湖北省夏玉米耐密植宜机收品种筛选与评价

2021-08-19张士龙贺正华黄益勤

种子 2021年7期

张士龙，贺正华，黄益勤

(湖北省农业科学院粮食作物研究所/粮食作物种质创新与品种改良湖北省重点实验室，武汉 430064)

玉米是我国的主要粮食作物之一[1]，其种植面积、总产量、消费量仅次于美国，均居世界第二位[2]。统计表明，2017 年我国玉米生产在全国粮食生产总面积和总产量的占比分别为35.9%和42.1%，比重均居第一位，玉米生产对保障我国粮食安全具有举足轻重的作用。近10年来，尽管我国玉米的生产力水平得到了大力提高，但相对于美国等西方国家仍然比较落后，主要表现在缺乏广适性耐密宜机收品种、机械化程度较低、生产成本较高，导致我国玉米的年进口量不断增加。为了进一步降低我国玉米对外的依赖性、提高自我供需的保障能力，因地制宜选育和筛选耐密品种、增加玉米单位面积产量是提高玉米生产机械化与现代化水平乃至保障我国粮食安全的有效途径[3-4]。

湖北省是我国重要的粮食主产省份之一，从未来发展看，玉米将是湖北省需求增长最快、增产潜力最大的粮食品种。目前，湖北省玉米生产大致可划分为三大玉米生产优势区域，其中北部岗地是面积相对稳定的传统夏玉米主产区。随着城镇化、工业化进程的加快以及农村劳动力的转移，玉米生产高机械化程度的需求日益凸显。此外，玉米收获所需劳动量约占生产全程劳动量的55%，需要投入大量的人力、财力和物力，在收获阶段能选用性能良好的机械及技术，可大大节约玉米生产中的劳动量[5]。目前玉米的机械化籽粒收获还处于较低水平[6-7]，主要原因在于品种参差不齐。适宜机械收获的品种应具备成熟早、耐密植、抗倒伏且籽粒脱水速率快的特性[8-9]，其中，影响玉米收粒质量的主要因素是籽粒水分含量[10]，玉米籽粒完全成熟收获时的最适含水量为23%～24%，当籽粒含水量在15%以下时进行机械化收获，籽粒的损失率会因落穗率增加而增大[11]。此外，玉米品种类型、倒伏情况、产量水平、种植密度、植株株高、穗位高度、株行距配置以及收获机具、收割速度等因素均会影响籽粒机械收获的质量[12]。

近年来，湖北省夏播区新品种引种与选育较多，但鲜见针对以耐密植宜机收品种的鉴选及相关研究。为此，本研究以23个夏玉米品种为材料，探明各品种在3个密度条件下农艺性状、产量性状和机收性状的差异，采用主成分分析筛选出主要评价指标，再对其进行模糊数学隶属函数分析，从而进行综合评价，筛选适宜湖北省种植的耐密植宜机收夏玉米品种，以期为夏玉米耐密宜机收品种的选用及玉米高产、高效栽培提供依据和参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

以市面上常用的夏玉米品种和湖北省近年生产推荐的优势骨干品种为试验材料(表1)。

表1 参试品种

1.2 试验设计

本试验于2017年5—10月在湖北省襄阳市襄州区古驿镇襄北农场(32.262 719°N，112.246 976°E)进行。该地区属亚热带气候，年平均气温为15.6 ℃，多年平均降雨量755.5 mm，无霜期约232 d。供试土壤0～20 cm平均有机质含量23.12 g·kg-1，碱解氮110.60 mg·kg-1，速效磷41.23 mg·kg-1，速效钾152.40 mg·kg-1，pH值4.91。

试验采用二因素随机区组设计，3次重复，小区面积40 m2(4 m×10 m).密度因素设4 000株·(667 m2)-1(D 1)、5 000株·(667 m2)-1(D 2)、6 000株·(667 m2)-1(D 3)共3个水平。四周设5行保护行，试验地田间管理与当地大田保持一致。

