2. 四川省中江县农技站 中江 618100
2. Agro-technical Station of Zhongjiang County, Zhongjiang 618100, China
玉米 (Zea mays) 是我国第一大粮食作物, 也是川中丘陵重要的粮食作物之一[1-2]。增加种植密度是挖掘玉米高产潜力的主要措施[3-6], 但密度的增加会影响玉米的茎秆性状, 如株高和穗位高变高、茎粗变细和茎秆强度降低等, 最终导致玉米茎秆抗倒伏能力降低, 增加玉米倒伏的几率[7-9]。相关研究指出, 玉米倒伏后干物质积累显著降低、穗长显著变短、穗粗显著变细以及产量显著降低等[10]。据估计, 每年因玉米茎秆倒伏而造成的损失在5%~25%左右, 倒伏严重的近乎绝收[11-12]。因此, 研究种植密度对玉米茎秆性状的影响以及探究茎秆性状与产量之间的关系, 具有重要的理论价值和实践意义。
前人研究表明, 种植密度显著影响玉米株高、穗位高、节间长等茎秆农艺性状指标以及茎秆压碎强度、外皮穿刺强度等茎秆力学性状指标, 株高、穗位高、节间长和茎节长粗比与倒伏率呈显著或极显著正相关关系, 节间干重、节间干重百分比、单位茎长干物质重和茎秆力学特征与倒伏率呈显著或极显著负相关关系, 且以基部第3节的相关性最好, 茎粗、单位茎长干物质重、茎秆力学性状指标等可作为评价茎秆抗倒伏能力的指标[11, 13-20]。目前, 关于玉米抗倒伏的研究主要集中于北方地区, 且主要研究种植密度对茎秆性状的影响、茎秆性状与倒伏率的关系以及抗倒伏率评价指标的筛选等方面[11, 13-21], 而关于西南地区玉米的抗倒伏研究以及玉米茎秆性状与产量之间的关系研究鲜见报道。近年来, 随着种植制度和农业种粮大户的发展, 小麦 (Triticum aestivum)-夏玉米新两熟种植模式成为西南丘陵旱地重要的种植模式, 目前未见该模式下密度对夏玉米茎秆性状及产量影响的研究。本研究通过设置不同的种植密度, 系统地分析种植密度对川中丘陵夏玉米茎秆性状及产量的影响, 并探讨种植密度、茎秆性状及产量三者之间的关系, 为西南丘陵地区小麦-玉米种植系统下夏玉米高产栽培体系的构建提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验设在四川省德阳市中江县辑庆镇 (30°35′N, 104°37′E) 惠农粮食专业合作社试验田 (丘陵旱地), 属亚热带湿润季风气候, 年平均气温16.7 ℃, 年降水量883 mm, 无霜期286 d, 中江2015年的气象数据见图 1。供试土壤耕层 (0~20 cm) 土壤基本理化性状:土壤容重1.40 g·cm-3, 全氮1.61 g·kg-1, 有机质14.78 g·kg-1, 碱解氮42.93 mg·kg-1, 有效磷5.9 mg·kg-1, 速效钾104.44 mg·kg-1, pH 7.80。
采用单因素随机区组设计, 以四川省农业厅主推品种‘正红505’(四川农业大学正红种业有限责任公司提供) 为试验材料, 设5个密度: 4.50万株·hm-2(株距27.78 cm), 5.25万株·hm-2(株距23.81 cm), 6.00万株·hm-2(株距20.83 cm), 6.75万株·hm-2(株距18.52 cm), 7.50万株·hm-2(株距16.67 cm), 采用宽窄行种植方式, 宽行1.2 m, 窄行0.4 m。试验重复3次, 共15个小区, 小区面积为19.2 m2。于2015年5月14日播种, 8月25日收获。播种前统一施用N、P、K配比为25:7:8的复合肥作为底肥一次施用, 施用量为900 kg·hm-2。
