燕山北部丘陵区春玉米品种耐密性评价及鉴定指标筛选

边丽梅，孙峰成，董喆，郑伟，张丽妍，张昊，郝春雷，慈艳华，杜江洪，孟繁盛*

（1赤峰市农牧科学研究院，内蒙古赤峰 024031；2内蒙古农牧业科学院，呼和浩特 010031）

玉米是全球第一大作物，其持续增产、稳产是保障粮食安全的关键。玉米品种、种植密度是影响产量的重要因素［1］。种植密度是决定作物产量的主要因素，适当增加密度是提高群体产量、降低成本的可行途径［2-5］，耐密品种的选择是栽培与育种研究的方向之一［6］。陈传永等［7］对北京地区的不同玉米品种的耐密效应进行分析，发现随种植密度增加，玉米的产量、叶面积指数均有提升，但倒伏率增加，单株干物质、收获指数、平均净同化率、穗粒数、百粒质量降低。杨锦越等［8］筛选出西南地区玉米品种耐密性鉴定指标为株高、压折强度、压碎强度、穗长、千粒质量和秃尖长。闫伟平等［9］提出随着种植密度增大，全株干质量、单株籽粒干质量下降，植株的经济系数变小，空秆率显著升高，单株籽粒数显著减少，收获时籽粒的含水率显著降低。燕山北部丘陵区处于我国优质玉米种植带上，是内蒙古自治区的玉米主产区之一，但玉米机械化程度远低于全国平均水平，耐密品种筛选评价的报道较少。本研究针对燕山北部丘陵区开展耐密植玉米品种的筛选，通过测试不同密度下玉米品种的结实性和抗倒伏性指标，并结合相关性和主成分分析，运用系统聚类方法分类和逐步回归分析，对多个评价指标进行提取优化，明确本区域耐密植品种鉴定评价指标，以期对该地区玉米耐密品种筛选、应用和推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在内蒙古自治区赤峰市农牧科学研究院城子试验基地（42°16′N、118°56′E、海拔568 m）进行，试验地区属于温带半干旱大陆性季风气候，有效年积温2 900～3 200℃，无霜期135～140 d。试验地前茬为玉米，供试土壤为壤土，0～20 cm土层土壤基本理化性质为：含有机质17.5 g／kg、碱解氮109.0 mg／kg、有效磷18.4 mg／kg、速效钾155.0 mg／kg。

1.2 试验设计

试验于2018年进行，采用裂区试验设计。设密度（A）和品种（B）和两个因素。主区为密度，设2个水平，分别为7.5万株／hm2和9.0万株／hm2，副区为品种，共20个玉米品种（表1），共计40个处理。3次重复，小区面积21.2 m2，行长为7.0 m，每小区种植6行，采用宽窄行种植，宽行为0.8 m，窄行为0.4 m。肥料选用硫包衣缓控释掺混肥料，施肥量为600 kg／hm2，作为基肥在播种前一次性施入。试验田的灌溉等田间管理水平与当地大田管理水平基本一致。2018年5月4日播种，10月9日收获。

表1 供试玉米品种生育期及来源Table 1 The resources and grow ing periods of maize varieties

1.3 测定项目与方法

在玉米吐丝散粉后，每个小区选择连续的10株玉米植株，调查并记录株高X1（cm）、穗位高X2（cm）、茎粗X3（mm）（地上部第3节扁平面的直径）。于2018年9月30日（玉米生理成熟后）使用茎秆强度测定仪（型号YYD-1B）测定生长正常的玉米地上部第3、4、5、6节茎秆穿刺强度X4（N），取平均值；使用茎秆强度测定仪于玉米生理成熟期在玉米穗位节平推45°角，用峰值模式测定茎秆压折强度X5（N）。每个点调查正常结穗的玉米植株连续3株，作为1个试验数据。

收获时调查每小区倒伏率X6。分小区单独收获。在玉米收获当天，利用均穗法选出有代表性的10个果穗，测定玉米产量指标，包括产量X7（kg／hm2）、籽粒含水量X8（%）、千粒质量X9（g）、秃尖长X10（mm）、穗粗X11（mm）、穗行数X12、穗长X13（cm）、行粒数X14、平均穗质量X15（g）。

