玉米灌漿中后期倒伏風(fēng)災(zāi)指標(biāo)及對(duì)產(chǎn)量的影響

李民華，易永，黃晚華，黃安鳳，劉思華

(1.懷化市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，湖南 懷化 418000；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410118；3.湖南省氣象科學(xué)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410118)

風(fēng)災(zāi)倒伏是玉米生產(chǎn)過程的不利因子之一。莖稈性狀(穗位高、株高、莖租、莖稈強(qiáng)度等)[1–3]、栽培措施(肥料、密度、栽培方式等)[4–6]、病蟲害[7]等均與玉米倒伏密切相關(guān)。倒伏造成玉米減產(chǎn)主要是引起穗粒數(shù)減少和百粒質(zhì)量下降[8–10]，其中，莖倒對(duì)玉米產(chǎn)量的損失大于根倒[11]。倒伏對(duì)玉米品質(zhì)的影響，以對(duì)粗蛋白、粗脂肪的影響較大，對(duì)淀粉含量影響較小[12]。玉米是湖南第一大旱糧作物，以春玉米為主，一般3月中旬至4月上旬播種，6月中下旬抽雄，8月收獲[13]。生育中后期時(shí)有暴雨、大風(fēng)及局地強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生，造成玉米倒伏減產(chǎn)。

筆者于2017—2019年在湖南中方縣瀘陽鎮(zhèn)開展了春玉米分期播種試驗(yàn)，旨在研究玉米灌漿至成熟期間5級(jí)以上風(fēng)力[14]對(duì)玉米倒伏的影響；總結(jié)分析不同品種、不同播期玉米倒伏程度與最大風(fēng)速、植株高度、穗位高的關(guān)系；結(jié)合風(fēng)災(zāi)倒伏人工模擬試驗(yàn)，研究不同時(shí)期倒伏對(duì)玉米產(chǎn)量損失的影響，建立產(chǎn)量損失率與倒伏時(shí)期的定量關(guān)系模型，旨在為玉米生產(chǎn)減災(zāi)防災(zāi)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

玉米分期播種試驗(yàn)在湖南省中方縣瀘陽鎮(zhèn)3個(gè)海拔高度(250、500、730 m)進(jìn)行。2017—2019年連續(xù)3年于海拔250 m處設(shè)4個(gè)播期，在3月上旬至4月中旬播種，每個(gè)播期間隔10 d左右。每播期每品種設(shè)4次重復(fù)(其中1個(gè)重復(fù)用于試驗(yàn)生物量測(cè)定取樣)。統(tǒng)一基質(zhì)育苗。采用起壟寬窄行定向栽培，壟長(zhǎng)5.8 m，壟寬與溝寬之和為1.25 m，每壟栽2行，每行18株，窄行間距0.4 m，寬行間距0.85 m。每株第一片葉統(tǒng)一朝向壟外側(cè)。每個(gè)重復(fù)小區(qū)栽12壟，共432株，栽培密度為49 500株/hm2。總施肥量為：N，270 kg/hm2；P，90 kg/hm2；K，180 kg/hm2。以基肥、大喇叭口期肥為主，其氮肥所占比例分別為總氮施肥量的50%、45%；拔節(jié)期對(duì)生長(zhǎng)不平衡的小植株偏施肥。各生育期不受病蟲害和干旱等脅迫影響。2018、2019年還在海拔高度500、730 m處開展了分期播種試驗(yàn)，均設(shè)4個(gè)播期，每播期每品種設(shè)4次重復(fù)；在海拔高度250 m處育苗后移栽至大田。試驗(yàn)品種均為中單808和先玉1171。

1.2 觀測(cè)內(nèi)容和方法

試驗(yàn)期間，在海拔高度250、730 m處分別安裝VP2 6162B 農(nóng)田小氣候監(jiān)測(cè)站，每30 min傳輸1次農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)，按《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》記錄風(fēng)速、風(fēng)向及氣溫、相對(duì)濕度、輻射量、降水量等氣候要素，風(fēng)桿高度為3.5 m；觀測(cè)記錄玉米發(fā)育期、植株高度、穗位高、生物量、產(chǎn)量等生物要素；開展自然風(fēng)災(zāi)倒伏調(diào)查。