1.3 测定的指标和方法 1.3.1 株高、穗位高、节间长和茎粗于玉米吐丝后7 d和吐丝后25 d取样, 每个小区选取有代表性植株10株, 测量株高、穗位高、节间长 (1、3、5节间) 和茎粗 (1、3、5节间), 并计算茎节长粗比 (节间长/节间粗)、茎粗系数 (茎粗系数=茎粗/株高×100%) 和穗位高系数 (穗位高系数=穗位高/株高×100%)。
1.3.2 外皮穿刺强度 (rind penetration strength, RPS)于玉米吐丝后7 d和吐丝后25 d取样, 每个小区选取有代表性植株3株, 取玉米地上部第1、3、5节间, 剥除叶鞘, 采用石家庄艾沃士科技有限公司生产的AWOS-SL04植物茎秆强度测定仪测定茎秆外皮穿刺强度, 将横截面积为0.01 cm2的探测头垂直于茎秆节间中部匀速缓慢插入, 读取穿透茎秆表皮的最大值。
1.3.3 茎秆压碎强度 (stalk crushing strength, SCS)于玉米吐丝后7 d和吐丝后25 d取样, 每个小区选取有代表性植株3株, 取玉米地上部第1、3、5节间, 剥除叶鞘, 用石家庄艾沃士科技有限公司生产的AWOS-SL04植物茎秆强度测定仪测定茎秆压碎强度, 将横截面积为1 cm2的探测头垂直于茎秆节间中部匀速缓慢压下, 直到茎秆破裂, 读取最大值。
1.3.4 植株节间重于玉米吐丝后7 d和吐丝后25 d取样, 每个小区选取有代表性植株3株, 取玉米地上部第1、3、5节间, 剥除叶鞘, 分别称取玉米茎秆各节间鲜重, 然后在105 ℃下杀青60 min, 再于80 ℃下烘干至恒重后称重。计算茎秆干重百分比、单位茎长干物质重, 其中茎秆节间干重百分比 (%)=节间干重/节间鲜重×100, 单位茎长干物质重=节间干重/节间长度 (g·cm-1)。
1.3.5 玉米产量考种玉米分小区实收测产, 采用平均穗重法选取20个果穗进行室内考种, 测定穗长、穗粗、千粒重等。
1.4 数据分析采用Microfost Excel 2007进行数据处理, SPSS 19.0软件进行数据统计与分析, 采用GraphPad Prism 5.0绘图软件绘图。
2 结果与分析 2.1 种植密度对玉米茎秆农艺性状的影响 2.1.1 株高、穗位高、茎粗、穗位高系数和茎粗系数由表 1可知, 随种植密度增加, 玉米株高和穗位高呈增加趋势, 茎粗和茎粗系数逐渐减小, 而穗位高系数则呈先降低后增加的趋势, 其中种植密度对株高、茎粗和茎粗系数影响显著 (P < 0.05)。6.75万株·hm-2的株高和穗位高分别较4.50万株·hm-2提高9.83%和9.86%, 7.50万株·hm-2的茎粗和茎粗系数分别较4.50万株·hm-2降低16.11%和21.95%。吐丝后25 d的数据变化规律与吐丝后7 d基本一致。
由表 2可知, 种植密度对玉米节间长、节间粗和茎节长粗比影响显著 (P < 0.05), 随密度的增加, 玉米节间长和茎节长粗比呈增加趋势, 而节间粗则逐渐减小; 随节位的上升, 节间逐渐增长变细。吐丝后7 d, 当密度增加到6.75万株·hm-2时, 第3节节间长和长粗比分别较4.50万株·hm-2显著增加31.00%和51.62%, 而7.50万株·hm-2的第1、3、5节节间粗则分别较4.50万株·hm-2显著减小15.87%、14.90%和15.26%。吐丝后25 d的数据变化规律与吐丝后7 d基本一致。
