肥密耦合提高玉米全生育期莖倒抗性

王孝虎 李銀昌 宋朝玉 王圣健 楊錦忠

摘要：為了探明肥密耦合對(duì)玉米莖倒抗性的影響，本試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)施肥量[N、P2O5、K2O用量分別為78.0、112.5、57.0kg/hm2（F1），132.0、139.5、90.0kg/hm2（F2），186.0、168.0、124.5kg/hm2（F3）]和3個(gè)密度（6.0萬、7.5萬、9.0萬株/hm2）處理進(jìn)行組合試驗(yàn)，采用遵循結(jié)構(gòu)力學(xué)原理的抗莖倒指數(shù)作為莖倒抗性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并分5個(gè)生育時(shí)期使用田間原位拉力儀測試莖稈抗彎折力。結(jié)果表明，同一密度不同施肥量處理各指標(biāo)的變化趨勢為：6.0萬株/hm2密度下抗莖倒指數(shù)、彎折力矩和風(fēng)合力矩均隨施肥量的增加而增加;7.5萬株/hm2密度下F2處理抗莖倒指數(shù)及其組分在3個(gè)施肥量中平均表現(xiàn)最優(yōu);9.0萬株/hm2密度下各施肥量處理抗莖倒指數(shù)的變化在各生育時(shí)期之間有所不同，而彎折力矩和風(fēng)合力矩均隨施肥量的增加而降低。相同施肥量下，玉米抗莖倒指數(shù)、彎折力矩整體上均隨密度的增加而呈降低趨勢，各生育時(shí)期表現(xiàn)基本一致;風(fēng)合力矩則隨密度變化的趨勢略有不同。生育時(shí)期對(duì)抗莖倒指數(shù)及其組分的影響最大且遠(yuǎn)大于其它因素，其效應(yīng)量分別為0.43、0.30、0.72。綜合來看，增加密度的同時(shí)適當(dāng)提高施肥水平才能使玉米植株既可保證產(chǎn)量又可獲得更高的抗莖倒指數(shù)。本研究結(jié)論可為今后玉米的高產(chǎn)栽培提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：玉米;種植密度;施肥量;抗莖倒指數(shù);全生育期;莖倒抗性

玉米莖倒伏是指大風(fēng)吹折植株，致莖稈自節(jié)間處縊折，或者莖稈自節(jié)處斷為兩截即完全斷掉的現(xiàn)象[1]。莖倒伏破壞了植株莖稈的輸導(dǎo)系統(tǒng)，既影響根系向葉片運(yùn)輸水分和養(yǎng)分，也影響葉片向果穗輸送光合產(chǎn)物，最終導(dǎo)致產(chǎn)量損失嚴(yán)重[2，3]，機(jī)械收獲效率降低，收獲成本增加[4-6]。因此提高玉米的抗倒伏能力成為提高玉米單產(chǎn)中亟待解決的一個(gè)重要難題，高密度高產(chǎn)種植水平下尤為重要[7]。

大量研究表明，增加密度可以提高玉米產(chǎn)量，但密度越大玉米倒伏越重，且兩者關(guān)系極為密切。其主要原因在于增加密度之后玉米莖稈機(jī)械性能變?nèi)?，各莖節(jié)間長粗比增大，莖稈壁變薄，單位節(jié)間干物質(zhì)重、硬度變小[8，9]，并影響群體內(nèi)的通風(fēng)透光和光合，導(dǎo)致莖稈遇到大風(fēng)天氣發(fā)生倒伏[10]。施肥可以顯著改善莖稈質(zhì)量，降低莖稈倒伏風(fēng)險(xiǎn)[11]。然而，較高的氮磷含量可以增加基部節(jié)間的伸長率和長度，并顯著降低玉米莖稈的纖維素含量[12，13]，從而降低莖稈強(qiáng)度，增加倒伏率。所以探明適當(dāng)密度下的合理施肥量以達(dá)到理想的莖倒抗性十分重要，但目前該方面研究鮮有報(bào)道。因此，本研究通過肥密耦合試驗(yàn)，采用抗莖倒指數(shù)指標(biāo)分析莖倒抗性全生育期的動(dòng)態(tài)變化，旨在定量評(píng)價(jià)各生育期肥密耦合的莖倒抗性，明確肥密耦合與生育時(shí)期對(duì)抗莖倒指數(shù)及其組分的影響和變化趨勢，探明適當(dāng)密度下達(dá)到理想莖倒抗性的施肥量，以期為玉米機(jī)械粒收技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020年在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)膠州基地（36°26′42″N，120°5′17″E）進(jìn)行。該地屬于溫帶季風(fēng)性氣候區(qū)。土壤為砂姜黑土，0～20cm耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為14.11g/kg、堿解氮78.63mg/kg、速效磷35.69mg/kg、速效鉀128.52mg/kg，pH=7.38。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以玉米品種鄭單958為材料，根據(jù)養(yǎng)分平衡法設(shè)置3個(gè)氮磷鉀施用量，即N、P2O5、K2O用量分別為78.0、112.5、57.0kg/hm2（F1），132.0、139.5、90.0kg/hm2（F2），186.0、168.0、124.5kg/hm2（F3）;設(shè)置3個(gè)密度，分別為6.0萬株/hm2（M1）、7.5萬株/hm2（M2）、9.0萬株/hm2（M3）。兩因子完全組合構(gòu)成試驗(yàn)方案，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)4次。試驗(yàn)共36個(gè)小區(qū)。每小區(qū)種植8行，行長10m，行距0.7m。施肥方法：F1處理播種時(shí)一次性施完;F2分2次施入，播種時(shí)施50%，拔節(jié)期追施50%;F3分3次施入，播種時(shí)施40%，拔節(jié)期和大喇叭口期各施30%。6月13日播種，10月1日成熟，10月17日收獲。其它田間管理措施同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)大田。

