GGE雙標(biāo)圖在氮肥對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)影響分析中的應(yīng)用

曹占鳳，李亞杰，畢真真，孫 超，劉 毅，尚虎山*

（1.甘肅省經(jīng)濟(jì)作物技術(shù)推廣站，甘肅 蘭州 730030；2.定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 定西 743000；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；4.甘肅省定西市安定區(qū)團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)人民政府，甘肅 定西 743000）

土壤肥料

GGE雙標(biāo)圖在氮肥對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)影響分析中的應(yīng)用

曹占鳳1，李亞杰2，畢真真3，孫 超3，劉 毅4，尚虎山2*

（1.甘肅省經(jīng)濟(jì)作物技術(shù)推廣站，甘肅 蘭州 730030；2.定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 定西 743000；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；4.甘肅省定西市安定區(qū)團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)人民政府，甘肅 定西 743000）

為研究氮肥施用量對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀的影響，試驗(yàn)以馬鈴薯品種‘新大坪’為材料，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，以尿素（N 46%）為氮源，分別設(shè)置0，45，90，135和180 kg/hm25個(gè)氮素施用處理，利用方差分析及GGE雙標(biāo)圖分析了產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀。結(jié)果表明，氮肥不同施用量對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀有一定影響，當(dāng)?shù)适┯昧繛門2（N 90 kg/hm2）時(shí)，在2014～2015年試驗(yàn)馬鈴薯的產(chǎn)量以及單株薯塊數(shù)，單株薯塊重量，商品薯率表現(xiàn)最好。其中產(chǎn)量，單株薯塊數(shù)，單株薯塊重量，商品薯率相比對(duì)照CK分別增加67%、30%、63%、30%；而氮肥施用量為T4（N 180 kg/hm2）時(shí)，盡管各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于對(duì)照，而且株高較T2處理增加4%，但是相比T2處理下的馬鈴薯產(chǎn)量下降18%，商品薯率降低12%；產(chǎn)量、單株薯塊重量對(duì)各試驗(yàn)處理差異的區(qū)分力和對(duì)目標(biāo)農(nóng)藝性狀的代表性較好。因此，試驗(yàn)結(jié)果表明，精準(zhǔn)合理的施用氮肥可以提高馬鈴薯的產(chǎn)量，同時(shí)方差分析與GGE雙標(biāo)圖結(jié)合能夠幫助科研工作者更加客觀、有效地分析肥料施用量的最佳效應(yīng)。

馬鈴薯；氮肥；施用量；GGE雙標(biāo)圖

Key Worrddss::potato;nitrogen fertilizer;application rate;GGE-biplot

氮元素是馬鈴薯生長(zhǎng)的重要因子，氮素對(duì)馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)器官的形成和生長(zhǎng)有良好的促進(jìn)作用。在生育早期有充足的氮肥，能促進(jìn)根系的發(fā)育，增強(qiáng)植株的抗旱性，提高出苗率，并能促進(jìn)莖葉的快速生長(zhǎng)，枝葉繁茂、葉色濃綠，同化面積大，延長(zhǎng)葉片功能期，光合作用旺盛，利于養(yǎng)分的積累，可以提高塊莖的產(chǎn)量及干物質(zhì)含量和蛋白質(zhì)含量。

基因型主效應(yīng)及其與環(huán)境互作（Genotype main effect plus genotype-environment interaction， GGE）雙標(biāo)圖是研究基因型與環(huán)境互作以及不同環(huán)境下作物品系產(chǎn)量穩(wěn)定性的新方法[1,2]。GGE雙標(biāo)圖的應(yīng)用不限于多點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)數(shù)據(jù)的限制性不大，只要能夠整理成兩向表的形式，就可以利用雙標(biāo)圖將數(shù)據(jù)結(jié)果展示在圖中進(jìn)行直觀分析。農(nóng)業(yè)科研工作者將雙標(biāo)圖多用于品種-環(huán)境、雙列雜交[3]、環(huán)境條件-作物性狀[4]等分析，本研究中應(yīng)用的施肥—產(chǎn)量雙標(biāo)圖分析在肥料試驗(yàn)中出現(xiàn)較少。

馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)受養(yǎng)分的影響很大，特別是氮肥施用的合理與否，嚴(yán)重影響馬鈴薯的產(chǎn)量與品質(zhì)。氮肥用量不足，限制馬鈴薯的產(chǎn)量；氮肥施用過量，地上部分徒長(zhǎng)，結(jié)薯少，產(chǎn)量低，品質(zhì)差。如何合理施用氮肥提高馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)，是生產(chǎn)中亟待解決的問題。

