種植密度對(duì)不同玉米品種農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響

金兵兵，姬祥卓，莊澤龍，陳奮奇，白明興，賈璐慧，王紀(jì)良，王芳，彭云玲

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

玉米是我國(guó)重要的糧食作物之一，同時(shí)在飼料、醫(yī)藥和生物質(zhì)能源等方面具有重要作用[1].近年來(lái)，市場(chǎng)對(duì)玉米的需求量越來(lái)越大，而在我國(guó)耕地面積有限的情況下，適當(dāng)增加種植密度，是提高玉米總產(chǎn)的重要途徑[2-4]，因此，研究不同密度下玉米農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的變化規(guī)律，探索不同玉米品種在河西綠洲區(qū)的適宜種植密度具有重要意義.

玉米株型結(jié)構(gòu)能夠影響群體葉面積指數(shù)、受光能力、干物質(zhì)積累量及倒伏性能等多種指標(biāo)，進(jìn)而影響玉米產(chǎn)量，玉米產(chǎn)量與密度高低之間具有重大關(guān)系，合理密植可以使玉米植株充分利用水、光、溫、氣[5]，是實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的有效方式[6-7].勾玲等[8]試驗(yàn)表明，隨密度增加，莖稈外皮穿刺強(qiáng)度和壓碎強(qiáng)度以及干物質(zhì)量、莖粗和單位莖長(zhǎng)干物質(zhì)顯著降低，但節(jié)間長(zhǎng)度隨密度增加而升高.李寧等[9]對(duì)不同株型玉米農(nóng)藝性狀研究，表明隨群體密度的增加植株高度增高、莖粗減小、穗位節(jié)數(shù)和穗位高度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，單株干物質(zhì)積累量隨密度增加降低，但群體干物質(zhì)積累量隨密度增加而增加.

玉米籽粒產(chǎn)量與密度在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)關(guān)系，主要由有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒質(zhì)量3個(gè)因素構(gòu)成，種植密度提高，玉米穗粒數(shù)和粒質(zhì)量減小，但雌穗數(shù)量增加，從而產(chǎn)量增加[10].但密度較高時(shí)，空桿率增加，穗粒數(shù)和粒質(zhì)量顯著降低，產(chǎn)量又呈現(xiàn)降低趨勢(shì).綜上所述，通過(guò)不同種植密度研究玉米農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量變化的報(bào)道較多，但密度梯度較少，最高密度多為10萬(wàn)株/hm2左右，本試驗(yàn)在前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)立18.75萬(wàn)株/hm2的高密度，研究種植密度對(duì)玉米農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響，探索不同品種在河西綠洲區(qū)的適宜種植密度，篩選玉米耐密性鑒定指標(biāo)，為玉米耐密性研究提供幫助.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選擇近年來(lái)國(guó)審及省級(jí)審定的10個(gè)高產(chǎn)玉米雜交種作為參試材料(表1).

表1 參試玉米品種及來(lái)源

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地選擇甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)，該區(qū)為綠洲農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，寒溫帶干旱氣候，海拔1 506 m，年平均氣溫7.8 ℃，多年平均降水量為156 mm，日照時(shí)數(shù)2 200～3 030 h.試驗(yàn)地土壤類型為灌漠土，耕層土壤全氮含量0.70 g/kg、全磷含量為1.24 g/kg、有機(jī)質(zhì)15.34 g/kg.該試驗(yàn)區(qū)年降水量少，以灌溉為主，小麥、玉米為當(dāng)?shù)刂髟宰魑?，耕作以傳統(tǒng)深翻耕為主，土壤退化較嚴(yán)重.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)玉米品種分別設(shè)立6.75萬(wàn)株/hm2(D1)、9.75萬(wàn)株/hm2(D2)、12.75萬(wàn)株/hm2(D3)、15.75萬(wàn)株/hm2(D4)和18.75萬(wàn)株/hm2(D5)5個(gè)密度，共50個(gè)處理，重復(fù)3次，設(shè)立試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)長(zhǎng)7 m，小區(qū)面積28 cm2，每個(gè)小區(qū)之間設(shè)立50 cm以上的隔離帶.試驗(yàn)采用平作全覆膜、等行距種植，行距為30 cm，基肥施用尿素200 kg/hm2，磷肥(P2O5)220 kg/hm2，大喇叭口期追施氮肥250 kg/hm2，灌水根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤炅壳闆r而定，其他措施同大田管理要求進(jìn)行，于2019年4月中旬播種，10月收獲.

