利用無人機(jī)吹風(fēng)鑒定玉米抗倒性研究

孟慶立，師亞琴，范春燕，張宇文，楊少偉

（寶雞市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，陜西 寶雞 722499）

在中國黃淮海玉米夏播區(qū)，經(jīng)常出現(xiàn)大風(fēng)大雨等強(qiáng)對流天氣，造成玉米大面積倒伏減產(chǎn)。李艷琴等[1]研究了夏玉米生育期內(nèi)的降雨量、風(fēng)力、風(fēng)向等因素，認(rèn)為8月—9月大風(fēng)降雨容易導(dǎo)致玉米倒伏，風(fēng)力越大、降水越多，玉米倒伏率越高。李樹巖等[2]研究了抽雄期前后不同類型倒伏對夏玉米生長及產(chǎn)量形成的影響，認(rèn)為玉米抽雄前至抽雄后15 d倒伏率較高。8月上旬是寶雞市夏玉米抽雄散粉期，也是強(qiáng)對流天氣常發(fā)期，因此選擇這個(gè)時(shí)期進(jìn)行玉米抗倒性研究。

更多學(xué)者[3-7]研究了不同種植密度下玉米農(nóng)藝性狀、抗倒能力及產(chǎn)量，認(rèn)為隨種植密度增加，玉米株高、穗位高增加，倒伏、倒折率增加，植株抗倒能力和產(chǎn)量降低。中高稈、較低穗位、氣生根的形成和發(fā)育有助于提高抗倒性。借鑒前人經(jīng)驗(yàn)，本研究選取株高、穗位高、次生根發(fā)生時(shí)間、倒伏率和產(chǎn)量作為衡量玉米抗倒性的指標(biāo)。

為了準(zhǔn)確評價(jià)玉米耐密抗倒性能，不少研究者提出了各自的鑒定方法[8-11]。最常用的方法就是通過增大種植密度，過量施用氮肥等栽培管理措施，或采用風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M自然條件下風(fēng)速對作物倒伏的影響。本研究采用播前旋耕+處理前灌溉使土壤松軟，設(shè)置了不同的密度脅迫強(qiáng)度，再用農(nóng)業(yè)無人機(jī)吹風(fēng)模擬大風(fēng)，重點(diǎn)考察倒伏率和產(chǎn)量指標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)玉米抗倒性高通量鑒定探路。

1 材料、設(shè)備與方法

1.1 材料和設(shè)備

試驗(yàn)材料：選用4個(gè)不同類型的玉米品種，分別為寶玉229（抗倒性好）、寶玉803（抗倒性較好）、鄭單958（抗倒性中等）和先玉335（抗倒性較差）。

試驗(yàn)設(shè)備：農(nóng)業(yè)無人機(jī)1架（極飛P80，2021款），風(fēng)向風(fēng)速儀2臺(tái)（P6-8232）。

1.2 方法

試驗(yàn)于2021年6月—10月進(jìn)行，地點(diǎn)位于陜西省寶雞市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)基地（東經(jīng)107.57°，北緯34.45°）。前茬小麥（產(chǎn)量水平500 kg/0.067 hm2），6月15日雨前旋耕施肥（尿素35 kg/0.067 hm2，磷酸二銨15 kg/0.067 hm2），6月19日人工播種。設(shè)置無人機(jī)吹風(fēng)處理區(qū)和對照區(qū)（兩區(qū)中間設(shè)置10 m寬隔離區(qū)）。處理和對照均為3個(gè)密度：4 000株/0.067 hm2、5 000株/0.067 hm2、6 000株/0.067 hm2，5行區(qū)，行長6.7 m，行距0.6 m，小區(qū)面積20 m2，3次重復(fù)，四周種植10 m寬玉米作為保護(hù)區(qū)。

8月4日夜間全田噴灌12 h，8月5日上午對處理區(qū)實(shí)施無人機(jī)作業(yè)，飛行高度為5 m（距離玉米頂部2 m左右），飛行速度為3 m/s，飛行方向與種植行向平行，作業(yè)寬度3 m。將風(fēng)向風(fēng)速儀固定于田間立柱距離地面3 m處（橫置且與行向垂直、豎置各1），觀測風(fēng)向風(fēng)速變化。灌漿期測量10株正常對照的株高、穗位高，計(jì)算穗位比（穗位高/株高），調(diào)查氣生根發(fā)生時(shí)間，吹風(fēng)當(dāng)天、吹風(fēng)后10 d及收獲期玉米倒伏率，10月8日收獲，10月15日風(fēng)干后脫粒測產(chǎn)（折合14%含水量）。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)速風(fēng)向測定

橫置風(fēng)速風(fēng)向儀測得無人機(jī)瞬時(shí)最大風(fēng)速為15.3 m/s，相當(dāng)于7級風(fēng)，豎置風(fēng)速風(fēng)向測定儀測得無人機(jī)最大風(fēng)速為11.5 m/s，相當(dāng)于6級風(fēng)。無人機(jī)風(fēng)向主要為垂直向下及其行進(jìn)方向，二者合力為斜向下方向，對玉米植株產(chǎn)生順行推力。

