微噴補(bǔ)灌水肥一體化下水氮管理對夏玉米莖稈抗倒伏研究

劉仲秋，吳 浩，朱文帥，張俊鵬，李全起，楊今勝

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院，山東 泰安271018；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，長春130033）

0 引言

【研究意義】黃淮海平原是我國夏玉米的重要產(chǎn)區(qū)之一，玉米高產(chǎn)對滿足日益增長的糧食、牲畜和生物燃料需求至關(guān)重要[1-2]。該地區(qū)夏玉米灌溉方式主要為畦灌，水分利用效率低；不合理的施肥量及其方式導(dǎo)致肥料利用率低、土壤質(zhì)量下降，對夏玉米長期生產(chǎn)穩(wěn)定造成影響，亟須合理運(yùn)籌玉米灌溉和施肥管理，以實(shí)現(xiàn)玉米優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)，減輕氮素環(huán)境污染。在玉米生長后期，高大的莖稈強(qiáng)度降低，易受強(qiáng)風(fēng)等外部作用影響發(fā)生倒伏[3]，快速而準(zhǔn)確的評估玉米在風(fēng)荷載作用下的倒伏特性，對于選育優(yōu)良品種，提高機(jī)械收割效率，維護(hù)國家糧食安全具有重要意義。

【研究進(jìn)展】微噴帶灌溉具有省時(shí)省工、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)灌溉和水肥同步供給[4-5]。呂麗華等[6]研究指出，與管灌相比，3 次微噴灌水施肥下夏玉米植株生長較快，可明顯增加莖稈的強(qiáng)度和韌度，其穿刺強(qiáng)度和抗倒伏指數(shù)大多高于管灌；吳祥運(yùn)等[7]研究表明，微噴補(bǔ)灌條件下增加目標(biāo)濕潤土層深度可以明顯增加夏玉米株高和地上部干物質(zhì)積累量；陳偉等[8]研究表明，微噴灌溉處理在株高、莖粗和干物質(zhì)積累方面均具有顯著優(yōu)勢；竇超銀等[9]研究表明，微噴帶灌溉對春玉米植株生長性狀影響較小，但在降雨量較小或干旱發(fā)生年份采用微噴帶進(jìn)行灌溉有利于提高葉面積指數(shù)。王德寬[10]研究表明，微噴灌水肥一體化下，夏玉米株高隨灌水量和施肥量的增加而逐漸增加，灌水施肥對拔節(jié)期莖粗影響極顯著?！厩腥朦c(diǎn)】但有關(guān)微噴補(bǔ)灌水肥一體化條件下夏玉米莖稈抗倒伏的相關(guān)研究鮮見報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】鑒于黃淮海夏玉米生產(chǎn)的重要性及未來氣候不確定性變化影響的現(xiàn)狀，本文通過研究不同微噴補(bǔ)灌水氮管理下的夏玉米植株形態(tài)、莖稈節(jié)間力學(xué)參數(shù)以及原位抗倒伏試驗(yàn)參數(shù)，探究抗倒伏能力和產(chǎn)量綜合調(diào)優(yōu)的水氮管理模式，為該區(qū)域夏玉米節(jié)水高產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2020年6—9月在泰安市岱岳區(qū)道朗鎮(zhèn)玄莊村（36°12′N，116°54′E）進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位屬黃淮海平原，屬溫帶季風(fēng)氣候雨熱同季，降水多集中在7—9月，多年平均降水量為616.0 mm，蒸發(fā)量為606.5 mm，溫度為13.3 ℃，2020年夏玉米生育期降雨總量為355 mm，試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為壤土，0～20 cm 土層堿解氮量為71.80 mg/kg，速效鉀量為140.21 mg/kg，速效磷量為46.08 mg/kg。試驗(yàn)地0～100 cm 土層土壤體積質(zhì)量和田間持水率見表1。

