王孝虎 李银昌 宋朝玉 王圣健 杨锦忠

摘要：为了探明肥密耦合对玉米茎倒抗性的影响，本试验设置3个施肥量[N、P2O5、K2O用量分别为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个密度（6.0万、7.5万、9.0万株/hm2）处理进行组合试验，采用遵循结构力学原理的抗茎倒指数作为茎倒抗性的评价指标，并分5个生育时期使用田间原位拉力仪测试茎秆抗弯折力。结果表明，同一密度不同施肥量处理各指标的变化趋势为：6.0万株/hm2密度下抗茎倒指数、弯折力矩和风合力矩均随施肥量的增加而增加;7.5万株/hm2密度下F2处理抗茎倒指数及其组分在3个施肥量中平均表现最优;9.0万株/hm2密度下各施肥量处理抗茎倒指数的变化在各生育时期之间有所不同，而弯折力矩和风合力矩均随施肥量的增加而降低。相同施肥量下，玉米抗茎倒指数、弯折力矩整体上均随密度的增加而呈降低趋势，各生育时期表现基本一致;风合力矩则随密度变化的趋势略有不同。生育时期对抗茎倒指数及其组分的影响最大且远大于其它因素，其效应量分别为0.43、0.30、0.72。综合来看，增加密度的同时适当提高施肥水平才能使玉米植株既可保证产量又可获得更高的抗茎倒指数。本研究结论可为今后玉米的高产栽培提供理论和数据支撑。

关键词：玉米;种植密度;施肥量;抗茎倒指数;全生育期;茎倒抗性

玉米茎倒伏是指大风吹折植株，致茎秆自节间处缢折，或者茎秆自节处断为两截即完全断掉的现象[1]。茎倒伏破坏了植株茎秆的输导系统，既影响根系向叶片运输水分和养分，也影响叶片向果穗输送光合产物，最终导致产量损失严重[2，3]，机械收获效率降低，收获成本增加[4-6]。因此提高玉米的抗倒伏能力成为提高玉米单产中亟待解决的一个重要难题，高密度高产种植水平下尤为重要[7]。

大量研究表明，增加密度可以提高玉米产量，但密度越大玉米倒伏越重，且两者关系极为密切。其主要原因在于增加密度之后玉米茎秆机械性能变弱，各茎节间长粗比增大，茎秆壁变薄，单位节间干物质重、硬度变小[8，9]，并影响群体内的通风透光和光合，导致茎秆遇到大风天气发生倒伏[10]。施肥可以显著改善茎秆质量，降低茎秆倒伏风险[11]。然而，较高的氮磷含量可以增加基部节间的伸长率和长度，并显著降低玉米茎秆的纤维素含量[12，13]，从而降低茎秆强度，增加倒伏率。所以探明适当密度下的合理施肥量以达到理想的茎倒抗性十分重要，但目前该方面研究鲜有报道。因此，本研究通过肥密耦合试验，采用抗茎倒指数指标分析茎倒抗性全生育期的动态变化，旨在定量评价各生育期肥密耦合的茎倒抗性，明确肥密耦合与生育时期对抗茎倒指数及其组分的影响和变化趋势，探明适当密度下达到理想茎倒抗性的施肥量，以期为玉米机械粒收技术的发展提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2020年在青岛农业大学胶州基地（36°26′42″N，120°5′17″E）进行。该地属于温带季风性气候区。土壤为砂姜黑土，0～20cm耕层土壤有机质含量为14.11g/kg、碱解氮78.63mg/kg、速效磷35.69mg/kg、速效鉀128.52mg/kg，pH=7.38。

1.2试验设计

本试验以玉米品种郑单958为材料，根据养分平衡法设置3个氮磷钾施用量，即N、P2O5、K2O用量分别为78.0、112.5、57.0kg/hm2（F1），132.0、139.5、90.0kg/hm2（F2），186.0、168.0、124.5kg/hm2（F3）;设置3个密度，分别为6.0万株/hm2（M1）、7.5万株/hm2（M2）、9.0万株/hm2（M3）。两因子完全组合构成试验方案，随机区组排列，重复4次。试验共36个小区。每小区种植8行，行长10m，行距0.7m。施肥方法：F1处理播种时一次性施完;F2分2次施入，播种时施50%，拔节期追施50%;F3分3次施入，播种时施40%，拔节期和大喇叭口期各施30%。6月13日播种，10月1日成熟，10月17日收获。其它田间管理措施同当地常规大田。