1.4 指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 玉米株型性狀和產(chǎn)量 參照Z(yǔ)hao等[11]的方法，在玉米散粉結(jié)束后，每個(gè)小區(qū)選取代表性植株10株，測(cè)定株高(plant height，PH，地面至雄穗頂端的距離/cm)、穗位高(ear height，EH，地面至第一個(gè)果穗著節(jié)部位距離/cm)、莖粗(stem diameter，SD，地上第三節(jié)節(jié)間直徑/mm)、節(jié)間長(zhǎng)度(internode length，IL，地上第三節(jié)節(jié)間長(zhǎng)度/cm)、葉長(zhǎng)(leaf length，LL，葉基至葉尖距離/cm)、葉寬(leaf width，LW，葉片中間距離/cm)、高點(diǎn)長(zhǎng)(length from beginning of ligule to flagging point of leaf，LF，葉基至最高點(diǎn)距離/cm)、葉夾角(leaf angle，LA，葉片與莖稈的銳角角度/°).計(jì)算葉面積(leaf size，LS；LS=LL×LW×0.75)和葉向值[leaf orientation value，LOV；LOV=(90-LA)×(LF/LL)].玉米灌漿成熟后，每個(gè)小區(qū)去掉兩頭植株果穗，其余全部收回，晾曬至安全水分后，進(jìn)行稱質(zhì)量測(cè)產(chǎn)量(yield，YD)和室內(nèi)考種，統(tǒng)計(jì)測(cè)量單穗質(zhì)量(ear weight，EW)、百粒質(zhì)量(100-kernel weight，KW)、穗長(zhǎng)(ear length，EL)、穗粗(ear width，EW).

1.4.2 穿刺強(qiáng)度和彎曲性能 在吐絲期，每個(gè)小區(qū)選取代表性植株10株，用YYD-1植物抗倒儀垂直莖稈勻速插入玉米最下部果穗穗下第二節(jié)節(jié)間，讀取數(shù)據(jù)最大值，即穿刺強(qiáng)度(puncture strength，PS)值；置零后將儀器垂直植株向正前方推，使玉米植株和地面呈60°夾角，讀取最大值，即彎曲性能(bending properties of crust，BPC).

1.4.3 葉綠素SPAD值 每小區(qū)選取10株有代表性的植株，在吐絲期用SPAD-502plus測(cè)定玉米最上部果穗著生葉中部的葉綠素相對(duì)含量.

1.4.4 空桿率 到玉米灌漿成熟后，按小區(qū)統(tǒng)計(jì)玉米空桿數(shù)目，空桿率(empty rods rate，ERR)=(小區(qū)玉米空桿數(shù)目/小區(qū)玉米總株數(shù))×100%

1.4 數(shù)據(jù)處理及綜合評(píng)價(jià)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植密度對(duì)各玉米株高和穗位高的影響

由表2和圖1可知，密度極顯著影響玉米株高和穗位高，隨著種植密度的增加，株高呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，但當(dāng)密度達(dá)到18.75萬(wàn)株/hm2時(shí)，又開(kāi)始下降，且不同品種之間增長(zhǎng)或降低幅度不同，富農(nóng)588在D3密度下株高最高，為331.7 cm，較D1密度升高了10.0%，甘優(yōu)169在D5密度下株高最高，為333.3 cm，較D1密度下升高了20.0%，其余品種在D4密度下株高最高.穗位高隨密度升高變化規(guī)律不明顯(圖2)，品種與密度互作不顯著.

圖1 不同種植密度下各玉米品種株高

“a、b、c”表示同一品種玉米在不同密度下的差異顯著(P<0.05)，D1、D2、D3、D4和D5分別代表種植密度6.75×104，9.75×104，12.75×104，15.75×104和18.75×104株/hm2.

表2 不同玉米株高、穗位高方差分析

2.2 不同種植密度對(duì)玉米穿刺強(qiáng)度和彎曲性能的影響

由圖3可知，隨著種植密度增加，穿刺強(qiáng)度逐漸減小，在D1密度下，甘優(yōu)661和五谷704穿刺強(qiáng)度最高，分別為55.1 N和54.0 N，甘優(yōu)169在D5密度下顯著降低，分別較D1～D4密度下降低了32.3%、30.3%、28.0%和25.0%.彎曲性能對(duì)密度脅迫響應(yīng)程度更為敏感，在D5密度下顯著降低(圖4)，其中，五谷704在D5密度下較D1密度下降低了69.6%.五谷631、五谷568和富農(nóng)588穿刺強(qiáng)度和彎曲性能在5個(gè)密度梯度下變化幅度小，甘優(yōu)169和五谷704隨密度變化較大，說(shuō)明其對(duì)密度脅迫較為敏感.

