不同玉米品種耐密性分析及其鑒定指標的篩選

(貴州大學農(nóng)學院，貴陽 550025)

合理密植可以使玉米植株充分利用光、溫、水、氣，解決玉米個體與群體產(chǎn)量的矛盾，從而獲得更高的產(chǎn)量[1]。此外，玉米產(chǎn)量的大幅度提高，還與優(yōu)良的耐密品種選用有關[2-5]?？梢?，對品種進行合理密植是提高玉米產(chǎn)量的重要途徑。不同年代品種種植密度變化的適應能力不同，新品種更耐密植栽培[6]，黔北地區(qū)近年來市場上出現(xiàn)的品種較多，但由于品種選擇不適宜、種植密度偏低等原因，使得單位面積產(chǎn)量較低。為此，對該地區(qū)玉米品種進行耐密性分析及其鑒定指標的篩選，具有重要的理論價值和實踐意義。近年來，國內(nèi)外對玉米品種的耐密性都有不同程度的研究，主要傾向于玉米單株生產(chǎn)力隨密度變化的遲鈍性來進行耐密性分析[7-9]。有關密植對不同玉米品種性狀指標影響的研究已有相關報道。王祥宇等研究表明，玉米光合性能對密度增加的反應較敏感，葉片凈光合速率、群體光合速率、冠層光合能力對密度增加的反應尤其顯著[10]。劉偉等研究認為，生物產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量、收獲指數(shù)和粒葉比均隨密度的升高呈規(guī)律性變化[11]。張洪生等研究表明，高密度條件下，穗長、行粒數(shù)和百粒重都顯著降低，莖稈穿刺強度隨著密度的增大而逐漸減小[12]。程云等研究表明，隨著種植密度的增加，植株基部節(jié)間直徑逐漸變小，莖粗系數(shù)減小，同時基部節(jié)間鮮重、干重逐漸減少，基部節(jié)間抗折力逐步降低[13]。目前，對玉米耐密性分析的研究主要集中在北方糧食主產(chǎn)區(qū)[5]，鮮見系統(tǒng)針對黔北地區(qū)玉米耐密性的相關研究。本試驗采用多種多元統(tǒng)計的分析方法，對20個玉米品種進行耐密性分析及其鑒定指標的篩選，以期為西南地區(qū)選擇耐密性玉米品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試品種20個，見表1。

表1 20個品種名稱及編號

編號品種名稱編號品種名稱B1先玉1171B11仲玉3號B2渝單8號B12粒收1號B3正紅6號B13金玉306B4筑黃127/S02B14筑黃99M/21B5珍禾99B15黔單16號B6愛農(nóng)001B16靖單12號B7正紅431B17靖玉1號B8金玉932B18鄭單958B9靖豐18B19金玉838B10榮玉1510B20新中玉801

1.2 試驗設計

本試驗于2017年3—9月在貴州省遵義市播州區(qū)石板鎮(zhèn)(27°13′N，106°17′E)進行，該地區(qū)屬中亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫14.9 ℃，無霜期291 d，降雨量1 035.7 mm。供試土壤有機質(zhì)26.23 g·kg-1，堿解氮80.50 mg·kg-1，全磷17.52 mg·kg-1，速效磷23.74 mg·kg-1，全鉀23.15 g·kg-1，速效鉀226 mg·kg-1。

采用二因素裂區(qū)設計，主處理為種植密度，即5.25萬株·hm-2(A 1)、6.75萬株·hm-2(A 2)，副處理為玉米品種(表1)。小區(qū)面積25.5 m2(7.5 m×3.4 m)，3次重復。采用寬窄行種植，寬行0.8 m，窄行0.4 m，基肥使用復合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)600 kg·hm-2，在拔節(jié)期和大喇叭口期用尿素追肥，用量分別為150 kg·hm-2和225 kg·hm-2。其他栽培管理措施同當?shù)卮竺娣e生產(chǎn)。

1.3 測定項目及方法

1.3.1株高、穗位高、莖粗和鮮重于吐絲后25 d測定，每個小區(qū)選有代表性植株10株，測量株高、穗位高和莖粗(地上第3節(jié)節(jié)間)。每個小區(qū)選取5株代表性植株進行鮮重的測定。

