基于主成分分析及聚類分析對不同春玉米品種耐密性評價

楊錦越 宋 碧 羅英艦 張 軍 劉 婕 楊 翠 盧 慧

（貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴陽 550025）

玉米是中國三大糧食作物之一，也是西南地區(qū)主要的糧食作物[1]。大量研究表明，適當(dāng)增加種植密度是實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)的重要途徑[2-7]，但種植密度的增加，導(dǎo)致玉米株高增高、莖粗減小、莖稈強(qiáng)度降低，從而增加玉米植株倒伏率和倒折率，顯著降低玉米產(chǎn)量；不同品種對密度的反應(yīng)不同，同一密度下不同品種農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量差異明顯[8-13]，因此，對不同玉米品種耐密性分析與評價，具有重要的理論價值和實(shí)踐意義。主成分分析法是利用降維的思想，把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)（即主成分），其中每個主成分都能反映原始變量的大部分信息，且所含信息互不重復(fù)[14]，目前已經(jīng)廣泛用于作物耐旱性、耐瘠性和品質(zhì)方面的綜合評價。任偉等[15]利用模糊隸屬函數(shù)法對12個青貯玉米品種進(jìn)行了綜合評價；覃永嬡等[16]以產(chǎn)量抗旱系數(shù)（DC）、產(chǎn)量抗旱指數(shù)（DI）、產(chǎn)量抗旱隸屬度（SV）為評價指標(biāo)，結(jié)合主成分分析對玉米種質(zhì)耐旱性進(jìn)行綜合評價；張健等[17]利用灰色關(guān)聯(lián)度法對不同玉米品種進(jìn)行綜合評價。目前，關(guān)于不同玉米品種耐密性的研究主要集中在北方地區(qū)[13]，針對西南地區(qū)研究的品種較為單一，目前未見該模式下對不同玉米品種耐密性的研究。本研究通過設(shè)置不同的種植密度，采用主成分分析法和聚類分析對20個玉米品種的農(nóng)藝性狀在高密度下的表現(xiàn)進(jìn)行綜合評價，為西南地區(qū)選擇耐密玉米品種提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料 供試玉米品種20個，見表1。

表1 供試玉米品種名稱及來源

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)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(jìn)行，該地區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均氣溫14.9℃，無霜期291d，降雨量1035.7mm。供試土壤有機(jī)質(zhì)26.23g/kg，堿解氮80.50mg/kg，全磷17.52mg/kg，速效磷 23.74mg/kg，全鉀 23.15g/kg，速效鉀226mg/kg。

采用二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，主處理為種植密度，即5.25萬株/hm2、6.75萬株/hm2，副處理為玉米品種（表 1）。小區(qū)面積 25.5m2（7.5m×3.4m），3次重復(fù)。采用寬窄行種植，寬行0.8m，窄行0.4m?；拭?hm2施 用 復(fù) 合 肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）600kg，在拔節(jié)期和大喇叭口期追施尿素，施用量分別為150kg和225kg。其他栽培管理措施同當(dāng)?shù)卮竺娣e生產(chǎn)。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 株高、穗位高、莖粗 在成熟期每個小區(qū)選取有代表性植株10株，測量株高、穗位高和莖粗（地上第3節(jié)節(jié)間）。莖粗系數(shù)（%）=莖粗/株高×100%，穗位高系數(shù)（%）=穗位高/株高×100%。

1.3.2 莖稈穿刺強(qiáng)度、莖稈壓折強(qiáng)度、莖稈壓碎強(qiáng)度 在玉米吐絲后25d，每個小區(qū)選取有代表性植株3株，剝?nèi)ト~片和葉鞘，采用 YYD-1 型莖稈強(qiáng)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：將橫截面積為0.01cm2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(qiáng)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(qiáng)度；將橫截面積為1cm2的測頭垂直于莖稈節(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(qiáng)度。最后，計(jì)算5個節(jié)間莖稈強(qiáng)度的平均值。

