施氮模式和密度對(duì)西南夏玉米產(chǎn)量及病害的影響

雷 恩，耿永克，陳盧發(fā)，楊永兵，王岳東，唐啟源

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.紅河學(xué)院 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，云南 蒙自 661199；3.云南省紅河哈尼族彝族自治州農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，云南 蒙自 661100)

玉米是我國重要的糧食作物，對(duì)保障國家糧食安全起重要作用。研究指出，增施氮肥可提高玉米光合生理性能[1-2]和群體數(shù)量及質(zhì)量[3]，進(jìn)而顯著增產(chǎn)。過去通過增加氮肥投入對(duì)提高玉米產(chǎn)量起了關(guān)鍵作用[1，4]，但過量增施氮肥及不科學(xué)施肥方式會(huì)造成肥料嚴(yán)重浪費(fèi)，肥料利用率下降，同時(shí)還帶來環(huán)境污染等一系列問題[5]。因此，在不增加甚至是減少氮肥用量的條件下如何實(shí)現(xiàn)玉米單產(chǎn)持續(xù)增長，這是目前亟待解決的關(guān)鍵問題和技術(shù)難題。近年來，隨著耐密品種的出現(xiàn)和應(yīng)用，盡管生產(chǎn)上通過增加種植密度來提高玉米單產(chǎn)已成事實(shí)[5-8]，但是由于地理環(huán)境及栽培措施等因素的差異和影響，密植增產(chǎn)幅度及其效果在地區(qū)之間仍存在很大差異[6，9-13]。

與此同時(shí)，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化普及與推廣，玉米機(jī)械粒收作為現(xiàn)代玉米生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，是國內(nèi)外玉米收獲技術(shù)發(fā)展的主要方向。當(dāng)前在我國東北、華北及黃淮海等玉米產(chǎn)區(qū)機(jī)械粒收的主要質(zhì)量問題是籽粒破損率偏高，李少昆等[14-15]通過大量的田間實(shí)測數(shù)據(jù)分析表明，機(jī)械粒收籽粒破損率為8.56%～8.63%，遠(yuǎn)高于5%的標(biāo)準(zhǔn)要求。而相關(guān)性分析結(jié)果表明，籽粒破損率與含水率關(guān)系密切，即機(jī)械收獲時(shí)籽粒水分偏高是導(dǎo)致籽粒破損率高的主要原因[14，16]。然而筆者在云南夏玉米生產(chǎn)區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，玉米通過適時(shí)晚收可顯著降低收獲時(shí)籽粒含水率，有效降低籽粒破損率，破損率在3.5%～4.6%，平均為4.25%[17]。同時(shí)卻發(fā)現(xiàn)，雖然通過晚收可有效控制籽粒破損率，但晚收玉米植株普遍易發(fā)倒折，倒折率為20.0%～65.0%[17]，嚴(yán)重影響機(jī)械收獲效率和機(jī)收質(zhì)量，而倒折主要是因?yàn)橹仓旮腥厩o腐病所導(dǎo)致。另外還發(fā)現(xiàn)，除了玉米莖腐病外穗粒腐病的發(fā)生也較為嚴(yán)重，穗粒腐病發(fā)病癥狀表現(xiàn)為穗軸和籽粒松軟霉變，而機(jī)械粒收對(duì)玉米籽粒及穗軸的抗性和性能都有嚴(yán)格要求。關(guān)于玉米莖腐病發(fā)病有學(xué)者曾發(fā)現(xiàn)施用鉀肥可顯著降低莖腐病發(fā)生，并系統(tǒng)闡述了鉀肥對(duì)玉米莖腐病的影響機(jī)理[18-19]，而對(duì)于生產(chǎn)上最常用的施氮水平及種植密度對(duì)玉米莖腐病和穗粒腐病發(fā)生的影響卻鮮有詳細(xì)報(bào)道。