1.3.2莖稈穿刺強度、莖稈壓折強度、莖稈壓碎強度

在玉米吐絲后25 d，每個小區(qū)選取3株具有代表性的植株，剝?nèi)ト~片和葉鞘，采用 YYD-1 型莖稈強度測定儀(浙江托普儀器有限公司生產(chǎn))測定植株地上部第3～5節(jié)、穗上1節(jié)和穗下1節(jié)。方法是將橫斷面積為0.01 cm2的測頭沿莖稈中部垂直于莖稈方向勻速緩慢插入，讀取其最大值，即為莖稈穿刺強度。將各節(jié)分別平放在測定儀的凹槽內(nèi)，迅速壓下使莖稈壓折，讀取最大值，即為莖稈壓折強度。將橫截面積為1 cm2的探測頭垂直于莖稈節(jié)間中部勻速緩慢壓下，直到莖稈破裂，讀取最大值，即為莖稈壓碎強度。最后，對測定的5個節(jié)間莖稈強度取平均值。

1.3.3玉米測產(chǎn)及考種

玉米成熟后，分小區(qū)實收測產(chǎn)，每個小區(qū)取具有代表性的10個果穗，晾曬至安全含水量(14%)后進行室內(nèi)考種。

1.4 耐密性綜合評價

應用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法對不同玉米品種耐密性進行綜合評價[14-15]。

1.4.1耐密性指數(shù)

1.4.2隸屬函數(shù)值

式中，Xi表示第i個綜合指標；U(Xi)表示第i個綜合指標的隸屬函數(shù)值；Xmax和Xmin分別表示第i個綜合指標的最大值和最小值。

1.4.3權 重

式中，權重(Wi)表示第i個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度；Pi表示不同玉米品種各指標經(jīng)過主成分分析后所得到的第i個綜合指標的貢獻率。

表2 高密度下不同玉米品種成熟期各指標的耐密性指數(shù)

品種編號X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12B11.001.000.951.021.021.070.720.970.960.950.970.93B21.030.981.020.960.740.770.930.990.992.951.010.97B31.020.970.921.060.951.020.940.950.981.091.010.92B41.060.950.900.970.680.840.750.950.980.950.970.94B50.950.910.991.021.071.090.691.040.991.011.001.09B61.010.981.000.970.830.890.690.920.992.700.950.90B71.020.910.910.960.820.810.780.960.980.870.950.98B81.020.920.970.880.850.890.850.970.990.960.941.08B91.010.940.860.850.870.910.910.921.001.190.760.93B101.010.970.940.991.151.090.990.880.910.690.830.93B110.991.070.981.050.880.971.001.011.020.590.990.97B120.991.180.880.970.800.830.730.790.994.000.940.74B131.001.051.021.040.960.960.930.930.990.880.971.01B141.111.271.161.100.901.031.161.051.021.110.961.20B151.010.981.000.900.740.851.071.011.010.351.001.04B161.001.070.910.880.660.700.640.930.971.260.940.97B171.041.010.931.020.870.840.870.990.980.700.861.17B181.041.060.880.870.650.750.650.870.934.550.880.81B191.021.141.090.970.960.971.231.001.021.101.121.04B201.030.940.860.980.860.910.790.900.971.670.920.82

注：X1為株高；X2為穗位高；X3為莖粗；X4為穿刺強度；X5為壓折強度；X6為壓碎強度；X7為鮮重；X8為穗長；X9為穗粗；X10為禿尖長；X11為千粒重；X12為穗粒數(shù)。下同。

表3 高密度下各指標耐密性指數(shù)的相關系數(shù)矩陣

指標X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X11X20.371X30.280.50?1X40.150.320.47?1X5-0.31-0.080.270.55?1X6-0.160.010.370.63??0.92??1X70.340.380.66??0.320.320.371X80.16-0.030.66??0.350.180.310.46?1X90.060.310.53?0.2-0.10.030.49?0.55??1X100.040.26-0.24-0.29-0.45?-0.46?-0.43-0.61??-0.261X11-0.080.230.57??0.360.010.120.30.46?0.49?-0.11X120.270.090.67??0.310.240.250.48?0.84??0.44?-0.64??0.191

