基于聚類分析的棉花品種產量和品質性狀研究

由于棉花數量眾多，相互關系復雜，因此提供的相關信息重疊，因此很難具備簡單的規則。為使錯綜復雜的網絡關系變換為既不具相關性又能反映原來多個性狀主要信息的綜合指標,不少學者利用多元統計分析對棉花多個數量性狀進行了分析,如王沛政等進行不同來源陸地棉數量性狀主成分及聚類分析,蔡應繁等曾有短季棉早熟性、產量和纖維品質的主成分和典型相關分析的報道,許乃銀等進行了長江流域棉花纖維品質性狀的綜合評價研究,從中得出各類具有生物學意義的統計參數,為棉花選育實踐提供有益的信息。此外,多個數量性狀的主成分分析方法在水稻、大豆、紅花等方面也得到日益廣泛的應用。但同時采用主成分分析與其他多種多元統計分析方法相結合對作物品種數量性狀研究的報道尚不多見。本文旨在利用棉花區試品種多個數量性狀資料,首先進行主成分分析,并以各品種的主成分得分值進行聚類分析,進而運用判別分析對聚類結果進行驗證,在此基礎上,再對各類品種的產量及主要纖維品質性狀進行多元方差分析,以期為棉花新品種的綜合評價及性狀改良目標的針對性提供理論依據。1材料和方法1.1棉田生長3.4供試材料為參加河南省2006及2007年春棉區試品種,編號及名稱如下:1.嘉星5403;2.奧試3503;3.棉鄉04-69;4.NH255;5.新農9604;6.鑫棉8號;7.JM9911;8.安博棉3號;9.魯研棉21;10.5C0506;11.錦科178;12.奧試3504;13.中5302;14.新棉503;15.周棉9804,共15個品種。試驗在鄭州、周口、黃泛區、南陽、內黃、新鄉、商丘、尉氏縣共8個試點進行。4月12-24日播種,密度3.2～4.65萬/hm2,釆用隨機區組排列,重復3次,小區面積20m2。按一般棉田常規管理。考查的植株性狀有:株高(x1,cm)、第一果枝節位(x2,節)、果枝數(x3,臺);產量因素性狀有單株鈴數(x4)、總鈴數(x5)、鈴質量(x6,g)、籽指(x7,g)、衣分(x8,%)、皮棉產量(x9,kg/hm2);纖維品質性狀有上半部長度(x10,mm,以下簡稱絨長)、整齊度(x11,%)、麥克隆值(x12)、比強度(x13,cN·tex-1)、伸長率(x14,%)、反射率(x15,%)、黃度(x16)、紡紗均勻性指數(x17,以下簡稱“紡紗指數”)共17個數量性狀。1.2為棉花新品種綜合評價及改良決策提供信息釆用主成分分析、聚類分析、判別分析、多元方差分析方法。以期找出具有生物學及專業意義的統計參數,為棉花新品種綜合評價及制定性狀改良決策提供有益的信息。數據的統計處理在SAS9.0和Matlab7.0環境下完成。2結果與分析2.1性狀間的主成分分析計算17個數量性狀間的相關系數(表略),結果表明,這些性狀間存在著正負、強弱相關錯綜復雜的關系,致使它們提供的相關信息出現重疊,不易尋求其簡明的變化規律,故需進行主成分分析,以便找出影響各個性狀的主成分。2.2主成分載荷矩陣利用2.1中得到的相關系數矩陣進行主成分分析,結果提取前4個主成分,其累積方差貢獻率達90.10%,已代表所考查性狀的絕大部分相關信息。由相關系數矩陣的前4個特征值及相應的特征向量計算所得的主成分載荷矩陣(表1)。表中共同度h2ii2表示所選主成分對變量xi方差的貢獻率,其數值大小表明所選主成分能反映該變量變異信息的多少。從表1各因素性狀的共同度可以看出,除整齊度、伸長率和絨長分別為53.9%、79.3%及83.2%外,其余各性狀的共同度均接近或超過90%,表明所選4個主成分能較好地反映這些性狀所包含的相關信息。基于上面求得的主成分載荷陣(表1)及各性狀的標準化值,按式F=AZ,(其中F、A、Z依次為得分矩陣、載荷矩陣和樣本矩陣的標準化)計算各參試品種的主成分得分,結果見表2。2.3棉棉種情況類據表2,取品種間相似系數為主成分得分向量間的夾角余弦,釆用離差平方和方法,當類間距離取0.58時,可將參試的15品種聚為5大類(圖1)。