主成分分析法研究玉米新品種協(xié)玉901 的最適密度和氮肥量

卿春燕 王秀全 盧庭啟 張 華 稅紅霞 馬 鵬 何 丹 龐啟華

（四川省綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，綿陽 621023）

隨著市場發(fā)展的需求，我國玉米的種植面積和總產(chǎn)量躍居農(nóng)作物第1 位，成為我國第一大作物[1]。由于玉米是糧、菜、飼、能四位一體的主要作物，更是畜牧業(yè)、酒類等食品加工業(yè)最基礎(chǔ)的原料，因此在國民經(jīng)濟中占有重要地位[2]。前人研究表明，影響玉米產(chǎn)量的因素包括品種、土壤肥力、種植密度、光照、溫度等，其中種植品種和密度是影響玉米產(chǎn)量的重要因素[3]。中國工程院院士戴景瑞指出，玉米品種是技術(shù)的載體，耐密是提高單產(chǎn)的關(guān)鍵[4]，合理的種植密度可使玉米群體與個體協(xié)調(diào)發(fā)展，挖掘出品種的高產(chǎn)潛力，在單位面積上獲得最大的產(chǎn)量[5-6]。同時，化肥的合理施用，加上氮磷鉀肥的有效搭配，可提高土壤供肥能力，實現(xiàn)增產(chǎn)，在玉米生產(chǎn)中具有重要意義[7]。大量研究表明，密度是協(xié)調(diào)玉米群體與個體之間平衡發(fā)展的有效手段，合理施肥是玉米個體良好發(fā)育的重要保障，二者的高效搭配是玉米增產(chǎn)的關(guān)鍵因素[8-9]。玉米新品種協(xié)玉901 是綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院自主選育而成的優(yōu)良品種，具有廣適性、豐產(chǎn)性好，品質(zhì)優(yōu)良等特性，具備較好的推廣前景[10]，而良種良法的配套能為該品種的高產(chǎn)高效栽培提供科學(xué)依據(jù)。

主成分分析（PCA）是通過降維的方式，將多個存在相關(guān)聯(lián)的變量轉(zhuǎn)化為幾個能反映原本多個變量主要信息的綜合變量，并且保留大部分原有信息，簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，全面客觀地反映變量的綜合表現(xiàn)[11]。近年來，在作物中運用PCA 來評價種質(zhì)資源的應(yīng)用廣泛，包括谷子、玉米、馬鈴薯、花生、小豆等[12-16]。本研究采用PCA 方法來分析密度和氮肥對協(xié)玉901 產(chǎn)量和主要農(nóng)藝性狀的影響，以期探究出協(xié)玉901 栽培的最佳種植密度和施氮量，構(gòu)建該品種的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)技術(shù)模式，為大面積玉米高產(chǎn)提供技術(shù)支撐，促進增產(chǎn)增收。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況試驗地位于四川省綿陽市經(jīng)開區(qū)松埡鎮(zhèn)，土壤肥力水平中等、地力均勻平坦，光照好，排灌方便。

1.2 試驗材料玉米品種協(xié)玉901 由綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院自主選育。

1.3 試驗方法采用二因素隨機區(qū)組設(shè)計，主區(qū)為種植密度，副區(qū)為氮肥量。種植密度設(shè)5 個水平，A1：45000 株/hm2、A2：52500 株/hm2、A3：60000株/hm2、A4：67500 株/hm2、A5：75000 株/hm2；施氮肥量設(shè)5 個水平，N1：不施氮（CK）、N2：施純氮120kg/hm2、N3：施純氮180kg/hm2、N4：施純氮240kg/hm2、N5：施純氮300kg/hm2。試驗采用直播方式，5 行區(qū)，行長8.0m，行距0.6m，隨機排列，3 次重復(fù)，共75 個小區(qū)。每hm2一次性施入過磷酸鈣736.5kg 和氯化鉀147kg 作為底肥，氮肥（尿素）采用底肥∶追肥=6∶4，追肥于拔節(jié)期施用。其他田間管理措施與大田生產(chǎn)一致。

1.4 測定項目及方法每小區(qū)收中間3 行計產(chǎn)，隨機選取10 穗，自然風(fēng)干后進行室內(nèi)考種，測定穗長、穗粗、禿尖、穗行數(shù)、行粒數(shù)、千粒重等。考種籽粒中稱取籽粒1kg 作為品質(zhì)分析樣品，測定淀粉、粗蛋白、脂肪、容重。

