玉米机械化籽粒收获组合鉴定与主成分分析

卫晓轶 王稼苜 马 毅 马俊峰 洪德峰 魏 锋

（河南省新乡市农业科学院，453002，河南新乡）

玉米作为我国第一大粮食作物，是重要的粮食、饲料、工业原料和能源作物[1]。随着我国城镇化、工业化进程的加快，以及农村劳动力的转移，对我国玉米生产的机械化程度要求也越来越高。但目前玉米的机械化程度远低于其他作物，尤其是机械化籽粒收获还处于较低水平[2-3]。造成玉米难以大面积实现机械化收获的主要原因在于品种参差不齐，大部分品种存在收获时籽粒含水量偏高、倒伏严重等问题，因此，未来选育玉米品种的目标应放在倒伏性、整齐度、脱水及生育期等方面，以适应玉米收获的机械化[4]。

玉米籽粒完全成熟收获时的最适含水量为23%～24%，而黄淮海夏玉米区玉米成熟时籽粒含水量偏高，不利于机械化籽粒收获[5]。玉米品种特性和收获机械技术等是影响玉米机械化收获的重要因素，其中，籽粒破损率是衡量玉米收获质量的重要指标。收获时，籽粒含水率是影响籽粒破损率的重要因素之一[6]。本研究通过对16份玉米杂交组合进行机械化籽粒收获研究，通过对相关指标分析，筛选出适宜机械化籽粒收获的玉米新组合，为进一步挖掘适宜机械化籽粒收获发展方向的种质资源提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

利用河南省新乡市农业科学院选育的玉米骨干自交系为基础材料，2017年12月在海南育种基地组配杂交组合，以其中有代表性的16份杂交组合为供试材料（表1）。其中，新单58、新单61、新单65和新单68均已通过国家农作物品种审定委员会审定，审定编号分别为国审玉20190238、国审玉20180120、国审玉20190003、国审玉20180297。16份杂交组合的生育期情况见表2。

表1 16份玉米杂交组合编号及名称Table 1 Number and name of 16 maize cross combinations

表2 16个玉米杂交组合的生育期Table 2 The growth stage of 16 maize cross combinations d

1.2 试验设计

试验在河南省新乡市农业科学院试验基地（河南辉县）进行，2018年6月10日播种。行长83.5m，行距0.6m，每个小区20行，小区面积1 002m2。田间管理同常规大田生产。

在灌浆期每个杂交组合选取有代表性的植株10株，测量株高和穗位高。在成熟期每个杂交组合选取有代表性的10个果穗进行考种，测定穗长、穗粗和百粒重。

2018年10月8日，分别采用人工收获和机械籽粒收获，每个杂交组合均收获中间12行，收获面积均为300.6m2。采用雷沃谷神GE40谷物联合收割机收获籽粒。根据收获面积，折合单位面积产量，并根据收获时玉米籽粒的含水量计算含水量为14%时的理论产量。

在测试地块，随机取收割地块机仓内收获的籽粒样品约2kg，首先用PM8188谷物水分测定仪测定含水率，然后称其重量，手工分拣，将其分为籽粒和非籽粒两部分；对籽粒部分称其重量并记为KW1，非籽粒部分称重记为NKW；再根据籽粒的完整性，将其分为完整籽粒和破碎籽粒，并分别称重，完整粒部分重量记为KW2，破碎粒重量记为BKW。

杂质率（%）=[NKW/（KW1+NKW）]×100；

籽粒破碎率（%）=[BKW/（KW2+BKW）]×100；

完整籽粒百分率（%）=[KW2/（KW2+BKW）]×100；

籽粒干物质含量（%）=100-籽粒含水率。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2007软件进行数据整理，利用SPSS 17.0进行表型分析、相关分析和主成分分析。

