深松耕作對不同年代玉米品種生理成熟后的抗倒伏力學特性的影響

馬達靈，高慧霞，于曉芳，高聚林，李 博

(內蒙古農業(yè)大學農學院，內蒙古 呼和浩特 010019)

內蒙古自治區(qū)是我國13個糧食主產省和5個糧食凈調出省之一，玉米作為自治區(qū)第一大糧食作物，是國家糧食安全與農牧民增產增收的重要保障，因此，確保玉米持續(xù)增產增效成為該區(qū)農業(yè)生產的首要任務之一。20世紀50年代以來，玉米持續(xù)增產得益于品種改良及栽培措施改進，其中增加種植密度成為 “結構性增產”的主要途徑[1-2]。與我國玉米高產記錄種植密度9 000株·667m-2相比，目前內蒙古自治區(qū)玉米平均種植密度僅為4 000株·667m-2，差距較大；由于生產中長期采用小動力農機具整地，土壤犁底層加厚，阻礙玉米根系下扎，導致植株對土壤養(yǎng)分和水分的利用效率降低，再增密倒伏加重(倒伏率8%以上)，造成增密不增產，并且制約了機械化籽粒直收(要求田間植株倒伏率低于5%)[3-4]。因而倒伏成為了限制內蒙古玉米單產和機械化籽粒直收質量提高的瓶頸問題[5]。

莖折占玉米倒伏情況的30%～60%，生育期莖折阻礙植株養(yǎng)分與水分傳輸，生理成熟后莖折直接決定了機械粒收質量的高低[6]。前人研究表明玉米基部第3莖節(jié)穿刺強度、穗下部節(jié)間抗壓碎強度、彎曲強度可以較直接地反映莖稈抗折能力[7-10]。玉米生理成熟后發(fā)生莖折也與莖稈力學強度降低密切相關[6,11]。因此，莖稈力學強度常被作為衡量玉米抗倒伏能力的評價指標。研究表明隨著品種的更替，玉米抗莖折能力明顯提高，莖稈下部節(jié)間的穿刺強度、彎曲強度、壓碎強度等力學指標均有增強趨勢[12-13]。采用深松耕作可打破犁底層、增加耕層厚度，有利于玉米根系下扎，提高根系生物量和根系活力，促進地上部物質積累，降低玉米倒伏率，有效容納更大的群體[14-17]。

由此可知，通過耕作措施改善土壤耕層、選育耐密植品種均為提高生育期內莖稈抗倒性能的有效途徑，然而關于耕作措施如何影響玉米站稈脫水期間抗倒伏性狀卻少見報道。因此，本研究以深松耕作為改土措施，以不同年代玉米品種為材料，研究生理成熟后莖稈力學強度演替規(guī)律及其對深松的響應，以期為選育適宜機械粒收品種和采取深松改土措施實現(xiàn)玉米再增密增產及機械粒收提質增效提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

大田試驗于2019—2020年在中國敕勒川現(xiàn)代農業(yè)博覽園(包頭市土默特右旗溝門鎮(zhèn)北只圖村，40°33′N，110°31′E)進行，該試驗地土壤類型為沙壤土，0～30 cm耕層土壤養(yǎng)分含量見表1。2019年5—10月玉米生長期內平均氣溫為20.54℃，降雨量為370.9 mm；2020年玉米生長期內平均氣溫為17.22℃，降雨量為335.6 mm。

表1 試驗區(qū)土壤基礎生產力Table 1 Soil basic productivity in the test area

試驗材料選取1970s到2010s曾經在生產上種植面積較大的5個玉米品種，分別為中單2號(1970s)、丹玉13(1980s)、掖單13(1990s)、先玉335(2000s)和登海618(2010s)。試驗采用裂裂區(qū)設計，耕作方式為主區(qū)，設置淺旋耕作(耕作深度15 cm, CK)、深松耕作(深松35 cm后淺旋耕15 cm, SS)2種方式；密度為副區(qū)，設置高、低2個種植密度，分別為45 000株·hm-2(LD)、105 000株·hm-2(HD)；品種為副副區(qū)。每個處理3次重復。小區(qū)行長8 m，寬6 m，等行距(0.6 m)種植。

生育期施肥量為：純N 225 kg·hm-2，P2O5105 kg·hm-2，K2O 45 kg·hm-2，N肥按3∶6∶1比例分別于拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期隨水追肥，P2O5和K2O作基肥一次性施入。其他管理同一般大田。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 玉米莖折率 在成熟期(黑層出現(xiàn)，乳線消失)、收獲期(籽粒含水量小于25%)調查玉米倒伏情況，每小區(qū)取中間4行，植株從果穗下部折斷定義為莖折，記載折斷位置，計算莖折率。

