玉米機(jī)械化籽粒收獲組合鑒定與主成分分析

衛(wèi)曉軼 王稼苜 馬 毅 馬俊峰 洪德峰 魏 鋒

（河南省新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，453002，河南新鄉(xiāng)）

玉米作為我國(guó)第一大糧食作物，是重要的糧食、飼料、工業(yè)原料和能源作物[1]。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程的加快，以及農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，對(duì)我國(guó)玉米生產(chǎn)的機(jī)械化程度要求也越來(lái)越高。但目前玉米的機(jī)械化程度遠(yuǎn)低于其他作物，尤其是機(jī)械化籽粒收獲還處于較低水平[2-3]。造成玉米難以大面積實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲的主要原因在于品種參差不齊，大部分品種存在收獲時(shí)籽粒含水量偏高、倒伏嚴(yán)重等問題，因此，未來(lái)選育玉米品種的目標(biāo)應(yīng)放在倒伏性、整齊度、脫水及生育期等方面，以適應(yīng)玉米收獲的機(jī)械化[4]。

玉米籽粒完全成熟收獲時(shí)的最適含水量為23%～24%，而黃淮海夏玉米區(qū)玉米成熟時(shí)籽粒含水量偏高，不利于機(jī)械化籽粒收獲[5]。玉米品種特性和收獲機(jī)械技術(shù)等是影響玉米機(jī)械化收獲的重要因素，其中，籽粒破損率是衡量玉米收獲質(zhì)量的重要指標(biāo)。收獲時(shí)，籽粒含水率是影響籽粒破損率的重要因素之一[6]。本研究通過對(duì)16份玉米雜交組合進(jìn)行機(jī)械化籽粒收獲研究，通過對(duì)相關(guān)指標(biāo)分析，篩選出適宜機(jī)械化籽粒收獲的玉米新組合，為進(jìn)一步挖掘適宜機(jī)械化籽粒收獲發(fā)展方向的種質(zhì)資源提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

利用河南省新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的玉米骨干自交系為基礎(chǔ)材料，2017年12月在海南育種基地組配雜交組合，以其中有代表性的16份雜交組合為供試材料（表1）。其中，新單58、新單61、新單65和新單68均已通過國(guó)家農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定，審定編號(hào)分別為國(guó)審玉20190238、國(guó)審玉20180120、國(guó)審玉20190003、國(guó)審玉20180297。16份雜交組合的生育期情況見表2。

表1 16份玉米雜交組合編號(hào)及名稱Table 1 Number and name of 16 maize cross combinations

表2 16個(gè)玉米雜交組合的生育期Table 2 The growth stage of 16 maize cross combinations d

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在河南省新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地（河南輝縣）進(jìn)行，2018年6月10日播種。行長(zhǎng)83.5m，行距0.6m，每個(gè)小區(qū)20行，小區(qū)面積1 002m2。田間管理同常規(guī)大田生產(chǎn)。

在灌漿期每個(gè)雜交組合選取有代表性的植株10株，測(cè)量株高和穗位高。在成熟期每個(gè)雜交組合選取有代表性的10個(gè)果穗進(jìn)行考種，測(cè)定穗長(zhǎng)、穗粗和百粒重。

2018年10月8日，分別采用人工收獲和機(jī)械籽粒收獲，每個(gè)雜交組合均收獲中間12行，收獲面積均為300.6m2。采用雷沃谷神GE40谷物聯(lián)合收割機(jī)收獲籽粒。根據(jù)收獲面積，折合單位面積產(chǎn)量，并根據(jù)收獲時(shí)玉米籽粒的含水量計(jì)算含水量為14%時(shí)的理論產(chǎn)量。

在測(cè)試地塊，隨機(jī)取收割地塊機(jī)倉(cāng)內(nèi)收獲的籽粒樣品約2kg，首先用PM8188谷物水分測(cè)定儀測(cè)定含水率，然后稱其重量，手工分揀，將其分為籽粒和非籽粒兩部分；對(duì)籽粒部分稱其重量并記為KW1，非籽粒部分稱重記為NKW；再根據(jù)籽粒的完整性，將其分為完整籽粒和破碎籽粒，并分別稱重，完整粒部分重量記為KW2，破碎粒重量記為BKW。

雜質(zhì)率（%）=[NKW/（KW1+NKW）]×100；

籽粒破碎率（%）=[BKW/（KW2+BKW）]×100；

完整籽粒百分率（%）=[KW2/（KW2+BKW）]×100；

籽粒干物質(zhì)含量（%）=100-籽粒含水率。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，利用SPSS 17.0進(jìn)行表型分析、相關(guān)分析和主成分分析。

計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)，公式為：變異系數(shù)（%）=各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差/各指標(biāo)的平均值×100。

利用軟件SPSS 17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析[7-9]，首先從樣本的相關(guān)矩陣出發(fā)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，計(jì)算各性狀的特征值和方差貢獻(xiàn)率，根據(jù)性狀特征值累積方差貢獻(xiàn)率確定主成分的個(gè)數(shù)，根據(jù)各性狀的特征向量，列出主成分的函數(shù)表達(dá)式，然后計(jì)算其主成分值，對(duì)供試雜交組合進(jìn)行比較，進(jìn)而對(duì)雜交組合進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)排序。