表1 0～100 cm 土層物理特性Table 1 Physical properties of 0～100 cm soil layer

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)方案如表2 所示。依據(jù)目標(biāo)濕潤土層深度，設(shè)置2 個(gè)微噴補(bǔ)灌水平（W），依據(jù)目標(biāo)濕潤土層深度，目標(biāo)土壤含水率為相應(yīng)土層的田間持水率；設(shè)置2 個(gè)施氮量處理（N），補(bǔ)灌/施氮次數(shù)處理為4 次時(shí)，施氮比例依據(jù)玉米吸氮曲線設(shè)定為1∶2∶5∶2，補(bǔ)灌/施氮次數(shù)處理為2 次時(shí)，施氮比例設(shè)定為3∶7。補(bǔ)灌依據(jù)0～20 cm 土層土壤含水率而定，灌水控制下限為田間持水率的70%，即在補(bǔ)灌/施氮時(shí)測土壤含水率，若目標(biāo)濕潤土層含水率低于田間持水率的70%，則補(bǔ)灌至田間持水率，若含水率高于田間持水率的70%，僅補(bǔ)灌10 mm 用以施肥。微噴補(bǔ)灌水肥一體化處理只做氮肥處理，氮肥類型為尿素（N，46%），所有處理播種前底施磷肥和鉀肥，類型分別為重過磷酸鈣（P2O5，46%）和氯化鉀（K2O，60%），用量均為120 kg/hm2，作為底肥一次性施入。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experimental design

供試夏玉米品種為登海618，采用精播機(jī)播種，種植行距60 cm，株距25 cm，于2020年6月13日播種，9月20日收獲。試驗(yàn)小區(qū)南北長20 m，東西寬4.8 m，每個(gè)小區(qū)鋪設(shè)2 條微噴帶。本研究共4 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)，其余田間管理措施與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田管理措施一致。

1.3 參數(shù)項(xiàng)目與測定

1.3.1 試驗(yàn)原位測量與取樣測量

夏玉米在抽雄期及以后倒伏造成的產(chǎn)量損失較大，分別在抽雄期、灌漿期和成熟期，于每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選取6 株代表性植株，使用玉米抗倒伏力測試儀V3.0 進(jìn)行原位參數(shù)測定，然后使用剪刀截取倒數(shù)第3節(jié)間，帶回實(shí)驗(yàn)室測定其各項(xiàng)參數(shù)，當(dāng)原位試驗(yàn)植株破壞位置恰好處于倒數(shù)第3 節(jié)間時(shí)，增加選取一個(gè)植株試樣的倒數(shù)第3 節(jié)間。

1.3.2 植株和莖稈節(jié)間參數(shù)

采用精度為1 mm 的卷尺測量夏玉米株高（L）和重心高度（HG）（懸掛法測量），采用YYD-1 莖稈強(qiáng)度測定儀對莖稈倒數(shù)第三節(jié)間抗折強(qiáng)度（BR）、穿刺強(qiáng)度（BS）和徑向抗壓強(qiáng)度（BT）進(jìn)行測定。

1.3.3 抗倒伏指數(shù)（RLI）

抗倒伏指數(shù)采用莖稈倒數(shù)第3 節(jié)間抗折強(qiáng)度（BR）和植株重心高度（HG）確定[8]，計(jì)算式為：

1.3.4 抗倒伏力與傾斜角度

抗倒伏力于傾斜角度采用玉米抗倒伏力測定儀V3.0[11]測定，測量時(shí)踩住踏板，使叉頭插入土中，調(diào)試測試主機(jī)移動到豎桿測定位置（穗位處），用夾具夾緊玉米莖稈，啟動主機(jī)，在主機(jī)上部通過緩慢轉(zhuǎn)動豎桿下部的轉(zhuǎn)動軸進(jìn)行測量，直至將植株拉斷，可模擬風(fēng)荷載等效作用于玉米重心位置條件下的抗倒伏特性。測試過程中，主機(jī)可實(shí)時(shí)采集3 個(gè)變量：抗倒伏力、傾斜角度、距地面距離。

