深松耕作对不同年代玉米品种籽粒脱水特性的影响*

郭怀怀 ,于晓芳,2** ,高聚林,2** ,马达灵,2 ,胡树平 ,王利青

(1.内蒙古农业大学农学院 呼和浩特 010019;2.内蒙古自治区作物栽培与遗传改良重点实验室 呼和浩特 010019;3.内蒙古农业大学职业技术学院 土默特右旗 014109)

玉米(Zea maysL.)作为我国第一大粮食作物,产量位居国内三大粮食作物之首,对中国粮食产量的贡献率超过80%[1]。因此,玉米生产对保障我国粮食安全具有战略意义。当前,玉米产业面临着转方式、调结构,从单纯追求高产向产量、质量和效益并重的方向发展;玉米生产面临着从小农户分散经营向规模化、程序化、集约化方式的转变[2-5]。然而,当前我国玉米收获仍以机械穗收为主,机械直接粒收的比例尚未达到玉米总种植面积的10%[6-8],严重制约着玉米产业转型升级和竞争力的提升,成为玉米全程机械化发展的瓶颈[8]。有研究表明,适宜机械化籽粒直收的籽粒含水率应在18%～25%[3],而中国北方玉米种植区玉米收获时籽粒含水量在30%～40%[9-12],收获时籽粒含水率是制约机械化籽粒直收的核心问题。

在保证玉米产量不降低的前提下,实现机械籽粒直收就必须充分协调品种、栽培措施和籽粒含水率等相关性状之间的关系[13-15]。不同品种的籽粒含水率随基因型的不同存在差异[16-17],前人研究表明,黄淮海区主推夏播玉米品种中,‘京农科728’ ‘先玉335’ ‘MC703’等属于籽粒脱水快的品种,‘NK815’ ‘登海605’ ‘郑单958’等为籽粒脱水慢的品种[18]。刘艳秋等[19]研究表明,2000 年以后审定品种的穗轴、苞叶和籽粒的含水率均高于老品种(1970s—1990s),老品种的穗轴脱水速率明显快于新品种,籽粒、苞叶脱水速率在不同年代品种之间并无明显差异。穗部性状作为品种固有特征,对籽粒脱水特性有直接或间接的影响,苞叶含水率较高时不利于籽粒脱水[20-22],籽粒脱水速率与苞叶脱水速率、穗轴脱水速率正相关[23-24];而穗柄只是果穗与茎秆的连接器官[25],与籽粒含水率变化无显著相关性[26],对籽粒脱水影响不大。不同栽培措施会影响玉米籽粒含水率和脱水速率,采取适宜的栽培措施也是解决当前收获时籽粒含水率偏高的有效手段。Farnham[27]发现,籽粒含水率在窄行距(38 cm)栽培条件下明显低于宽行距(76 cm)栽培;Widdicombe 等[28]研究表明,籽粒脱水速率随行距的减小而略有增加;刘亚楠等[29]、王荣焕等[30]和夏来坤等[31]也发现,在6.0 万～9.5 万株·hm-2密度范围内,随种植密度增加,机收时籽粒含水率呈降低趋势;而Gu 等[32]、姜宇鹏[33]、许海涛等[34]则发现,在4.5 万～7.5 万株·hm-2密度范围内随群体密度的增加,籽粒含水率下降,脱水速率呈上升趋势。此外,张博文[35]和于晓芳等[36]研究表明,连续深松处理较旋耕不但可以提高玉米果穗行数、行粒数、千粒重,而且可以降低收获时玉米籽粒含水率,促进增产。