圖3 不同種植密度下各玉米品種穿刺強(qiáng)度

圖4 不同種植密度下各玉米彎曲性能

表3 不同玉米穿刺強(qiáng)度、彎曲性能方差分析

2.3 不同種植密度對(duì)玉米莖粗和節(jié)間長(zhǎng)度的影響

當(dāng)種植密度增大時(shí)，為響應(yīng)空間脅迫，玉米莖粗降低，地上第三節(jié)節(jié)間升高(圖5、圖6)，其中，五谷318和五谷704莖粗隨密度變化明顯，D5密度下比D1密度下分別降低了39.7%和37.4%，五谷632、五谷568和富農(nóng)588莖粗在5個(gè)密度下變化較小，對(duì)密度脅迫不敏感.各品種節(jié)間長(zhǎng)度變化幅度較小，品種間降低程度較一致，五谷632、五谷318和富農(nóng)588節(jié)間長(zhǎng)度在5個(gè)密度水平下變化幅度小，不同密度間差異不顯著.

圖5 不同種植密度下各玉米品種莖粗

圖6 不同種植密度下各玉米品種節(jié)間長(zhǎng)度

表4 不同玉米莖粗、節(jié)間長(zhǎng)度方差分析

2.4 不同種植密度對(duì)玉米穗位葉性狀的影響

當(dāng)玉米種植密度增加時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)玉米株型結(jié)構(gòu)，減小玉米葉夾角、葉長(zhǎng)、葉寬和葉面積來(lái)改變空間布局，適應(yīng)高密度脅迫，且不同品種間差異顯著(表5).葉夾角、葉寬和葉面積隨密度增加而降低，相比D1密度，在D5密度下，五谷632、五谷568、甘優(yōu)169、五谷318、五谷704、五谷631、甘優(yōu)661、CT505、富農(nóng)588和富農(nóng)340葉夾角分別降低了20.1%、27.0%、59.2%、26.7%、37.9%、30.9%、45.5%、27.8%、42.9%和1.7%，葉寬分別降低了15.2%、10.3%、12.9%、8.8%、12.9%、9.4%、19.4%、15.2%、3.1%和24.2%，葉面積分別降低了20.9%、10.0%、16.4%、13.1%、16.0%、22.8%、28.7%、21.0%、17.8%和44.0%.葉長(zhǎng)隨種植密度出現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，在D3密度下趨近最高.葉向值隨著種植密度的增加而呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，在D5密度下較D1密度下分別升高了21.2%、20.1%、37.1%、11.8%、28.6%、32.1%、31.4%、43.9%、36.2%和68.2%.

表5 不同種植密度下玉米5個(gè)穗位葉性狀

2.5 不同種植密度對(duì)葉綠素SPAD值和空桿率的影響

由表6、圖7和圖8可知，密度對(duì)玉米葉綠素SPAD值和空桿率影響極顯著(P<0.01)，葉綠素SPAD值隨種植密度增加而呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，在D5種植密度下，五谷632、五谷568、甘優(yōu)169、五谷318、五谷704、五谷631、甘優(yōu)661、CT505、富農(nóng)588和富農(nóng)340葉綠素SPAD較D1密度下分別降低了12.1%、9.2%、15.1%、13.1%、10.0%、8.4%、14.1%、15.9%、8.2%、21.1%，其中，五谷631和富農(nóng)588受密度影響較小.密度增加會(huì)導(dǎo)致空桿數(shù)目和果穗結(jié)實(shí)降低，D1低密度種植條件下，玉米生長(zhǎng)空間充足，所有玉米品種均無(wú)空桿現(xiàn)象，隨種植密度增加，呈現(xiàn)不同程度的升高，在D5密度下，五谷704空桿率最高，為16.50%，五谷568和五谷631空桿率分別為5.7%和7.10%，空桿率較小，表明在高密度種植下，結(jié)實(shí)率高，耐密性較好.

