主成分分析法研究玉米新品种协玉901 的最适密度和氮肥量

卿春燕 王秀全 卢庭启 张 华 税红霞 马 鹏 何 丹 庞启华

（四川省绵阳市农业科学研究院，绵阳 621023）

随着市场发展的需求，我国玉米的种植面积和总产量跃居农作物第1 位，成为我国第一大作物[1]。由于玉米是粮、菜、饲、能四位一体的主要作物，更是畜牧业、酒类等食品加工业最基础的原料，因此在国民经济中占有重要地位[2]。前人研究表明，影响玉米产量的因素包括品种、土壤肥力、种植密度、光照、温度等，其中种植品种和密度是影响玉米产量的重要因素[3]。中国工程院院士戴景瑞指出，玉米品种是技术的载体，耐密是提高单产的关键[4]，合理的种植密度可使玉米群体与个体协调发展，挖掘出品种的高产潜力，在单位面积上获得最大的产量[5-6]。同时，化肥的合理施用，加上氮磷钾肥的有效搭配，可提高土壤供肥能力，实现增产，在玉米生产中具有重要意义[7]。大量研究表明，密度是协调玉米群体与个体之间平衡发展的有效手段，合理施肥是玉米个体良好发育的重要保障，二者的高效搭配是玉米增产的关键因素[8-9]。玉米新品种协玉901 是绵阳市农业科学研究院自主选育而成的优良品种，具有广适性、丰产性好，品质优良等特性，具备较好的推广前景[10]，而良种良法的配套能为该品种的高产高效栽培提供科学依据。

主成分分析（PCA）是通过降维的方式，将多个存在相关联的变量转化为几个能反映原本多个变量主要信息的综合变量，并且保留大部分原有信息，简化数据结构，全面客观地反映变量的综合表现[11]。近年来，在作物中运用PCA 来评价种质资源的应用广泛，包括谷子、玉米、马铃薯、花生、小豆等[12-16]。本研究采用PCA 方法来分析密度和氮肥对协玉901 产量和主要农艺性状的影响，以期探究出协玉901 栽培的最佳种植密度和施氮量，构建该品种的高产优质技术模式，为大面积玉米高产提供技术支撑，促进增产增收。

1 材料与方法

1.1 试验地概况试验地位于四川省绵阳市经开区松垭镇，土壤肥力水平中等、地力均匀平坦，光照好，排灌方便。

1.2 试验材料玉米品种协玉901 由绵阳市农业科学研究院自主选育。

1.3 试验方法采用二因素随机区组设计，主区为种植密度，副区为氮肥量。种植密度设5 个水平，A1：45000 株/hm2、A2：52500 株/hm2、A3：60000株/hm2、A4：67500 株/hm2、A5：75000 株/hm2；施氮肥量设5 个水平，N1：不施氮（CK）、N2：施纯氮120kg/hm2、N3：施纯氮180kg/hm2、N4：施纯氮240kg/hm2、N5：施纯氮300kg/hm2。试验采用直播方式，5 行区，行长8.0m，行距0.6m，随机排列，3 次重复，共75 个小区。每hm2一次性施入过磷酸钙736.5kg 和氯化钾147kg 作为底肥，氮肥（尿素）采用底肥∶追肥=6∶4，追肥于拔节期施用。其他田间管理措施与大田生产一致。

1.4 测定项目及方法每小区收中间3 行计产，随机选取10 穗，自然风干后进行室内考种，测定穗长、穗粗、秃尖、穗行数、行粒数、千粒重等。考种籽粒中称取籽粒1kg 作为品质分析样品，测定淀粉、粗蛋白、脂肪、容重。

收获期取代表性植株5 株，调查收获指数。

收获指数=籽粒干重/整株干重。

按照NY/T 2017—2011《植物中氮、磷、钾的测定》测定植株中的全氮和全磷，按照NY/T 2420—2013《植株全钾含量测定 火焰光度计法》测定植株全钾。

1.5 数据统计分析试验数据采用Excel 2003 进行统计，用SPSS 25.0 软件进行数据描述性分析、相关性分析和主成分分析并计算主成分综合得分，确定排名顺序。

2 结果与分析

2.1 表型描述性分析数据统计结果如表1 所示，收获指数、行粒数、穗行数、穗粗和穗长的变异系数较小，均小于5%，说明这些性状受密度和施肥影响较小。产量及产量性状中千粒重变异系数较大，表明各处理组合间的表型值差异较大，进一步说明不同密度和施氮肥量对协玉901 的产量性状影响较大。其中，A1N1 的千粒重最高，为263.1g，表明低密度的种植有利于籽粒的发育；A3N2 的产量最高，为558.89kg/667m2，表明密度60000 株/hm2、施纯氮120kg/hm2的组合搭配有利于产量的增加；A1N5 的容重最高，为776g/L，同时，所有处理组合的容重都较高，均值高达764g/L，表明品种协玉901 具有容重高、籽粒饱满、营养物质多的特点。茎秆养分性状和籽粒品质性状的变异系数相对较大，表明密度和氮肥的耦合作用对茎秆养分和籽粒品质影响较大。

表1 不同处理组合下协玉901 农艺性状及产量的表型值

2.2 相关性分析利用双变量Pearson 简单相关系数法对所有性状的表型值进行相关分析，结果如表2 所示，多数性状之间呈正相关，部分性状之间相关系数达显著或极显著水平。所有性状中，粗蛋白与脂肪之间的相关系数最高，为0.857。穗长、穗粗、穗行数、行粒数、千粒重和产量这6 个产量相关性状之间全部呈正相关，且大部分为显著或极显著，其中，穗长和穗粗与其他4 个性状的相关系数均比较高，最高达到了0.841，该结果与罗黎明等[17]的研究结果一致，因此，在分析产量性状特征时，要重点关注穗长和穗粗这2 个性状指标。产量与千粒重呈极显著正相关，相关系数为0.775。此外，全氮、全磷、全钾这3 个性状间呈正相关。