1) 倒伏株率(D)。各試驗(yàn)小區(qū)連續(xù)調(diào)查100株，每播期每品種共調(diào)查400株。按每播期品種統(tǒng)計(jì)總株數(shù)(N)、倒伏株數(shù)(Nl)，計(jì)算倒伏株率。

2) 產(chǎn)量損失。玉米成熟時(shí)，每小區(qū)取倒伏、未倒伏代表性植株各20株，按《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》測(cè)量穗長(zhǎng)、穗粗、禿尖長(zhǎng)、穗粒數(shù)、棒總質(zhì)量、棒籽粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量。

1.3 人工模擬倒伏試驗(yàn)

于2018年7月10日在海拔250 m試驗(yàn)地，模擬2017年7月29日自然倒伏情景，對(duì)4個(gè)播期2個(gè)品種3個(gè)重復(fù)進(jìn)行人工玉米莖折彎試驗(yàn)，各小區(qū)玉米折彎50株，每個(gè)品種每播期折彎150株。折彎方法為：以一只手作支點(diǎn)，另一只手用力使玉米節(jié)或節(jié)間彎折；莖彎折節(jié)位為玉米地上部3～6節(jié)，為非完全折斷，折斷后莖表皮、表皮內(nèi)機(jī)械組織、基本組織保持連接。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1) 產(chǎn)量損失率(R)。R=(Y0－Yl)/Y0×100%。

式中：R為倒伏株產(chǎn)量損失率；Y0為未倒伏株平均產(chǎn)量；Yl為倒伏株平均產(chǎn)量。

2) 產(chǎn)量損失顯著性檢驗(yàn)。采用t 檢驗(yàn)法，通過Excel 2007 完成。

3) 模型的建立。采用逐步回歸、殘差回歸等方法，運(yùn)用SPSS 完成建模。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響玉米倒伏株率的關(guān)鍵因子分析

2.1.1 風(fēng)速對(duì)玉米倒伏株率的影響

對(duì)玉米灌漿臘熟期間發(fā)生的5級(jí)以上風(fēng)力，特別是最大風(fēng)速≥12.0 m/s的強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行調(diào)查。從表1可以看出，當(dāng)最大風(fēng)速<13.00 m/s時(shí)，中單808與先玉1171均無倒伏發(fā)生。當(dāng)最大風(fēng)速為13.0 m/s，中單808有少量植株倒伏，先玉1171無倒伏發(fā)生；當(dāng)最大風(fēng)速為14.8 m/s，中單808倒伏株率為35%～70%，先玉1171倒伏株率在0～20%；當(dāng)最大風(fēng)速達(dá)到20.0 m/s時(shí)，中單808、先玉1171倒伏株率均達(dá)80%以上，兩品種間倒伏程度差異較小?？梢姡L(fēng)速是引起玉米倒伏的關(guān)鍵外部因子。

2.1.2 播期與植株高度及穗位高對(duì)玉米倒伏株率的影響

從表1可以看出，2017年7月29日的風(fēng)災(zāi)，中單808、先玉1171均以第Ⅱ、 Ⅲ 播期倒伏株率較高，第Ⅰ播期的次之，第Ⅳ播期的倒伏株率最低，其中，先玉1171第Ⅳ播期無倒伏發(fā)生。2018年7月26日發(fā)生風(fēng)災(zāi)，中單808第Ⅲ播期和第Ⅳ播期有植株倒伏，第Ⅱ播期無倒伏發(fā)生。分析其原因，發(fā)現(xiàn)倒伏株率主要與植株高度、穗位高相關(guān)，與播期遲早相關(guān)性不大，同一天氣過程、同一品種不同播期玉米倒伏株率隨植株高度、穗位高度升高略有加重趨勢(shì)。

