微喷补灌水肥一体化下水氮管理对夏玉米茎秆抗倒伏研究

刘仲秋，吴 浩，朱文帅，张俊鹏，李全起，杨今胜

（1.山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安271018；2.吉林农业大学 农学院，长春130033）

0 引言

【研究意义】黄淮海平原是我国夏玉米的重要产区之一，玉米高产对满足日益增长的粮食、牲畜和生物燃料需求至关重要[1-2]。该地区夏玉米灌溉方式主要为畦灌，水分利用效率低；不合理的施肥量及其方式导致肥料利用率低、土壤质量下降，对夏玉米长期生产稳定造成影响，亟须合理运筹玉米灌溉和施肥管理，以实现玉米优质高效生产，减轻氮素环境污染。在玉米生长后期，高大的茎秆强度降低，易受强风等外部作用影响发生倒伏[3]，快速而准确的评估玉米在风荷载作用下的倒伏特性，对于选育优良品种，提高机械收割效率，维护国家粮食安全具有重要意义。

【研究进展】微喷带灌溉具有省时省工、可控性强等优点，可实现灌溉和水肥同步供给[4-5]。吕丽华等[6]研究指出，与管灌相比，3 次微喷灌水施肥下夏玉米植株生长较快，可明显增加茎秆的强度和韧度，其穿刺强度和抗倒伏指数大多高于管灌；吴祥运等[7]研究表明，微喷补灌条件下增加目标湿润土层深度可以明显增加夏玉米株高和地上部干物质积累量；陈伟等[8]研究表明，微喷灌溉处理在株高、茎粗和干物质积累方面均具有显著优势；窦超银等[9]研究表明，微喷带灌溉对春玉米植株生长性状影响较小，但在降雨量较小或干旱发生年份采用微喷带进行灌溉有利于提高叶面积指数。王德宽[10]研究表明，微喷灌水肥一体化下，夏玉米株高随灌水量和施肥量的增加而逐渐增加，灌水施肥对拔节期茎粗影响极显著。【切入点】但有关微喷补灌水肥一体化条件下夏玉米茎秆抗倒伏的相关研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】鉴于黄淮海夏玉米生产的重要性及未来气候不确定性变化影响的现状，本文通过研究不同微喷补灌水氮管理下的夏玉米植株形态、茎秆节间力学参数以及原位抗倒伏试验参数，探究抗倒伏能力和产量综合调优的水氮管理模式，为该区域夏玉米节水高产提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年6—9月在泰安市岱岳区道朗镇玄庄村（36°12′N，116°54′E）进行。试验区位属黄淮海平原，属温带季风气候雨热同季，降水多集中在7—9月，多年平均降水量为616.0 mm，蒸发量为606.5 mm，温度为13.3 ℃，2020年夏玉米生育期降雨总量为355 mm，试验地土壤质地为壤土，0～20 cm 土层碱解氮量为71.80 mg/kg，速效钾量为140.21 mg/kg，速效磷量为46.08 mg/kg。试验地0～100 cm 土层土壤体积质量和田间持水率见表1。

表1 0～100 cm 土层物理特性Table 1 Physical properties of 0～100 cm soil layer

1.2 试验设计

试验方案如表2 所示。依据目标湿润土层深度，设置2 个微喷补灌水平（W），依据目标湿润土层深度，目标土壤含水率为相应土层的田间持水率；设置2 个施氮量处理（N），补灌/施氮次数处理为4 次时，施氮比例依据玉米吸氮曲线设定为1∶2∶5∶2，补灌/施氮次数处理为2 次时，施氮比例设定为3∶7。补灌依据0～20 cm 土层土壤含水率而定，灌水控制下限为田间持水率的70%，即在补灌/施氮时测土壤含水率，若目标湿润土层含水率低于田间持水率的70%，则补灌至田间持水率，若含水率高于田间持水率的70%，仅补灌10 mm 用以施肥。微喷补灌水肥一体化处理只做氮肥处理，氮肥类型为尿素（N，46%），所有处理播种前底施磷肥和钾肥，类型分别为重过磷酸钙（P2O5，46%）和氯化钾（K2O，60%），用量均为120 kg/hm2，作为底肥一次性施入。