本研究通過開展馬鈴薯氮肥效益試驗(yàn)，利用GGE雙標(biāo)圖圖解分析獲得馬鈴薯氮肥的最佳施肥量，提出改善馬鈴薯產(chǎn)量的氮肥合理施用技術(shù)，減少肥料的盲目施用，為施肥配方提供依據(jù)，為充分發(fā)揮肥料對(duì)馬鈴薯穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)民增收和增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力發(fā)揮積極作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試品種為中熟品種‘新大坪’，由定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院馬鈴薯研究室提供，種薯級(jí)別為1級(jí)種薯。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2014～2015年在定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)田進(jìn)行，海拔1 920 m，年均輻射592.9 kJ/cm2，年均氣溫6.4℃，≥10℃積溫2 239.1℃，年蒸發(fā)量1 531 mm，年平均降雨量與溫度如圖1所示，土壤肥力情況如表1所示，前作為馬鈴薯，土壤類型為黃綿土，肥力中等。

圖1 2014～2015年定西馬鈴薯生育期內(nèi)降雨量與溫度情況Figure 1 Precipitation and average temperature during potato growth stage for Dingxi in 2014-2015

表1 定西試驗(yàn)地土壤基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（0～30 cm）Table 1 Basic properties of experimental soil of Dingxi City

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以尿素（N 46%）為氮源，不同尿素施用量為試驗(yàn)處理，共設(shè)5個(gè)處理，見表2。尿素播前基施，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，行長(zhǎng)5.6 m，行距0.7 m，每行20株，株距0.28 m，5行區(qū)，每小區(qū)100株，小區(qū)面積（3.5 m × 5.6 m）19.6 m2。

表2 不同氮肥施用量處理Table 2 Different treatments for nitrogen fertilizer application rates

1.4 栽培管理

2014年4月22日播種，10月2日收獲，采用平作出苗后起壟播種方式。于7月15日除草1次，6月24日進(jìn)行培土。播前整地基施腐熟農(nóng)家肥2 000 kg/667m2，于7月5日噴烯酰嗎啉、甲霜·錳鋅等藥劑防治晚疫病。

2015年4月20日播種，9月30日收獲，采用平作出苗后起壟播種方式。播前整地基施腐熟農(nóng)家肥2 000 kg/667m2，于7月12日噴烯酰嗎啉、甲霜·錳鋅等藥劑防治晚疫病。

（4）人為信任。人為信任包括身份認(rèn)證和證書等其他事先約定的信任。無論是在傳統(tǒng)的一致性算法還是在區(qū)塊鏈共識(shí)算法中都十分常見。分布式系統(tǒng)中的管理員是身份認(rèn)證的典型代表。在區(qū)塊鏈中一些聯(lián)盟鏈需要證書認(rèn)證都基于此種信任?；谌藶樾湃螘?huì)極大影響區(qū)塊鏈的去中心化程度，但由于事先約定的緣故，不需要大量資源換取信任，是代價(jià)最小的一種方式，同時(shí)可能換取效率的提升。

1.5 調(diào)查記載

氣象數(shù)據(jù)：試驗(yàn)所用的氣象數(shù)據(jù)是由定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)院建立的微型氣象站提供，氣象站是由Portlog便攜式氣象儀（美國(guó)）組成，主要?dú)庀髷?shù)據(jù)包括最高溫度和最低溫度（℃）、降雨量（mm）等。

生長(zhǎng)指標(biāo)調(diào)查：在馬鈴薯現(xiàn)蕾期取樣，株高采用莖部到生長(zhǎng)點(diǎn)的距離，每小區(qū)隨機(jī)選取5株進(jìn)行測(cè)量，取5次測(cè)量的平均值。

產(chǎn)量調(diào)查：在馬鈴薯成熟期，對(duì)每個(gè)處理的3個(gè)小區(qū)進(jìn)行實(shí)測(cè)產(chǎn)量，在測(cè)產(chǎn)過程中進(jìn)行單株塊莖數(shù)、單株薯塊重的記載。每小區(qū)的薯塊進(jìn)行大小分級(jí)，分別進(jìn)行稱重計(jì)數(shù)，最后計(jì)算商品薯率（一季作區(qū)單薯質(zhì)量75 g（含）以上為商品薯）。

1.6 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用GGE雙標(biāo)圖分析軟件（GGE-biplot v 7.7）[5]分析，方差分析采用SPSS[6]統(tǒng)計(jì)分析軟件。