1.3測定項(xiàng)目與方法

于大喇叭口期、吐絲期、吐絲后15天、吐絲后30天、成熟期進(jìn)行取樣。

1.3.1葉面積垂直分布測定 每處理在各時(shí)期分別選取有代表性、生長一致的6株樣株進(jìn)行測定。展開葉的葉面積用系數(shù)法測定，分別測量葉長和最大葉寬，再計(jì)算單葉面積（長×寬×0.75）;未展開葉采用葉重法測定。單株葉面積為所有單葉面積之和。葉高即從地面到玉米葉片葉環(huán)位置的高度。

1.3.2莖稈抗彎折力測定 將所有葉片去除，然后將第三代玉米抗倒伏力測試儀[14]與莖稈在距地面80cm處鏈接，之后保持同一方向慢勻速拉動(dòng)測試儀滑桿，直至拉折莖稈，儀器自動(dòng)記錄拉力曲線，包括拉力、滑桿傾角、傳感器位置等（圖1）。

1.3.3抗莖倒指數(shù) 在崔日鮮等[15]的方法基礎(chǔ)上，把力值相比更改為力矩值相比，以計(jì)算抗莖倒指數(shù)k，即：

1.3.4產(chǎn)量及其構(gòu)成 各小區(qū)選取2行10m樣段，記錄植株數(shù)、有效穗數(shù)，稱鮮重，并按大小穗比例和平均鮮穗重取10穗測定籽粒含水量和室內(nèi)考種。根據(jù)籽粒含水量計(jì)算產(chǎn)量（14%水分）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SAS9.4軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Origin2021作圖。在方差分析基礎(chǔ)上，用Tukey法比較處理間在0.05水平上的差異顯著性。分析前對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換以改善誤差方差的同質(zhì)性。

各種因子對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的實(shí)質(zhì)性作用或影響用因子的效應(yīng)量表示，通過方差分析結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。效應(yīng)量是某因子的作用占總作用的比例，是無量綱的純數(shù)[17-19]。

2結(jié)果與分析

2.1肥密耦合對(duì)抗莖倒指數(shù)的影響

抗莖倒指數(shù)表示植株抵抗莖稈倒伏的能力，其值越大則抗性越強(qiáng)，反之亦然。由表1可知，所有因素均對(duì)抗莖倒指數(shù)影響顯著（P<0.05），其中，生育時(shí)期的效應(yīng)量最大且遠(yuǎn)大于其它因素，為0.43，說明生育時(shí)期對(duì)抗莖倒指數(shù)的影響最大。

由圖2可以看出，玉米同生育時(shí)期抗莖倒指數(shù)在0.31～1.51之間變化?？傮w來看，抗莖倒指數(shù)隨生育時(shí)期的變化趨勢為前4個(gè)時(shí)期變化較小，平均為0.51，成熟期達(dá)到最大，平均為1.02，比前4個(gè)時(shí)期的平均值約增加50%。相同密度下，各時(shí)期抗莖倒指數(shù)隨施肥量變化的趨勢基本相同：M1密度下，抗莖倒指數(shù)隨施肥量的增加基本呈增加趨勢;M2密度下，各時(shí)期F2的抗莖倒指數(shù)在3個(gè)施肥量中均最高，比F1、F3分別增加27%和20%左右;M3密度下，各施肥量處理抗莖倒指數(shù)的變化在吐絲期前后有所不同，其中大喇叭口期F2的抗莖倒指數(shù)為3個(gè)施肥量中最低，吐絲期時(shí)F2最高，吐絲后及成熟期均隨施肥量的增加而降低。相同施肥量下，整體上看抗莖倒指數(shù)隨密度的增加而呈降低趨勢，除成熟期外其它生育時(shí)期表現(xiàn)基本一致。

