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玉米莖倒抗性的影響，本試驗設(shè)置3個施肥量[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個密度（6.0萬、7.5萬、9.0萬株/hm2）處理進行組合試驗，采用遵循結(jié)構(gòu)力學原理的抗莖倒指數(shù)作為莖倒抗性的評價指標，并分5個生育時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)的變化在各生育時期之間有所不同，而彎折力矩和風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，各生育時期表現(xiàn)基本一致;風合力矩則隨密度變化的趨勢略有不同。生育時期對抗莖倒指數(shù)及其組分的影響最大且遠大于其它因素，其效應(yīng)量分別為0.43、0.30、0.72。綜合來看，增加密度的同時適當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系統(tǒng)，既影響根系向葉片運輸水分和養(yǎng)分，也影響葉片向果穗輸送光合產(chǎn)物，最終導致產(chǎn)量損失嚴重[2，3]，機械收獲效率降低，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)的通風透光和光合，導致莖稈遇到大風天氣發(fā)生倒伏[10]。施肥可以顯著改善莖稈質(zhì)量，降低莖稈倒伏風險[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]，從而降低莖稈強度，增加倒伏率。所以探明適當密度下的合理施肥量以達到理想的莖倒抗性十分重要，但目前該方面研究鮮有報道。因此，本研究通過肥密耦合試驗，采用抗莖倒指數(shù)指標分析莖倒抗性全生育期的動態(tài)變化，旨在定量評價各生育期肥密耦合的莖倒抗性，明確肥密耦合與生育時期對抗莖倒指數(shù)及其組分的影響和變化趨勢，探明適當密度下達到理想莖倒抗性的施肥量，以期為玉米機械粒收技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于2020年在青島農(nóng)業(yè)大學膠州基地（36°26′42″N，120°5′17″E）進行。該地屬于溫帶季風性氣候區(qū)。土壤為砂姜黑土，0～20cm耕層土壤有機質(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試驗設(shè)計

本試驗以玉米品種鄭單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)成試驗方案，隨機區(qū)組排列，重復4次。試驗共36個小區(qū)。每小區(qū)種植8行，行長10m，行距0.7m。施肥方法：F1處理播種時一次性施完;F2分2次施入，播種時施50%，拔節(jié)期追施50%;F3分3次施入，播種時施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?shù)爻Ｒ?guī)大田。

1.3測定項目與方法

于大喇叭口期、吐絲期、吐絲后15天、吐絲后30天、成熟期進行取樣。

1.3.1葉面積垂直分布測定 每處理在各時期分別選取有代表性、生長一致的6株樣株進行測定。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測試儀滑桿，直至拉折莖稈，儀器自動記錄拉力曲線，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。分析前對各指標進行對數(shù)轉(zhuǎn)換以改善誤差方差的同質(zhì)性。

各種因子對試驗指標的實質(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)果進行計算。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，反之亦然。由表1可知，所有因素均對抗莖倒指數(shù)影響顯著（P<0.05），其中，生育時期的效應(yīng)量最大且遠大于其它因素，為0.43，說明生育時期對抗莖倒指數(shù)的影響最大。

由圖2可以看出，玉米同生育時期抗莖倒指數(shù)在0.31～1.51之間變化?？傮w來看，抗莖倒指數(shù)隨生育時期的變化趨勢為前4個時期變化較小，平均為0.51，成熟期達到最大，平均為1.02，比前4個時期的平均值約增加50%。相同密度下，各時期抗莖倒指數(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，各時期F2的抗莖倒指數(shù)在3個施肥量中均最高，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個施肥量中最低，吐絲期時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期表現(xiàn)基本一致。

2.2肥密耦合對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×生育時期、施肥量×種植密度×生育時期外，其它因素均對彎折力矩影響顯著（P<0.05），其中，生育時期的效應(yīng)量最大，為0.30，說明生育時期對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，彎折力矩隨生育時期的變化趨勢為大喇叭口期較小，吐絲期達到最大，比大喇叭口期增加51%左右，之后隨生育進程而略降。相同密度下，各時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，各時期彎折力矩無明顯規(guī)律。

2.3肥密耦合對風合力矩的影響

風合力矩表示植株特別是葉片遭受大風氣流作用力的總和，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×生育時期、種植密度×生育時期、施肥量×種植密度×生育時期外，其它因素均對風合力矩影響顯著（P<0.05），其中，生育時期的效應(yīng)量最大且遠大于其它因素的效應(yīng)量，為0.72，說明生育時期對風合力矩的影響最大。

