种植密度对玉米茎秆强度和穗部性状的影响

徐丽娜，安治良，陈士林，张怀胜，进茜宁，王平喜

（河南科技学院农学院，河南 新乡 453003）

玉米是我国主要的粮食作物之一，在我国粮食作物中播种面积最大[1]。随着我国农业产业的发展，农村劳动力逐渐减少，玉米种植成本逐渐上升，提高玉米生产效率，降低生产成本，可以进一步提高我国玉米产业的竞争力[2]。随着我国农业机械化水平的提高，玉米机械穗收得到大面积推广和应用，与人工收获相比提高了生产效率，但穗收后的运输、晾晒、脱粒环节仍然需要人工进行，比较耗时耗力。玉米机械粒收可进一步简化生产流程，提高生产效率、降低劳动成本，是未来玉米产业发展的一个重要方向[3-4]。

玉米机械粒收质量和籽粒产量与品种特性以及播种时期、种植密度等密切相关[5-6]。其中，种植密度是影响玉米产量的重要因素之一，合理密植是高产高效的关键技术措施[7]。密度增加，穗部性状变差，单穗籽粒质量降低，空秆率增加，群体冠层环境变劣，倒伏率增加，如何在密度增加过程中协调群体和个体之间的矛盾是需要关注的问题[8-9]。研究认为，植株形态中穗位高会显著影响机械粒收质量，株高较低、穗位高也较低的品种更容易进行机械粒收[10]。茎秆的力学特性也可以作为判断是否达到机械粒收水平的重要指标，茎秆压碎强度与穿刺强度都与机械粒收水平密切相关[11]。目前，在保证植株抗倒性的前提下，提高种植密度已经成为获得群体高产的一个重要途径[12-14]。然而，密度与抗倒性往往呈负相关关系。郭书磊等[15]研究发现，群体密度越高，群体抗倒性和茎秆压折强度的相关性越显著。马晓君等[16]研究发现，群体倒伏率与茎秆节间直径、茎秆干质量、单位茎长干质量均呈极显著负相关，与种植密度和节间长度均呈显著正相关。目前，关于种植密度在玉米上的研究主要集中于其对产量、冠层光分布和机收特性等的影响方面[17-22]，而密度增加过程中玉米茎秆形态和抗倒性的变化及其相互关系研究尚未见报道。为此，设置不同种植密度探讨其对玉米茎秆强度、穗部性状及产量的影响，并分析植株形态与茎秆强度之间的相互关系，为黄淮海区域夏玉米高产栽培提供理论依据和技术指导。

1 材料和方法

1.1 试验地概括及试验材料

试验于2022 年在河南省新乡市新乡县七里营镇试验地（35°10′N、113°47′E）进行。该区域为黄河以北的平原区域，试验地土壤类型为黄壤土，土壤肥沃，土层深厚，前茬作物为小麦。

供试玉米品种为河南科技学院选育的百玉393（国审玉20210007）。

1.2 试验设计

试验采取随机区组设计，设置5个种植密度，分别为67 500 株∕hm2（D1）、75 000 株∕hm2（D2）、82 500株∕hm2（D3）、90 000 株∕hm2（D4）和97 500 株∕hm2（D5），3 次重复，共计15 个小区。小区面积48 m2。6 月16 日播种，种植方式为60 cm 等行距，一次性施入高氮肥（N∶P5O2∶K2O=35∶6∶7）675 kg∕hm2，10 月6日收获，其他栽培管理措施同大田。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 植株株高、穗位高、穗高比和茎周长 于吐丝期，各小区连续测量3株玉米的穗位高和株高，取平均值。穗高比=穗位高∕株高×100%。用皮尺测量茎秆基部第3 节间的周长，连续测量3 株，取平均值，即茎周长。

1.3.2 茎秆穿刺强度、折断强度、压碎强度 在籽粒灌浆后期选择长势均匀一致的植株3 株，将茎秆的第3 节间平放在YYD-1 型茎秆强度测定仪（浙江托普仪器有限公司）凹槽中，用分辨率0.01 N 的测头匀速缓慢插入，直至茎秆破裂，读其最大数值，连续测定3 株，取平均值，即茎秆穿刺强度；另以同样方法用茎秆抗压强度和茎秆组织结构强度专用测头将茎秆分别折断和压碎，连续测定3 株，取平均值，即茎秆折断强度和压碎强度。

