主成分分析法研究玉米新品種協(xié)玉901 的最適密度和氮肥量

卿春燕 王秀全 盧庭啟 張 華 稅紅霞 馬 鵬 何 丹 龐啟華

（四川省綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，綿陽 621023）

隨著市場發(fā)展的需求，我國玉米的種植面積和總產(chǎn)量躍居農(nóng)作物第1 位，成為我國第一大作物[1]。由于玉米是糧、菜、飼、能四位一體的主要作物，更是畜牧業(yè)、酒類等食品加工業(yè)最基礎(chǔ)的原料，因此在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位[2]。前人研究表明，影響玉米產(chǎn)量的因素包括品種、土壤肥力、種植密度、光照、溫度等，其中種植品種和密度是影響玉米產(chǎn)量的重要因素[3]。中國工程院院士戴景瑞指出，玉米品種是技術(shù)的載體，耐密是提高單產(chǎn)的關(guān)鍵[4]，合理的種植密度可使玉米群體與個體協(xié)調(diào)發(fā)展，挖掘出品種的高產(chǎn)潛力，在單位面積上獲得最大的產(chǎn)量[5-6]。同時，化肥的合理施用，加上氮磷鉀肥的有效搭配，可提高土壤供肥能力，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，在玉米生產(chǎn)中具有重要意義[7]。大量研究表明，密度是協(xié)調(diào)玉米群體與個體之間平衡發(fā)展的有效手段，合理施肥是玉米個體良好發(fā)育的重要保障，二者的高效搭配是玉米增產(chǎn)的關(guān)鍵因素[8-9]。玉米新品種協(xié)玉901 是綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院自主選育而成的優(yōu)良品種，具有廣適性、豐產(chǎn)性好，品質(zhì)優(yōu)良等特性，具備較好的推廣前景[10]，而良種良法的配套能為該品種的高產(chǎn)高效栽培提供科學(xué)依據(jù)。

主成分分析（PCA）是通過降維的方式，將多個存在相關(guān)聯(lián)的變量轉(zhuǎn)化為幾個能反映原本多個變量主要信息的綜合變量，并且保留大部分原有信息，簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，全面客觀地反映變量的綜合表現(xiàn)[11]。近年來，在作物中運(yùn)用PCA 來評價種質(zhì)資源的應(yīng)用廣泛，包括谷子、玉米、馬鈴薯、花生、小豆等[12-16]。本研究采用PCA 方法來分析密度和氮肥對協(xié)玉901 產(chǎn)量和主要農(nóng)藝性狀的影響，以期探究出協(xié)玉901 栽培的最佳種植密度和施氮量，構(gòu)建該品種的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)技術(shù)模式，為大面積玉米高產(chǎn)提供技術(shù)支撐，促進(jìn)增產(chǎn)增收。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況試驗(yàn)地位于四川省綿陽市經(jīng)開區(qū)松埡鎮(zhèn)，土壤肥力水平中等、地力均勻平坦，光照好，排灌方便。

1.2 試驗(yàn)材料玉米品種協(xié)玉901 由綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院自主選育。

1.3 試驗(yàn)方法采用二因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，主區(qū)為種植密度，副區(qū)為氮肥量。種植密度設(shè)5 個水平，A1：45000 株/hm2、A2：52500 株/hm2、A3：60000株/hm2、A4：67500 株/hm2、A5：75000 株/hm2；施氮肥量設(shè)5 個水平，N1：不施氮（CK）、N2：施純氮120kg/hm2、N3：施純氮180kg/hm2、N4：施純氮240kg/hm2、N5：施純氮300kg/hm2。試驗(yàn)采用直播方式，5 行區(qū)，行長8.0m，行距0.6m，隨機(jī)排列，3 次重復(fù)，共75 個小區(qū)。每hm2一次性施入過磷酸鈣736.5kg 和氯化鉀147kg 作為底肥，氮肥（尿素）采用底肥∶追肥=6∶4，追肥于拔節(jié)期施用。其他田間管理措施與大田生產(chǎn)一致。

1.4 測定項(xiàng)目及方法每小區(qū)收中間3 行計(jì)產(chǎn)，隨機(jī)選取10 穗，自然風(fēng)干后進(jìn)行室內(nèi)考種，測定穗長、穗粗、禿尖、穗行數(shù)、行粒數(shù)、千粒重等。考種籽粒中稱取籽粒1kg 作為品質(zhì)分析樣品，測定淀粉、粗蛋白、脂肪、容重。