表2 试验设计Table 2 Experimental design

供试夏玉米品种为登海618，采用精播机播种，种植行距60 cm，株距25 cm，于2020年6月13日播种，9月20日收获。试验小区南北长20 m，东西宽4.8 m，每个小区铺设2 条微喷带。本研究共4 个处理，每个处理3 次重复，其余田间管理措施与当地高产田管理措施一致。

1.3 参数项目与测定

1.3.1 试验原位测量与取样测量

夏玉米在抽雄期及以后倒伏造成的产量损失较大，分别在抽雄期、灌浆期和成熟期，于每个试验小区选取6 株代表性植株，使用玉米抗倒伏力测试仪V3.0 进行原位参数测定，然后使用剪刀截取倒数第3节间，带回实验室测定其各项参数，当原位试验植株破坏位置恰好处于倒数第3 节间时，增加选取一个植株试样的倒数第3 节间。

1.3.2 植株和茎秆节间参数

采用精度为1 mm 的卷尺测量夏玉米株高（L）和重心高度（HG）（悬挂法测量），采用YYD-1 茎秆强度测定仪对茎秆倒数第三节间抗折强度（BR）、穿刺强度（BS）和径向抗压强度（BT）进行测定。

1.3.3 抗倒伏指数（RLI）

抗倒伏指数采用茎秆倒数第3 节间抗折强度（BR）和植株重心高度（HG）确定[8]，计算式为：

1.3.4 抗倒伏力与倾斜角度

抗倒伏力于倾斜角度采用玉米抗倒伏力测定仪V3.0[11]测定，测量时踩住踏板，使叉头插入土中，调试测试主机移动到竖杆测定位置（穗位处），用夹具夹紧玉米茎秆，启动主机，在主机上部通过缓慢转动竖杆下部的转动轴进行测量，直至将植株拉断，可模拟风荷载等效作用于玉米重心位置条件下的抗倒伏特性。测试过程中，主机可实时采集3 个变量：抗倒伏力、倾斜角度、距地面距离。

1.3.5 产量及产量构成要素

在夏玉米收获时，每个小区内间隔5 m 连续选取20 株样本，调查其构成要素即穗粒数，风干后进行脱粒并称百粒质量，计算籽粒产量。

1.4 数据处理与统计分析

采 用 SPSS （ Statistical Product and Service Solutions）统计分析软件、Microsoft Excel 专业增强版软件和Origin 软件进行数据处理和统计分析，采用LSD 法进行显著性检验。

应用Origin 软件对抗倒伏指数、临界抗倒伏力以及产量进行归一化，将数据等效为（0，1）区间的小数，消除量纲的影响，并将不同因素加权，综合评价抗倒伏能力。其中采用抗倒伏指数和临界抗倒伏力二因素指标进行评价时二因素权重各为0.5；采用抗倒伏指数、临界抗倒伏力以及产量三因素指标进行评价时三因素权重各为0.33。

2 结果与分析

2.1 夏玉米植株性状参数

夏玉米生育期株高与重心高度如表3 所示。由表3 可知，抽雄期和灌浆期，W1 处理重心高度明显高于W2 处理，N2 处理的重心高度明显高于N1 处理，灌浆期N2 处理较N1 处理显著增加了6.58%；抽雄期和成熟期，N1 处理的株高明显低于N2 处理。抽雄期W2N1 处理的株高明显低于其他处理，W1N2 处理重心高度明显高于其他处理。