1.3.3 穗部性状和产量 成熟期，从小区中选择均匀一致的10 个果穗，调查穗长、穗粗、秃尖长、穗行数、行粒数、轴粗、百粒质量、穗粒数，并实收测产。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 软件进行数据处理并作图，采用SPSS 22软件LSD法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 种植密度对玉米植株形态的影响

种植密度对玉米株高影响不显著，5 个处理间无显著差异（图1）。穗位高随着种植密度增加呈现增加趋势，D5 处理最高，显著高于其他处理；D2、D3、D4 处理间无显著差异，但均显著高于D1 处理；D1—D4 处理较D5 处理分别下降15.13%、8.13%、6.50%、4.50%（图2）。穗位高与株高的比值可以反应植株重心。由图3可知，玉米穗高比表现为D5处理显著高于其他处理；D2、D3 处理差异不显著，但均显著低于D4 处理，显著高于D1 处理；D1—D4 处理较D5 处理分别下降16.01%、8.84%、8.45%、5.23%。玉米植株基部茎周长随着种植密度增加呈现变小趋势，D1 处理最长，显著高于D5 处理，其他处理间差异不显著（图4）。

图1 种植密度对玉米株高的影响Fig.1 Effect of planting density on plant height of maize

图2 种植密度对玉米穗位高的影响Fig.2 Effect of planting density on ear height of maize

图3 种植密度对玉米穗高比的影响Fig.3 Effect of planting density on ratio of ear height to plant height of maize

图4 种植密度对玉米茎周长的影响Fig.4 Effect of planting density on stem circumference of maize

2.2 种植密度对玉米茎秆强度的影响

随种植密度增加，玉米茎秆强度变差，表现为穿刺强度、折断强度、压碎强度均下降（图5—7）。玉米茎秆穿刺强度表现为D1 处理显著高于其他处理；D2、D3、D4 处理间无显著差异，均显著高于D5处理；D2—D5 处理较D1 处理分别下降15.30%、21.04%、18.57%、30.01%。折断强度表现为D1 处理显著高于D3、D4和D5处理，与D2处理无显著差异；D2—D5 处理较D1 处理分别下降7.66%、13.34%、16.55%、21.51%。压碎强度表现为D1 和D2 处理间差异不显著，均显著高于其他处理；D3、D4 处理间差异不显著，均显著高于D5处理；D3、D4和D5处理较D1处理分别下降14.50%、13.90%和19.58%。

图5 种植密度对玉米茎秆穿刺强度的影响Fig.5 Effect of planting density on stem puncture strength of maize

图6 种植密度对玉米茎秆折断强度的影响Fig.6 Effect of planting density on stem breaking strength of maize

图7 种植密度对玉米茎秆压碎强度的影响Fig.7 Effect of planting density on stem crushing strength of maize

2.3 种植密度对玉米穗部性状和产量的影响

由表1 可知，随着种植密度增加，玉米穗长、穗行数、行粒数、轴粗、百粒质量、穗粒数均呈现下降趋势，穗粗在5个处理间无显著差异，秃尖长呈增加趋势。其中，D2、D3、D4、D5 处理穗长比D1 处理分别下降1.1%、5.9%，6.8%、10.9%，穗行数比D1 处理分别下降1.2%、2.7%、7.3%、11.2%，行粒数比D1 处理分别下降1.2%、5.8%、12.8%、17.4%，轴粗比D1处理分别下降1.3%、2.6%、3.8%、6.4%，百粒质量比D1处理分别下降2.2%、3.8%、4.2%、7.5%，穗粒质量比D1 处理分别下降2.3%、8.4%、19.2%、26.7%，而秃尖长比D1 处理分别增加28.6%、71.4%、89.3%、103.6%。综上，随着种植密度增加，玉米穗部性状逐渐变差。

表1 种植密度对玉米穗部性状和产量的影响Tab.1 Effect of planting density on ear traits and yield of maize