本試驗(yàn)通過優(yōu)化氮肥管理技術(shù)和增加種植密度來調(diào)控玉米群體結(jié)構(gòu)，研究不同施氮模式和種植密度對(duì)玉米產(chǎn)量形成及影響機(jī)收質(zhì)量的玉米莖腐病和穗粒腐病發(fā)病規(guī)律的影響，旨在為西南地區(qū)夏玉米實(shí)現(xiàn)綠色增產(chǎn)并利于機(jī)械化收獲提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試品種為當(dāng)?shù)刂魍朴衩纂s交種寶玉9號(hào)。供試氮肥為尿素，含氮≥463 g/kg;磷肥為過磷酸鈣，含P2O5≥120 g/kg;鉀肥為農(nóng)用化肥硫酸鉀，含K2O≥500 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分別于2015，2016 年在云南省紅河州蒙自市文瀾鎮(zhèn)大臺(tái)子村進(jìn)行，前茬作物為冬馬鈴薯。采用二因素裂區(qū)田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，施氮模式(P)為主要因素，密度(D)為次要因素。施氮模式設(shè)2個(gè)水平，分別是傳統(tǒng)施氮模式(CNP)和氮肥減量間隔穴深施模式(RDNP)，2種施氮模式總施氮量分別為240，180 kg/hm2，氮肥均按底肥和追肥2次施入，施入量均占總量的50%，底肥在播種時(shí)開溝條施，而后期追肥方法不同。CNP模式：后期施氮按照當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)方法，即玉米大喇叭口時(shí)期，在雨季將肥料均勻淺施在玉米行之間，使其通過自然降雨淋溶達(dá)到施肥目的。RDNP模式：后期施氮采用間隔式穴深施方法，即玉米大喇叭口時(shí)期，用土壤打穴器每間隔2行并每行再間隔2株打洞開1穴，穴深15 cm左右，然后將肥料均勻施入穴內(nèi)并覆土。密度設(shè)3個(gè)水平，分別為習(xí)慣稀植密度(D1，5.25萬株/hm2)和2個(gè)高密度(D2，6.75萬株/hm2和D3，8.25萬株/hm2)。3次重復(fù)，每小區(qū)種植8行，小區(qū)面積約為60 m2。各處理施磷量125 kg/hm2，施鉀量130 kg/hm2，全部磷和鉀肥于播種前一次性基施。全生育期內(nèi)不噴施任何殺菌劑，水分管理和蟲草害防治技術(shù)均按高產(chǎn)栽培要求實(shí)施。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成及氮肥偏生產(chǎn)力 生理成熟期，代表性取樣10株，調(diào)查穗行數(shù)、行粒數(shù)，計(jì)算穗粒數(shù)，測定千粒質(zhì)量等產(chǎn)量構(gòu)成因素。在測產(chǎn)區(qū)域內(nèi)除去小區(qū)兩端的2行及邊行，調(diào)查有效穗數(shù)，摘穗后人工脫粒，測鮮粒質(zhì)量和含水率，并折算成含水率為14.0%的產(chǎn)量。氮肥偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量，單位為kg/kg。

1.3.2 干物質(zhì)積累、葉面積指數(shù)和收獲指數(shù) 分別于八葉期(V8)、12葉期(V12)、吐絲期(R1)、乳熟期(R3)和生理成熟期(R6)代表性取樣4株，按莖、葉、苞葉、穗軸、籽粒等分樣，測定樣株所有綠葉長和寬，按“長×寬×系數(shù)”(未完全展開葉系數(shù)為0.50，展開為0.75)計(jì)算葉面積及葉面積指數(shù)。樣品105 ℃殺青后，置于75 ℃恒溫鼓風(fēng)干燥箱烘至恒質(zhì)量，稱量干物質(zhì)質(zhì)量。R6期結(jié)合干物質(zhì)質(zhì)量計(jì)算收獲指數(shù)。

1.3.3 葉片凈光合速率和SPAD值 分別于V12、R1和R3時(shí)期，采用Li-6400(LI-COR)便攜式光合儀測定凈光合速率(Pn)，測定時(shí)選擇晴天上午10：00-12：00進(jìn)行。V12期，選取最上部完全展開葉，R1期和R3期，選取穗位葉，測定時(shí)選取靠近葉尖1/2的部位，避開中間葉脈，每小區(qū)連續(xù)測定7 株。

分別于V8、V12、R1、R3、R6時(shí)期，采用SPAD-502測量儀測定葉片SPAD值，用來表示葉綠素含量的相對(duì)值。R1期以前，選取植株上部全展葉進(jìn)行測定，R1期及以后均選取穗位葉進(jìn)行測定。測定時(shí)選取靠近葉片中部兩側(cè)外延區(qū)域，每小區(qū)連續(xù)測定15株。

1.3.4 玉米莖腐病和穗粒腐病的調(diào)查 生理成熟期前7 d，詳細(xì)調(diào)查玉米莖腐病和穗粒腐病。在調(diào)查病害區(qū)域除去小區(qū)兩端的2行和邊行，分別記錄總株數(shù)、發(fā)病株數(shù)及其發(fā)病植株級(jí)別，最后計(jì)算發(fā)病率和病情指數(shù)，發(fā)病率=(調(diào)查的發(fā)病株數(shù)/調(diào)查的總株數(shù))×100%，病情指數(shù)=∑(各級(jí)病株數(shù)×各級(jí)代表值)/(調(diào)查總株數(shù)×最高級(jí)代表值)×100，發(fā)病級(jí)別按病害的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析采用Microsoft Excel 2010和Statistica 8.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮模式和密度對(duì)玉米產(chǎn)量形成的影響

