利用无人机吹风鉴定玉米抗倒性研究
时间：2023-01-18 19:05:09 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
孟庆立，师亚琴，范春燕，张宇文，杨少伟
（宝鸡市农业科学研究院，陕西 宝鸡 722499）
在中国黄淮海玉米夏播区，经常出现大风大雨等强对流天气，造成玉米大面积倒伏减产。李艳琴等[1]研究了夏玉米生育期内的降雨量、风力、风向等因素，认为8月—9月大风降雨容易导致玉米倒伏，风力越大、降水越多，玉米倒伏率越高。李树岩等[2]研究了抽雄期前后不同类型倒伏对夏玉米生长及产量形成的影响，认为玉米抽雄前至抽雄后15 d倒伏率较高。8月上旬是宝鸡市夏玉米抽雄散粉期，也是强对流天气常发期，因此选择这个时期进行玉米抗倒性研究。
更多学者[3-7]研究了不同种植密度下玉米农艺性状、抗倒能力及产量，认为随种植密度增加，玉米株高、穗位高增加，倒伏、倒折率增加，植株抗倒能力和产量降低。中高秆、较低穗位、气生根的形成和发育有助于提高抗倒性。借鉴前人经验，本研究选取株高、穗位高、次生根发生时间、倒伏率和产量作为衡量玉米抗倒性的指标。
为了准确评价玉米耐密抗倒性能，不少研究者提出了各自的鉴定方法[8-11]。最常用的方法就是通过增大种植密度，过量施用氮肥等栽培管理措施，或采用风洞试验模拟自然条件下风速对作物倒伏的影响。本研究采用播前旋耕+处理前灌溉使土壤松软，设置了不同的密度胁迫强度，再用农业无人机吹风模拟大风，重点考察倒伏率和产量指标，为实现玉米抗倒性高通量鉴定探路。
1.1 材料和设备
试验材料：选用4个不同类型的玉米品种，分别为宝玉229（抗倒性好）、宝玉803（抗倒性较好）、郑单958（抗倒性中等）和先玉335（抗倒性较差）。
试验设备：农业无人机1架（极飞P80，2021款），风向风速仪2台（P6-8232）。
1.2 方法
试验于2021年6月—10月进行，地点位于陕西省宝鸡市农业科学研究院试验基地（东经107.57°，北纬34.45°）。前茬小麦（产量水平500 kg/0.067 hm2），6月15日雨前旋耕施肥（尿素35 kg/0.067 hm2，磷酸二铵15 kg/0.067 hm2），6月19日人工播种。设置无人机吹风处理区和对照区（两区中间设置10 m宽隔离区）。处理和对照均为3个密度：4 000株/0.067 hm2、5 000株/0.067 hm2、6 000株/0.067 hm2，5行区，行长6.7 m，行距0.6 m，小区面积20 m2，3次重复，四周种植10 m宽玉米作为保护区。
8月4日夜间全田喷灌12 h，8月5日上午对处理区实施无人机作业，飞行高度为5 m（距离玉米顶部2 m左右），飞行速度为3 m/s，飞行方向与种植行向平行，作业宽度3 m。将风向风速仪固定于田间立柱距离地面3 m处（横置且与行向垂直、竖置各1），观测风向风速变化。灌浆期测量10株正常对照的株高、穗位高，计算穗位比（穗位高/株高），调查气生根发生时间，吹风当天、吹风后10 d及收获期玉米倒伏率，10月8日收获，10月15日风干后脱粒测产（折合14%含水量）。
2.1 风速风向测定
横置风速风向仪测得无人机瞬时最大风速为15.3 m/s，相当于7级风，竖置风速风向测定仪测得无人机最大风速为11.5 m/s，相当于6级风。无人机风向主要为垂直向下及其行进方向，二者合力为斜向下方向，对玉米植株产生顺行推力。
2.2 玉米品种抗倒性状相关性分析
玉米抗倒性与株高、穗位高、穗位比、气生根发生早晚等性状关系密切[8,12]。表1列出了上述性状间的相关系数。其中株高与次生根发生时间呈显著正相关，说明株高越高，次生根发生时间越晚，这可能与其植株形态建成有关；
株高与倒伏率呈极显著正相关，说明植株越高，越容易倒伏；
次生根发生时间与倒伏率呈显著正相关，说明次生根发生越晚，越容易倒伏；
穗位高、次生根发生时间与产量呈显著负相关，说明穗位越高、次生根发生越晚，越容易导致倒伏减产。
表1 玉米品种抗倒性状相关系数Tab.1 The correlation coefficient of lodging resistance of maize varieties
2.3 不同玉米品种抗倒相关性状
从图1可知，各品种株高差异明显，宝玉229、宝玉803和郑单958株高接近，先玉335最高。值得注意的是，随着种植密度的增加，各品种自身株高变化不大。说明在4 000～6 000株/0.067 hm2的密度范围内，玉米株高并未随密度增减呈现规律性变化。
图1 不同密度下各玉米品种株高Fig.1 The plant height of different maize varieties under different densities
穗位高是体现玉米重心绝对高度的指标。如图2所示，随着种植密度的增加，各玉米品种的穗位高度均呈上升趋势。宝玉229和宝玉803穗位低于郑单958和先玉335，且穗位上升幅度也小于后者。说明宝玉229和宝玉803的穗位高对密度增加敏感程度较低。
图2 不同密度下各玉米品种穗位高Fig.2 The ear height of different maize varieties under different densities
穗位比是反映玉米重心相对高度的指标。从图3可知，随着种植密度增加，各玉米品种的穗位比均有不同程度的升高。从绝对值来看，先玉335的穗位比在4 000～5 000株/0.067 hm2时均最低，但随密度增加上升明显，在6 000株/0.067 hm2时已经和宝玉229、宝玉803接近。郑单958的穗位比不仅是参试品种当中最高的，随密度增加上升也较明显。宝玉229和宝玉803穗位比随密度增加上升幅度很小，说明二者的重心对密度压力反应迟钝，显示出较好的耐密性。
