密度对高产玉米产量及其构成因子的影响

密度对高产玉米产量及其构成因子的影响

0玉米产量构成因子[研究意义]自20世纪90年代以来，世界粮食产量增长率下降，世界粮食持续短缺的问题日益严重。中国人口不断增加、人均耕地面积不断减少,粮食安全必然依赖于单产的提高。已有研究表明,高产田对中国粮食总产的贡献率为54.1%。目前,玉米已成为中国种植面积最大的粮食作物,因此,开展玉米高产研究,对提高玉米单产、保障中国粮食安全具有重要意义。【前人研究进展】玉米生产是群体条件下的生产,国内外学者一致认为密度是影响玉米籽粒产量的重要因素之一,选择紧凑型耐密品种来增大群体密度是获得大面积高产的关键措施。有研究表明,当密度成等差级数增加时,穗粒数成等比级数下降,粒重随密度增加呈直线下降,密度与籽粒产量呈二次曲线关系。产量构成因子对玉米产量的影响程度为单位面积穗数>穗粒数>千粒重。Ottariano等认为,干物质积累速率是玉米产量的主要限制因子,增加干物质生产是高产的基本途径。陈国平等提出,高产玉米的产量取决于穗粒数和穗粒重,增加穗粒数是提高穗粒重的关键。【本研究切入点】上述研究多是在产量小于15000kg·hm-2条件下获得的结果,能否适用于指导15000kg·hm-2以上产量的玉米生产,需进一步研究。近年来随着耐密品种与增密措施的推广,国内玉米高产实践发展很快,15000kg·hm-2以上产量的玉米多见报道,且玉米高产纪录也不断被刷新。但在同一地块连续多年达到15000kg·hm-2以上的高产并不多见,表明玉米高产的重演性差、高产技术难以复制等问题并未有效解决,主要原因是对高产玉米(15000kg·hm-2以上)产量形成特征及其形成机制了解甚少,制定的高产技术的应变性或普适性不高。【拟解决的关键问题】通过不同密度处理的玉米高产栽培实践,在实现15000kg·hm-2以上产量水平基础上研究密度对产量及其产量构成因子的影响,为探明高产玉米产量形成机制、制定高产栽培技术、丰富玉米高产理论及高产栽培实践提供参考依据。1材料和方法1.1西镇,新疆,2010—试验地情况试验于2010—2011年在宁夏(宁夏大学试验站和同心县河西镇,2011)和新疆(农四师71团,2010—2011;农五师84团,2010;农六师奇台农场,2011;农七师131团,2010)开展。各试验点经纬度及光热资源信息见表1。1.2小区密度处理各试验点的试验为统一设计,种植品种为郑单958,由北京德农种业公司统一提供种子。从1.5万株/hm2起,以1.5万株/hm2为级差,2010年共设10个密度处理,2011年设置了12个密度处理,每个处理12行,行长8m,小区面积57.6m2,随机区组排列,重复3次,采用50cm+70cm宽窄行,地膜覆盖种植。1.3点播期和栽植方法所有试验点均按设计好的株距人工点种,无空穴,出苗率超过95%。新疆各试验点在前作(玉米)收获后于秋季结合翻耕施入腐熟羊粪75000kg·hm-2、重过磷酸钙375kg·hm-2、尿素150kg·hm-2、硫酸钾150kg·hm-2。播种时,施用磷酸二铵75kg·hm-2、尿素75kg·hm-2;在8片叶期(拨节至大口期)施用尿素375kg·hm-2,硫酸钾75kg;在吐丝期后15—20d(7月20—25日),人工穴施尿素225kg·hm-2。各点播种期2010年为4月29日,2011年农四师71团为4月3日,农六师奇台农场为4月17日;中耕除草3次,播种后一周中耕第一次,出苗显行后中耕第二次,灌头水前中耕第三次。在3片展叶期间苗。分别在大喇叭口期(6月17日左右)、吐丝期(7月3日左右)、灌浆期(7月25日和8月20日)灌溉4次,每次平均灌水量900—1200m3·hm-2。