燕山北部丘陵區春玉米品種耐密性評價及鑒定指標篩選

邊麗梅，孫峰成，董喆，鄭偉，張麗妍，張昊，郝春雷，慈艷華，杜江洪，孟繁盛*

（1赤峰市農牧科學研究院，內蒙古赤峰 024031；2內蒙古農牧業科學院，呼和浩特 010031）

玉米是全球第一大作物，其持續增產、穩產是保障糧食安全的關鍵。玉米品種、種植密度是影響產量的重要因素［1］。種植密度是決定作物產量的主要因素，適當增加密度是提高群體產量、降低成本的可行途徑［2-5］，耐密品種的選擇是栽培與育種研究的方向之一［6］。陳傳永等［7］對北京地區的不同玉米品種的耐密效應進行分析，發現隨種植密度增加，玉米的產量、葉面積指數均有提升，但倒伏率增加，單株干物質、收獲指數、平均凈同化率、穗粒數、百粒質量降低。楊錦越等［8］篩選出西南地區玉米品種耐密性鑒定指標為株高、壓折強度、壓碎強度、穗長、千粒質量和禿尖長。閆偉平等［9］提出隨著種植密度增大，全株干質量、單株籽粒干質量下降，植株的經濟系數變小，空稈率顯著升高，單株籽粒數顯著減少，收獲時籽粒的含水率顯著降低。燕山北部丘陵區處于我國優質玉米種植帶上，是內蒙古自治區的玉米主產區之一，但玉米機械化程度遠低于全國平均水平，耐密品種篩選評價的報道較少。本研究針對燕山北部丘陵區開展耐密植玉米品種的篩選，通過測試不同密度下玉米品種的結實性和抗倒伏性指標，并結合相關性和主成分分析，運用系統聚類方法分類和逐步回歸分析，對多個評價指標進行提取優化，明確本區域耐密植品種鑒定評價指標，以期對該地區玉米耐密品種篩選、應用和推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在內蒙古自治區赤峰市農牧科學研究院城子試驗基地（42°16′N、118°56′E、海拔568 m）進行，試驗地區屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候，有效年積溫2 900～3 200℃，無霜期135～140 d。試驗地前茬為玉米，供試土壤為壤土，0～20 cm土層土壤基本理化性質為：含有機質17.5 g／kg、堿解氮109.0 mg／kg、有效磷18.4 mg／kg、速效鉀155.0 mg／kg。

1.2 試驗設計

試驗于2018年進行，采用裂區試驗設計。設密度（A）和品種（B）和兩個因素。主區為密度，設2個水平，分別為7.5萬株／hm2和9.0萬株／hm2，副區為品種，共20個玉米品種（表1），共計40個處理。3次重復，小區面積21.2 m2，行長為7.0 m，每小區種植6行，采用寬窄行種植，寬行為0.8 m，窄行為0.4 m。肥料選用硫包衣緩控釋摻混肥料，施肥量為600 kg／hm2，作為基肥在播種前一次性施入。試驗田的灌溉等田間管理水平與當地大田管理水平基本一致。2018年5月4日播種，10月9日收獲。

表1 供試玉米品種生育期及來源Table 1 The resources and grow ing periods of maize varieties

1.3 測定項目與方法

在玉米吐絲散粉后，每個小區選擇連續的10株玉米植株，調查并記錄株高X1（cm）、穗位高X2（cm）、莖粗X3（mm）（地上部第3節扁平面的直徑）。于2018年9月30日（玉米生理成熟后）使用莖稈強度測定儀（型號YYD-1B）測定生長正常的玉米地上部第3、4、5、6節莖稈穿刺強度X4（N），取平均值；使用莖稈強度測定儀于玉米生理成熟期在玉米穗位節平推45°角，用峰值模式測定莖稈壓折強度X5（N）。每個點調查正常結穗的玉米植株連續3株，作為1個試驗數據。

收獲時調查每小區倒伏率X6。分小區單獨收獲。在玉米收獲當天，利用均穗法選出有代表性的10個果穗，測定玉米產量指標，包括產量X7（kg／hm2）、籽粒含水量X8（%）、千粒質量X9（g）、禿尖長X10（mm）、穗粗X11（mm）、穗行數X12、穗長X13（cm）、行粒數X14、平均穗質量X15（g）。

1.4 數據分析

采用Excel 2010進行數據處理，采用SPSS20.0進行主成分分析、聚類分析［10，11］。

1.4.1 耐密指數

將每個性狀在高密度處理與常規密度處理的比值作為耐密指數，計算公式如下：

X＝Hb／Lb×100%

式中：X—耐密指數；Hb—高密度下各單項性狀表型值；Lb—常規密度下各單項性狀表型值。

1.4.2 各綜合指標的隸屬函數值

式中：Yj—第j個綜合指標；R（Yj）—第j個綜合指標的隸屬函數值；Ymin與Ymax分別表示第j個綜合指標的最小值與最大值。

1.4.3 各綜合指標的權重

式中：Wj（權重）—第j個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度；Pj—不同玉米品種各指標經過主成分分析后所得到的第j個綜合指標的貢獻率。