表6 不同玉米葉綠素SPAD值、空桿率方差分析

圖7 不同種植密度下各品種玉米葉綠素SPAD值

圖8 不同種植密度下各品種玉米空桿率

2.6 不同種植密度對(duì)玉米產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表7可知，玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量相關(guān)性狀受密度、品種及其相互關(guān)系共同影響，密度和品種極顯著影響產(chǎn)量.增密對(duì)穗長(zhǎng)、穗粗、單穗質(zhì)量和百粒質(zhì)量均有一定影響，且單穗質(zhì)量對(duì)密度脅迫更為敏感，在D5密度下，五谷632、五谷568、甘優(yōu)169、五谷318、五谷704、五谷631、甘優(yōu)661、CT505、富農(nóng)588和富農(nóng)340分別較D1密度下降低了24.7%、53.7%、38.2%、42.9%、48.9%、19.7%、28.3%、22.8%、35.0%和19.8%.由于密度增加，單位面積株數(shù)增多，產(chǎn)量隨密度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，通過(guò)密度與產(chǎn)量的回歸方程分析可知(表8)，五谷632、五谷568、甘優(yōu)169、五谷318、五谷704、五谷631、甘優(yōu)661、CT505、富農(nóng)588、富農(nóng)340分別在15.9、12.5、10.6、13.3、11.9、15.0、12.9、13.8、13.5和16.8萬(wàn)株/hm2種植密度下產(chǎn)量最高，其中，五谷632理論產(chǎn)量最高，可達(dá)12 399.8 kg/hm2，富農(nóng)340理論產(chǎn)量最低，為8 576.3 kg/hm2.

表7 不同種植密度下各玉米品種產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成

表8 種植密度與玉米產(chǎn)量回歸關(guān)系

2.7 玉米耐密性鑒定指標(biāo)篩選

通過(guò)對(duì)不同品種玉米各性狀分析(表9)，在18.75 萬(wàn)株/hm2高密度下，株高、穗位高、節(jié)間長(zhǎng)度、葉向值和空桿率較6.75萬(wàn)株/hm2低種植密度下升高，株高、穗位高、節(jié)間長(zhǎng)度和葉向值增幅分別為0.63%、0.32%、3.8%和32.1%，穿刺強(qiáng)度、彎曲性能、莖粗、葉夾角、葉寬、葉面積、葉綠素SPAD值、穗長(zhǎng)、穗粗、單穗質(zhì)量和百粒質(zhì)量呈降低趨勢(shì)，其中穿刺強(qiáng)度、彎曲性能、葉夾角和單穗質(zhì)量降幅較大(22.5%、55.4%、35.4%、34.0%).在高低密度處理相對(duì)值下，穿刺強(qiáng)度、彎曲性能、葉夾角、葉向值、葉面積、空桿率和單穗質(zhì)量處理相對(duì)值變異系數(shù)較高(CV≥15%)，因此，可作為耐密性鑒定指標(biāo).

表9 高、低密度下各性狀變異系數(shù)和增幅

3 討論

不同種植密度對(duì)玉米各項(xiàng)指標(biāo)均產(chǎn)生不同影響，徐田軍等[12]研究結(jié)果顯示，隨著密度增加，株高、穗位高、穗位系數(shù)和重心高度呈升高趨勢(shì)，且在不同密度處理和化控處理間存在極顯著差異.任佰朝等[13]在3個(gè)種植密度下研究玉米莖稈等變化，結(jié)果表明，種植密度增加，夏玉米的基部第3莖節(jié)間和穗位節(jié)間變細(xì)，莖稈穿刺強(qiáng)度顯著下降，在本試驗(yàn)中，株高隨密度增加呈升高趨勢(shì)，當(dāng)種植密度達(dá)到18萬(wàn)株/hm2高密度時(shí)，株高便出現(xiàn)拐點(diǎn)，開(kāi)始下降，但穗位高隨密度增長(zhǎng)規(guī)律不明顯，穿刺強(qiáng)度、彎曲性能和莖粗與種植密度為負(fù)相關(guān)，節(jié)間長(zhǎng)度與株高變化較一致.玉米穗位葉相關(guān)性狀對(duì)于玉米耐擁擠脅迫性起著重要作用[14]，種植密度過(guò)大，葉片遮擋會(huì)造成光照不足、光合產(chǎn)物減少.在本試驗(yàn)中，當(dāng)種植密度增加時(shí)，葉夾角、葉寬和葉面積均降低，以改變空間形態(tài)，響應(yīng)密度增加.同時(shí)，葉夾角作為玉米耐密性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[15]，葉夾角越小，玉米株型越緊湊，有利于合理密植，充分利用不同空間資源.張慧等[16]研究結(jié)果表明，緊湊型品種冠層結(jié)構(gòu)緊湊，中下層受光充足，有利于干物質(zhì)積累，產(chǎn)量上升，因此，根據(jù)葉夾角大小進(jìn)行玉米合理密植非常重要.玉米葉片葉綠素含量是作物產(chǎn)量潛力的決定因素，對(duì)玉米干物質(zhì)量積累起關(guān)鍵作用，高密度種植對(duì)玉米葉綠素含量有重要影響[17-19].高英波等[20]研究表明，隨種植密度增加，上層光截獲顯著增加，全株葉片葉綠素SPAD值呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，與本試驗(yàn)結(jié)果一致，種植密度增加，玉米單位面積葉片數(shù)目升高，在不同水平上對(duì)光的截獲量減少，致使玉米葉片葉綠素相對(duì)含量減少.適當(dāng)增加種植密度能有效提高穗數(shù)進(jìn)而提高產(chǎn)量，但玉米空稈和倒伏增加會(huì)導(dǎo)致有效穗數(shù)增幅逐漸減少來(lái)降低產(chǎn)量[21]，因此，合理密植才能使產(chǎn)量最大化.