宁夏试验点在上年玉米收获后结合翻耕施腐熟鸡粪45000kg·hm-2、磷酸二铵225kg·hm-2、硫酸镁钾75kg·hm-2、尿素112.5kg。并于6月8日(拨节期)、7月28日(灌浆期)分别追肥两次,其中6月8日采用机械施用磷酸二铵225kg·hm-2、尿素300kg·hm-2、硫酸钾37.5kg·hm-2;7月28日人工撒施尿素150kg·hm-2于行间。两个点播种期均为4月17日,5月3日人工中耕锄草,6月8日、7月5日机械中耕各一次。3片展叶期一次性间定苗。上年入冬前于11月10日灌冬水,玉米生育期内灌水4次,分别为6月14日、7月8日、7月27日、8月14日。每次灌水量1050—1350m3·hm-2。5月24日喷施200g·L-1康宽(20%氯虫苯甲酰胺)75mL·hm-2、2.5%的瑞宁750mL·hm-2防地老虎;7月21日喷施5.0%吡虫啉(硝基亚甲基类内吸杀虫剂)、40%敌克死(氯氟氰菊酯)、2.5%氯氟氰菊酯等防红蜘蛛,8月2日,用20%哒螨啉、40%敌克死(氯氟氰菊酯)、阿维菌素(Avermectin)混合喷施防治红蜘蛛。1.4产量、品质测定在生理成熟期,在每个密度处理的未取过样的小区中间行连续取30个果穗,数计每个果穗的粒数,取其平均值做为该密度处理的单穗粒数。每个处理去除四行边行及两端各1m,取中间8行6m长,面积为28.8m2,数计株数做为该密度处理的收获株数,收获全部果穗,数计果穗数做为该密度处理的收获穗数,称取并记录鲜果穗重,按平均穗重法取20个果穗,人工脱粒并分别称取籽粒重和穗轴重,计算出籽率,用PM-8188型谷物水分测定仪测定籽粒含水率,重复5次,取其平均值。每个处理测定实收产量和千粒重,重复3次,取其平均值并折成14%含水量下的产量和千粒重。计算公式为:实收产量(kg·hm-2)=鲜穗重(kg·hm-2)×出籽率(%)×[1-含水率(%)]÷(1-14%)计算实际产量(kg·hm-2)。千粒重(g,14%含水量)=平均千粒重实测×[1-测定籽粒含水率(%)]÷(1-14%)将本试验的产量范围以1500kg为级差分为<15000kg·hm-2、15000—16500kg·hm-2、16500—18000kg·hm-2、18000—19500kg·hm-2和>19500kg·hm-25个产量段来分析。采用SPSSStatistics13软件进行数据分析。2结果2.1玉米产量与单位面积穗数及含穗粒数的关系两年6个试验点共68个处理实收单产在7675.5—20503.5kg·hm-2,其中有47个处理的产量超过15000kg·hm-2;单产超过15000kg·hm-2的玉米密度为5.25—16.28万株/hm2,收获穗数为6.66—13.84万穗/hm2,穗粒数为365—657粒/穗,千粒重为237—404g。对不同产量段的分析表明(表2),随单产水平提高单位面积收获株数和收获穗数显著增加,穗粒数和千粒重不断下降,但不显著。即15000kg·hm-2以上的高产玉米主要是通过增加株数或穗数来实现的。对15000kg·hm-2以上玉米的产量(Y)与单位面积穗数(x1)、单穗粒数(x2)和千粒重(x3)进行多元回归和通径分析,得其多元回归方程为Y=327.404+0.043x1+0.785x2+0.254x3(R2=0.185)。由表3可见,不同产量段玉米产量构成各因子与产量的相关性均不同,即在不同产量段,产量构成各因子对产量的贡献不同。产量在15000kg·hm-2以下的玉米,决定产量的首要因子是单位面积穗数,其次是穗粒数,最后是千粒重;15000—16500kg·hm-2的玉米,对产量起首要作用的是千粒重,其次是穗粒数,最后是单位面积穗数;16500—18000kg·hm-2和18000—19500kg·hm-2的玉米,对产量起首要作用的均是单位面积穗数,然后是千粒重,最后是穗粒数;而超过19500kg·hm-2的玉米,对产量起首要作用的是穗粒数,然后是单位面积穗数,最后是千粒重。