深松是一项保护性耕作措施,可以打破犁底层、改良土壤理化性质、培肥地力,通过深松耕作可以改变玉米地上和地下生长环境,促进其生长发育,从而提高产量。但深松是否影响玉米籽粒脱水特性,还缺乏更加深入的研究。前人针对深松耕作对玉米籽粒脱水特性的研究片面集中于对收获期籽粒含水率的影响[35-36]。因此,本试验在深松耕作条件下,选用品种特性差异较大的5 个年代主栽品种,将籽粒脱水特性细化为生理成熟期和收获期籽粒含水率、生理成熟前和生理成熟后籽粒脱水速率,从而更加深入地研究深松对玉米籽粒脱水特性的影响,明确不同年代玉米品种籽粒脱水特性的差异及其对深松的响应,为机械化籽粒直收的背景下采取深松耕作措施提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018—2019 年在内蒙古包头市土默特右旗中国敕勒川现代农业博览园(40°28′28″N,110°29′5″E)进行,该区地处土默川平原,属大陆性半干旱季风气候。试验田土质为沙壤土,前茬作物为春玉米,地块多年常规浅旋耕作,玉米收获后,秸秆全部打碎还田。试验区0～30 cm 土层土壤基础肥力见表1,主要土壤物理指标见表2,生育期内主要气象要素见图1。

表1 2018—2019 年试验区基础肥力Table 1 Soil basic fertility of the experimental area during 2018-2019

表2 2018—2019 年试验区不同耕作方式下玉米不同生育期土壤主要物理性状Table 2 Main soil physical properties at different maize growth stages under different tillage methods in the experimental area during 2018-2019

1.2 试验设计

2018 年和2019 年试验设计相同,均采用裂区试验设计。耕作方式为主区,设置2 个处理: 浅旋15 cm (RT)和深松35 cm (SS);品种为副区,设置5 个不同年代 品种: 1970s 为‘中 单2 号’(ZD2),1980s 为‘丹玉13’ (DY13),1990s 为‘掖单13’ (YD13),2000s 为‘先玉335’ (XY335),2010s 为‘登海618’ (DH618)。所有处理密度均为7.5 万株·hm-2,共10 个处理组合,每个处理组合设3 次重复,共计30 个小区,每小区9 行,行距60 cm,行长6 m,小区面积36 m2,总面积1080 m2。生育期内施纯N 225 kg·hm-2、P2O5105 kg·hm-2、K2O 45 kg·hm-2,氮肥按3∶6∶1 的比例分别于拔节期、大口期、灌浆期随水追肥,P2O5和K2O 作为基肥一次性施入。浅旋机具为1BX-30 型动力旋转耙旋耕机,牵引动力为约翰迪尔1204 拖拉机,作业时间为春季播种前;深松机具采用五铲式深松犁,牵引动力为约翰迪尔1654 拖拉机,作业时间为春季播种前。生育期内共灌水4 次,分别为拔节期、大口期、吐丝期、灌浆期。其他管理同一般大田。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤基础肥力

播前在浅旋和深松处理的每个小区,采用“V”型五点取样法,用土钻取0～30 cm 土层土壤,用于测定土壤基础地力。其中,土壤有机质采用重铬酸钾容量法-稀释热法测定,土壤全氮采用半微量凯氏定氮法测定,土壤碱解氮采用碱解扩散法测定,土壤速效磷采用NaHCO3浸提-分光光度计比色法测定,土壤速效钾采用火焰光度计法测定,土壤pH 采用电位法测定。

1.3.2 土壤物理指标

于苗期和成熟期,在浅旋和深松处理的每个小区,采用“V”型五点取样法,按0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm 3 个土层嵌入环刀并采集土样,用于测定土壤含水量和土壤容重。土壤含水量用烘干减重法测定,土壤容重采用环刀取原状土测干容重。土壤紧实度于苗期和成熟期利用土壤紧实度仪(SC900 Soil Compaction Meter)测定,在浅旋和深松处理的每个小区,以“V”型选取五点进行测定,测定土层为0～45 cm,每2.5 cm 为一层。

1.3.3 籽粒脱水特性

于玉米吐丝后15 d 开始调查取样,每隔3 d 取样一次。在每个处理组合的3 个重复小区内,每个小区随机取1 个果穗,获得的3 个果穗作为3 次生物学重复。采用烘箱法测定玉米籽粒含水率,取样后立即脱粒,取中部籽粒100 粒,测鲜重,放入烘箱80 ℃恒温烘干后称干重。计算生理成熟期籽粒含水率(MCpm)、收获期籽粒含水率(MCh)和生理成熟前籽粒脱水速率(GDRbm)、生理成熟后籽粒脱水速率(GDRam)。生理成熟期确定以玉米籽粒黑层出现作为判定标准。收获期确定以生理成熟期后15 d 作为统一标准。