公式（1）中，Xj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)值；Xmin表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的最小值；Xmax表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的最大值。公式（2）中，Wj值表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的權(quán)重；Pj為第j個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。公式（3）中，Y值為玉米雜交組合機(jī)械化籽粒收獲適宜性綜合評(píng)價(jià)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 雜交組合的表型分析

16個(gè)玉米雜交組合的表型值見表3。16個(gè)玉米雜交組合產(chǎn)量的平均值為7 990.7kg/hm2，變異范圍為6 094.1～11 035.7kg/hm2；百粒重的變異范圍為30.4～36.8g；籽粒含水率的平均值為27.4%，變異范圍為24.3%～35.6%；籽粒破碎率的平均值為5.4%，變異范圍為3.7%～8.5%；雜質(zhì)率的平均值為5.1%，變異范圍為2.7%～8.9%；株高的平均值為261.4cm，穗位高的平均值為92.7cm。

表3 16個(gè)玉米雜交組合農(nóng)藝性狀的表型值Table 3 Performance values of agronomic traits for 16 maize cross combinations

各個(gè)性狀的變異系數(shù)見表3。其中，雜質(zhì)率、籽粒破碎率和產(chǎn)量的變異系數(shù)相對(duì)較大，分別為34.0%、22.6%和17.1%。穗粗和百粒重的變異系數(shù)較小，分別為5.7%和5.8%。

2.2 雜交組合農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

由表4可以看出，產(chǎn)量與穗長(zhǎng)、穗粗、百粒重之間存在極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.764、0.812、0.797。籽粒含水率與籽粒破碎率之間呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.614。株高與穗位高之間呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.828。而農(nóng)藝性狀（株高和穗位高）與產(chǎn)量性狀及機(jī)械化粒收相關(guān)指標(biāo)之間的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。因此，產(chǎn)量及產(chǎn)量相關(guān)性狀、籽粒含水率、籽粒破碎率、雜質(zhì)率將作為下一步主成分分析的相關(guān)性狀。

表4 玉米雜交組合農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of agronomic traits for maize cross combinations

2.3 雜交組合農(nóng)藝性狀主成分分析

運(yùn)用SPSS 17.0首先對(duì)玉米各雜交組合機(jī)械化收獲相關(guān)性狀的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后對(duì)相關(guān)性狀進(jìn)行主成分分析。由表5可知，第1主成分的貢獻(xiàn)率為35.722%，對(duì)應(yīng)各性狀的特征向量值從大到小依次為完整籽粒百分率＞籽粒干物質(zhì)含量＞百粒重＞穗粗＞穗長(zhǎng)＞產(chǎn)量，系數(shù)載荷較高的是完整籽粒百分率和籽粒干物質(zhì)含量，因此，第1主成分認(rèn)為是籽粒破碎率和籽粒含水率因子；第2主成分的貢獻(xiàn)率為27.242%，對(duì)應(yīng)各性狀的特征向量值從大到小依次為穗長(zhǎng)＞穗粗＞籽粒干物質(zhì)含量＞產(chǎn)量＞完整籽粒百分率＞百粒重，系數(shù)載荷較高的是穗長(zhǎng)和穗粗，因此，第2主成分認(rèn)為是籽粒數(shù)因子；第3主成分的貢獻(xiàn)率為20.301%，對(duì)應(yīng)各性狀的特征向量值從大到小依次為百粒重＞穗長(zhǎng)＞穗粗＞完整籽粒百分率＞產(chǎn)量＞籽粒干物質(zhì)含量，系數(shù)載荷較高的是百粒重，因此，第3主成分認(rèn)為是籽粒重因子。綜合3個(gè)綜合指標(biāo)的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)83.264%。由此，可將原來(lái)6個(gè)單一性狀轉(zhuǎn)換為3個(gè)相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，并代表了原始性狀所傳達(dá)的大部分信息，利用這3個(gè)綜合指標(biāo)基本可以進(jìn)行玉米機(jī)械化籽粒收獲適宜性綜合評(píng)價(jià)。

表5 玉米雜交組合各指標(biāo)的成分矩陣及貢獻(xiàn)率Table 5 Component matrix and proportions of 8 indexes for maize cross combination

2.4 玉米機(jī)械化籽粒收獲適宜性綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)公式（1）計(jì)算出16份雜交組合在各綜合指標(biāo)中的隸屬函數(shù)值。根據(jù)公式（2）計(jì)算其權(quán)重。3個(gè)綜合指標(biāo)的權(quán)重分別為0.429、0.327、0.244。結(jié)合各綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值和其權(quán)重，用公式（3）計(jì)算出各玉米雜交組合機(jī)械化籽粒收獲適宜性綜合評(píng)價(jià)值Y。Y值越大，表明該雜交組合更適宜機(jī)械化籽粒收獲。從表6中可以看出，H13的Y值最大，為2.283，最適宜機(jī)械化籽粒收獲，其次為H1和H14（Y值為0.764和0.451）；H16和H15的Y值最低（-1.270和-0.711）。

