





中国农业科学 ›› 2026, Vol. 59 ›› Issue (5): 985-995.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2026.05.005
董金龙1,2(
), 赵莹2, 余海兵1, 吕建晔2, 秦佳琦2, 梁晨2, 明博2, 李少昆1,2(
)
收稿日期:2025-07-21
接受日期:2026-02-02
出版日期:2026-03-01
发布日期:2026-03-06
通信作者:
联系方式:
董金龙,E-mail:19565982502@163.com。
基金资助:
DONG JinLong1,2(
), ZHAO Ying2, YU HaiBing1, LÜ JianYe2, QIN JiaQi2, LIANG Chen2, MING Bo2, LI ShaoKun1,2(
)
Received:2025-07-21
Accepted:2026-02-02
Published:2026-03-01
Online:2026-03-06
摘要:
【目的】 系统解析玉米籽粒容重形成过程中蛋白质、淀粉及脂肪三大营养组分的贡献率与空间分异规律,深入探究品种遗传背景、生态区域及栽培密度三者的交互作用对营养品质与容重形成的影响机制,以期为不同生态区玉米品质的定向调控提供理论依据,推动“高产-优质-高效”协同生产模式的发展。【方法】 研究覆盖我国四大玉米主产区,共采集718份代表性样品,涵盖77个主推品种以及24个种植密度梯度(37 500—127 500株/hm2)。所有样品经自然风干至标准水分后进行统一测定。采用近红外分析仪测定蛋白质、淀粉与脂肪含量,并使用容重仪测定籽粒容重。通过构建“线性效应—非线性交互—因果路径”全链条分析框架,综合运用多元线性回归、随机森林模型与结构方程模型解析各组分贡献及其因果路径,并采用三因素方差分析评估基因型、环境与栽培措施的互作效应。【结果】 蛋白质与淀粉是容重提升的核心驱动因子,其标准化路径系数分别为β=8.406和β=6.413,均达到极显著水平(P<0.001)。随机森林模型显示二者贡献率分别为28%与45%,结构方程模型进一步验证其路径系数具有高度稳健性;与之相反,脂肪贡献率仅为2%,未通过显著性检验。三因素方差分析表明,品种、生态区域与栽培密度对容重及营养品质均存在极显著主效应与交互作用。东北春玉米区以蛋白质贡献为主导(43.9%),蛋白质-淀粉协同贡献占随机森林模型总解释力的81.0%;而黄淮海夏玉米区则以淀粉贡献为主(52.9%),蛋白质-淀粉协同贡献占随机森林模型总解释力的85.0%。结构方程模型(SEM)结果显示,蛋白质对容重具有直接正向贡献,但同时通过碳氮代谢流的分配权衡对淀粉积累产生了补偿性削减,进而表现出间接负效应。这说明在籽粒发育过程中,容重的最终形成是蛋白质与淀粉在资源限制下博弈的结果,而非单一组分的线性叠加。【结论】 玉米容重形成是由蛋白质与淀粉协同驱动的生物学过程,脂肪贡献不显著。品种、生态区域与密度之间存在显著互作,同一品种在不同生态与栽培条件下调控路径各异。因此,东北产区应注重高蛋白品种选育与氮肥精准调控,黄淮海产区需强化碳同化效率与淀粉合成关键酶调控,各生态区应通过“品种-区域-措施”的精准匹配,实现玉米产量与品质的协同提升。
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表1
全国玉米取样地区概览"
| 玉米产区 Maize production region | 省份 Province | 样品数量 Number of samples | 取样地区 Sampling region | 播种密度 Sowing density (plants/hm2) |
|---|---|---|---|---|
| 黄淮海夏玉米区 Huang-Huai-Hai summer maize region | 安徽 Anhui | 34 | 阜阳Fuyang(17)、宿州Suzhou(7)、淮北Huaibei(3)、亳州Bozhou(4)、蚌埠Bengbu(3) | 82500、85500、90000、97500、105000 |
| 河北 Hebei | 34 | 石家庄Shijiazhuang(25)、邯郸Handan(4)、邢台Xingtai(5) | 60000、67500、75000、82500 | |
| 河南 Henan | 47 | 焦作Jiaozuo(4)、商丘Shangqiu(4)、许昌Xuchang(4)、驻马店Zhumadian(3)、开封Kaifeng(4)、新乡Xinxiang(4)、三门峡Sanmenxia(3)、安阳Anyang(3)、鹤壁Hebi(2)、平顶山Pingdingshan(5)、周口Zhoukou(8)、洛阳Luoyang(3) | 66000、67500、75000、82500、90000、105000 | |
| 江苏 Jiangsu | 17 | 盐城Yancheng(5)、徐州Xuzhou(8)、连云港Lianyungang(4) | 55500、64500、67500、75000、82500、90000 | |