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

2.2 茎秆力学指标

夏玉米生育期基部倒数第3 节间茎秆抗折力、穿刺强度和径向抗压强度如图1 所示。随着生育期的推进各处理的抗折力均逐渐增大，抽雄期W1N1 处理明显大于W2N1 处理和W2N2 处理，W1N1 处理较W2N2 处理显著增加63.00%，灌浆期W2N1 处理明显大于W2N2 处理，成熟期W1N1 处理和W2N1 处理明显大于W1N2 处理，W1N1 处理较W1N2 处理显著增加51.77%；灌浆期W1N1 处理和W2N1 处理明显大于W1N2 处理和W2N2 处理，W1N1 处理较W1N2 处理增加15.95%，成熟期W1N1 处理明显大于W1N2 处理和W2N2 处理，W1N1 处理较W1N2处理增加41.39%；径向抗压强度方面，抽雄期W1N1处理明显大于其余处理，W1N1 处理较W2N1 处理增加46.68%，灌浆期W1N1 处理和W2N1 处理明显大于W1N2 处理和W2N2 处理，W1N1 处理较W2N2处理增加19.22%，成熟期W1N1 处理较W2N2 处理显著增加30.94%。从总体情况来看，施氮量较大处理的茎秆各力学指标表现较好。

图1 夏玉米基部倒数第三节间茎秆抗折力、穿刺强度和径向抗压强度Fig.1 The bending strength，puncture strength and radial compressive strength of the last third internode of summer maize

2.3 夏玉米抗倒伏指数

不同处理下茎秆抗倒伏指数如图2 所示。各处理的抗倒伏指数随生育期的推进呈逐渐上升趋势，抽雄期W1N1 处理明显大于其余处理，较W2N2 处理增加68.56%，灌浆期W1N1 处理和W2N1 处理明显大于W1N2 处理和W2N2 处理，W1N1 处理较W2N2处理增加15.01%，成熟期W1N2 处理的明显小于W1N1 处理和W2N1 处理。

图2 夏玉米茎秆抗倒伏指数Fig.2 The lodging resistance of stem of summer maize

2.4 夏玉米抗倒伏力与倾斜角度

夏玉米抗倒伏力与倾斜角度如图3 所示。不同时期各处理的抗倒伏力均随着倾斜角度的增加而逐渐增大。在抽雄期不同倾斜角度下W1N1 处理和W2N1处理茎秆的抗倒伏力大致相同且明显高于W1N2 处理和W2N2 处理；在灌浆期随着茎秆倾斜角度的增加，W1N1 处理茎秆抗倒伏力始终最大，W2N1 处理在茎秆偏转25°前与W2N2 处理茎秆的抗倒伏力趋势一致，茎秆偏转25°后W2N1 处理显著大于W2N2 处理；在成熟期不同倾斜角度下W1N1 处理和W2N1 处理茎秆的抗倒伏力大致相同且明显高于W1N2 处理和W2N2 处理，茎秆偏转25°后W1N1 处理明显大于W2N1 处理。

图3 夏玉米抗倒伏力与倾斜角度Fig.3 The in situ lodging resistance with deflection angle of summer maize

夏玉米临界抗倒伏力与倒伏角度如图4 所示。成熟期各处理的临界抗倒伏力均高于抽雄期与灌浆期；抽雄期与灌浆期各处理的临界抗倒伏力变化趋势基本相符；不同生育期W1N1 处理和W2N1 处理临界抗倒伏力均明显高于W1N2 处理和W2N2 处理，3 个生育期W1N1 处理较W2N2 处理分别增加44.03%、48.40%、30.49%。随着生育期的推进，各处理的倒伏角度逐渐增加，不同生育期W2N1 处理的倒伏角度均为最高，在成熟期明显高于W1N1 处理。

图4 夏玉米临界抗倒伏力与倒伏角度Fig.4 The in situ critical lodging resistance of summer maize stem

2.5 夏玉米归一化综合评价

将各生育期抗倒伏指数、临界抗倒伏力以及产量进行归一化处理，结果如图5 所示。由图5（a）可知，抽雄期和成熟期各处理间差异显著，W1N1 处理综合抗倒伏能力最高，W2N2 处理最低；灌浆期W1N1 处理和W2N1 处理均最高，W2N2 处理最低。由图5（b）可知，成熟期W1N1 处理和W2N1 处理综合抗倒伏加高产能力均最高，W1N2 处理和W2N2 均最低，WIN1 处理较W2N2 处理增加1 044.46%。

图5 夏玉米综合评价抗倒伏能力Fig.5 The comprehensive evaluation of the lodging resistance capacity of summer maize

