夏玉米品種田間耐鹽性綜合評價及鑒選

韓小偉， 劉國利， 張 峰， 張國順， 馮玉在， 張會光， 李宗新， 張 慧， 韓文亮， 高英波

(1.濱州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山東濱州 256600； 2.山東省無棣縣小泊頭鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，山東無棣 256600；3.山東借箭牛業(yè)發(fā)展有限公司，山東濱州 256600； 4.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所/小麥玉米國家工程實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海北部玉米生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室，山東濟南 250100)

土壤鹽漬化是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因子之一，嚴重影響了作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量提升。我國鹽漬化土壤總面積約為3 600萬hm，占我國耕地總面積的10%左右，其中具備農(nóng)業(yè)改良利用潛力的鹽堿地面積約為67萬hm，可增耕地面積及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力提升潛力巨大。玉米是我國重要的糧食作物之一，近年來年總產(chǎn)量維持在2.6億t左右，位居糧食作物產(chǎn)量首位，約占三大糧食作物總產(chǎn)量的43%，對保障國家糧食安全至關(guān)重要。近年來鹽堿地的玉米種植面積呈明顯增長趨勢，但受鹽堿逆境的影響，玉米單產(chǎn)和總產(chǎn)偏低。因此，評價鑒選耐鹽高產(chǎn)玉米品種，挖掘玉米自身耐鹽能力，對有效利用鹽漬土地、實現(xiàn)玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

鑒選和選育耐鹽作物來利用鹽堿地，由治理鹽堿地適應(yīng)作物向選育耐鹽堿植物適應(yīng)鹽堿地轉(zhuǎn)變，是實現(xiàn)鹽堿地生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的有效途徑。前人對玉米耐鹽性鑒定研究大多集中在萌發(fā)期和苗期，并篩選出發(fā)芽率、發(fā)芽勢、株高、干質(zhì)量等苗期耐鹽性指標，且耐鹽性鑒定大多在室內(nèi)或盆栽條件下進行，難以反映玉米在鹽堿地條件下的實際脅迫環(huán)境。在諸多制約玉米產(chǎn)量增長的因素中遺傳改良作用占35%～40%，而玉米品種的選育和區(qū)試大部分都是在適宜的生長條件下進行，導(dǎo)致實際生產(chǎn)中缺乏耐鹽堿高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)品種。隨著玉米種業(yè)快速發(fā)展，玉米品種井噴，農(nóng)業(yè)新型經(jīng)營主體和種植大戶不能合理選擇玉米品種，也是玉米整體產(chǎn)量無法大幅提高的主要因素之一。鑒于此，本研究以132個近年來新審定的玉米品種為供試材料，開展耐鹽性綜合評價及鑒選，挖掘耐鹽玉米種質(zhì)資源，為耐鹽高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)玉米品種選育、審定和推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年、2020年和2021年6—10月在山東省濱州市無棣縣郭馬村(38°0′30″N，117°37′12″E)進行。試驗點地處華北平原冬小麥、夏玉米一年兩熟種植區(qū)，該區(qū)年平均降水量為590.15 mm，年均氣溫為13.93 ℃。土壤為黏土，地勢平坦，肥力均勻。pH值為8.40，有機質(zhì)含量15.97 g/kg，全氮含量1.00 g/kg，堿解氮含量91.96 mg/kg，速效磷含量29.61 mg/kg，速效鉀含量200.13 mg/kg，0～40 cm土層含鹽量0.15%。2019年、2020年和2021年6—10月階段累積降水量及平均溫度見圖1。

1.2 試驗設(shè)計

參試品種共132個，詳見表1。試驗采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計，鄭單958品種作為對照，每個品種3次重復(fù)，小區(qū)面積為666.67 m，種植密度為 67 500 株/hm。播前施用硅谷肥(含純N、PO、KO分別為30%、10%、10%)375 kg/hm作為基肥，小喇叭口期追施復(fù)合肥(含純N、PO、KO分別為28%、6%、6%)300 kg/hm。田間管理同常規(guī)大田管理一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 收獲和測產(chǎn) 每小區(qū)選取長勢均勻的4行玉米(每行5 m)進行收獲，稱其果穗總鮮質(zhì)量，并計算出平均鮮穗質(zhì)量；以平均鮮穗質(zhì)量為標準在所收果穗中選取20穗進行室內(nèi)考種，包括穗行數(shù)、行粒數(shù)、千粒質(zhì)量、穗長等指標。將鮮籽粒和烘干后籽粒分別稱質(zhì)量測定其含水量，并按含水量14%折算出實際產(chǎn)量。