1.3.4 穗部其他器官脱水特性

取样时期和取样方法同1.3.3 节。采用烘箱法测定各器官籽粒含水率,取样后完整剥离全部苞叶,取中部穗轴一截和穗底端完整穗柄,分别测定苞叶、穗轴、穗柄鲜重,放入烘箱80 ℃恒温烘干后称其干重,分别计算其含水率和脱水速率。

穗部其他器官生理成熟前脱水速率(%·d-1)和生理成熟后脱水速率(%·d-1)计算公式同式(1)和式(2)。

1.4 数据处理及统计分析

采用Microsoft Office 2016 进行数据统计和计算;采用SAS 9.4 进行主体效应间方差分析;采用SPSS 20.0 软件中最小显著差异法(LSD)和Duncan 方法进行显著性检验,相关分析结果用Pearson 相关系数表示;采用Sigmaplot 12.5 和Origin 2021 进行作图。数据分析分为2 个层次。1)品种间差异: 浅旋处理下无任何栽培措施调控时分析品种间的差异;2)深松与浅旋间差异: 对比分析浅旋和深松处理下不同品种各指标的变化规律。

2 结果与分析

2.1 深松对不同年代玉米品种籽粒含水率变化的影响

在整个脱水过程中,籽粒含水率的下降速度呈现“先快后慢”的变化模式(图2)。2000s 品种XY335和2010s 品种DH618 的籽粒含水率下降速度明显快于1970s—1990s 品种(ZD2、DY13 和YD13);吐丝后15～35 d 籽粒含水率迅速下降,35 d 后籽粒含水率下降速度逐渐变缓。

图2 2018 年和2019 年浅旋(RT)和深松(SS)下不同年代玉米品种籽粒含水率的动态变化Fig.2 Dynamics of grain water contents of different maize hybrids from different eras under shallow rotation (RT) and subsoiling(SS) tillage in 2018 and 2019

以2019 年为例,浅旋下,吐丝后15～35 d,1970s—2010s 各品种籽粒含水率的下降量依次为24.08%、20.42%、26.25%、29.56%、29.63%,吐丝后35～91 d各品种籽粒含水率的下降量依次为33.47%、33.43%、30.09%、26.27%、28.30%;深松下,吐丝后15～35 d各品种籽粒含水率的下降量依次为27.83%、24.59%、27.39%、35.21%、31.14%,吐丝后35～91 d 各品种籽粒含水率的下降量依次为31.53%、33.05%、30.36%、24.80%、27.35%。对比浅旋,深松下各品种在吐丝后15～35 d 籽粒含水率的下降量分别增加3.75%、4.17%、1.14%、5.65%、1.51%,吐丝后35～91 d 除1990s 品种外其余品种籽粒含水率的下降量分别依次降低1.94%、0.38%、1.47%、0.95%,而1990s 品种增加0.27%。可见,深松后吐丝后15～35 d 籽粒含水率下降量高于浅旋,而35～91 d 籽粒含水率的下降量与浅旋相比有所降低,且2000s 品种在吐丝后15～35 d 籽粒含水率的下降量较其余品种更大。说明深松主要通过提升吐丝后15～35 d 籽粒含水率的下降量来促进籽粒脱水,而在吐丝后35～91 d 会有一定的抑制作用。两年试验结果基本一致。