表1 先玉1171 與中單808 的植株性狀與風(fēng)災(zāi)倒伏株率Table 1 Plant characters and wind disaster lodging rate of Xianyu 1171 and Zhongdan 808

2.2 不同品種間玉米倒伏株率的比較

2017年7月29日，先玉1171與中單808 4個(gè)播期的平均倒伏株率分別為(11.25±8.54)%、(53.75±16.52)%，先玉1171較中單808平均低42.5%；2018年7月26日，先玉1171各播期無倒伏發(fā)生，中單808倒伏株率最高達(dá)11%?？梢?，先玉1171抗倒伏能力相對(duì)較強(qiáng)，倒伏株率較低。

對(duì)2個(gè)品種的植株性狀進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)先玉1171較中單808穗位低18～33 cm；先玉1171植株高度較中單808高13～36 cm；先玉1171莖粗較中單808小0.07～0.39 cm。根據(jù)力矩原理，穗位低，植株重心低，在相同風(fēng)力條件下基部莖稈受彎折力較小，抗彎折能力較強(qiáng)。2018年，用YYD–1莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀測(cè)量了先玉1171、中單808第Ⅱ播期(成熟前0～1 d)、第Ⅲ播期(成熟前4～5 d)、第Ⅳ播期(成熟前13～14 d)地上部莖基部第3節(jié)間的抗彎折力，每個(gè)重復(fù)取代表性植株3株。結(jié)果顯示，先玉1171較中單808各播期抗彎折力大，幅度為28.3～81.3 N?？梢?，重心低、抗彎折力強(qiáng)是先玉1171抗倒伏能力強(qiáng)于中單808的主要原因。

2.3 玉米倒伏風(fēng)災(zāi)指標(biāo)分析

根據(jù)7次最大風(fēng)速≥12.0 m/s強(qiáng)對(duì)流天氣下不同播期玉米的倒伏株率，建立關(guān)系模型，如圖1。中單808 的倒伏株率與最大風(fēng)速的關(guān)系式：y= –2.526 2x2+94.217x–788.5，R2=0.909，f =44.957，P=0.000；先玉1171的倒伏株率與最大風(fēng)速的關(guān)系為y=1.081 9x2–24.381x+134.9，R2=0.961，f =113.22，P=0.000。根據(jù)公式推算，在12.0～20.0 m/s，玉米倒伏株率與最大風(fēng)速存在顯著正相關(guān)趨勢(shì)。若以倒伏株率為10%作為玉米倒伏受害指標(biāo)，運(yùn)用以上公式計(jì)算得出中單808、先玉1171的受害風(fēng)速指標(biāo)分別為13.0、13.9 m/s。結(jié)合不同播期玉米倒伏的實(shí)況資料分析，在玉米正常生長(zhǎng)條件下，中單808、先玉1171倒伏風(fēng)速指標(biāo)為13.0～14.0 m/s。

圖1 玉米倒伏株率與最大風(fēng)速的關(guān)系Fig.1 The r elation b etween maize l odging ra te a nd m aximum wind speed

利用圖1曲線公式生成的倒伏株率風(fēng)速模擬殘差(ye=y–yi，y為倒伏株率實(shí)測(cè)值，yi為倒伏株率模擬值)進(jìn)行分析，建立模擬殘差值與玉米植株高度的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。本研究中，中單808植株高度為275～314 cm，先玉1171植株高度為288～334 cm，中單808與先玉1171倒伏株率風(fēng)速的模擬殘差值與植株高度呈拋物線曲線關(guān)系，關(guān)系式分別為y=0.024 7x2－14.108x+2011.5，R2=0.495 6，f =4.421，P=0.046和y=0.017 2x2－10.623x+1 637.2，R2=0.505 5，f=4.50，P=0.042。從此公式推得，中單808、先玉1171植株高度分別為286、309 cm時(shí)，達(dá)到模擬曲線頂點(diǎn)，之后隨著植株高度增加，玉米倒伏株率的模擬殘差值增加，說明隨玉米植株高度升高，其倒伏風(fēng)災(zāi)指標(biāo)有所降低。