表2 所有性状之间的相关性分析

2.3 主成分分析采用SPSS 25.0 对15 个性状进行主成分分析，获得主成分特征值及方差贡献率和累计贡献率，如表3 所示，前6 个主成分的方差累计贡献率为82.952%，符合主成分分析要求，能较好反映大部分遗传信息，达到了降维的目的，因此，本研究采用这6 个主成分代替上述15 个性状进行后续的分析。

表3 各主成分的特征值及方差贡献率

各主成分的载荷矩阵如表4 所示，其反映了各性状对该主成分负荷相对大小和作用的方向，即性状对主成分的影响程度[11，18]。结果表明，主成分1反映穗长、穗粗、行粒数、千粒重、产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 反映秃尖和全磷的主要信息；主成分4 反映穗行数和全钾的主要信息；主成分5 反映收获指数的主要信息；主成分6 反映淀粉的主要信息；主成分1、3 和5 联合反映全氮的信息。

表4 各主成分载荷矩阵

用各性状变量的主成分载荷除以主成分相对应特征值的平方根，即可以得到主成分中每个性状所对应的得分系数即特征向量，以特征向量为权重得出6 个主成分得分的表达式F1～F6，再以各主成分所对应的方差贡献率为权重，根据主成分得分和对应的权重线性加权求和得到主成分的综合得分模型。

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

计算得到的主成分得分和综合得分及排名结果如表5 所示，综合排名前5 的处理分别为A1N3、A1N2、A1N4、A1N5 和A1N1，表明从综合性状来看，最适的种植密度为45000 株/hm2，在此密度的基础上，最佳施氮量为180kg/hm2，其次施氮量是120kg/hm2、240kg/hm2、300kg/hm2和不施氮肥。同时，反映产量相关信息的主成分1，其得分排名前5 的处理分别为A1N3、A1N1、A1N5、A1N4 和A1N2，表明当种植密度为45000 株/hm2时，最佳施氮量为180kg/hm2。

表5 所有性状的主成分得分及排名

3 讨论与结论

玉米新品种协玉901 适宜在四川、云南、贵州、湖南、汉中等西南春玉米平坝浅丘地区种植。但由于西南地区地形地貌复杂，属于湿润半湿润季风气候[19]，在玉米的生育期内，常常出现阴雨寡照、湿热同步的现象，导致玉米的叶片接受光照不均匀，因此，合理的种植密度为玉米产量和籽粒品质提供了保障。同时，玉米也是需肥量较多的高产作物，适当的施肥量是保证玉米增产增收的前提[20]。调查表明，国内玉米对氮肥的利用率仅35%左右，60%以上的农户仅凭经验施肥[21]，在肥料施用过程中出现施足底肥后不追肥、少追肥或者追肥过度的现象，导致玉米的产量和品质都较低。新品种结合配套栽培技术是保障高产高效的有效途径。本研究主要针对种植密度和施氮肥量这两个因素对玉米新品种协玉901 产量及相关性状的影响进行探究。利用PCA方法，从综合性状的角度选出最佳种植密度和施氮肥量的组合搭配，为协玉901 的生产推广提供理论支撑。

本研究的相关性分析结果显示（表2），籽粒品质性状粗蛋白和脂肪的相关系数最高，为0.857，呈极显著正相关。不少前人对玉米籽粒品质研究也发现，在不同的处理下，粗蛋白和脂肪总是呈现相同的变化趋势。贾晓艳等[22]在分析玉米粒重与品质性状的相关性时发现，玉米籽粒百粒重与蛋白质和油分含量之间呈负相关，玉米籽粒容重与蛋白质和油分含量之间呈正相关。瞿翔等[23]在研究硅肥对玉米生长及土壤理化性质的影响时发现，施用硅肥显著提高了玉米籽粒脂肪和蛋白质含量，显著降低了淀粉含量。吕巨智等[24]在研究不同耕作方式对玉米生长发育、产量及品质的影响时发现，深松处理使玉米籽粒脂肪和蛋白质含量均不同程度的提高，但淀粉含量降低。由此可见，环境的改变能引起玉米籽粒品质的变化，并且蛋白质和脂肪之间有很强的相关性。

目前，通过多元统计学方法对作物的多个性状进行综合评价已经应用广泛[14]，主成分分析就是通过降维的方法把多个变量变成几个相对独立的综合变量，科学评价综合性状。本研究调查的15 个性状包括产量性状、籽粒品质性状、茎秆养分性状等。利用主成分分析将这15个性状降维到能反映82.952%综合信息的6 个主成分，通过主成分得分和综合得分来评价种植密度和施氮肥量的最佳搭配。产量最高的处理为A3N2，即种植密度为60000 株/hm2，这与曹家洪等[25]的研究结果一致，但两试验的施氮量不同，可能与施用肥料类型不同相关。但在得分排名中，主成分1 和综合得分排名第1 的均为A1N3，且排名前5 的种植密度均为45000 株/hm2，说明在此密度下的综合性状表现好，且施纯氮量最佳为180kg/hm2。

玉米新品种协玉901 的产量最高处理为A3N2，即种植密度为60000 株/hm2，施纯氮120kg/hm2，但从综合得分来看，最适宜种植密度为45000 株/hm2，最佳施纯氮量为180kg/hm2。