2.2肥密耦合對(duì)莖稈彎折力矩的影響

莖稈彎折力矩作為抗莖倒指數(shù)的一個(gè)組分，表示莖稈抵抗外力的能力大小，其值越大，抵抗性能越好，反之亦然。由表2可知，除施肥量×生育時(shí)期、施肥量×種植密度×生育時(shí)期外，其它因素均對(duì)彎折力矩影響顯著（P<0.05），其中，生育時(shí)期的效應(yīng)量最大，為0.30，說明生育時(shí)期對(duì)彎折力矩的影響最大，其次是種植密度的效應(yīng)量，為0.13。

從圖3可以看出，玉米各生育時(shí)期彎折力矩在3.45～15.49Nm之間變化?？傮w來看，彎折力矩隨生育時(shí)期的變化趨勢為大喇叭口期較小，吐絲期達(dá)到最大，比大喇叭口期增加51%左右，之后隨生育進(jìn)程而略降。相同密度下，各時(shí)期彎折力矩隨施肥量變化的趨勢基本相同：M1密度下，彎折力矩隨施肥量的增加而增加;M2密度下，F(xiàn)2的彎折力矩在3個(gè)施肥量中最高，比其它施肥量平均增加26%左右;M3密度下，彎折力矩隨施肥量的增加而降低（吐絲期除外）。相同施肥量處理中，隨密度的增加，各時(shí)期彎折力矩?zé)o明顯規(guī)律。

2.3肥密耦合對(duì)風(fēng)合力矩的影響

風(fēng)合力矩表示植株特別是葉片遭受大風(fēng)氣流作用力的總和，其值越大，植株承受的外力越大，反之亦然。由表3可知，除施肥量×生育時(shí)期、種植密度×生育時(shí)期、施肥量×種植密度×生育時(shí)期外，其它因素均對(duì)風(fēng)合力矩影響顯著（P<0.05），其中，生育時(shí)期的效應(yīng)量最大且遠(yuǎn)大于其它因素的效應(yīng)量，為0.72，說明生育時(shí)期對(duì)風(fēng)合力矩的影響最大。

從圖4可以看出，玉米各生育時(shí)期風(fēng)合力矩在8.42～21.41Nm之間變化?？傮w來看，風(fēng)合力矩隨生育時(shí)期的變化趨勢為大喇叭口期較小，吐絲期至吐絲后30天較高且變幅不大，成熟期最小。相同密度下，各時(shí)期風(fēng)合力矩隨施肥量變化的趨勢基本相同：M1密度下，風(fēng)合力矩隨施肥量的增加而增加;M2密度下，F(xiàn)2處理的風(fēng)合力矩各個(gè)時(shí)期均處于較高水平;M3密度下，風(fēng)合力矩隨施肥量的增加而降低。相同施肥量下，各個(gè)時(shí)期風(fēng)合力矩隨密度變化的趨勢略有不同，其中F1的風(fēng)合力矩隨密度的增加而增加;除吐絲期外，F(xiàn)2的風(fēng)合力矩隨密度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，M2最高;除吐絲后15天外，F(xiàn)3的風(fēng)合力矩則隨密度的增加呈降低趨勢。

2.4肥密耦合對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

由表4可知，施肥量和種植密度及兩者互作均對(duì)公頃穗數(shù)和產(chǎn)量影響顯著，僅種植密度對(duì)穗粒重影響顯著。其中，種植密度對(duì)穗粒重和公頃穗數(shù)的影響較大，其效應(yīng)量分別為0.26和0.45;施肥量對(duì)產(chǎn)量的影響最大，效應(yīng)量為0.27，略高于種植密度對(duì)其的影響。

