全 文 ：我国北方玉米品种个体产量潜力与氮利用效率研究*
王空军1, 2
张吉旺2
郭玉秋2
胡昌浩2
董树亭2
蒋高明1* *
( 1 中国科学院植物研究所植被数量生态学开放研究实验室, 北京 100093; 2 山东农业大学,泰安 271018)
摘要
采用大田试验, 在低密度条件下, 研究了我国北方 1990 年以来大面积种植的 50 个玉米主栽品
种个体产量潜力和 N利用效率. 探测分析和正态分布检测结果表明, 单株籽粒产量 ( GY)、千粒重( KW)、
单株生物产量( AB)、籽粒收获指数( HIG )、N利用效率( NUE)和 N 收获指数(HI N) 6个指标分别符合正态
分布 N ( 265
1, 44
502 )、N (322
3, 36
912 )、N ( 515
8, 64
732)、N ( 0
514, 0
062 )、N ( 43
0, 5
372 )和 N
( 0
643, 0
062) , 其变化范围为 GY 198
35~ 345
22 g/株、KW 241
50~ 391
82 g/ 1 000 粒、AB 402
34~
712
84 g/株、HI G 0
39~ 0
63、NUE 31
18~ 57
35 kg gr ain!kg - 1N 和 HI N0
47~ 0
74.相关分析表明 ,产
量与 NUE 高度正相关(偏相关系数 0
471* * , P = 0
01) , 而籽粒千粒重与 NUE 呈显著性负相关( Pearson
相关系数- 0
427* * , P= 0
002) . 对 GY 和 NUE 进行分层聚类, 将北方玉米品种划分为高产高 NUE 型、
低产低 NUE 型和中间型,目前高产高 NUE 型玉米品种相对较少, 仅占 24% .
关键词
玉米
产量潜力
N 利用效率
相关分析
分层聚类分析
文章编号
1001- 9332( 2005) 05- 0879- 06
中图分类号
Q945. 1; S513. 023
文献标识码
A
Individual grain yield potential and nitrogen utilization eff iciency of Zea mays cultivars widely planted in
North China. WANG Kongjun1, 2, ZHANG Jiw ang2 , GUO Yuqiu2 , HU Changhao2, DONG Shuting2 , JIANG
Gaoming1( 1Laboratory of Quantitative V egetation Ecology , I nstitute of Botany , Chinese A cademy of Sciences ,
Beij ing 100093, China; 2Shandong Agr icultural Univer sity , Taian 271018, China ) . Chin . J . A pp l. Ecol. ,
2005, 16( 5) : 879~ 884.
With field experiment and under lowdensity condition, this paper studied the individual grain yield ( GY) and ni
trogen utilization efficiency ( NUE) of fifty Zea mays cultivars widely planted in Nor th China since 1990s. Ex
plor ing analyses and normality tests show ed t hat the 1000kernal weight ( KW) , aboveground biomass per plant
( AB) , grain har vest index ( HI G) , NUE, and nitrog en harvest index ( HIN ) w er e all conformed to normal distri
but ion, with N ( 265
1, 44
502) , N ( 322
3, 36
912) , N (515
8, 64
732) , N (0
514, 0
062 ) , N ( 43
0, 5
372) ,
and N ( 0
643, 0
062) , respectively. The GY ranged from 198
35 to 345
22 g!plant- 1, KW from 241
50 to
391
82 g!1000 kernal- 1 , AB from 402
34 to 712
84 g!plant- 1, HIG from 0
39 to 0
63, NUE from 31
18 to
57
35 g grain!g N - 1, and HIN fr om 0
47 to 0
74. Cor relat ion analyses indicated that GY positiv ely and signifi
cantly correlated w ith NUE ( partial correlation coefficient w as 0
471* * , P = 0
001) , while KW negatively and
significantly corr elated wit h NUE ( Pearson co rrelation coefficient was - 0
427* * , P = 0
002) . Through hier ar
chical cluster analyses fo r GY and NUE, the test Zea mays var iet ies could be sorted into 3 types, i . e. , highGY
with highNEU , lowGY wit h lowNEU , and mediate type. Cur rently , only 24 percent of Zea mays cultivar s in
No rth China w ere of highGY with highNEU type, and thus, its br eeding should be streng thened in the future.
Key words
Zea mays , Grain yield potential, Nitrog en utilizat ion efficiency, Correlation analysis, Hierarchical
cluster analysis.
* 国家自然科学基金项目( 30100108 )、山东省优秀中青年科学家奖
励 基 金 项 目 ( 02BS028 )、国 家 ∀ 十 五 # 科 技 攻 关 项 目
( 2004BA52OA08JZ)和农业科技跨越计划资助项目( 200315) .
* * 通讯联系人. Email: jgm@ ht . rol. cn. net
2004- 03- 10收稿, 2004- 07- 03接受.
1
引