1.3 测定项目及方法

1.3.1株高、穗位高、茎粗

每个小区选有代表性植株10株于吐丝后25 d，测量株高、穗位高和茎粗(地上第3节节间)。

1.3.2籽粒含水率、倒伏率、空杆率

在各品种的生理成熟期调查统计籽粒含水率、倒伏率、空杆率。用 PM 8188 水分测定仪测定籽粒含水率。

1.3.3玉米测产及考种

玉米生理成熟后，分小区实收测产，每个小区取具有代表性的10个果穗，晾晒至安全含水量(14%)后进行室内考种。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007软件进行数据整理和初步分析，利用SAS 7.0软件进行相关分析和主成分分析[13]。应用隶属函数法对不同玉米品种进行综合性评价[14]。

隶属函数值：U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)；

U(Xi)反=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

(2)

(3)

式中，(1)、(2)、(3)中i=1，2…n，Xi表示第i个综合指标值；Xmin表示第i个综合指标的最小值；Xmax表示第i个综合指标的最大值。公式(2)中，Wi值表示第i个综合指标的权重；Pi为第i个综合指标的贡献率。公式(3)中，Y值为玉米品种机械化籽粒收获潜力综合评价值。

2 结果与分析

2.1 不同种植密度对夏玉米主要农艺性状的影响

合适的株高和穗位高有利于进行机械化收获。由表2可知，在3种密度条件下，各参试品种的生理成熟期平均株高分别为239.70 cm、245.85 cm、259.61 cm，平均穗位高分别为91.48 cm、95.83 cm、101.74 cm。随着密度增加，平均株高、穗位高均呈现增加趋势。随密度增加株高增加辐度10 cm以内的品种有粒收1号、登海618、迪卡517、登海829、登海512、登海518、登海113，说明这些品种对密植的耐受性较强。种植密度从4 000株·(667 m2)-1增加至5 000株·(667 m2)-1时，大多数品种的株高增加不明显，而密度增加到6 000株·(667 m2)-1时，株高有较显著的增加，表明大多数品种较适宜5 000株·(667 m2)-1种植密度。在3种密度条件下株高最高品种为金单485、华美1号(D 1)，最低品种为NKY 1701、华美1号(D 2)、NKY 1701、华美1号(D 3)。各参试品种在同一密度下穗位高度存在显著差异，同密度所有参试品种穗位均值随密度增加而增大。金单485在3种密度下穗位均最高，而最低的分别为华美1号、登海605、登海113；穗位高度随密度增大而显著增加的品种有金单485、勤玉58、ND 7737、NKY 1701、苏玉29，其余品种虽呈上升趋势，但均未达显著水平。

表2 不同密度对株高、穗位高及茎粗的影响

植株茎秆粗壮能增强玉米品种的抗倒伏能力。相同密度条件下品种间茎粗均存在显著差异，各品种3种密度下的平均茎粗分别是D 1为18.57 mm、D 2为17.96 mm、D 3为17.53 mm，随密度增加呈下降趋势。

2.2 不同种植密度对产量及其构成因素的影响

表3显示，种植密度对产量有显著影响。同一种植密度不同品种之间具有显著差异。3种密度的产量变化范围分别为367.47～491.61 kg·(667 m2)-1、388.97～572.08 kg·(667 m2)-1、361.43～601.11 kg·(667 m2)-1，同一密度参试品种平均产量分别为425.79 kg·(667 m2)-1、466.33 kg·(667 m2)-1、472.46 kg·(667 m2)-1，总体上呈现出随着密度增加而增大的趋势。金单485在4 000株·(667 m2)-1密度下产量最高，登海618在5 000、6 000株·(667 m2)-1密度下产量最高，而苏玉29在3个密度下产量均最低。密度由4 000株·(667 m2)-1增至5 000株·(667 m2)-1时，所有参试品种产量均有一定程度增加，说明适当增加密度可以提高单位面积产量，但密度增加到6 000株·(667 m2)-1时，苏玉29、NKY 1701、金单485、京科968、浚单318产量下降，说明种植密度过大时反而会造成减产。