2.1.1 產(chǎn)量、收獲指數(shù)及氮肥偏生產(chǎn)力 由表1可知，2個(gè)不同施氮模式對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量及收獲指數(shù)影響均不產(chǎn)生顯著影響，而RDNP較CNP顯著提高了氮肥偏生產(chǎn)力，2 a平均提高33.7%，且年份之間無顯著差異。密植D2和D3較D1均能顯著提高籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量，2 a平均分別提高27.5%和37.2%，然而同是繼續(xù)增密1.5萬株/hm2，D2較D1籽粒產(chǎn)量2 a平均增加2.57 t/hm2，而D3較D2籽粒產(chǎn)量2 a平均僅增加0.91 t/hm2，因此，密植D3較D2繼續(xù)增產(chǎn)的幅度下降明顯。收獲指數(shù)在密度間的差異均不顯著。

表1 施氮模式和密度對(duì)玉米產(chǎn)量、收獲指數(shù)及氮肥偏生產(chǎn)力的影響Tab.1 Effects of nitrogen fertilizer management pattern and planting density on yield，harvest index and nitrogen partial productivity of maize

注：表中不同小寫字母表示在同一年度內(nèi)各因素水平間0.05水平差異顯著；*.處理間達(dá)0.05水平差異顯著；**.處理間達(dá)0.01水平差異極顯著；ns.處理間在0.05 水平差異不顯著。表2-3同。

Note：Different lowercase letters indicate significantly different values;*.P<0.05; **.P<0.01; ns. Not significantly different. The same as Tab. 2-3.

2.1.2 產(chǎn)量構(gòu)成因素 由表2可知，2個(gè)施氮模式對(duì)玉米有效穗數(shù)影響不顯著，而對(duì)穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。其中RDNP下的穗粒數(shù)雖然小于CNP，但是千粒質(zhì)量卻顯著大于CNP，這說明RDNP可能是通過后期氮肥深施利于花后籽粒物質(zhì)積累，增加粒質(zhì)量，彌補(bǔ)前期穗粒數(shù)的不足。種植密度對(duì)有效穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒質(zhì)量產(chǎn)生有顯著影響。有效穗數(shù)表現(xiàn)為隨密度增加而增加，穗粒數(shù)總體來看隨密度增加呈下降趨勢(shì)，其中D1、D2處理顯著大于D3處理，而D1和D2差異不顯著，且年份間差異也不顯著。千粒質(zhì)量隨密度增加亦呈下降趨勢(shì)，但年份間有差異，2015年僅是D1和D3差異顯著，而2016年時(shí)D1和D2均與D3差異達(dá)到顯著性水平?？偟膩碚f，與D1相比，密植尤其是D3下的穗粒數(shù)顯著減少，穗粒質(zhì)量降低，然而密植顯著增加的效穗數(shù)彌補(bǔ)穗粒質(zhì)量不足，最終實(shí)現(xiàn)密植增產(chǎn)。施氮模式與密度互作效應(yīng)的方差分析結(jié)果表明，施氮模式與密度互作處理間存在差異，其中有效穗數(shù)和穗粒數(shù)均達(dá)到極顯著差異，而千粒質(zhì)量達(dá)到顯著差異。

表2 施氮模式和密度對(duì)玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Tab.2 Effects of nitrogen fertilizer management pattern and planting density on yield components of maize