收獲期取代表性植株5 株，調(diào)查收獲指數(shù)。

收獲指數(shù)=籽粒干重/整株干重。

按照NY/T 2017—2011《植物中氮、磷、鉀的測定》測定植株中的全氮和全磷，按照NY/T 2420—2013《植株全鉀含量測定 火焰光度計法》測定植株全鉀。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003 進行統(tǒng)計，用SPSS 25.0 軟件進行數(shù)據(jù)描述性分析、相關(guān)性分析和主成分分析并計算主成分綜合得分，確定排名順序。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型描述性分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示，收獲指數(shù)、行粒數(shù)、穗行數(shù)、穗粗和穗長的變異系數(shù)較小，均小于5%，說明這些性狀受密度和施肥影響較小。產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀中千粒重變異系數(shù)較大，表明各處理組合間的表型值差異較大，進一步說明不同密度和施氮肥量對協(xié)玉901 的產(chǎn)量性狀影響較大。其中，A1N1 的千粒重最高，為263.1g，表明低密度的種植有利于籽粒的發(fā)育；A3N2 的產(chǎn)量最高，為558.89kg/667m2，表明密度60000 株/hm2、施純氮120kg/hm2的組合搭配有利于產(chǎn)量的增加；A1N5 的容重最高，為776g/L，同時，所有處理組合的容重都較高，均值高達764g/L，表明品種協(xié)玉901 具有容重高、籽粒飽滿、營養(yǎng)物質(zhì)多的特點。莖稈養(yǎng)分性狀和籽粒品質(zhì)性狀的變異系數(shù)相對較大，表明密度和氮肥的耦合作用對莖稈養(yǎng)分和籽粒品質(zhì)影響較大。

表1 不同處理組合下協(xié)玉901 農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的表型值

2.2 相關(guān)性分析利用雙變量Pearson 簡單相關(guān)系數(shù)法對所有性狀的表型值進行相關(guān)分析，結(jié)果如表2 所示，多數(shù)性狀之間呈正相關(guān)，部分性狀之間相關(guān)系數(shù)達顯著或極顯著水平。所有性狀中，粗蛋白與脂肪之間的相關(guān)系數(shù)最高，為0.857。穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量這6 個產(chǎn)量相關(guān)性狀之間全部呈正相關(guān)，且大部分為顯著或極顯著，其中，穗長和穗粗與其他4 個性狀的相關(guān)系數(shù)均比較高，最高達到了0.841，該結(jié)果與羅黎明等[17]的研究結(jié)果一致，因此，在分析產(chǎn)量性狀特征時，要重點關(guān)注穗長和穗粗這2 個性狀指標(biāo)。產(chǎn)量與千粒重呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.775。此外，全氮、全磷、全鉀這3 個性狀間呈正相關(guān)。

表2 所有性狀之間的相關(guān)性分析

2.3 主成分分析采用SPSS 25.0 對15 個性狀進行主成分分析，獲得主成分特征值及方差貢獻率和累計貢獻率，如表3 所示，前6 個主成分的方差累計貢獻率為82.952%，符合主成分分析要求，能較好反映大部分遺傳信息，達到了降維的目的，因此，本研究采用這6 個主成分代替上述15 個性狀進行后續(xù)的分析。

表3 各主成分的特征值及方差貢獻率

各主成分的載荷矩陣如表4 所示，其反映了各性狀對該主成分負荷相對大小和作用的方向，即性狀對主成分的影響程度[11，18]。結(jié)果表明，主成分1反映穗長、穗粗、行粒數(shù)、千粒重、產(chǎn)量和容重的主要信息；主成分2 反映粗蛋白和脂肪的主要信息；主成分3 反映禿尖和全磷的主要信息；主成分4 反映穗行數(shù)和全鉀的主要信息；主成分5 反映收獲指數(shù)的主要信息；主成分6 反映淀粉的主要信息；主成分1、3 和5 聯(lián)合反映全氮的信息。

表4 各主成分載荷矩陣

用各性狀變量的主成分載荷除以主成分相對應(yīng)特征值的平方根，即可以得到主成分中每個性狀所對應(yīng)的得分系數(shù)即特征向量，以特征向量為權(quán)重得出6 個主成分得分的表達式F1～F6，再以各主成分所對應(yīng)的方差貢獻率為權(quán)重，根據(jù)主成分得分和對應(yīng)的權(quán)重線性加權(quán)求和得到主成分的綜合得分模型。