1.4 数据分析

采用Excel 2010进行数据处理，采用SPSS20.0进行主成分分析、聚类分析［10，11］。

1.4.1 耐密指数

将每个性状在高密度处理与常规密度处理的比值作为耐密指数，计算公式如下：

X＝Hb／Lb×100%

式中：X—耐密指数；Hb—高密度下各单项性状表型值；Lb—常规密度下各单项性状表型值。

1.4.2 各综合指标的隶属函数值

式中：Yj—第j个综合指标；R（Yj）—第j个综合指标的隶属函数值；Ymin与Ymax分别表示第j个综合指标的最小值与最大值。

1.4.3 各综合指标的权重

式中：Wj（权重）—第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度；Pj—不同玉米品种各指标经过主成分分析后所得到的第j个综合指标的贡献率。

1.4.4 各品种的综合耐密能力评价

式中：D—各品种在不同种植密度下耐密能力综合评价值。

2 结果与分析

2.1 不同品种各项指标的耐密指数

玉米品种密度由7.5万株／hm2增加到9.0万株／hm2后，各指标均发生变化。根据各项指标在不同密度下的测定结果，求得不同品种各项指标的耐密指数。由表2可见，密度增加到9.0万株／hm2后，大部分玉米品种的产量、秃尖长和倒伏率的耐密指数均大于1，说明这部分玉米品种的产量、秃尖长和倒伏率均随密度增加而增大；大部分玉米品种的茎秆穿刺和压折强度、千粒质量、穗行数、穗长、行粒数和平均穗质量的耐密指数均小于1，说明这部分玉米品种的茎秆穿刺和压折强度、千粒质量、穗行数、穗长、行粒数和平均穗质量随密度增加而减小。不同品种的耐密指数的变化幅度不同，而且不同指标所占权重也不同，因此，用任何单一指标的耐密指数来评价不同玉米品种的耐密性差异均存在一定的片面性。

表2 9.0万株／hm2种植密度下各玉米品种各单项指标的耐密指数Table 2 Density tolerance index of each single index of maize varieties under the planting density of 90 000 plant／hm2

续表2

2.2 不同品种耐密指数的简单相关分析

不同品种各项指标耐密指数之间的相关系数见表3。产量与千粒质量存在显著正相关，与秃尖、倒伏率存在显著负相关；籽粒含水量与茎杆强度存在显著负相关；千粒质量与秃尖存在显著负相关；茎秆压折强度与茎秆穿刺强度存在显著正相关；株高与穗位存在显著正相关。由于不同指标间存在不同相关性，导致各项指标间结果发生重叠，从这些单项指标上评价品种的耐密性有局限性，难以得到客观的结果。为弥补单项指标分析的不足，需要运用其它统计方法进行进一步的分析。

表3 9.0万株／hm2密度下各单项指标的相关分析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软件对15个单项指标的耐密指数进行主成分分析，结果于表4。提取出特征值大于1的6个主成分，贡献率分别为21.01%、20.68%、13.86%、10.78%、8.73%和7.54%，累计贡献率达82.61%，其余贡献率较小，可忽略不计。

将这6个主成分分别定义为第1至第6综合指标，这样就将原来15个具有相互关联的单项指标转换为6个新的相互独立的综合指标，各综合指标的对应特征向量为：

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个主成分的表达式可知：在第一主成分的表达式中，第7、第9项的系数比较大，说明产量和千粒质量的载荷较大；在第二主成分的表达式中，第1、2、3、5项的系数比较大，说明株高、穗位高、茎粗和茎秆压折强度的载荷较大；在第三主成分的表达式中，第11、12、13、14项的系数比较大，说明穗粗、穗行数、穗长和行粒数的载荷较大；在第四主成分的表达式中，第1、2、7、11项的系数比较大，说明株高、穗位高、产量和穗粗的载荷较大；在第五主成分的表达式中，第5、8项的系数比较大，说明茎秆压折强度和籽粒含水量的载荷较大；在第六主成分的表达式中，第13、14、15项的系数比较大，说明穗长、行粒数和平均穗质量的载荷较大。综上结果，株高、穗位高、茎秆压折强度、产量、穗长和行粒数这6个指标在6个主成分中的载荷都比较大。

