海岛棉具有纤维细长和强度高等特点，一直作为高档纺织品的重要原材料^[1]。近年来，由于海岛棉单产不断突破新高与种植面积的不断扩大，导致氮肥投入量也随之增加。而我国作物氮肥利用率只有30%~35%，相较于发达国家低10%~20%^[2]，过量施用氮肥不仅降低氮肥利用率，还会造成环境污染及生产成本增加。因此，利用作物自身对氮素吸收利用的差异选育出氮高效品种，是提高作物氮肥利用率的重要手段。20世纪30年代就有学者提出，同一作物不同品种间氮肥响应程度不同^[3]，氮素吸收利用也存在基因型差异^[4]。截至目前，研究学者对小麦^[5]、水稻^[6-7]和玉米^[8]等作物氮效率筛选与评价已展开了大量的研究。孟自力等^[9]通过对14个小麦品种干物质积累、光合指标及产量进行研究，筛选出4个氮高效品种；杨豫龙等^[10]通过产量、干物质积累量、果穗性状和产量构成因素等将40个品种划分为低氮高效型、高氮高效型、双高效型和双低效型；陈晨等^[11]综合水稻氮素积累变异特征，以整株生物量、茎叶生物量、根系生物量和茎叶氮累积量作为筛选指标，最后基于隶属函数法和聚类分析，将55个供试水稻品种分为氮高效型、氮中效型和氮低效型3个类型。目前，针对棉花氮效率筛选与评价只有少量报道^[12-13]。王准等^[14]以80份棉花品种为研究材料，采用苗期营养液培养与田间试验相结合的方法，将总干物质质量、总氮积累量、氮吸收效率等6个指标作为评价指标，筛选出2个氮高效和氮低效品种。Zhang等^[15]以总干重、地上部干重、全氮积累量和氮素吸收效率为筛选指标，将棉花品种划分为双低效型、双高效型、高氮高效型和低氮低效型4种类型。

纵观前人研究，棉花氮高效筛选以苗期筛选居多，且多以陆地棉为筛选材料，但针对海岛棉田间性状差异筛选氮高效品种鲜见报道。因此，本研究以12个在新疆大面积推广种植的海岛棉品种为供试材料，在低氮、中氮、高氮水平下研究各海岛棉品种间氮素吸收利用的差异进行比较分析和综合评价，以期筛选出氮高效海岛棉品种以及明确收获期关键氮效率评价指标，构建海岛棉收获期氮高效评价体系，为完善氮效率评价体系、选育氮高效海岛棉品种、提高海岛棉氮肥利用率提供理论参考。

试验于2021年在新疆阿克苏地区阿瓦提县新疆农业科学院试验基地进行，试验区位于塔里木盆地西北沿（80°44′ E，40°06′ N，海拔1025 m），属于暖温带大陆性干旱气候。日照时间长，蒸发量大；土壤质地为沙壤土，播前小区土壤基础肥力见表1。

试验采用双因素裂区设计，主区为施氮水平（纯氮）：0 kg/hm²（N₀）、240 kg/hm²（N₁）、480 kg/hm²（N₂），副区为12个海岛棉品种（表2）。采用一膜六行（66 cm+10 cm）种植模式，株距为11 cm，膜宽2.1 m，膜厚0.01 mm，滴灌毛管铺设为一膜三管（滴孔间距20 cm，滴管出水量2.1 L/h）。其中氮肥（N 46%尿素）总量的20%作为基肥，80%作为追肥，磷钾肥作为基肥一次性施入（颗粒状过磷酸钙200 kg/hm²，农用颗粒钾肥100 kg/hm²）。试验小区长7 m，宽2.3 m，面积（两膜）32.2 m²，理论密度23.7万株/hm²，播种时间2021年4月16日，打顶时间7月15日，其他田间管理同当地大田生产。

在海岛棉收获期，每小区均选取长势均匀的棉株10株，调查各小区棉花品种的株高和果枝数，并选取其倒三叶采用SPAD-502 Plus型便携式叶绿素测定仪测定SPAD值。

于收获期，每小区选取长势均匀的棉株6株，将棉株分成茎、叶和蕾铃器官，然后将各部分样品于105 ℃杀青30 min后，70 ℃烘干至恒重，称其重量。

称重后的植株粉碎过筛，经H₂SO₄-H₂O₂消解定容后，使用凯氏定氮法测定植株氮含量。

各处理棉花吐絮后，每小区调查株数和结铃数，最后计算单株结铃数，分上（11果枝及以上30朵）、中（6~10果枝40朵）、下（1~5果枝30朵）取样，共计100朵，各处理棉花样品使用皮辊轧花机获得皮棉，测其单铃重和衣分。