GGE雙標(biāo)圖與其他圖解法相比，具有一個(gè)獨(dú)特的“內(nèi)積原理”。即雙向表中的每一個(gè)數(shù)值（元素）都可從圖上直觀得出，因?yàn)槠浣频扔谠摂?shù)據(jù)所在行的向量長(zhǎng)度、所在列的向量長(zhǎng)度及行向量和列向量間夾角的余弦三者之積。由于這一特性，任意兩向表或矩陣，只要能為一個(gè)2-D（兩維）矩陣所近似，就可以用一個(gè)2-D雙標(biāo)圖來同時(shí)直觀分析各行之間的關(guān)系、各列之間的關(guān)系和行與列之間的交互關(guān)系。

GGE雙標(biāo)圖是綜合品種總體效應(yīng)（G）和品種×環(huán)境互作（GE）的數(shù)學(xué)模型，由ζi1，ηj1與ζi2，ηj2組成，多品種多環(huán)境試驗(yàn)產(chǎn)量一般可分解為：

Yij為基因型i在環(huán)境j中的產(chǎn)量，Yj為所有基因型在環(huán)境j中的產(chǎn)量表現(xiàn)，ζi1與ζi2表示基因型i在PC1與PC2的得分，ηj1與ηj2表示基因型j在PC1與PC2的得分，εij為模型中的殘差。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀

在2014～2015年，T2處理（N 90 kg/hm2）下的產(chǎn)量分別較對(duì)照CK處理增產(chǎn)60.99%和73.58%，與對(duì)照CK差異達(dá)到極顯著水平。在單株薯塊數(shù)中，2014年數(shù)據(jù)表示T2（N 90 kg/hm2）與T1（N 45 kg/hm2）、T3（N 135 kg/hm2）、對(duì)照CK在0.05水平上差異不顯著，與T4（N 180 kg/hm2）差異達(dá)到顯著水平；在2015年中，各處理與對(duì)照差異不顯著。在單株薯塊質(zhì)量中，2014年數(shù)據(jù)表示T2（N 90 kg/hm2）與T3（N 135 kg/hm2）、T4（N 180 kg/hm2）、對(duì)照CK差異達(dá)到極顯著水平，較對(duì)照CK增加60.99%，而在2015年中T2（N 90 kg/hm2）與所有處理的差異性達(dá)到極顯著水平。2014年中，T2（N 90 kg/hm2）的株高相比對(duì)照增高14.20%，但差異性不顯著，在2015年中，T2（N 90 kg/hm2）株高與對(duì)照差異性達(dá)到顯著水平。在商品薯率中，在N肥施用量達(dá)到180 kg/hm2（T4）時(shí)，商品薯率下降與T2（N 90 kg/hm2）差異達(dá)到顯著水平。在表3中還可發(fā)現(xiàn)，氮肥的施用量對(duì)于單株薯塊數(shù)的影響較小。

表3 馬鈴薯產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀在不同處理下的表現(xiàn)Table 3 Potato yield and agronomic trait performance under different treatments

2.2 2014～2015年試驗(yàn)處理與農(nóng)藝性狀GGE雙標(biāo)圖分析

圖2A采用聚焦環(huán)境的特征值分配方法（SVP=2），多邊形由連接同一方向上距離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的試驗(yàn)處理而成，把所有氮肥處理都框在其內(nèi)，通過原點(diǎn)的各邊垂線把整個(gè)雙標(biāo)圖分成幾個(gè)扇形區(qū)，并由此把產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀分為不同的區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)位于多邊形頂角上的氮肥施用量恰好是相對(duì)應(yīng)產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀下表現(xiàn)最好的氮肥用量。圖2A中包含5個(gè)扇區(qū)，在第1區(qū)中包含T3（N 135 kg/hm2），株高；在第2區(qū)中，T2（N 90 kg/hm2）在多邊形的頂點(diǎn)，該區(qū)域包括產(chǎn)量，單株薯塊質(zhì)量，單株薯塊數(shù)，商品薯率，所以氮肥濃度為90 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量最高及農(nóng)藝性狀表現(xiàn)最好，第3、4、5區(qū)中沒有出現(xiàn)處理與相關(guān)農(nóng)藝性狀。

圖2 2014～2015年試驗(yàn)處理與農(nóng)藝性狀GGE雙標(biāo)圖分析Figure 2 Fertilizer treatments and agronomic traits based on GGE-biplot analysis in 2014-2015