表4 主成分的特征向量和累积贡献率Table 4 Eigenvectors and cumulative contribution rates of each principal component

2.4 各品种耐密性综合评价

2.4.1 隶属函数分析

将表2中的耐密指数进行标准化，结合6个综合指标的Y值，计算出各综合指标的隶属函数值R。从表5可看出，每个品种对应的综合指标的隶属函数值各不相同，其中，利禾5（B7）的R1值最大，为1.00；真金308（B12）的R2和R3值最大，为1.00；翔玉998（B20）的R4值最大，为1.00；郑单958（B1）的R5值最大，为1.00；TK601（B6）的R6值最大，为1.00；说明密度从7.5万株／hm2增加到9.0万株／hm2时，上述几个品种分别在其对应的综合指标上表现最强的耐密性。R1至R6值最小（0.00）的品种分别为九圣禾2468（B19）、郑单958（B1）、中农222（B3）和豫单9953（B15），说明密度从7.5万株／hm2增加到9.0万株／hm2时，上述几个品种在对应的综合指标上耐密性较弱。

2.4.2 权重

根据各综合指标的贡献率（分别为21.01%、20.68%、13.86%、10.78%、8.73%和7.54%），可计算出其权重（W），分别为0.25、0.25、0.16、0.13、0.10和0.09。

2.4.3 综合评价

综合各指标的隶属函数值和权重，求出20个玉米品种的综合评价值D，并根据D值大小进行排序，从而衡量出耐密性的强弱。从表5可见，广德5（B8）的D值最大，表明其耐密性最强；郑单958（B1）的D值最小，表明其耐密性最差。采用系统聚类法对D值进行聚类分析，从聚类树状图可以看出，20份玉米品种分成了3类。第一类品种9个，分别为真金308（B12）、春雷1号（B13）、利禾5（B7）、宇丰15-91（B11）、粒收1号（B2）、先玉335（B5）、TK601（B6）、CL2（B14）和广德5（B8），这类品种耐密性强；第二类品种9个，分别为豫单9953（B15）、德力888（B18）、中农222（B3）、DF717（B9）、宏兴528（B16）、翔玉998（B20）、农富88（B10）、九圣禾2468（B17）和中农239（B4），这类品种耐密性中等；第三类品种2个，为郑单958（B1）和德力666（B19），这类品种耐密性差。

表5 各品种的综合指标值、隶属函数值、权重及综合评价值Table 5 Comprehensive index value，membership function value，weight，and comprehensive evaluation value of 20 varieties

图1 不同玉米品种耐密性聚类分析树状图Fig.1 Dendrogram of density-tolerance cluster analysis of maize varieties

2.4.4 耐密指标筛选

根据各综合指标的特征向量，可以看出各单项指标的系数即载荷值，明确每个单项指标的作用，但还不能以此作为耐密指标筛选的标准。不同玉米品种的耐密性综合评价值D取决于各单项指标的耐密指数，因此可以通过回归分析方法建立最优回归方程，从而筛选出耐密指标。以耐密性综合评价值D为因变量，以表2中各单项指标的耐密指数为因变量进行逐步回归分析，最优回归方程如下：

从回归模型上可以看出，剔除7个单项指标后，株高（X1）、穗位高（X2）、茎粗（X3）、茎秆压折强度（X5）、倒伏率（X6）、产量（X7）、行粒数（X14）和平均穗质量（X15）这8个单项指标与耐密性显著性相关，可以将株高（X1）、穗位高（X2）、茎粗（X3）、茎秆压折强度（X5）、倒伏率（X6）、产量（X7）、行粒数（X14）和平均穗质量（X15）作为玉米耐密性的鉴定指标。

3 讨论

近年有很多耐密品种的筛选的研究。马兴林等［12］认为，玉米不同性状对种植密度变化存在明显差异，除玉米品种本身耐密性等因素外，抗倒伏性和结实性是评价品种耐密性最重要的性状。本研究测定的单项指标中包含茎秆穿刺、茎秆压折强度、倒伏率、株高、穗位高和茎粗等抗倒伏性相关指标，也包含产量、千粒质量、秃尖长、穗长、穗粗、穗行数、行粒数和平均穗质量等指标，通过高密度种植玉米品种，评价其抗倒伏性和结实性，在评价品种耐密性的同时，也筛选出适宜机械化收获的品种，满足玉米机械化粒收的需要。本试验筛选出耐密性强的品种后，下一年将在高密度种植条件下进行机械化粒收筛选试验，进一步筛选耐密植宜机收品种。

