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

（貴州大學農學院，貴陽 550025）

玉米是中國三大糧食作物之一，也是西南地區主要的糧食作物[1]。大量研究表明，適當增加種植密度是實現玉米高產的重要途徑[2-7]，但種植密度的增加，導致玉米株高增高、莖粗減小、莖稈強度降低，從而增加玉米植株倒伏率和倒折率，顯著降低玉米產量；不同品種對密度的反應不同，同一密度下不同品種農藝性狀和產量差異明顯[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踐意義。主成分分析法是利用降維的思想，把多指標轉化為少數幾個綜合指標（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[14]，目前已經廣泛用于作物耐旱性、耐瘠性和品質方面的綜合評價。任偉等[15]利用模糊隸屬函數法對12個青貯玉米品種進行了綜合評價；覃永嬡等[16]以產量抗旱系數（DC）、產量抗旱指數（DI）、產量抗旱隸屬度（SV）為評價指標，結合主成分分析對玉米種質耐旱性進行綜合評價；張健等[17]利用灰色關聯度法對不同玉米品種進行綜合評價。目前，關于不同玉米品種耐密性的研究主要集中在北方地區[13]，針對西南地區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個玉米品種的農藝性狀在高密度下的表現進行綜合評價，為西南地區選擇耐密玉米品種提供參考依據。

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 試驗設計 試驗于2017年3-9月在貴州省遵義市播州區石板鎮（27°13′N，106°17′E）進行，該地區屬中亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫14.9℃，無霜期291d，降雨量1035.7mm。供試土壤有機質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。

采用二因素裂區設計，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）。小區面積 25.5m2（7.5m×3.4m），3次重復。采用寬窄行種植，寬行0.8m，窄行0.4m。基肥每 hm2施 用 復 合 肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）600kg，在拔節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地大面積生產。

1.3 測定項目及方法

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

1.3.2 莖稈穿刺強度、莖稈壓折強度、莖稈壓碎強度 在玉米吐絲后25d，每個小區選取有代表性植株3株，剝去葉片和葉鞘，采用 YYD-1 型莖稈強度測定儀（浙江托普儀器有限公司生產）測定植株地上部第3～5節、穗上1節和穗下1節。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，即為莖稈穿刺強度；將各節分別平放在測定儀的凹槽內，迅速壓下使莖稈壓折，讀取最大值，即為莖稈壓折強度；將橫截面積為1cm2的測頭垂直于莖稈節間中部勻速緩慢壓下，直到莖稈破裂，讀取最大值，即為莖稈壓碎強度。最后，計算5個節間莖稈強度的平均值。

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

1.4 數據分析 采用Microfost Excel 2007進行數據處理，DPS和SPSS 19.0軟件進行數據統計與分析。

2 結果與分析

2.1 玉米主要農藝性狀測定值 變異系數是衡量性狀指標中各觀測值差異程度和變異范圍的統計量。20個玉米品種的10個農藝性狀指標的變異系數存在明顯差異（表2），變異系數最大是倒伏率，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；變異系數最小的是穗位高系數、莖粗和莖粗系數，說明這些性狀由品種本身內在因素決定，對種植密度的敏感度較小；莖稈壓折強度變異系數（23%）和壓碎強度變異系數（20%）大于穿刺強度變異系數（13%），說明種植密度對莖稈壓折強度和壓碎強度影響較大，對莖稈穿刺強度影響較小。

表2 玉米主要農藝性狀測定表現值

2.2 玉米主要農藝性狀主成分分析 利用SPSS對20個玉米品種的10個農藝性狀指標進行主成分分析，結果見表3。主成分個數的提取原則為主成分對應的特征值大于1且主成分累計貢獻率≥85%的前m個主成分，利用主成分分析可以對耐密性指標進行全面系統科學的綜合評價。由表3可知，第1主分量貢獻率為51.566%，說明第1主分量能解釋玉米性狀指標變異的 51.566%，第2和第3主分量貢獻率分別為20.820%和14.384%。前3個主成分累計方差貢獻率達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總變異，因此可以用前3個主成分代替上述10個性狀指標對玉米的品種進行評價與判斷。

表3 玉米各指標主成分分析

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

表4 指標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，可分別計算出每個主成分所對應表達式的系數，得到以下3個主成分的表達式：

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的方差貢獻率為權數計算綜合統計F綜合，即用第1主成分F1中每個指標對應的系數乘上第1主成分F1對應的貢獻率再除以所提取3個主成分的貢獻率之和，F2和F3中也是按照此法計算，最后將3個主成分加起來，即可得到綜合得分模型，結果如下：

將20個玉米品種的10個農藝性狀指標進行標準化處理，將值分別帶入表達式中，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 玉米品種產量與農藝性狀的聚類分析 20個玉米品種的10個農藝性狀指標進行標準化處理，利用DPS進行聚類分析，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，為Ⅰ類，此類品種莖稈強度大，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，穗位高系數偏大，種植密度應該控制在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，此類品種莖稈強度小，倒伏率高，可能與品種的適應性有關。聚類分析得出的結果與主成分分析得出的結論基本一致。

表5 20個品種耐密性排序

3 結論與討論

圖1 20個玉米品種聚類分析

在本試驗所測定的農藝性狀指標中，倒伏率的變異系數最大，說明倒伏率除了受品種自身因素影響外，所受到的其他環境因素影響也較大，這與鐘成[18]的研究結果一致。在采用多項指標進行綜合評價分析時，由于指標數量多而且指標之間相互關聯，導致分析工作比較困難。多元統計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，將原來數量較多而且彼此相關的指標轉換為新的數量少而彼此獨立或不相關的綜合指標，從而簡化多指標分析[19-20]。目前，主成分分析方法已經廣泛應用于各種問題綜合評價方面，并取得了良好的效果[21-24]。本試驗采用主成分分析方法，將20個玉米品種的10個農藝性狀指標簡化為3個彼此不相關的綜合指標（主成分），這3個主成分累計方差貢獻率達86.770%。從主成分分析結果看出，莖稈壓折強度、穗位高系數和倒伏率可作為評價玉米品種耐密特性的重要農藝性狀指標，其他指標可作為評價的參考指標，這與田曉艷[25]研究結果基本一致，評價指標的全面性還需要進一步探討；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，適合在西南地區推廣種植。聚類分析結果表明，20個玉米品種可劃分成3類，結果與主成分分析得出的結論基本一致。本研究為西南地區選擇耐密抗倒品種提供指導依據，但還需要進行不同生態適應性研究和驗證。