表 3表明, 随种植密度的增加, 节间干重和节间干重百分比均呈逐渐减小的趋势。吐丝后7 d, 7.50万株·hm-2的第1、3、5节间干重分别较4.50万株·hm-2显著降低22.55%、18.47%和23.98%, 7.50万株·hm-2的第1节间干重百分比分别较4.50万株·hm-2、6.00万株·hm-2显著降低13.04%和14.58%。吐丝后25 d的数据变化规律与吐丝后7 d基本一致, 但吐丝后25 d处理间节间干重百分比差异不显著。
由吐丝后7 d到吐丝后25 d, 除基部节间外, 各节间的干重均出现了不同程度的降低, 节位越高下降越明显, 这可能与干物质的就近转运和分配有关。节间干重百分比随节位的上升和生育时期的推进而呈增加的趋势, 这可能与试验年份较为干旱有关, 导致玉米植株含水量较低、干重百分比较高。
2.1.4 玉米单位茎长干物质重由图 2可知, 密度对玉米单位茎长干物质重的影响较大, 总体表现为低密度 > 高密度, 第1节 > 第3节 > 第5节。吐丝后7 d, 6.75万株·hm-2密度处理的第1、3、5节的单位茎长干物质重明显降低, 较4.50万株·hm-2显著降低24.84%、22.21%和25.24%。吐丝后25 d的数据变化规律与吐丝后7 d基本一致。由吐丝后7 d到吐丝后25 d, 由于茎秆的干物质向穗部转移, 玉米各节间 (除基部节间外) 的节间干重均出现不同程度的下降, 而节间长又基本保持不变或略有增长, 从而导致各密度对应茎节的单位茎长干物质重均有不同程度的下降。
由图 3可知, 随着种植密度的增加和茎节的延伸, 茎秆压碎强度呈现逐渐降低的趋势。在吐丝后7 d, 当密度增加到6.75万株·hm-2时, 第3、5节间的压碎强度分别较4.50万株·hm-2显著降低14.15%和27.71%。吐丝后25 d的数据变化规律与吐丝后7 d基本一致, 从吐丝后7 d到吐丝后25 d, 各茎节的压碎强度均有不同程度的降低。
由图 4可知, 随种植密度的增加和节间的延伸, 茎秆的外皮穿刺强度呈现逐渐降低的趋势。在吐丝后25 d, 当密度增加到7.50万株·hm-2时, 第1、3、5节间外皮穿刺强度分别较4.50万株·hm-2显著降低27.10%、22.78%和30.80%。吐丝后7 d的数据变化规律与吐丝后25 d基本一致。
表 4表明, 种植密度对玉米产量影响显著。其中, 群体产量随着密度的增加呈先增加后降低的趋势, 产量最大值出现在6.00万株·hm-2处, 而单株产量则显著性降低。与4.50万株·hm-2的种植密度相比, 6.00万株·hm-2显著增产12.02%, 单株产量显著降低16.35%。此外, 种植密度对穗长、穗粗、秃尖长、有效穗数、成穗率、穗粒数和千粒重影响显著 (P < 0.05)。当种植密度增加到7.50万株·hm-2时, 玉米的穗长、穗粗、成穗率、穗粒数和千粒重分别较4.50万株·hm-2显著降低7.56%、3.88%、14.69%、22.90%和8.30%;而秃尖长和有效穗数则分别较4.50万株·hm-2显著增加42.18%和20.15%。由此可知, 增加种植密度会损害玉米的穗部性状, 导致玉米单株产量降低; 而较高密度下玉米显著增产, 这说明高密度下的群体生产力弥补了单株生产力的不足, 从而使玉米群体产量增加, 这也是增加种植密度能丰产的原因之一; 但当种植密度超过最适密度时, 有效穗数所产生的优势则不复存在,从而导致群体产量降低。