種植密度是影響玉米產(chǎn)量的重要因素之一，研究玉米耐密機(jī)制，合理增加群體種植密度是獲得高產(chǎn)的主要渠道[22].作物產(chǎn)量隨密度增加呈線性提高，但達(dá)到一定程度后又開(kāi)始下降[23]，在本試驗(yàn)中，參試的10個(gè)品種產(chǎn)量隨密度增加均出現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，密度增加時(shí)，玉米單位面積株數(shù)增加，其果穗數(shù)目增多，當(dāng)密度增加到一定數(shù)量時(shí)，雖然單位面積果穗數(shù)目增加，但單穗質(zhì)量受密度影響而減小，所以，產(chǎn)量在高密度下又呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，這與付華等[24]、ZHANG等[25]的研究結(jié)果一致.對(duì)于不同地區(qū)適宜種植密度的研究，Stanger等[26]認(rèn)為在美國(guó)東部適宜玉米種植的密度為9.88～10.45萬(wàn)株/hm2.王楷等[2]研究表明，玉米種植密度為7.15～14.45萬(wàn)株/hm2，能達(dá)到15 000 kg/hm2以上的產(chǎn)量水平，鄭迎霞等[10]研究表明，春玉米先玉1171和新中玉801在貴州適宜的種植密度分別為9.0萬(wàn)株/hm2和8.5萬(wàn)株/hm2，本研究表明，在河西地區(qū)，五谷632、五谷568、甘優(yōu)169、五谷318、五谷704、五谷631、甘優(yōu)661、CT505、富農(nóng)588、富農(nóng)340分別在15.9、12.5、10.6、13.3、11.9、15.0、12.9、13.8、13.5和16.8萬(wàn)株/hm2種植密度下產(chǎn)量最高，其中，五谷632在15.9萬(wàn)株/hm2種植密度下理論產(chǎn)量最高，可達(dá)12 399.8 kg/hm2.

玉米耐密性是由多因素、多個(gè)性狀綜合影響的復(fù)雜性狀，因此，篩選出合理的耐密指標(biāo)是鑒定玉米耐密的關(guān)鍵，玉米各指標(biāo)在高低密度水平下的比值可反映該指標(biāo)對(duì)種植密度的敏感程度，而在不同雜交種間的差異可以用其變異系數(shù)來(lái)衡量[27]，本試驗(yàn)以變異系數(shù)(CV≥15%)為標(biāo)準(zhǔn)，篩選出穿刺強(qiáng)度、彎曲性能、葉夾角、葉向值、葉面積、空桿率和單穗質(zhì)量7個(gè)指標(biāo)可作為玉米耐密性評(píng)價(jià)指標(biāo).

4 結(jié)論

密度極顯著影響玉米農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素，玉米株高、節(jié)間長(zhǎng)度、葉向值和空桿率隨種植密度增加而升高，穿刺強(qiáng)度、彎曲性能、莖粗、葉夾角、葉寬、葉面積、葉綠素SPAD值、穗長(zhǎng)、穗粗、單穗質(zhì)量和百粒質(zhì)量隨種植密度增加呈降低趨勢(shì)，葉長(zhǎng)與產(chǎn)量隨密度增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì).密度與產(chǎn)量的回歸方程分析表明，五谷632、五谷568、甘優(yōu)169、五谷318、五谷704、五谷631、甘優(yōu)661、CT505、富農(nóng)588和富農(nóng)340分別在15.9、12.5、10.6、13.3、11.9、15.0、12.9、13.8、13.5和16.8萬(wàn)株/hm2種植密度下產(chǎn)量最高.以變異系數(shù)(CV≥15%)為標(biāo)準(zhǔn)，穿刺強(qiáng)度、彎曲性能、葉夾角、葉向值、葉面積、空桿率和單穗質(zhì)量可作為玉米耐密性評(píng)價(jià)指標(biāo).