1.4.4 各品種的綜合耐密能力評價

式中：D—各品種在不同種植密度下耐密能力綜合評價值。

2 結果與分析

2.1 不同品種各項指標的耐密指數

玉米品種密度由7.5萬株／hm2增加到9.0萬株／hm2后，各指標均發生變化。根據各項指標在不同密度下的測定結果，求得不同品種各項指標的耐密指數。由表2可見，密度增加到9.0萬株／hm2后，大部分玉米品種的產量、禿尖長和倒伏率的耐密指數均大于1，說明這部分玉米品種的產量、禿尖長和倒伏率均隨密度增加而增大；大部分玉米品種的莖稈穿刺和壓折強度、千粒質量、穗行數、穗長、行粒數和平均穗質量的耐密指數均小于1，說明這部分玉米品種的莖稈穿刺和壓折強度、千粒質量、穗行數、穗長、行粒數和平均穗質量隨密度增加而減小。不同品種的耐密指數的變化幅度不同，而且不同指標所占權重也不同，因此，用任何單一指標的耐密指數來評價不同玉米品種的耐密性差異均存在一定的片面性。

表2 9.0萬株／hm2種植密度下各玉米品種各單項指標的耐密指數Table 2 Density tolerance index of each single index of maize varieties under the planting density of 90 000 plant／hm2

續表2

2.2 不同品種耐密指數的簡單相關分析

不同品種各項指標耐密指數之間的相關系數見表3。產量與千粒質量存在顯著正相關，與禿尖、倒伏率存在顯著負相關；籽粒含水量與莖桿強度存在顯著負相關；千粒質量與禿尖存在顯著負相關；莖稈壓折強度與莖稈穿刺強度存在顯著正相關；株高與穗位存在顯著正相關。由于不同指標間存在不同相關性，導致各項指標間結果發生重疊，從這些單項指標上評價品種的耐密性有局限性，難以得到客觀的結果。為彌補單項指標分析的不足，需要運用其它統計方法進行進一步的分析。

表3 9.0萬株／hm2密度下各單項指標的相關分析Table 3 The correlations of each single index at the planting density of 90 000 plant／hm2

2.3 主成分分析

利用SPSS20.0軟件對15個單項指標的耐密指數進行主成分分析，結果于表4。提取出特征值大于1的6個主成分，貢獻率分別為21.01%、20.68%、13.86%、10.78%、8.73%和7.54%，累計貢獻率達82.61%，其余貢獻率較小，可忽略不計。

將這6個主成分分別定義為第1至第6綜合指標，這樣就將原來15個具有相互關聯的單項指標轉換為6個新的相互獨立的綜合指標，各綜合指標的對應特征向量為：

第一主成分Y1＝-0.04X1+0.11X2-0.04X3+0.22X4+0.14X5-0.43X6+0.37X7-0.07X8+0.40X9-0.48X10-0.11X11+0.01X12+0.23X13+0.27X14-0.25X15

第二主成分Y2＝-0.41X1+0.38X2+0.41X3+0.31X4+0.39X5-0.17X6-0.19X7-0.26X8-0.17X9+0.05X10+0.04X11+0.09X12-0.30X13+0.02X14+0.04X15

第三主成分Y3＝-0.04X1+0.04X2-0.09X3-0.11X4-0.02X5-0.32X6-0.09X7+0.09X8-0.29X9+0.16X10+0.45X11+0.59X12+0.32X13+0.31X14-0.04X15

第四主成分Y4＝0.40X1+0.41X2+0.05X3-0.33X4-0.3X5+0.02X6+0.33X7-0.04X8+0.18X9-0.11X10+0.45X11-0.16X12-0.17X14+0.23X15

第五主成分Y5＝0.17X1+0.26X2-0.44X3+0.25X4+0.38X5+0.03X6+0.03X7+0.61X8-0.06X9+0.10X10+0.03X11-0.17X12+0.18X13-0.10X14+0.22X15

第六主成分Y6＝-0.02X1-0.07X2+0.20X3-0.03X4-0.06X5-0.05X6-0.06X7+0.12X8+0.11X9+0.17X10-0.23X11-0.20X12+0.32X13+0.50X14+0.67X15

