種植方式影響春玉米生理成熟期子粒含水量和品質

劉勝群,蹇述蓮，2,劉升芹，2,劉天昊，李向楠,王 洋,王小影,高士波

(1.中國科學院 東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春 130102； 2.中國科學院大學，北京 100049；3.榆樹市土橋鎮(zhèn)農業(yè)技術推廣中心，吉林 榆樹130400； 4.敦化市官地鎮(zhèn)農業(yè)技術推廣中心，吉林 敦化 133700)

0 引 言

作為我國第一大糧食作物[1]，玉米在我國國民經(jīng)濟和糧食生產(chǎn)中均占有重要地位[2]。隨著農業(yè)機械化進程的推進，玉米生產(chǎn)過程逐漸實現(xiàn)機械化，這不僅可以減輕種植者的勞動強度，還可以大幅提高生產(chǎn)效率。據(jù)報道，截至2018年，我國玉米耕、種、收的機械化率均超過75%[1]。機械化收獲是玉米機械化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，玉米機械收獲需求旺盛[3-5]。我國玉米機械化收獲以收獲果穗為主，直接收獲子粒的機械化收獲方式還較少[1]。資料顯示，玉米機械收獲時破碎率偏高是我國玉米子粒機械收獲存在的主要質量問題[1]。研究顯示，玉米子粒破碎率與收獲時子粒含水量呈極顯著的正相關關系[6]。我國許多玉米產(chǎn)區(qū)收獲時的玉米子粒含水量較高(30%)，為有效降低收獲時玉米子粒含水量，提倡通過延遲收獲玉米、適時晚收的方式適當降低收獲時的玉米子粒含水量。但這種方式在氣候條件適宜的地方是可行的，但在有些冷涼地區(qū)，即使延遲玉米收獲時間，由于天氣寒冷也會導致玉米子粒水分散失微弱[7]，因此，采用晚收玉米的方式降低子粒含水量尚存在困難[6]。

研究顯示，玉米生理成熟期的子粒含水量是決定子粒最終含水量的重要因素[8-9]。在玉米生理成熟期，子粒干物質積累達到最大，此時期的子粒含水量與玉米收獲時的子粒含水量密切相關。因此，可以將玉米生理成熟時的子粒含水率作為評價和預測收獲時玉米子粒含水率的一個重要參數(shù)。玉米子粒含水量不僅受基因型影響，還受環(huán)境因素如溫度、濕度和降水等影響[10-11]。王克如和李少昆[10]觀察到相同玉米品種在不同環(huán)境條件下生理成熟期的子粒含水率存在差異。溫度和風速等因素對生理成熟前子粒脫水有顯著的影響[12]。Bishnoi等[13]研究發(fā)現(xiàn)行向影響田間小氣候，冠層溫度和濕度等因子因行向的不同而產(chǎn)生區(qū)別。張林等[14]在我國皖南地區(qū)的研究中也得出類似的結果。種植方式影響玉米子粒含水量，研究顯示在相同密度下，行距從76 cm變?yōu)?8 cm時玉米子粒含水量呈下降趨勢[15-16]。種植方式影響玉米冠層微環(huán)境[17-18]，但不同種植方式對吉林省玉米生理成熟期玉米子粒含水率影響的報道還比較缺乏。本文研究種植方式對生理成熟期玉米子粒含水率的影響，以其為吉林省玉米機械粒收提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗在中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所農業(yè)試驗基地(44°12′N,125°33′E)進行。試驗地點土壤類型為黑土。試驗設置3種種植方式，分別均勻壟種植(記為“UD”)：壟寬65 cm，行向為東西向；寬窄行40～90 cm(記為“WN1”)，雙行苗帶相距40 cm，相鄰雙行苗帶90 cm，行向為南偏西20°；寬窄行40～160 cm(記為“WN2”)，雙行苗帶相距40 cm，相鄰雙行苗帶160 cm，行向為南偏西20°。玉米種植密度為6.3萬株·hm-2，品種為LY99。N、P2O5和K2O施入量分別為240、90和90 kg·hm-2。大區(qū)種植，每個大區(qū)寬26 m，長20 m。分別于2015年和2016年5月1日播種。其他田間管理方式同大田一致。