表3 不同种植密度对产量及其构成因素的影响

产量构成因素决定产量的高低。同一密度各品种的穗粒数存在显著差异，而同一品种在不同种植密度条件下穗粒数亦存在差异。由低到高3个种植密度的参试品种的平均穗粒数分别为498.61、485.17、471.09，总体上呈现随密度增大而减小的趋势。除登海113的穗粒数随密度增加先增大后减小外，其他品种的穗粒数随密度增大而减小。与穗粒数性状变化规律类似，同一密度各品种的千粒重存在显著差异，而同一品种不同种植密度下千粒重亦有差异。由低到高3个密度下的参试品种平均千粒重分别为296.02 g、288.14 g、289.58 g，呈随密度增大先减少后增加的趋势。除ND 7737、陕单650的千粒重随密度增大先减小后增大外，其余品种千粒重总体上均呈随密度增大而减小的趋势。由低到高3个密度条件下各品种的平均空杆率分别为2.17%、3.55%、7.21%，随密度增大而增加。在6 000株·(667 m2)-1密度条件下所有品种均有不同程度的空杆现象发生，郑单958、登海618、迪卡517在4 000、5 000株·(667 m2)-1密度条件下均未出现空杆，而登海829只在4 000株·(667 m2)-1密度下未出现空杆。

2.3 不同种植密度对机械收获相关性状的影响

2.3.1对倒伏率、茎腐病病株率的影响

倒伏率是评价玉米籽粒机械收获质量的主要指标之一。由表4可知，在生理成熟期，3个密度下的所有参试品种平均倒伏率为21.23%、29.14%、35.06%，随密度增大而变大。登海618在3个密度下均未发生倒伏现象。此外，在4 000株·(667 m2)-1的密度时，无倒伏发生的品种有粒收1号、登海605、华美1号、迪卡517、登海512、登海829，倒伏超过20%以上的品种有苏玉29、勤玉58、NKY 1701、汉单777、金单485、京科968、浚单318、陕单609、陕单650，其中勤玉58、苏玉29甚至超过70%；密度为5 000株·(667 m2)-1时，未出现倒伏的品种有华美1号、登海512、登海829，其余品种均有不同程度的倒伏；当密度增大到6 000株·(667 m2)-1时，苏玉29全部倒伏，倒伏率80%以上的品种有勤玉58、NKY 1701、汉单777、金单485、京科968、浚单318等。

表4 不同种植密度对机收相关性状的影响

茎腐病会使得茎杆站立性变差，机收时易倒伏，落穗率变大，影响机收效果与质量。试验结果显示，3种密度条件下，参试品种平均茎腐病病株率为6.00%、9.89%、14.53%，呈现随密度增加而增大的趋势(表4)。其中，苏玉29、勤玉58、NKY 1701、汉单777、京科968、浚单318在3个密度下茎腐病病株率均在10%以上，表现出对茎腐病较差的抗性，而郑单958、粒收1号、登海605、登海618、华美1号、迪卡517、登海113、登海512、登海518、登海528、登海829、来玉177等品种病株率则在10%以下，表现出较好的抗性。

2.3.2对籽粒含水率、苞叶层数的影响

籽粒含水率是玉米籽粒收获质量的重要影响因素之一，合适的籽粒含水率有助于提高玉米籽粒收获质量。表4结果显示，3个密度下平均籽粒含水率分别为28.24%、27.73%、27.35%，总体上呈现随密度增大而降低的趋势。3个密度下籽粒含水率最高的品种分别是登海605、登海605、汉单777，最低的品种均是登海829，而勤玉58、NKY 1701、登海518、汉单777、金单485、陕单650等品种籽粒含水率则呈现随密度增大而先降低后升高的趋势。登海618、华美1号、迪卡517、登海829的籽粒含水率在3个密度下均低于24%，达到机收最适水分含量标准。

苞叶层数除与籽粒脱水速率有关外，还与机械收获时去苞叶难易程度相关。较少的苞叶层数有利于籽粒脱水和易于机械收获。试验结果(表4)显示，相同种植密度条件下，各品种间苞叶数差异明显。品种苞叶数变化范围为7～10，大多数品种苞叶数为8～9，且不随种植密度增加而变化，表现出较强的品种特性。