2.2 深松对不同年代玉米品种生理成熟期籽粒含水率的影响

方差分析结果(表3)表明,生理成熟期籽粒含水率(MCpm)均仅在品种间存在显著差异,耕作方式以及耕作方式×品种的互作对生理成熟期籽粒含水率的影响不显著。深松下玉米生理成熟期籽粒含水率(MCpm)在两年间的变化规律略有不同。2018 年,浅旋下2000s 和2010s 品种的MCpm 低于其余品种;深松下2000s 和2010s 品种的MCpm 比浅旋分别下降1.47% (P＜0.01)和0.07%,而1970s—1990s 品种分别增加了0.51%、0.17%、1.08%。2019 年,浅旋下1970s、2000s 和2010s 品种的MCpm 显著低于其余品种(P＜0.05);与浅旋相比,深松使各年代品种的MCpm依次下降0.19%、1.17%、1.81% (P＜0.01)、0.33%、0.09%。可以发现,深松耕作对MCpm 的影响较小,两年间深松后不同品种MCpm 的变化大部分未达到显著水平。

表3 2018 年和2019 年浅旋(RT)和深松(SS)下不同年代玉米品种生理成熟期籽粒含水率差异和方差分析Table 3 Difference and variance analysis of grain water contents of different maize hybrids from different eras at physiological maturity satge under shallow rotation (RT) and subsoiling (SS) tillage in 2018 and 2019 %

2.3 深松对不同年代玉米品种收获期籽粒含水率的影响

方差分析结果(表4)表明,仅品种对收获期籽粒含水率(MCh)的影响显著(P＜0.01),耕作方式以及耕作方式×品种的互作对MCh 的影响不显著。不同耕作方式下MCh 在两年间的变化规律有所不同。2018 年,两种耕作方式下1970s、2000s 和2010s 品种的MCh 均显著低于其余品种(P＜0.05);与浅旋相比,深松下1970s—2000s 品种的MCh 表现出一致的降低趋势,分别下降0.03%、1.00% (P＜0.05)、0.01%、0.27%,而2010s 品种表现出增加趋势,其增长为0.24%。2019 年,浅旋下2010s 品种的MCh 显著低于1970s—1990s 品种(P＜0.05),深松下各品种间无显著差异;与浅旋相比,深松下1970s—1990s 和2010s 品种的MCh 分别下降0.44%、0.87%、1.78%(P＜0.05)和0.22%,而2000s品种增加0.69%。可见,深松耕作对MCh 的影响较小,两年间深松后不同品种MCh 的变化大部分未达到显著水平。

表4 2018 年和2019 年浅旋(RT)和深松(SS)下不同年代玉米品种收获期籽粒含水率差异和方差分析Table 4 Difference and variance analysis of grain water contents of different maize hybrids from different eras at harvest stageunder shallow rotation (RT) and subsoiling (SS) tillage in 2018 and 2019 %

2.4 深松对不同年代玉米品种籽粒脱水速率的影响

不同品种籽粒生理成熟前的脱水速率(GDRbm)和生理成熟后(GDRam)的脱水速率不同,2018 年2000s 和2010s 品种和2019 年2010s 品种的GDRbm和GDRam 明显高于其他品种(图3)。以2019 年为例,生理成熟前,浅旋下1970s—2010s 各品种籽粒脱水速率 依次为0.88 %·d-1、0.89 %·d-1、0.88 %·d-1、0.91 %·d-1、0.93 %·d-1,深松下 依次为0.90 %·d-1、0.89 %·d-1、0.89 %·d-1、0.92 %·d-1、0.95 %·d-1;1970s—2010s 品种GDRbm 深松比浅旋分别增加0.02 %·d-1、0.00 %·d-1、0.01 %·d-1、0.01 %·d-1、0.02%·d-1。生理成熟后,浅旋下各品种GDRam 依次为0.33 %·d-1、0.38 %·d-1、0.45 %·d-1、0.39 %·d-1、0.43%·d-1,深松下 依次为0.35 %·d-1、0.40 %·d-1、0.41%·d-1、0.37 %·d-1、0.40 %·d-1,1970s—1980s品种GDRam 深松比浅旋分别增加0.02 %·d-1、0.02 %·d-1,1990s—2010s 品种分别降低0.04 %·d-1、0.02 %·d-1、0.03 %·d-1,但差异均未达到显著水平。可见,总体上深松后GDRbm 有较小幅度增加,而对GDRam 无显著影响。两年试验结果基本一致。

