張士龍， 賀正華， 黃益勤

(湖北省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所/糧食作物種質(zhì)創(chuàng)新與品種改良湖北省重點實驗室， 武漢 430064)

玉米是我國的主要糧食作物之一[1]，其種植面積、總產(chǎn)量、消費量僅次于美國，均居世界第二位[2]。統(tǒng)計表明，2017 年我國玉米生產(chǎn)在全國糧食生產(chǎn)總面積和總產(chǎn)量的占比分別為35.9%和42.1%，比重均居第一位，玉米生產(chǎn)對保障我國糧食安全具有舉足輕重的作用。近10年來，盡管我國玉米的生產(chǎn)力水平得到了大力提高，但相對于美國等西方國家仍然比較落后，主要表現(xiàn)在缺乏廣適性耐密宜機收品種、機械化程度較低、生產(chǎn)成本較高，導致我國玉米的年進口量不斷增加。為了進一步降低我國玉米對外的依賴性、提高自我供需的保障能力，因地制宜選育和篩選耐密品種、增加玉米單位面積產(chǎn)量是提高玉米生產(chǎn)機械化與現(xiàn)代化水平乃至保障我國糧食安全的有效途徑[3-4]。

湖北省是我國重要的糧食主產(chǎn)省份之一，從未來發(fā)展看，玉米將是湖北省需求增長最快、增產(chǎn)潛力最大的糧食品種。目前，湖北省玉米生產(chǎn)大致可劃分為三大玉米生產(chǎn)優(yōu)勢區(qū)域，其中北部崗地是面積相對穩(wěn)定的傳統(tǒng)夏玉米主產(chǎn)區(qū)。隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程的加快以及農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移，玉米生產(chǎn)高機械化程度的需求日益凸顯。此外，玉米收獲所需勞動量約占生產(chǎn)全程勞動量的55%，需要投入大量的人力、財力和物力，在收獲階段能選用性能良好的機械及技術，可大大節(jié)約玉米生產(chǎn)中的勞動量[5]。目前玉米的機械化籽粒收獲還處于較低水平[6-7]，主要原因在于品種參差不齊。適宜機械收獲的品種應具備成熟早、耐密植、抗倒伏且籽粒脫水速率快的特性[8-9]，其中，影響玉米收粒質(zhì)量的主要因素是籽粒水分含量[10]，玉米籽粒完全成熟收獲時的最適含水量為23%～24%，當籽粒含水量在15%以下時進行機械化收獲，籽粒的損失率會因落穗率增加而增大[11]。此外，玉米品種類型、倒伏情況、產(chǎn)量水平、種植密度、植株株高、穗位高度、株行距配置以及收獲機具、收割速度等因素均會影響籽粒機械收獲的質(zhì)量[12]。

近年來，湖北省夏播區(qū)新品種引種與選育較多，但鮮見針對以耐密植宜機收品種的鑒選及相關研究。為此，本研究以23個夏玉米品種為材料，探明各品種在3個密度條件下農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量性狀和機收性狀的差異，采用主成分分析篩選出主要評價指標，再對其進行模糊數(shù)學隸屬函數(shù)分析，從而進行綜合評價，篩選適宜湖北省種植的耐密植宜機收夏玉米品種，以期為夏玉米耐密宜機收品種的選用及玉米高產(chǎn)、高效栽培提供依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以市面上常用的夏玉米品種和湖北省近年生產(chǎn)推薦的優(yōu)勢骨干品種為試驗材料(表1)。

表1 參試品種

1.2 試驗設計

本試驗于2017年5—10月在湖北省襄陽市襄州區(qū)古驛鎮(zhèn)襄北農(nóng)場(32.262 719°N，112.246 976°E)進行。該地區(qū)屬亞熱帶氣候，年平均氣溫為15.6 ℃，多年平均降雨量755.5 mm，無霜期約232 d。供試土壤0～20 cm平均有機質(zhì)含量23.12 g·kg-1，堿解氮110.60 mg·kg-1，速效磷41.23 mg·kg-1，速效鉀152.40 mg·kg-1，pH值4.91。

試驗采用二因素隨機區(qū)組設計，3次重復，小區(qū)面積40 m2(4 m×10 m).密度因素設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個水平。四周設5行保護行，試驗地田間管理與當?shù)卮筇锉３忠恢隆?/p>