圖2 玉米倒伏株率的模擬殘差值與植株高度的關(guān)系Fig.2 The relationship be tween sim ulated residuals o f lodg ing rate and plant height of maize

2.4 倒伏對(duì)不同播期玉米產(chǎn)量要素的影響

本試驗(yàn)中，2018 年8 月9 日玉米倒伏時(shí)已接近成熟，2018 年7 月26 日玉米倒伏植株數(shù)較少；因此，倒伏對(duì)玉米產(chǎn)量要素的影響的研究主要基于2017 年 7 月 29 日的自然風(fēng)災(zāi)倒伏和 2018 年 7 月10 日人工倒伏模擬試驗(yàn)資料。2017 年7 月29 日倒伏時(shí)，中單808 第I 期、第Ⅱ期、Ⅲ期、Ⅳ期分別處在吐絲后47、41、34、27 d，即成熟前5、10、17、24 d；先玉1171 第I 期、第Ⅱ期、Ⅲ期、Ⅳ期分別處在吐絲后47、42、36、27 d，成熟前5、10、17、24 d。2018 年7 月10 日人工模擬倒伏處理時(shí)，中單808 第I 期、第Ⅱ期、Ⅲ期、Ⅳ期分別在吐絲后 42、37、32、22 d，成熟前 14、17、21、32 d；先玉1171 第I 期、第Ⅱ期、Ⅲ期、Ⅳ期分別處在吐絲后 42、37、32、21d，成熟前 14、17、21、32 d。

2.4.1 倒伏對(duì)穗粒數(shù)的影響

從表2 可以看出，2017 年7 月29 日自然風(fēng)災(zāi)時(shí)，先玉 1171 第 I～Ⅲ期倒伏株穗粒數(shù)損失率在3.30%之內(nèi)，中單808 第I～Ⅳ期倒伏株穗粒數(shù)損失率在3.98%之內(nèi)，均未達(dá)顯著水平。2018 年7 月10日的人工模擬倒伏試驗(yàn)，第I 期、第Ⅱ期、第Ⅲ期倒伏株與未倒伏株穗粒數(shù)無顯著差異；第Ⅳ播期的先玉1171、中單808 的倒伏株較未倒伏株平均穗粒數(shù)分別減少50.47、45.83 粒，損失率分別為7.70%、7.50%，差異顯著。說明自然風(fēng)災(zāi)倒伏和人工莖彎折試驗(yàn)，對(duì)玉米穗粒數(shù)的影響趨勢(shì)相似，當(dāng)?shù)狗l(fā)生在距吐絲27 d 之后，倒伏對(duì)玉米穗粒數(shù)無顯著影響；隨倒伏時(shí)期提早，對(duì)穗粒數(shù)的影響增加；倒伏發(fā)生距成熟32 d 之前，即距吐絲22 d 之內(nèi)時(shí)，對(duì)穗粒數(shù)的影響達(dá)顯著水平。

表2 不同播期2 個(gè)供試玉米品種的穗粒數(shù)及損失率Table 2 Spikelets per panicle and loss rate of two maize varieties at different sowing dates

2.4.2 倒伏對(duì)百粒質(zhì)量的影響

從表3 可以看出，2017 年第I 播期、第Ⅱ播期和2018 年第I 播期，兩品種倒伏發(fā)生在成熟前14 d內(nèi)，百粒質(zhì)量損失率在3%以內(nèi)，t 檢驗(yàn)不顯著。2017年第Ⅲ播期、2018 年第Ⅱ播期，兩品種在成熟前17 d 發(fā)生倒伏，百粒質(zhì)量損失率均在4.0%左右，t檢驗(yàn)在0.05 顯著水平的臨界期上下波動(dòng)。隨倒伏時(shí)期提早，百粒質(zhì)量損失率加大，2018 年第Ⅲ、第Ⅳ播期在成熟前21～32 d 發(fā)生倒伏，先玉1171、中單808 百粒質(zhì)量損失率分別為 8.16%～12.23%和5.30%～8.70%，t 檢驗(yàn)顯著。