图3 不同密度下各玉米品种穗位比Fig.3 The ear position ratio of different maize varieties under different densities
气生根是支撑玉米直立生长、降低根倒风险的重要器官。从图4可知，不同玉米品种的气生根发生时间差异明显，从早到晚依次为宝玉229、宝玉803、郑单958和先玉335。随着密度增大，郑单958和先玉335的气生根发生时间有逐渐变晚的趋势，而宝玉229和宝玉803没有这种趋势。值得注意的是，无人机吹风处理的日期是8月5日，此时宝玉229和宝玉803的气生根已经生出，而郑单958和先玉335的气生根仍未出现。
图4 不同密度下各品种气生根发生时间Fig.4 The occurrence time of aerial roots of various varieties under different densities
2.4 无人机吹风对玉米倒伏率的影响
8月5日当天，所有对照的倒伏率均为0%，而吹风处理的倒伏率则发生了巨大变化。从图5可知，随着密度的增加，倒伏率也随之增大，先玉335倒伏最为明显，郑单958次之，宝玉229和宝玉803却未见明显倒伏，宝玉229抗风能力尤为突出，各密度下均无倒伏。
图5 不同密度下各玉米品种吹风当天倒伏率Fig.5 The lodging rate of different maize varieties on the dayof blowing under different densities
吹风处理后，随时间推移，各品种倒伏植株陆续出现自然复直现象。在吹风后第10 d调查倒伏率（见图6），发现多数植株已恢复直立或半直立，在茎基部可观察到明显的向上弯曲。与对照和宝玉229的零倒伏相比，其他品种均存在不同程度的倒伏，倒伏率高低排序未发生变化。
图6 不同密度下各玉米品种吹风后第10 d倒伏率Fig.6 The lodging rate of maize varieties at different densities on the 10th day after blowing
玉米成熟期再次调查吹风处理和对照的倒伏率（见图7），发现除宝玉229和宝玉803外，各品种倒伏率均有明显上升，吹风处理较对照倒伏程度更高，二者趋势相似，但吹风处理下不同品种、不同密度的倒伏率差异更为明显。倒伏率上升和玉米中后期风雨较多、土壤松软有关，另一方面也取决于品种自身的抗倒能力。
图7 不同处理下各玉米品种成熟期倒伏率Fig.7 The lodging rate of various maize varieties at maturity under different treatments
2.5 无人机吹风对玉米产量的影响
玉米倒伏后，原有冠层结构被破坏，光合作用受阻，籽粒灌浆和产量构成因素均受影响[13，14]。为了评估大风对玉米产量的影响，对各小区每0.067 hm2进行收获测产，见图8。无论吹风处理或者对照处理，宝玉229和宝玉803的产量都随密度增加而增加，这主要和二者耐密抗倒性能力较强有关。宝玉229密植增产效应突出，密度为6 000株/0.067 hm2时仍未出现产量拐点，宝玉803密度为4 000～5 000株/0.067 hm2增产明显，但密度为5 000～6 000株/0.067 hm2增产幅度就微乎其微，且已出现少量倒伏。与前二者不同的是，郑单958和先玉335在不吹风且仅有轻微倒伏时，产量随密度增加而增加，在吹风处理下，由于倒伏严重，产量随密度增加呈明显下降趋势。
图8 不同处理下各品种产量对比Fig.8 The yield comparison of varieties under different treatments
3.1 机械吹风鉴定玉米抗倒性的可行性
鉴定玉米抗倒性的手段多种多样[8-11]，而采用灌溉或雨后吹风的方式更加直观和高效。曾经美国先锋公司就利用鼓风机在小区走道吹风，以及用拖拉机牵引顺行吹风以鉴定玉米抗倒性。与之相比，无人机吹风效率更高，且不受行距和田间低矮障碍物的影响。不同之处在于，前者的风向与地面平行，无人机的风向则主要是自上而下和顺行方向。需要注意的是，不同型号的无人机带来的风力大小不同，需要通过预试验确保研究的可靠性，也可结合病虫害的化学防治进行飞行作业。
3.2 创造易于倒伏且可控的鉴定环境
玉米倒伏的外因有水肥管理、种植密度、化学调控、病虫害等[7]，内因有茎秆强度、穗位高度、根系发达程度等。在外因容易导致玉米倒伏的情况下，鉴定玉米的抗倒性更为可靠。因此，本研究采用了播前旋耕、灌溉的方式，让土壤更松软，根系更难支撑；
在抽雄前后进行吹风处理，使气生根尚未发生的品种更易倒伏；
无人机飞行高度距离玉米顶部2 m左右，已达到安全高度下限，此时风力最大；
飞行速度控制在3 m/s，为正常速度的下限，吹风时间更长；
设置适宜的密度梯度，以鉴定不同耐密类型玉米的抗倒性。
3.3 抗倒品种的部分特征
本次试验中抗倒性突出的品种至少具备以下特征：株高中等，穗位高＜100 cm，穗位比＜0.38且相对稳定，气生根应在8月初之前发生，越早越好，全田倒伏率＜5%，在一定范围内产量随密度稳定增长。从试验结果还可得出，各品种在易发生倒伏地区的适宜密度：宝玉229为6 000株/0.067 hm2、宝玉803为5 000～6 000株/0.067 hm2、郑单958和先玉335为4 000株/0.067 hm2。
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