图3 2018 年和2019 年浅旋(RT)和深松(SS)下不同年代玉米品种生理成熟前后的籽粒脱水速率Fig.3 Grain dehydration rates of different maize hybrids from different eras before and after physiological maturity under shallow rotation (RT) and subsoiling (SS) tillage in 2018 and 2019

2.5 深松对不同年代玉米品种穗部器官脱水特性的影响

2.5.1 苞叶

在整个脱水过程中,苞叶含水率的下降速度呈现“慢-快-慢”的变化模式(图4)。吐丝后15～43 d 为缓 慢下降期,吐丝 后43～71 d (2018 年)或43～79 d(2019 年)为快速下降期,吐丝后71 d 或79 d 至脱水结束为平稳下降期。不同品种间苞叶含水率下降速度在快速下降期差异最明显,2000s 和2010s 品种最快,1970s、1990s 品种次之,而1980s 品种苞叶含水率下降速度最慢。

图4 2018 年和2019 年浅旋(RT)和深松(SS)下不同年代玉米品种苞叶含水率的动态变化Fig.4 Dynamics of bract water contents of different maize hybrids from different eras under shallow rotation (RT) and subsoiling(SS) tillage in 2018 and 2019

以2019 年为例,吐丝后15～43 d 浅旋下1970s—2010s 各品种苞叶含水率的下降量依次为11.63%、7.83%、9.24%、14.87%、16.28%,深松下 依次为9.45%、7.01%、7.47%、13.49%、14.98%。与浅旋相比,深松下各品种在吐丝后15～43 d 苞叶含水率下降量分别降低2.18%、0.83%、1.77%、1.38%、1.30%。可见,深松耕作抑制苞叶含水率的下降速度,且深松对1970s 和1990s 品种苞叶含水率下降的抑制作用更强。两年试验结果基本一致。

不同品种苞叶生理成熟前、后脱水速率均存在显著差异(图5),2000s 和2010s 品种生理成熟前、后的苞叶脱水速率明显高于其他品种。以2019 年为例,生理成熟前,1970s—2010s 各品种浅旋下苞叶脱水速率 依次为0.96 %·d-1、0.82 %·d-1、0.84 %·d-1、0.95 %·d-1、0.97 %·d-1,深松下 依次为0.93 %·d-1、0.79 %·d-1、0.81 %·d-1、0.92 %·d-1、0.94 %·d-1,深松比浅旋各品种的苞叶脱水速率均降低0.03 %·d-1。生理成熟后,各品种浅旋下苞叶脱水速率依次为0.94%·d-1、0.84 %·d-1、0.86 %·d-1、0.97 %·d-1、0.99%·d-1,深松下 依次为0.92 %·d-1、0.81 %·d-1、0.85%·d-1、0.95 %·d-1、0.97 %·d-1,深松比浅旋分别降低0.02 %·d-1、0.03 %·d-1、0.01 %·d-1、0.02 %·d-1、0.02%·d-1。由此可见,深松下生理成熟前、后苞叶脱水速率均呈现降低趋势。两年试验结果基本一致。

图5 2018 年和2019 年浅旋(RT)和深松(SS)下不同年代玉米品种生理成熟前后苞叶的脱水速率Fig.5 Bract dehydration rates of different maize hybrids from different eras before and after physiological maturity under shallow rotation (RT) and subsoiling (SS) tillage in 2018 and 2019

2.5.2 穗轴

在整个脱水过程中,穗轴含水率变化总体表现为“先快速下降然后趋于平稳”趋势(图6)。吐丝后15～43 d 穗轴含水率迅速下降,43 d 后下降速度趋于平稳。品种间穗轴含水率下降速度存在明显差异,且在吐丝后15～43 d 差异最明显。1970s 和2000s、2010s 品种下 降最快,1980s 品种次 之,而1990s 品种穗轴含水率下降速度最慢。以2019 年为例,1970s—2010s 各品种吐丝后15～43 d 浅旋下穗轴含水率下降量依次为19.32%、15.20%、12.16%、20.58%、19.55%,深松下依次为18.41%、14.23%、11.54%、19.84%、19.24%,深松比浅旋各品种的穗轴含水率下降量分别降低0.91%、0.97%、0.62%、0.74%、0.31%。可见,深松耕作抑制穗轴含水率的下降。与其他品种相比,深松对1970s 和1980s 品种穗轴含水率下降的抑制作用较强。两年试验结果基本一致。