氮累积量=植株生物量×植株氮含量，氮肥农学利用效率（kg/kg）=（施氮区籽棉产量-不施氮区籽棉产量）/施氮量，氮肥偏生产力（kg/kg）=籽棉产量/施氮量，氮肥回收率（%）=（施氮区氮积累量-不施氮区氮积累量）/施氮量× 100，氮肥生理利用率（kg/kg）=（施氮区籽棉产量-不施氮区籽棉产量）/（施氮区氮积累量-不施氮区氮积累量），氮内在利用率（kg/kg）=皮棉产量/氮积累量。

利用Excel整理数据并绘图，使用TBtools绘制热图。利用SPSS 19.0进行主成分分析，确定主成分个数（n），并计算综合指标值、隶属函数值、权重以及综合评价值，具体计算公式如下。

综合指标值（F）计算公式：

式中，F_j表示第j主成分综合指标值；a_j（j=1，2，…，n）为第j主成分各指标的特征值所对应的特征向量；ZX是原始变量经过标准化处理的值。

不同品种各综合指标值隶属函数值计算公式：

式中，μ(X_j)表示第j综合指标值隶属函数；X_j表示第j个综合指标；X_min表示第j个综合指标的最小值；X_max表示第j个综合指标的最大值。

各综合指标的权重计算公式：

式中，w_j表示第j综合指标的权重，p_j为棉花品种（系）第j个综合指标的贡献。

各棉花品种氮效率综合评价值（D）计算公式：

由表3所示，不同海岛棉品种各项收获期指标对3个氮肥水平均有不同程度的响应。低氮水平下，各生长指标的变异系数范围为1.00%~ 33.08%，其中茎叶氮素积累的变异系数最大（33.08%）。中氮水平下，各生长指标的变异系数范围为1.60%~23.93%，其中茎叶生物量的变异系数最大（23.93%）。高氮水平下，各生长指标的变异系数范围为2.47%~20.95%，茎叶生物量的变异系数最大（20.95%）。产量构成因素在3个氮水平下变异系数均以单株结铃数最大，衣分最小，且随施氮量的增加变异系数逐渐减小。氮效率指标表现为氮肥农学利用效率、氮肥回收率和氮肥生理利用率变异系数高，变异系数范围为34.57%~ 58.87%，氮肥偏生产力最低，为7.97%。上述结果表明，相较于中、高氮肥水平，低氮水平下各品种间生长指标与产量构成因素的变异程度相差较大，加大了种质间的差异，中、高氮水平限制部分品种对氮肥吸收利用的能力，导致多数品种间生长状况及产量性状逐渐趋于一致。植株各部位生物量、氮素积累量、氮肥农学利用效率、氮肥回收率和氮肥生理利用率在各氮肥处理下变异系数幅度相差较大，可作为筛选指标。

对12个棉花品种的农艺性状、氮效率、产量及其构成因素的19个指标进行相关性分析，从表4中各单项指标的相关系数矩阵来看，在2个氮肥水平下海岛棉品种的株高、茎叶生物量、生殖器官生物量、地上部生物量、茎叶氮积累量、生殖器官氮积累量、地上部氮积累量、单株结铃数与氮肥偏生产力间存在显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）正相关性，籽棉产量与果枝数、生殖器官生物量、地上部生物量、生殖器官氮积累量、地上部氮积累量存在显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）正相关性。氮素内在利用率与茎叶生物量、地上部生物量、茎叶氮素积累量、生殖器官氮积累量、地上部氮积累量呈极显著（P<0.01）负相关。综上，海岛棉品种各单项指标之间均存在不同程度的相关性，说明它们携带的信息发生重叠，为弥补单项指标氮高效程度评价的不足，能更准确、全面地判断不同海岛棉品种氮高效的敏感指标，需在此基础上利用其他分析方法进行进一步分析。

对12个参试品种的19个单项指标进行主成分分析，如表5所示，2个氮肥水平下分别提取了4个主成分，累计贡献率达分别为86.68%和88.03%，将原来的19个单项指标转换为4个新的综合指标，这4个综合指标具备较强的信息代表性，代表了原始的19个指标所携带的绝大部分信息。第一主成分贡献率分别为45.82%和54.00%，主要由株高、果枝数、茎叶生物量、生殖器官生物量、地上部生物量、茎叶氮积累量、生殖器官氮积累量、地上部氮积累量、单株结铃数、籽棉产量、皮棉产量和氮肥偏生产力决定，主要包含产量及地上部对氮的吸收与干物质积累情况。综上，根据各单项指标变异系数及主成分分析初步确定株高、果枝数、茎叶生物量、生殖器官生物量、地上部生物量、茎叶氮素积累量、生殖器官氮素积累量、地上部氮素积累量、单株结铃数、籽棉产量、皮棉产量和氮肥偏生产力为筛选指标。