收獲期取代表性植株5 株，調(diào)查收獲指數(shù)。

收獲指數(shù)=籽粒干重/整株干重。

按照NY/T 2017—2011《植物中氮、磷、鉀的測定》測定植株中的全氮和全磷，按照NY/T 2420—2013《植株全鉀含量測定 火焰光度計(jì)法》測定植株全鉀。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用SPSS 25.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)描述性分析、相關(guān)性分析和主成分分析并計(jì)算主成分綜合得分，確定排名順序。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型描述性分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示，收獲指數(shù)、行粒數(shù)、穗行數(shù)、穗粗和穗長的變異系數(shù)較小，均小于5%，說明這些性狀受密度和施肥影響較小。產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀中千粒重變異系數(shù)較大，表明各處理組合間的表型值差異較大，進(jìn)一步說明不同密度和施氮肥量對協(xié)玉901 的產(chǎn)量性狀影響較大。其中，A1N1 的千粒重最高，為263.1g，表明低密度的種植有利于籽粒的發(fā)育；A3N2 的產(chǎn)量最高，為558.89kg/667m2，表明密度60000 株/hm2、施純氮120kg/hm2的組合搭配有利于產(chǎn)量的增加；A1N5 的容重最高，為776g/L，同時，所有處理組合的容重都較高，均值高達(dá)764g/L，表明品種協(xié)玉901 具有容重高、籽粒飽滿、營養(yǎng)物質(zhì)多的特點(diǎn)。莖稈養(yǎng)分性狀和籽粒品質(zhì)性狀的變異系數(shù)相對較大，表明密度和氮肥的耦合作用對莖稈養(yǎng)分和籽粒品質(zhì)影響較大。

表1 不同處理組合下協(xié)玉901 農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的表型值

2.2 相關(guān)性分析利用雙變量Pearson 簡單相關(guān)系數(shù)法對所有性狀的表型值進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果如表2 所示，多數(shù)性狀之間呈正相關(guān)，部分性狀之間相關(guān)系數(shù)達(dá)顯著或極顯著水平。所有性狀中，粗蛋白與脂肪之間的相關(guān)系數(shù)最高，為0.857。穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量這6 個產(chǎn)量相關(guān)性狀之間全部呈正相關(guān)，且大部分為顯著或極顯著，其中，穗長和穗粗與其他4 個性狀的相關(guān)系數(shù)均比較高，最高達(dá)到了0.841，該結(jié)果與羅黎明等[17]的研究結(jié)果一致，因此，在分析產(chǎn)量性狀特征時，要重點(diǎn)關(guān)注穗長和穗粗這2 個性狀指標(biāo)。產(chǎn)量與千粒重呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.775。此外，全氮、全磷、全鉀這3 個性狀間呈正相關(guān)。

表2 所有性狀之間的相關(guān)性分析

2.3 主成分分析采用SPSS 25.0 對15 個性狀進(jìn)行主成分分析，獲得主成分特征值及方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率，如表3 所示，前6 個主成分的方差累計(jì)貢獻(xiàn)率為82.952%，符合主成分分析要求，能較好反映大部分遺傳信息，達(dá)到了降維的目的，因此，本研究采用這6 個主成分代替上述15 個性狀進(jìn)行后續(xù)的分析。

表3 各主成分的特征值及方差貢獻(xiàn)率

各主成分的載荷矩陣如表4 所示，其反映了各性狀對該主成分負(fù)荷相對大小和作用的方向，即性狀對主成分的影響程度[11，18]。結(jié)果表明，主成分1反映穗長、穗粗、行粒數(shù)、千粒重、產(chǎn)量和容重的主要信息；主成分2 反映粗蛋白和脂肪的主要信息；主成分3 反映禿尖和全磷的主要信息；主成分4 反映穗行數(shù)和全鉀的主要信息；主成分5 反映收獲指數(shù)的主要信息；主成分6 反映淀粉的主要信息；主成分1、3 和5 聯(lián)合反映全氮的信息。

表4 各主成分載荷矩陣

用各性狀變量的主成分載荷除以主成分相對應(yīng)特征值的平方根，即可以得到主成分中每個性狀所對應(yīng)的得分系數(shù)即特征向量，以特征向量為權(quán)重得出6 個主成分得分的表達(dá)式F1～F6，再以各主成分所對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，根據(jù)主成分得分和對應(yīng)的權(quán)重線性加權(quán)求和得到主成分的綜合得分模型。