1.3 測定項目及方法

1.3.1株高、穗位高、莖粗

每個小區(qū)選有代表性植株10株于吐絲后25 d，測量株高、穗位高和莖粗(地上第3節(jié)節(jié)間)。

1.3.2籽粒含水率、倒伏率、空桿率

在各品種的生理成熟期調(diào)查統(tǒng)計籽粒含水率、倒伏率、空桿率。用 PM 8188 水分測定儀測定籽粒含水率。

1.3.3玉米測產(chǎn)及考種

玉米生理成熟后，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 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)整理和初步分析，利用SAS 7.0軟件進行相關分析和主成分分析[13]。應用隸屬函數(shù)法對不同玉米品種進行綜合性評價[14]。

隸屬函數(shù)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個綜合指標值；Xmin表示第i個綜合指標的最小值；Xmax表示第i個綜合指標的最大值。公式(2)中，Wi值表示第i個綜合指標的權重；Pi為第i個綜合指標的貢獻率。公式(3)中，Y值為玉米品種機械化籽粒收獲潛力綜合評價值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植密度對夏玉米主要農(nóng)藝性狀的影響

合適的株高和穗位高有利于進行機械化收獲。由表2可知，在3種密度條件下，各參試品種的生理成熟期平均株高分別為239.70 cm、245.85 cm、259.61 cm，平均穗位高分別為91.48 cm、95.83 cm、101.74 cm。隨著密度增加，平均株高、穗位高均呈現(xiàn)增加趨勢。隨密度增加株高增加輻度10 cm以內(nèi)的品種有粒收1號、登海618、迪卡517、登海829、登海512、登海518、登海113，說明這些品種對密植的耐受性較強。種植密度從4 000株·(667 m2)-1增加至5 000株·(667 m2)-1時，大多數(shù)品種的株高增加不明顯，而密度增加到6 000株·(667 m2)-1時，株高有較顯著的增加，表明大多數(shù)品種較適宜5 000株·(667 m2)-1種植密度。在3種密度條件下株高最高品種為金單485、華美1號(D 1)，最低品種為NKY 1701、華美1號(D 2)、NKY 1701、華美1號(D 3)。各參試品種在同一密度下穗位高度存在顯著差異，同密度所有參試品種穗位均值隨密度增加而增大。金單485在3種密度下穗位均最高，而最低的分別為華美1號、登海605、登海113；穗位高度隨密度增大而顯著增加的品種有金單485、勤玉58、ND 7737、NKY 1701、蘇玉29，其余品種雖呈上升趨勢，但均未達顯著水平。

表2 不同密度對株高、穗位高及莖粗的影響

植株莖稈粗壯能增強玉米品種的抗倒伏能力。相同密度條件下品種間莖粗均存在顯著差異，各品種3種密度下的平均莖粗分別是D 1為18.57 mm、D 2為17.96 mm、D 3為17.53 mm，隨密度增加呈下降趨勢。

2.2 不同種植密度對產(chǎn)量及其構成因素的影響

表3顯示，種植密度對產(chǎn)量有顯著影響。同一種植密度不同品種之間具有顯著差異。3種密度的產(chǎn)量變化范圍分別為367.47～491.61 kg·(667 m2)-1、388.97～572.08 kg·(667 m2)-1、361.43～601.11 kg·(667 m2)-1，同一密度參試品種平均產(chǎn)量分別為425.79 kg·(667 m2)-1、466.33 kg·(667 m2)-1、472.46 kg·(667 m2)-1，總體上呈現(xiàn)出隨著密度增加而增大的趨勢。金單485在4 000株·(667 m2)-1密度下產(chǎn)量最高，登海618在5 000、6 000株·(667 m2)-1密度下產(chǎn)量最高，而蘇玉29在3個密度下產(chǎn)量均最低。密度由4 000株·(667 m2)-1增至5 000株·(667 m2)-1時，所有參試品種產(chǎn)量均有一定程度增加，說明適當增加密度可以提高單位面積產(chǎn)量，但密度增加到6 000株·(667 m2)-1時，蘇玉29、NKY 1701、金單485、京科968、浚單318產(chǎn)量下降，說明種植密度過大時反而會造成減產(chǎn)。