1.3测定项目与方法

于大喇叭口期、吐丝期、吐丝后15天、吐丝后30天、成熟期进行取样。

1.3.1叶面积垂直分布测定 每处理在各时期分别选取有代表性、生长一致的6株样株进行测定。展开叶的叶面积用系数法测定，分别测量叶长和最大叶宽，再计算单叶面积（长×宽×0.75）;未展开叶采用叶重法测定。单株叶面积为所有单叶面积之和。叶高即从地面到玉米叶片叶环位置的高度。

1.3.2茎秆抗弯折力测定 将所有叶片去除，然后将第三代玉米抗倒伏力测试仪[14]与茎秆在距地面80cm处链接，之后保持同一方向慢匀速拉动测试仪滑杆，直至拉折茎秆，仪器自动记录拉力曲线，包括拉力、滑杆倾角、传感器位置等（图1）。

1.3.3抗茎倒指数 在崔日鲜等[15]的方法基础上，把力值相比更改为力矩值相比，以计算抗茎倒指数k，即：

1.3.4产量及其构成 各小区选取2行10m样段，记录植株数、有效穗数，称鲜重，并按大小穗比例和平均鲜穗重取10穗测定籽粒含水量和室内考种。根据籽粒含水量计算产量（14%水分）。

1.4 数据处理与分析

采用SAS9.4软件进行数据处理，Origin2021作图。在方差分析基础上，用Tukey法比较处理间在0.05水平上的差异显著性。分析前对各指标进行对数转换以改善误差方差的同质性。

各种因子对试验指标的实质性作用或影响用因子的效应量表示，通过方差分析结果进行计算。效应量是某因子的作用占总作用的比例，是无量纲的纯数[17-19]。

2结果与分析

2.1肥密耦合对抗茎倒指数的影响

抗茎倒指数表示植株抵抗茎秆倒伏的能力，其值越大则抗性越强，反之亦然。由表1可知，所有因素均对抗茎倒指数影响显著（P<0.05），其中，生育时期的效应量最大且远大于其它因素，为0.43，说明生育时期对抗茎倒指数的影响最大。

由图2可以看出，玉米同生育时期抗茎倒指数在0.31～1.51之间变化。总体来看，抗茎倒指数随生育时期的变化趋势为前4个时期变化较小，平均为0.51，成熟期达到最大，平均为1.02，比前4个时期的平均值约增加50%。相同密度下，各时期抗茎倒指数随施肥量变化的趋势基本相同：M1密度下，抗茎倒指数随施肥量的增加基本呈增加趋势;M2密度下，各时期F2的抗茎倒指数在3个施肥量中均最高，比F1、F3分别增加27%和20%左右;M3密度下，各施肥量处理抗茎倒指数的变化在吐丝期前后有所不同，其中大喇叭口期F2的抗茎倒指数为3个施肥量中最低，吐丝期时F2最高，吐丝后及成熟期均随施肥量的增加而降低。相同施肥量下，整体上看抗茎倒指数随密度的增加而呈降低趋势，除成熟期外其它生育时期表现基本一致。

2.2肥密耦合对茎秆弯折力矩的影响

茎秆弯折力矩作为抗茎倒指数的一个组分，表示茎秆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×生育时期、施肥量×种植密度×生育时期外，其它因素均对弯折力矩影响显著（P<0.05），其中，生育时期的效应量最大，为0.30，说明生育时期对弯折力矩的影响最大，其次是种植密度的效应量，为0.13。

从图3可以看出，玉米各生育时期弯折力矩在3.45～15.49Nm之间变化。总体来看，弯折力矩随生育时期的变化趋势为大喇叭口期较小，吐丝期达到最大，比大喇叭口期增加51%左右，之后随生育进程而略降。相同密度下，各时期弯折力矩随施肥量变化的趋势基本相同：M1密度下，弯折力矩随施肥量的增加而增加;M2密度下，F2的弯折力矩在3个施肥量中最高，比其它施肥量平均增加26%左右;M3密度下，弯折力矩随施肥量的增加而降低（吐丝期除外）。相同施肥量处理中，随密度的增加，各时期弯折力矩无明显规律。