图6 2018 年和2019 年浅旋(RT)和深松(SS)条件下不同年代玉米品种穗轴含水率的动态变化Fig.6 Dynamics of ear cob water contents of different maize hybrids from different eras under shallow rotation (RT) and subsoiling(SS) tillage in 2018 and 2019

不同品种穗轴生理成熟前、后脱水速率均存在显著差异,2000s 和2010s 品种生理成熟前、后的穗轴脱水速率明显高于其他品种(图7)。以2019 年为例,生理成熟前,1970s—2010s 各品种浅旋下穗轴脱水速率 依次为0.44 %·d-1、0.41 %·d-1、0.36 %·d-1、0.44 %·d-1、0.47 %·d-1,深松下 依次为0.43 %·d-1、0.39 %·d-1、0.34 %·d-1、0.43 %·d-1、0.46 %·d-1,深松比浅旋分别降低0.01 %·d-1、0.02 %·d-1、0.02 %·d-1、0.01 %·d-1、0.01 %·d-1。生理成熟后,各品种浅旋下穗轴脱水速率依次为0.20 %·d-1、0.18 %·d-1、0.15%·d-1、0.21 %·d-1、0.21 %·d-1,深松下 依次为0.19%·d-1、0.16 %·d-1、0.13 %·d-1、0.19 %·d-1、0.19 %·d-1。深松比浅旋分别降低0.01 %·d-1、0.02 %·d-1、0.02%·d-1、0.02 %·d-1、0.02 %·d-1。可见,深松下生理成熟前、后穗轴脱水速率均呈现降低趋势,说明深松对穗轴脱水有抑制作用,但抑制程度较弱。两年试验结果基本一致。

图7 2018 年和2019 年浅旋(RT)和深松(SS)下不同年代玉米品种生理成熟前后穗轴的脱水速率Fig.7 Ear cob dehydration rates of different maize hybrids from different eras before and after physiological maturity under shallow rotation (RT) and subsoiling (SS) tillage in 2018 and 2019

2.5.3 穗柄

穗柄含水率在整个脱水过程中“持续较高”,从脱水开始至结束仅下降了约6%～10% (图8)。深松对穗柄含水率的影响没有表现出明显的规律,穗柄含水率仅在品种间有明显差异,但品种间穗柄含水率下降速度在两年间表现不一致,具体表现为2000s 品种穗柄含水率下降速度在两年间均较快,2018 年2010s 品种穗柄含水率下降速度较慢,2019 年1990s品种较慢。

图8 2018 年和2019 年浅旋(RT)和深松(SS)下不同年代玉米品种穗柄含水率的动态变化Fig.8 Dynamics of ear stalk water contents of different maize hybrids from different eras under shallow rotation (RT) and subsoiling(SS) tillage in 2018 and 2019

生理成熟前、后穗柄脱水速率在品种间有明显差异,2000s 品种的生理成熟前穗柄脱水速率明显高于其他品种,2010s 品种的生理成熟后穗柄脱水明显高于其他品种(图9)。以2019 年为例,生理成熟前,1970s—2010s 各品种浅旋下穗柄脱水速率分别为0.11 %·d-1、0.11 %·d-1、0.11 %·d-1、0.12 %·d-1、0.09%·d-1,深松下 分别为0.10 %·d-1、0.10 %·d-1、0.11%·d-1、0.14 %·d-1、0.09 %·d-1,深松比浅旋分别降低0.01 %·d-1、0.01 %·d-1、0.00 %·d-1、-0.02 %·d-1、0.00 %·d-1;生理成熟后,各品种浅旋下穗柄脱水速率分别为0.11 %·d-1、0.10 %·d-1、0.08 %·d-1、0.12%·d-1、0.10 %·d-1,深松下 分别为0.10 %·d-1、0.09%·d-1、0.08 %·d-1、0.13 %·d-1、0.10 %·d-1,深松比浅旋降低0.01 %·d-1、0.01 %·d-1、0.00 %·d-1、-0.01%·d-1、0.00 %·d-1。由此发现,深松后穗柄脱水速率的变化未表现出一致的规律。