F=0.297F1+0.206F2+0.118F3+0.076F4+0.07F5+0.06F6

計(jì)算得到的主成分得分和綜合得分及排名結(jié)果如表5 所示，綜合排名前5 的處理分別為A1N3、A1N2、A1N4、A1N5 和A1N1，表明從綜合性狀來看，最適的種植密度為45000 株/hm2，在此密度的基礎(chǔ)上，最佳施氮量為180kg/hm2，其次施氮量是120kg/hm2、240kg/hm2、300kg/hm2和不施氮肥。同時，反映產(chǎn)量相關(guān)信息的主成分1，其得分排名前5 的處理分別為A1N3、A1N1、A1N5、A1N4 和A1N2，表明當(dāng)種植密度為45000 株/hm2時，最佳施氮量為180kg/hm2。

表5 所有性狀的主成分得分及排名

3 討論與結(jié)論

玉米新品種協(xié)玉901 適宜在四川、云南、貴州、湖南、漢中等西南春玉米平壩淺丘地區(qū)種植。但由于西南地區(qū)地形地貌復(fù)雜，屬于濕潤半濕潤季風(fēng)氣候[19]，在玉米的生育期內(nèi)，常常出現(xiàn)陰雨寡照、濕熱同步的現(xiàn)象，導(dǎo)致玉米的葉片接受光照不均勻，因此，合理的種植密度為玉米產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)提供了保障。同時，玉米也是需肥量較多的高產(chǎn)作物，適當(dāng)?shù)氖┓柿渴潜ＷC玉米增產(chǎn)增收的前提[20]。調(diào)查表明，國內(nèi)玉米對氮肥的利用率僅35%左右，60%以上的農(nóng)戶僅憑經(jīng)驗(yàn)施肥[21]，在肥料施用過程中出現(xiàn)施足底肥后不追肥、少追肥或者追肥過度的現(xiàn)象，導(dǎo)致玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)都較低。新品種結(jié)合配套栽培技術(shù)是保障高產(chǎn)高效的有效途徑。本研究主要針對種植密度和施氮肥量這兩個因素對玉米新品種協(xié)玉901 產(chǎn)量及相關(guān)性狀的影響進(jìn)行探究。利用PCA方法，從綜合性狀的角度選出最佳種植密度和施氮肥量的組合搭配，為協(xié)玉901 的生產(chǎn)推廣提供理論支撐。

本研究的相關(guān)性分析結(jié)果顯示（表2），籽粒品質(zhì)性狀粗蛋白和脂肪的相關(guān)系數(shù)最高，為0.857，呈極顯著正相關(guān)。不少前人對玉米籽粒品質(zhì)研究也發(fā)現(xiàn)，在不同的處理下，粗蛋白和脂肪總是呈現(xiàn)相同的變化趨勢。賈曉艷等[22]在分析玉米粒重與品質(zhì)性狀的相關(guān)性時發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒百粒重與蛋白質(zhì)和油分含量之間呈負(fù)相關(guān)，玉米籽粒容重與蛋白質(zhì)和油分含量之間呈正相關(guān)。瞿翔等[23]在研究硅肥對玉米生長及土壤理化性質(zhì)的影響時發(fā)現(xiàn)，施用硅肥顯著提高了玉米籽粒脂肪和蛋白質(zhì)含量，顯著降低了淀粉含量。呂巨智等[24]在研究不同耕作方式對玉米生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響時發(fā)現(xiàn)，深松處理使玉米籽粒脂肪和蛋白質(zhì)含量均不同程度的提高，但淀粉含量降低。由此可見，環(huán)境的改變能引起玉米籽粒品質(zhì)的變化，并且蛋白質(zhì)和脂肪之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。

目前，通過多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對作物的多個性狀進(jìn)行綜合評價已經(jīng)應(yīng)用廣泛[14]，主成分分析就是通過降維的方法把多個變量變成幾個相對獨(dú)立的綜合變量，科學(xué)評價綜合性狀。本研究調(diào)查的15 個性狀包括產(chǎn)量性狀、籽粒品質(zhì)性狀、莖稈養(yǎng)分性狀等。利用主成分分析將這15個性狀降維到能反映82.952%綜合信息的6 個主成分，通過主成分得分和綜合得分來評價種植密度和施氮肥量的最佳搭配。產(chǎn)量最高的處理為A3N2，即種植密度為60000 株/hm2，這與曹家洪等[25]的研究結(jié)果一致，但兩試驗(yàn)的施氮量不同，可能與施用肥料類型不同相關(guān)。但在得分排名中，主成分1 和綜合得分排名第1 的均為A1N3，且排名前5 的種植密度均為45000 株/hm2，說明在此密度下的綜合性狀表現(xiàn)好，且施純氮量最佳為180kg/hm2。

玉米新品種協(xié)玉901 的產(chǎn)量最高處理為A3N2，即種植密度為60000 株/hm2，施純氮120kg/hm2，但從綜合得分來看，最適宜種植密度為45000 株/hm2，最佳施純氮量為180kg/hm2。