表3 不同種植密度對產(chǎn)量及其構成因素的影響

產(chǎn)量構成因素決定產(chǎn)量的高低。同一密度各品種的穗粒數(shù)存在顯著差異，而同一品種在不同種植密度條件下穗粒數(shù)亦存在差異。由低到高3個種植密度的參試品種的平均穗粒數(shù)分別為498.61、485.17、471.09，總體上呈現(xiàn)隨密度增大而減小的趨勢。除登海113的穗粒數(shù)隨密度增加先增大后減小外，其他品種的穗粒數(shù)隨密度增大而減小。與穗粒數(shù)性狀變化規(guī)律類似，同一密度各品種的千粒重存在顯著差異，而同一品種不同種植密度下千粒重亦有差異。由低到高3個密度下的參試品種平均千粒重分別為296.02 g、288.14 g、289.58 g，呈隨密度增大先減少后增加的趨勢。除ND 7737、陜單650的千粒重隨密度增大先減小后增大外，其余品種千粒重總體上均呈隨密度增大而減小的趨勢。由低到高3個密度條件下各品種的平均空桿率分別為2.17%、3.55%、7.21%，隨密度增大而增加。在6 000株·(667 m2)-1密度條件下所有品種均有不同程度的空桿現(xiàn)象發(fā)生，鄭單958、登海618、迪卡517在4 000、5 000株·(667 m2)-1密度條件下均未出現(xiàn)空桿，而登海829只在4 000株·(667 m2)-1密度下未出現(xiàn)空桿。

2.3 不同種植密度對機械收獲相關性狀的影響

2.3.1對倒伏率、莖腐病病株率的影響

倒伏率是評價玉米籽粒機械收獲質(zhì)量的主要指標之一。由表4可知，在生理成熟期，3個密度下的所有參試品種平均倒伏率為21.23%、29.14%、35.06%，隨密度增大而變大。登海618在3個密度下均未發(fā)生倒伏現(xiàn)象。此外，在4 000株·(667 m2)-1的密度時，無倒伏發(fā)生的品種有粒收1號、登海605、華美1號、迪卡517、登海512、登海829，倒伏超過20%以上的品種有蘇玉29、勤玉58、NKY 1701、漢單777、金單485、京科968、浚單318、陜單609、陜單650，其中勤玉58、蘇玉29甚至超過70%；密度為5 000株·(667 m2)-1時，未出現(xiàn)倒伏的品種有華美1號、登海512、登海829，其余品種均有不同程度的倒伏；當密度增大到6 000株·(667 m2)-1時，蘇玉29全部倒伏，倒伏率80%以上的品種有勤玉58、NKY 1701、漢單777、金單485、京科968、浚單318等。

表4 不同種植密度對機收相關性狀的影響

莖腐病會使得莖桿站立性變差，機收時易倒伏，落穗率變大，影響機收效果與質(zhì)量。試驗結(jié)果顯示，3種密度條件下，參試品種平均莖腐病病株率為6.00%、9.89%、14.53%，呈現(xiàn)隨密度增加而增大的趨勢(表4)。其中，蘇玉29、勤玉58、NKY 1701、漢單777、京科968、浚單318在3個密度下莖腐病病株率均在10%以上，表現(xiàn)出對莖腐病較差的抗性，而鄭單958、粒收1號、登海605、登海618、華美1號、迪卡517、登海113、登海512、登海518、登海528、登海829、來玉177等品種病株率則在10%以下，表現(xiàn)出較好的抗性。

2.3.2對籽粒含水率、苞葉層數(shù)的影響

籽粒含水率是玉米籽粒收獲質(zhì)量的重要影響因素之一，合適的籽粒含水率有助于提高玉米籽粒收獲質(zhì)量。表4結(jié)果顯示，3個密度下平均籽粒含水率分別為28.24%、27.73%、27.35%，總體上呈現(xiàn)隨密度增大而降低的趨勢。3個密度下籽粒含水率最高的品種分別是登海605、登海605、漢單777，最低的品種均是登海829，而勤玉58、NKY 1701、登海518、漢單777、金單485、陜單650等品種籽粒含水率則呈現(xiàn)隨密度增大而先降低后升高的趨勢。登海618、華美1號、迪卡517、登海829的籽粒含水率在3個密度下均低于24%，達到機收最適水分含量標準。

苞葉層數(shù)除與籽粒脫水速率有關外，還與機械收獲時去苞葉難易程度相關。較少的苞葉層數(shù)有利于籽粒脫水和易于機械收獲。試驗結(jié)果(表4)顯示，相同種植密度條件下，各品種間苞葉數(shù)差異明顯。品種苞葉數(shù)變化范圍為7～10，大多數(shù)品種苞葉數(shù)為8～9，且不隨種植密度增加而變化，表現(xiàn)出較強的品種特性。