计算各项指标的变异系数，公式为：变异系数（%）=各指标的标准差/各指标的平均值×100。

利用软件SPSS 17.0对数据进行主成分分析[7-9]，首先从样本的相关矩阵出发，对原始数据进行标准化处理后，计算各性状的特征值和方差贡献率，根据性状特征值累积方差贡献率确定主成分的个数，根据各性状的特征向量，列出主成分的函数表达式，然后计算其主成分值，对供试杂交组合进行比较，进而对杂交组合进行综合评价排序。

公式（1）中，Xj表示第j个综合指标值；Xmin表示第j个综合指标的最小值；Xmax表示第j个综合指标的最大值。公式（2）中，Wj值表示第j个综合指标的权重；Pj为第j个综合指标的贡献率。公式（3）中，Y值为玉米杂交组合机械化籽粒收获适宜性综合评价值。

2 结果与分析

2.1 杂交组合的表型分析

16个玉米杂交组合的表型值见表3。16个玉米杂交组合产量的平均值为7 990.7kg/hm2，变异范围为6 094.1～11 035.7kg/hm2；百粒重的变异范围为30.4～36.8g；籽粒含水率的平均值为27.4%，变异范围为24.3%～35.6%；籽粒破碎率的平均值为5.4%，变异范围为3.7%～8.5%；杂质率的平均值为5.1%，变异范围为2.7%～8.9%；株高的平均值为261.4cm，穗位高的平均值为92.7cm。

表3 16个玉米杂交组合农艺性状的表型值Table 3 Performance values of agronomic traits for 16 maize cross combinations

各个性状的变异系数见表3。其中，杂质率、籽粒破碎率和产量的变异系数相对较大，分别为34.0%、22.6%和17.1%。穗粗和百粒重的变异系数较小，分别为5.7%和5.8%。

2.2 杂交组合农艺性状的相关性分析

由表4可以看出，产量与穗长、穗粗、百粒重之间存在极显著正相关，相关系数分别为0.764、0.812、0.797。籽粒含水率与籽粒破碎率之间呈显著正相关，相关系数为0.614。株高与穗位高之间呈极显著正相关，相关系数为0.828。而农艺性状（株高和穗位高）与产量性状及机械化粒收相关指标之间的相关性均未达到显著水平。因此，产量及产量相关性状、籽粒含水率、籽粒破碎率、杂质率将作为下一步主成分分析的相关性状。

表4 玉米杂交组合农艺性状的相关性分析Table 4 Correlation analysis of agronomic traits for maize cross combinations

2.3 杂交组合农艺性状主成分分析

运用SPSS 17.0首先对玉米各杂交组合机械化收获相关性状的原始数据进行标准化，然后对相关性状进行主成分分析。由表5可知，第1主成分的贡献率为35.722%，对应各性状的特征向量值从大到小依次为完整籽粒百分率＞籽粒干物质含量＞百粒重＞穗粗＞穗长＞产量，系数载荷较高的是完整籽粒百分率和籽粒干物质含量，因此，第1主成分认为是籽粒破碎率和籽粒含水率因子；第2主成分的贡献率为27.242%，对应各性状的特征向量值从大到小依次为穗长＞穗粗＞籽粒干物质含量＞产量＞完整籽粒百分率＞百粒重，系数载荷较高的是穗长和穗粗，因此，第2主成分认为是籽粒数因子；第3主成分的贡献率为20.301%，对应各性状的特征向量值从大到小依次为百粒重＞穗长＞穗粗＞完整籽粒百分率＞产量＞籽粒干物质含量，系数载荷较高的是百粒重，因此，第3主成分认为是籽粒重因子。综合3个综合指标的累计贡献率达83.264%。由此，可将原来6个单一性状转换为3个相互独立的综合指标，并代表了原始性状所传达的大部分信息，利用这3个综合指标基本可以进行玉米机械化籽粒收获适宜性综合评价。

表5 玉米杂交组合各指标的成分矩阵及贡献率Table 5 Component matrix and proportions of 8 indexes for maize cross combination

