基于GGE,双标图分析氮肥对小麦生长的影响

孙建军，丁超明，申培林，郭新海，郭玉玺，王德新

（河南省农业科学院，郑州 450002）

氮素是植物生长发育所必需的营养元素，合理有效地施用氮肥在提高作物产量的同时会改善其品质［1］。21 世纪以来，人口、资源、环境的矛盾日益突出，中国农业生态环境面临多方面的严峻挑战，施肥对环境的影响受到越来越多的关注［2］。主要农作物以增加施氮量来提高产量，但氮肥过多施用不仅增产效果不显著，还会造成环境污染，给社会带来不利影响。在施氮量较低条件下，产量和氮肥利用率较高的品种具有较高的干物质积累量、茎蘖成穗率、叶面积指数、粒叶比及群体生长速率［3］。在小麦栽培中，适宜浓度的氮肥能够促进小麦农艺性状，提高小麦的品质和产量，施肥水平过低或过高均不利于小麦农艺性状特别是产量相关性状的表达。

学者们对GGE 双标图在作物区试数据分析中的优势进行了分析，并提出在用于分析区试数据的同时，还可对任何2 位数据进行分析［4-6］。GGE 双标图与其他图解法相比，具有独特的优势，它是综合品种总体效应（G）和品种×环境互作（GE）的数学模型［7］。GGE 双标图在鲜食糯玉米［8］和普通玉米［9］、水稻［10］、花生［11］、冬油菜［12］等作物的区试和不同类二维数据的分析中得以应用。本研究利用方差分析、多重比较和GGE 双标图分析不同施氮量对小麦农艺性状表达的影响，为小麦的合理施氮提供参考。

1.1 试验材料

供试品种为半冬性、中熟品种周麦16，来源于河南省周口市农业科学院。

1.2 试验设计

试验于2020—2021 年在河南省农业科学院现代化研究基地进行，前茬作物为玉米（同一品种，非小区试验），地势平坦、肥力均匀、排灌方便，测定试验地土壤有机质10.9 mg∕kg，碱解氮41.2 mg∕kg，速效磷27.52mg∕kg，速效钾97.35mg∕kg，基肥在播种前施入。肥力水平设置5 个处理（表1），后期追肥保持一致，组间随机排列，设3 次重复，小区面积7.2 m2，6 行区，播种量一致。

表1 不同氮肥施用量处理

1.3 田间管理

生育期内根据土壤干旱情况适当灌水，各小区灌水量一致，选择合理的化学药剂喷杀病虫害。

1.4 性状调查

在小麦整个生育期内，按照《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南普通小麦小麦DUS 测试指南GB∕T 19557.2—2017》进行观测，取20 株进行性状调查。成熟后选择典型株40株进行取样、考种。

1.5 数据处理

采用Excel 2016 整理试验数据，采用SAS 软件进行数据方差分析和多重比较，用AI软件处理图片，利用R 语言的GGEBiplot GUI 包制作GGE 双标图。

2.1 不同年份、施氮量对小麦农艺性状的影响

不同施氮量、年份与小麦株高、穗长度、旗叶宽、旗叶长、不育小穗率、千粒重和穗粒重的差异显著性见表2。由表2 可知，小麦所有测试性状在不同施氮量处理间差异均达到极显著水平（P＜0.01），而年份间差异不显著，年份和处理互作中仅有穗长度差异达到显著差异水平（P＜0.05）。

表2 不同年份、处理的农艺性状的相关系数

根据方差分析结果，由于2 年间各农艺性状差异不显著，只对2 年农艺性状数据处理间进行多重比较，结果见表3。由表3 可知，株高、穗长度随肥力水平的增加呈先增加后降低的趋势，N2 处理株高最高，为80.83 cm，N3 处理穗长度最长，为9.72 cm；
旗叶长和旗叶宽均随施氮量先增后减，在N4 处理时均为最大；
不育小穗率则随施氮量的增加而降低，N1处理量最大，为16.34%；
千粒重在N4 和N5 处理间呈显著差异。

表3 不同处理的小麦农艺性状

2.2 试验处理与农艺性状GGE 双标图分析

GGE 双标图法可直观地判断不同处理下表现最好的指标以及各指标的相互关系。将原始数据减去各指标的均值后形成数据集，使数据中只含有处理主效应G 和处理与各指标互作效应GE，对GGE 做单值分解，以第一主成分和第二主成分为代表，按照第一和第二主成分值将所有处理和指标绘于二维图上即形成GGE 双标图。对采用的各指标数据进行标准化处理后，可认为这些指标在各处理中具有同等重要的作用。把处理的标志点（N1、N2 和N5）用直线连接起来，形成一个把所有处理都囊括在内的三角形，从原点（0，0）起作各边的垂线，把整个双标图分为3 个扇区，不同指标落于各个区内，每个区内的顶角处理即为该扇区内所有指标的最优处理。试验处理与农艺性状GGE 双标图分析见图1。