表6 不同玉米雜交組合機(jī)械化籽粒收獲適宜性綜合評(píng)價(jià)值及排序Table 6 The value of comprehensive evaluation of mechanical grain harvesting in different maize hybrid combinations and order based on the suitability

2.5 人工收獲與機(jī)械籽粒收獲的產(chǎn)量表現(xiàn)

由于機(jī)械籽粒收獲有田間落穗和落粒現(xiàn)象，通過對(duì)人工收獲和機(jī)械籽粒收獲的產(chǎn)量結(jié)果進(jìn)行比較，見圖1。結(jié)果表明，16個(gè)雜交組合中，H16組合2種收獲方式后的產(chǎn)量差異最大，機(jī)械籽粒收獲的產(chǎn)量比人工收獲低252.30kg，其次是H15，其機(jī)械籽粒收獲的產(chǎn)量比人工收獲低202.35kg，H5和H7組合采用機(jī)械籽粒收獲的產(chǎn)量與人工收獲差異也較大，其余12個(gè)雜交組合采用機(jī)械籽粒收獲與人工收獲的產(chǎn)量均差異較小，其中，H1、H13、H14、H3的差異最小，且產(chǎn)量遠(yuǎn)高于H16，說(shuō)明這些組合采用機(jī)械籽粒收獲時(shí)，田間落穗數(shù)和落粒數(shù)均較少，更適宜機(jī)械化籽粒收獲。

圖1 人工收獲與機(jī)械籽粒收獲的產(chǎn)量對(duì)比Fig.1 Comparison of yield between artificial and mechanical grain harvesting

3 討論

有研究[10-12]表明，莖稈壓碎強(qiáng)度、莖稈穿刺強(qiáng)度、莖稈含水量、籽粒含水量與籽粒機(jī)收質(zhì)量灰色關(guān)聯(lián)度最大，株高和穗位高也是影響機(jī)收質(zhì)量的主要原因。楊錦越等[13]通過分析得出，株高、莖粗、穗位高、莖稈壓碎強(qiáng)度、穗軸壓碎強(qiáng)度、空稈率、倒伏率、穗下倒折率、莖稈含水率、穗軸含水率、苞葉含水率、葉片含水率和籽粒含水率可以作為評(píng)價(jià)機(jī)械粒收質(zhì)量的重要農(nóng)藝指標(biāo)。本研究以16份玉米雜交組合為材料，通過對(duì)產(chǎn)量、穗長(zhǎng)、穗粗、百粒重、籽粒含水率、籽粒破碎率、雜質(zhì)率、株高、穗位高9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析表明，籽粒含水率與籽粒破碎率之間呈顯著正相關(guān)，這與李璐璐等[14]的研究結(jié)果一致。

玉米機(jī)械粒收的質(zhì)量指標(biāo)主要包括籽粒破碎率、雜質(zhì)率和產(chǎn)量損失率，這3個(gè)指標(biāo)共同決定玉米品種是否適合機(jī)械化收獲[15]。本研究利用產(chǎn)量及產(chǎn)量相關(guān)性狀、籽粒含水率、籽粒破碎率、雜質(zhì)率共6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，對(duì)16份雜交組合的玉米機(jī)械化籽粒收獲適宜性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，研究表明，人工收獲與機(jī)械籽粒收獲的產(chǎn)量進(jìn)行比較，新單58、新單65、新單68和新單88產(chǎn)量均高于對(duì)照鄭單958，且采用機(jī)械籽粒收獲與人工收獲的產(chǎn)量均差異較小，說(shuō)明采用機(jī)械化籽粒收獲過程中，這些組合的田間落穗數(shù)和落粒數(shù)均較少，更適宜機(jī)械化籽粒收獲。相反，鄭單958和H15（新01A3×新4214）的田間落穗數(shù)和落粒數(shù)較多，相比而言，不適宜機(jī)械化籽粒收獲。

15個(gè)雜交組合的生育期各性狀均低于對(duì)照鄭單958，雜交組合的抽雄期、吐絲期、散粉期和成熟期均比對(duì)照短1～4d，因此，更加符合早熟、耐密、籽粒脫水快、苞葉松散等適宜機(jī)收的特點(diǎn)[16]。

下一步的研究中，根據(jù)不同玉米雜交組合機(jī)械化籽粒收獲適宜性綜合評(píng)價(jià)值及排序結(jié)果，可以對(duì)這些雜交組合進(jìn)行初步分類，同時(shí)結(jié)合籽粒含水率和籽粒破碎率劃分種質(zhì)資源，為將來(lái)繼續(xù)選育出更適宜生產(chǎn)上機(jī)械化籽粒收獲的玉米新品種提供依據(jù)。

4 結(jié)論

新單65、新單58、新單68和新單88均適宜機(jī)械化籽粒收獲。相比而言，對(duì)照鄭單958和新01A3×新4214不適宜機(jī)械化粒收。