2.4 主要农艺性状、产量及机收指标主成分分析

主成分分析是将多个指标进行组合，转化为少数几个综合指标的统计分析方法，从而达到简化的目的[15]。本研究对23个夏玉米品种的农艺性状、产量性状和机收性状方面综合考虑，选取了3种密度条件下生理成熟期株高、产量、籽粒含水率以及倒伏率等11个指标进行主成分分析(表5、表6)。根据“对应的特征值都大于1且累积贡献率≥80%”的主成分个数提取原则[16]，每个密度均提取了3个主成分(表6、表7)，其中，在4 000株·(667 m2)-1密度下，第一主成分特征值为4.163，贡献率为0.378 3%，对应特征向量主要表现在茎腐病病株率、倒伏率、空杆率等方面，其值分别为0.398 098、0.363 236、0.361 018；第二主成分特征值3.559，贡献率为0.323 5%，对应特征向量主要表现在穗位高、产量、株高等方面，其值分别为0.469 412、0.466 758、0.466 066；第三主成分特征1.425，贡献率为0.129 6%，对应特征向量主要表现在籽粒含水量、苞叶层数方面，其值分别为0.576 925、0.552 865。以上三个主成分的累积贡献率为0.831 4%，基本包含了所测指标的全部信息量。在5 000株·(667 m2)-1密度下，第一主成分特征值为5.260 235 36，贡献率为0.478 2%，对应特征向量主要表现在茎腐病病株率、空杆率、倒伏率等方面，其值分别为0.383 726、0.378 888、0.369 296；第二主成分特征值2.792 156 61，贡献率为0.253 8，对应特征向量主要表现在产量、株高、穗位高等方面，其值分别为0.504 992、0.486 203、0.424 900；第三主成分特征1.268 482 44，贡献率为0.115 3，对应特征向量主要表现在籽粒含水量、苞叶层数方面，其值分别为0.576 925、0.552 865。以上三个主成分的累积贡献率0.847 4%，基本包含了所测指标的全部信息量。在6 000株·(667 m2)-1密度下，第一主成分特征值为5.408 700 96，贡献率为0.491 7%，对应特征向量主要表现在茎腐病病株率、倒伏率、空杆率等方面，其值分别为0.393 876、0.385 243、0.384 266；第二主成分特征值2.112 183 45，贡献率为0.192%，对应特征向量主要表现在产量、株高、穗位高等方面，其值分别为0.520 986、0.450 317、0.384 462；第三主成分特征为1.339 303 43，贡献率为0.121 8%，对应特征向量主要表现在苞叶层数、千粒重、籽粒含水量等方面，其值分别为0.553 237、0.489 545、0.483 998。以上三个主成分的累积贡献率0.805 5%，基本包含了所测指标的全部信息量。

表5 3种密度下各性状相关系数矩阵

表6 各指标主成分提取分析

表7 主成分分析特征值的特征向量

2.5 不同玉米品种耐密宜机收潜力综合评价

根据主成分分析结果，采用模糊数学隶属函数法进一步分析数据。利用公式(1)分别计算3个密度条件下各品种在3个综合指标中的隶属函数值(表8)，由于品种宜机收潜力与产量及相关性状呈正相关关系，第二主成分采用隶属函数公式计算其函数值，而品种机收潜力与空杆率、倒伏率、茎腐病病株率、籽粒含水率、苞叶层数呈负相关关系，故第一、三主成分采用反隶属函数公式计算其函数值。利用公式(2)计算各综合指标权重。根据公式(3)，可得各品种宜机收潜力的综合值(表8)。各品种在各综合性状上隶属函数值与权重的积之和为品种宜机收潜力值，值越大宜机收潜力越大，反之，宜机收潜力越小。在4 000株·(667 m2)-1密度条件下，登海618、登海829、来玉177、迪卡517宜机收潜力综合值分别为0.784 9、0.714 9、0.683 5、0.678 3，名列所有品种前4位，表明此4个品种宜机收潜力较大，而浚单318、京科968、登海605、登海518宜机收潜力综合值分别为0.150 1、0.248 0、0.285 6、0.325 3名列最后4位，宜机收潜力小；在5 000株·(667 m2)-1密度下，登海618、登海829、迪卡517、来玉177宜机收潜力综合值分别为0.801 8、0.729 1、0.677 0、0.652 2，较宜机收，而浚单318、京科968、登海605、陕单650宜机收潜力综合值分别为0.146 4、0.259 7、0.315 6、0.346 3，宜机收潜力小；在6 000株·(667 m2)-1密度条件下，登海618、登海829、迪卡517、来玉177宜机收潜力综合值分别为0.867 7、0.756 1、0.701 4、0.650 5，较宜机收，浚单318、京科968、登海605、登海518宜机收潜力综合值分别为0.165 5、0.228 0、0.357 5、0.362 0，宜机收潜力小。综上所得，适宜在高密度条件下机收的品种为登海618、登海829、迪卡517、来玉177。