玉米产量随着种植密度增加先增加后降低（表1），以D3 处理最高，D2 处理次之，D5 处理最低；D2、D3 处理间差异不显著，但均显著高于其他处理。与D3处理相比，D1、D2、D4、D5处理产量分别下降17.09%、1.12%、15.80%、19.49%。综上，密度在75 000～82 500株∕hm2时玉米产量相对较高。

2.4 玉米穗位高、穗高比与茎秆穿刺强度、折断强度、压碎强度之间的关系

由图8可知，玉米穗位高与茎秆穿刺强度、折断强度、压碎强度均呈极显著负相关。其中，穗位高与茎秆压碎强度的负相关程度（R2=0.771 9）最高，与折断强度的负相关程度（R2=0.682 3）次之，与穿刺强度的负相关程度（R2=0.601 1）最低。穗高比与茎秆穿刺强度、折断强度、压碎强度均呈极显著负相关。其中，穗高比与茎秆折断强度的负相关程度（R2=0.734 0）最高，与压碎强度的负相关程度（R2=0.732 4）次之，与穿刺强度的负相关程度（R2=0.691 7）最低。上述结果表明，降低穗位高可以提高玉米植株茎秆的受力强度，从而进一步提升植株的抗倒能力。

图8 玉米茎秆穿刺、折断、压碎强度与植株穗位高、穗高比的相关性分析Fig.8 Correlation analysis between stem puncture，breaking，crushing strength and plant ear height and ratio of ear height to plant height of maize

3 结论与讨论

获得玉米高产的有效途径之一是增加群体种植密度，适度增加种植密度可提高穗数和产量；过高密度下群体遮荫严重，冠层受光条件变差，叶片光合性能降低，导致穗粒数和粒质量降低，产量降低[23-24]。随着种植密度增加，玉米茎秆变细，但对株高和穗位高的影响研究结果存在差异[25-29]。研究发现，种植密度增加过程中，玉米株高和穗位高均随之增加[25]，且穗位高的增幅较大[26-27]。刘胜男等[28]和徐韶等[29]的研究结果表明，随着种植密度增加，夏玉米穗位高增加，但株高变化不明显。本试验条件下，随着种植密度增加，玉米株高没有显著差异，穗位高呈增加趋势。造成这种差异的原因可能与玉米基因型和生态条件有关。

玉米未来的发展趋势为密植、高产、宜机收[30]，抗倒性是制约机械化收获最重要的因素之一，种植密度明显影响玉米的茎秆质量和抗倒性能。随着种植密度增加，玉米植株茎秆强度变弱，抗倒性能也随之减弱。因此，协调密度增加过程中机械化收获各指标间的关系尤为重要。玉米倒伏的发生与株高、穗位高、茎秆节间长度、茎秆直径、茎秆力学特性等指标有关[31]。随着种植密度增加，玉米茎秆压碎强度、折断强度和穿刺强度均显著降低[32]。徐韶等[29]研究玉米植株形态与茎秆抗倒伏性状的关系，发现株高和穗位高均与茎秆抗折断力呈负相关，茎粗与茎秆折断强度和穿刺强度均呈正相关。本研究结果表明，玉米茎秆穿刺强度、折断强度、压碎强度均随种植密度增加呈现降低趋势，且与穗位高、穗高比均呈负相关。综上，降低穗位高和穗高比可以降低植株重心，提高植株茎秆的受力强度，增加植株的抗倒能力。

研究发现，在高密度条件下，玉米空秆率增加，同时穗粒数和千粒质量下降，最终降低产量[33-34]。大量研究发现，适度增加密度，有效穗数显著提高，穗粒数和粒质量呈降低趋势，但群体产量潜力增加[35-36]。也有研究发现，玉米产量随种植密度增加呈先增后减的趋势，这是由于随着种植密度增加，穗长、穗粗、行数、行粒数、千粒质量等逐渐减小，秃尖长逐渐增加[37]。本试验条件下，玉米穗长、穗粗、穗行数、行粒数、轴粗、百粒质量、穗粒数均随着种植密度的增加而减小，仅穗粗在不同种植密度下差异不显著；秃尖长随着种植密度的增加而增加，这与党根友等[34]的研究结果一致。百玉393 产量在密度75 000～82 500株∕hm2时最高。