种植方式影响春玉米生理成熟期子粒含水量和品质

刘胜群,蹇述莲，2,刘升芹，2,刘天昊，李向楠,王 洋,王小影,高士波

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102； 2.中国科学院大学，北京 100049；3.榆树市土桥镇农业技术推广中心，吉林 榆树130400； 4.敦化市官地镇农业技术推广中心，吉林 敦化 133700)

0 引 言

作为我国第一大粮食作物[1]，玉米在我国国民经济和粮食生产中均占有重要地位[2]。随着农业机械化进程的推进，玉米生产过程逐渐实现机械化，这不仅可以减轻种植者的劳动强度，还可以大幅提高生产效率。据报道，截至2018年，我国玉米耕、种、收的机械化率均超过75%[1]。机械化收获是玉米机械化生产的重要环节之一，玉米机械收获需求旺盛[3-5]。我国玉米机械化收获以收获果穗为主，直接收获子粒的机械化收获方式还较少[1]。资料显示，玉米机械收获时破碎率偏高是我国玉米子粒机械收获存在的主要质量问题[1]。研究显示，玉米子粒破碎率与收获时子粒含水量呈极显著的正相关关系[6]。我国许多玉米产区收获时的玉米子粒含水量较高(30%)，为有效降低收获时玉米子粒含水量，提倡通过延迟收获玉米、适时晚收的方式适当降低收获时的玉米子粒含水量。但这种方式在气候条件适宜的地方是可行的，但在有些冷凉地区，即使延迟玉米收获时间，由于天气寒冷也会导致玉米子粒水分散失微弱[7]，因此，采用晚收玉米的方式降低子粒含水量尚存在困难[6]。

研究显示，玉米生理成熟期的子粒含水量是决定子粒最终含水量的重要因素[8-9]。在玉米生理成熟期，子粒干物质积累达到最大，此时期的子粒含水量与玉米收获时的子粒含水量密切相关。因此，可以将玉米生理成熟时的子粒含水率作为评价和预测收获时玉米子粒含水率的一个重要参数。玉米子粒含水量不仅受基因型影响，还受环境因素如温度、湿度和降水等影响[10-11]。王克如和李少昆[10]观察到相同玉米品种在不同环境条件下生理成熟期的子粒含水率存在差异。温度和风速等因素对生理成熟前子粒脱水有显著的影响[12]。Bishnoi等[13]研究发现行向影响田间小气候，冠层温度和湿度等因子因行向的不同而产生区别。张林等[14]在我国皖南地区的研究中也得出类似的结果。种植方式影响玉米子粒含水量，研究显示在相同密度下，行距从76 cm变为38 cm时玉米子粒含水量呈下降趋势[15-16]。种植方式影响玉米冠层微环境[17-18]，但不同种植方式对吉林省玉米生理成熟期玉米子粒含水率影响的报道还比较缺乏。本文研究种植方式对生理成熟期玉米子粒含水率的影响，以其为吉林省玉米机械粒收提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在中国科学院东北地理与农业生态研究所农业试验基地(44°12′N,125°33′E)进行。试验地点土壤类型为黑土。试验设置3种种植方式，分别均匀垄种植(记为“UD”)：垄宽65 cm，行向为东西向；宽窄行40～90 cm(记为“WN1”)，双行苗带相距40 cm，相邻双行苗带90 cm，行向为南偏西20°；宽窄行40～160 cm(记为“WN2”)，双行苗带相距40 cm，相邻双行苗带160 cm，行向为南偏西20°。玉米种植密度为6.3万株·hm-2，品种为LY99。N、P2O5和K2O施入量分别为240、90和90 kg·hm-2。大区种植，每个大区宽26 m，长20 m。分别于2015年和2016年5月1日播种。其他田间管理方式同大田一致。

1.2 测定项目及方法

为测定玉米苞叶和子粒含水率动态，从玉米灌浆期至生理成熟期，采用“S”取样法取样4次。取样时，将苞叶从果穗柄取下，最外侧苞叶记为第一片苞叶，从外到内，依次记为第二片苞叶、第三片苞叶……。将苞叶分为“第二片苞叶”、“第九片苞叶”和“其余苞叶”三部分，用天平称量鲜重后，将苞叶放在烘箱中105 ℃条件下30 min，而后75 ℃烘干至恒重，用天平称量干重，分别计算第二片苞叶、第九片苞叶和其余苞叶的含水率。每穗子粒从穗轴取下，用天平称量鲜重后，放在烘箱中105 ℃条件下30 min，而后75 ℃烘干至恒重，用天平称量干重，计算子粒含水率。