1.3.2 形態(tài)學(xué)指標測定 于乳熟期連續(xù)選取50株玉米調(diào)查其株高、穗位高、倒伏率等情況。

1.3.3 玉米品種綜合指標評價 采用加權(quán)隸屬函數(shù)法將各指標進行綜合評價賦值(值)。計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：為各材料中第項指標的測定值；max和min分別為供試材料中第項指標測定值的最大值和最小值。如果所測指標與評價性質(zhì)呈正相關(guān)，則采用公式(1)計算隸屬函數(shù)值，如指標與評價性質(zhì)為負相關(guān)，則采用公式(2)。為供試材料()的變異系數(shù)，為在總變異中所占的權(quán)重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗采用Microsoft Excel 2019進行數(shù)據(jù)錄入，并用SPSS 23.0中的描述性統(tǒng)計、探索性分析、均值聚類分析、因子分析、相關(guān)性分析及系統(tǒng)聚類分析選項對品種進行分類，利用Origin 2018軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同玉米品種產(chǎn)量變化及聚類分析

探索性分析結(jié)果(圖2)表明，平均籽粒產(chǎn)量為(7 424.48±154.04) kg/hm，95%置信區(qū)間內(nèi)平均籽粒產(chǎn)量范圍為7 119.75～7 729.21 kg/hm，籽粒最低和最高產(chǎn)量分別為3 128.40 kg/hm和 11 026.50 kg/hm，變異系數(shù)為0.238。

根據(jù)產(chǎn)量均值聚類分析結(jié)果將132個玉米品種分成1、2、3、4類(表1)，即1類為高產(chǎn)品種，包括鑫星321、寧研678、碩秋702、天泰619、NK815、濟玉519、NK818、德單179、道吉158、連勝253、農(nóng)大778、豐樂235、德瑞88、金海2010、豫禾269、齊民玉6號、登海DT208、德農(nóng)52、鑫研156，產(chǎn)量范圍為 9 074.08～11 026.50 kg/hm；2類為中產(chǎn)品種，包括好日子738、魯單9169等59個品種，產(chǎn)量變化區(qū)間為7 387.82～9 013.55 kg/hm；3類為相對低產(chǎn)品種，包括金海188、豫禾695等33個品種，產(chǎn)量變化區(qū)間為5 493.73～7 312.16 kg/hm；4類為低產(chǎn)品種，包括天泰614、新單68等21個品種，產(chǎn)量變化區(qū)間為3 128.40～5 204.74 kg/hm。

表1 132個玉米品種產(chǎn)量K均值聚類分析

2.2 132個玉米品種耐鹽性相關(guān)指標因子分析

對132個玉米品種10項耐鹽性狀指標進行因子分析(表2)可得，前4個公因子累積貢獻率為77.043%，可以概括各指標總信息量。第1公因子主要反映的是產(chǎn)量、千粒質(zhì)量及穂長情況，特征根及貢獻率分別為2.392和23.918%；第2公因子主要反映的是株高、穗位高和穗行數(shù)，特征根和貢獻率分別為2.276和22.755%；第3公因子主要反映的是穗粒數(shù)和行粒數(shù)，特征根和貢獻率分別為1.964和19.641%；第4公因子主要反映的是倒伏率和穗數(shù)，特征根及貢獻率最低，分別為1.073和10.729%。

由因子得分系數(shù)矩陣及特征根(表2、表3)可求得綜合得分函數(shù)：=0053+0124+0123+0114-0132-0045+0123+0085+0093+0127，根據(jù)綜合得分函數(shù)可知，倒伏率和穗行數(shù)其系數(shù)相對較低，分別為0.053和0.045，結(jié)合載荷矩陣中的分類可確定產(chǎn)量、千粒質(zhì)量、穂長、株高、穗位高、穗粒數(shù)、行粒數(shù)作為衡量玉米綜合評分的主要性狀。

表2 各綜合指標貢獻率及因子載荷矩陣

表3 各綜合指標得分系數(shù)矩陣

2.3 132個玉米品種各耐鹽性狀指標隸屬函數(shù)值和相關(guān)性分析

由表4可見，除倒伏率外，株高、穗位高、穗長、穗數(shù)、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量的隸屬函數(shù)值變異系數(shù)均較大，表明品種間各指標隸屬函數(shù)值差異較大；各指標隸屬函數(shù)值權(quán)重表現(xiàn)為(穗粒數(shù))>(千粒質(zhì)量)>(穂長)>(產(chǎn)量)>(株高)>(穗行數(shù))>(穗位高)>(行粒數(shù))>(穗數(shù))>(倒伏率)。

表4 132個玉米品種基于10種耐鹽性狀指標的隸屬函數(shù)值

由圖3可知，對不同鑒定指標測定值與值相關(guān)性分析表明，除倒伏率、穗行數(shù)和畝穗數(shù)外，其他指標與值均具有極顯著相關(guān)關(guān)系(<0.001)，株高、穗位高、穂長、行粒數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量及產(chǎn)量與值相關(guān)系數(shù)分別為-0.39、-0.41、0.67、0.47、0.58、0.55、0.81。