2.2 玉米品種抗倒性狀相關(guān)性分析

玉米抗倒性與株高、穗位高、穗位比、氣生根發(fā)生早晚等性狀關(guān)系密切[8,12]。表1列出了上述性狀間的相關(guān)系數(shù)。其中株高與次生根發(fā)生時(shí)間呈顯著正相關(guān)，說明株高越高，次生根發(fā)生時(shí)間越晚，這可能與其植株形態(tài)建成有關(guān)；株高與倒伏率呈極顯著正相關(guān)，說明植株越高，越容易倒伏；次生根發(fā)生時(shí)間與倒伏率呈顯著正相關(guān)，說明次生根發(fā)生越晚，越容易倒伏；穗位高、次生根發(fā)生時(shí)間與產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)，說明穗位越高、次生根發(fā)生越晚，越容易導(dǎo)致倒伏減產(chǎn)。

表1 玉米品種抗倒性狀相關(guān)系數(shù)Tab.1 The correlation coefficient of lodging resistance of maize varieties

2.3 不同玉米品種抗倒相關(guān)性狀

從圖1可知，各品種株高差異明顯，寶玉229、寶玉803和鄭單958株高接近，先玉335最高。值得注意的是，隨著種植密度的增加，各品種自身株高變化不大。說明在4 000～6 000株/0.067 hm2的密度范圍內(nèi)，玉米株高并未隨密度增減呈現(xiàn)規(guī)律性變化。

圖1 不同密度下各玉米品種株高Fig.1 The plant height of different maize varieties under different densities

穗位高是體現(xiàn)玉米重心絕對高度的指標(biāo)。如圖2所示，隨著種植密度的增加，各玉米品種的穗位高度均呈上升趨勢。寶玉229和寶玉803穗位低于鄭單958和先玉335，且穗位上升幅度也小于后者。說明寶玉229和寶玉803的穗位高對密度增加敏感程度較低。

圖2 不同密度下各玉米品種穗位高Fig.2 The ear height of different maize varieties under different densities

穗位比是反映玉米重心相對高度的指標(biāo)。從圖3可知，隨著種植密度增加，各玉米品種的穗位比均有不同程度的升高。從絕對值來看，先玉335的穗位比在4 000～5 000株/0.067 hm2時(shí)均最低，但隨密度增加上升明顯，在6 000株/0.067 hm2時(shí)已經(jīng)和寶玉229、寶玉803接近。鄭單958的穗位比不僅是參試品種當(dāng)中最高的，隨密度增加上升也較明顯。寶玉229和寶玉803穗位比隨密度增加上升幅度很小，說明二者的重心對密度壓力反應(yīng)遲鈍，顯示出較好的耐密性。

圖3 不同密度下各玉米品種穗位比Fig.3 The ear position ratio of different maize varieties under different densities

氣生根是支撐玉米直立生長、降低根倒風(fēng)險(xiǎn)的重要器官。從圖4可知，不同玉米品種的氣生根發(fā)生時(shí)間差異明顯，從早到晚依次為寶玉229、寶玉803、鄭單958和先玉335。隨著密度增大，鄭單958和先玉335的氣生根發(fā)生時(shí)間有逐漸變晚的趨勢，而寶玉229和寶玉803沒有這種趨勢。值得注意的是，無人機(jī)吹風(fēng)處理的日期是8月5日，此時(shí)寶玉229和寶玉803的氣生根已經(jīng)生出，而鄭單958和先玉335的氣生根仍未出現(xiàn)。

圖4 不同密度下各品種氣生根發(fā)生時(shí)間Fig.4 The occurrence time of aerial roots of various varieties under different densities

2.4 無人機(jī)吹風(fēng)對玉米倒伏率的影響

8月5日當(dāng)天，所有對照的倒伏率均為0%，而吹風(fēng)處理的倒伏率則發(fā)生了巨大變化。從圖5可知，隨著密度的增加，倒伏率也隨之增大，先玉335倒伏最為明顯，鄭單958次之，寶玉229和寶玉803卻未見明顯倒伏，寶玉229抗風(fēng)能力尤為突出，各密度下均無倒伏。

圖5 不同密度下各玉米品種吹風(fēng)當(dāng)天倒伏率Fig.5 The lodging rate of different maize varieties on the dayof blowing under different densities

吹風(fēng)處理后，隨時(shí)間推移，各品種倒伏植株陸續(xù)出現(xiàn)自然復(fù)直現(xiàn)象。在吹風(fēng)后第10 d調(diào)查倒伏率（見圖6），發(fā)現(xiàn)多數(shù)植株已恢復(fù)直立或半直立，在莖基部可觀察到明顯的向上彎曲。與對照和寶玉229的零倒伏相比，其他品種均存在不同程度的倒伏，倒伏率高低排序未發(fā)生變化。