言
玉米( Zea mays )是单株生产力高、生长迅速的
C4 植物.在玉米产量提高的诸因素中,遗传改良作
用约占 35% ~ 40
5% [ 13, 27] . N 是植物生长必需的
大量元素.提高作物 N 利用效率可减少生产成本和
对氮 肥的依 赖, 有 利于减 少对 地下 水的 污
染[ 3, 15, 25] .巨晓棠等[ 15]对我国北方氮肥用量及其对
环境的影响研究表明, 我国粮食生产中氮肥的短缺
和过量施肥并存.由于不合理使用氮肥而引起 N 利
用效率低的现象日益普遍[ 24] , 并对地下水造成污
染[ 16, 28, 32] . Baligar 等[ 3]指出, 亚洲主要作物施用氮
肥多但产量低的主要原因是品种的产量潜力低和 N
利用率低,生理的或遗传的特性能够改善养分的利
用和获得高产[ 3, 21, 29] . 随着人口增长及人民生活水
平提高,对玉米的需求增多, 选育高产玉米品种, 提
高氮肥利用效率, 降低其对环境的不良影响,对玉米
高产、高效和安全生产具有重要意义. 玉米是 N 需
应 用 生 态 学 报
2005 年 5 月
第 16 卷
第 5 期






























CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, May 2005, 16( 5)∃879~ 894
求相对较多的作物. 大量研究表明,不同玉米基因型
间N 利用效率存在差异[ 2, 5, 8, 10~ 12, 14, 17, 19] , 通过选
择育种可以提高 N 吸收和利用效率, 实现在低氮条
件下获得充分产量的目标[ 1, 26] . 目前全国种植的玉
米品种繁多,其中 1998年全国共推广了 235个杂交
种[ 13] . 本试验通过研究我国北方玉米主产区 1990
年以来玉米主栽品种的单株产量性状和 N 利用效
率,旨在探明玉米品种的产量和 N 利用分布状况及
其相关性,对品种进行分类,以期为玉米高产高效品
种选育和依据品种对氮肥的需求量进行科学施肥与
合理栽培提供理论依据.
2
材料与方法
2
1
供试材料
50个玉米单交种是 1990 年以来我国北方生产中大面
积应用的品种,具有较广泛的代表性.其分别为: 掖单 2 号、
掖单 4 号、掖单 11号、掖单 12号、掖单 13 号、掖单 19 号、掖
单 20 号、掖单 22 号、掖单 51、登海 1 号、登海 2 号、丹玉 13
号、丹玉 15、丹玉 703、沈单 7 号、唐抗 5 号、西玉 3 号、冀丰
58、吉单 141、吉单 156、吉单 159、吉单 180、吉单 306(新本玉
6 号)、吉引 704、京早 10 号、中单 2 号、中单 8 号、农大 60、农
大108、冀单 17、锦单 6 号、四单 19、四单 48、泰单 94、泰单
95、铁单 4 号、铁单 10 号、聊 931、莱农 14 号、莱玉 3634、招
玉 2 号、招玉 3 号、聊玉 5 号、鲁玉 13 号、鲁玉 10 号、鲁玉 15
号、鲁玉 16 号、鲁原单 14、鲁单 50 和本玉 9 号.
2
2
研究方法
2
2
1 试验处理
试验于 2001~ 2002 年在山东农业大学玉
米科技园进行, 采用较低的种植密度 1
5 株!m- 2 (行距
0
667 m、株距 1
00 m) , 在同一高肥力地块上种植 (土地肥
力水平见表 1) ,生长期间给予良好管理, 以充分发挥品种的
单株生产潜力.每小区种 20 株,品种随机排列, 3次重复.
表 1
土壤养分状况
Table 1 Soil nutrient state
土层深度
S oil depth
( cm)
有机质
Organic matter
( % )
全氮
T otal N
( % )
速效氮
Available N
(
g!g- 1)
速效磷
Available P2O5
(
g!g- 1)
0~ 20 1
596 0
153 110
25 87
58
20~ 40 1
345 0
112 95
56 67
18
2
2
2 测定方法
玉米成熟期(籽粒乳线消失、基部黑层出
现)取样,每处理取 3 株, 按籽粒和秸秆 (除籽粒以外的地上
部其余部分,包括叶片、叶鞘、茎、雄穗、苞叶、穗轴等)分成两
部分, 105 % 杀青 0
5 h 后,在 80 % 的烘箱中烘干 48 h 至恒
重,分别称重、测定产量, 并测千粒重, 样品经粉粹机磨成粉
末后过 60 号筛,用于测定 N 含量. 采用凯氏定氮法测定植
株和籽粒的 N 百分含量[ 20] .
2
2
3 计算方法
籽粒收获指数( HIG) :
HIG= 籽粒产量( GY ) ( g) /地上部生物量( AB) ( g)
N利用效率( NUE) [ 18]和 N 收获指数( HIN ) [ 4] :
NUE= GY( g ) /地上部整株的含 N 量( g)
HIN= 单株籽粒含 N量( mg) /地上部整株含 N量( mg)
试验数据的计算处理和相关分析、分层聚类分析均采用
SPSS 11
0 for W indows 进行.
3
结果与分析
3
1
产量及相关性状
利用 SPSS 11
0 for Windows 探测分析( Ex
plore)功能对 50个玉米品种的单株籽粒产量、千粒
重、单株生物产量和籽粒收获指数的分布特征进行
考察, 探测过程形成的箱图 ( Boxplots)见图 1, 经
KolmogorovSmirnov正态分布测试检测, 与产量相
关的 4个指标的观测量与预期积累分布之间不存在
显著差异,均符合正态分布(图 2) .