3 讨论

吴祥运等[7]研究表明，与播种后灌水1 次相比，微喷补灌3 次可以明显增加夏玉米株高；王德宽[10]研究表明，中高施氮量条件下，夏玉米株高随灌水量和施肥量的增加而逐渐增加，在灌浆期达到最大值，本研究结果与文献[7]不一致，可能与灌溉时期不同及其当年降雨量有关，与文献[10]研究基本一致，灌溉次数对株高无显著影响，但提高补灌次数和施氮量会显著降低夏玉米抽雄期和成熟期的株高，以及抽雄期和灌浆期的重心高度，使得玉米生长后期的干物质积累支持了节间的粗度而不是长度，从而有效地提高其抗倒伏能力。吕丽华等[6]研究表明，微喷灌水肥一体少量多次的施肥灌溉可显著增加茎秆的强度和韧度，佟桐等[12]研究表明，氮肥施用量增加，春玉米茎秆穿刺强度和弯折强度先增加后减小，200 kg/hm2的施氮量效果最优，刘明等[13]研究表明，225 kg/hm2施氮量可提高茎秆的抗折强度，降低倒伏率，本研究结果与上述文献基本一致，提高施氮量到210 kg/hm2可显著提高夏玉米成熟期的抗折力、灌浆期的穿刺强度和径向抗压强度，以及灌浆期和成熟期的抗倒伏指数；增加补灌次数可显著提高抽穗期的茎秆节间力学指标；提高施氮量可显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，以及不同生育期的临界抗倒伏力，说明在一定范围内增加施氮量可提高基部节间全氮量，增加节间直径，从而提高茎秆基部节间的抗折强度[14]，降低复杂环境中玉米倒伏的概率[15-16]。

采用抗倒伏指数、临界抗倒伏力以及产量的二因素及三因素指标表明，210 kg/hm2施氮量条件下夏玉米各生育期的综合抗倒伏能力最优，水肥一体化技术条件下的微喷补灌有利于作物根层的土壤水分均匀分布，提高土壤储水能力[17]，且水肥一同进入土壤，水肥下渗速度慢，有利于作物吸收养分[18]，可使玉米根部土壤常保持在最佳的水肥状态，节水增产成效显著[6]。郑孟静等[4]研究表明，微喷灌溉条件下减少灌溉定额、增加灌溉次数，玉米植株具有较高的穗位叶和干物质积累量，有利于提高产量，Zhao 等[20]研究表明，秸秆覆盖条件下采用微喷灌是提高夏玉米产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，因此补灌次数的处理影响不显著，在生育期降水量较为充足时，施用氮肥才能有相对明显的增产效果[19]，有利于提高水肥利用率。统筹考虑作物需水、水肥一体化等因素，W1N1 处理是实现抗倒伏和籽粒高产最优组合方案。同时本文采用室内试验和原位试验相结合的方式评价抗倒伏特性，原位试验不但可考虑夏玉米茎秆倒伏破坏位置的不确定问题，还可考虑夏玉米对非倒伏条件下各级风速条件的适应性，丰富了夏玉米抗倒伏评价的理论。

4 结论

1）微喷补灌水肥一体化条件下210 kg/hm2的施氮量，可显著降低夏玉米抽雄期和成熟期的株高，以及抽雄期和灌浆期的重心高度；可显著提高成熟期的抗折力，灌浆期的穿刺强度和径向抗压强度，以及灌浆期和成熟期的抗倒伏指数；可显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，以及不同生育期的临界抗倒伏力。

2）采用抗倒伏指数和临界抗倒伏力两因素综合评价表明，不同生育期W1N1 处理综合抗倒伏能力最高，W2N2 处理最低；采用抗倒伏指数、临界抗倒伏力以及产量三因素综合评价表明，成熟期W1N1 处理和W2N1 处理综合抗倒伏能力显著高于W1N2 处理和W2N2 处理。综合抗倒伏能力、作物需水及水肥一体化等因素，W1N1 处理是实现抗倒伏和籽粒高产最优组合方案。