| 山东 Shandong | 108 | 青岛Qingdao(10)、烟台Yantai(10)、潍坊Weifang(10)、济宁Jining(22)、枣庄Zaozhuang(5)、菏泽Heze(5)、聊城Liaocheng(21)、德州Dezhou(20)、淄博Zibo(5) | 63000、67500、72000、75000、82500、85500、87000、90000、93000、97500 | |
| 陕西 Shaanxi | 50 | 榆林Yulin(25)、西安Xi'an(6)、渭南Weinan(6)、宝鸡Baoji(7)、咸阳Xianyang(6) | 63000、67500、72000、75000、82500、87000、90000 | |
| 西北春玉米区 Northwest spring maize region | 甘肃Gansu | 15 | 平凉Pingliang(10)、白银Baiyin(5) | 60000、64500、67500、75000 |
| 内蒙古 Inner Mongolia | 16 | 呼和浩特Hohhot(5)、巴彦淖尔Bayannur(5)、包头Baotou(3)、鄂尔多斯Ordos(3) | 67500、75000、82500、85500 | |
| 新疆Xinjiang | 15 | 昌吉Changji(5)、博乐Bole(5)、乌鲁木齐Urumqi(5) | 112500、120000、127500 | |
| 山西Shanxi | 22 | 长治Changzhi(18)、晋城Jincheng(4) | 67500、75000 | |
| 西南夏玉米区 Southwest summer maize region | 广西 Guangxi | 20 | 崇左Chongzuo(5)、南宁Nanning(5)、贵港Guigang(4)、河池Hechi(4)、百色Baise(2) | 42000、45000、52500 |
| 湖北Hubei | 16 | 恩施Enshi(12)、宜昌Yichang(4) | 37500、40500、45000、75000 | |
| 四川Sichuan | 10 | 绵阳Mianyang(5)、德阳Deyang(5) | 52500、57000、63000、90000 | |
| 东北春玉米区 Northeast spring maize region | 黑龙江 Heilongjiang | 162 | 黑河Heihe(37)、齐齐哈尔Qiqihar(44)、鹤岗Hegang(2)、双鸭山Shuangyashan(6)、绥化Suihua(19)、伊春Yichun(6)、哈尔滨Harbin(8)、佳木斯Jiamusi(8)、大庆Daqing(32) | 60000、67500、75000、82500、90000、97500、105000 |
| 吉林 Jilin | 69 | 长春Changchun(4)、四平Siping(2)、白城Baicheng(8)、松原Songyuan(12)、吉林Jilin(40)、敦化Dunhua(3) | 52500、55500、60000、67500、72000、75000、82500、90000 | |
| 内蒙古 Inner Mongolia | 29 | 通辽Tongliao(14)、赤峰Chifeng(15) | 60000、72000、75000、82500、90000、97500、112500 | |
| 辽宁 Liaoning | 60 | 大连Dalian(5)、丹东Dandong(7)、营口Yingkou(5)、阜新Fuxin(22)、沈阳Shenyang(10)、铁岭Tieling(11) | 60000、67500、75000、82500、97500 |
表2
四大玉米产区主要指标"
| 产区 Region | 蛋白质 Protein (%) | 脂肪 Fat (%) | 淀粉 Starch (%) | 容重 Test weight (g·L-1) | 平均种植密度 Average planting density (plants/hm2) |
|---|---|---|---|---|---|
| 东北春玉米区 Northeast spring maize | 10.08±0.83a | 3.80±0.43c | 74.37±1.13b | 775.06±25.98a | 77944 |
| 西北春玉米区 Northwest spring maize | 9.17±0.84b | 3.98±0.34b | 74.55±0.85a | 771.23±22.69a | 83077 |
| 西南夏玉米区 Southwest summer maize | 9.66±0.84ab | 4.80±0.39a | 73.68±0.78c | 756.27±23.64c | 54545 |
| 黄淮海夏玉米区 Huang-Huai-Hai summer maize | 9.35±0.81b | 3.97±0.69b | 75.43±3.82a | 769.42±22.36b | 79382 |
表4
全国玉米结构方程模型路径系数统计检验结果"
| 路径关系 Pathway relationship | 非标准化系数 Unstandardized coefficient | 标准化系数 Standardized coefficient | 标准误 SE | t值 t value | P值 P value |
|---|---|---|---|---|---|