1.2 測定項目及方法

為測定玉米苞葉和子粒含水率動態(tài)，從玉米灌漿期至生理成熟期，采用“S”取樣法取樣4次。取樣時，將苞葉從果穗柄取下，最外側苞葉記為第一片苞葉，從外到內，依次記為第二片苞葉、第三片苞葉……。將苞葉分為“第二片苞葉”、“第九片苞葉”和“其余苞葉”三部分，用天平稱量鮮重后，將苞葉放在烘箱中105 ℃條件下30 min，而后75 ℃烘干至恒重，用天平稱量干重，分別計算第二片苞葉、第九片苞葉和其余苞葉的含水率。每穗子粒從穗軸取下，用天平稱量鮮重后，放在烘箱中105 ℃條件下30 min，而后75 ℃烘干至恒重，用天平稱量干重，計算子粒含水率。

為測量玉米不同部位含水率，在玉米生理成熟時(子?；亢谏珜映霈F(xiàn))采用“S”取樣法取樣。選取有代表性的玉米植株，從莖節(jié)基部剪斷后，將每株玉米地上部分為葉片、莖稈和葉鞘、苞葉及果穗四部分。葉片自葉鞘和葉片連接處剪斷，葉片按著生位置分為3組：棒三葉為一組，記為“middle”；棒三葉以上至雄穗以下葉片為一組，記為“upper”；棒三葉以下葉片為一組，記為“l(fā)ower”。葉鞘及其所在莖稈作為一個整體，稱作“莖稈及葉鞘”，莖稈及葉鞘分為3組：棒三葉所在莖稈及葉鞘分為一組，記為“middle”；middle上方的莖桿和葉鞘(包括雄穗)為一組，記為“upper”；middle下方的莖稈和葉鞘為一組，記為“l(fā)ower”。而后將所取材料分別放置，用天平稱鮮重后，將樣品放入烘箱中105°C條件下30 min，而后于75 °C烘干至恒重，用天平稱干重。計算各部分的含水率。

為測定玉米子粒的淀粉、蛋白質和脂肪含量，于2015年和2016年10月15日，每一處理采用“S”取樣法取10個玉米果穗，放于室內，待子粒含水率為14%左右時，采用FOSS1241近紅外谷物分析儀測定玉米子粒淀粉、蛋白質和脂肪含量。

為測定玉米冠層溫度和相對濕度，于玉米灌漿期選擇晴朗無風的天氣，用Li-6400光合測定儀測定地面以上130 cm(穗位高度)冠層的溫度和相對濕度，3次重復。借助田間小型氣象站的風向統(tǒng)計田間風向的天數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2007軟件作圖，用SPSS 16.0軟件進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 子粒含水量

種植方式影響生理成熟期玉米子粒含水率(圖1)。與均勻壟UD相比，2015年兩種寬窄行種植WN1和WN2的子粒含水量分別顯著降低了2.3%和2.9%，2016年分別顯著下降了2.1%和2.4%(P<0.05)，但年份之間子粒含水量差異不顯著。

注：UD為均勻壟，壟寬65 cm，東西行向；WN1為寬窄行種植，寬行90 cm，窄行40 cm，行向南偏西20°；WN2為寬窄行種植，寬行160 cm，窄行40 cm，行向南偏西20°。不同字母表示同一年份內處理間差異在0.05水平上顯著。下同。Note:UD indicates uniform row,single rows spaced 65 cm,row orientation of east-west; WN1 indicates 40 cm twin rows spaced 90 cm between paired-rows of narrow-wide rows,row orientation of 20° south by west;WN2 indicates 40 cm twin rows spaced 160 cm between paired-rows of narrow-wide rows,row orientation of 20° south by west.Different letters represent significant differences between treatments in one year at P<0.05.The same is as below.圖1 不同種植方式下玉米子粒生理成熟期含水率Fig.1 The water content of maize grain in physiological maturity stage under three planting patterns

2.2 子粒蛋白質、淀粉和油含量

種植方式影響子粒蛋白質和淀粉含量。不同種植方式相比較，WN2子粒的蛋白質含量顯著低于UD處理(P<0.05)。WN1和WN2的淀粉含量顯著高于UD處理(P<0.05)。而子粒中的油含量存在年際差異。2015年不同種植方式下玉米子粒油分含量差異未達到顯著水平，而2016年的WN2的油含量顯著高于UD和WN1處理(P<0.05，圖2)。

圖2 不同種植方式下玉米子粒生理成熟期油、蛋白質和淀粉含量Fig.2 The oil,protein and starch contents of maize grain at physiological maturity stage under three planting patterns

2.3 冠層微環(huán)境

不同種植方式冠層溫度和相對濕度測定結果顯示，種植方式影響玉米冠層高度為130 cm附近微環(huán)境的溫度和相對濕度數(shù)值(圖3)。與均勻壟UN相比較，WN1和WN2的冠層130 cm高度附近微環(huán)境的溫度顯著升高，而相對濕度卻顯著降低(P<0.05)，但WN1和WN2處理之間差異未達到顯著水平。