图9 2018 年和2019 年浅旋(RT)和深松(SS)下不同年代玉米品种生理成熟前后穗柄的脱水速率Fig.9 Ear stalk dehydration rates of different maize hybrids from different eras before and after physiological maturity under shallow rotation (RT) and subsoiling (SS) tillage in 2018 and 2019

2.6 籽粒脱水特性与穗部其他器官脱水特性的关系

2.6.1 籽粒含水率与穗部其他器官含水率的关系

由籽粒含水率与苞叶、穗轴、穗柄含水率的相关分析结果可知(图10),籽粒含水率与苞叶含水率(P＜0.01)、穗轴含水率(P＜0.01)、穗柄含水率(P＜0.01)均呈现极显著正相关关系。

图10 玉米籽粒含水率与穗部其他器官含水率的相关性Fig.10 Correlation between grain water content and water content of other organs in the ear of maize

2.6.2 籽粒水分指标与穗部其他器官脱水速率的关系

由籽粒水分指标与穗部其他器官脱水速率的相关分析可知(表5),生理成熟期籽粒含水率与生理成熟前、后苞叶脱水速率呈极显著负相关(P＜0.01),与生理成熟后穗轴脱水速率呈显著负相关(P＜0.05);收获期籽粒含水率与生理成熟前苞叶脱水速率呈极显著负相关(P＜0.01),与生理成熟前、后穗轴脱水速率分别呈极显著(P＜0.01)和显著(P＜0.05)负相关;生理成熟前籽粒脱水速率与生理成熟前苞叶脱水速率呈极显著正相关(P＜0.01),与生理成熟前、后穗轴脱水速率呈极显著正相关(P＜0.01);生理成熟后籽粒脱水速率与穗部其他器官脱水速率无显著相关关系;籽粒水分各项指标与生理成熟前、后穗柄脱水速率均无显著相关关系。

表5 玉米籽粒水分指标与穗部其他器官脱水速率的相关性Table 5 Correlation between grain water indexes and dehydration rates of other organs in the ear of maize

3 讨论

3.1 不同年代玉米品种籽粒脱水特性及其对深松的响应

玉米籽粒脱水是一个复杂的生物学过程,玉米生理成熟前籽粒就有脱水现象,也被解释为与灌浆有关的“生理失水”,且研究认为环境条件对此阶段籽粒脱水的影响较小[37];而生理成熟后籽粒脱水更易受外界环境条件影响[38-41]。不同年代单交种玉米的籽粒含水率和脱水速率存在差异,近年来单交种生理成熟期和收获期含水率比早期品种高,早期品种中有脱水较快的品种,而近年来品种除‘先玉335’外脱水速率都很低[31]。与前人研究结论不同的是,本研究发现,2000s (‘先玉335’)和2010s (‘登海618’)品种的生理成熟前、后籽粒脱水速率明显高于其他年代品种,2000s 和2010s 品种的生理成熟期和收获期的籽粒含水率明显低于其他品种。分析穗部其他器官的脱水特性发现,2000s 和2010s 品种生理成熟前后的苞叶、穗轴脱水速率明显高于其他品种,而生理成熟期籽粒含水率与生理成熟前后苞叶和生理成熟后穗轴脱水速率显著负相关,收获期籽粒含水率与生理成熟前苞叶和生理成熟前后穗轴脱水速率显著负相关,生理成熟前籽粒脱水速率与生理成熟前苞叶、生理成熟前后穗轴脱水速率显著正相关。因此,2000s 和2010s 品种能够保持优良脱水特性的重要原因在于其苞叶、穗轴的脱水特性也同样优于其余年代品种。