50个玉米单交种单株籽粒产量符合正态分布
N ( 265
1, 44
502) (图 1a,图 2A) ,无奇异值出现,偏
斜度( Skewness) = 0
121 & 0
337, 峭度( Kurtosis)
= - 1
325 & 0
662,最小值为 198
35 g/株,最大值
为 345
22 g/株, 50 个品种平均单株籽粒产量潜力
为265
14 & 44
50g /株, 变异系数( CV ) = 0
17.


图 1
产量相关性状分布的探测分析箱图
Fig. 1 Boxplot s of exploring analysis for properties associated w ith yield.
880 应
用
生
态
学
报

















16卷

图 2
产量相关性状的频数分布与正态分布曲线
Fig. 2 Histograms with normal curve for properties associated with
yield.
95%置信区间内平均单株籽粒产量潜力为 252
49
~ 277
78 g/株.


千粒重符合正态分布 N ( 322
3, 36
912) (图
1b, 图 2B) , 无奇异值出现, 偏斜度 = - 0
018 &
0
337,峭度= - 0
716 & 0
662,最小值为241
50 g/
1 000粒,最大值为 391
82 g/ 1 000粒, 50个品种平
均千粒重为 322
3 & 36
91 g/ 1 000 粒, CV = 0
11.
95%置信区间内平均千粒重为 311
82~ 332
80 g/
1 000粒.
单株生物量符合正态分布 N ( 515
8, 64
732 )
(图 1c, 图 2C ) , 有一极高奇异值出现 (品种莱玉
3634, 712
84 g/株) , 偏斜度= 0
586 & 0
337, 峭度
= 0
625 & 0
662,最小值为 402
34 g/株, 最大值为
712
84 g /株, 50个品种平均单株生物量为 515
8 &
64
73 g/株, CV = 0
13. 95%置信区间内平均单株
生物量为 497
36~ 534
15 g/株.
HI G 符合正态分布 N ( 0
514, 0
062) (图 1d, 图
2D) ,无奇异值出现,偏斜度= 0
013 & 0
337, 峭度
= - 0
529 & 0
662, 最小值为 0
39,最大值为 0
63,
50 个品种 H I G 平均值为 0
514 & 0
058, CV =
0
12. 95%置信区间内 H I G 平均值为 0
50~ 0
53.
3
2
N 利用状况
50个品种 NUE 符合正态分布 N ( 43
0, 5
372)
(图 3a, 图 4A) , 无奇异值出现, 偏斜度= 0
054 &
0
337,峭度= - 0
007 & 0
662, 最小值为 31
18 g
grain!g- 1N,最大值为 57
35 g g rain!g- 1N, 50 个品
种平均 NU E 为 43
0 & 5
37 g g rain!g- 1N, CV =
0
12. 95% 置信区间内 NUE 平均值为 41
43 ~
44
48 g g rain!g- 1N; H I N 符合正态分布 N ( 0
643,
0
062) (图 3b,图 4B) ,有一极低奇异值出现(品种铁
单 10号,为 0
47) , 偏斜度= - 0
679 & 0
337,峭度
= 0
091 & 0
662, 最小值为 0
47,最大值为 0
74, 50
个品种 HI N 平均值为 0
643 & 0
06, CV = 0
09.
95%置信区间内 H I N 平均值为 0
627~ 0
661.
图 3
NUE( a)和 HI N( b)的探测分布箱图
Fig. 3 Boxplot s of exploring analysis for NU E( a) and HI N( b) .
图 4
NUE( A)和 HI N( B)的频数分布与正态分布曲线
Fig. 4 H istograms w ith normal curve for NUE( A) and HI N( B) .
8815 期