從圖5可以看出，玉米穗粒重在0.17～0.18kg之間變化，隨密度的增加略有下降。公頃穗數(shù)與產(chǎn)量分別在5.32萬～7.87萬和9570～13320kg/hm2之間，兩者的變化趨勢基本一致：相同密度下，M1和M2的公頃穗數(shù)和產(chǎn)量均隨施肥量的增加而增加，且M2兩者的增幅均大于M1（34%>28%，22%>13%）;M3的公頃穗數(shù)和產(chǎn)量則在F2施肥量下達(dá)到最大。相同施肥量下，F(xiàn)1、F2和F3的公頃穗數(shù)和產(chǎn)量均隨密度的增加而呈先增加后降低趨勢，M2密度下達(dá)到最大值。

3討論

3.1莖稈抗彎折力的測定方法有其獨(dú)特的優(yōu)勢

莖稈的彎折強(qiáng)度是評(píng)價(jià)玉米莖稈力學(xué)特性中應(yīng)用最廣泛的指標(biāo)，但大部分的測量對(duì)象為玉米節(jié)間[20，21]，這會(huì)導(dǎo)致測定結(jié)果的差異較大，難以相互比較。其原因是：玉米莖稈是由多個(gè)節(jié)和節(jié)間組成，節(jié)和節(jié)間在皮層厚度、截面慣性矩、橫截面積等方面差異顯著，因此測量過程中會(huì)因支點(diǎn)與施力點(diǎn)的不同而對(duì)結(jié)果造成不同程度的影響[22，23]。本試驗(yàn)測定對(duì)象為長段莖稈，且采用原位測量方法而非離體測量，與倒伏實(shí)際情況更接近，更能全面準(zhǔn)確地反映整個(gè)植株的莖稈力學(xué)特性;此外，所使用的田間原位數(shù)顯拉力儀具有小巧輕便、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，更可以采集高精度拉力-位移曲線。

3.2抗莖倒指數(shù)能夠客觀全面地評(píng)價(jià)玉米的莖倒抗性

玉米抗倒性一直是國內(nèi)外學(xué)者持續(xù)關(guān)注、傾力研究的熱點(diǎn)問題。以往針對(duì)倒伏的大多數(shù)研究都是基于田間自然倒伏率[24]，但發(fā)生自然倒伏的時(shí)間和地點(diǎn)具有隨機(jī)性，因此這種直接法受到很大限制，轉(zhuǎn)而尋找間接法進(jìn)行抗倒性的評(píng)價(jià)鑒定。間接法常常依據(jù)莖稈的形態(tài)特征[25]、解剖結(jié)構(gòu)[26]、力學(xué)特性[27，28]等來對(duì)玉米的倒伏抗性進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)，現(xiàn)在大多數(shù)的倒伏指數(shù)也是通過計(jì)算倒伏面積和倒伏等級(jí)[29]或者從植株性狀和莖稈力學(xué)性狀的角度[30]來進(jìn)行考慮，均沒有考慮植株倒伏時(shí)所受的外力情況，理論上有待完善。崔日鮮等[15]兼顧植株受到的風(fēng)力和自身抵抗力之間的平衡關(guān)系，借鑒結(jié)構(gòu)力學(xué)原理提出的抗倒指數(shù)法，可實(shí)現(xiàn)植株水平上定量評(píng)價(jià)作物的莖倒抗性;同時(shí)，應(yīng)用此方法成功評(píng)價(jià)了種植密度對(duì)玉米莖倒抗性的影響。本研究應(yīng)用此原理評(píng)價(jià)了施肥量與密度耦合對(duì)玉米全生育期莖倒抗性的影響，結(jié)果表明，生育時(shí)期對(duì)植株抗莖倒指數(shù)有顯著影響，抗莖倒指數(shù)隨生育時(shí)期的推進(jìn)在0.51左右浮動(dòng)（成熟期除外）;相同密度下，M1的抗莖倒指數(shù)隨施肥量的增加而增加;M2密度下F2的抗莖倒指數(shù)在3個(gè)施肥量中最高，比F1和F3分別增加27%和20%左右;M3密度下各施肥量處理的抗莖倒指數(shù)大部分時(shí)期隨施肥量的增加而降低。相同施肥量下，抗莖倒指數(shù)整體上隨密度的增加而降低，各生育時(shí)期表現(xiàn)基本一致。綜合來看，整個(gè)生育時(shí)期內(nèi)，M2F2處理的抗莖倒指數(shù)處于較高水平，彎折力矩和風(fēng)合力矩也是如此，說明其具有較高的莖倒抗性。