1.4.4綜合耐密能力強度

式中，D為各品種耐密性強度綜合評價值。D值越大耐密性越強，反之，耐密性越弱。

1.5 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2010軟件進行原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析；利用DPSv 7.05軟件進行主成分分析、相關性分析、逐步回歸分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 玉米各性狀指標耐密性指數(shù)及相關分析

根據(jù)20個玉米品種在低密度和高密度各性狀的調(diào)查結果，計算各品種相關性狀的耐密性指數(shù)(表2)，當種植密度增加到6.75萬株·hm-2后，少數(shù)性狀值大于1.00，說明這類品種隨著密度的增大，指標測定值增加，如株高和穗位高；多數(shù)性狀指標值小于1.00，說明這類品種隨著密度的增大，指標測定值降低，如莖稈穿刺強度和壓折強度。由于不同玉米品種各單項指標的變化幅度不盡相同，因此難以根據(jù)各單項指標的耐密性指數(shù)來判斷玉米的耐密性強度。從玉米耐密性指數(shù)間的相關分析表明(表3)，隨機2個單項指標之間存在著顯著或者極顯著的相關關系，從而使它們所提供的信息發(fā)送重疊，影響耐密性強度的分析和鑒定指標的篩選結果。為了準確的分析各玉米品種的耐密性，彌補各單項性狀指標耐密性評價的不足，需要進一步對不同品種各單項指標耐密性指數(shù)進一步利用其它多元統(tǒng)計方法進行分析。

表6 高密度下各品種的綜合指標值、隸屬函數(shù)值、D值及評價

編號CI1CI2CI3CI4U1U2U3U4D值綜合排名B10.395-2.1040.6580.3931.0000.8130.5610.8630.8702B2-0.0581.890-0.3450.6250.6440.4690.5730.3030.54914B30.792-1.1930.7190.3730.7800.6500.5690.7010.7065B4-0.9700.921-0.936-0.5520.4660.4740.3820.4710.45515B51.727-2.702-0.8721.8200.5790.5500.5610.5610.56710B6-1.0190.2730.4250.8200.6130.3130.3540.8680.53316B7-0.764-0.128-1.366-0.0220.6390.3850.2150.4580.49017B80.0380.005-1.773-0.2640.7700.4240.3450.6430.60610B9-1.795-0.767-1.284-1.2800.6570.3500.3740.0610.46718B10-0.417-3.5111.408-1.9840.8840.3590.3780.7690.6678B112.004-0.1200.0831.0990.6090.6510.7850.7380.6629B12-3.2000.9852.8351.3890.5170.5820.3251.0000.56113B131.326-0.6400.7260.3830.8891.0000.8010.6780.8741B145.1142.4211.709-2.1770.0000.0000.0000.1440.01820B151.1881.138-1.8890.4850.8050.8090.6550.5620.7514B16-2.2351.355-1.1930.3590.6670.7340.5330.9670.6987B170.7220.013-1.020-1.7470.8120.6210.5160.6470.7006B18-4.5341.6451.071-0.6980.4350.2490.1710.0000.29619B193.5021.2630.7061.2370.7910.8811.0000.9100.8593B20-1.813-0.7450.336-0.2610.6850.4570.5120.3640.56412

表4 玉米各指標主成分分析

主成分特征值貢獻百分率/%累計百分率/%X14.746439.553639.5536X22.290919.090658.6442X31.540112.834371.4785X41.207310.060981.5394X50.66635.552287.0916X60.46953.912591.0041X70.45253.770494.7745X80.28562.380297.1547X90.15011.250498.4051X100.10340.861799.2669X110.06790.565899.8327X120.02010.1673100