为测量玉米不同部位含水率，在玉米生理成熟时(子粒基部黑色层出现)采用“S”取样法取样。选取有代表性的玉米植株，从茎节基部剪断后，将每株玉米地上部分为叶片、茎秆和叶鞘、苞叶及果穗四部分。叶片自叶鞘和叶片连接处剪断，叶片按着生位置分为3组：棒三叶为一组，记为“middle”；棒三叶以上至雄穗以下叶片为一组，记为“upper”；棒三叶以下叶片为一组，记为“lower”。叶鞘及其所在茎秆作为一个整体，称作“茎秆及叶鞘”，茎秆及叶鞘分为3组：棒三叶所在茎秆及叶鞘分为一组，记为“middle”；middle上方的茎杆和叶鞘(包括雄穗)为一组，记为“upper”；middle下方的茎秆和叶鞘为一组，记为“lower”。而后将所取材料分别放置，用天平称鲜重后，将样品放入烘箱中105°C条件下30 min，而后于75 °C烘干至恒重，用天平称干重。计算各部分的含水率。

为测定玉米子粒的淀粉、蛋白质和脂肪含量，于2015年和2016年10月15日，每一处理采用“S”取样法取10个玉米果穗，放于室内，待子粒含水率为14%左右时，采用FOSS1241近红外谷物分析仪测定玉米子粒淀粉、蛋白质和脂肪含量。

为测定玉米冠层温度和相对湿度，于玉米灌浆期选择晴朗无风的天气，用Li-6400光合测定仪测定地面以上130 cm(穗位高度)冠层的温度和相对湿度，3次重复。借助田间小型气象站的风向统计田间风向的天数。

1.3 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2007软件作图，用SPSS 16.0软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 子粒含水量

种植方式影响生理成熟期玉米子粒含水率(图1)。与均匀垄UD相比，2015年两种宽窄行种植WN1和WN2的子粒含水量分别显著降低了2.3%和2.9%，2016年分别显著下降了2.1%和2.4%(P<0.05)，但年份之间子粒含水量差异不显著。

注：UD为均匀垄，垄宽65 cm，东西行向；WN1为宽窄行种植，宽行90 cm，窄行40 cm，行向南偏西20°；WN2为宽窄行种植，宽行160 cm，窄行40 cm，行向南偏西20°。不同字母表示同一年份内处理间差异在0.05水平上显著。下同。Note:UD indicates uniform row,single rows spaced 65 cm,row orientation of east-west; WN1 indicates 40 cm twin rows spaced 90 cm between paired-rows of narrow-wide rows,row orientation of 20° south by west;WN2 indicates 40 cm twin rows spaced 160 cm between paired-rows of narrow-wide rows,row orientation of 20° south by west.Different letters represent significant differences between treatments in one year at P<0.05.The same is as below.图1 不同种植方式下玉米子粒生理成熟期含水率Fig.1 The water content of maize grain in physiological maturity stage under three planting patterns

2.2 子粒蛋白质、淀粉和油含量

种植方式影响子粒蛋白质和淀粉含量。不同种植方式相比较，WN2子粒的蛋白质含量显著低于UD处理(P<0.05)。WN1和WN2的淀粉含量显著高于UD处理(P<0.05)。而子粒中的油含量存在年际差异。2015年不同种植方式下玉米子粒油分含量差异未达到显著水平，而2016年的WN2的油含量显著高于UD和WN1处理(P<0.05，图2)。

图2 不同种植方式下玉米子粒生理成熟期油、蛋白质和淀粉含量Fig.2 The oil,protein and starch contents of maize grain at physiological maturity stage under three planting patterns

2.3 冠层微环境

不同种植方式冠层温度和相对湿度测定结果显示，种植方式影响玉米冠层高度为130 cm附近微环境的温度和相对湿度数值(图3)。与均匀垄UN相比较，WN1和WN2的冠层130 cm高度附近微环境的温度显著升高，而相对湿度却显著降低(P<0.05)，但WN1和WN2处理之间差异未达到显著水平。