2.2密度对玉米产量的影响在1.5—18万株/hm2密度范围内,最高单产(20503.5kg·hm-2)处理为10.5万株/hm2,实际收获株数为10.191万株/hm2,实际收获穗数为9.966万穗/hm2。单产与密度的相关分析表明(图1),单产随密度增加呈先增后降趋势,两者为抛物线型关系,拟合方程为Y产量=-87.083x2密度+1884.9x密度+7450.8(R2=0.7184**,n=67)。根据两者的拟合方程求得的最高产量为17650.4kg·hm-2,低于实际最高单产,对应的最大密度为10.82万株/hm2,与实际最高单产处理的收获株数接近。图1可见,单产达15000kg·hm-2以上玉米的种植密度在5.25—16.28万株/hm2的范围内,达到16500kg·hm-2以上玉米的种植密度在7.15—14.45万株/hm2的范围内。随着密度增加,拟合的产量区间宽度不断增大,表明密度越大产量变幅越大,即,密度越高产量越不稳定。2.3种植密度对玉米产量构成因素的影响2.3.1单位面积穗数与种植密度的关系单位面积收获穗数与种植密度关系密切。由图3可见,密度介于1.5—18万株/hm2,单位面积穗数与种植密度呈极显著正相关(r=0.9377**),拟合方程为Y穗数=0.7517x密度+3.1279(R2=0.8793**,n=67)。即,在此密度范围内,密度每增加1.5万株/hm2,单位面积穗数增加1.13万穗/hm2。2.3.2玉米穗粒数对玉米产量的影响由图4可见,单产在15000kg·hm-2以上的玉米,穗粒数与产量呈二次曲线关系,即Y穗粒数=-0.000002x2-0.0739x+1134.5(R2=0.1575,n=67)。单产15000—16500kg·hm-2的玉米,单穗粒数为365—657粒;单产16500—18000kg·hm-2的玉米,单穗粒数为400—670粒;单产18000—19500kg·hm-2的玉米,单穗粒数为434—719粒;单产超过19500kg·hm-2的玉米,单穗粒数为484—642粒;总体表现为产量越高,单穗粒数相对较高,且适宜的穗粒数范围越窄。穗粒数同样受种植密度影响较大,由图5可见,密度介于1.5—18万株/hm2,穗粒数与种植密度呈显著负相关(r=0.6946**,n=67),拟合方程为Y单穗粒数=-15.807x密度+669.63(R2=0.4825**,n=67)。即最大单穗粒数为670粒,密度每增加1.5万株/hm2,单穗粒数下降23.71粒。单位面积穗数和单穗粒数均受种植密度影响,两者之积为单位面积穗粒数,是单位面积的穗数和单穗粒数的综合指标。单位面积穗粒数与单位面积株数极显著相关(图6,r=0.9193**),单位面积穗粒数随密度增加而增加并趋于不变。拟合方程为Y单位面积穗粒数=2.0604x3密度-74.852x2密度+1001.7x密度+863.75(R2=0.8452**,n=67),其拐点为(12.24,5694.34),即密度为12.24万株/hm2时单位面积籽粒数达5694.34万粒/hm2并趋于不变。2.3.3y重质与玉米粒度的关系由图7可见,千粒重与产量呈负相关,但不显著,拟合方程为Y千粒重=0.0000004x密度2-0.0196x密度+549.89(R2=0.193,n=67)。单产15000—16500kg·hm-2的玉米,千粒重为237—404g;单产16500—18000kg·hm-2的玉米,千粒重为286—421g;单产18000—19500kg·hm-2的玉米,千粒重为302—380g;单产超过19500kg·hm-2的玉米,千粒重为320—378g;总体表现为产量越高,千粒重相对较高,且适宜的千粒重范围越窄。