從圖4可以看出，玉米各生育時期風合力矩在8.42～21.41Nm之間變化?？傮w來看，風合力矩隨生育時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，各時期風合力矩隨施肥量變化的趨勢基本相同：M1密度下，風合力矩隨施肥量的增加而增加;M2密度下，F(xiàn)2處理的風合力矩各個時期均處于較高水平;M3密度下，風合力矩隨施肥量的增加而降低。相同施肥量下，各個時期風合力矩隨密度變化的趨勢略有不同，其中F1的風合力矩隨密度的增加而增加;除吐絲期外，F(xiàn)2的風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的風合力矩則隨密度的增加呈降低趨勢。

2.4肥密耦合對產(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公頃穗數(shù)和產(chǎn)量影響顯著，僅種植密度對穗粒重影響顯著。其中，種植密度對穗粒重和公頃穗數(shù)的影響較大，其效應(yīng)量分別為0.26和0.45;施肥量對產(chǎn)量的影響最大，效應(yīng)量為0.27，略高于種植密度對其的影響。

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密度下達到最大值。

3討論

3.1莖稈抗彎折力的測定方法有其獨特的優(yōu)勢

莖稈的彎折強度是評價玉米莖稈力學特性中應(yīng)用最廣泛的指標，但大部分的測量對象為玉米節(jié)間[20，21]，這會導致測定結(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，因此測量過程中會因支點與施力點的不同而對結(jié)果造成不同程度的影響[22，23]。本試驗測定對象為長段莖稈，且采用原位測量方法而非離體測量，與倒伏實際情況更接近，更能全面準確地反映整個植株的莖稈力學特性;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，更可以采集高精度拉力-位移曲線。

3.2抗莖倒指數(shù)能夠客觀全面地評價玉米的莖倒抗性

玉米抗倒性一直是國內(nèi)外學者持續(xù)關(guān)注、傾力研究的熱點問題。以往針對倒伏的大多數(shù)研究都是基于田間自然倒伏率[24]，但發(fā)生自然倒伏的時間和地點具有隨機性，因此這種直接法受到很大限制，轉(zhuǎn)而尋找間接法進行抗倒性的評價鑒定。間接法常常依據(jù)莖稈的形態(tài)特征[25]、解剖結(jié)構(gòu)[26]、力學特性[27，28]等來對玉米的倒伏抗性進行評價，同時，現(xiàn)在大多數(shù)的倒伏指數(shù)也是通過計算倒伏面積和倒伏等級[29]或者從植株性狀和莖稈力學性狀的角度[30]來進行考慮，均沒有考慮植株倒伏時所受的外力情況，理論上有待完善。崔日鮮等[15]兼顧植株受到的風力和自身抵抗力之間的平衡關(guān)系，借鑒結(jié)構(gòu)力學原理提出的抗倒指數(shù)法，可實現(xiàn)植株水平上定量評價作物的莖倒抗性;同時，應(yīng)用此方法成功評價了種植密度對玉米莖倒抗性的影響。本研究應(yīng)用此原理評價了施肥量與密度耦合對玉米全生育期莖倒抗性的影響，結(jié)果表明，生育時期對植株抗莖倒指數(shù)有顯著影響，抗莖倒指數(shù)隨生育時期的推進在0.51左右浮動（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，各生育時期表現(xiàn)基本一致。綜合來看，整個生育時期內(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，用間接法評價玉米從大喇叭口期至吐絲期的穿刺強度、彈性模量等莖稈力學特性的結(jié)果會顯著增加[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，主要是其風合力矩也隨生育時期的推進而顯著增加，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)計顯著性情形下的相對重要性。本試驗通過計算因子的效應(yīng)量來反映因子作用的實質(zhì)重要性，用效應(yīng)量作為反映因子效應(yīng)大小的指標，結(jié)果表明，在抗莖倒指數(shù)及其組分中，生育時期的效應(yīng)量均為最大，且在抗莖倒指數(shù)和風合力矩中遠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險也是限制產(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%，就會導致產(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，導致莖稈細弱、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];增施鉀肥可以適當減少下位節(jié)間的長度，同時增加相應(yīng)節(jié)間的直徑，從而提高玉米莖稈的硬度和強度[36]。但大量研究表明，玉米的倒伏率會隨著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)量前提下尋找適當密度下的合理施肥量以達到理想的莖倒抗性十分重要。本研究中，當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

本試驗中，施肥量、種植密度、生育時期及三者互作中，除少量效應(yīng)項外，大部分對抗莖倒指數(shù)及其組分影響顯著，其中生育時期對抗莖倒指數(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適當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。