由图1a可知，第一主成分的效应为PC1=70.91%，第二主成分的效应为PC2=23.11%，GGE 双标图上展示了各处理真实信息的94.02%。周麦16 的7 个农艺性状分别落于3 个扇区中。N1 区内不育小穗率指标值最高。N2 区内株高指标值最高。其中N3、N4 处理包含在N5 区域内，穗长度、旗叶宽、旗叶长、千粒重、穗粒重指标值最高。

图1b 中单箭头的横轴代表各处理在所有性状下的影响程度，轴上的小圆圈代表平均值，小圆圈箭头方向表示影响程度，越向右影响程度越高。从图1b 可知，N4 和N5 在箭头的右测，均高于均值，其中N5 影响程度最高，随后分别为N4、N3、N2、N1。纵轴代表各处理与各性状相互作用的倾向性，处理越偏离平均轴越不稳定，而且具有负作用。其中N2处理最不稳定，N3、N4 处理影响作用则较稳定。

图1c 中显示性状的区分力和代表性。GGE 双标图中农艺性状向量间的夹角可以判断农艺性状间的相关性。从坐标原点到农艺性状标志点的连线作为农艺性状向量，以某一个农艺性状向量为起始，顺时针方向旋转，其他农艺性状向量与该线的夹角余弦值即为二者农艺性状间的相关系数。农艺性状向量与平均轴的角度是其对目标农艺性状代表性的度量，代表性与角度呈负相关，代表性随着角度变小而变强，随着角度变大而变弱。向量的长度代表其区分力，向量长度越长，表明农艺性状对各处理的表现具有较强的区分能力。由图1c 可知，穗长度、旗叶宽、旗叶长、和穗粒重与平均环境轴的夹角较小，而且向量长度相对较长，表明对各处理差异的区分力和目标农艺性状的代表性都较好，同时旗叶宽和穗粒重间存在较大的相关性。不育小穗率呈负相关。千粒重和株高具有较长的向量长度，表明对各施肥处理具有较高的区分力，而其夹角过大表明其代表性较弱。

图1d 表示理想氮肥施用量的选择，以最佳氮肥量为圆心做多层同心圆，根据与最佳氮肥量的接近程度，GGE 双标图对各处理的效应优劣进行排序。越靠近同心圆中心，则表示该处理结果越准确，反之亦然。从图1d可知，N4靠近最小同心圆，说明其是综合表现最好；
N1、N2 距离同心圆较远，表现相对较差。

图1 试验处理与农艺性状GGE 双标图分析

氮素是小麦生长发育所必需的大量营养元素。调控小麦生长发育的多个过程，合理运用氮肥可以协调小麦产量与品质的关系［13］。惠晓丽等［14］研究发现，与不施氮相比，长期施氮小麦平均增产67.1%，生物量提高52.0%，收获指数提高9.5%，穗数和穗粒数分别提高32.5% 和40.0%，千粒重下降7.1%。宫明波等［15］研究发现，随施氮量的增加，叶绿素呈增长趋势，但叶面积、地上干物质量、穗数、穗粒数及产量均呈先增后减的趋势；
蛋白质及湿面筋含量随施氮量增加而提高，氮肥过量施用会产生盐害，抑制小麦生长，导致减产。

GGE 双标图在国内外作物区试试验中应用广泛［16-18］，它可以将不同环境和因素及因素之间的关系以突变的形式直观表现出来。本研究发现，处理间各农艺性状差异均达到显著性水平，而年份间差异均不显著，小麦穗长度、旗叶宽、旗叶长、千粒重和穗粒重随着氮肥量增加，整体均呈增长趋势，但后期增长趋势不明显，其中千粒重在N4 和N5 处理间差异显著。株高随施氮量的增加呈先增加后降低趋势，在N2 处理时达到最大。不育小穗率则随施氮量的增加而降低，年份和处理互作中，仅穗长度达到显著差异；
利用GGE 双标图分析方法综合评价出施肥量在N3 和N4 处理下，各个性状的表现最为理想。影响小麦农艺性状标的因素不仅有氮素，还有种植密度、播期、气候等，这些方面需要做进一步研究。