在圖2B中，黑色帶單箭頭的橫軸AEA（Average environment axis）代表各處理在產(chǎn)量及所有農(nóng)藝性狀下的影響程度，軸上的小圓圈代表“平均值”，小圓圈以右箭頭方向表示影響程度越高。從圖2B中可以看到T2（N 90 kg/hm2）在小圓圈的最右邊，其影響程度最高，接著是T3（N 135 kg/hm2）、T1（N 45 kg/hm2）、T4（N180kg/hm2）。縱軸（Average environment coordinate，AEC）代表各處理與各農(nóng)藝性狀相互作用的傾向性，處理越偏離平均軸越不穩(wěn)定，而且具有負(fù)作用。所以，圖2B中最不穩(wěn)定的處理是T4（N 180 kg/hm2），而T3（N 135 kg/hm2）、T1（N 45 kg/hm2）影響作用則較穩(wěn)定。

圖2C中顯示農(nóng)藝性狀的“區(qū)分力和代表性”。農(nóng)藝性狀向量與平均軸的角度是其對(duì)目標(biāo)農(nóng)藝性狀代表性的度量，代表性與角度呈負(fù)相關(guān)，代表性隨著角度變小而變強(qiáng)，隨著角度變大而變?nèi)?。向量的長(zhǎng)度代表其區(qū)分力，向量長(zhǎng)度越長(zhǎng)，表明農(nóng)藝性狀對(duì)各個(gè)處理的表現(xiàn)具有較強(qiáng)的區(qū)分能力。在圖2C中，2014與2015年的產(chǎn)量，單株薯塊質(zhì)量，商品薯率與平均環(huán)境軸的夾角較小而且向量長(zhǎng)度較長(zhǎng)，對(duì)各處理差異的區(qū)分力和對(duì)目標(biāo)農(nóng)藝性狀的代表性都較好，商品薯率，產(chǎn)量，單株薯塊質(zhì)量具有相同的向量長(zhǎng)度，表明對(duì)各施肥處理具有相同的區(qū)分力，產(chǎn)量與單株薯塊質(zhì)量與平均環(huán)境軸的夾角近似相等，表明對(duì)農(nóng)藝性狀的代表性相同，綜合分析各農(nóng)藝性狀區(qū)分能力與代表性，產(chǎn)量，單株薯塊質(zhì)量和商品薯率表現(xiàn)較好。

圖2D采用聚焦氮肥處理的特征值分配方法（SVP=1），表示理想氮肥施用量的選擇，以最佳氮肥量為圓心做多層同心圓，根據(jù)與最佳氮肥量的接近程度，GGE雙標(biāo)圖對(duì)各個(gè)處理的效應(yīng)優(yōu)劣進(jìn)行排序。越靠近同心圓中心，則表示該處理結(jié)果越準(zhǔn)確，反之亦然。從圖2D可見，T2（N 90 kg/hm2）靠近最小同心圓，說明其是綜合表現(xiàn)最好的氮肥量；T4（N 180 kg/hm2），T5距離同心圓最遠(yuǎn)，表現(xiàn)相對(duì)較差。

3 討論

中晚熟馬鈴薯塊莖膨大初期主要集中在7月下旬到9月中旬，根據(jù)圖1可知降雨量在2014年7、8、9月與2015年的差異較大，在試驗(yàn)?zāi)觊g，2014與2015年的環(huán)境條件對(duì)馬鈴薯的產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀產(chǎn)生不同程度的影響，在表3中可知，2014年的馬鈴薯產(chǎn)量，單株薯塊數(shù)，單株薯塊質(zhì)量高于2015年，而且2年產(chǎn)量數(shù)據(jù)從整體上隨氮肥施用濃度呈現(xiàn)相同變化趨勢(shì)，根據(jù)圖2可知，氮肥施用量為90 kg/hm2時(shí)，馬鈴薯的產(chǎn)量以及相關(guān)農(nóng)藝性狀達(dá)到最佳表現(xiàn)，而且單株薯塊數(shù)，單株薯塊質(zhì)量，商品薯率在氮肥施用量為90 kg/hm2時(shí)表現(xiàn)較好，而氮肥施用量為180 kg/hm2或者超過180 kg/hm2時(shí)，植株呈現(xiàn)徒長(zhǎng)，單株薯塊質(zhì)量減少，商品薯率降低，從而影響產(chǎn)量，而且可知GGE雙標(biāo)圖不僅常用在區(qū)域試驗(yàn)中，而且在馬鈴薯肥料試驗(yàn)中GGE雙標(biāo)圖能夠幫助科研工作者客觀、有效地分析肥料施用量的最佳效應(yīng)，并且合理施氮可以提高馬鈴薯的產(chǎn)量。