1.3.3 倒伏率和倒折率 在成熟期對每個小區(qū)進(jìn)行調(diào)查，記錄各小區(qū)總株數(shù)、倒伏數(shù)（植株與地面夾角小于60o）、倒折數(shù)（植株折斷的株數(shù)）。倒伏率（%）=倒伏株數(shù)/總株數(shù)×100%，倒折率（%）=倒折株數(shù)/總株數(shù)×100%。

1.4 數(shù)據(jù)分析 采用Microfost Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，DPS和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米主要農(nóng)藝性狀測定值 變異系數(shù)是衡量性狀指標(biāo)中各觀測值差異程度和變異范圍的統(tǒng)計(jì)量。20個玉米品種的10個農(nóng)藝性狀指標(biāo)的變異系數(shù)存在明顯差異（表2），變異系數(shù)最大是倒伏率，其次是倒折率，說明種植密度對倒伏率和倒折率的影響較大；變異系數(shù)最小的是穗位高系數(shù)、莖粗和莖粗系數(shù)，說明這些性狀由品種本身內(nèi)在因素決定，對種植密度的敏感度較??；莖稈壓折強(qiáng)度變異系數(shù)（23%）和壓碎強(qiáng)度變異系數(shù)（20%）大于穿刺強(qiáng)度變異系數(shù)（13%），說明種植密度對莖稈壓折強(qiáng)度和壓碎強(qiáng)度影響較大，對莖稈穿刺強(qiáng)度影響較小。

表2 玉米主要農(nóng)藝性狀測定表現(xiàn)值

2.2 玉米主要農(nóng)藝性狀主成分分析 利用SPSS對20個玉米品種的10個農(nóng)藝性狀指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見表3。主成分個數(shù)的提取原則為主成分對應(yīng)的特征值大于1且主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率≥85%的前m個主成分，利用主成分分析可以對耐密性指標(biāo)進(jìn)行全面系統(tǒng)科學(xué)的綜合評價。由表3可知，第1主分量貢獻(xiàn)率為51.566%，說明第1主分量能解釋玉米性狀指標(biāo)變異的 51.566%，第2和第3主分量貢獻(xiàn)率分別為20.820%和14.384%。前3個主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)86.770%，且這3個成分的特征值都大于1，能有效解釋玉米品種性狀指標(biāo)總變異，因此可以用前3個主成分代替上述10個性狀指標(biāo)對玉米的品種進(jìn)行評價與判斷。

表3 玉米各指標(biāo)主成分分析

由表4可知，對第1主成分載荷值為正且較大的是莖稈壓折強(qiáng)度、壓碎強(qiáng)度、穿刺強(qiáng)度、莖粗和莖粗系數(shù)，載荷值分別為0.877、0.875、0.818、0.805和0.803，因此莖稈壓折強(qiáng)度、壓碎強(qiáng)度和穿刺強(qiáng)度可作為第1主成分中的代表性評價指標(biāo)。第2主成分貢獻(xiàn)最大的是穗位高系數(shù)，載荷值為0.710。其次是倒折率，載荷值為0.493，即穗位高系數(shù)和倒折率是第2主成分的代表性評價指標(biāo)。第3主成分貢獻(xiàn)最大的是倒伏率，載荷值為0.906，其次是株高，載荷值為0.398，因此第3主成分的代表性評價指標(biāo)是倒伏率和株高。綜上所述，莖稈壓折強(qiáng)度、穗位高系數(shù)和倒伏率可作為評價玉米品種耐密特性的指標(biāo)。

表4 指標(biāo)因子在主成分中載荷

利用3個主成分的特征值和初始因子載荷值，可分別計(jì)算出每個主成分所對應(yīng)表達(dá)式的系數(shù)，得到以下3個主成分的表達(dá)式：

為了很好地評價20個玉米品種的耐密情況，需要按照各主成分對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)計(jì)算綜合統(tǒng)計(jì)F綜合，即用第1主成分F1中每個指標(biāo)對應(yīng)的系數(shù)乘上第1主成分F1對應(yīng)的貢獻(xiàn)率再除以所提取3個主成分的貢獻(xiàn)率之和，F(xiàn)2和F3中也是按照此法計(jì)算，最后將3個主成分加起來，即可得到綜合得分模型，結(jié)果如下：