1.3.5 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素

在夏玉米收獲時(shí)，每個(gè)小區(qū)內(nèi)間隔5 m 連續(xù)選取20 株樣本，調(diào)查其構(gòu)成要素即穗粒數(shù)，風(fēng)干后進(jìn)行脫粒并稱百粒質(zhì)量，計(jì)算籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采 用 SPSS （ Statistical Product and Service Solutions）統(tǒng)計(jì)分析軟件、Microsoft Excel 專業(yè)增強(qiáng)版軟件和Origin 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD 法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

應(yīng)用Origin 軟件對抗倒伏指數(shù)、臨界抗倒伏力以及產(chǎn)量進(jìn)行歸一化，將數(shù)據(jù)等效為（0，1）區(qū)間的小數(shù)，消除量綱的影響，并將不同因素加權(quán)，綜合評價(jià)抗倒伏能力。其中采用抗倒伏指數(shù)和臨界抗倒伏力二因素指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)時(shí)二因素權(quán)重各為0.5；采用抗倒伏指數(shù)、臨界抗倒伏力以及產(chǎn)量三因素指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)時(shí)三因素權(quán)重各為0.33。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏玉米植株性狀參數(shù)

夏玉米生育期株高與重心高度如表3 所示。由表3 可知，抽雄期和灌漿期，W1 處理重心高度明顯高于W2 處理，N2 處理的重心高度明顯高于N1 處理，灌漿期N2 處理較N1 處理顯著增加了6.58%；抽雄期和成熟期，N1 處理的株高明顯低于N2 處理。抽雄期W2N1 處理的株高明顯低于其他處理，W1N2 處理重心高度明顯高于其他處理。

表3 夏玉米生育期株高與重心高度Table 3 Plant height and barycenter height of summer maize in growth period

2.2 莖稈力學(xué)指標(biāo)

夏玉米生育期基部倒數(shù)第3 節(jié)間莖稈抗折力、穿刺強(qiáng)度和徑向抗壓強(qiáng)度如圖1 所示。隨著生育期的推進(jìn)各處理的抗折力均逐漸增大，抽雄期W1N1 處理明顯大于W2N1 處理和W2N2 處理，W1N1 處理較W2N2 處理顯著增加63.00%，灌漿期W2N1 處理明顯大于W2N2 處理，成熟期W1N1 處理和W2N1 處理明顯大于W1N2 處理，W1N1 處理較W1N2 處理顯著增加51.77%；灌漿期W1N1 處理和W2N1 處理明顯大于W1N2 處理和W2N2 處理，W1N1 處理較W1N2 處理增加15.95%，成熟期W1N1 處理明顯大于W1N2 處理和W2N2 處理，W1N1 處理較W1N2處理增加41.39%；徑向抗壓強(qiáng)度方面，抽雄期W1N1處理明顯大于其余處理，W1N1 處理較W2N1 處理增加46.68%，灌漿期W1N1 處理和W2N1 處理明顯大于W1N2 處理和W2N2 處理，W1N1 處理較W2N2處理增加19.22%，成熟期W1N1 處理較W2N2 處理顯著增加30.94%。從總體情況來看，施氮量較大處理的莖稈各力學(xué)指標(biāo)表現(xiàn)較好。

圖1 夏玉米基部倒數(shù)第三節(jié)間莖稈抗折力、穿刺強(qiáng)度和徑向抗壓強(qiáng)度Fig.1 The bending strength，puncture strength and radial compressive strength of the last third internode of summer maize

2.3 夏玉米抗倒伏指數(shù)

不同處理下莖稈抗倒伏指數(shù)如圖2 所示。各處理的抗倒伏指數(shù)隨生育期的推進(jìn)呈逐漸上升趨勢，抽雄期W1N1 處理明顯大于其余處理，較W2N2 處理增加68.56%，灌漿期W1N1 處理和W2N1 處理明顯大于W1N2 處理和W2N2 處理，W1N1 處理較W2N2處理增加15.01%，成熟期W1N2 處理的明顯小于W1N1 處理和W2N1 處理。