2.2 主成分分析

利用DPSv 7.05軟件對12個單項指標的耐密性指數(shù)進行主成分分析，由表4可知，前4個綜合評價指標的貢獻百分率分別為39.55%、19.09%、12.83%和10.06%，累計貢獻率達81.54%，且這4個成分的特征值都大于1，滿足主成分個數(shù)的提取原則：對應的特征值大于1且主成分累計貢獻率≥80%[16]。因此可將原來相互有關的12個單項指標轉(zhuǎn)化為4個新的綜合指標(CI)來對玉米品種耐密性進行分析，能代表12個單項指標的絕大部分信息。

表5 指標因子在主成分中載荷

主成分物質(zhì)主成分因子1因子2因子3因子4X10.09320.36820.1059-0.6308X20.14120.36160.5264-0.0508X30.39120.19130.12480.0552X40.2981-0.14870.37660.0131X50.2264-0.52050.2319-0.0299X60.2749-0.44760.2585-0.0250X70.34450.10800.0875-0.1802X80.37410.0540-0.36900.0305X90.27470.2914-0.15600.3203X10-0.28570.26210.39340.1576X110.24060.18090.05140.6138X120.35910.0527-0.3288-0.2390

由表5可知，對第1主成分載荷值為正且較大的是莖粗、穗長、穗粒數(shù)和鮮重，載荷值分別為0.391 2、0.374 1、0.359 1和0.344 5，可反映原始數(shù)據(jù)信息量的39.55%。第2主成分貢獻較大的是株高、穗位高和穗粗，載荷值為0.368 2、0.361 6和0.291 4，可反映原始數(shù)據(jù)信息量的19.09%。第3主分量貢獻最大的是穗位高、禿尖長和穿刺強度，載荷值為0.526 4、0.393 4和0.376 6，可反映原始數(shù)據(jù)信息量的12.83%。第4主成分貢獻較大的是穗粗和千粒重，載荷值為0.613 8和0.320 3，可反映原始數(shù)據(jù)信息量的10.06%。

2.3 不同玉米品種耐密性強弱的綜合評價

根據(jù)公式(2)計算各品種4個綜合指標的隸屬函數(shù)值(表6)，不同玉米品種各綜合指標的隸屬函數(shù)值不盡相同。對于綜合指標CI1，B 1品種的U1值最大為1.00，說明B 1品種在CI1這一綜合指標上表現(xiàn)的耐密性最強。對于綜合指標CI2，B 13品種的U2值最大為1.00，說明B 13品種在CI2這一綜合指標上表現(xiàn)的耐密性最強。對于綜合指標CI3，B 1品種的U3值最大為1.00，說明B 19品種在CI3這一綜合指標上表現(xiàn)的耐密性最強，B 14品種在綜合指標CI1、CI2和CI3的U1值都是最小為0，說明此品種在這3個綜合指標上都表現(xiàn)為耐密性較弱。對于綜合指標CI4，B 1品種的U1值最大為1.00，說明B 12品種在CI4這一綜合指標上表現(xiàn)的耐密性最強，B 18品種的U4值最小為0，說明此品種在這一綜合指標上表現(xiàn)為耐密性較弱。

由表4可知，各綜合指標的貢獻百分率為39.6%、19.1%、12.8%和10.1%，利用公式(3)計算4個綜合指標的權重為0.485、0.234、0.157、0.123，再利用公式(4)計算每個玉米品種綜合耐密性的大小D值(表6)，根據(jù)D值綜合排名可知，B 13品種D值最大為0.874，表明此品種耐密性最強，B 14品種D值最小為0.018，表明其耐密性較弱。采用最長距離法對D值進行系統(tǒng)聚類分析(圖1)，在歐式距離0.34處將20個品種分為3類，第1類品種包括B 1、B 13、B 19、B 3、B 16、B 17、B 10、B 11和B 15共9個品種，此類品種表現(xiàn)為耐密較強(0.662≤D≤0.874)；第2類品種包括B 2、B 6、B 5、B 20、B 12、B 8、B 4、B 9和B 7共9個品種，此類品種表現(xiàn)為中等耐密(0.467≤D≤0.643)；第3類品種包括B 14和B 18共2個品種，此類品種表現(xiàn)為耐密性較弱(0.018≤D≤0.296)。