有研究表明，在不同的种植密度下，不同玉米品种在产量及产量构成因子上存在显著差异［13］。在一定的范围内增加种植密度可以提高光、温、水资源的利用效率，依靠群体发挥增产潜力［5］。种植密度越高，玉米个体发育进程推迟，单株产量和穗粒数显著降低，千粒质量呈下降趋势，但由于群体数量增多而产量增加［14，15］。但种植密度过大容易造成群体内资源分配不合理，加大了内部个体之间对光、水、肥等的竞争，导致单株地上部干物质积累量、抗倒伏能力均呈现降低的趋势，空秆率提高，秃尖增长，个体产量下降［16～19］。种植密度增加后会导致玉米株高和穗位变高、茎粗变细、茎秆强度降低，从而增加植株倒伏率和倒折率，显著降低玉米产量而且会增加收获的成本［20，21］。在本试验条件下，增加密度后秃尖增加，穗长、茎粗均降低，不同品种产量变化情况不同，和前人研究结果相符。目前本地区生产上大面积推广应用的密度为7.5万株／hm2左右，本试验选取的密度为9.0万株／hm2，在设置高密度条件的同时也兼顾了生产实际，具有可行性。

王富贵等［22］研究表明，相对茎粗、相对SPAD值、相对Pn、相对干物质量、相对秃尖长、相对行粒数和相对单株产量等7个主要指标可作为耐密性的评价指标。洪德峰等［13］研究表明，可以将相对产量、相对穗位高、相对穗长、相对穗粗、相对穗行数、相对行粒数、相对百粒质量等7个指标作为评价不同基因型玉米耐密性强弱的指标。罗英舰等［23］认为，玉米株高、籽粒含水率、倒伏率和杂质率4个指标进行隶属函数分析，可以避免单一指标的片面性，能对玉米耐密植宜机收品种进行全面的筛选。吴琼等［24］将10个单项指标转换成为可以鉴定玉米密植抗倒伏能力的4个相互独立的综合指标，分别是干物质积累、节间长、全钾含量和株高。本试验地点为燕山北部丘陵区，筛选出的玉米耐密性鉴定指标为相对穗粗、相对茎秆压折强度、相对穗长、相对平均穗质量和相对籽粒含水量。由于试验地点、试验材料和密度设置不同，试验结果也不尽相同。

采用多个指标对耐密性进行综合评定可以弥补单个指标的局限性，使评定结果更加客观可靠。灰色关联度分析法、聚类分析法、模糊隶属函数法、主成分分析法等方法可以综合多个指标进行植物品种抗逆性（耐密性）分析，结果更加真实可靠［13］。在耐密植玉米品种的筛选过程中，确定鉴定指标的方法至关重要。本试验利用主成分分析、聚类分析、隶属函数分析和逐步回归分析等多元分析方法，综合评价了20个玉米品种成熟期15项指标，玉米品种耐密性主要由上述6个综合指标共同决定。根据6个综合指标值的贡献率求出隶属函数值，并依据各综合指标的相对重要性（权重）进行加权，得到不同玉米品种耐密植能力的综合评价值（D值），较科学地对玉米品种的耐密特性进行评价，在此基础上剔除掉7个单项指标后，筛选出玉米耐密性鉴定的8个单项指标，分别为株高、穗位高、茎粗、茎秆压折强度、倒伏率、产量、行粒数和平均穗质量。

4 结论

各玉米品种采用不同密度种植，产量及其相关指标、农艺性状、抗倒性均有变化。本试验将20个玉米品种的耐密性分为三类，其中，广德5等9份玉米品种表现为耐密性强，郑单958和德力666等2个玉米品种表现为耐密性差，豫单9953等9个玉米品种表现为耐密性中等。对15个指标进行主成分分析、隶属函数法和逐步回归分析，筛选出玉米耐密性鉴定指标为株高、穗位高、茎粗、茎秆压折强度、倒伏率、产量、行粒数和平均穗质量。