2.1.3 葉面積指數(shù)、SPAD值和凈光合速率 由圖1的葉面積指數(shù)分析結(jié)果顯示，玉米吐絲期(R1)以前，CNP和RDNP間除了2016年D1下V12期差異不顯著以外，其余D1和D2下RDNP的葉面積指數(shù)均顯著小于CNP(P<0.05)，而D3下的差異不顯著(P>0.05);開花吐絲期以后，除了2016年D1和D2下R6期差異不顯著以外，其余各密度下RDNP的葉面積指數(shù)均顯著大于CNP(P<0.05)。由圖2的葉片SPAD值分析結(jié)果顯示，開花吐絲以前，CNP和RDNP間除了D3下的差異不顯著以外，總體來看其余的RDNP下葉片SPAD值小于CNP;開花吐絲期以后，各密度下RDNP的SPAD值均顯著大于CNP(P<0.05)。由圖3的凈光合速率分析結(jié)果表明，在密度一致的條件下開花吐絲期以前，RDNP下的凈光合速率顯著小于CNP(P<0.05)，而在開花吐絲期以后則又顯著大于CNP(P<0.05)，在密度方面表現(xiàn)為D2和D3下的凈光合速率均顯著小于D1(P<0.05)。根據(jù)以上分析結(jié)果不難看出，玉米前期施用底肥方法一致條件下，RDNP的氮肥減量在一定程度上會(huì)明顯降低玉米葉片SPAD值和凈光合速率，然而RDNP通過后期氮肥間隔穴深施又能有效延緩花后葉面積指數(shù)、葉片SPAD值和凈光合速率的衰減幅度，使花后形成相對(duì)較高的葉面積指數(shù)，相對(duì)提高光合生理性能，利于后期物質(zhì)積累，進(jìn)而彌補(bǔ)花前不足，這進(jìn)一步為表2中的2種不同施氮模式的穗粒數(shù)和粒質(zhì)量存有差異提供依據(jù)。

圖中不同小寫字母表示在同一生育時(shí)期內(nèi)不同施氮模式間0.05水平差異顯著。圖2-3同。Different lowercase letters indicate that there was a significant difference in 0.05 level among different nitrogen fertilizer management pattern in the same growth stage. The same as Fig.2-3.

圖2 不同密度下施氮模式對(duì)玉米不同生育時(shí)期葉片SPAD值的影響Fig.2 Effects of nitrogen fertilizer management pattern on leaf SPAD values of maize at different growth stages in different planting density

圖3 施氮模式和密度對(duì)玉米不同生育時(shí)期凈光合速率(Pn)的影響Fig.3 Effects of nitrogen fertilizer management pattern and planting density on net photosynthetic rate of maize at different growth stages

2.2 施氮模式和密度對(duì)玉米莖腐病和穗粒腐病發(fā)病的影響

由表3的分析結(jié)果可知，不同的施氮模式對(duì)玉米莖腐病發(fā)病產(chǎn)生有顯著影響，其中RDNP可顯著降低玉米莖腐病的發(fā)病率(2015年)和病情指數(shù)(2016年)，2 a平均分別比CNP下降了4.8百分點(diǎn)和26.8%，而總體來說卻對(duì)穗粒腐病的影響不顯著。密度對(duì)莖腐病和穗粒腐病發(fā)病影響顯著，但密植D2和D3對(duì)莖腐病和穗粒腐病的影響效果并不一致，密植D3條件下的玉米莖腐病和穗粒腐病均表現(xiàn)嚴(yán)重，其中莖腐病的發(fā)病率和病情指數(shù)2 a平均分別是D1的3.0，1.9倍，穗粒腐病為2.5，2.3倍，而D2與D1的差異不顯著。

表3 施氮模式和密度對(duì)玉米莖腐病和穗粒腐病發(fā)生的影響Tab.3 Effects of nitrogen fertilizer management pattern and planting density on maize stalk rot and ear and kernel rot

3 結(jié)論與討論

3.1 氮肥減量及深施對(duì)玉米產(chǎn)量形成的影響

氮素是作物需求量最大的營養(yǎng)元素。研究指出氮肥減量會(huì)使玉米花后中下層葉片加速凋亡，減小穗上葉光合速率、葉面積指數(shù)和光合勢(shì)，降低干物質(zhì)積累總量，最終影響產(chǎn)量[2，20-21]。從產(chǎn)量構(gòu)成因素角度分析，氮肥對(duì)產(chǎn)量的影響主要體現(xiàn)在穗粒數(shù)和穗粒質(zhì)量上，氮肥減量會(huì)顯著抑制穗粒數(shù)和穗粒質(zhì)量的增加[3，22]，使玉米減產(chǎn)。從肥料利用角度看，氮肥減施雖可提高氮肥偏生產(chǎn)力[2]和氮肥利用效率[20，23]，卻降低籽粒對(duì)氮素的吸收利用率[24]、氮素同化量[25]和氮素轉(zhuǎn)運(yùn)效率[2]，最終影響產(chǎn)量。有研究表明，在氮肥用量不變的條件下通過氮肥深施可有效降低氨揮發(fā)，減少氮素表觀損失[26]，提高葉面積指數(shù)、光合勢(shì)、干物質(zhì)積累總量及花后干物質(zhì)貢獻(xiàn)率，表現(xiàn)為增產(chǎn)[26-28]。但也有研究表明，氮肥通過一次性深施會(huì)降低氮吸收總量，反而不利于增產(chǎn)[4，29]。本次的試驗(yàn)結(jié)果表明，在氮肥減量的同時(shí)再結(jié)合后期氮肥隔行穴深施對(duì)玉米產(chǎn)量影響不顯著，即表現(xiàn)為既不增產(chǎn)也不減產(chǎn)，這與前人[2-3，20-22，26-27]的研究結(jié)果不盡一致，造成這種結(jié)果不一致的主要原因可能與施氮總量、氮肥減施幅度以及施肥方法的差異有關(guān)。因此，在實(shí)施氮肥減量時(shí)一是要根據(jù)地力水平及目標(biāo)產(chǎn)量合理制定施氮量，二是有必要對(duì)施肥方法進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化和改進(jìn)，這將對(duì)穩(wěn)定玉米產(chǎn)量和提升肥料利用效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 密度對(duì)玉米產(chǎn)量形成的影響