圖1 20個品種聚類分析樹狀圖

2.4 逐步回歸分析及耐密性鑒定指標的篩選

由公式(4)可知，各品種的綜合評價D值取決于各單項指標的耐密性指數(shù)，因此，通過逐步回歸分析可篩選出可靠的耐密性鑒定指標。以D值為因變量，各單項指標的耐密性指數(shù)為自變量進行逐步回歸分析，建立回歸方程：

D=3.737-2.512X1+0.981X5-1.243X6-1.452X8-0.107X10+1.307X11,(F=5.557,P=0.004 7,R2=0.719 5**)

其中，相關系數(shù)R=0.848 2**，表明D值與回歸方程預測值達到極顯著水平；從上述方程式可知，株高、壓折強度、壓碎強度、穗長、千粒重和禿尖長共6個指標對玉米品種的耐密性相關顯著，表明這6個指標可作為各玉米品種耐密性的鑒定指標。

3 討 論

玉米品種的耐密性受多種因素影響，與玉米的整個生長發(fā)育密切相關。利用主成分分析和隸屬函數(shù)法分析玉米抗旱性和耐鹽性的研究早有報道，但在玉米品種耐密性分析中的運用較少見[17-19]。本研究以玉米各單項指標的耐密性系數(shù)作為衡量玉米品種耐密性強弱的指標，通過對各指標耐密性指數(shù)進行主成分分析，將12個單項指標轉(zhuǎn)化為4個獨立的綜合指標，能代表12個單項指標的絕大部分信息。根據(jù)4個綜合指標的權重計算出不同玉米品種耐密性評價D值，既考慮了各指標間的相互關系，又考慮到各指標的重要性，使得對玉米品種耐密性差異的評價結果客觀、可靠。通過對D值聚類分析，將20個玉米品種分為3類，第1類品種包括B 1、B 13、B 19、B 3、B 16、B 17、B 10、B 11和B 15共9個品種，此類品種表現(xiàn)為耐密較強，其中，B 13品種耐密性最強，第2類品種包括B 2、B 6、B 5、B 20、B 12、B 8、B 4、B 9和B 7共9個品種，此類品種表現(xiàn)為中等耐密；第3類品種包括B 14和B 18共2個品種，此類品種表現(xiàn)為耐密性較弱。

玉米品種的耐密性是一個復雜的農(nóng)藝性狀，是多種因素，多個性狀綜合作用的結果，指標的合理選擇是玉米耐密性鑒定的關鍵[20]。目前，對耐密性鑒定指標主要是從作物抗倒性能方面來體現(xiàn)[21-22]。本研究中，由于各單項指標受種植密度影響的程度各異，且各單項指標間存在一定程度的相關性。因此，直接利用這些指標很難客觀、準確地評價各個品種的耐密性，從而影響耐密性指標鑒定結果。各指標與D值的密切程度與各指標對密度反應的敏感性程度吻合。本研究以D值為因變量，各單項指標的耐密性指數(shù)為自變量進行逐步回歸分析建立了耐密性鑒定指標數(shù)學模型，篩選出株高、壓折強度、壓碎強度、穗長、千粒重和禿尖長這6個指標作為各玉米品種耐密性的鑒定指標。本研究結果與邊大紅[23]的研究結果基本一致。

本研究結果可能與品種間的生態(tài)適應性有關，如鄭單958品種在東北地區(qū)屬于中度耐密性品種[24]，但在西南地區(qū)耐密較弱，說明鄭單958品種在西南地區(qū)適應性較差；耐密性鑒定指標的全面性和適用范圍需要進一步系統(tǒng)的挖掘。本試驗對于黔北地區(qū)選擇適宜玉米品種具有重要的參考依據(jù)。

4 結 論

20個玉米品種耐密性大致可分為3類，其中，B 1、B 13、B 19、B 3、B 16、B 17、B 10、B 11和B 15共9個品種耐密性較強，種植密度可以控制在6.75株·hm-2以上，適合在西南地區(qū)推廣種植。通過逐步回歸分析表明，株高、壓折強度、壓碎強度、穗長、千粒重和禿尖長共6個指標可作為耐密性鑒定指標。