圖6 不同密度下各玉米品種吹風(fēng)后第10 d倒伏率Fig.6 The lodging rate of maize varieties at different densities on the 10th day after blowing

玉米成熟期再次調(diào)查吹風(fēng)處理和對照的倒伏率（見圖7），發(fā)現(xiàn)除寶玉229和寶玉803外，各品種倒伏率均有明顯上升，吹風(fēng)處理較對照倒伏程度更高，二者趨勢相似，但吹風(fēng)處理下不同品種、不同密度的倒伏率差異更為明顯。倒伏率上升和玉米中后期風(fēng)雨較多、土壤松軟有關(guān)，另一方面也取決于品種自身的抗倒能力。

圖7 不同處理下各玉米品種成熟期倒伏率Fig.7 The lodging rate of various maize varieties at maturity under different treatments

2.5 無人機(jī)吹風(fēng)對玉米產(chǎn)量的影響

玉米倒伏后，原有冠層結(jié)構(gòu)被破壞，光合作用受阻，籽粒灌漿和產(chǎn)量構(gòu)成因素均受影響[13，14]。為了評估大風(fēng)對玉米產(chǎn)量的影響，對各小區(qū)每0.067 hm2進(jìn)行收獲測產(chǎn)，見圖8。無論吹風(fēng)處理或者對照處理，寶玉229和寶玉803的產(chǎn)量都隨密度增加而增加，這主要和二者耐密抗倒性能力較強(qiáng)有關(guān)。寶玉229密植增產(chǎn)效應(yīng)突出，密度為6 000株/0.067 hm2時(shí)仍未出現(xiàn)產(chǎn)量拐點(diǎn)，寶玉803密度為4 000～5 000株/0.067 hm2增產(chǎn)明顯，但密度為5 000～6 000株/0.067 hm2增產(chǎn)幅度就微乎其微，且已出現(xiàn)少量倒伏。與前二者不同的是，鄭單958和先玉335在不吹風(fēng)且僅有輕微倒伏時(shí)，產(chǎn)量隨密度增加而增加，在吹風(fēng)處理下，由于倒伏嚴(yán)重，產(chǎn)量隨密度增加呈明顯下降趨勢。

圖8 不同處理下各品種產(chǎn)量對比Fig.8 The yield comparison of varieties under different treatments

3 結(jié)語

3.1 機(jī)械吹風(fēng)鑒定玉米抗倒性的可行性

鑒定玉米抗倒性的手段多種多樣[8-11]，而采用灌溉或雨后吹風(fēng)的方式更加直觀和高效。曾經(jīng)美國先鋒公司就利用鼓風(fēng)機(jī)在小區(qū)走道吹風(fēng)，以及用拖拉機(jī)牽引順行吹風(fēng)以鑒定玉米抗倒性。與之相比，無人機(jī)吹風(fēng)效率更高，且不受行距和田間低矮障礙物的影響。不同之處在于，前者的風(fēng)向與地面平行，無人機(jī)的風(fēng)向則主要是自上而下和順行方向。需要注意的是，不同型號(hào)的無人機(jī)帶來的風(fēng)力大小不同，需要通過預(yù)試驗(yàn)確保研究的可靠性，也可結(jié)合病蟲害的化學(xué)防治進(jìn)行飛行作業(yè)。

3.2 創(chuàng)造易于倒伏且可控的鑒定環(huán)境

玉米倒伏的外因有水肥管理、種植密度、化學(xué)調(diào)控、病蟲害等[7]，內(nèi)因有莖稈強(qiáng)度、穗位高度、根系發(fā)達(dá)程度等。在外因容易導(dǎo)致玉米倒伏的情況下，鑒定玉米的抗倒性更為可靠。因此，本研究采用了播前旋耕、灌溉的方式，讓土壤更松軟，根系更難支撐；在抽雄前后進(jìn)行吹風(fēng)處理，使氣生根尚未發(fā)生的品種更易倒伏；無人機(jī)飛行高度距離玉米頂部2 m左右，已達(dá)到安全高度下限，此時(shí)風(fēng)力最大；飛行速度控制在3 m/s，為正常速度的下限，吹風(fēng)時(shí)間更長；設(shè)置適宜的密度梯度，以鑒定不同耐密類型玉米的抗倒性。

3.3 抗倒品種的部分特征

本次試驗(yàn)中抗倒性突出的品種至少具備以下特征：株高中等，穗位高＜100 cm，穗位比＜0.38且相對穩(wěn)定，氣生根應(yīng)在8月初之前發(fā)生，越早越好，全田倒伏率＜5%，在一定范圍內(nèi)產(chǎn)量隨密度穩(wěn)定增長。從試驗(yàn)結(jié)果還可得出，各品種在易發(fā)生倒伏地區(qū)的適宜密度：寶玉229為6 000株/0.067 hm2、寶玉803為5 000～6 000株/0.067 hm2、鄭單958和先玉335為4 000株/0.067 hm2。