在2个氮肥水平下，主成分综合得分值计算公式分别为F（N₁）=0.458F₁+0.184F₂+0.164F₃+ 0.060F₄、F（N₂）=0.54F₁+0.164F₂+0.104F₃+0.072F₄，根据主成分得分计算公式分别计算出综合得分，综合得分越高表明该品种氮效率越高，反之氮效率越低。如表6所示，棉城10号综合得分在2个氮肥水平下均最高，为氮高效品种；新海14号综合得分最低，为氮低效品种。

如表7所示，根据公式(2)计算12个棉花品种各综合指标（F）的隶属函数值，对于同一综合指标而言，μ(X₁)越大，表明此品种在这一综合指标表现为氮吸收利用能力最高，μ(X₁)越小，表明该品种在这一综合指标上氮吸收利用能力最小，其他品种介于两者之间。某一相互独立的综合变量权重是指该变量在整体评价中的相对重要程度。根据各综合指标贡献率的大小可计算其权重，用公式(3)计算后，4个综合指标的权重在N₁水平下分别为0.52、0.22、0.19、0.07，在N₂水平下分别为0.61、0.19、0.12、0.08。

采用公式(4)计算各棉花品种氮素吸收利用的综合能力的大小，D值越大，表明该品种氮素吸收利用的能力越大，为氮高效品种。根据D值进行聚类分析（图1），将12个品种划分为3类。第Ⅰ类为氮高效品种（棉城10号）；第Ⅱ类为氮中效品种（包括新海28号、新海61号、新海43号、新海35号、新海21号、新海39号）；第Ⅲ类为氮低效品种（包括新海14号、新海24号、新海45号、新海62号、新海53号）。

为筛选氮效率核心鉴定指标，将氮效率D值作为因变量，把海岛棉品种单项指标作为自变量进行逐步回归分析，建立最优回归方程：D(N₁)=-2.186+0.170SPAD+0.150APNA+ 0.043DNP+0.01LCY；D(N₂)=-3.167+0.382RONA+ 0.057DNP+0.029SPAD+0.008ROB+0.0002SCY。方程决定系数分别为0.997和0.993。由方程可知，SPAD、ROB、RONA、APNA、BNP、SCY、LCY和aNUE对海岛棉氮效率有显著影响，可作为筛选海岛棉氮高效品种的关键性指标。

为进一步检验海岛棉氮效率类型，以N₀与N₁、N₂处理下各品种皮棉产量平均值为分界线，以两两氮肥水平下各品种皮棉产量做散点图（图2），将12个品种划分为4个类型：双高效型（Ⅰ）、高氮高效型（Ⅱ）、双低效型（Ⅲ）和低氮高效型（Ⅳ）。供试海岛棉品种主要为双高效型（Ⅰ）品种与双低效型品种（Ⅱ）。在N₁与N₀处理散点图（图2a）中，12个海岛棉品种被分为3类，双高效型（Ⅰ）品种分别为棉城10号、新海28号、新海35号、新海61号，高氮高效型（Ⅱ）品种分别为新海21号、新海62号，双低效型（Ⅲ）品种分别为新海14号、新海24号、新海39号、新海45号、新海62号。在N₂与N₀处理散点图（图2b）中，供试海岛棉品种被分为4类：双高效型（Ⅰ）品种分别为棉城10号、新海28号、新海61号、新海35，高氮高效型（Ⅱ）品种分别为新海62、新海21，双低效型（Ⅲ）品种分别为新海14号、新海24号、新海39号、新海45号、新海53号，低氮高效型（Ⅳ）品种为新海43号。

综上，在3种氮肥水平下，以皮棉产量为依据对供试海岛棉品种氮效率类型划分，参试品种主要为双高效型品种与双低效型品种，棉城10号、新海28号和新海61号划分为双高效型品种，新海14号、新海24号、新海39号和新海45为双低效型品种。结合主成分综合得分与氮效率D值分析结果，最终确定棉城10号为氮高效品种，新海28号、新海35号和新海61号为氮中效品种，新海14号、新海24号和新海45号为氮低效品种。