第Ⅰ類包括中5302、新棉503、JM9911和奧試3504共4品種;第Ⅱ類僅新農9604;第Ⅲ類包括鑫棉8號、魯研棉21和周棉9804共3品種;第Ⅳ類包括嘉星5403、安博棉3號、5C0506、棉鄉04-69共4品種;第Ⅴ類為奧試3503、NH255和錦科178共3品種。為了驗證上述聚類分析結果的合理性,根據已得到的分類信息,以4個主成分作為判別變量,采用一般判別分析方法,建立判別函數(表3),根據判別函數,對參試品種重新判別歸類,結果有2個品種被誤判,總誤判率為13.3%,可以認為聚類分析結果是比較準確可靠的。2.4由各類品種生長的棉對上述5個類型品種的產量及主要纖維品質性狀進行多元方差分析(表4),總體方差采用wilk’slambda方法進行檢驗(F=2.23*),達顯著水平。產量和主要品質性狀的方差分析(表5)表明,皮棉產量、絨長、麥克隆值和紡紗指數4項指標的F檢驗均達0.05的顯著水平,單株鈴、鈴質量、整齊度和比強度4指標在類間差異不顯著。各性狀的平均值及變異幅度(表6)結果表明,第Ⅰ類4品種的平均皮棉產量(1372.50kg/hm2)居中,絨長中等偏長,麥克隆值偏高,紡紗指數、比強度和鈴質量較高,株鈴數偏少,為中產量中上質品種,對這類品種,除加強植株結鈴性狀選擇,繼續提高皮棉產量外,應注意提高絨長和降低麥克隆值,以纖維長度和細度為改良目標。第Ⅱ類品種新農9604皮棉產量(1317.19kg/hm2)顯著低于其他各類品種,絨長居第二位,麥克隆值處于中等水平,比強度較低,紡紗指數中等偏下,鈴質量較低,株鈴數較高。屬中低產中質類品種。對此品種,除著重增加鈴質量提高皮棉產量外,以纖維長度和強度為改良目標。第Ⅲ類3品種平均皮棉產量(1378.05kg/hm2)中等偏上水平、絨長中等偏長、麥克隆值中等、紡紗指數位居第一,比強度中等偏高,鈴質量較高,株鈴數中等偏上。屬中產量中上質類品種。對這類品種,應保持鈴質量和株鈴數穩中有增,以期選育高產品種外,應加強對纖維長度和細度的改良。第Ⅳ類4品種平均皮棉產量(1463.10kg/hm2)居5類品種之冠,紡紗指數、比強度居均中等水平,絨長最長,麥克隆值中等偏高,鈴質量中等偏低,株鈴數最多,屬高產中上質類品種。對這類品種,除著重提高鈴質量外,應注意選育提高纖維強度和細度。第Ⅴ類3品種的的平均皮棉產量(1420.65kg/hm2)居5類品種之第二位、鈴質量最高,麥克隆值偏高,但絨長、比強度和紡紗指數在5類品種中倒數第一,株鈴數中等。屬較高產中下質類品種。對這類品種,除保持皮棉產量穩中有升外,應加強對纖維的長、細、強度及紡紗指數主要纖維指標的全面選育提高。3對河南棉花生產企業的啟示3.1對區試棉花新品種包括植株、產量與纖維品質共17個數量性狀,經過主成分分析歸屬于4個主成分,其累積方差貢獻率達90.10%,從而能夠對這些具有錯綜復雜的網絡關系的性狀施行有效地降維,確能反映原來多個性狀的主要信息,在此基礎上計算各品種在主成分上的得分值,據此進行聚類分析,增加了聚類分析結果的真實可靠性。3.2為對15個參試品種從產量和纖維品質性狀進行綜合評價,利用各品種在主成分上的得分值進行聚類分析,將15個品種聚為5大類。第Ⅰ類應以纖維長度和細度為改良目標。第Ⅱ類應以提高纖維長、強度為改良目標。第Ⅲ類屬中產量中上質類品種,應加強對纖維長度和細度的改良。第Ⅳ類應注意選育提高纖維強度和細度。第Ⅴ類應加強對纖維的長、細、強度及紡紗指數主要纖維指標的全面選育提高。3.3從本試驗各品種的皮棉產量可見,多數品種已接近或超過1400kg/hm2,個別品種乃至突破1500kg/hm2,表明目前河南棉花育種在產量上進展明顯,但在纖維品質方面尚不盡如人意。從5類品種主要纖維品質性狀的表現可以看出,纖維長度在29.24～30.54mm,為中長絨纖維,符合紡中支紗的要求。與絨長相比,比強度偏低,約為27.07～28.56cN·tex-1,僅能適紡低支紗(≤30cN·tex-1)離紡高支紗(≥35cN·tex-1)的要求差距較大。麥克隆值處于4.76～5.08之間,屬于中等偏高的B級(4.3～4.9)水平。紡紗指數在132.84～141.18,離適紡60支高強力優質棉(紡紗指數≥155)的要求相差尚遠。受這一信息啟示,今后