表3 不同播期2 個(gè)供試玉米品種的百粒質(zhì)量Table 3 100-seed weight of two maize varieties at different sowing dates

2.4.3 倒伏對(duì)植株籽粒產(chǎn)量的影響

從表4 可以看出，2017 年第I、Ⅱ播期和2018年第I 播期，倒伏發(fā)生在成熟前14 d 之內(nèi)，2 個(gè)品種植株籽粒產(chǎn)量損失率在4%以內(nèi)，t 檢驗(yàn)不顯著。隨著倒伏提早，植株籽粒損失率增加，2018 年第Ⅱ播期，2 個(gè)品種在成熟前17 d 發(fā)生倒伏，籽粒產(chǎn)量損失率在 t 檢驗(yàn)臨界值上下波動(dòng)。2017 年和 2018年的第Ⅲ、Ⅳ播期，先玉1171、中單808 倒伏造成的植株籽粒產(chǎn)量損失率分別為 7.40%～19.63%和6.86%～17.24%，t 檢驗(yàn)達(dá)顯著水平。

表4 不同播期2 個(gè)供試玉米品種的籽粒產(chǎn)量Table 4 Grain yield of two maize varieties at different sowing dates

2.5 產(chǎn)量損失率與玉米倒伏時(shí)期的關(guān)系

利用自然風(fēng)災(zāi)倒伏(2017 年)和人工莖彎折倒伏模擬試驗(yàn)(2018 年)數(shù)據(jù)，分別建立2 個(gè)品種百粒質(zhì)量、單株產(chǎn)量損失率與倒伏距成熟天數(shù)的關(guān)系，如圖3、圖4、圖5、圖6。隨著倒伏距成熟天數(shù)增加，百粒質(zhì)量損失率、單株產(chǎn)量損失率均增加。從模型方程推得，倒伏每提早1 d，中單808 于2017 年產(chǎn)量損失率增加0.366 5%，2018 年產(chǎn)量損失率增加0.990 3%；先玉1171 于2017 年、2018 年產(chǎn)量損失率分別增加0.482 7%和1.111%。這可能與2018 年莖彎折時(shí)期較早且莖彎折后出現(xiàn)了持續(xù)高溫天氣有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，以單株產(chǎn)量損失率為指標(biāo)，以<10%為輕度受害，≥10%為中等以上受害程度，分別代入圖4、圖6 模擬方程。計(jì)算得到，2017 年自然風(fēng)災(zāi)倒伏時(shí)，中單808 遭受10%產(chǎn)量損失，其倒伏距成熟約為27 d；2018 年人工莖彎折處理，其倒伏距成熟時(shí)間約為23 d；2017 年先玉1171 受10%的產(chǎn)量損失，倒伏距成熟約為23 d，2018 年模擬約為24 d。說明湖南春玉米在灌漿中后期在距成熟期 23～27 d(平均25 d)之前倒伏，遭遇的產(chǎn)量損失會(huì)達(dá)中等程度(≥10%)水平；隨著倒伏時(shí)期進(jìn)一步提早，產(chǎn)量損失率會(huì)進(jìn)一步加大。利用2018年人工莖彎折產(chǎn)量損失模型預(yù)測(cè)時(shí)，中單808、先玉1171在成熟前32、34 d莖彎折倒伏，其產(chǎn)量損失率達(dá)20%以上。由于2017年自然風(fēng)災(zāi)倒伏發(fā)生較遲，倒伏距成熟天數(shù)在24 d之內(nèi)，與2018年人工莖彎折模擬結(jié)果有較大的差異，產(chǎn)量損失模型對(duì)較早時(shí)期倒伏的模擬效果不佳，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖3 中單808 百粒質(zhì)量損失率與倒伏距成熟天數(shù)的關(guān)系Fig.3 The r elationship be tween lo ss r ate of 100- grain weight and the days from lodging to maturity of Zhongdan 808

圖4 中單808 產(chǎn)量損失率與倒伏距成熟天數(shù)的關(guān)系Fig.4 The relationship between yield loss rate per plant and the days from lodging to maturity of Zhongdan 808