不同生育时期，作物对氮素的响应情况存在基因型差异，因此选择合适的生育时期进行氮效率筛选至关重要^[16]。作物氮素吸收利用的基因型差异主要表现在生育后期，作物成熟期具有较高的叶片氮素转运量及运转率^[17]与较高的吸氮能力^[18]，因而对最终产量及氮素利用效率起决定性作用。棉花氮高效种质筛选起步较晚，相关报道多为苗期筛选^[19]，苗期筛选虽具有耗时短和受环境影响小等优点^[20-21]，但筛选条件与田间环境相差较大，且缺乏产量指标。因此以成熟期各性状作为筛选指标，可以真实反映作物吸收与利用土壤中氮素的能力，更加准确地筛选出氮高效品种。

针对作物氮高效种质评价性状的研究较多，但迄今为止尚未统一。王准等^[14]综合棉花苗期12个氮素性状指标的变异系数、主成分分析及相关性分析，将总氮积累量、地上部氮积累量、总干物质质量、地上部干物质质量、根干物质质量和氮吸收效率作为棉花苗期氮效率评价指标。郑顺利等^[21]根据总相对干重、总氮积累量、地上部含氮量等6个指标对30个棉花品种进行聚类分析，筛选出5个氮高效品种和3个氮低效品种。笔者认为，关于氮高效评价性状选择需要考虑以下3个因素：一是评价性状在不同氮肥水平下表现要具有差异，二是评价性状不同基因型间变异系数要高，三是评价性状要与最终产量相关性高。本研究通过相关性分析和主成分分析，发现果枝数、茎叶生物量、生殖器官生物量、地上部生物量、茎叶氮积累量、生殖器官氮积累量、地上部氮积累量、单株结铃数、产量和氮肥偏生产力等指标间存在显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）相关性，在3个氮水平下具有较高的变异系数，种质间差异明显，基本符合以上3点，说明果枝数、茎叶生物量、生殖器官生物量、地上部生物量、茎叶氮积累量、生殖器官氮积累量、地上部氮积累量、单株结铃数、籽棉产量、皮棉产量和氮肥偏生产力作为海岛棉氮高效种质筛选评价性状是合理的，其中SPAD、生殖器官生物量、生殖器官氮积累量、地上部总氮积累量、单株结铃数、籽棉产量、皮棉产量和氮肥农学利用率间相关性强，因子载荷系数高，且便于获取数据，因此可作为氮高效品种筛选的核心指标。

目前，关于利用主成分分析、模糊隶属函数分析与聚类分析划分氮效率的方法在水稻^[22]、玉米^[23-24]和小麦^[25-26]等作物上均有应用。陈晨等^[11]通过因子分析与隶属函数综合评价方法将55个供试水稻品种划分为氮高效型、氮中效型和氮低效型三大类。常晓等^[26]结合各性状变异系数，运用相关性分析、主成分分析和隶属函数法将47份玉米材料划分为四大类（低氮高效型、低氮中效型、低氮低效型、低氮敏感型）。祝令晓等^[19]通过主成分分析、模糊隶属函数分析、聚类分析、相关性分析筛选出4个耐低氮品种和5个低氮敏感型品种。棉花品种特性差异大，单独使用某一单项指标或评价方法很难反映该品种氮效率，同时，众多评价指标间存在一定的自相关，导致各项指标所携带的信息发生重叠，且各项指标的贡献程度不同^[27]，因此需运用多元分析方法对不同海岛棉品种氮效率性状的各项指标进行综合评价，建立可靠的评价体系。本研究采用主成分分析、隶属函数分析与聚类分析初步筛选出氮高效品种棉城10号，氮中效品种新海28号、新海61号和新海35号，氮低效品种新海14号、新海24号和新海45号。虽然针对棉花氮效率的评价方法、筛选时期和氮效率类型划分等方面的研究取得了重要进展，但对不同氮效棉花品种氮吸收利用的作用机制尚不明确，应进一步研究不同氮效率棉花氮素吸收生理生化机制的基因型差异，构建完善的氮效率评价体系。

本研究运用相关性分析、主成分分析以及隶属函数分析等综合评价方法，确定SPAD、生殖器官生物量、生殖器官氮积累量、地上部总氮积累量、单株结铃数、籽棉产量、皮棉产量和氮肥农学利用率等可作为氮效率核心评价指标，构建海岛棉氮效率综合评价体系，并根据主成分综合得分、氮效率综合评价值与皮棉产量，从12份海岛棉材料中筛选出1个氮高效型海岛棉品种（棉城10号）、3个氮中效型品种（新海28号、新海61号、新海35号）和3个氮低效型品种（新海14号、新海24号、新海45号）。