表8 3种密度下夏玉米品种在各指标中的隶属函数值、综合评价值及排序

3 讨论

增加种植密度是提高玉米单产的有效措施[17]，然而密度的增加会强化玉米密植群体内单株间的相互竞争[18]。如果超出一定限度，便会导致能量与营养的分散，单株产量降低[19]。但很多研究已经证实，可以通过增加植株数量来补偿下降的单株产量，进而实现群体产量的提升[20]。本研究通过在3个种植密度下，对23个夏玉米品种的产量进行比较分析，研究表明，在高密度条件下，绝大部分参试品种穗粒数减少，千粒重普遍降低，然而，玉米品种产量大部分在高密度下表现出增产趋势，如登海618、登海829、登海512、迪卡517等。也有一部分参试品种在5 000株·(667 m2)-1密度下表现出增产而在6 000株·(667 m2)-1密度下减产，如苏玉29、勤玉58、NKY 1701、汉单777、浚单318、京科968、金单485等，说明部分品种在湖北省北部夏播较适宜的种植密度为5 000株·(667 m2)-1，此后密度增加则不能弥补下降的单株产量。其中苏玉29、京科968、浚单318、华美1号、登海605等在不同密度下综合表现均一般，可能是受限于湖北省北部地区土壤、光照和温度等环境条件。

籽粒含水率、倒伏率是衡量机收质量的重要指标。有研究发现，玉米籽粒含水率与破碎率、杂质率呈极显著正相关，在一定范围内，随着籽粒含水率的增加，破碎率和杂质率增加[21]，说明较低的籽粒含水率有利于提高机收质量。本研究测定了23个品种3种密度条件下生理成熟时籽粒含水率，结果表明，高密度条件下各品种普遍具有较低的籽粒含水率。登海829、华美1号、迪卡517、登海618在3种密度条件下籽粒含水率接近或包含于18%～23%这一国外普遍认为的最佳含水率收获指标。尽管生理成熟后至收获前，籽粒会脱去一部分水分，但其会因品种特性、苞叶层数以及外部环境等因素影响而表现出不确定性。因此生理成熟时的籽粒含水率是衡量品种机收潜力的重要指标之一。倒伏与茎杆强度、根系发达程度紧密相关，而茎杆强度又与茎腐病、茎杆粗细等有显著的相关关系。本研究表明，茎腐病病株率、茎粗均分别与倒伏率极显著正相关和负相关，因此，宜机收玉米筛选除了应考虑品种的茎杆粗壮程度外，还应关注品种对茎腐病的抗性。

玉米品种的密植宜机收潜力受多种因素影响，与玉米品种特性及整个生长发育密切相关，因此，玉米品种的密植宜机收评价指标不能单一化。模糊数学隶属函数法在作物的抗旱性、耐盐性和耐热性等方面的研究有广泛的应用。结合主成分分析，将多指标归纳为少数几个主成分进行分析,可有效避免单一指标评价的片面性[22-23]。本研究通过主成分和相关性分析，将3个密度条件下的籽粒含水率、倒伏率和产量等11个指标按密度分别归纳为3个主成分，再利用隶属函数法进行综合评价，初步筛选出了4个耐密植宜机收夏玉米品种，结果具有较好的科学性和合理性。