由表 5可知, 种植密度与株高、茎粗等指标的相关性达显著 (P < 0.05) 或极显著水平 (P < 0.01), 其中, 密度与株高、节间长、茎节长粗比呈正相关关系, 而与茎粗、茎粗系数、节间粗、节间干重、单位茎长干物质重、穿刺强度、压碎强度和单株产量呈负相关关系。从茎秆农艺性状与茎秆力学性状的相关关系可以看出, 茎粗、茎粗系数、节间粗、节间干重和单位茎长干物质重分别与茎秆外皮穿刺强度和压碎强度呈显著或极显著正相关关系, 而株高、节间长和茎节长粗比则分别与茎秆外皮穿刺强度和压碎强度呈负相关或极显著负相关关系。其中, 除节间干重外, 茎秆外皮穿刺强度与茎秆农艺性状的相关系数均小于茎秆压碎强度, 这说明茎秆压碎强度与茎秆农艺性状的相关性更好。此外, 茎秆外皮穿刺强度与压碎强度的相关性达极显著水平 (r=0.93**)。从茎秆性状与单株产量的相关关系可以看出, 单株产量与株高、节间长和茎节长粗比呈负相关关系, 而与茎粗、茎粗系数、节间粗、节间干重、单位茎长干物质重、茎秆外皮穿刺强度和压碎强度呈正相关关系, 除株高外, 其余各指标均与单株产量的相关性均达到了显著水平。
以相关分析的各农艺性状指标为自变量 (X), 茎秆压碎强度为因变量 (Y1), 进行逐步回归分析, 剔除不显著的自变量得到最优回归方程式。
$ {Y_1} = - 103.065 + 549.971{X_3} + 222.068{X_8}\;\;\;\;\;\;\left( {P < 0.05} \right) $ |
从方程式可以看出, 茎粗系数 (X3) 和单位茎长干物质重 (X8) 对茎秆压碎强度的影响最大, 二者对茎秆压碎强度的正效应达到了显著水平, 可以作为评价玉米茎秆抗倒伏能力的重要农艺指标。
3 讨论 3.1 种植密度对玉米茎秆性状的影响种植密度显著影响玉米茎秆性状。前人研究表明, 随种植密度的增加, 株高、穗位高逐渐升高[8, 22], 穗位高系数[1, 23]和节间长[11, 22]逐渐增大, 茎粗、茎粗系数[1, 19]、节间干重[11, 19]、节间干重百分比[11]、单位茎长干物质重[11, 24]、压碎强度和穿刺强度[11, 23-24]逐渐减小。本试验的研究结果与前人的研究结果基本一致。随种植密度的增加, 植株个体间的竞争加剧, 植株个体营养缺乏, 进而植株个体干重下降、茎秆强度降低, 最终导致玉米植株抗倒伏能力下降。本试验还研究了玉米茎秆的节间长粗比, 结果表明茎节长粗比与密度呈显著正相关 (r=0.90*), 这与王娜等[16]的研究结果一致。李霞等[25]也发现, 节间长粗比小、茎粗系数大的玉米植株抗倒伏能力强。这说明随种植密度的增加, 茎节长粗比逐渐增大, 玉米植株的抗倒伏能力则逐渐变弱。
3.2 种植密度对玉米产量及其构成因素的影响玉米产量由单位面积有效穗数、穗粒数和千粒重构成, 增加种植密度是玉米增产的主要措施。玉米要获得高产, 必须要构建合理的群体结构, 协调产量构成三因素间的矛盾, 使三者的乘积达到最大值[3]。前人研究表明, 种植密度显著影响玉米的产量构成性状, 随着密度增加, 穂长变短, 秃尖变长, 穗粗变细, 行粒数、穗粒数和千粒重变小, 导致单株产量降低[26-27]。本试验研究结果与前人的研究结果一致, 随着种植密度的增加, 玉米的单株产量降低, 群体产量先增后减。川中丘陵夏玉米的适宜密度应该综合考虑产量、植株茎秆性状、植株倒伏率甚至植株病虫为害情况。从本试验的结果来看, 当种植密度增加到6.00万株·hm-2时, 产量达到最大值。但综合考虑产量、抗倒和生产实际等因素, 夏玉米的适宜密度应该在5.25~6.75万株·hm-2的范围之内, 后续试验可进一步细化种植密度, 以探究川中丘陵区夏玉米种植的最适密度。