2.4 主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及機收指標主成分分析

主成分分析是將多個指標進行組合，轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標的統(tǒng)計分析方法，從而達到簡化的目的[15]。本研究對23個夏玉米品種的農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量性狀和機收性狀方面綜合考慮，選取了3種密度條件下生理成熟期株高、產(chǎn)量、籽粒含水率以及倒伏率等11個指標進行主成分分析(表5、表6)。根據(jù)“對應的特征值都大于1且累積貢獻率≥80%”的主成分個數(shù)提取原則[16]，每個密度均提取了3個主成分(表6、表7)，其中，在4 000株·(667 m2)-1密度下，第一主成分特征值為4.163，貢獻率為0.378 3%，對應特征向量主要表現(xiàn)在莖腐病病株率、倒伏率、空桿率等方面，其值分別為0.398 098、0.363 236、0.361 018；第二主成分特征值3.559，貢獻率為0.323 5%，對應特征向量主要表現(xiàn)在穗位高、產(chǎn)量、株高等方面，其值分別為0.469 412、0.466 758、0.466 066；第三主成分特征1.425，貢獻率為0.129 6%，對應特征向量主要表現(xiàn)在籽粒含水量、苞葉層數(shù)方面，其值分別為0.576 925、0.552 865。以上三個主成分的累積貢獻率為0.831 4%，基本包含了所測指標的全部信息量。在5 000株·(667 m2)-1密度下，第一主成分特征值為5.260 235 36，貢獻率為0.478 2%，對應特征向量主要表現(xiàn)在莖腐病病株率、空桿率、倒伏率等方面，其值分別為0.383 726、0.378 888、0.369 296；第二主成分特征值2.792 156 61，貢獻率為0.253 8，對應特征向量主要表現(xiàn)在產(chǎn)量、株高、穗位高等方面，其值分別為0.504 992、0.486 203、0.424 900；第三主成分特征1.268 482 44，貢獻率為0.115 3，對應特征向量主要表現(xiàn)在籽粒含水量、苞葉層數(shù)方面，其值分別為0.576 925、0.552 865。以上三個主成分的累積貢獻率0.847 4%，基本包含了所測指標的全部信息量。在6 000株·(667 m2)-1密度下，第一主成分特征值為5.408 700 96，貢獻率為0.491 7%，對應特征向量主要表現(xiàn)在莖腐病病株率、倒伏率、空桿率等方面，其值分別為0.393 876、0.385 243、0.384 266；第二主成分特征值2.112 183 45，貢獻率為0.192%，對應特征向量主要表現(xiàn)在產(chǎn)量、株高、穗位高等方面，其值分別為0.520 986、0.450 317、0.384 462；第三主成分特征為1.339 303 43，貢獻率為0.121 8%，對應特征向量主要表現(xiàn)在苞葉層數(shù)、千粒重、籽粒含水量等方面，其值分別為0.553 237、0.489 545、0.483 998。以上三個主成分的累積貢獻率0.805 5%，基本包含了所測指標的全部信息量。

表5 3種密度下各性狀相關系數(shù)矩陣

表6 各指標主成分提取分析

表7 主成分分析特征值的特征向量

2.5 不同玉米品種耐密宜機收潛力綜合評價

根據(jù)主成分分析結(jié)果，采用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法進一步分析數(shù)據(jù)。利用公式(1)分別計算3個密度條件下各品種在3個綜合指標中的隸屬函數(shù)值(表8)，由于品種宜機收潛力與產(chǎn)量及相關性狀呈正相關關系，第二主成分采用隸屬函數(shù)公式計算其函數(shù)值，而品種機收潛力與空桿率、倒伏率、莖腐病病株率、籽粒含水率、苞葉層數(shù)呈負相關關系，故第一、三主成分采用反隸屬函數(shù)公式計算其函數(shù)值。利用公式(2)計算各綜合指標權重。根據(jù)公式(3)，可得各品種宜機收潛力的綜合值(表8)。各品種在各綜合性狀上隸屬函數(shù)值與權重的積之和為品種宜機收潛力值，值越大宜機收潛力越大，反之，宜機收潛力越小。在4 000株·(667 m2)-1密度條件下，登海618、登海829、來玉177、迪卡517宜機收潛力綜合值分別為0.784 9、0.714 9、0.683 5、0.678 3，名列所有品種前4位，表明此4個品種宜機收潛力較大，而浚單318、京科968、登海605、登海518宜機收潛力綜合值分別為0.150 1、0.248 0、0.285 6、0.325 3名列最后4位，宜機收潛力?。辉? 000株·(667 m2)-1密度下，登海618、登海829、迪卡517、來玉177宜機收潛力綜合值分別為0.801 8、0.729 1、0.677 0、0.652 2，較宜機收，而浚單318、京科968、登海605、陜單650宜機收潛力綜合值分別為0.146 4、0.259 7、0.315 6、0.346 3，宜機收潛力??；在6 000株·(667 m2)-1密度條件下，登海618、登海829、迪卡517、來玉177宜機收潛力綜合值分別為0.867 7、0.756 1、0.701 4、0.650 5，較宜機收，浚單318、京科968、登海605、登海518宜機收潛力綜合值分別為0.165 5、0.228 0、0.357 5、0.362 0，宜機收潛力小。綜上所得，適宜在高密度條件下機收的品種為登海618、登海829、迪卡517、來玉177。