F=0.297F1+0.206F2+0.118F3+0.076F4+0.07F5+0.06F6

計算得到的主成分得分和綜合得分及排名結(jié)果如表5 所示，綜合排名前5 的處理分別為A1N3、A1N2、A1N4、A1N5 和A1N1，表明從綜合性狀來看，最適的種植密度為45000 株/hm2，在此密度的基礎(chǔ)上，最佳施氮量為180kg/hm2，其次施氮量是120kg/hm2、240kg/hm2、300kg/hm2和不施氮肥。同時，反映產(chǎn)量相關(guān)信息的主成分1，其得分排名前5 的處理分別為A1N3、A1N1、A1N5、A1N4 和A1N2，表明當(dāng)種植密度為45000 株/hm2時，最佳施氮量為180kg/hm2。

表5 所有性狀的主成分得分及排名

3 討論與結(jié)論

玉米新品種協(xié)玉901 適宜在四川、云南、貴州、湖南、漢中等西南春玉米平壩淺丘地區(qū)種植。但由于西南地區(qū)地形地貌復(fù)雜，屬于濕潤半濕潤季風(fēng)氣候[19]，在玉米的生育期內(nèi)，常常出現(xiàn)陰雨寡照、濕熱同步的現(xiàn)象，導(dǎo)致玉米的葉片接受光照不均勻，因此，合理的種植密度為玉米產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)提供了保障。同時，玉米也是需肥量較多的高產(chǎn)作物，適當(dāng)?shù)氖┓柿渴潜ＷC玉米增產(chǎn)增收的前提[20]。調(diào)查表明，國內(nèi)玉米對氮肥的利用率僅35%左右，60%以上的農(nóng)戶僅憑經(jīng)驗施肥[21]，在肥料施用過程中出現(xiàn)施足底肥后不追肥、少追肥或者追肥過度的現(xiàn)象，導(dǎo)致玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)都較低。新品種結(jié)合配套栽培技術(shù)是保障高產(chǎn)高效的有效途徑。本研究主要針對種植密度和施氮肥量這兩個因素對玉米新品種協(xié)玉901 產(chǎn)量及相關(guān)性狀的影響進行探究。利用PCA方法，從綜合性狀的角度選出最佳種植密度和施氮肥量的組合搭配，為協(xié)玉901 的生產(chǎn)推廣提供理論支撐。

本研究的相關(guān)性分析結(jié)果顯示（表2），籽粒品質(zhì)性狀粗蛋白和脂肪的相關(guān)系數(shù)最高，為0.857，呈極顯著正相關(guān)。不少前人對玉米籽粒品質(zhì)研究也發(fā)現(xiàn)，在不同的處理下，粗蛋白和脂肪總是呈現(xiàn)相同的變化趨勢。賈曉艷等[22]在分析玉米粒重與品質(zhì)性狀的相關(guān)性時發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒百粒重與蛋白質(zhì)和油分含量之間呈負相關(guān)，玉米籽粒容重與蛋白質(zhì)和油分含量之間呈正相關(guān)。瞿翔等[23]在研究硅肥對玉米生長及土壤理化性質(zhì)的影響時發(fā)現(xiàn)，施用硅肥顯著提高了玉米籽粒脂肪和蛋白質(zhì)含量，顯著降低了淀粉含量。呂巨智等[24]在研究不同耕作方式對玉米生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響時發(fā)現(xiàn)，深松處理使玉米籽粒脂肪和蛋白質(zhì)含量均不同程度的提高，但淀粉含量降低。由此可見，環(huán)境的改變能引起玉米籽粒品質(zhì)的變化，并且蛋白質(zhì)和脂肪之間有很強的相關(guān)性。

目前，通過多元統(tǒng)計學(xué)方法對作物的多個性狀進行綜合評價已經(jīng)應(yīng)用廣泛[14]，主成分分析就是通過降維的方法把多個變量變成幾個相對獨立的綜合變量，科學(xué)評價綜合性狀。本研究調(diào)查的15 個性狀包括產(chǎn)量性狀、籽粒品質(zhì)性狀、莖稈養(yǎng)分性狀等。利用主成分分析將這15個性狀降維到能反映82.952%綜合信息的6 個主成分，通過主成分得分和綜合得分來評價種植密度和施氮肥量的最佳搭配。產(chǎn)量最高的處理為A3N2，即種植密度為60000 株/hm2，這與曹家洪等[25]的研究結(jié)果一致，但兩試驗的施氮量不同，可能與施用肥料類型不同相關(guān)。但在得分排名中，主成分1 和綜合得分排名第1 的均為A1N3，且排名前5 的種植密度均為45000 株/hm2，說明在此密度下的綜合性狀表現(xiàn)好，且施純氮量最佳為180kg/hm2。

玉米新品種協(xié)玉901 的產(chǎn)量最高處理為A3N2，即種植密度為60000 株/hm2，施純氮120kg/hm2，但從綜合得分來看，最適宜種植密度為45000 株/hm2，最佳施純氮量為180kg/hm2。