圖5 先玉1171 百粒質(zhì)量損失率與倒伏距成熟天數(shù)的關(guān)系Fig.5 The r elationship be tween lo ss r ate of 100- grain weight and the days from lodging to maturity of Xianyu 1171

圖6 先玉1171 產(chǎn)量損失率與倒伏距成熟天數(shù)的關(guān)系Fig.6 The relationship between yield loss rate per plant and the days from lodging to maturity of Xianyu 1171

3 結(jié)論與討論

中單808、先玉1171灌漿中后期風(fēng)災(zāi)倒伏指標(biāo)為13.0～14.0 m/s，兩品種略有差異，先玉1171較中單808平均穗位低、抗彎折力強(qiáng)，倒伏風(fēng)災(zāi)指標(biāo)略大。玉米灌漿中后期倒伏對(duì)產(chǎn)量的影響，以百粒質(zhì)量降低為主，隨倒伏距成熟期天數(shù)增加，距吐絲期越近，產(chǎn)量損失越大。先玉1171、中單808在成熟前14 d之內(nèi)發(fā)生莖彎折，百粒質(zhì)量和產(chǎn)量有所下降，但損失不顯著；在成熟前約25 d之前發(fā)生莖彎折，產(chǎn)量損失可達(dá)10%以上。

玉米風(fēng)災(zāi)倒伏可分為折倒和根倒，本試驗(yàn)中自然風(fēng)災(zāi)倒伏以莖彎折倒伏為主。人工模擬的莖彎折倒伏試驗(yàn)，各播期玉米倒伏發(fā)生在吐絲期 22 d 以后，玉米倒伏減產(chǎn)損失率在20%以內(nèi)，與自然風(fēng)災(zāi)倒伏的產(chǎn)量損失程度相近，低于程富麗等[10]和李樹巖等[11]的研究結(jié)果。這主要由于本試驗(yàn)玉米倒伏發(fā)生在灌漿中后期，晚于程富麗等[10]試驗(yàn)中玉米倒伏期。中單808、先玉1171 兩品種的生育期基本一致，不同播期玉米吐絲到成熟歷期 51～56 d，灌漿速度高峰時(shí)段出現(xiàn)在吐絲后 15～40 d。玉米灌漿中后期發(fā)生倒伏后玉米莖稈彎折，導(dǎo)致光合作用和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送受影響，百粒質(zhì)量下降[12]。本試驗(yàn)在距成熟期14 d 之內(nèi)發(fā)生的倒伏，產(chǎn)量損失不顯著。農(nóng)田小氣候觀測(cè)站風(fēng)桿高度為 3.5 m，國(guó)家氣象站地面氣象觀測(cè)資料以10 m 風(fēng)桿為標(biāo)準(zhǔn)，兩者存在一定差異，以3.5 m 風(fēng)桿測(cè)定數(shù)據(jù)更接近玉米承受的風(fēng)力實(shí)際值；因此，本試驗(yàn)玉米風(fēng)災(zāi)指標(biāo)在氣象預(yù)警監(jiān)測(cè)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮用相應(yīng)的推算方法予以訂正。

本研究中，建立了玉米產(chǎn)量損失率與倒伏距成熟天數(shù)的定量關(guān)系，可為玉米倒伏產(chǎn)量損失評(píng)估提供參考。不同品種植株性狀的差異導(dǎo)致抗倒伏能力不一[15]。穗位低、莖稈韌性大、抗彎折力強(qiáng)是先玉1171 抗倒伏能力強(qiáng)于中單808 的主要原因；因此，在多風(fēng)災(zāi)地區(qū)，種植低穗位、莖稈韌性大、抗彎折力強(qiáng)的品種是抗風(fēng)災(zāi)、防倒伏的有力措施之一。同一品種不同播期的倒伏株率與植株高度、穗位高有顯著相關(guān)。通過栽培措施，降低玉米植株高度、穗位高度也是玉米風(fēng)災(zāi)防御的有效措施之一。