表8 3種密度下夏玉米品種在各指標中的隸屬函數(shù)值、綜合評價值及排序

3 討 論

增加種植密度是提高玉米單產(chǎn)的有效措施[17]，然而密度的增加會強化玉米密植群體內(nèi)單株間的相互競爭[18]。如果超出一定限度，便會導致能量與營養(yǎng)的分散，單株產(chǎn)量降低[19]。但很多研究已經(jīng)證實，可以通過增加植株數(shù)量來補償下降的單株產(chǎn)量，進而實現(xiàn)群體產(chǎn)量的提升[20]。本研究通過在3個種植密度下，對23個夏玉米品種的產(chǎn)量進行比較分析，研究表明，在高密度條件下，絕大部分參試品種穗粒數(shù)減少，千粒重普遍降低，然而，玉米品種產(chǎn)量大部分在高密度下表現(xiàn)出增產(chǎn)趨勢，如登海618、登海829、登海512、迪卡517等。也有一部分參試品種在5 000株·(667 m2)-1密度下表現(xiàn)出增產(chǎn)而在6 000株·(667 m2)-1密度下減產(chǎn)，如蘇玉29、勤玉58、NKY 1701、漢單777、浚單318、京科968、金單485等，說明部分品種在湖北省北部夏播較適宜的種植密度為5 000株·(667 m2)-1，此后密度增加則不能彌補下降的單株產(chǎn)量。其中蘇玉29、京科968、浚單318、華美1號、登海605等在不同密度下綜合表現(xiàn)均一般，可能是受限于湖北省北部地區(qū)土壤、光照和溫度等環(huán)境條件。

籽粒含水率、倒伏率是衡量機收質(zhì)量的重要指標。有研究發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒含水率與破碎率、雜質(zhì)率呈極顯著正相關，在一定范圍內(nèi)，隨著籽粒含水率的增加，破碎率和雜質(zhì)率增加[21]，說明較低的籽粒含水率有利于提高機收質(zhì)量。本研究測定了23個品種3種密度條件下生理成熟時籽粒含水率，結(jié)果表明，高密度條件下各品種普遍具有較低的籽粒含水率。登海829、華美1號、迪卡517、登海618在3種密度條件下籽粒含水率接近或包含于18%～23%這一國外普遍認為的最佳含水率收獲指標。盡管生理成熟后至收獲前，籽粒會脫去一部分水分，但其會因品種特性、苞葉層數(shù)以及外部環(huán)境等因素影響而表現(xiàn)出不確定性。因此生理成熟時的籽粒含水率是衡量品種機收潛力的重要指標之一。倒伏與莖桿強度、根系發(fā)達程度緊密相關，而莖桿強度又與莖腐病、莖桿粗細等有顯著的相關關系。本研究表明，莖腐病病株率、莖粗均分別與倒伏率極顯著正相關和負相關，因此，宜機收玉米篩選除了應考慮品種的莖桿粗壯程度外，還應關注品種對莖腐病的抗性。

玉米品種的密植宜機收潛力受多種因素影響，與玉米品種特性及整個生長發(fā)育密切相關，因此，玉米品種的密植宜機收評價指標不能單一化。模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法在作物的抗旱性、耐鹽性和耐熱性等方面的研究有廣泛的應用。結(jié)合主成分分析，將多指標歸納為少數(shù)幾個主成分進行分析,可有效避免單一指標評價的片面性[22-23]。本研究通過主成分和相關性分析，將3個密度條件下的籽粒含水率、倒伏率和產(chǎn)量等11個指標按密度分別歸納為3個主成分，再利用隸屬函數(shù)法進行綜合評價，初步篩選出了4個耐密植宜機收夏玉米品種，結(jié)果具有較好的科學性和合理性。

4 結(jié) 論

主成分分析結(jié)合隸屬函數(shù)法篩選和評價長江中游北部地區(qū)耐密植宜機收夏玉米潛力品種，避免了單一指標評價的片面性，使得篩選和評價結(jié)果更具科學性和合理性。通過主成分分析，11個指標在3個密度下均被歸納為3個主成分，累積貢獻率均超過80%，基本涵蓋了11個指標的全部信息。

通過對23個玉米品種的各個指標進行綜合評價，篩選出在3個密度下均具有較大耐密植宜機收潛力的夏玉米品種。綜合分析可知，具有較強耐密植宜機收潛力的品種依次是登海618、登海829、迪卡517、來玉177。