2.4 初選玉米品種(高產(chǎn)品種)聚類分析與綜合評價

通過值聚類分析繪制出譜系圖(圖4)，將其分為2類，A類為綜合耐鹽性能相對較高的品種，分別為寧研678、德瑞88、鑫星321、碩秋702、齊民玉6號；B類為綜合耐鹽性能相對較低的品種，分別為登海DT208、德農(nóng)52等14個品種。中軸散點圖(圖5)表明，寧研678、鑫星321、碩秋702、天泰619、齊民玉6號、NK815及濟玉519的產(chǎn)量及值均相對較高，綜合其聚類分析和中軸散點圖所得結(jié)果鑒選出寧研678、鑫星321、碩秋702及齊民玉6號共計4個玉米品種。

3 討論

在不同的土壤耕層特性及氣候條件下，即使采用相同玉米品種和栽培措施，其產(chǎn)量也存在一定差異，選用適宜的玉米品種及合理的栽培措施是實現(xiàn)玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效途徑。本研究通過對近年來新審定推廣的132個玉米品種產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行探索性分析得出，95%置信區(qū)間內(nèi)平均籽粒產(chǎn)量范圍為7 119.75～7 729.21 kg/hm，變異系數(shù)為0.238，各品種之間產(chǎn)量變異幅度較大，表明鑒選適宜種植的品種對實現(xiàn)玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。單產(chǎn)水平高低是玉米抗病性能、抗逆性能及產(chǎn)量潛力等指標的綜合體現(xiàn)。在不考慮其他因素前提下，本研究通過采用K均值聚類分析進行產(chǎn)量初篩選將品種劃分為19個高產(chǎn)品種、59個中產(chǎn)品種、33個相對低產(chǎn)品種和21個低產(chǎn)品種，其中高產(chǎn)品種產(chǎn)量范圍為9 074.08～11 026.50 kg/hm。

玉米在不同生育階段的耐鹽能力鑒定指標不同。前人研究表明，胚根長度可作為玉米萌發(fā)期耐鹽性評價指標，根長、根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量可作為玉米苗期耐鹽性評價指標，籽粒干質(zhì)量和穗干質(zhì)量可作為玉米成株期耐鹽性評價指標。本研究通過因子分析將10項鑒定指標歸類為4個公因子，其中第1公因子主要反映的是產(chǎn)量、千粒質(zhì)量及穂長情況，第2公因子主要反映的是株高、穗位高和穗行數(shù)，第3公因子主要反映的是穗粒數(shù)和行粒數(shù)，第4公因子主要反映的是倒伏率和穗數(shù)，因子綜合得分函數(shù)可知倒伏率和穗行數(shù)的系數(shù)相對偏低，對綜合得分影響程度較小。同時， 結(jié)合各耐鹽性狀指標隸屬函數(shù)值及測定值與綜合評價值的相關(guān)系數(shù)大小進行系統(tǒng)分析表明，產(chǎn)量、千粒質(zhì)量、穂長、株高、穗位高、穗粒數(shù)、行粒數(shù)可作為衡量玉米綜合評分的主要性狀。

植株耐鹽表現(xiàn)是受多基因、多因素共同控制下多種性狀集成結(jié)果的體現(xiàn)，選用多指標比單指標較為系統(tǒng)地反映耐鹽特性。模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法廣泛應(yīng)用于小麥、玉米、高粱等植物的抗逆性研究、品種篩選等領(lǐng)域，其優(yōu)點是將各指標無量綱化，提高指標之間的可比性，結(jié)合各指標隸屬函數(shù)值所占權(quán)重計算出加權(quán)隸屬函數(shù)值(值)，能夠科學(xué)、有效地評價各品種的耐鹽性。本研究首先采用系統(tǒng)聚類分析法將初選后的品種(高產(chǎn)品種)分為綜合耐鹽性能相對較高品種和綜合耐鹽性能相對較低品種2類，在此基礎(chǔ)上同時考慮到產(chǎn)量性狀作為玉米耐鹽高產(chǎn)品種篩選的重要指標， 鑒選出產(chǎn)量與值均相對較高的品種，篩選出寧研678、鑫星321、碩秋702及齊民玉6號共計4個玉米品種適宜鹽堿地種植。

4 結(jié)論

產(chǎn)量、千粒質(zhì)量、穂長、株高、穗位高、穗粒數(shù)、行粒數(shù)可用于玉米品種田間耐鹽性的評價。本研究依據(jù)鹽堿地產(chǎn)量表現(xiàn)將132個玉米品種劃分為19個高產(chǎn)品種、59個中產(chǎn)品種、33個相對低產(chǎn)品種和21個低產(chǎn)品種；綜合考慮品種耐鹽性能(值)及田間產(chǎn)量表現(xiàn)，鑒選出寧研678、鑫星321、碩秋702及齊民玉6號共計4個玉米品種適宜鹽堿地種植。