由上述6個主成分的表達式可知：在第一主成分的表達式中，第7、第9項的系數比較大，說明產量和千粒質量的載荷較大；在第二主成分的表達式中，第1、2、3、5項的系數比較大，說明株高、穗位高、莖粗和莖稈壓折強度的載荷較大；在第三主成分的表達式中，第11、12、13、14項的系數比較大，說明穗粗、穗行數、穗長和行粒數的載荷較大；在第四主成分的表達式中，第1、2、7、11項的系數比較大，說明株高、穗位高、產量和穗粗的載荷較大；在第五主成分的表達式中，第5、8項的系數比較大，說明莖稈壓折強度和籽粒含水量的載荷較大；在第六主成分的表達式中，第13、14、15項的系數比較大，說明穗長、行粒數和平均穗質量的載荷較大。綜上結果，株高、穗位高、莖稈壓折強度、產量、穗長和行粒數這6個指標在6個主成分中的載荷都比較大。

表4 主成分的特征向量和累積貢獻率Table 4 Eigenvectors and cumulative contribution rates of each principal component

2.4 各品種耐密性綜合評價

2.4.1 隸屬函數分析

將表2中的耐密指數進行標準化，結合6個綜合指標的Y值，計算出各綜合指標的隸屬函數值R。從表5可看出，每個品種對應的綜合指標的隸屬函數值各不相同，其中，利禾5（B7）的R1值最大，為1.00；真金308（B12）的R2和R3值最大，為1.00；翔玉998（B20）的R4值最大，為1.00；鄭單958（B1）的R5值最大，為1.00；TK601（B6）的R6值最大，為1.00；說明密度從7.5萬株／hm2增加到9.0萬株／hm2時，上述幾個品種分別在其對應的綜合指標上表現最強的耐密性。R1至R6值最小（0.00）的品種分別為九圣禾2468（B19）、鄭單958（B1）、中農222（B3）和豫單9953（B15），說明密度從7.5萬株／hm2增加到9.0萬株／hm2時，上述幾個品種在對應的綜合指標上耐密性較弱。

2.4.2 權重

根據各綜合指標的貢獻率（分別為21.01%、20.68%、13.86%、10.78%、8.73%和7.54%），可計算出其權重（W），分別為0.25、0.25、0.16、0.13、0.10和0.09。

2.4.3 綜合評價

綜合各指標的隸屬函數值和權重，求出20個玉米品種的綜合評價值D，并根據D值大小進行排序，從而衡量出耐密性的強弱。從表5可見，廣德5（B8）的D值最大，表明其耐密性最強；鄭單958（B1）的D值最小，表明其耐密性最差。采用系統聚類法對D值進行聚類分析，從聚類樹狀圖可以看出，20份玉米品種分成了3類。第一類品種9個，分別為真金308（B12）、春雷1號（B13）、利禾5（B7）、宇豐15-91（B11）、粒收1號（B2）、先玉335（B5）、TK601（B6）、CL2（B14）和廣德5（B8），這類品種耐密性強；第二類品種9個，分別為豫單9953（B15）、德力888（B18）、中農222（B3）、DF717（B9）、宏興528（B16）、翔玉998（B20）、農富88（B10）、九圣禾2468（B17）和中農239（B4），這類品種耐密性中等；第三類品種2個，為鄭單958（B1）和德力666（B19），這類品種耐密性差。

表5 各品種的綜合指標值、隸屬函數值、權重及綜合評價值Table 5 Comprehensive index value，membership function value，weight，and comprehensive evaluation value of 20 varieties

圖1 不同玉米品種耐密性聚類分析樹狀圖Fig.1 Dendrogram of density-tolerance cluster analysis of maize varieties

2.4.4 耐密指標篩選

根據各綜合指標的特征向量，可以看出各單項指標的系數即載荷值，明確每個單項指標的作用，但還不能以此作為耐密指標篩選的標準。不同玉米品種的耐密性綜合評價值D取決于各單項指標的耐密指數，因此可以通過回歸分析方法建立最優回歸方程，從而篩選出耐密指標。以耐密性綜合評價值D為因變量，以表2中各單項指標的耐密指數為因變量進行逐步回歸分析，最優回歸方程如下：

從回歸模型上可以看出，剔除7個單項指標后，株高（X1）、穗位高（X2）、莖粗（X3）、莖稈壓折強度（X5）、倒伏率（X6）、產量（X7）、行粒數（X14）和平均穗質量（X15）這8個單項指標與耐密性顯著性相關，可以將株高（X1）、穗位高（X2）、莖粗（X3）、莖稈壓折強度（X5）、倒伏率（X6）、產量（X7）、行粒數（X14）和平均穗質量（X15）作為玉米耐密性的鑒定指標。