圖2 夏玉米莖稈抗倒伏指數(shù)Fig.2 The lodging resistance of stem of summer maize

2.4 夏玉米抗倒伏力與傾斜角度

夏玉米抗倒伏力與傾斜角度如圖3 所示。不同時(shí)期各處理的抗倒伏力均隨著傾斜角度的增加而逐漸增大。在抽雄期不同傾斜角度下W1N1 處理和W2N1處理莖稈的抗倒伏力大致相同且明顯高于W1N2 處理和W2N2 處理；在灌漿期隨著莖稈傾斜角度的增加，W1N1 處理莖稈抗倒伏力始終最大，W2N1 處理在莖稈偏轉(zhuǎn)25°前與W2N2 處理莖稈的抗倒伏力趨勢一致，莖稈偏轉(zhuǎn)25°后W2N1 處理顯著大于W2N2 處理；在成熟期不同傾斜角度下W1N1 處理和W2N1 處理莖稈的抗倒伏力大致相同且明顯高于W1N2 處理和W2N2 處理，莖稈偏轉(zhuǎn)25°后W1N1 處理明顯大于W2N1 處理。

圖3 夏玉米抗倒伏力與傾斜角度Fig.3 The in situ lodging resistance with deflection angle of summer maize

夏玉米臨界抗倒伏力與倒伏角度如圖4 所示。成熟期各處理的臨界抗倒伏力均高于抽雄期與灌漿期；抽雄期與灌漿期各處理的臨界抗倒伏力變化趨勢基本相符；不同生育期W1N1 處理和W2N1 處理臨界抗倒伏力均明顯高于W1N2 處理和W2N2 處理，3 個(gè)生育期W1N1 處理較W2N2 處理分別增加44.03%、48.40%、30.49%。隨著生育期的推進(jìn)，各處理的倒伏角度逐漸增加，不同生育期W2N1 處理的倒伏角度均為最高，在成熟期明顯高于W1N1 處理。

圖4 夏玉米臨界抗倒伏力與倒伏角度Fig.4 The in situ critical lodging resistance of summer maize stem

2.5 夏玉米歸一化綜合評價(jià)

將各生育期抗倒伏指數(shù)、臨界抗倒伏力以及產(chǎn)量進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如圖5 所示。由圖5（a）可知，抽雄期和成熟期各處理間差異顯著，W1N1 處理綜合抗倒伏能力最高，W2N2 處理最低；灌漿期W1N1 處理和W2N1 處理均最高，W2N2 處理最低。由圖5（b）可知，成熟期W1N1 處理和W2N1 處理綜合抗倒伏加高產(chǎn)能力均最高，W1N2 處理和W2N2 均最低，WIN1 處理較W2N2 處理增加1 044.46%。

圖5 夏玉米綜合評價(jià)抗倒伏能力Fig.5 The comprehensive evaluation of the lodging resistance capacity of summer maize

3 討論

吳祥運(yùn)等[7]研究表明，與播種后灌水1 次相比，微噴補(bǔ)灌3 次可以明顯增加夏玉米株高；王德寬[10]研究表明，中高施氮量條件下，夏玉米株高隨灌水量和施肥量的增加而逐漸增加，在灌漿期達(dá)到最大值，本研究結(jié)果與文獻(xiàn)[7]不一致，可能與灌溉時(shí)期不同及其當(dāng)年降雨量有關(guān)，與文獻(xiàn)[10]研究基本一致，灌溉次數(shù)對株高無顯著影響，但提高補(bǔ)灌次數(shù)和施氮量會顯著降低夏玉米抽雄期和成熟期的株高，以及抽雄期和灌漿期的重心高度，使得玉米生長后期的干物質(zhì)積累支持了節(jié)間的粗度而不是長度，從而有效地提高其抗倒伏能力。呂麗華等[6]研究表明，微噴灌水肥一體少量多次的施肥灌溉可顯著增加莖稈的強(qiáng)度和韌度，佟桐等[12]研究表明，氮肥施用量增加，春玉米莖稈穿刺強(qiáng)度和彎折強(qiáng)度先增加后減小，200 kg/hm2的施氮量效果最優(yōu)，劉明等[13]研究表明，225 kg/hm2施氮量可提高莖稈的抗折強(qiáng)度，降低倒伏率，本研究結(jié)果與上述文獻(xiàn)基本一致，提高施氮量到210 kg/hm2可顯著提高夏玉米成熟期的抗折力、灌漿期的穿刺強(qiáng)度和徑向抗壓強(qiáng)度，以及灌漿期和成熟期的抗倒伏指數(shù)；增加補(bǔ)灌次數(shù)可顯著提高抽穗期的莖稈節(jié)間力學(xué)指標(biāo)；提高施氮量可顯著提高夏玉米抽穗期和成熟期不同倒伏角度下的抗倒伏力，以及不同生育期的臨界抗倒伏力，說明在一定范圍內(nèi)增加施氮量可提高基部節(jié)間全氮量，增加節(jié)間直徑，從而提高莖稈基部節(jié)間的抗折強(qiáng)度[14]，降低復(fù)雜環(huán)境中玉米倒伏的概率[15-16]。