2.4 玉米机械化籽粒收获适宜性综合评价

根据公式（1）计算出16份杂交组合在各综合指标中的隶属函数值。根据公式（2）计算其权重。3个综合指标的权重分别为0.429、0.327、0.244。结合各综合指标的隶属函数值和其权重，用公式（3）计算出各玉米杂交组合机械化籽粒收获适宜性综合评价值Y。Y值越大，表明该杂交组合更适宜机械化籽粒收获。从表6中可以看出，H13的Y值最大，为2.283，最适宜机械化籽粒收获，其次为H1和H14（Y值为0.764和0.451）；H16和H15的Y值最低（-1.270和-0.711）。

表6 不同玉米杂交组合机械化籽粒收获适宜性综合评价值及排序Table 6 The value of comprehensive evaluation of mechanical grain harvesting in different maize hybrid combinations and order based on the suitability

2.5 人工收获与机械籽粒收获的产量表现

由于机械籽粒收获有田间落穗和落粒现象，通过对人工收获和机械籽粒收获的产量结果进行比较，见图1。结果表明，16个杂交组合中，H16组合2种收获方式后的产量差异最大，机械籽粒收获的产量比人工收获低252.30kg，其次是H15，其机械籽粒收获的产量比人工收获低202.35kg，H5和H7组合采用机械籽粒收获的产量与人工收获差异也较大，其余12个杂交组合采用机械籽粒收获与人工收获的产量均差异较小，其中，H1、H13、H14、H3的差异最小，且产量远高于H16，说明这些组合采用机械籽粒收获时，田间落穗数和落粒数均较少，更适宜机械化籽粒收获。

图1 人工收获与机械籽粒收获的产量对比Fig.1 Comparison of yield between artificial and mechanical grain harvesting

3 讨论

有研究[10-12]表明，茎秆压碎强度、茎秆穿刺强度、茎秆含水量、籽粒含水量与籽粒机收质量灰色关联度最大，株高和穗位高也是影响机收质量的主要原因。杨锦越等[13]通过分析得出，株高、茎粗、穗位高、茎秆压碎强度、穗轴压碎强度、空秆率、倒伏率、穗下倒折率、茎秆含水率、穗轴含水率、苞叶含水率、叶片含水率和籽粒含水率可以作为评价机械粒收质量的重要农艺指标。本研究以16份玉米杂交组合为材料，通过对产量、穗长、穗粗、百粒重、籽粒含水率、籽粒破碎率、杂质率、株高、穗位高9个指标进行相关性分析表明，籽粒含水率与籽粒破碎率之间呈显著正相关，这与李璐璐等[14]的研究结果一致。

玉米机械粒收的质量指标主要包括籽粒破碎率、杂质率和产量损失率，这3个指标共同决定玉米品种是否适合机械化收获[15]。本研究利用产量及产量相关性状、籽粒含水率、籽粒破碎率、杂质率共6个指标进行主成分分析，对16份杂交组合的玉米机械化籽粒收获适宜性进行综合评价，研究表明，人工收获与机械籽粒收获的产量进行比较，新单58、新单65、新单68和新单88产量均高于对照郑单958，且采用机械籽粒收获与人工收获的产量均差异较小，说明采用机械化籽粒收获过程中，这些组合的田间落穗数和落粒数均较少，更适宜机械化籽粒收获。相反，郑单958和H15（新01A3×新4214）的田间落穗数和落粒数较多，相比而言，不适宜机械化籽粒收获。

15个杂交组合的生育期各性状均低于对照郑单958，杂交组合的抽雄期、吐丝期、散粉期和成熟期均比对照短1～4d，因此，更加符合早熟、耐密、籽粒脱水快、苞叶松散等适宜机收的特点[16]。

下一步的研究中，根据不同玉米杂交组合机械化籽粒收获适宜性综合评价值及排序结果，可以对这些杂交组合进行初步分类，同时结合籽粒含水率和籽粒破碎率划分种质资源，为将来继续选育出更适宜生产上机械化籽粒收获的玉米新品种提供依据。

4 结论

新单65、新单58、新单68和新单88均适宜机械化籽粒收获。相比而言，对照郑单958和新01A3×新4214不适宜机械化粒收。