1.2.2 莖稈力學強度 在生理成熟期、收獲期，每小區(qū)選取相鄰3株玉米，對莖稈地上基部第3、4、5節(jié)間分別測定莖稈穿刺強度，第3、5節(jié)間分別測定彎曲強度，第4節(jié)間測定壓碎強度。

力學強度測定采用SY-S03植物莖稈強度測量儀。用1 mm2的探頭垂直于莖稈方向勻速緩慢壓下，穿刺強度為穿透莖稈表皮的最大值；用0.5 cm2的探頭垂直于莖稈軸線方向，壓住節(jié)間中部緩慢勻速加載，彎曲強度為其彎曲折斷時的最大值；用1 cm2的探頭垂直于莖稈軸線方向，壓住節(jié)間中部緩慢勻速加載，壓碎強度為其撕裂時的強度值。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2016進行數據處理與制圖，利用SAS 9.1統(tǒng)計軟件對數據進行方差和相關性分析。采用LSD(least-significant different)法進行多因素方差分析，明確不同耕作措施、密度、品種組合的差異性；用Pearson法對莖稈力學強度與莖折率進行相關性分析；品種釋放年代與莖折率、力學強度分別進行直線回歸分析，明確指標隨品種演替的變化規(guī)律。

2 結果與分析

2.1 深松增密對不同年代玉米品種莖折率的影響

由表2可知，不同耕作措施、種植密度、品種間的莖折率有明顯差異；密度與品種互作對成熟期莖折率有顯著影響，因素間互作對收獲期莖折率也有明顯影響。各處理收獲期的莖折率均高于成熟期。

表2 2019—2020年耕作措施、密度、 品種對玉米莖折率影響的方差分析Table 2 Analysis of variance about effects of tillage method, density and maize variety on stalk lodging in 2019 and 2020

深松耕作(SS)成熟期、收獲期的莖折率分別低于淺旋耕作(CK)0.54、1.22個百分點；種植密度從4.5萬株·hm-2(LD)增加到10.5萬株·hm-2(HD)時，倒伏率也隨之顯著增加，收獲期2年分別增加了10.57、4.96個百分點。隨著品種的演替，收獲期的莖折率以2.21%·10a-1的速率明顯降低(2020年)。新品種莖折率小于老品種，以收獲期為例，2010s品種莖折率較1970s 2年分別降低了19.61個百分點和9.47個百分點。

由表3可知，深松高密條件下(SSHD)各品種的莖折率高于淺旋低密(CKLD)而低于淺旋高密(CKHD)，且品種間變幅有差異。以收獲期為例，1970s品種SSHD兩年莖折率分別高于CKLD 28.23、11.36個百分點，較CKHD分別低5.21、2.48個百分點；2010s品種SSHD莖折率高于CKLD 0.31個百分點，較CKHD低0.30個百分點(2019年)，2020年增密無莖折發(fā)生。由此可見，深松耕作可以降低由增密引發(fā)的莖折，且老品種莖折降幅大于新品種，2000s、2010s品種在收獲期的莖折率低于5%。

表3 2019—2020年深松、增密條件下不同年代品種的莖折率/%Table 3 Stalk lodging of different varieties under subsoiling tillage and density increase in 2019 and 2020

2.2 深松增密對不同年代玉米品種莖稈穿刺強度的影響

耕作措施對成熟期第3、4、5節(jié)間穿刺強度(2019年)有明顯影響，種植密度間各節(jié)間穿刺強度均具有明顯差異，品種對第3、5節(jié)間收獲期穿刺強度、第4節(jié)間成熟期穿刺強度有明顯影響；因素間兩兩互作對部分節(jié)間穿刺強度有影響，三者互作對穿刺強度無明顯影響(表4)。

SS較CK可明顯增加成熟期玉米莖稈穿刺強度，2019年第3、4、5節(jié)間分別為5.24×107、5.06×107、4.45×107N· m-2，較CK分別增加了14.16%、14.60%、6.10%。HD各節(jié)間穿刺強度比LD顯著降低。隨著品種的演替，第3節(jié)間成熟期穿刺強度以0.26×107N·m-2·10a-1速率呈明顯下降趨勢，第4節(jié)間2020年成熟期也有類似趨勢，其他指標變化無明顯規(guī)律(表4)。

表4 2019—2020年耕作措施、密度、品種對玉米莖稈穿刺強度影響的方差分析Table 4 Analysis of variance about effects of tillage method, density and variety on maize stalk rind puncture strength in 2019 and 2020