王空军等:我国北方玉米品种个体产量潜力与氮利用效率研究











3
3
产量与 N利用效率的相关分析
由图 5 可以看出, 单株籽粒产量与 NU E 和
HI N 呈正相关关系. 籽粒产量与 NUE 和 H I N 简单
相关系数 ( Pearson 相关系数 ) 分别为 0
663 和
0
483,相关系数的显著性概率水平为 0
01;产量与
NU E的偏相关系数为 0
471,显著性概率水平达到
0
001,产量与 NUE 高度正相关, 产量与 H I N 的偏
相关系数为 0
073,两者不相关的概率为 61
8%, 说
明产量与 NU E 关系更为密切. 而籽粒千粒重与
NU E呈显著性负相关 (图 6) , Pearson 相关系数为
- 0
427, 不相关概率仅有 0
002.
3
4
产量与 NUE的品种聚类分析
以产量和 NU E 为分析变量, 采用 Q 型(样本)
聚类,将数据在 0~ 1内标准化,计算欧式距离,指定
观测量聚类为最远邻法, 对 50个玉米品种进行分层
聚类分析, 形成聚类树形图(图 7) . 由图 7 可以看
出,北方玉米品种可划分为 3类:第 I 类共 12 个品
种,平均单株产量为 317
92 & 16
0 g/株,变化范围
在 292
38~ 345
22 g/株, NUE 平均值为 49
59 &
2
85 g g rain!g- 1N, 变化范围在 46
66 ~ 57
35 g
g rain!g N- 1,本类品种为高产高 NU E型;第 ∋类共
21个品种, 平均单株产量为 219
39 & 12
59 g/株,
变化范围在 198
35~ 244
09 g /株, NUE 平均值为
39
37& 3
85 g grain!g- 1N, 变化范围在 31
18 ~
44
50 g grain!g- 1N,本类品种低产低 NUE型;第
(类共 17个品种,平均单株产量为 284
38 & 21
44
g/株,变化范围在 261
68~ 335
03 g/株, NUE 平均
值为 42
71 & 3
75 g g rain!g- 1N,变化范围在 35
33
~ 48
49 g grain!g- 1N,本类品种单株产量和 NUE
介于 I和 ∋类之间, 为中间型. 综合 3类玉米品种,
高产高 NUE的品种占24%, 比低产低 NUE的品种
图 5
籽粒产量与 NU E和 H I N的相关性
Fig. 5 Correlation of grain yield to NUE and H I N.
图 6
NUE与千粒重的相关性
Fig. 6 Correlation of NUE to NU E and HI N.
图 7
50个玉米品种的单株产量和 NU E聚类树形图
Fig. 7 Dendrogram of hierarchical cluster analysis for grain yield per plant and NUE of f ift y maiz e varieties.
1 )掖单 13号 Yedan 13; 2)登海 2号 Denghai 2; 3)掖单 2号 Yedan 2; 4)登海 1号 Denghai 1; 5)掖单 22号 Yedan 22; 6)掖单 20号 Yedan 20; 7)泰
单 94 Taidan 94; 8)泰单 95 Taidan 95; 9)丹玉 13号 Danyu 13; 10)沈单 7号 Shendan 7; 11)唐抗 5号 Tangkang 5; 12)西玉 3号 Xiyu 3; 13)冀丰
58 Jifeng 58; 14)吉单 180 Jidan 180; 15)吉单 159 Jidan 159; 16)中单 2号 Zhongdan 2; 17)农大 108 Nongda 108; 18)冀单 17号 Jidan 17; 19)吉单
141 Jidan 141; 20)吉单 156 Jidan 156; 21)吉单 306 Jidan 306; 22)丹玉 15 Danyu 15; 23)丹玉 703 Danyu 703; 24)锦单 6号 Jindang 6; 25)吉引 704
J iyin 704; 26)四单 19 Sidan 19; 27)四单 48 S idan 48; 28)铁单 4号 T iedan 4; 29)铁单 10号 Tiedan 10; 30 )聊玉 931 Liaoyu 931; 31)莱玉 3634
Laiyu 3634; 32)招玉 2号 Zhaoyu 2; 33)招玉 3号 Zhaoyu 3; 34)掖单 12 Yedan 12; 35)农大 60 Nongda 60; 36)中单 8号 Zhongdan 8; 37)聊玉 5号
Liaoyu 5; 38)鲁玉 13号 Luyu 3; 39)鲁原单 14 Luyuandan 14; 40)掖单 4号 Yedan 4; 41) 掖单 11 Yedan 11; 42)掖单 19 Yedan 19; 43 )掖单 51
Yedan 51; 44)鲁玉 10 Luyu 10; 45)鲁玉 16 Luyu 16; 46)鲁玉 15 Luyu 15; 47)京早 10号 Jingzao 10; 48)鲁单 50 Ludan 50; 49)本玉 9号 Benyu 9;
50)莱农 14 Lainong 14.
882 应
用
生
态
学
报

