氮元素直接影響著馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)，氮肥施用最佳時(shí)，產(chǎn)量會(huì)大幅提升，但氮肥施用過量，地上部分徒長(zhǎng)，結(jié)薯少，產(chǎn)量低，品質(zhì)差[7-13]。在本試驗(yàn)中，試驗(yàn)設(shè)計(jì)5個(gè)處理，通過2年的試驗(yàn)結(jié)果分析中得知，氮肥達(dá)到90 kg/hm2時(shí)馬鈴薯產(chǎn)量達(dá)到最大，隨著氮肥施用量的增加，產(chǎn)量及構(gòu)成因素減少，商品薯率降低，植株徒長(zhǎng)，當(dāng)?shù)蕿?80 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量顯著下降，該試驗(yàn)結(jié)果與張煒等[14]的分析結(jié)果相近。

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中，許多科研工作者利用SPSS[6]，DPS[15]等分析軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，在結(jié)果中能區(qū)分各個(gè)試驗(yàn)處理的差異性，找出最優(yōu)的試驗(yàn)方案，但是當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間利用統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而且處理過程中可能會(huì)出現(xiàn)各種誤差。目前，對(duì)于大量的數(shù)據(jù)集，可以借助于圖解法不但可以清晰分析因素之間的關(guān)系，而且可以把各因素間復(fù)雜的互作模式更加直觀地表現(xiàn)出來。

GGE雙標(biāo)圖目前在國(guó)內(nèi)外各個(gè)地區(qū)的作物區(qū)域試驗(yàn)中廣泛應(yīng)用[16-22]，表現(xiàn)出極大的直觀、便利性。原則上，GGE雙標(biāo)圖廣泛適用于所有二向數(shù)據(jù)資料的分析[23]。本文以氮肥用量×馬鈴薯性狀構(gòu)建了二維雙標(biāo)圖，與二向數(shù)據(jù)列表分析相比較，充分展現(xiàn)出該分析方法的應(yīng)用價(jià)值。表明GGE雙標(biāo)圖可全面地顯示二向數(shù)據(jù)表中的信息結(jié)果，將氮肥處理與性狀變量間的各種關(guān)系直觀地展現(xiàn)出來，并對(duì)原始數(shù)據(jù)提供了更多的解釋。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析方法相比，雙標(biāo)圖法為提高馬鈴薯產(chǎn)量構(gòu)成因素的最大組合效應(yīng)提供了有效解決方案，為研究不同氮肥用量下馬鈴薯生長(zhǎng)狀況和產(chǎn)量反應(yīng)提供了新的分析手段。

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GGE-biplot Analysis of Impact of Nitrogen Fertilizer on Potato Growth

CAO Zhanfeng1,LI Yajie2,BI Zhenzhen3,SUN Chao3,LIU Yi4,SHANG Hushan2＊

(1.Gansu Economic Crops Technical Extension Station,Lanzhou,Gansu 730030,China;2.Dingxi Agricultural Science Research Institute,Dingxi,Gansu 743000,China;3.College of Agronomy,Gansu Agricultural University,Lanzhou,Gansu 730070,China;4.The People's Government of Tuanjie Town,Dingxi,Gansu 743000,China)

ract:The randomized block experiments with the nitrogen supplement level at 0,45,90,135 and 180 kg/ha were conducted using the cultivar'Xindaping'to analyze the influence of nitrogen fertilizer on agronomic traits in potato.The yield and agronomic traits were analyzed with analysis of variance(ANOVA)and displayed with GGE-biplot.The results revealed that the variation of nitrogen amount showed variable impact on the potato yield and agronomic traits.In 2014-2015,when the nitrogen application rate reached 90 kg/ha(T2),the yield,tuber number per plant,weight of tuber per plant and marketable tuber percentage were increased by 67%,30%,63%and 30%,respectively,compared to the control.When the nitrogen application rate reached 180 kg/ha(T4),even all the traits were better than that of the control,and the plant height was increased by 4%compared to T2,both yield and marketable tuber percentage were reduced by 18%and 12%,respectively,when compared to T2 treatment.The potato yield and the weight of tuber per plant are two appropriate agronomic indexes to distinguish the impacts of application rates on potato compared toothers.Moreover,the results also indicted that the combination of ANOVA and GGE-biplot was a useful method in screening the appropriate fertilizer supplement for the potato production.

S532

A

1672－3635（2017）05-0283-07

2016-12-08

國(guó)家科技惠民計(jì)劃（s2013GMG10004）。

曹占鳳（1980-），男，農(nóng)藝師，主要從事經(jīng)濟(jì)作物研究。

尚虎山，男，副研究員，從事經(jīng)濟(jì)作物栽培研究，E-mail:94789137@qq.com。