生态区划分具有指导意义。     

GGE双标图在我国旱地春小麦稳产性分析中的应用

GGE双标图法是研究基因型与环境互作以及不同环境下作物品种产量稳定性的新型有力工具。对2005年由17个试点、9个新品种(系)组成的国家旱地春小麦区域试验的产量资料进行方差分析和GGE分析表明:在我国旱地春小麦产区的大环境尺度下,品种与环境互作效应对产量变异的影响约为品种效应的5.37倍,品种间的稳产性差异很大,丰产性、稳产性均较理想的品种只占供试品种的11%,但有些品种对某些环境具有特殊适应性。17个试点可划分为3个类型区,其中在黄土高原中部旱作区表现最好的品种是"8821-1-1"和"陇春9143",在青藏高原寒旱区和华北旱作区表现最好的品种分别是"青春193"和"乌麦7号"。从环境代表性和对品种鉴别能力两方面分析,较理想的试点为甘肃省榆中县和青海省互助县。在7个环境因子中,生育期的降雨量与产量关系最为密切。     

基于同异性分析的不同类型棉花品种纤维品质特征与分类评价

为精确分析中国棉花纤维品质的区域特征、分布规律及综合性评价,以2005-2014年国家棉花品种区域试验531个参试品种纤维品质数据为材料,运用作物育种同异性分析理论对杂交棉和常规棉品种的纤维品质进行综合评价。结果表明：1）常规棉品种纤维品质符合审定标准Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型的品种数分别占参试常规棉品种数的1.58%、28.42%和14.74%,杂交棉纤维品质符合审定标准Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型的品种分别占参试杂交棉品种数的0.59%、19.94%和10.56%。黄河流域常规棉品种、杂交棉品种纤维品质综合同一度分别为0.869 3和0.888 8,长江流域杂交棉纤维品质综合同一度为0.864 3,西北内陆棉区常规棉纤维品质综合同一度为0.890 5。2）不同棉区常规棉与杂交棉纤维品质性状比较表明,西北内陆棉区常规棉品种纤维品质性状优于黄河流域杂交棉;而黄河流域杂交棉又优于黄河流域常规棉和长江流域杂交棉,黄河流域常规棉与长江流域杂交棉纤维品质性状差异不显著。可见,黄河流域棉区适宜种植推广中长绒、高比强和高马克隆值的常规棉品种;长江流域棉区适宜种植中长绒、高比强度和高马克隆值的杂交棉品种;西北内陆棉区适合种植长强细的优质常规棉品种,可作为棉纺工业纺中高支纱的优质棉生产基地。本研究对优化我国优质棉区域布局和种植结构调整有重要参考价值。     

施氮水平和打顶后涂抹NAA 对盐渍土壤上长绒棉铃脱落和产量的影响

为探讨减少盐碱地棉花铃脱落的途径, 田间条件下研究了土壤供应低氮(N 226.5 kg·hm^-2)和高氮(N 346.5 kg·hm^-2)条件下, 不打顶、打顶和打顶后涂抹生长素对棉花铃脱落和产量构成因素的影响。结果表明, 低氮和高氮水平下, 打顶、打顶后涂抹NAA 处理果枝落铃率都低于不打顶处理。打顶后涂抹浓度为0.3 mmol·L^-1 的NAA 处理在低氮水平下的成铃率比传统打顶处理高1.3 个百分点, 而铃脱落率比传统打顶处理低0.8 个百分点, 皮棉产量比传统打顶处理高23.7%。高氮水平下, 与传统打顶处理相比, 打顶后涂抹浓度为3 mmol·L^-1 的NAA 单株成铃率、铃脱落率、皮棉产量之间差异不显著。在同一处理中, 高氮水平的单株成铃数、单铃重和吐絮数均低于低氮水平, 而衣分无明显差异, 从而导致皮棉产量下降。上述结果说明, 打顶后涂抹一定浓度的NAA 可增加棉花单株现铃、成铃、吐絮数, 增加单铃重, 降低落铃率, 从而提高产量, 而过量施用氮肥会导致产量下降。     