16卷
产量高 44
91%, NU E高 25
96% ,其代表品种有掖
单4号、掖单 13 号、聊 931、冀丰 58、登海 2号、鲁
玉 10号、鲁玉 13号、鲁玉 15号、京早 10号、中单 8
号、泰单 95等. 低产低 NUE 的品种在 3种类型中
所占比例最大, 为 42% .
4
讨

论
根据我国人多地少的基本国情, 不断提高玉米
产量是满足日益增长需求的根本途径. 近年来,我国
玉米产量水平提高迅速, 是世界第二大玉米生产国.
这一方面归功于高产玉米品种的选育和推广应用,
另一方面氮肥施用量的增多也是一个重要因素. 据
张福锁等[ 31]对 1990年以来全国玉米氮肥试验结果
的统计分析,在玉米产量达到 10 000 kg!hm- 2条件
下,施氮量在 200~ 700 kg!hm- 2, 过量施氮现象严
重,导致生产成本提高, 造成地下水污染. 在夏玉米
生长季节, 施氮量 300 kg! hm - 2, 流失氮量高达
73
5 kg!hm - 2,玉米的过量施肥成为地下水硝酸盐
污染的重要来源[ 8] .研究表明, 选育 N 利用高的玉
米杂交种可以降低生产成本和减少环 境污
染[ 2, 3, 8, 31] .本研究认为, 我国北方玉米主栽品种的
单株籽粒产量、千粒重、单株生物产量、籽粒收获指
数、N 利用效率和 N 收获指数变化范围较大, 经相
关分析,籽粒产量与 NU E呈极显著正相关关系, 说
明高产与高 NUE 的关系密切, 可以实现玉米的高
产高效.而高产高 NUE 型玉米品种仅占推广品种
的 24% ,所占比例相对较少,低产低 NUE 型类品种
所占比例最大, 为 42% ,应加强高产高 NU E型玉米
品种的选育与应用. 陈范骏等[ 8]研究认为, 在高氮
条件下,玉米杂交种单株粒重与百粒重的遗传型与
表型均呈极显著负相关; Tsai等[ 26]指出, 籽粒库比
其它器官更能影响粒重和产量.本研究中, NU E 与
单株产量呈显著正相关, 与千粒重呈显著负相关, 说
明高的千粒重会伴随低的 NU E, 因此, 在高产高
NU E型品种选育中应注意对千粒重(或百粒重)的
选择.世界各国对玉米 N高效型材料的选择研究多
集中在低氮高效型上[ 1, 6, 7, 9, 26, 30] , 而在我国, 高产
高效型品种选择更具有实际意义.本研究是在高产
地块上采用较低种植密度发挥各品种单株生产潜力
的条件下, 研究单株产量性状与 N 利用的关系, 旨
在探明我国北方玉米主栽品种本身的产量与 N 利
用状况,而肥料利用率还受到所在地区热量条件的
影响[ 22, 23] . 因此,本研究结果可作为我国北方高产
条件下根据品种需氮量和产量指标确定施肥的参
考,在低肥力条件下,所研究的 50个品种的 N需求
状况如何,尚待于进一步深入研究.
致谢
韩祥铭教授指导试验统计工作.
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作者简介
王空军, 男, 1968 年生, 博士后, 教授. 主要从事
作物生理生态学研究, 发表论文 20 余篇. T el: 0538824224;
Email: kjw ang@ sdau. edu. cn
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)南京林业大学学报(自然科学版) ∗由南京林业大学主办,创刊于 1958年,是以林业为主的综合类学术
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