將20個玉米品種的10個農(nóng)藝性狀指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將值分別帶入表達(dá)式中，可以得出因子的綜合得分（表5）。綜合來看，第1主成分排名前5位的品種有：金玉838、仲玉3號、金玉306、黔單16號、先玉1171；第2主成分排名前5位的品種有：筑黃 127/S02、金玉306、黔單 16號、珍禾 99、鄭單958；第3主成分排名前5位的品種有：金玉932、筑黃127/S02、正紅6號、靖玉1號、金玉306。綜合排名來看，金玉306、金玉838、仲玉3號、黔單16號、正紅6號和先玉1171這6個品種耐密性較好，筑黃99M/21、鄭單958品種的耐密性較差。

2.3 玉米品種產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀的聚類分析 20個玉米品種的10個農(nóng)藝性狀指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用DPS進(jìn)行聚類分析，得到20個玉米品種的聚類圖（圖1）。由圖1可以得出，先玉1171、靖單12號、金玉306、黔單16號、仲玉3號和金玉838耐密性最強(qiáng)，為Ⅰ類，此類品種莖稈強(qiáng)度大，倒伏率低，種植密度每hm2可以控制在6.75萬株以上；渝單8號、靖豐 18、正紅 431、新中玉 801、筑黃 127/S02、珍禾99、正紅6號、靖玉1號、金玉932、愛農(nóng)001、粒收1號和榮玉1510耐密性次之，為Ⅱ類，此類品種倒伏率中等，穗位高系數(shù)偏大，種植密度應(yīng)該控制在5.25萬～ 6.75萬株之間；筑黃99M/21和鄭單958耐密性較差，為Ⅲ類，此類品種莖稈強(qiáng)度小，倒伏率高，可能與品種的適應(yīng)性有關(guān)。聚類分析得出的結(jié)果與主成分分析得出的結(jié)論基本一致。

表5 20個品種耐密性排序

3 結(jié)論與討論

圖1 20個玉米品種聚類分析

在本試驗(yàn)所測定的農(nóng)藝性狀指標(biāo)中，倒伏率的變異系數(shù)最大，說明倒伏率除了受品種自身因素影響外，所受到的其他環(huán)境因素影響也較大，這與鐘成[18]的研究結(jié)果一致。在采用多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評價分析時，由于指標(biāo)數(shù)量多而且指標(biāo)之間相互關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致分析工作比較困難。多元統(tǒng)計(jì)的主成分分析是指在不損失或很少損失原有信息的前提下，將原來數(shù)量較多而且彼此相關(guān)的指標(biāo)轉(zhuǎn)換為新的數(shù)量少而彼此獨(dú)立或不相關(guān)的綜合指標(biāo)，從而簡化多指標(biāo)分析[19-20]。目前，主成分分析方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種問題綜合評價方面，并取得了良好的效果[21-24]。本試驗(yàn)采用主成分分析方法，將20個玉米品種的10個農(nóng)藝性狀指標(biāo)簡化為3個彼此不相關(guān)的綜合指標(biāo)（主成分），這3個主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)86.770%。從主成分分析結(jié)果看出，莖稈壓折強(qiáng)度、穗位高系數(shù)和倒伏率可作為評價玉米品種耐密特性的重要農(nóng)藝性狀指標(biāo)，其他指標(biāo)可作為評價的參考指標(biāo)，這與田曉艷[25]研究結(jié)果基本一致，評價指標(biāo)的全面性還需要進(jìn)一步探討；金玉306、金玉838、仲玉3號、黔單16號、正紅6號和先玉1171這6個品種耐密性較強(qiáng)，適合在西南地區(qū)推廣種植。聚類分析結(jié)果表明，20個玉米品種可劃分成3類，結(jié)果與主成分分析得出的結(jié)論基本一致。本研究為西南地區(qū)選擇耐密抗倒品種提供指導(dǎo)依據(jù)，但還需要進(jìn)行不同生態(tài)適應(yīng)性研究和驗(yàn)證。