2.3肥密耦合对风合力矩的影响

风合力矩表示植株特别是叶片遭受大风气流作用力的总和，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×生育时期、种植密度×生育时期、施肥量×种植密度×生育时期外，其它因素均对风合力矩影响显著（P<0.05），其中，生育時期的效应量最大且远大于其它因素的效应量，为0.72，说明生育时期对风合力矩的影响最大。

从图4可以看出，玉米各生育时期风合力矩在8.42～21.41Nm之间变化。总体来看，风合力矩随生育时期的变化趋势为大喇叭口期较小，吐丝期至吐丝后30天较高且变幅不大，成熟期最小。相同密度下，各时期风合力矩随施肥量变化的趋势基本相同：M1密度下，风合力矩随施肥量的增加而增加;M2密度下，F2处理的风合力矩各个时期均处于较高水平;M3密度下，风合力矩随施肥量的增加而降低。相同施肥量下，各个时期风合力矩随密度变化的趋势略有不同，其中F1的风合力矩随密度的增加而增加;除吐丝期外，F2的风合力矩随密度的增加呈现先升高后降低的趋势，M2最高;除吐丝后15天外，F3的风合力矩则随密度的增加呈降低趋势。

2.4肥密耦合对产量及其构成的影响

由表4可知，施肥量和种植密度及两者互作均对公顷穗数和产量影响显著，仅种植密度对穗粒重影响显著。其中，种植密度对穗粒重和公顷穗数的影响较大，其效应量分别为0.26和0.45;施肥量对产量的影响最大，效应量为0.27，略高于种植密度对其的影响。

从图5可以看出，玉米穗粒重在0.17～0.18kg之间变化，随密度的增加略有下降。公顷穗数与产量分别在5.32万～7.87万和9570～13320kg/hm2之间，两者的变化趋势基本一致：相同密度下，M1和M2的公顷穗数和产量均随施肥量的增加而增加，且M2两者的增幅均大于M1（34%>28%，22%>13%）;M3的公顷穗数和产量则在F2施肥量下达到最大。相同施肥量下，F1、F2和F3的公顷穗数和产量均随密度的增加而呈先增加后降低趋势，M2密度下达到最大值。

3讨论

3.1茎秆抗弯折力的测定方法有其独特的优势

茎秆的弯折强度是评价玉米茎秆力学特性中应用最广泛的指标，但大部分的测量对象为玉米节间[20，21]，这会导致测定结果的差异较大，难以相互比较。其原因是：玉米茎秆是由多个节和节间组成，节和节间在皮层厚度、截面惯性矩、横截面积等方面差异显著，因此测量过程中会因支点与施力点的不同而对结果造成不同程度的影响[22，23]。本试验测定对象为长段茎秆，且采用原位测量方法而非离体测量，与倒伏实际情况更接近，更能全面准确地反映整个植株的茎秆力学特性;此外，所使用的田间原位数显拉力仪具有小巧轻便、便于携带等优点，更可以采集高精度拉力-位移曲线。

3.2抗茎倒指数能够客观全面地评价玉米的茎倒抗性

玉米抗倒性一直是国内外学者持续关注、倾力研究的热点问题。以往针对倒伏的大多数研究都是基于田间自然倒伏率[24]，但发生自然倒伏的时间和地点具有随机性，因此这种直接法受到很大限制，转而寻找间接法进行抗倒性的评价鉴定。间接法常常依据茎秆的形态特征[25]、解剖结构[26]、力学特性[27，28]等来对玉米的倒伏抗性进行评价，同时，现在大多数的倒伏指数也是通过计算倒伏面积和倒伏等级[29]或者从植株性状和茎秆力学性状的角度[30]来进行考虑，均没有考虑植株倒伏时所受的外力情况，理论上有待完善。崔日鲜等[15]兼顾植株受到的风力和自身抵抗力之间的平衡关系，借鉴结构力学原理提出的抗倒指数法，可实现植株水平上定量评价作物的茎倒抗性;同时，应用此方法成功评价了种植密度对玉米茎倒抗性的影响。本研究应用此原理评价了施肥量与密度耦合对玉米全生育期茎倒抗性的影响，结果表明，生育时期对植株抗茎倒指数有显著影响，抗茎倒指数随生育时期的推进在0.51左右浮动（成熟期除外）;相同密度下，M1的抗茎倒指数随施肥量的增加而增加;M2密度下F2的抗茎倒指数在3个施肥量中最高，比F1和F3分别增加27%和20%左右;M3密度下各施肥量处理的抗茎倒指数大部分时期随施肥量的增加而降低。相同施肥量下，抗茎倒指数整体上随密度的增加而降低，各生育时期表现基本一致。综合来看，整个生育时期内，M2F2处理的抗茎倒指数处于较高水平，弯折力矩和风合力矩也是如此，说明其具有较高的茎倒抗性。