在1.5—18万株/hm2密度范围内,千粒重与种植密度增呈极显著负相关(图8,r=-0.7201**),拟合方程为Y千粒重=-8.2606x密度+421(R2=0.5186**,n=67)。即最大千粒重为421g,密度每增加1.5万株/hm2,千粒重下降12.39g。2.4最佳产量结果由文中2.3研究所得产量构成因子拟合方程及其拐点和极值,通过公式:产量=千粒重×单位面积籽粒数、单位面积籽粒数=穗粒数×穗数,计算得到穗数、穗粒数和千粒重的最佳理论值。结果表明(表4),若要突破22500kg·hm-2的产量水平,收获穗数应在11.42—11.65万穗/hm2,穗粒数在552—563粒,千粒重在343—350g,产量三因子范围仍在本研究获得的实际高产因子范围内,表明通过改进栽培措施,在保证单位面积穗数基础上,协同提高穗粒数和粒重,可以实现此产量目标。但若要达到27000kg·hm-2的产量,除收获穗数未超出本研究结果外,其它因子均已超出,即超出所用品种的产量潜力,因此,需选用高产潜力更大的品种。3密度对抗玉米螟品种产量的影响种植密度是影响实际产量最敏感的因素之一。前人对单产<15000kg·hm-2玉米的产量与密度关系的研究认为两者呈抛物线关系,本文对单产>15000kg·hm-2玉米的产量与种植密度的关系研究表明,高产玉米产量与密度仍呈抛物线关系。国内外学者对高产玉米的适宜种植密度做过大量研究,Porter等在美国玉米带北部的研究认为密度为8.65—10.13万株/hm2时玉米产量最高;Stanger等在美国玉米带东部研究提出玉米产量最高的适宜密度为9.88—10.45万株/hm2。最近,Coulter等对转Bt抗玉米螟品种的研究认为,密度为9.4—9.6万株/hm2时的产量最高(16100kg·hm-2),而Ryan等认为获得最高产量(12500kg·hm-2)的种植密度为8.17—10.79万株/hm2。本研究表明,密度在5.25—16.28万株/hm2范围内均可达到15000kg·hm-2的产量,但以10.191万株/hm2时的产量最高,略高于Coulter等的结果,但与Porter、Stangert和Ryan等提出的密度范围上限较为接近,可能与本研究的玉米单产更高以及选用的品种更耐密有关。大量研究表明,玉米在推广耐密品种、提高种植密度后,成苗率的高低是决定高产的主要因素。本研究结果表明,达到15000kg·hm-2的产量,其密度范围较宽泛,可理解为在较高的种植密度下对成苗率的要求不严格。可能与本研究所选用的以郑单958为代表的耐密高产玉米品种其产量构成因子间的自我调节能力较强有关。通过本研究可知,该类型品种在较稀种植密度下通过多穗特性能够充分发挥单株产量潜力实现高产,而在较高密度下不产生空秆通过发挥群体生产潜力而实现高产。该类型品种产量因子间较强的自我调节能力是其广适性的一种表现,也是其推广面积迅速扩大的主要原因之一。因此,在培育玉米耐密高产品种时,产量构成因子间较强的自我调节能力应做为重要的选择目标。目前推广的耐密品种类型较多,本研究结果是在具有多穗特性的品种上获得的,而对于非多穗特性耐密品种,需做进一步研究。4穗粒数和重率(1)15000kg·hm-2以上的玉米,产量与密度呈抛物线关系,密度越高,产量变幅越大,密度越高产量越不稳定。要达到15000kg·hm-2以上的产量水平,最适种植密度范围为7.15—14.45万株/hm2,收获穗数不低于6.66万穗/hm2,穗粒数不少于365粒,千粒重不低于237g。(2)随种植密度增加,单位面积穗数呈增加趋势,穗粒数和千粒重呈下降趋势,而单位面积粒数呈