图3 不同种植方式下玉米冠层温度和相对湿度Fig.3 Temperature and relative humidity of maize canopy under three planting patterns

2.4 子粒含水量与叶片、茎秆和叶鞘含水量的关系

茎秆和叶鞘含水量存在位置差异(图4A)，棒三叶以上茎秆和叶鞘的含水率最低，其与子粒含水率显著正相关(R2=0.96)；其次是棒三叶所在茎节和叶鞘，其与子粒含水率显著正相关(R2=0.89)；棒三叶以下的茎秆和叶鞘含水率最高，其与子粒含水率显著正相关(R2=0.75)。叶片的结果与茎节和叶鞘的并不相同(图4B)。棒三叶以下叶片的含水率最低，其与子粒含水率显著正相关(R2=0.97)；其次是棒三叶以上叶片，其与子粒含水率相关系数R2=0.21；棒三叶与子粒含水率显著正相关(R2=0.98)。

图4 玉米子粒与茎鞘和叶片含水率的关系Fig.4 Relationship between the moisture content of kernel and stem,leaf sheath and leaves of maize

2.5 子粒含水量与苞叶含水量的关系

苞叶和子粒含水率呈正相关关系(图5)。不同部位的苞叶含水率与子粒含水率的相关系数不同，不同种植方式下其相关系数也存在差异。第二片苞叶含水率与子粒含水率的相关系数分别为0.72(UD)(P<0.05)、0.73(WN1)(P<0.05)和0.77 (P<0.05)，第九片苞叶含水率与子粒含水率的相关系数分别为0.97(UD)(P<0.05)、0.93(WN1)(P<0.05)和0.66(WN2)(P<0.05)。

图5 玉米子粒与苞叶含水率的关系Fig.5 Relationship between the moisture content of maize kernel and husk

3 讨 论

研究发现我国玉米子粒机械收获破碎率偏高与收获时玉米子粒含水率显著相关关系，玉米生理成熟期子粒含水量与收获期子粒含水量密切相关[10]，研究认为子粒含水量受脱水速率影响。玉米子粒黑层形成之前进行生理脱水，此阶段的脱水速率主要由生长发育过程调控，因此存在品种差异[19]。但报道指出同一品种不同地点的玉米生理成熟期籽粒含水率也可能存在差异，这种差异可能是区域环境差异所致[9,19]。本研究显示，种植方式影响玉米生理成熟期子粒的含水量。这说明，通过种植方式调节玉米生理成熟期子粒含水量是可能的。因为不同种植方式可能存在株、行距和行向的差异。适宜的种植方式，可以为玉米群体构建适宜的株、行距和行向，增加玉米叶片的光照时间，改变群体日照辐射状态[20]，进而改善玉米群体内的温度和湿度(图3)。从玉米灌浆到生理成熟期间，南、北风向和西南、东北风向的日期占总日期的63%(数据未显示)，这说明，南偏西20°行向的宽窄行种植方式下，玉米冠层微环境与东西行向均匀垄种植方式下冠层微环境存在差异，这种差异最终导致玉米生理成熟期子粒含水量的差异。

研究发现栽培方式也影响作物的品质[20]。本研究显示，种植方式影响玉米子粒蛋白质和淀粉含量。这与侯文平等在水稻中的研究结果一致[20]。同时，本研究还发现，玉米生理成熟期子粒含水率与茎秆、叶片含水率相关。Troyer和Ambrose[21]认为子粒脱水速率与雌穗有关，与其他部位无关。我们的研究结果与之不同。但子粒含水率和苞叶含水率之间呈显著相关关系，这一研究结果与Kang等[22]和Troyer and Ambrose[21]的研究结果一致。赵继玉等[23]研究结果显示，脱水剂喷施条件下，对夏玉米脱水速率与茎鞘脱水速率显著正相关关系，我们的研究结果与之一致。

4 结 论

玉米种植方式影响生理成熟期子粒含水量。在吉林省玉米种植区，南偏西20°行向宽窄行种植玉米可显著降低生理成熟期子粒含水量。这一结果与玉米群体冠层温度和相对湿度有关。