3.3 茎秆农艺性状、茎秆抗倒力学性状之间的关系勾玲等[11]研究表明, 茎秆压碎强度和外皮穿刺强度分别与茎秆干重百分比和单位茎长干物质重呈极显著正相关关系, 与节间长度呈极显著负相关关系, 且茎秆压碎强度与外皮穿刺强度也呈极显著正相关关系。李得孝等[21]研究表明, 玉米外皮穿刺强度与株高、穗位高和节间长呈显著或极显著正相关。高鑫等[24]研究表明, 单位长度干重 (即单位茎长干物质重) 与茎秆力学特征呈极显著正相关。本试验研究结果与前人基本一致。其中, 除节间干重外, 茎秆农艺性状与茎秆压碎强度的相关系数均大于茎秆外皮穿刺强度, 这可能解释了随生育时期的推进, 茎秆压碎强度降低幅度大于外皮穿刺强度的现象。逐步回归分析进一步表明, 茎粗系数和单位茎长干物质重对玉米茎秆压碎强度的正向影响最大, 可以作为评价玉米茎秆抗倒伏能力的重要指标。由此可见, 玉米茎秆性状间关系密切, 在实际育种工作中, 要注意协调各性状之间的关系, 以培育出综合性状好, 抗倒能力强的玉米品种。
3.4 茎秆性状与产量之间的关系茎秆性状的优劣会影响玉米最终的收获产量。李得孝等[21]研究表明, 茎粗与籽粒产量呈极显著正相关, 株高和节间长与产量呈显著或极显著负相关, 而籽粒产量与穗位高呈正相关、与穿刺强度呈负相关但相关性均不显著。黄艳玲等[28]研究表明, 水稻各节间粗和单位茎节干重分别与每株有效穗数和每穗总粒数呈负相关。本试验研究结果显示, 单株产量与茎粗、茎粗系数、节间粗、节间干重、单位茎长干物质重、压碎强度和穿刺强度呈正相关关系, 与株高、节间长和茎节长粗比呈负相关关系, 除株高外, 其余各指标均与单株产量的相关性均达到了显著水平。由此可见, 玉米植株的茎秆性状与单株产量关系密切, 茎粗、节间干重、单位茎长干物质重、压碎强度和穿刺强度是影响玉米产量的重要指标。因此, 在构建川中丘陵夏玉米高产栽培体系时, 要充分把握单株产量与茎秆性状间的关系, 协调二者间的矛盾, 力争达到高产抗倒的局面。
4 结论种植密度显著影响玉米的茎秆性状和产量, 当种植密度增加到6.00万株·hm-2时, 群体产量达到最大值, 较4.50万株·hm-2显著增产12.02%;随种植密度的增加, 玉米的株高、穗位高、节间长、茎节长粗比显著增加, 茎粗、茎粗系数、节间干重、单位茎长干物质重、茎秆压碎强度和外皮穿刺强度显著性降低。茎秆农艺性状与茎秆力学性状之间关系密切, 茎粗、茎粗系数、节间粗、节间干重和单位茎长干物质重分别与茎秆外皮穿刺强度和压碎强度呈显著和极显著正相关关系, 而株高、节间长和茎节长粗比则分别与茎秆外皮穿刺强度和压碎强度呈负相关或极显著负相关关系。其中, 茎秆压碎强度与茎秆农艺性状的相关性更好, 茎粗系数和单位茎长干物质重对茎秆压碎强度的影响最大。茎秆性状与单株产量之间相关性达显著或极显著水平, 产量与节间长和茎节长粗比呈显著负相关关系, 而与茎粗、茎粗系数、节间粗、节间干重、单位茎长干物质重、茎秆压碎强度和外皮穿刺强度呈显著或极显著正相关关系。可见, 密度是影响玉米茎秆性状和产量的重要因素, 适当增加种植密度可以显著提高玉米群体产量,茎粗系数和单位茎长干物质重可以作为评价玉米茎秆抗倒伏能力的重要农艺指标。
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