3 討論

近年有很多耐密品種的篩選的研究。馬興林等［12］認為，玉米不同性狀對種植密度變化存在明顯差異，除玉米品種本身耐密性等因素外，抗倒伏性和結實性是評價品種耐密性最重要的性狀。本研究測定的單項指標中包含莖稈穿刺、莖稈壓折強度、倒伏率、株高、穗位高和莖粗等抗倒伏性相關指標，也包含產量、千粒質量、禿尖長、穗長、穗粗、穗行數、行粒數和平均穗質量等指標，通過高密度種植玉米品種，評價其抗倒伏性和結實性，在評價品種耐密性的同時，也篩選出適宜機械化收獲的品種，滿足玉米機械化粒收的需要。本試驗篩選出耐密性強的品種后，下一年將在高密度種植條件下進行機械化粒收篩選試驗，進一步篩選耐密植宜機收品種。

有研究表明，在不同的種植密度下，不同玉米品種在產量及產量構成因子上存在顯著差異［13］。在一定的范圍內增加種植密度可以提高光、溫、水資源的利用效率，依靠群體發揮增產潛力［5］。種植密度越高，玉米個體發育進程推遲，單株產量和穗粒數顯著降低，千粒質量呈下降趨勢，但由于群體數量增多而產量增加［14，15］。但種植密度過大容易造成群體內資源分配不合理，加大了內部個體之間對光、水、肥等的競爭，導致單株地上部干物質積累量、抗倒伏能力均呈現降低的趨勢，空稈率提高，禿尖增長，個體產量下降［16～19］。種植密度增加后會導致玉米株高和穗位變高、莖粗變細、莖稈強度降低，從而增加植株倒伏率和倒折率，顯著降低玉米產量而且會增加收獲的成本［20，21］。在本試驗條件下，增加密度后禿尖增加，穗長、莖粗均降低，不同品種產量變化情況不同，和前人研究結果相符。目前本地區生產上大面積推廣應用的密度為7.5萬株／hm2左右，本試驗選取的密度為9.0萬株／hm2，在設置高密度條件的同時也兼顧了生產實際，具有可行性。

王富貴等［22］研究表明，相對莖粗、相對SPAD值、相對Pn、相對干物質量、相對禿尖長、相對行粒數和相對單株產量等7個主要指標可作為耐密性的評價指標。洪德峰等［13］研究表明，可以將相對產量、相對穗位高、相對穗長、相對穗粗、相對穗行數、相對行粒數、相對百粒質量等7個指標作為評價不同基因型玉米耐密性強弱的指標。羅英艦等［23］認為，玉米株高、籽粒含水率、倒伏率和雜質率4個指標進行隸屬函數分析，可以避免單一指標的片面性，能對玉米耐密植宜機收品種進行全面的篩選。吳瓊等［24］將10個單項指標轉換成為可以鑒定玉米密植抗倒伏能力的4個相互獨立的綜合指標，分別是干物質積累、節間長、全鉀含量和株高。本試驗地點為燕山北部丘陵區，篩選出的玉米耐密性鑒定指標為相對穗粗、相對莖稈壓折強度、相對穗長、相對平均穗質量和相對籽粒含水量。由于試驗地點、試驗材料和密度設置不同，試驗結果也不盡相同。

采用多個指標對耐密性進行綜合評定可以彌補單個指標的局限性，使評定結果更加客觀可靠。灰色關聯度分析法、聚類分析法、模糊隸屬函數法、主成分分析法等方法可以綜合多個指標進行植物品種抗逆性（耐密性）分析，結果更加真實可靠［13］。在耐密植玉米品種的篩選過程中，確定鑒定指標的方法至關重要。本試驗利用主成分分析、聚類分析、隸屬函數分析和逐步回歸分析等多元分析方法，綜合評價了20個玉米品種成熟期15項指標，玉米品種耐密性主要由上述6個綜合指標共同決定。根據6個綜合指標值的貢獻率求出隸屬函數值，并依據各綜合指標的相對重要性（權重）進行加權，得到不同玉米品種耐密植能力的綜合評價值（D值），較科學地對玉米品種的耐密特性進行評價，在此基礎上剔除掉7個單項指標后，篩選出玉米耐密性鑒定的8個單項指標，分別為株高、穗位高、莖粗、莖稈壓折強度、倒伏率、產量、行粒數和平均穗質量。

4 結論

各玉米品種采用不同密度種植，產量及其相關指標、農藝性狀、抗倒性均有變化。本試驗將20個玉米品種的耐密性分為三類，其中，廣德5等9份玉米品種表現為耐密性強，鄭單958和德力666等2個玉米品種表現為耐密性差，豫單9953等9個玉米品種表現為耐密性中等。對15個指標進行主成分分析、隸屬函數法和逐步回歸分析，篩選出玉米耐密性鑒定指標為株高、穗位高、莖粗、莖稈壓折強度、倒伏率、產量、行粒數和平均穗質量。