圖3 不同種植方式下玉米冠層溫度和相對濕度Fig.3 Temperature and relative humidity of maize canopy under three planting patterns

2.4 子粒含水量與葉片、莖稈和葉鞘含水量的關系

莖稈和葉鞘含水量存在位置差異(圖4A)，棒三葉以上莖稈和葉鞘的含水率最低，其與子粒含水率顯著正相關(R2=0.96)；其次是棒三葉所在莖節(jié)和葉鞘，其與子粒含水率顯著正相關(R2=0.89)；棒三葉以下的莖稈和葉鞘含水率最高，其與子粒含水率顯著正相關(R2=0.75)。葉片的結果與莖節(jié)和葉鞘的并不相同(圖4B)。棒三葉以下葉片的含水率最低，其與子粒含水率顯著正相關(R2=0.97)；其次是棒三葉以上葉片，其與子粒含水率相關系數(shù)R2=0.21；棒三葉與子粒含水率顯著正相關(R2=0.98)。

圖4 玉米子粒與莖鞘和葉片含水率的關系Fig.4 Relationship between the moisture content of kernel and stem,leaf sheath and leaves of maize

2.5 子粒含水量與苞葉含水量的關系

苞葉和子粒含水率呈正相關關系(圖5)。不同部位的苞葉含水率與子粒含水率的相關系數(shù)不同，不同種植方式下其相關系數(shù)也存在差異。第二片苞葉含水率與子粒含水率的相關系數(shù)分別為0.72(UD)(P<0.05)、0.73(WN1)(P<0.05)和0.77 (P<0.05)，第九片苞葉含水率與子粒含水率的相關系數(shù)分別為0.97(UD)(P<0.05)、0.93(WN1)(P<0.05)和0.66(WN2)(P<0.05)。

圖5 玉米子粒與苞葉含水率的關系Fig.5 Relationship between the moisture content of maize kernel and husk

3 討 論

研究發(fā)現(xiàn)我國玉米子粒機械收獲破碎率偏高與收獲時玉米子粒含水率顯著相關關系，玉米生理成熟期子粒含水量與收獲期子粒含水量密切相關[10]，研究認為子粒含水量受脫水速率影響。玉米子粒黑層形成之前進行生理脫水，此階段的脫水速率主要由生長發(fā)育過程調控，因此存在品種差異[19]。但報道指出同一品種不同地點的玉米生理成熟期籽粒含水率也可能存在差異，這種差異可能是區(qū)域環(huán)境差異所致[9,19]。本研究顯示，種植方式影響玉米生理成熟期子粒的含水量。這說明，通過種植方式調節(jié)玉米生理成熟期子粒含水量是可能的。因為不同種植方式可能存在株、行距和行向的差異。適宜的種植方式，可以為玉米群體構建適宜的株、行距和行向，增加玉米葉片的光照時間，改變群體日照輻射狀態(tài)[20]，進而改善玉米群體內的溫度和濕度(圖3)。從玉米灌漿到生理成熟期間，南、北風向和西南、東北風向的日期占總日期的63%(數(shù)據(jù)未顯示)，這說明，南偏西20°行向的寬窄行種植方式下，玉米冠層微環(huán)境與東西行向均勻壟種植方式下冠層微環(huán)境存在差異，這種差異最終導致玉米生理成熟期子粒含水量的差異。

研究發(fā)現(xiàn)栽培方式也影響作物的品質[20]。本研究顯示，種植方式影響玉米子粒蛋白質和淀粉含量。這與侯文平等在水稻中的研究結果一致[20]。同時，本研究還發(fā)現(xiàn)，玉米生理成熟期子粒含水率與莖稈、葉片含水率相關。Troyer和Ambrose[21]認為子粒脫水速率與雌穗有關，與其他部位無關。我們的研究結果與之不同。但子粒含水率和苞葉含水率之間呈顯著相關關系，這一研究結果與Kang等[22]和Troyer and Ambrose[21]的研究結果一致。趙繼玉等[23]研究結果顯示，脫水劑噴施條件下，對夏玉米脫水速率與莖鞘脫水速率顯著正相關關系，我們的研究結果與之一致。

4 結 論

玉米種植方式影響生理成熟期子粒含水量。在吉林省玉米種植區(qū)，南偏西20°行向寬窄行種植玉米可顯著降低生理成熟期子粒含水量。這一結果與玉米群體冠層溫度和相對濕度有關。