| 蛋白质→容重 Protein→test weight | 8.41 | 0.62 | 1.40 | 6.02 | P<0.001 |
| 淀粉→容重 Starch→test weigh | 6.41 | 0.54 | 1.09 | 5.87 | P<0.001 |
| 蛋白质→淀粉 Protein→starch | -0.10 | -0.18 | 0.05 | -2.11 | P=0.035 |
表5
全国玉米容重模型参数优化"
| 参数组合 Parameter combination | 决定系数 R2 | 均方根误差 RMSE (g·L-1) | 平均绝对误差 MAE (g·L-1) | 调整后决定系数Adjusted R2 | 性能变化 Performance change |
|---|---|---|---|---|---|
| ntree=500, mtry=1, max_depth=6 | 0.589 | 7.128 | 5.812 | 0.587 | 欠拟合Underfitting |
| ntree=500, mtry=1, max_depth=8 | 0.604 | 6.981 | 5.642 | 0.602 | 优化中Optimizing |
| ntree=500, mtry=1, max_depth=10 | 0.597 | 7.051 | 5.735 | 0.595 | 基准模型Benchmark |
| ntree=800, mtry=1, max_depth=6 | 0.633 | 6.712 | 5.423 | 0.631 | - |
| ntree=800, mtry=1, max_depth=8 | 0.648 | 6.573 | 5.281 | 0.646 | +8.5%▲ |
| ntree=800, mtry=1, max_depth=10 | 0.642 | 6.650 | 5.432 | 0.640 | 区域最佳候选Regional best candidate |
| ntree=1100, mtry=1, max_depth=6 | 0.638 | 6.682 | 5.301 | 0.636 | - |
| ntree=1100, mtry=1, max_depth=8 | 0.659 | 6.501 | 5.152 | 0.657 | +10.4%▲ |
| ntree=1100, mtry=1, max_depth=10 | 0.645 | 6.619 | 5.231 | 0.643 | 全国最优模型National optimal |
表7
两大玉米产区多元线性回归系数表"
| 玉米产区 Maize production region | 变量 Variables | 非标准化回归系数 β (Coefficient) | 标准化回归系数 β (Standardized) | 标准误 SE | t值 t value | P值 P value | 95%置信区间 95% CI |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 黄淮海夏玉米区 Huang-Huai-Hai summer maize region | 蛋白质Protein | 12.67 | 0.19 | 6.41 | 1.98 | 0.05 | 0.11-25.23 |
| 脂肪Fat | 1.60 | 0.02 | 6.52 | 0.25 | 0.81 | -11.18-14.38 | |
| 淀粉Starch | 8.92 | 0.26 | 3.36 | 2.66 | 0.01 | 2.33-15.51 | |
| 东北春玉米区 Northeast spring maize region | 蛋白质Protein | 18.85 | 0.44 | 3.21 | 5.87 | 0.00 | 12.56-25.14 |
| 脂肪Fat | 6.31 | 0.08 | 4.95 | 1.27 | 0.20 | -3.38-16.00 | |
| 淀粉Starch | 11.36 | 0.37 | 2.35 | 4.82 | 0.00 | 6.75-15.97 |
表8
品种、区域及种植密度对玉米籽粒容重与营养品质影响的三因素方差分析结果"
| 分析因素 Analysis of factors | 容重 Test weight | 蛋白质 Protein | 淀粉 Starch |
|---|---|---|---|
| F值 F value | P值 P value | F值 F value | |
| 品种 Variety | 38.2 | P<0.001 | 35.6 |
| 区域 Region | 42.5 | P<0.001 | 28.9 |
| 密度 Density | 6.9 | P<0.05 | 3.2 |
| 品种×区域 Variety×region | 15.3 | P<0.001 | 12.8 |
| 品种×密度 Variety×density | 3.1 | P<0.05 | 2.8 |
| 区域×密度 Region×density | 7.2 | P<0.01 | 5.6 |
| 品种×区域×密度 Variety×region×density | 4.2 | P<0.05 | 3.3 |
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