大量研究結(jié)果表明，玉米通過增加種植密度會(huì)推遲雌穗小花分化，減少小花發(fā)育總數(shù)[30]，降低穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量[6，31-32]和穗粒質(zhì)量[6]，減小下層葉片葉綠素含量[33]、葉片SPAD值[34]、凈同化率[31]及凈光合速率[32，34]，降低單株干物質(zhì)積累量[8，10]。但是適度增密可顯著增加單位面積上的有效穗數(shù)[31-32]，提高葉面積指數(shù)[6，31-32，34]、總光合勢(shì)[6]和干物質(zhì)積累總量[10]，從而顯著增產(chǎn)。本次試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了以上說法，這與前人研究結(jié)果是基本一致的。這充分說明增密雖降低玉米個(gè)體質(zhì)量，但顯著增加的群體數(shù)量彌補(bǔ)個(gè)體不足，最終達(dá)到增密增產(chǎn)。然而本次試驗(yàn)的結(jié)果還得出，種植密度從6.75萬株/hm2再增加到8.25萬株/hm2時(shí)，其繼續(xù)增產(chǎn)幅度將大幅下降，同時(shí)玉米病害明顯加重，密植增產(chǎn)的效果下降趨勢(shì)明顯。故生產(chǎn)上應(yīng)根據(jù)本區(qū)域具體的環(huán)境生態(tài)條件進(jìn)行適度密植，這是實(shí)現(xiàn)玉米密植增產(chǎn)的關(guān)鍵，不可盲目性增密。

3.3 氮肥減量深施和密度對(duì)玉米莖腐病和穗粒腐病發(fā)病的影響

從影響玉米機(jī)收質(zhì)量角度分析，玉米感染莖腐病后莖稈組織軟化[18]，機(jī)械力學(xué)強(qiáng)度下降，植株后期易發(fā)倒伏和倒折，進(jìn)而降低機(jī)收作業(yè)效率及增加落地籽粒損失率，玉米莖腐病發(fā)生嚴(yán)重時(shí)，果穗松軟下垂，籽粒與穗軸連接力變大，不易脫粒，籽粒破損率和含雜率增大。根據(jù)玉米機(jī)械粒收實(shí)測的分析結(jié)果來看，機(jī)收籽粒中的雜質(zhì)主要是破碎的穗軸，故穗軸的生物學(xué)和機(jī)械力學(xué)特性是影響含雜率大小的關(guān)鍵因素[35]，玉米發(fā)生穗粒腐病后，穗軸及籽粒后期生理脫水特性失調(diào)，表現(xiàn)出霉變松軟含水率變大[36]，籽粒機(jī)收時(shí)籽粒的清選難度加大。本次試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)施氮模式相比，氮肥減量間隔穴深施模式可顯著降低玉米莖腐病發(fā)病，而對(duì)穗粒腐病影響不顯著，然而對(duì)其的作用機(jī)理尚需深入探究。種植密度對(duì)玉米莖腐病和穗粒腐病影響的分析表明，種植密度增加到8.25萬株/hm2時(shí)，玉米莖腐病和穗粒腐病的發(fā)病較6.75萬株/hm2密度下均有明顯升高，增加植株后期倒伏和倒折風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)機(jī)收不利。

綜合以上分析，氮肥減量間隔穴深施的施氮模式結(jié)合6.75萬株/hm2的種植密度在減少氮肥用量的同時(shí)還可使玉米顯著增產(chǎn)，提高肥料利用效率，有效控制玉米莖腐病及穗粒腐病的發(fā)生，可為西南地區(qū)夏玉米實(shí)現(xiàn)綠色增產(chǎn)并利于機(jī)械化收獲提供理論依據(jù)。