采用抗倒伏指數(shù)、臨界抗倒伏力以及產(chǎn)量的二因素及三因素指標(biāo)表明，210 kg/hm2施氮量條件下夏玉米各生育期的綜合抗倒伏能力最優(yōu)，水肥一體化技術(shù)條件下的微噴補(bǔ)灌有利于作物根層的土壤水分均勻分布，提高土壤儲水能力[17]，且水肥一同進(jìn)入土壤，水肥下滲速度慢，有利于作物吸收養(yǎng)分[18]，可使玉米根部土壤常保持在最佳的水肥狀態(tài)，節(jié)水增產(chǎn)成效顯著[6]。鄭孟靜等[4]研究表明，微噴灌溉條件下減少灌溉定額、增加灌溉次數(shù)，玉米植株具有較高的穗位葉和干物質(zhì)積累量，有利于提高產(chǎn)量，Zhao 等[20]研究表明，秸稈覆蓋條件下采用微噴灌是提高夏玉米產(chǎn)量和水分利用效率的最佳管理模式；本研究7、8月降水量集中，因此補(bǔ)灌次數(shù)的處理影響不顯著，在生育期降水量較為充足時(shí)，施用氮肥才能有相對明顯的增產(chǎn)效果[19]，有利于提高水肥利用率。統(tǒng)籌考慮作物需水、水肥一體化等因素，W1N1 處理是實(shí)現(xiàn)抗倒伏和籽粒高產(chǎn)最優(yōu)組合方案。同時(shí)本文采用室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)相結(jié)合的方式評價(jià)抗倒伏特性，原位試驗(yàn)不但可考慮夏玉米莖稈倒伏破壞位置的不確定問題，還可考慮夏玉米對非倒伏條件下各級風(fēng)速條件的適應(yīng)性，豐富了夏玉米抗倒伏評價(jià)的理論。

4 結(jié)論

1）微噴補(bǔ)灌水肥一體化條件下210 kg/hm2的施氮量，可顯著降低夏玉米抽雄期和成熟期的株高，以及抽雄期和灌漿期的重心高度；可顯著提高成熟期的抗折力，灌漿期的穿刺強(qiáng)度和徑向抗壓強(qiáng)度，以及灌漿期和成熟期的抗倒伏指數(shù)；可顯著提高夏玉米抽穗期和成熟期不同倒伏角度下的抗倒伏力，以及不同生育期的臨界抗倒伏力。

2）采用抗倒伏指數(shù)和臨界抗倒伏力兩因素綜合評價(jià)表明，不同生育期W1N1 處理綜合抗倒伏能力最高，W2N2 處理最低；采用抗倒伏指數(shù)、臨界抗倒伏力以及產(chǎn)量三因素綜合評價(jià)表明，成熟期W1N1 處理和W2N1 處理綜合抗倒伏能力顯著高于W1N2 處理和W2N2 處理。綜合抗倒伏能力、作物需水及水肥一體化等因素，W1N1 處理是實(shí)現(xiàn)抗倒伏和籽粒高產(chǎn)最優(yōu)組合方案。