此外，用间接法评价玉米从大喇叭口期至吐丝期的穿刺强度、弹性模量等茎秆力学特性的结果会显著增加[31]，本研究也有相同的表现，即茎秆的弯折力矩从大喇叭口期到吐丝期约增加51%，但抗茎倒指数仅约增加12%，说明从大喇叭口期至吐丝期茎倒抗性变化较小。究其原因，主要是其风合力矩也随生育时期的推进而显著增加，约增加73%，使其内力与外力互有抵消，最终表现出茎倒抗性变化较小的现象，这也反映出抗茎倒指数的全面性与客观性。

3.3效应量更能反映各因子的相对重要性

在传统的方差分析中，显著性只能表明某因子作用的存在与否，却无法提供因子作用大小的具体信息，不能反映因子作用的实质重要性[32]，更无法直接比较不同因子的重要性，尤其是在它们拥有相同的统计显著性情形下的相对重要性。本试验通过计算因子的效应量来反映因子作用的实质重要性，用效应量作为反映因子效应大小的指标，结果表明，在抗茎倒指数及其组分中，生育时期的效应量均为最大，且在抗茎倒指数和风合力矩中远大于其它因素的效应量，分别为0.43和0.72。

3.4肥密耦合对兼顾产量和茎倒抗性的重要性

增加种植密度是提高玉米单产的关键栽培措施，但是密植条件下倒伏的高风险也是限制产量的重要因素。研究发现，玉米生产中倒伏率每增加1%，就会导致产量下降108kg/hm2[33]，其原因主要是种植密度过大影响光合作用，导致茎秆细弱、表皮变脆，从而发生倒伏。本研究发现，玉米的抗茎倒指数及其组分随着种植密度的增加而降低，在中低密度下产量和公顷穗数确有增加，但高密度时显著下降。施用氮肥可增加玉米中下部叶面积，从而提高其光合作用[34，35];增施钾肥可以适当减少下位节间的长度，同时增加相应节间的直径，从而提高玉米茎秆的硬度和强度[36]。但大量研究表明，玉米的倒伏率会随着N或N、P施用量的增加而增加，其主要原因是，茎秆基部节间随着施氮量的增加而伸长，干物质累积量随之而减少[37]。因此兼顾产量和茎倒抗性，即在保证产量前提下寻找适当密度下的合理施肥量以达到理想的茎倒抗性十分重要。本研究中，当N、P2O5、K2O施入量分别为132.0、139.5、90.0kg/hm2且密度为7.5万株/hm2时产量较高（12137kg/hm2），且其抗茎倒指数及其組分平均表现最优。

4结论

本试验中，施肥量、种植密度、生育时期及三者互作中，除少量效应项外，大部分对抗茎倒指数及其组分影响显著，其中生育时期对抗茎倒指数及其组分影响最大。相同密度下，M1的抗茎倒指数随施肥量的增加而增加，M2的抗茎倒指数则为F2施肥量的最高，M3的抗茎倒指数各施肥量间大部分时期随施肥量的增加而降低;相同施肥量下，抗茎倒指数随密度的增加而呈降低趋势。综合来看，本试验条件下玉米在N、P2O5、K2O施入量分别为132.0、139.5、90.0kg/hm2且密度为7.5万株/hm2下具有最高的抗茎倒指数及较高产量，说明在增加密度的同时适当提高施肥水平既可保证产量也可使植株获得更高的茎倒抗性。该结论可为今后玉米的高产栽培提供理论和数据支撑。