進一步分析，各品種的穿刺強度在SSLD與CKLD條件下無明顯差異；部分品種SSHD條件下的節(jié)間穿刺強度與CKLD也無差異，但明顯高于CKHD。以第3節(jié)間穿刺強度為例(2 a平均)，1980s、2000s品種成熟期SSHD較CKHD分別增加了125.75%、51.62%，收獲期分別增加了175.54%、56.54%(圖1)；2000s品種的第4節(jié)間穿刺強度SSHD較CKHD成熟期增加55.22%、收獲期增加61.94%(圖2)；1990s和2010s品種成熟期SSHD第5節(jié)間穿刺強度較CKHD分別增加了78.01%、69.53%，收獲期1980s品種增加了65.90%(圖3)。

注: 不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters mean significant difference among different treatments at the same stage (P<0.05)．The same below.圖1 2019—2020年深松、增密條件下不同年代品種的基部第3節(jié)間穿刺強度Fig.1 The third internode rind puncture strength of different varieties under subsoiling tillage and density increase in 2019 and 2020

圖2 2019—2020年深松、增密條件下不同年代品種的基部第4節(jié)間穿刺強度Fig.2 The fourth internode rind puncture strength of different varieties under subsoiling tillage and density increase in 2019 and 2020

圖3 2019—2020年深松、增密條件下不同年代品種的基部第5節(jié)間穿刺強度Fig.3 The fifth internode rind puncture strength of different varieties under subsoiling tillage and density increase in 2019 and 2020

綜上可知，在增密條件下深松耕作較淺旋可提高玉米莖稈節(jié)間穿刺強度，但不同年代品種的響應無明顯規(guī)律。

2.3 深松增密對不同年代玉米品種莖稈壓碎強度和彎曲強度的影響

耕作措施對成熟期壓碎強度(2019年)、收獲期壓碎強度(2020年)有明顯影響，SS壓碎強度成熟期、收獲期分別為2.70×106、2.83×106N·m-2，與CK相比，分別提高了29.19%、19.92%；種植密度對壓碎強度也有明顯影響，LD壓碎強度明顯高于HD約2倍；隨著品種的更替，壓碎強度無明顯變化規(guī)律，品種間收獲期壓碎強度(2020年)有顯著差異，1990s品種最低，為2.34×106N·m-2(表5)。

耕作×密度對成熟期壓碎強度有明顯影響(表5)。1990s、2000s品種(2019年)、收獲期1980s和1990s品種(2020年)SSLD成熟期的壓碎強度顯著高于CKLD。各年代品種成熟期壓碎強度均低于CKLD，2000s品種SSHD壓碎強度高于CKHD 115.45%(2020年)；收獲期SSHD下1980s、1990s品種壓碎強度(2019年)較CKLD無明顯下降；且1970s、1990s品種的壓碎強度分別高于CKHD 43.6%(2020年)、72.60%(2019年)(圖4)。

圖4 2019—2020年深松、增密條件下不同年代品種的基部第4節(jié)間壓碎強度Fig.4 The fourth internode crushing strength of different varieties under subsoiling tillage and density increase in 2019 and 2020

耕作措施、種植密度、品種及其互作(除耕作×密度外)對玉米莖稈第3節(jié)間彎曲強度有明顯影響;種植密度、品種對第5節(jié)間彎曲強度也有明顯影響。SS較CK可明顯增加玉米莖稈第3、5節(jié)間的彎曲強度；HD節(jié)間彎曲強度較LD顯著降低。隨著品種的演替，第3、5節(jié)間彎曲強度無明顯變化規(guī)律(表5)。

表5 2019—2020年耕作措施、密度、品種對玉米莖稈壓碎強度和彎曲強度影響的方差分析Table 5 Analysis of variance about effects of tillage method, density and variety on maize stalk crushing strength and bending strength in 2019 and 2020

進一步分析，由圖5、圖6可知，1980s品種第3節(jié)間彎曲強度在成熟期、收獲期SSLD明顯高于CKLD 8.03%(2019年)和23.49%(2 a平均)；2000s品種第5節(jié)間彎曲強度在成熟期、收獲期SSLD明顯高于CKLD 42.28%(2019年)、79.65%(2020年)。不同年代品種第3、5節(jié)間彎曲強度SSHD均小于CKLD，但部分品種高于CKHD。以第3節(jié)間彎曲強度為例(圖5)，1970s、1980s、1990s、2000s品種成熟期SSHD彎曲強度高于CKHD，且1980s、1990s、2000s品種的收獲期SSHD彎曲強度仍分別高于CKHD 88.07%(2 a平均)、31.07%(2020年)、58.09%(2020年)。1980s、2000s品種成熟期第5節(jié)間彎曲強度SSHD高于CKHD，收獲期1970s、1980s品種彎曲強度SSHD仍高于CKHD 33.05%(2020年)、98.37%(2019年)(圖6)。