此外，用間接法評(píng)價(jià)玉米從大喇叭口期至吐絲期的穿刺強(qiáng)度、彈性模量等莖稈力學(xué)特性的結(jié)果會(huì)顯著增加[31]，本研究也有相同的表現(xiàn)，即莖稈的彎折力矩從大喇叭口期到吐絲期約增加51%，但抗莖倒指數(shù)僅約增加12%，說明從大喇叭口期至吐絲期莖倒抗性變化較小。究其原因，主要是其風(fēng)合力矩也隨生育時(shí)期的推進(jìn)而顯著增加，約增加73%，使其內(nèi)力與外力互有抵消，最終表現(xiàn)出莖倒抗性變化較小的現(xiàn)象，這也反映出抗莖倒指數(shù)的全面性與客觀性。

3.3效應(yīng)量更能反映各因子的相對(duì)重要性

在傳統(tǒng)的方差分析中，顯著性只能表明某因子作用的存在與否，卻無法提供因子作用大小的具體信息，不能反映因子作用的實(shí)質(zhì)重要性[32]，更無法直接比較不同因子的重要性，尤其是在它們擁有相同的統(tǒng)計(jì)顯著性情形下的相對(duì)重要性。本試驗(yàn)通過計(jì)算因子的效應(yīng)量來反映因子作用的實(shí)質(zhì)重要性，用效應(yīng)量作為反映因子效應(yīng)大小的指標(biāo)，結(jié)果表明，在抗莖倒指數(shù)及其組分中，生育時(shí)期的效應(yīng)量均為最大，且在抗莖倒指數(shù)和風(fēng)合力矩中遠(yuǎn)大于其它因素的效應(yīng)量，分別為0.43和0.72。

3.4肥密耦合對(duì)兼顧產(chǎn)量和莖倒抗性的重要性

增加種植密度是提高玉米單產(chǎn)的關(guān)鍵栽培措施，但是密植條件下倒伏的高風(fēng)險(xiǎn)也是限制產(chǎn)量的重要因素。研究發(fā)現(xiàn)，玉米生產(chǎn)中倒伏率每增加1%，就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量下降108kg/hm2[33]，其原因主要是種植密度過大影響光合作用，導(dǎo)致莖稈細(xì)弱、表皮變脆，從而發(fā)生倒伏。本研究發(fā)現(xiàn)，玉米的抗莖倒指數(shù)及其組分隨著種植密度的增加而降低，在中低密度下產(chǎn)量和公頃穗數(shù)確有增加，但高密度時(shí)顯著下降。施用氮肥可增加玉米中下部葉面積，從而提高其光合作用[34，35];增施鉀肥可以適當(dāng)減少下位節(jié)間的長度，同時(shí)增加相應(yīng)節(jié)間的直徑，從而提高玉米莖稈的硬度和強(qiáng)度[36]。但大量研究表明，玉米的倒伏率會(huì)隨著N或N、P施用量的增加而增加，其主要原因是，莖稈基部節(jié)間隨著施氮量的增加而伸長，干物質(zhì)累積量隨之而減少[37]。因此兼顧產(chǎn)量和莖倒抗性，即在保證產(chǎn)量前提下尋找適當(dāng)密度下的合理施肥量以達(dá)到理想的莖倒抗性十分重要。本研究中，當(dāng)N、P2O5、K2O施入量分別為132.0、139.5、90.0kg/hm2且密度為7.5萬株/hm2時(shí)產(chǎn)量較高（12137kg/hm2），且其抗莖倒指數(shù)及其組分平均表現(xiàn)最優(yōu)。

4結(jié)論

本試驗(yàn)中，施肥量、種植密度、生育時(shí)期及三者互作中，除少量效應(yīng)項(xiàng)外，大部分對(duì)抗莖倒指數(shù)及其組分影響顯著，其中生育時(shí)期對(duì)抗莖倒指數(shù)及其組分影響最大。相同密度下，M1的抗莖倒指數(shù)隨施肥量的增加而增加，M2的抗莖倒指數(shù)則為F2施肥量的最高，M3的抗莖倒指數(shù)各施肥量間大部分時(shí)期隨施肥量的增加而降低;相同施肥量下，抗莖倒指數(shù)隨密度的增加而呈降低趨勢。綜合來看，本試驗(yàn)條件下玉米在N、P2O5、K2O施入量分別為132.0、139.5、90.0kg/hm2且密度為7.5萬株/hm2下具有最高的抗莖倒指數(shù)及較高產(chǎn)量，說明在增加密度的同時(shí)適當(dāng)提高施肥水平既可保證產(chǎn)量也可使植株獲得更高的莖倒抗性。該結(jié)論可為今后玉米的高產(chǎn)栽培提供理論和數(shù)據(jù)支撐。