不同熟性棉花品种纤维品质特征分析与评价

采用灰色多维综合评估方法,对2005—2014年长江流域棉区、黄河流域棉区和西北内陆棉区国家级棉花品种区域试验早熟、中熟和早中熟类型棉花品种纤维品质性状进行分析,为建立棉花优势生产区,实现棉花品种布局、生态育种和品质改良提供指导。本研究结果表明:1)达到国家审定标准高产优质(Ⅰ型)、普通优质(Ⅱ型)品种数量,中熟品种分别占其参试品种总数的0.54%和12.63%,早中熟品种为0.57%和17.14%,早熟品种为7.09%和18.44%。2)棉花品种纤维长度和比强度与理想品种性状灰色关联系数较高,其次是纺纱均匀性指数,再次为马克隆值。3)灰色关联度分析表明,黄河流域棉区中熟棉纤维品质优于长江流域棉区;西北内陆棉区早熟棉品质综合性状表现最佳,其次是黄河流域和长江流域棉区中熟棉。4)我国棉花品种中熟类型主要分布在长江流域和黄河流域,近5年西北内陆棉区中熟品种有所增加。中熟品种纤维长度分布在28.7～30.3 mm,可适纺中高档纱。黄河流域棉区中熟品种长度和比强度有所下降,比强度为29.6～31.0cN·tex?1,属中等偏上水平。三大棉区马克隆值差异明显,长江流域棉区高于黄河流域棉区,而黄河流域棉区中熟品种又高于西北内陆棉区早中熟品种;黄河流域棉区马克隆值在2010—2014年提高幅度较大,出现马克隆值6.0现象。5)研究表明≥10℃有效积温是影响棉花中熟品种纤维品质最主要因素,气象因子影响纤维长度和马克隆值顺序为≥10℃有效积温、降雨量和日照时数;影响比强度和纺纱均匀性指数的顺序为≥10℃有效积温、日照时数和降雨量。棉花纤维品质的优劣与纺织品质量及植棉业的发展密切相关,精确分析我国棉花纤维品质的区域特征分布规律和开展纤维品质综合性评价,对我国棉花育种方向和产业发展具有重要意义。     

滨海盐碱地水盐时空变化特征及对棉花光合生产的影响

为研究滨海盐碱地土壤水盐空间分布及运移变化对棉花光合生产和产量的影响,并探讨棉田地形和土壤容重对滨海盐碱地水盐空间分布的影响方式,在位置相近区域选取海拔和容重差异较大的4块棉田,于4—10月份测定土壤0～200 cm深度水分、盐分和pH等空间分布特征,分析其对棉花光合生产和产量的影响。研究表明,轻度盐碱棉田海拔较高,在141～160 cm处形成"高容重隔层",土壤盐分和pH较低,雨季(7—8月份)土壤水分较低,生育后期(9—10月份)土壤水分明显高于中度盐碱棉田,棉花遭受盐碱胁迫较小,光合生产与水热资源吻合度高,长期处于物质积累活跃期;中度盐碱棉田较高的海拔和容重阻滞了土壤盐分和pH上升,在雨季盐碱胁迫得到解除,但棉花生育早期(4—6月份)和后期仍有明显盐碱胁迫,光合生产与光热资源丰富期吻合度较差;重度盐碱棉田海拔较低,容重差异未对水盐运移规律产生明显影响,长期处于高度盐碱胁迫之下,光合生产能力和产量水平低下。滨海盐碱地改良采用适当抬高地表高度并形成一定厚度的高容重"隔层",增强土壤蓄排水能力,是一种效果持续并有利于作物光合生产的改良措施。     

基于能值分析的蜜柚园生草模式生态经济效益评价

蜜柚是福建省平和县优势特色产业,目前面临发展困境。生草栽培是推动蜜柚绿色发展的重要途径,为科学评价蜜柚园生草模式的生态经济效益,本文应用能值分析法测评平和县五寨镇前岭村蜜柚园生草模式和蜜柚园清耕模式的能值自给率、能值投资率、净能值产出率、环境负载率、有效能产出率和能值反馈率。结果表明：2017-2018年蜜柚园生草模式、蜜柚园清耕模式的能值自给率均为0.003,能值投资率分别为339.291、295.763,净能值产出率均为1.003,环境负载率分别为0.348、0.321,有效能产出率为4.57E-7 J·sej^-1、2.90E-7 J·sej^-1,能值反馈率为0.002、0.000。与清耕模式相比,生草模式能值总投入下降9.21%,不可更新环境资源下降76.71%,购买能值比重大,显示更高的能值投资率;同时商品果能值提高1.00E+17 sej·hm^-2,能量产出提高4.60E+10 J·hm^-2,表现出更强的经济活力。劳动力能值投入占能值总投入70.45%~72.90%,其中采摘、日常管理、水肥施用比重大。生草模式在除草环节增加劳动力投入1.31E+16 sej·hm^-2,但通过减少农药施用、水肥施用和有机肥搬运节约劳动力,同时优化日常管理,生草模式总劳动力投入降低了3.30E+16 sej·hm^-2,基于能值的劳动生产率提高17.50%。生草模式使有机肥、劳动力等可更新资源购买量减少,环境负载率增加0.027。蜜柚园生草模式实现了柚树增产、柚农增收、蜜柚园增绿,为蜜柚产业供给侧结构性改革提供赋能路径。