圖5 2019—2020年深松、增密條件下不同年代品種的基部第3節(jié)間彎曲強度Fig.5 The third internode bending strength of different varieties under subsoiling tillage and density increase in 2019 and 2020

綜上可知，在增密條件下深松耕作較淺旋可提高玉米莖稈壓碎強度、彎曲強度，但不同年代品種的響應無明顯規(guī)律。

2.4 莖稈力學強度與莖折率的相關性分析

由表6可知，2020年成熟期的玉米莖折率與第3、4、5節(jié)間穿刺強度、第4節(jié)間壓碎強度、第3、5節(jié)間彎曲強度有顯著負相關關系；2020年收獲期的莖折率與第3、4節(jié)間穿刺強度、第4節(jié)間壓碎強度、第3、5節(jié)間彎曲強度有顯著負相關關系。

表6 莖折與莖稈力學強度的相關分析Table 6 Correlation analysis between stalk lodging and stalk mechanical strength

3 討 論

玉米生理成熟后由于植株不斷衰老，碳水化合物分解、細胞壁降解導致莖稈力學強度降低、莖折率隨之升高[18-19]。本研究結果顯示收獲期玉米莖折率高于成熟期，且莖稈力學強度也相應下降。

劉志銘等[13]研究吉林省不同年代玉米主栽品種生理成熟后抗倒伏特性的結果顯示，基部第3節(jié)間莖稈穿刺強度和第4節(jié)間莖稈壓碎強度都隨品種更替而增加，子粒成熟后田間站稈期間植株抗倒伏能力提高。本研究中隨著玉米品種的更替，收獲期莖折率以2.21%·10a-1的速率明顯降低，莖稈力學指標無明顯變化規(guī)律。與前人研究結果的差異可能由于試驗條件不同所致，本研究中深松改土措施使耕層變厚，新老品種莖稈力學強度對此響應有差異，從而區(qū)別于單一耕作條件的結果。

于曉芳等[16,20]認為深松耕作能提高土壤質量，使玉米根系空間分布更加合理，有利于地上部物質積累，可降低由增密引起的莖倒伏。本研究結果與

前人相一致，且老品種莖折率的降幅大于新品種，但2000s、2010s品種生理成熟后的莖折率均低于5%，可適宜機械化籽粒直收[4]。深松耕作較淺旋耕可提高玉米莖稈的力學強度，增密后作用更加明顯，且對不同年代玉米品種的影響有差異。本研究高密條件下，與淺旋耕相比，深松耕作使收獲期1970s品種第4節(jié)間壓碎強度增加了43.6%、第5節(jié)間彎曲強度增加了33.05%；1980s品種第3～5節(jié)間穿刺強度、第3、5節(jié)間彎曲強度也均有不同程度增加；1990s品種的第4節(jié)間壓碎強度增加了72.60%，第3節(jié)間彎曲強度增加了31.07%；2000s品種第3～5節(jié)間莖稈穿刺強度、第3節(jié)間彎曲強度也有明顯增加；2010s品種力學強度無顯著變化。莖稈力學強度的增幅隨著品種演替并無明顯變化規(guī)律。

收獲期(2020年)玉米的莖折率與第3、4節(jié)間穿刺強度、第4節(jié)間壓碎強度、第3、5節(jié)間彎曲強度有明顯負相關關系，這與薛軍等[6]研究結果相一致，但新品種的莖稈力學強度并非顯著高于老品種。由此可見，力學強度可作為構建抗倒伏群體的指標，但評價品種的抗倒性還具有一定片面性。

4 結 論

從生理成熟到收獲，玉米的莖折率增加，莖稈力學強度降低。與淺旋相比，深松耕作使玉米莖折率降低1.22個百分點，而增密使玉米莖折率增加7.77個百分點；隨著品種更替，玉米收獲期莖折率明顯降低；深松耕作可以降低由增密引發(fā)的莖折，且老品種莖折率的降幅大于新品種。

隨著品種更替，玉米莖稈力學強度無明顯變化規(guī)律。深松耕作提高了莖稈力學強度，在高密條件下作用更加明顯，除2010s品種外，其他年代品種的莖稈力學強度較淺旋耕作均明顯增加；但增幅隨著品種演替并無明顯變化規(guī)律。

玉米莖折率與第3、4節(jié)間穿刺強度、第4節(jié)間壓碎強度、第3、5節(jié)間彎曲強度呈顯著負相關，但新品種莖稈力學強度并非明顯高于老品種。因此，僅用單個或幾個莖稈力學指標評價玉米品種的抗莖折能力具有片面性，后續(xù)研究更應該關注綜合評價指標體系的構建。