此外,由于深松对2000s 和2010s 品种的苞叶、穗轴脱水的抑制作用相对较弱,更利于籽粒脱水,使得2000s 和2010s 品种的生理成熟前籽粒脱水速率增加,生理成熟期籽粒含水率两年间均表现为降低。深松后1970s 和1980s 品种生理成熟后籽粒脱水速率增加,而2000s 和2010s 品种生理成熟后籽粒脱水速率降低,这可能是由于现代品种持绿性较好,而早期品种生理成熟后早衰从而使得早期品种生理成熟后籽粒脱水速率优于现代品种。

3.2 深松耕作对籽粒脱水特性的影响

前人研究表明,连续深松处理[35]和深松耕作[36]可以降低玉米籽粒含水率;而李轶冰等[42]研究发现,耕作方式对籽粒含水率影响不大。本研究表明,与浅旋相比,深松耕作通过提升吐丝后15～35 d 籽粒含水率的下降幅度促进了籽粒脱水,使得深松后生理成熟前籽粒脱水速率有小幅度增加,而对生理成熟后籽粒脱水速率无明显影响,最终表现为在深松与浅旋两种耕作方式间籽粒生理成熟期、收获期籽粒含水率无显著差异;而深松耕作延缓了苞叶、穗轴含水率的下降速度,导致生理成熟前后苞叶、穗轴脱水速率降低,但延缓作用不显著,而深松耕作对穗柄含水率和脱水速率无明显影响。

值得关注的是,已有研究发现,深松耕作可以有效改善土壤质量、提高土壤养分含量,并且可以提高根系生长质量,优化作物冠层结构,延缓植株衰老,促进作物生长发育[43-44]。深松耕作可以缓解棒三叶叶绿体衰解,使其在吐丝后18～36 d 内有较高的群体叶面积指数和光合能力,进而达到较高的单株干物质积累和灌浆速率,为籽粒建成奠定坚实的基础[45];此外深松耕作可以改善土壤质量、提升土壤肥力,采用深松耕作措施后玉米籽粒含水率达到宜机械化籽粒直收标准所需的时间与浅旋条件下基本一致,但籽粒平均脱水速率有增加趋势[36]。同时,已有研究证实,籽粒中淀粉的积累变化与水分变化在一定程度上具有一致性,籽粒中水分含量自顶部至底部逐渐降低,而淀粉的合成则自顶部逐渐向底部积累[46],这说明玉米籽粒脱水过程与灌浆过程密切相关,淀粉生物合成的变化也与籽粒含水率和籽粒脱水速率的变化显著相关,籽粒脱水速率快的玉米品种有着较高的灌浆速率和淀粉含量[47-49],且深松可以提高籽粒平均灌浆速率,增加灌浆早期的籽粒总淀粉含量[50]。因此,深松耕作之所以可以提升吐丝后15～35 d 籽粒含水率的下降幅度,可能是因为深松耕作可以进一步促进籽粒发育,促进籽粒脱水早期干物质积累而产生的结果,但是这还有待于进一步研究。

4 结论

不同年代玉米品种籽粒脱水特性存在显著差异,2000s 和2010s 品种的生理成熟期籽粒含水率明显低于其余品种,2010s 品种的收获期籽粒含水率比其余品种明显降低,而2000s 和2010s 品种的生理成熟前籽粒脱水速率比其余品种明显增加。与浅旋相比,深松后1970s—2010s 各品种吐丝后15～35 d 籽粒含水率的下降量增加,生理成熟前籽粒脱水速率有较小幅度的增加,而生理成熟后籽粒脱水速率无显著变化,且深松对生理成熟期和收获期籽粒含水率的影响均较小。深松下各品种苞叶、穗轴生理成熟前、后脱水速率均降低,而穗柄脱水速率无明显变化。综合来看,2000s 和2010s 品种的籽粒脱水特性明显优于其余年代品种,而深松耕作主要通过提升吐丝后15～35 d 籽粒含水率的下降量促进了籽粒脱水,使得深松下生理成熟前籽粒脱水速率有较小幅度的增加,深松后苞叶、穗轴生理成熟前和生理成熟后脱水速率降低,而对生理成熟后籽粒脱水速率、生理成熟期和收获期籽粒含水率均无显著影响。